氣象學(xué)與氣候?qū)W

氣象學(xué)與氣候?qū)W》綜述前言：本課程是水文與水資源工程專業(yè)本科生主干課程，主要講述了氣象學(xué)、天氣學(xué)和氣候?qū)W的基本理論和基礎(chǔ)知識。本書除緒論外共有9章。第1-3章是經(jīng)典普通氣象學(xué)的內(nèi)容；第4章是大氣動(dòng)力學(xué)的基本內(nèi)容；第5章是普通氣象學(xué)中相關(guān)內(nèi)容的擴(kuò)展與提高，與水文學(xué)聯(lián)系緊密；第6章和第7章分別是經(jīng)典大氣環(huán)流和天氣學(xué)的內(nèi)容，且前者是后者的背景知識；第8章全球氣候系統(tǒng)則是從5大圈層相互作用的角度論述氣候的成因、氣候的分布及氣候類型；第9章的內(nèi)容是當(dāng)今大氣科學(xué)界最關(guān)心的熱點(diǎn)問題。氣象學(xué)與水文學(xué)有著緊密的聯(lián)系。陸地水文學(xué)是研究陸地上水文循環(huán)規(guī)律的科學(xué)，它包括降水的時(shí)空分布，水面、陸面和植物表面的水分蒸發(fā)，以及地表徑流和河川徑流的形成過程等，也研究地下水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。而降水過程和蒸發(fā)過程都與氣象學(xué)有關(guān)。地表和大氣之間的熱量和水分交換過程，在不同大氣之間有很大差異，在年總量上以及年內(nèi)分配方面都不同，這就導(dǎo)致不同地區(qū)有不同的氣候，也就有了不同的水文現(xiàn)象、不同的河川徑流量及其年內(nèi)分配。河流的封凍與融解、水庫和湖泊的水溫變化與浪涌等水文問題的解決，都要用到氣象學(xué)方面的知識。在水庫設(shè)計(jì)中，水文工作者要提供決定庫容及溢洪道寬度的資料，庫容決定于來水量即流域的降水量和蒸發(fā)量之差，溢洪道寬度決定于流域的降水強(qiáng)度，為解決這些問題也必須用到氣象知識。這就是為什么水文工作者一定要懂得一些氣象學(xué)知識的原因。通過對氣象學(xué)與氣候?qū)W的學(xué)習(xí)，到達(dá)了解大氣科學(xué)基本知識和基本理論，氣象學(xué)的相關(guān)內(nèi)容和氣候的一些成因與分析，以及熱點(diǎn)氣候問題。課程主要內(nèi)容：本課程共有9章，包含有大氣的基本特征、輻射與熱量平衡、大氣熱力學(xué)、大氣的運(yùn)動(dòng)、大氣中的水分、大氣環(huán)流、天氣系統(tǒng)、全球氣候系統(tǒng)和氣候變化及其對水資源的影響。第1章大氣的基本特征，講述了大氣的成分、大氣的垂直結(jié)構(gòu)、大氣的狀態(tài)方程、大氣靜力學(xué)方程及其應(yīng)用和基本氣象要素。大氣是由多種混合氣體和懸浮的固、液態(tài)雜質(zhì)組成。干空氣主要有氮、氧、氬、二氧化碳和臭氧組成。大氣的垂直結(jié)構(gòu)按照大氣的溫度結(jié)構(gòu)可分為對流層、平流層、中間層、暖層和散逸層。大氣的狀態(tài)方程分為理想氣體狀態(tài)方程(p=pRT)、干空氣狀態(tài)方程(pd=PdRdT)和濕空氣狀態(tài)方程(P=P'RTv)。氣象要素有氣溫、氣壓、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、云量、降水量、能見度等。第2章輻射與熱量平衡，有輻射的基礎(chǔ)知識、太陽輻射、地面和大氣的輻射、地面及地氣系統(tǒng)的輻射差額、地面熱量平衡機(jī)地氣系統(tǒng)的熱量收支和地面溫度和氣溫的變化。自然界中，一切物體都以電磁波的形式向外放射熱量。這種遞能量的方式稱為輻射。