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1、大气科学的研究内容,大气科学是研究大气各种现象的特征、本质(包括人类活动对它的影响)及其演变规律，以及如何利用这些规律进行天气、气候的监测和预测，从而趋利避害为人类服务的一门学科。,大气科学的研究对象,大气科学的研究对象主要是覆盖整个地球的大气圈，也研究大气与其周围的水圈、冰雪圈、岩石圈和生物圈相互作用的物理和化学过程。,气候系统五大圈层：大气圈，水圈，冰雪圈，岩石圈，生物圈,天气预报分类,天气预报按其预测时间的长短，可分为六种：临近预报（0-3小时）；短时天气预报（3-12小时）；短期天气预报（12-72小时）；中期天气预报（72-240小时）；延伸期预报（10-30天）；短期气候预测（长期
2、天气预报）（30天以上）,大气的组成,干洁大气（即干空气）Clean Air水汽 Moisture悬浮在大气中的固液态杂质 Impurity,地球大气由三个部分组成:,臭氧能够吸收紫外线，减少生物直接遭受紫外线的照射，陆地上的生物便能在此一保护伞下，顺利的生长与繁殖。,臭氧的作用：,对紫外线有着极其重要的调控制作用。,对高层大气有明显的增温作用。,绿色植物进行光合作用不可缺少的原料。,强烈吸收长波辐射（地面辐射、大气辐射），使地面保持较高的温度，产生“温室效应”。,温室效应模式图,Greenhouse effect,二氧化碳（CO2）的作用：,大气中的水汽在天气气候变化中扮演了重要角色，水循环
3、输送了水汽、物质和能量。且水汽能强烈吸收地面放射的长波辐射并向地面和周围大气放出长波辐射，对大气起着“温室效应”。,水汽的作用：,大气的基本物理性质,在气象学上，大气的物理性状主要以气象要素和空气状态方程来表征。一、主要气象要素气象要素是指表示大气属性和大气现象的物理量，如气温、气压、湿度、风向、风速、云量、降水量、能见度等等。,1、定义：单位面积上所承受到的整个空气柱的质量大气的压强。实质：气压的大小决定于整个空气柱质量的多少。2、标准大气压：在纬度为45的海平面上，温度为0时，所测得的水银柱高高为760mm的大气压强，为一个标准大气压（1atm1013.25Pa）。3、单位：1Pa=1N/
4、m2，mb毫巴，Pa帕斯卡 1mb=100Pa=1hPa（百帕）；1atm101325Pa1013.25mb=760mmHg,二、气压（Pressure）,气压的垂直分布 由于大气层的厚度随高度的增高而变薄，空气密度也随高度增高而迅速减小，所以，气压随高度增高而急剧减小。,1、定义：表示大气中水汽量多少的物理量称大气湿度。意义：大气湿度状况直接影响了云、雾、降水等天气现象的形成。,三、湿度（Humidity）,水汽压(e)及饱和水汽压(E),相对温度（f）,饱和差（d）,比湿（q）,水汽混合比（）,露点（Td）,湿度表示方法,水汽压（e）：水汽和其它气体一样也有压力，大气中水汽产生的那一部分压
5、力。水汽含量，水汽压e。单位：hPa,水汽压及饱和水汽压,饱和水汽压（E）：温度一定，单位体积空气中的水汽含量是有一定限度，空气达到此限度时为饱和湿空气，饱和湿空气中的水汽所产生的那部分压力，即最大水汽压。,饱和水汽压（E）saturation vapour pressure,反映空气的最大水汽容纳能力饱和水汽压取决于温度（马格奴斯半经验公式）,定义：饱和湿空气中水汽的分压强。,影响因子：,温度 T E,相对湿度,相对湿度（f）：表示空气中的实有水汽压（e）与同温度下饱和水气压（E）的百分比。即：f=e/E 100%,意义：相对湿度（f）直接反映了空气距离饱和的程度。f 越大，越接近饱和，当达
6、到f=100%时，空气就达饱和状态，此时水汽就要开始凝结。,比湿和水汽混合比,比湿（q）：在一团湿空气中，水汽的质量与该团空气总质量（水汽质量加上干空气质量）的比值，称比湿。即：q=m水/(m干+m水)，其单位是g/g。,水汽混合比（S）：相对湿一团湿空气中，水汽质量与干空气质量的比值称水汽混合比。S=m水/m干，其单位是g/g。,露点,露点（Td）：在空气中水汽含量不变，气压一定下，使空气冷却达到饱和时的温度，称露点温度，简称露点。,含义：气压一定时，露点的高低只与空气中的水汽含量有关，水汽含量越多，露点越高，所以露点也是反映空气中水汽含量多少的物理量。实际大气中，空气常处于不饱和状态，此时
