南信大气象学与气候学 - 第一章 绪论.ppt

气象学与气候学,王志福 南京信息工程大学 大气科学学院 zfwangnuist.edu.cn,2,气象学与气候学,3,课程简介,课时安排 总学时：32学时（1-17周） 讲授为主 考核方式 平时成绩（书面作业、出勤） 期末考试,气象学与气候学,4,课程主要内容,第一章 绪论 第二章 大气的热能 第三章 大气中的水 第四章 大气的运动 第五章 气候的形成和分布 第六章 气候变化,气象学与气候学,气象学与气候学,第一章 绪论,6,第一章 绪论,第一节 学科的研究对象、任务、简史 第二节 气候系统概述 第三节 大气的基本物理性状,气象学与气候学,9,2、气候学的概念,气候的一般概念 我国古代，“五日为候，三候为气，六气为时，四时为岁，每岁二十四节气，七十二候应。” “节气”；“候应” 气候,气象学与气候学,10,2、气候学的概念,气候的定义：在太阳辐射和气候系统各子系统相互作用下，某一区域在某一特定时段内大量天气过程的多年平均状况及其极端情形。 天气：某一地区在某一瞬间或某一短时间内大气现象（风、云、雨、雪、干、湿、雷、电等）及其状态（温度、压强、湿度、密度等）的综合。,气象学与气候学,11,世界1月海平面气温（摄氏度）的分布,气象学与气候学,12,过去157年来地球表面平均气温变化,时间（年）,气象学与气候学,13,3、天气与气候的联系和区别,两者存在统计联系 气候是大量天气过程的综合 包含天气平均状态和极端状态 区别： 时间尺度 变化特点 影响因子,气象学与气候学,14,4、发展简史,1）萌芽时期：公元16世纪中叶以前 零星的、局部的气象观测 感性认识和经验形成阶段，以文献记录和现象描述为主 我国曾居于世界领先 殷代： 风、云、雨、雪等文字记录 春秋战国：“二十四节气” 气象观测仪器 古希腊,气象学与气候学,15,4、发展简史,2）发展初期：16世纪中叶到19世纪末 观测方面：气象仪器的发明、建立地面气象观测站和观测网，开始气象要素的观测和积累,气象学与气候学,16,4、发展简史,理论研究方面：气象学和气候学由单纯定性的描述进入了可以定量分析的阶段，逐渐发展为独立的学科,气象学与气候学,17,4、发展简史,3）发展时期：20世纪以来 早期：20世纪前五十年 观测方面： 地面观测内容更加丰富和精确，观测站网扩大 气象观测从地面向高空发展 1928年苏联莫尔恰诺夫发明无线电探空仪,气象学与气候学,18,4、发展简史,理论研究方面： 锋面气旋学说 长波理论 降雨学说 创立了气候型的概念、几种气候分类法、出版了五卷气候学手册 Walker提出三大涛动概念，把大气活动中心和世界气候联系起来 （NAO，NPO，SO）,气象学与气候学,19,4、发展简史,近期：20世纪中叶以后 观测方面： 先进的观测技术 常规气象观测网的加密 开展大规模的综合观测试验,气象学与气候学,20,全球监测系统,气象学与气候学,21,气象学与气候学,22,气象学与气候学,23,气象学与气候学,24,GEWEX观测区域示意,气象学与气候学,25,气象学与气候学,26,4、发展简史,理论研究方面： 建立数值模式，进行定量数值模拟试验，使气象学、气候学进入试验科学阶段，进行数值模拟和预测 气候学领域中的科学革命 国际上召开了一系列气候学术会议、提出了气候系统的概念和世界气候计划（WCP）、成立了政府间气候变化专业委员会（IPCC）、提出了世界气候框架公约,气象学与气候学,27,气候学术会议,气象学与气候学,28,气候学术会议（续）,气象学与气候学,29,胡锦涛主席出席联合国气候变化峰会 （2009年9月22日，美国纽约）,中国国家元首首次在联合国论坛上就气候变化问题阐述中方立场，国际社会给予高度关注,胡锦涛主席在联合国气候变化峰会开幕式上讲话，明确： 加强节能、提高能效工作，争取到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年有显著下降。 