物體通過輻射放出的能量稱為輻射能。輻射的三大基本定律是普朗克定律、維恩位移定律和基爾霍夫定律。太陽輻射中輻射能隨波長的分布，稱為太陽輻射光譜。太陽常數(shù)為1370W/m2。至I」達(dá)地球上界的太陽輻射為天文輻射，天文輻射能量主要決定于日地距離、太陽高度角和白晝長度。太陽輻射在大氣中的減弱主要是吸收、散射和反射等作用。至達(dá)地表的太陽輻射主要包括太陽直接輻射(其大小主要是由太陽高度角和大氣透明度決定)和散射輻射。地面輻射通量密度主要取決于地面的溫度。大氣對地面輻射吸收式具有選擇性的，其中的水汽、液態(tài)水、二氧化碳和臭氧對長波的吸收和放射起主要作用。輻射差額=收入輻射—支出輻射。熱量的收入和熱量的支出至達(dá)了平衡，這就是熱量平衡。地面溫度的變化有水陸表面熱力情況的差異、陸地表面的溫度隨時(shí)間的變化和水溫隨時(shí)間的變化。氣溫的變化有大氣傳熱的方式、氣溫的日變化和年變化、氣溫的地理分布。第3章大氣熱力學(xué)，包含熱力學(xué)第一定律在大氣中的應(yīng)用、干絕熱過程和位溫、濕絕熱過程、假絕熱過程和假相當(dāng)位溫、熱力圖簡介和部分應(yīng)用、大氣層結(jié)穩(wěn)定度、局部溫度變化的影響因素分析與判斷和大氣中的逆溫。熱力學(xué)第一定律dQ=勿c/T+pdV。如果升降氣塊內(nèi)部既沒有發(fā)生水相變化，又沒有與外界交換熱量，稱這種過程為干絕熱過程。氣塊絕熱上升單位距離時(shí)溫度的降低值，稱絕熱垂直減溫率，簡稱絕熱直減率。對于干空氣和未飽和濕空氣，則稱干絕熱直減率。位溫定義為，氣塊沿干絕熱過程移動(dòng)到標(biāo)準(zhǔn)氣壓(取1000hPa)處所具有的溫度。在某一高度上，其飽和水汽壓等于氣塊的水汽壓，水汽開始發(fā)生凝結(jié)，把這個(gè)高度稱為抬升凝結(jié)高度，簡稱凝結(jié)高度。飽和濕空氣在上升過程中，與外界沒有熱量交換，該過程稱為濕絕熱過程。飽和濕空氣絕熱上升的減溫率，稱為濕絕熱直減率。大氣層結(jié)穩(wěn)定度有判定法和判據(jù)。大氣中的逆溫有輻射逆溫、湍流逆溫、平流逆溫、下沉逆溫和鋒面逆溫。第4章大氣的運(yùn)動(dòng)，由作用在氣塊上的力、大氣運(yùn)動(dòng)方程及其簡化、p坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)方程、自由大氣中的風(fēng)、地球風(fēng)隨高度的變化——熱成風(fēng)、摩擦層中的風(fēng)、水平運(yùn)動(dòng)與垂直運(yùn)動(dòng)的關(guān)系和大氣的垂直運(yùn)動(dòng)組成。作用在氣塊上的力有氣壓梯度力、地轉(zhuǎn)偏向力、摩擦力和慣性離心力。自由大氣中的風(fēng)分為地磚風(fēng)和梯度風(fēng)。地磚風(fēng)隨高度的變化，或上下兩層等壓面地轉(zhuǎn)風(fēng)之差，稱為該兩等壓面間氣層的熱成分。在摩擦層中，空氣的水平運(yùn)動(dòng)因受摩擦力的影響，破壞了地轉(zhuǎn)風(fēng)和梯度風(fēng)中的諸力的平衡關(guān)系，出現(xiàn)了風(fēng)速減小，方向偏離等壓線的現(xiàn)象，如摩擦造成的地轉(zhuǎn)偏差、摩擦力的大氣運(yùn)動(dòng)的影響、摩擦層中風(fēng)隨高度的變化和近地面風(fēng)的季節(jié)性變化和日變化。大氣的垂直運(yùn)動(dòng)按垂直運(yùn)動(dòng)的尺度和成因，通常分為系統(tǒng)性垂直運(yùn)動(dòng)和對流性垂直運(yùn)動(dòng)。第5章大氣中的水分，包括了水循環(huán)、水相變化和飽和水汽壓、蒸發(fā)、水分方程和可降水量、凝結(jié)和降水。