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1、第三章 大气和气候,专业：遥感科学与技术主讲：张 文,第三章 大气和气候,第一节 大气的组成和热能,1 大气的成分大气的组成成分2 大气的结构大气的分层3 大气的热能4 气温,1 大气的成分,大气成因,干洁空气,通常把除水汽、液体和固体杂质外的整个混合气体，称为干洁空气，简称干空气。在干洁空气中，大约含有 78%的氮气,21%的氧气,0.93%的臭氧,0.0387%的二氧化碳,以及少量的其他气体.空气中还包含着一定量的水汽，平均含量约为 1%.,干洁空气,干洁空气,氧：占大气质量的21，它是动植物生存、繁殖的必要条件。氧的主要来源是植物的光合作用。,干洁空气,氮：占大气的78，性质很稳定，只有
2、极少量的氮能被微生物固定在土壤和海洋里变成有机化合物。闪电能把大气中的氮氧化(变成二氧化氮)为氮肥；,干洁空气,二氧化碳：其含量随地点、时间而异。人烟稠密的工业区占大气质量的万分之五，农村大为减少。同一地区冬季多夏季少，夜间多白天少，阴天多晴天少(植物的光合作用)。能强烈吸收和放射长波辐射，带来“温室效应”；,干洁空气,臭氧：臭氧对太阳紫外辐射有强烈的吸收作用，加热了所在高度（平流层）的大气，对平流层温度场和流场起着决定作用，保护了地球上的生命，臭氧密度在2235公里处为最大。,干洁空气,臭氧层空洞臭氧层的臭氧从1970年代开始，以每十年4%的速度递减的一种现象。在两极地区的部份季节，递减速度
3、还超过每十年4%，而在春季时连对流层的臭氧也在减少，形成所谓臭氧层空洞。,北极：温暖的1984年和极端寒冷的1997年,2006年9月测定的南极上空已知最大的臭氧层空洞,水汽,水汽,悬浮颗粒,悬浮颗粒,悬浮颗粒,大气中的主要污染物,机动车尾气污染,电厂排污,农民燃烧秸秆,由中信广场鸟瞰,广州,北京,德国 法兰克福,南非开普敦,美国Mont.州Butte市,南极臭氧洞,大气污染,酸雨对石像的腐蚀,腐蚀狮身人面像,酸雨使森林枯萎,2 大气的结构,大气质量,大气压力,大气压力,高压与低压,大气压力,气压垂直梯度,气压垂直梯度,大气分层,对流层,垂直对流,垂直对流,对流层,对流层,平流层,平流层,中间
4、层,夜光云,暖层,暖层,暖层,暖层,高频活动电离层研究计划（High Frequency Active Auroral Research Program，HAARP）HAARP拥有目前世界上功率最强大的、既非商业也非民用的短波无线电发射器，称为电离层加热器（Ionosphere Heater,IH）。,散逸层,散逸层,根据宇宙火箭探测资料表明，地球大气圈之外，还有一层极其稀薄的电离气体，其高度可伸延到22000公里的高空，称之为地冕。地冕也就是地球大气向宇宙空间的过渡区域。人们形象地把它比作是地球的“帽子”。,3 大气的热能,太阳辐射,太湖日出,黄山日落,太阳辐射,太阳辐射,太阳辐射,大气能量
5、及其保温效应,大气能量及其保温效应,大气窗口太阳辐射经过大气传输后，主要是反射、吸收和散射的共同影响衰减了辐射强度，剩余部分即为透过的部分。对遥感传感器而言，只能选择透过率高的波段，才对观测有意义。只有位于大气窗口的波段才能被用于生成遥感图像。在VISIR区段，常用的大气窗口有：0.31.3m、1.51.8 m、2.02.6 m、3.0-4.2 m、4.35.0 m、814 m。在微波区段，主要采用的大气窗口为8mm附近和频率低于20GHz的波段。,大气窗口0.31.3 m，即紫外、可见光、近红外波段。这一波段是摄影成像的最佳波段，也是许多卫星传感器扫描成伤的常用波段，如Landsat卫星的T