大力发展可再生能源和核能，争取到2020年非化石能源占一次能源消费比重达到15左右。 大力增加森林碳汇，争取到2020年森林面积比2005年增加4000万公顷，森林蓄积量比2005年增加13亿立方米。 大力发展绿色经济，积极发展低碳经济和循环经济，研发和推广气候友好技术。,气象学与气候学,30,4、发展简史,我国气象事业发展 观测方面 50年代：开始大规模建立气象观测网 70年代：开始建立天气雷达网 1979年：实施中国青藏高原气象科学试验 1985年：建立中国南极长城站气象站 开展大规模野外综合试验,气象学与气候学,31,4、发展简史,理论研究方面 1961年：曾庆存提出半隐式差分格式求解大气运动原始方程组 1965年：开始数值天气预报业务等等 我国气象学、气候学的奠基人竺可桢 物候学 1972年，中国近五千年气候变迁的初步研究 1987年成立了国家气候委员会、组织编写了国家气候蓝皮书、制定了国家气候研究计划,气象学与气候学,32,第一章 绪论,第一节 学科的研究对象、任务、简史 第二节 气候系统概述 第三节 大气的基本物理性状,气象学与气候学,33,1、气候系统的概念,气候系统是由大气圈、水圈、陆地表面（岩石圈）、冰雪圈和生物圈等组成的，能够决定气候形成、气候分布和气候变化的统一的物理系统。 五个组成部分： 大气圈 (atmosphere) 、 水 圈 (hydrosphere)（海洋） 岩石圈 (lithosphere) （陆地表面） 冰雪圈 (cryosphere) 生物圈 (biosphere),气象学与气候学,34,34,气候系统 大气圈、水圈、陆地表面、冰雪圈、生物圈,气象学与气候学,35,气候系统的控制与强迫因子,外强迫： 太阳辐射 地球轨道参数 太阳常数的变化等 地球重力场 内强迫：各子系统的变化、演变等 大陆漂移 地形变化,气象学与气候学,36,气象学与气候学,37,系统内部的能量形式与物理过程,能量： 辐射能、热能、位能、动能、化学能、电磁能等 过程： 动力过程、热力过程、能量的转换、物理量的输送等 反馈： 各种因子的相互作用和反馈,气象学与气候学,38,2、气候系统各子系统的特征,（1）大气圈 1）组成：干洁空气、水汽、固态和液态微粒（气溶胶粒子） 2）水平尺度与垂直尺度：106m / 104m 3）动力、热力性质： 热惯性小：其热力响应时间约为1个月 输送作用强：热量、水汽、动量、气溶胶、CO2、O3等 动力作用活跃：水平运动和垂直对流，形成各种天气现象,气象学与气候学,39,大气的气体组成成分,气象学与气候学,40,H2O是大气中唯一具有三态的气体，在大气中的含量不定,气象学与气候学,41,臭氧浓度随高度的分布,气象学与气候学,42,太阳辐射,长波辐射,温室效应（Greenhouse Effect）,气象学与气候学,43,大气的保温效应（温室效应）,大气中的温室气体对太阳辐射的吸收很少，但却能强烈地吸收地面辐射，同时又向地面放射长波辐射，补偿地面因放射辐射而损失的能量，使地面气温升高的效应。,气象学与气候学,44,排放温室气体的人类活动,化石能源燃烧活动（CO2等） 化石能源开采过程（CO2和CH4） 工业生产过程（CO2） 农业和畜牧业（CH4） 废弃物处理（CH4和N2O） 土地利用变化（CO2）,气象学与气候学,45,固态微粒 液态微粒,气溶胶 (Aerosols),气象学与气候学,46,火山灰,气象学与气候学,47,6月7日，阿根廷首都布宜诺斯艾利斯被火山灰颗粒形成的云雾笼罩。,智利南部普耶韦火山6月4日起开始喷发,气象学与气候学,48,气溶胶的阳伞效应,气溶胶对太阳辐射的散射和吸收，使到达地面的太阳辐射减弱，引起地面气温的下降，其效应类似于阳伞效果，故称为阳伞效应。