通過蒸發(fā)、水汽輸送、降水、地表和地下徑流、下滲和徑流等過程，分布在地球各個(gè)層次的水被連接起來，進(jìn)行著周而復(fù)始的、跨越四大圈層的水分循環(huán)，稱為水循環(huán)。大循環(huán)又稱外循環(huán)或海陸循環(huán)，它是發(fā)生在海洋與陸地之間的水交換過程。小循環(huán)又稱內(nèi)部循環(huán)，是發(fā)生在海洋與大氣(或陸地與大氣)之間的水交換過程。水相變化是指水IDE狀態(tài)變化，水通過相變釋放熱量或吸收熱量，引起氣溫變化。飽和水汽壓是在一定溫度下，從空氣中進(jìn)入水面或冰面的水汽量與從水面或冰面逸散入空氣中的水汽量達(dá)到平衡時(shí)，水汽施加于水面或冰面上的可能最大水汽壓強(qiáng)，其大小與溫度、水的相位、水面曲率、水內(nèi)雜質(zhì)及帶電量有關(guān)系。影響蒸發(fā)的因素有：水源、熱源、飽和差和風(fēng)速與湍流擴(kuò)散。把單位面積整個(gè)大氣柱中的水汽全部凝結(jié)并降至地面的水量稱為可降水量。水汽由氣態(tài)變成液態(tài)的過程稱為凝結(jié)。水汽直接轉(zhuǎn)化為固態(tài)的過程稱為凝華。大氣中凝結(jié)或凝華的必要條件是：有凝結(jié)核或凝華核存在、大氣中的水汽要達(dá)到飽和或過飽和狀態(tài)。地表面的凝結(jié)現(xiàn)象有露、霜、霧凇、雨凇等；霧是近地面空氣的凝結(jié)現(xiàn)象；云是大氣中空氣凝結(jié)現(xiàn)象，是產(chǎn)生降水的預(yù)備條件。降水概述了降水形成的條件、云滴增長方式、降水的種類、降水量的地理分布和季節(jié)分配、降水強(qiáng)度和降水變率。第6章大氣環(huán)流，有大氣環(huán)流形成的主要因子和大氣環(huán)流的平均狀況。第7章天氣系統(tǒng)，有氣團(tuán)與鋒、中高緯度天氣系統(tǒng)、低緯度天氣系統(tǒng)和我國主要天氣過程。因?yàn)檫@兩章都不是重點(diǎn)章節(jié)，所以在此就不在展開論述了。第8章全球氣候系統(tǒng)，是有氣候系統(tǒng)和物理過程、影響氣候的基本因素、氣候分類和中國氣候區(qū)分。氣候系統(tǒng)是決定氣候形成，氣候分布于氣候變化的物理系統(tǒng)。包括大氣圈、水圈、巖石圈、冰雪圈和生物圈。氣候系統(tǒng)具有熱力屬性、動(dòng)力屬性、水分屬性和靜力屬性。氣候系統(tǒng)中的主要反饋過程有：1、水汽-輻射反饋；2、冰雪-反射率反饋；3、云量-地面氣溫反饋；4、二氧化碳-海洋-大氣反饋。影響氣候的基本因素可歸納為：1、太陽輻射；2、宇宙地球物理因子；3、環(huán)流因子；4、下墊面因子；5、人類活動(dòng)的影響。本書主要講述了柯本氣候分類法，即把全球氣候分為A熱帶、B干帶、C溫暖帶、D冷溫帶、E極地帶。我國劃成了6個(gè)氣候帶和一個(gè)高原氣候區(qū)，這就是：1、赤道季風(fēng)氣候；2、熱帶季風(fēng)氣候；3、副熱帶季風(fēng)氣候；4、暖溫帶季風(fēng)氣候；5、溫帶季風(fēng)氣候；6、寒溫帶季風(fēng)氣候；7、高原氣候。第9章氣候變化及其對水資源的影響，包含有氣候變化的歷史事實(shí)、氣候變化的原因、人類活動(dòng)對氣候的影響、氣候變化對水循環(huán)和水資源的影響和氣候變化對策。地球外部與地球內(nèi)部輸向地球及地球表層的物質(zhì)與能量的數(shù)量與強(qiáng)度的變化，以及地球運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的某些變化，都可能激發(fā)發(fā)放的地球表層系統(tǒng)中某些因素的自變化