6、M14波段SPOT卫星的HRV波段。1.5l.8m和2.03.5m，即近、中红外波段；是白天日照条件好时扫描成像的常用波段，如TM的5，7波段等，用以探测植物含水量以及、云、雪，或用于地质制图等。3.55.5m，即中红外波段。该波段除通透反射光外，也通透地面物体自身发射的热辐射能量。如NOAA卫星的AVHRR传感器用3.553.93mm探测海温度，获得昼夜云图。814m，即远红外波段。主要通透来自地物热辐射的能量，仅适于夜间成像。0.82.5cm，即微波波段。由于微波穿透云雾能力强，这一区间可以全天候观测，而且是主动遥感方式，如侧视雷达。Radarsat的卫星雷达影像也在这一区间，常用的波段为
7、0.8cm、3cm、5cm、10cm，甚至可将该窗口扩展至0.05300cm。,大气能量及其保温效应,大气能量及其保温效应,大气的保温效应大气辐射向下指向地面的部分，方向与地面辐射相反，称为大气逆辐射。大气逆辐射几乎全部为地面所吸收，这对地面因辐射而损耗的能量得到一定的补偿，所以大气对地面有保温作用。这种作用称为大气保温效应或温室效应或花房效应。,南太平洋岛国图瓦卢，从 2002 年起正式举国迁往新西兰。,下一个会是谁？,冰川加速消融,原来空的海湾,卫星照片揭示南极冰架50亿立方冰体崩塌全过程,2002年3月,冰架崩落,冰体充满海湾,冰山向外漂移,3 地气系统的辐射平衡,3 地气系统的辐射平衡
8、,地气系统的辐射平衡,3 地气系统的辐射平衡,4 气温,气温,气温的周期性变化,气温的周期性变化,气温的周期性变化,气温的水平分布,气温的水平分布,我国实测最低气温 53，黑龙江漠河,漠河,我国实测最高气温48.9，新疆吐鲁番,火焰山,90，南极,北极,气温的垂直分布,气温的垂直分布,第二节 大气水分和降水,1 大气湿度,湿度的概念及其表示方法,湿度的概念及其表示方法,相对湿度的确定,湿度的概念及其表示方法,湿度的变化与分布,湿度的变化与分布,2 蒸发和凝结,2 蒸发和凝结,蒸发及其影响因素影响蒸发的因素：其影响因素主要包括蒸发面的温度、性质、性状、空气湿度、风等；蒸发量：因蒸发而消耗的水量，
9、以水层厚度mm表示。蒸发1mm厚的水，相当于1m2面积上蒸发1000g的水量。蒸发速率：单位时间从单位面积上蒸发出来的水分质量，单位为gcm2s。当eE时，出现蒸发。蒸发受气象因子和地理环境影响。蒸发面温度越高，蒸发越快、蒸发量越大。蒸发量变化与气温变化基本一致，即每天午后最大日出前最小；夏季大冬季小；海洋大、大陆小。,2 蒸发和凝结,凝结和凝结条件凝结：凝结是发生在f=100%(e=E)过饱和情况下的与蒸发想法的过程。大气中水汽凝结的两个必备条件：空气中的水汽要达到饱和与过饱和；要有凝结核。凝结核：指具有吸湿性、可作为水汽凝结核心的微粒。含量随高度递减；陆地多海洋少；城市多乡村少，工业区最多
10、。一是对水汽有吸附作用；二是形成的滴粒较大，有助于水汽继续凝结。,2 蒸发和凝结,3 水汽的凝结现象,春露,秋霜,3 水汽的凝结现象,松花江畔,雾淞,雾淞,江西三清山（2010年12月）,雨淞,3 水汽的凝结现象,辐射雾：江城武汉,平流雾：山东蓬莱,平流雾：山东烟台,蒸气雾：江苏淮安里运河,城市之雾2,城市之雾,山地之雾,峨眉云海,伦敦之雾,3 水汽的凝结现象,3 水汽的凝结现象,云的分类,3 水汽的凝结现象,云的结构,积云，平底，向上发展,积雨云在13分钟内的发展,积雨云在13分钟内的发展,强烈发展的积雨云1,强烈发展的积雨云,强烈发展的积雨云2,强烈发展的积雨云,强烈发展的积雨云3,强烈发
