氣象學與氣候學

Meteorology&Climatology

資環(huán)系

●要求：

①掌握基本概念，用基本理論分析，解釋存在于大氣中的天氣、氣候現(xiàn)象，探討當今氣候科學一些前沿問題（作業(yè)）。

②掌握基本分析方法（實測數(shù)據處理）。

③掌握獲?。ǚ治鰡栴}時）基本數(shù)據的技能（觀測點選取、儀器使用）。

●

參考書

（1）周淑貞主編“氣象學與氣候學”第三版.高等教育出

版社.1997.7

（2）中山、蘭州、西北大學地理系合編“氣象學與氣候

學”.人民教育出版社.1979

（3）潘樹榮等編“自然地理學”第二版.高等教育出版

社.1985

（4）余志豪、揚修群、任黎秀等編“厄爾尼諾”.河海大

學出版社.2002.4

(5)楊達源等編“自然地理學”南京大學出版社.2001.2

第一章緒論

大氣圈內的多種氣體、水汽和固體等物質構成了人類和生物生存的自然空間。緊貼地表的對流層大氣的物理現(xiàn)象變化尤其重要，是人類研究環(huán)境的重要對象。大氣的功能使人類受到保護

緒論1.開設該課原因2.學科性質3.教材變化4.結構體系5.課程實習6.相關知識基礎7.有關考試8.課程教學改革的思考

前言一、大氣與自然地理學的相互關系

（1）自然地理學研究內容——

人類生存活動所必需的自然空間，它在

人類社會發(fā)展中，所依賴的是自然環(huán)境與自然資源之間的相互影響關系。

（2）自然地理學包括4個子系統(tǒng)

·

地質地貌系統(tǒng)（巖石圈）

·

大氣與大氣系統(tǒng)（大氣圈）

·

水與水圈系統(tǒng)（水圈）

·

土壤生物生態(tài)系統(tǒng)（生物圈）

（3）大氣圈與各圈層關系

·

大氣圈與巖石圈

氣候條件通過大氣條件的外力作用，對地質、地貌的形成和發(fā)展產生著巨大影響。即大氣條件的外力地質、地貌

·

大氣圈與水圈

通過大氣物理過程、大氣運動，對其（水圈）產生深刻影響。即大氣物理過程、

大氣運動水圈

海洋→空中→海，陸面→海洋的水分大循環(huán)過程海洋大陸地下水徑流海水蒸發(fā)云云暖濕空氣陸地蒸發(fā)30%70%降水降水?

大氣圈與生物圈

通過各種氣候條件，影響和決定各種生存生物的種群及生物生存的生態(tài)系統(tǒng)

①植物生存高度與哪些因素

有關？

②同種植物南北坡種植（生

存）的高度為什么不同？

各種氣候條件生物圈

·

大氣圈不斷對生物圈、巖石圈、水圈發(fā)生作用，而他們反過來又直接影響著當?shù)氐奶鞖?、氣候，從而使地表的自然狀況處在應有的平衡之中。即巖石、水、生物三圈層對大氣圈有反饋作用。NS二、基本概念

·大氣（atmosphere）

包圍地球的圈層氣態(tài)物質——空氣，統(tǒng)稱為大氣。

·氣象（meteor）

大氣中的冷、熱、干、濕、風、云、雨、雪、霧、霜、雷電、光等各種物理現(xiàn)象和物理過程的統(tǒng)稱。

?

氣象學（meteorology）

概念------運用物理學原理和數(shù)學物理方法，研究發(fā)生于大氣中一切物理性質、物理現(xiàn)象和物理過程的大氣學科。

氣象學因國民經濟建設和人民生活要求，已形成眾多分支（大氣物理學，天氣學，農業(yè)氣象學，水文氣象學，航空氣象學，氣候學；各類建設和生活需求——海洋預報、臺風預報、沙塵暴預報、紫外線預報…，穿衣指數(shù)、晾曬指數(shù)、舒適度指數(shù)、大氣環(huán)境指數(shù)、孝喘指數(shù)…）。