7、露点要比气温低，即露点温度差(Td-T)0。当Td=T时，空气饱和；当Td-T0时，空气不饱和；当Td-T0，空气过饱和。,上述各种表示湿度的物理量：水汽压、比湿、水汽混合比、露点基本上表示空气中水汽含量的多寡。而相对湿度、饱和差、温度露点差则表示空气距离饱和的程度。,各种表示湿度的物理量小结,五、风(Wind),定义：空气的水平运动称为风。风是一个表示气流运动的物理量。它不仅有数值的大小（风速），还具有方向（风向）。因此风是向量（矢量）。风向是指风的来向。地面风向用16方位表示；在16方位中，每相邻方位间的角差为22.5。,大气圈的垂直结构,观测证明，大气在垂直方向上的物理性质是有显著差异的
8、。根据温度、成分、电荷等物理性质，同时考虑到大气的垂直运动等情况，可将大气分为五层。大气科学研究重点：对流层，平流层,对流层（Troposphere,自地面到10km左右）,对流层的主要特点：,对流层是大气的最下层，它的下界为地面，集中3/4大气，90%水汽，云、雾、雨雪等主要大气现象都出现在此层，也是对人类生产、生活影响最大的一个层次，也是大气科学研究的重点层次。,气温随着高度而降低，每升高100m平均降温0.65空气具有强烈的对流、乱流运动，大气污染主要发生在该层温度和湿度等气象要素水平分布不均匀,温度随高度升高而增加平流层这种气温分布特征是和它受地面温度影响很小，特别是存在着大量臭氧能够
9、直接吸收太阳辐射有关。虽然30km以上臭氧的含量已逐渐减少，但这里紫外线辐射很强烈，故温度随高度增加得以迅速增高，造成显著的暖层。,平流层（Stratosphere,自对流层顶到55km）,没有强烈的对流运动平流层内气流比较平稳，空气的垂直混合作用显著减弱，不利于空气对流运动发展。所以叫平流层。水汽、尘埃含量很少平流层中水汽含量极少，大多数时间天空是晴朗的。但有时在20-30km处可看到贝母云，它常出现在冬季极区。平流层中的微尘远较对流层中少，但是当火山猛烈爆发时，火山尘可到达平流层，影响能见度和气温。,平流层,北京,纽约,x,x,北京的西风 Vs 纽约的西风,摩擦力气压梯度力万有引力惯性离心
10、力地转偏向力,真实力,视示力,摩擦力气压梯度力 重力地转偏向力,空气微团的受力情况,地转偏向力的性质：1、大小：与速度成正比2、方向：垂直于地球自转角速度 和速度；所以，地转偏向力不做功，只改变运动方向。背风而立，地转偏向力指向运动方向的右边（北半球）地转偏向力指向运动方向的左边（南半球）,科氏力的方向,重力,旋转坐标系中的重力：单位质量大气所受到的地心引力与惯性离心力的合力。重力垂直于水平面，赤道最小，极地最大。,大气运动方程讨论推导,若：,则，垂直方向上加速度为0，大气的作用力是平衡的，此平衡称为“静力平衡”！,实际大气中，这种情况是近似的，但近似的程度很高；几何高度的增加总伴随着气压的下
11、降，气压和高度总 是相对应的，因此气象上常采用气压作为高度坐标。,1、若等压线为直线，无摩擦,P0P1P2,P2 P1 P0,气压梯度力,地转偏向力,V,气压梯度力与地转偏向力平衡，此时空气块沿等压线作匀速直线运动，这种风称为“地转风”，这种平衡称为“地转平衡”。,气压梯度力+地转偏向力=0,风沿等压线吹，背风而立，高压在右（北半球）,二、水平方向,2、若等压线为圆形，且中心气压高，向外降低，称为“高压”。在 无摩擦情况下：,P0,P1,气压梯度力,地转偏向力,V,惯性离心力,此平衡称为“梯度风平衡”，此时的风称为“梯度风”。,北半球，高压中，风呈顺时针旋转，称为“反气旋”,地转偏向力+惯性离
12、心力+气压梯度力=0,3、若等压线为圆形，且中心气压低，向外升高，称为“低压”，在 无摩擦情况下：,P1,P0,地转偏向力,气压梯度力,V,惯性离心力,地转偏向力+惯性离心力+气压梯度力=0,此平衡称为“梯度风平衡”，此时的风称为“梯度风”。,北半球，低压中，风呈逆时针旋转，称为“气旋”,4、若有摩擦存在，以平行直线等压线为例,P0P1P2,气压梯度力,地转偏向力,F,V,Vg,D,称为“地转偏差”,地转偏差，指向摩擦力的右侧，且与之垂直，指向低压一侧,7、正压大气，斜压大气,正压大气：大气密度的分布仅仅随气压变化，即：斜压大气：大气密度的分布不仅随气压变化，还随温度变化，即：,1.定义：气旋