11、展的积雨云,层积云,层云,雨层云,高层云,高积云,卷云1,卷云,卷云2,卷云,卷云3,卷云,卷层云1,卷层云,卷层云2,谚语“日晕风，月晕雨”:表示已经有锋面或低气压自远方接近，是为天气转坏的前兆。,卷层云,卷层云3,卷层云,卷积云,波状云1,波状云,波状云2,波状云,旗云（地形云）,火山云,美国圣劳伦斯火山,UFO云（地形云）,法国,荚状云（地形云）,镜状云（地形云）,4 大气降水,4 大气降水,降水的形成降水形成的两个基本条件：雨滴下降速度超过上升气那个流速度；雨滴从云中降落到地面前不至于完全被蒸发。云滴凝结（凝华）增长指水汽分子凝结（凝华）在云滴（冰晶）表面上，使云滴（冰晶）增长的过程。
12、,过冷水滴蒸发冰晶凝华增长,小水滴蒸发大水滴凝结增长,暖水滴蒸发冷水滴凝结增长,4 大气降水,4 大气降水,云滴的冲并增长是指两个或两个以上的水滴相碰合并而增大的过程。下降时，大水滴追上小水滴；上升时，小水滴追上大水滴，都会发生碰并，使云滴迅速增大。在云滴增长过程中，初期以凝结（凝华）增长为主，后期则以冲并增长为主，尤其在低纬度地区的暖云降水，碰并增长更为重要。,4 大气降水,人工降水：借助催化剂，改变云滴的性质、大小和分布状况。基本方法：冷云催化：人工增加冰晶，产生冰晶效应。干冰（降温自生冰晶）；人工冰核（碘化银、氯化汞等）；暖云催化：提供大水滴，促进凝结、碰并增长。方法：氯化钠、氯化钾等吸
13、湿性物质.,人工增雨,火箭,高炮,碘化银增雨,宁夏20030406,4 大气降水,4 大气降水,思考：雷阵雨属于哪一种降水呢？,雷阵雨是蒸发到午后再而降雨，为对流雨,4 大气降水,降水的时间变化降水强度划分标准,4 大气降水,4 大气降水,4 大气降水,4 大气降水,降水的空间分布,第三节 大气运动和天气系统,1 大气的水平运动2 大气环流3 主要天气系统,1 大气的水平运动,基本概念空气的水平运动称为风，地球上大气的运动形式以水平运动最为广泛和持久。空气的垂直运动称为上升气流或下沉气流。,1 大气的水平运动,1 大气的水平运动,水平气压梯度力水平气压梯度力使空气从高压区流向低压区，是大气水平
14、运动的原动力，其表达式为：,G 水平气压梯度力；空气密度；p 两条等压线之间的气压差；n 两条等压线之间的垂直距离；p/n 为水平气压梯度；“”负号表示方向由高压指向低压。,1 大气的水平运动,1007,1005,1003,1001,气压梯度大,气压梯度小,等压线疏密与气压梯度大小,气压梯度,1 大气的水平运动,地转偏向力由于地球转动而使在地球上运动的物体发生方向偏转的力，称为地转偏向力。水平地转偏向力的计算公式：,m:空气质量；v:风速；:地球自转角速度；j:地理纬度。地转偏向力是使运动空气发生偏转的力，它总是与空气运动方向垂直。在北半球，它使风向右偏；它的大小与风速和纬度成正比，在赤道为零
15、，随纬度而增大，在两极达最大。,对动力很大的汽车、飞机以及人的运动而言，地转偏向力可忽略不计。但在讨论大范围空气运动时，地转偏向力因与水平气压梯度力相近，必须考虑。,1 大气的水平运动,惯性离心力离心力是指空气作曲线运动时，受到一个离开曲率中心而沿曲率半径向外的作用力。这是空气为了保持惯性方向运动而产生的，所以称为惯性离心力。计算公式：,C 离心力；V 空气运动速度；r 曲率半径。,在一般情况下，空气运动路径的曲率半径很大，惯性离心力远小于地转偏向力；但在空气运动速度很大而曲率半径很小时，如龙卷风、台风，离心力很大，甚至超过地转偏向力。,1 大气的水平运动,1 大气的水平运动,1 大气的水平运