中國東北部的沙塵暴〔2002年4月8日〕

中國東北部的沙塵暴〔2002年4月8日〕2002年4月8日(星期一)下午約一時的衛(wèi)星圖片顯示大片沙塵影響著中國東北部地區(qū)、渤海、朝鮮半島及其以東海域。這些沙塵距離香港很遠（超過一千五百公里）及大致向東方向吹去。同時，東海及中國東南部的一道雨帶會將南下的沙塵洗刷掉，因此沙塵暴影響香港的機會很小。2002年4月9日(星期二)下午約一時的衛(wèi)星圖片顯示昨日影響中國東北部地區(qū)的大片沙塵已大致向東移離該區(qū)?，F(xiàn)時由東海伸展至日本的一道雨帶會將南下的沙塵洗刷掉，因此沙塵暴影響香港的機會仍然很微。

?

氣候學（climatology）

概念：某地氣候—在太陽輻射、大氣環(huán)流、下墊面性質和人類活動長時間的相互作用下，某時段內（一般指30年以上）大量天氣過程的綜合。

四個基本特征：

（1）氣候和天氣關系密切，卻是既有聯(lián)系又有區(qū)別的二個不

同概念。

天氣（weather）概念—某地區(qū)，在某短時間內氣象要素（氣溫、氣壓、濕度等）和天氣現(xiàn)象（云、雨、霧等）的綜合。微觀

（2）氣候是長期天氣狀況的綜合。宏觀

天氣過程——短期過程。

天氣特征——瞬息萬變的不穩(wěn)定特性。

氣候過程——長期天氣過程。

氣候特征——相對穩(wěn)定特性。（3）氣候具有顯著的區(qū)域性.規(guī)律

外地氣候規(guī)律不能完全適合于本地，

而本地氣候規(guī)律必須據本地氣候資料并

結合本地的地理環(huán)境來進行探索。

（4）氣候雖具一定穩(wěn)定性，但仍有變化

如：南京春末初夏出現(xiàn)常規(guī)梅雨氣侯，但有些年份則出現(xiàn)無雨的空梅或雨量過多的梅雨現(xiàn)象。第一節(jié)天氣與氣候天氣的概念：指一個地區(qū)短時間內大氣的具體狀態(tài)。例如：三亞市某日的最高氣溫30°C，最低氣溫20°C

，午后有雷陣雨，這些都屬于天氣現(xiàn)象。氣候的概念：指一個地方多年的天氣平均狀況。例如：在中國，東部地區(qū)7月較為悶熱；北方地區(qū)1月和2月多嚴寒天氣；某市年平均氣溫為25°C，昆明四季如春，這些都屬于氣候現(xiàn)象。三研究對象.任務和發(fā)展簡史對象:大氣圈氣候系統(tǒng)任務:3歷史:3-7氣候系統(tǒng)概念:7氣候系統(tǒng)的正負反饋:153

大氣的物質組成（1）干潔空氣（2）水汽（3）固態(tài)、液態(tài)顆粒

大氣由多種氣體（干潔空氣）和水汽及固體粒子三部分物質組成。

（1）干潔空氣大氣的組成

干潔空氣的物質成分，主要由氧(O2)、氮(N2)二種氣體組成，還有能引起氣溫明顯增高的微量氣體二氧化碳(CO2)、臭氧(O3)二種氣體。

0－90km內的干潔空氣各種氣體成分比例基本不變，100km以上氧分子離解為氧原子，250km氮基本離解。

?

氧(O2)

占整個大氣容積23.15％（五分之一以上）的氧，人們一直認為，是綠色植物的光合作用，補足了大氣中因燃燒和生物呼吸作用消耗掉的氧。其實供應大氣中氧的主要來源，是在海洋、湖泊等水體表面的浮游生物——藻類。

如：海洋中含有定量的氧，并同大氣中的氧保持大致的平衡，大氣的氧氣少了，海洋中的氧氣就進來補充。

氧是一切生物生存和消失的基本保證，被人們稱為“有生命的氣體”。維持生命的氣體

氧

若人類生存空間的空氣被嚴重污染后，人們只能靠氧氣袋維持生命，氧對生命太重要了。?