,气象学与气候学,49,4）大气的垂直结构,根据垂直方向上大气温度变化、运动状态、密度及成分的变化等，将大气分为：对流层、平流层、中间层、热层、散逸层,气象学与气候学,50,中间层(85km) 气温随高度增加迅速下降 强烈垂直运动 热层 气温随高度迅速增高 空气处于电离状态 散逸层 大气圈与星际空间的过渡带,对流层(17-18km) 气温随高度增加而降低 垂直对流运动 气象要素水平分布不均匀 平流层(55km) 气温初稳后升热 气流平稳，水汽含量少,4）大气的垂直结构,对流层,平流层,对流层,平流层,上冷下热 高空对流,中间层,热层,气象学与气候学,51,气象学与气候学,52,（2）水圈,1）组成：海洋、河流、湖泊、地下水和地表上的一切液态水 海洋 总面积：地球表面的70.8% 温度结构 混合层（表层约50-100m) 斜温层（跃温层，温度梯度大） 深温层（等温层，500-1000m以下） 盐度结构 表层约500m以内变化较大，因纬度而异；深层趋于均匀,气象学与气候学,53,海洋温度垂直廓线,气象学与气候学,54,海洋盐度垂直廓线,气象学与气候学,55,动力、热力性质：反射率小、热容量大、流速小，动力、热力惯性大 （气候系统的能量库，气候系统总热量的95.6%） 变化的时间尺度：几个月几年（上层海洋） 世纪尺度 （深层海洋） 对气候的影响：（1）对温度的调节作用、水汽源地；（2）海-气相互作用,气象学与气候学,56,气象学与气候学,57,气象学与气候学,58,（3）岩石圈,构成：地球表层的固体表面，由岩石、土壤和沉积物组成。包括高原、平原、山地、丘陵、盆地等。 反照率：较海洋大，0.100.80之间 热力性质：热容量小，热惯性小 演变时间：105-109年以上 山脉形成：105108年 大陆漂移：106109年 陆块位置和高度变化：109年以上 气候影响：动力作用、热力作用、物质交换,气象学与气候学,59,世界地形图,气象学与气候学,60,气象学与气候学,61,（4）冰雪圈,构成：大陆冰原、高山冰川、海冰和地面雪盖，包括格陵兰、南极、大陆冰川、冻土等 热力性质：反射率大 变化时间尺度 陆地雪盖：季节年际变化 海冰： 季节几十年际变化 大陆冰原和高山冰川：几百年几百万年 作用：淡水的重要来源；高反照率对气候有重要影响,气象学与气候学,62,气象学与气候学,63,天山的积雪和冰川,气象学与气候学,64,雪盖的变化,气象学与气候学,65,海冰的变化,北极海冰面积距平(1979-2004年),气象学与气候学,66,（5）生物圈,构成：陆地和海洋中的植物、空气、海洋和陆地生活的动物，包括人类本身 作用：调节温室气体及其它大气成分（CO2、CH4、水分等） 植被：影响地表反照率、蒸发、蒸腾、径流、表面粗糙度、CO2平衡等 变化时间尺度：10-1107年（季节千年） 人类活动通过改变地表特性和大气成分对气候产生影响。,气象学与气候学,67,粗糙度减小,地面气温增高,表层湿度减小,近地面风速增大,气象学与气候学,68,3、气候系统的基本性质,气候系统是一个复杂的、高度非线性的开放系统 各个气候子系统间显著的热力学和动力学属性差异 气候系统的反馈性 气候系统的可预报性,气象学与气候学,69,复杂的、高度非线性的开放系统,系统：许多物体（成分）和属性（变量）组成的结构群，这些物体和属性之间通过一定的物理过程而相互联系，并按某种观测的型作为一个复杂的整体而起作用。 系统的分类： 开放系统：有能量和物质与系统外交换。 封闭系统：有能量但无物质与系统外交换。 孤立系统：没有能量和物质与系统外交换。