16、动,梯度风自由大气中，当空气作曲线运动时，水平气压梯度力G、地转偏向力A和惯性离心力C三个力达到平衡时的空气水平运动，称为梯度风。,L,H,G,A、C,G、C,A,V,V,G,A,Vg,北半球,逆时针,顺时针,L,H,地转风,以北半球圆形等压线为例，在低压中，气压梯度力 G指向低压中心，而地转偏向力 A和惯性离心力 C都指向外，而且 A C G，由于地转偏向力和惯性离心力都与风向垂直，所以梯度风的方向是沿着等压线按逆时针方向吹；在高压中则相反，G C A，梯度风绕高压中心按顺时针吹。南半球的情况刚好相反。,1 大气的水平运动,1 大气的水平运动,2 大气环流,全球环流,全球气压带全球七个纬向气
17、压带赤道低压带；极地高压带；副热带高压带；副极地低压带。,全球环流,气压带口诀高气压带四，低气压带三：南北五度间，高温气上翻，赤道低气压，降水造方便；南北三十度，气流下偏转，副热高气压，少雨常干旱；极地气压低，靠近两极点；南北六十度，副极低压然。,全球环流,全球环流,东南及东北信风图,全球环流,西风带的形成,40S 60S 盛行西风带,开普敦,好望角,40S60S 盛行西风带,全球环流,全球环流,经向三圈环流,65N,N,S,30N,30S,65S,H,H,H,H,L,L,L,E,E,NE,SE,W,W,W,W,W,W,极地高压,副极地低压,副热带高压,赤道低压,副热带高压,副极地低压,极地高
18、压,0,全球环流,全球环流,全球环流,季风环流,季风环流,季风的成因海陆风白天：陆地温度上升快，海洋温度上升慢风从海洋吹向陆地；晚上：陆地温度下降快，海洋温度下降慢，风从陆地吹向海洋,季风是因为大范围海洋和陆地对于太阳辐射年变化的反应差异不同造成,北半球冬季气压中心,亚洲高压,阿留申低压,冰岛低压,副 极 地 低 气 压 带,冬季，大陆降温比海洋快，大陆形成冷高压,北半球夏季气压中心,印度低压,夏威夷高压,亚速尔高压,副 热 带 高 气 压 带,夏季，大陆增温比海洋快，大陆形成热低压,季风环流,季风区分布,亚洲季风区,非洲季风区,澳洲季风区,约在 30W 170E，20S 35N的范围，其中以
19、东亚和南亚的季风最显著。,东亚季风范围广、强度大，冬季风强于夏季风。南亚季风（印度季风），夏季风强于冬季风。,季风环流,夏季，在大陆地表形成并保持的低压槽称为季风槽，导致低层大气往这个地带辐合，进而形成雨带。,季风槽,季风环流,季风的特点涵盖的范围广带来大量的降雨,季风环流,东亚季风与南亚季风,季风环流,思考：我国的季风区分布,不毛之地,鱼米之乡,撒哈拉沙漠,长江中下游平原,干旱,湿润,？,从太平洋带来的暖湿气流使我国东部地区降水丰沛，形成了森林、草原景观，农业生产也生机勃勃。例如，长江中下游地区，由于降水丰富（水热同期），为亚热带常绿阔叶林景观，一年四季，大地呈现出一派绿色，水网密布；而纬度