氮(N2)

占整個大氣容積75.52％（3／4以上）的氮，早期來源于小行星與剛形成的地球碰撞產生的氣體中，近期研究發(fā)現(xiàn)雷電是制造天然優(yōu)質的“氮肥廠”。

據測算，一場大雷雨能制造4－5萬噸優(yōu)質氮肥，全年雷雨可制造氮肥1000萬噸以上。

氮能降低大氣氧濃度，緩減氧化作用，并為植物生長時不可缺少的養(yǎng)料。全球每年可從大氣中得到250萬噸氮。?

二氧化碳(CO2)

占空氣容積僅0.05％的二氧化碳，來源—地表火山噴發(fā)、燃料燃燒、動植物呼吸及有機物腐敗等，主要集中在20km以下大氣淺薄底層。含量—城市工業(yè)中心、火山周圍較高，農村較少。

最大特點：對太陽輻射吸收很少，主要吸收和放射長波輻射。對大氣有增溫作用，被稱為“溫室氣體”，直接干擾氣溫垂直變化規(guī)律，間接影響氣候變化。

CO2含量增加導致氣候變暖，受到世界各國關注。在“聯(lián)合國氣候大會”（2000年荷蘭海牙”和“2001年德國波恩）上，用允許造林抵消發(fā)達國家溫室氣體減排指標的妥協(xié)意見，使落實《京都議定書》成為可能。二氧化碳含量逐年遞增

工業(yè)革命以來，人類大量消耗礦物燃料，排出越來越多的co2

，使其呈逐年上升趨勢。?

臭氧(O3)

占空氣容積微不足道的臭氧，其微不足到的變化，對氣溫和氣候影響十分明顯。

來源—低層大氣有機物的氧化和雷電作用（少量）及高層大氣的太陽紫外線作用（大量）。12km－50km含地球大氣90％的量，被稱為“臭氧層”。原因9

最大特點：能大量吸收太陽紫外線增暖氣溫。直接影響氣溫垂直分布規(guī)律，但吸收高層大氣大量太陽紫外線使地表生物和人類免遭傷害。

臭氧受人類不自覺破壞已在極地上空等局部區(qū)域日趨變薄，并已行成空洞，使過多紫外線通過臭氧層空洞進入低層大氣。導致人類眾多疾?。ㄆつw癌、白內障、…）發(fā)生，危害人們健康。大氣臭氧濃度隨高度的變化（引自《大氣科學辭典）大氣臭氧的季節(jié)變化和緯度分布（引自《大氣科學辭典》）

大氣臭氧的分布隨緯度和季節(jié)的不同而不同：對緯度而言，臭氧總量的極小值在赤道附近，極大值在南北緯60o附近；就季節(jié)而言，春季出現(xiàn)極大值，秋季出現(xiàn)極小值。地球：誰破壞了我的

傘？

地球之上的臭氧層如同保護傘，由于人類不自覺的破壞，已形成多處破損，尤其南極上空臭氧層空洞十分明顯，連地球都發(fā)出了疑問？（諷刺）。臭氧空洞

南極上空的臭氧層空洞（美國太空總署發(fā)表衛(wèi)星圖片）2002年比2001年（左圖）縮小近四成，并首次一分為二（右圖）。與冰蓋環(huán)流有關有科學家認為，因污染造成臭氧層空洞并非真的縮小，而是與02年南極上空變暖有關。據2002年2月1日楊子晚報溫室效應和全球變暖

?

大氣中的co2等氣體含量增加，使氣溫升高、氣侯變暖，早成為人們研究重點?！熬┒甲h定書”減少20%的

co2排放量，已成為世界力圖改變和緩和氣侯變暖的方式之一。

?