13、：气旋是占有三度空间的，在同一高度上中心气压低于四周的大尺度涡旋。气旋中的空气在北（南）半球逆（顺）时针旋转。反气旋：反气旋是占有三度空间的，在同一高度上中心气压高于四周的大尺度涡旋。反气旋中的空气在北（南）半球顺（逆）时针旋转。,气旋与反气旋,气旋与反气旋,各种尺度的气旋与反气旋是造成大气中千变万化的天气现象的重要天气系统。气旋一般对应辐合上升运动，而反气旋一般对应辐散下沉运动，所以气旋通常象征阴雨天气，而反气旋象征晴好天气。,气旋示意图,低气压和气旋是同一种天气系统的两种不同称谓。,气旋（低压）,反气旋（高压）,气压状况,气流状况,天气状况,天气实例,示意图,中心气压低于四周,中心气压高于
14、四周,从四周流入中心，中心空气被迫上升（上升气流）,由中心向四周流出，高层空气下沉补充（下沉气流）,上升空气容易凝云致雨，多阴雨天气,下沉气流因升温不易冷凝，天气晴朗,台风,副热带高压,1.涡度的定义：涡度就是用来描述大气旋转程度（旋度）的一个物理量（矢量）。涡度流体质点块的涡旋特征，微观 涡旋运动大尺度环流的旋转特征，宏观 涡旋运动是流体的一种基本运动形式，它表示了流体的转动性质。,垂直涡度的表达式,如果 0，空气质块作逆时针旋转，如果 0，则表示空气质块作顺时针旋转。由上说述，是描写水平速度场旋转特性的物理量。它表示空气质块绕垂直轴的旋转速度。,天气图上定性判断涡度,气团,一.气团的概念：
15、气团气象要素水平分布比较均匀的大范围的空气团 水平尺度：几百几千公里 垂直尺度：几十几公里,二.气团的形成和变性 1.气团形成的两个条件(1).大范围性质均匀的下垫面，将地球表面的空气物理属性（温，湿等）传给大气 气团形成的物理过程：辐射传导和乱流蒸发和凝结大范围的垂直运动,(2).有适当稳定的大气环流条件，使空气团长时间稳定在下垫面上高压系统稳定，且水平范围大。低压系统不稳定，且水平范围小。具备上述两条的地区为气团源地 2.由于下垫面性质以及物理过程的改变而使气团物理属性产生的变化称为气团的变性气团变性暖气团变性慢冷气团变性快,锋的概念,一、锋的概念 1.定义：两个热力性质不同的气团之间的狭
16、窄过度带称为锋。或 两个密度性质不同的气团之间的狭窄过度带称为锋。或 冷暖气团之间的狭窄的过渡带，称为锋。,二、锋的分类 1.按移动分类 a.冷锋：冷气团起主导作用，推动锋面向暖气团 一侧移动，称为冷锋。,b.暖锋：暖气团起主导作用，推动锋面向冷气团一侧 移动，称为暖锋。,c.准静止锋：冷暖气团势力相当，锋面很少移动的锋，称为准静止锋。（6小时无移动，24小时 移动在2个纬度之内）,中性锢囚,d.锢囚锋：由于冷锋移速大于暖锋，冷锋赶上暖锋后把暖空气抬升到高空，近地面层暖锋叠置，冷锋后部的冷气团与暖锋前的冷气团形成交界面，称为锢囚锋。,暖式锢囚,冷式锢囚,厄尔尼诺现象？厄尔尼诺（El Nio）现
17、象，又称圣婴现象，是指赤道中东太平洋的海表温度持续异常增暖现象。El Nio在西班牙语中意为“圣婴”，也可译作“上帝之子”，因为这种赤道中、东太平洋持续异常增暖事件通常在圣诞节前后开始发生。,拉尼娜现象？拉尼娜（La Nia）现象，是指赤道中东太平洋海表温度大范围持续异常偏冷的现象。La Nia在西班牙意为“小女孩”，正好与意为“圣婴”相反，也称为“反El Nio”。,英国数学家沃克爵士（Sir.Gilbert Walker）气压跷跷板：热带东太平洋与热带东印度洋气压场反相变化的跷跷板现象（南方涛动现象）。,南方涛动Southern Oscillation,塔希提岛,达尔文港,当南方涛动指数较
18、高时，东、西太平洋气压差值增大，赤道地区盛行偏东风；当该指数较低时，则东风较弱，在西太平洋地区甚至会出现西风。当赤道东太平洋海温升高时，南方涛动指数减小为负指数；下降时则为正指数。厄尔尼诺期间，东南太平洋气压明显减弱，印度尼西亚和澳大利亚的气压升高。拉尼娜期间的情况正好相反。,气象学家沃克发现：,Jacob Bjerknes将厄尔尼诺（El Nio）与南方涛动（Southern Oscillation）合并为ENSO（音：恩索）。,厄尔尼诺+南方涛动=ENSO（El Nio/Southern Oscillation）,ENSO实际上就是El Nio和Southern Oscillation的简称。ENSO暖事件 ENSO冷事件,思考题,太平洋海面水温分布特征及其主要原因厄尔尼诺和拉尼娜的定义理解ENSO的含义,