20、位置大致相同的非洲撒哈拉地区，常年受副热带高压的影响，降水稀少，形成沙漠景观。,季风环流,季风环流,青藏高原的隆起加强东亚季风，形成东部湿润气候。造成西北干旱。形成沙漠。形成高原季风，加强高原季风环流。造成四川盆地易出现梅雨季节。,季风环流,受热带海陆热力差异的调控，水汽被输送到南亚南部，形成南支季风环流；受伊朗青藏高原感热气泵影响，水汽被输送到南亚北部，产生强降水，形成南亚北支季风；其他水汽则在海陆对比和青藏高原热力强迫作用下到达东亚地区，维持东亚季风。,季风观测实验,1998年5月1日8月31日进行的南海季风试验(SCSMEX)是一个多国、多地区的气象、海洋等研究机构共同完成的项目，该试验
21、包括无线电探空、地面观测、雷达、科学考察、无人飞机、卫星观测、海洋边界层和通量观测、综合探空系统、辐射、浮标、ADCP、CTD和AXBT等主要观测平台其科学目的是为了更好的了解东南亚和中国南海地区的季风爆发、维持和变化的主要物理过程，从而改进对季风的预报。,小结,季风环流,概念,成因：,海陆热力性质差异气压带和风带的季节移动,风向,东亚地区：冬季西北季风 夏季东南季风,南亚地区：冬季东北季风 夏季西南季风,局地环流,海陆风,局地环流,山谷风,局地环流,梵风形成示意图,局地环流,迎风坡,背风坡,3 主要天气系统,大气中引起天气变化的各种尺度的运动系统称为天气系统。根据水平尺度和生命史，可对天气进
22、行分类。,3 主要天气系统,气团和锋,气团和锋,气团和锋,气团和锋,锋及其分类指两种性质不同的气团相遇时，在它们之间形成一个狭窄的过渡带。通常把锋看成是一个几何面，称为锋面，锋面与地面的交线称为锋线。锋面和锋线统称为锋。,冷气团,暖气团,地面,对流层顶,下界,上界,宽度,高度,气团和锋,气团和锋,锋面云,气团和锋,锋面天气:指锋附近的云、降水、风等气象要素的分布状况。锋面性质不同，锋面天气也不同。冷锋天气一型冷锋：移动慢，锋面坡度较小（1100）。锋后为稳定性降水区。由于移动慢，暖空气上升较慢较平稳而出现层状云，降雨缓和。过境时气温下降，气压升高。,冷锋,二型冷锋：移动快，锋面坡度较大（140
23、180），云雨区较窄。由于移动快，暖空气受冷空气猛烈冲击快速上升而成浓厚的积雨云，常有雷雨狂风。过境时气温急降，但时间短暂，锋线一过天气转晴。,气团和锋,暖锋天气：锋面坡度小（1150）。锋前为较宽的连续性降水区，广阔的云雨区连绵数百公里，造成持续不断的降雨。暖锋会使所经过地区的气温增高。,暖锋,气团和锋,冷锋与暖锋天气,冷锋,暖锋,锋后,锋前,锋后,锋前,锋后降水区,锋前降水区,气团和锋,准静止锋,气团和锋,锢囚锋天气：是两个移动锋面相遇形成的，其云系具有两种锋面的特征，锋面两侧都有降水区,锢囚锋,锢囚锋天气,冷空气,凉空气,冷空气,凉空气,暖空气,冷锋,暖锋,暖空气,暖空气,大雨,小雨,锢
24、囚锋,锢囚锋,气旋和反气旋,气旋和反气旋,热带气旋按中心附近地面最大风速划分,气旋和反气旋,气旋和反气旋,台风形成过程,台风形成过程,菲律宾,菲律宾,菲律宾,菲律宾,热带扰动，台风形成前一天,热带低压形成,加强为热带风暴,台风形成,气旋和反气旋,台风“丽莉”,国际空间站，2002年,台风“丽莉”约15浬宽的“台风眼”,大风区,台风眼,暴雨带,暴雨带,500 km,台风的结构与天气,气旋和反气旋,台风的命名根据世界台风委员会第31届会议的决议，从2000年1月1日起，采用具有亚洲风格的名字对西北大西洋和南海生成的热带气旋进行命名，旨在帮助人们对热带气旋提高警觉，增强警报效果。由亚太地区的中国、中