中國為確保co2減排20%的量，在“十五”其間計劃投入967億元用于co2和酸雨污染防治。（據金性春、2002）（2）水汽

來源—海洋、江、河、湖泊等各種水體、土壤和潮濕物體表面蒸發(fā)和植物蒸騰。

含量—1.5km－2km為地表一半，5km高度僅為地表1／10，隨高度增加迅速減少。

主要特點：①有三相變化，是天氣變化中成

云致雨主要因素。

②

能吸收、放射長波輻射增暖

氣溫。

③能量轉換和物質循環(huán)的途徑海底潛水水汽來源——海洋

海洋—風暴潮長江三峽—巫峽水汽來源—江、河

長江第一灣雅魯藏布江邊水汽來源—江、河廬山——蘆林湖水汽來源—湖泊黃果樹瀑布（3）固態(tài)、液態(tài)粒子

①固態(tài)微粒

主要來源—海浪、風沙、植物及生活生產垃圾。

最大特點：①能夠充當水汽的凝結核。

②能吸收一部分太陽輻射和阻擋地表

放熱，減小氣溫變化振幅。

②液態(tài)粒子

來源—地表各種水體等。

主要特點：①常聚集成云、霧，降低大氣能見度。

②減弱太陽輻射、地面輻射，影響低

層大氣溫度。煙囪林立固態(tài)顆粒來源—

工廠、地表茅山的黃棕壤玉龍雪山

密林深處固態(tài)顆粒來源—

植物、大海（鹽粒）海洋挑戰(zhàn)者

露珠液體顆?！?、過冷水滴小雪花大氣圈層結構

大氣圈下界——地表

大氣圈上界——不同學者研究結果不同。一般按人造衛(wèi)星探測資料為依據，定為

2000km－3000km。

世界氣象組織（WMO）規(guī)定，按氣溫隨高度分布特征，將大氣圈分為五層（對流層、平流層、中間層、暖層、散逸層）。其中，對流層貼近地表，對人類影響最大。

大

氣

的

垂

直

分

層

對流層（troposhere）

對人類生活、生產關系最密切，是氣象、氣候工作者和不同學科科研人員研究的重點層次。

（1）范圍：

H＝0－10km，但因各緯度地表熱量（氣溫）分布不同而厚度不均。原因

低緯度：平均17－18km

中緯度：平均10－12km

高緯度：平均8－9km

?不同區(qū)域、不同季節(jié)其厚度范圍不一。

例：南京夏季厚約15km，冬季厚約11km。（2）對流層特征（三個）

①

氣溫隨海拔高度增加而降低（例：夏季山

地頂上有積雪）。用氣溫垂直遞減率（r）表示(即：單位距離內的氣溫差）。

表達式：r＝－

dT/dZ=0.65℃/100m

式中：負號表示氣溫垂直向上減小，而溫度取正值；dT為垂直高度內溫度的改變量；dZ為垂直高度的改變量。

②

空氣對流運動顯著，天氣現(xiàn)象復雜多變。

③溫、濕度水平分布不均勻。

據不同溫、濕度、氣流運動、天氣變化，對流層可細分為上、中、下三層。

下層（摩擦層）：0－2km

特點—水汽、塵埃含量最高，氣象要素日變化大，低云、霧、霾、浮塵現(xiàn)象頻繁，氣流交換明顯。

中層：2－6km

特點—受地表影響小，大氣降水和云現(xiàn)象發(fā)生層。

上層：6－10km左右

特點—氣溫＜0℃，水汽含量極少，冰晶、過冷水滴（t＜0℃，仍未結冰的水）組成云，中緯度、熱帶常出現(xiàn)風速≥30m／s強風帶。?

對流層頂（tropopause）

（1）范圍：

對流層—平流層間過渡層。

厚度—對流層之上幾百米→2km

（2）特點：

氣溫隨高度增加遞減很慢或幾乎不

變。12.2.2平流層（stratosphere）

（1）范圍：對流層頂－52km

（2）特點：

①平流層下層氣溫受地面影響很小，在25km處形成高空暖區(qū)。臭氧影響

②水汽含量少，氣流十分平穩(wěn)。平流層由此得名，是飛機飛行的理想層次。12.2.3中間層（mesosphere）

（1）范圍：52－80km

（2）特點：

氣溫迅速下降,空氣上下垂直對流旺盛，故被稱作高空對流層。

12.2.4暖層（ionosphere）

（1）范圍：80－800km

（2）特點：

①氣溫隨高度升高明顯，溫度梯度

較大。O2吸紫外線有關

②空氣（大氣）處于高度電離狀態(tài)。12.2.5散逸層（exosphere）

（1）范圍：＞800km

按氣溫分布，為離地表最遠的大氣

層。

（2）特點：

幾乎不受地球引力場作用影響，大氣質點常能自由散逸到星際空間。?