,气象学与气候学,70,各圈层的热力和动力差异,气象学与气候学,71,气候系统的反馈性,反馈：将系统的部分输出作为输入重新输进系统，从而使系统的净响应得到改变 分类： 正反馈：反馈过程造成的变化与原变化同号，系统偏离稳定状态，向一个极端方向发展 负反馈：反馈过程造成的变化与原变化反号，抑制变化和异常的发展，系统状态在平衡态附近振动,气象学与气候学,72,反馈过程举例,正反馈过程举例： 冰雪反照率与全球温度 水汽与地面温度 CO2与全球温度 植被反照率稳定度反馈 负反馈过程举例： 温度与全球云量 大气温度长波辐射,气象学与气候学,73,冰雪反照率反馈,地球变暖（冷）,冰雪覆盖减少 （增多）,行星反射减少 （增多）,系统吸收更多太阳辐射 （少）,气象学与气候学,74,CO2反馈,CO2浓度增加 （减少),全球变暖 （冷）,海表面温度升高 （降低）,海洋吸收CO2 能力减弱 （增强）,海洋垂直 稳定度增加 （减少）,气象学与气候学,75,云反馈（负）,地球变暖,云水含量增加,云的亮度增加,系统反射更多 太阳辐射,地球变冷,云水含量减少,云的亮度减小,系统反射更少 太阳辐射,气象学与气候学,76,气候系统的可预报性,第一类可预报性（时间意义上的可预报性） 初始误差（扰动）随时间的增长问题，直接与大气统计性质的预报有关，主要表现为按时间顺序预报气候状态的可能程度 第二类可预报性（与时间无关的敏感性预报） 外强迫发生变化后，气候变化的模拟和预报能力,气象学与气候学,77,第一章 绪论,第一节 学科的研究对象、任务、简史 第二节 气候系统概述 第三节 大气的基本物理性状,气象学与气候学,78,气象要素是指表示大气的属性和大气现象的物理量 1、气温: 在一定的容积内，一定质量的空气，其温度的高低只与气体分子运动的平均动能有关。 单位：摄氏度；绝对温度K 2、气压：大气的压强。 静止大气中任意高度上的气压值等于其单位面积上所承受的大气柱的重量。 单位：水银柱的高度（mm、cm）；大气压；百帕 760mmHg=1个大气压=1013.25hPa,一、主要气象要素,气象学与气候学,79,3、湿度：表示大气中水汽量多少的物理量。大气湿度状况与云、雾、降水等关系密切 （1）水汽压（e）和饱和水汽压（E） 大气压力是大气中各种气体压力的总和。 水汽和其他气体一样，也有压力 大气中的水汽所产生的那部分压力称水汽压（e）,一、主要气象要素（续）,气象学与气候学,80,一、主要气象要素（续）,饱和空气：,饱和水汽压（E）：,实验和理论都可以证明，饱和水汽压随温度的升高而增大。 在不同的温度条件下，饱和水汽压的数值是不同的。,在温度一定情况下，单位体积空气中的水汽量有一定限度。如果水汽含量达到此限度，空气就成饱和状态，这时的空气称饱和空气。,饱和空气的水汽压称为饱和水汽压（E），也叫最大水汽压，因为超过这个限度，水汽就要凝结。,气象学与气候学,81,（2）相对湿度,空气中的实际水汽压与同温度下的饱和水汽压的比值（用百分数表示）,相对湿度直接反映空气距离饱和的程度。当其接近100%时表明空气近于饱和。当水汽压不变时气温升高，饱和水汽压增大，相对湿度会减小。一天中相对湿度最大的时间是早晨，最小的时间是中午。,一、主要气象要素（续）,气象学与气候学,82,（3）饱和差（d）在一定温度下，饱和水汽压与实际水汽压之差，即d = E e （4）比湿：,（5）水汽混合比：,一、主要气象要素（续）,气象学与气候学,83,一、主要气象要素（续）,（6）露点（露点温度）：,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，Td,18,-2,水汽含量多，露点温度就高，水汽含量少，露点温度就低。所以根据露点温度的高低就可以判断出空气中的水分多少。,饱和开始凝结,气象学与气候学,84,4、降水：从天空降落到地面的液态或固态水 降水量单位：mm 5、风：空气的水平运动。风是矢量，包括 风速和风向 单位： 风速：m/s 风向：16方位表示 风压：,一、主要气象要素（续）,气象学与气候学,85,6、云量： 云是悬浮在大气中的小水滴、冰晶微粒或两者混合物的可见聚合群体，底部不接触地面。 云量是指云遮蔽天空视野的成数。 7、能见度： 视力正常的人在当时天气条件下，能够从天空背景中看到和辨出目标物的最大水平距离。,一、主要气象要素（续）,气象学与气候学,