25、国香港、中国澳门、日本、柬埔寨、老挝、马来西亚、密克罗尼西亚联邦、菲律宾、朝鲜、韩国、泰国、美国和越南等14个成员一共提供140个名字（每个成员提供10个名字）。由我国提供的10个名字是：龙王、玉兔、风神、杜鹃、海马、悟空、海燕、海神、电母、海棠。,台风杰拉华Jelawat,马来西亚淡水鱼，2000年,根据规定，一个热带气旋在其整个生命过程中无论加强或减弱，始终保持其名字不变。,台风蝴蝶Wutip,澳门昆虫，2001年,台风米娜Mitag,密克罗尼西亚女士名，2002年,台风鸣蝉Maemi,朝鲜昆虫，2003年,2010年台风及热带风暴,2010年第二号台风“康森”,2010年台风及热带风暴,
26、2010年第十一号超强台风“凡亚比”,2010年台风及热带风暴,2010年第十三号超强台风“鲶鱼”,2011年台风及热带风暴,2011年第1号热带风暴“艾利”国际编号为1101，英文名Aere。该名字来源于美国，马绍尔语，意思是风暴。,2013年台风及热带风暴,2013年超强台风天兔国际编号1319,气旋和反气旋,第四节 气候的形成,1 气候和气候系统2 气候的形成3 气候带和气候型,1 气候和气候系统,1 气候和气候系统,万条垂下绿丝绦,气候,映日荷花别样红,气候,霜叶红于二月花,气候,窗含西岭千秋雪,气候,1 气候和气候系统,2 气候的形成,气候形成的辐射因子气候形成的环流因子气候形成的地
27、理因子,气候形成的辐射因子,气候形成的辐射因子,气候形成的环流因子,夏季海洋气温分布,冬季海洋气温分布,气候形成的环流因子,气候形成的环流因子,气候形成的环流因子,背景：赤道太平洋水温分布东冷西暖,气候形成的环流因子,背景：赤道太平洋水温分布东冷西暖,气候形成的环流因子,沃克环流（正常状态）,沃克环流（厄尔尼诺状态）,气候形成的环流因子,气候形成的环流因子,厄尔尼诺的影响（夏季）,厄尔尼诺的影响（夏季）,厄尔尼诺的影响（冬季）,厄尔尼诺的影响（冬季）,厄尔尼诺现象已经发生了27次,1550 2003 年,洪水,广西梧州，2005.06.,蝗虫灾害4,蝗灾,气候形成的地理因子,3 气候带和气候型
28、,低纬度气候中纬度气候高纬度气候高地气候,低纬度气候,低纬度气候,热带雨林1,热带雨林,低纬度气候,撒哈拉沙漠3,撒哈拉沙漠,非洲猎人,撒哈拉沙漠,中纬度气候带,中纬度气候带,中纬度气候带,中纬度气候带,意大利地中海岸,意大利地中海岸,中纬度气候带,内蒙的草原2,内蒙的草原,高纬气候,针叶林1,针叶林,高纬气候,苔原,苔原,阿拉斯加,南极,高地气候,藏南,拉萨全景,拉萨全景,布达拉宫,第五节 气候变化,1 气候变化简史2 气候变化原因3 未来气候的可能变化,1 气候变化简史,1 气候变化简史,1 气候变化简史,8亿年以来的气候变化,间冰期,今天,震旦纪大冰期,石炭纪 二叠纪大冰期,三叠纪 第三
29、纪大间冰期,第四纪大冰期,1 气候变化简史,历史时期的气候变化第一寒冷期：80009000年前；第一温暖期：约7000年前；第二寒冷期：公元前5000公元前1500年；第二温暖期：约4000年前；,第三寒冷期：公元前1000公元100年；第三温暖期：公元9001300年；第四寒冷期：公元15501850年；,1 气候变化简史,1 气候变化简史,近代以来的气候变化,波动上升,变冷,变暖,2 气候变化的原因,3 未来气候的可能变化,回顾本章重点内容,本章小结,小结：大气运动在全球水、热平衡中起着独特的作用，其水热状况对比与分布，对地表自然景观的形成和地域分异有着深刻的影响；气候形成的主要因素（天文、地质、人类活动）。,作业,1.分析厄尔尼诺现象出现的原因，并举出具体的实例。,本章结束,