地冕

（1）范圍：

2000－3000km——22000km

（2）特點：

電離氣體組成的稀薄大氣層。大氣圈到星際空間呈逐步過渡狀態(tài)。

大氣物理性狀

一、基本概念

二、氣象要素

氣溫（airtemperature）

概念—

表示空氣冷熱程度的物理量。

（1）攝氏溫標（℃）（celsiustemperaturescale）

0－100℃

（2）絕對溫標（oK）（absolutetemperaturescale）

273－373oK

（絕對零度－273oK

）

（3）華氏溫標（℉）（Fahrenheittemperature

scale）—很少國家用（美國…）32－212℉

三種溫標換算：

?

C=5／9（F－32）

?

F＝9／5(C＋32)

?

K＝C+273

(4)動能與溫度成正比,沸點與氣壓成正比

氣壓（atmospherepressure或barometricpressure)

地表單位面積上承受的大氣柱重量。

某地點氣壓值等于從觀測高度至大氣上界單位面積上承受的大氣柱重量。

（1）毫米水銀柱高度（mmHg→mm）

（2）百帕（hectopascal→hpa）

1百帕（hpa）＝100帕（Pascal→Pa）

1帕（hp）壓力相當于1m2面積上受到1個牛頓的力。

即：1Pa＝1N／m2

（3）毫巴（mb）現(xiàn)已基本不用

1mb＝1hpa＝100Pa＝100N／m2

?

三種氣壓單位換算：

1mb＝1hpa＝0.75mm＝3／4mm

1mm＝1.33mb＝4／3mb＝4／3hpa

?

標準大氣壓（也叫海平面氣壓）：

當選定緯度（φ）＝45°N時，T=0°,海平面上氣壓

為：（P）＝1013.3hpa＝（101325hp）=760mmBAH1H2大氣上界

濕度（humidity）

概念—空氣潮濕程度或水汽含量多少的物理量。

（1）水汽壓（e）和飽和水汽壓（E）

（2）絕對濕度（a）

（3）相對濕度（f）

（4）飽和差（d）

（5）比濕（q）和混合比（γ）

（6）露點（td）（1）水汽壓（e）（water-vapourpressure）和飽和水汽壓（E）（saturationwatervapourpressure）

·

大氣中水汽本身具有的壓力叫水汽壓。單位：mm、hpa

·

飽和濕空氣中的水汽壓叫飽和水汽壓(也叫最大水壓）。

單位：hpa

水面飽和水汽壓隨溫度的變化

（按指數(shù)規(guī)律變化）

飽和水汽壓（E）與溫度（t）按指數(shù)規(guī)律變化。

①溫度高E值大，溫度低E值小。

②降低相同溫度，溫度高的飽和空氣被凝結的水汽多，相反則少。

③溫度低的未飽和空氣，只要降低較少溫度，空氣很快出現(xiàn)飽和。例：廬山山上濕潤，山下干燥。

純水面飽和水汽壓與溫度的定量關系式（馬格奴斯Magnus）

E＝E。?10at／（b＋t）

式中：E－飽和水汽壓，E。＝6.11hpa（氣溫為零攝

氏度時的飽和水汽壓值），t－實際氣（℃），

a、b－經驗系數(shù)（水面a＝7.5，b＝237；

冰面a＝9.5，b＝265.5）

（2）絕對濕度（a）（absolutehumidity）

概念—單位體積空氣中所含的水汽質量（即水汽密度）。單位：g/cm3，g/m3。

大氣中水汽密度現(xiàn)無法用儀器觀測到，往往借助

每天觀測的溫度（T－采用絕對氣溫）和水汽壓（e）值，換算絕對濕度(a)值。

注意：絕對濕度(a)因水汽壓(e)的單位不同，而有

不同關系式。

①e取mm，a取g/m3單位，其關系式為a=289e/T

上式假定：攝氏氣溫16℃時（地面實際氣溫），

a=e數(shù)值相當。

②e取hpa，a取g/m3單位，其關系式為a=217e/T

（3）相對濕度（f）（relationhumidity）

概念——空氣中的實際水汽壓(e)與同溫度下的飽和水汽壓(E)

之比。單位：％

相互關系式：f=e/E×100%

例

T＝0℃e＝6.1hpaE＝6.1hpaf＝e／E×100％＝100％

空氣飽和

T↑T＝10℃e＝6.1hpaE＝12.26phaf＝6.1／12.26×100％＝50％

e＜E

空氣處于

T＝20℃e＝6.1hpaE＝23.38phaf＝6.1／23.38×100％＝26％

未飽和狀態(tài)

T↓

e＞＞Ef＞100％空氣為過飽和狀態(tài)→凝結→降水

由上得到二個事實：

①e不變，溫度逐漸上升，f值逐漸減小?？諝庥娠柡娃D向未飽

和狀態(tài)，出現(xiàn)云霧逐漸消散現(xiàn)象（溫度愈高，f值愈小，愈

遠離飽和；相反愈接近飽和）。

②e不變，溫度逐漸下降，f值逐漸增大。空氣由未飽和→飽和

→過飽和狀態(tài)，出現(xiàn)水汽發(fā)生凝結的云霧，甚至降水現(xiàn)象。（4）飽和差（d）－也叫濕度差

（saturatedodds）

概念—在當時氣溫下應有的飽和水汽壓（E）與實際水汽壓（e）之差。

單位：hpa，mm

飽和差表示實際空氣距離飽和的程度。

表達式：d＝E－e

d＞0空氣遠離飽和狀態(tài)

d＝0（E＝e）空氣達飽和

d＜0空氣達過飽和

（5）比濕（q）和混合比（γ）

概念：一團濕空氣中，水汽的質量與該團空氣的總質量比值叫比濕。單位：g/g

，g/kg

表達式q=mw/（md+mw）

式中：mw－濕空氣質量，md－干空氣質量。

比濕與水汽壓（e，hpa）、氣壓（p，hpa）關系式為

q=0.622e/p（g/g）或q=622e/p（g/kg）

概念：一團濕空氣中，水汽質量與干空氣質量的比值叫混合比。單位：g/g

，g/kg

表達式γ=mw/md

混合比與水汽壓（e，hpa）、氣壓（p，hpa）關系式為γ=0.622e/（p-e）（g/g）或γ=622e/（p-e）（g/kg）（6）露點（Td）（dew－point）

概念—當空氣中水汽含量不變且氣壓一定時，氣溫降低到使空氣剛好達到飽和時的溫度。單位：℃

oK

例：某地某日14點時，t＝30℃、E＝42.5hpa、e＝31.7hpa、f＝31.7／42.5×100％＝74.58％（未飽和）。

當t由30℃降至25℃時，E＝31.7hpa，e＝31.7hpa，f＝100％，此時的t＝25℃即為露點溫度值。

由上證實二個事實

①要使空氣達到飽和出現(xiàn)露點，首先是降低氣溫。②增加水汽含量，使空氣出現(xiàn)飽和達到露點。飽和水汽壓變化曲線（露點定義）

實際大氣處于未飽和狀態(tài)是經常的，飽和狀態(tài)時較少，因此露點溫度總比實際大氣溫度低，只有當空氣在飽和狀態(tài)時，氣溫（t）＝露點溫度（td）。可據t－td之差，判斷空氣的飽和程度。

例：

飽和

f＝100％t＝tdt－td＝0

空氣濕潤、

出現(xiàn)凝結現(xiàn)象

未飽和

f＜100％t＞tdt－td＞0

空氣干燥

過飽和

f＞100％t＜tdt＜td＜0水汽過多、

產生降水

氣溫降低出現(xiàn)露點，是導致水汽產生凝結的重要途徑（水汽→雨水必經之途）。

風（wind）

概念——相對于地表以水平運動為主的空氣運動。用風向、風速表示。

（1）風向

概念—風吹的來向。

南風表示風從南面吹來，一般較暖濕。反之北風表示風從北面吹來，一般較干冷。風有地面風和高空風二種。地面、高空

風向表示

①地面風（見圖）

由16個方位角，從正北開始按順時針方向，每隔22.5°為一方位角。

②高空風（見圖）

由16個方位度，從正北開始按順時針方向，間隔22.5°為一方位度。（2）風速（windspeed）

概念—單位時間里空氣在水平方向上移動的距離。單位:m/s，Km/h，海里/h

三者換算關系表

米/秒公里/時