第1章绪论1.ppt

大气科学概论,南京信息工程大学应用气象学院 胡继超 手机:13813923708 jchu2005nuist.edu.cn,2,本课程主要内容,1、绪论 2、地球大气 3、辐射与辐射平衡 4、大气温度,5、大气中的水汽 6、大气运动 7、天气和天气系统 8、气候、气候系统和全球变暖,3,主要参考书,1. J. M华莱士，PV霍希顿，大气科学概观，上海科学技术出版社，上海，1981 周淑贞主编，气象与气候学，高等教育出版社，1997 李爱贞等，气候系统变化与人类活动，气象出版社，2003 盛裴轩 毛节泰 李建国 ，大气物理学 ，北京大学出版社 ，2003,4,课程要求,8次课堂学习，请记好笔记 期中开卷考试（70-80%） 课后复习和自学,第一章 绪 论,本 章 内 容,气象与大气科学,大气科学的历史、现状及发展趋势,第一节 气象与气象学,一、气象与大气科学的定义,气象： 在地球大气中每时每刻都在发生着风、云、雨、雪、雷电、旱涝、寒暑等等各种各样的自然现象， 这些现象统称为大气现象，简称为气象。,大 气科学： 研究大气中各种现象的成因、演变规律及如何利用这些规律为人类服务的科学。,大气科学的研究领域很广，其基本内容是： （1）把大气当作研究的物质客体来探讨其特性和状态，如大气的组成、范围、 结构、温度、 湿度、压强和密度等等； （2）研究导致大气现象发生、发展的能量来源、性质及其转化； （3）研究大气现象的本质，从而能解释大气现象，寻求控制其发生、发展和 变化的规律； （4）探讨如何应用这些规律，通过一定的措施，为预测和改善大气环境服务如人工影响天气、 人工降水、消雾、防雹等），使之能更适合于人类的生活和生产的需要。,大气科学不仅是研究大气状态及其变化规律、成因的一门科学，而且是研究大气与其周围的海洋、陆面、冰雪和生物圈相互作用的动力、物理和化学过程的一门综合 性科学。 由于大气观测技术的不断发展，特别是空基遥感技术的发展和应用，以及计算机技术的迅速发展，使得大气科学获得突飞猛进的发展，它已成为一门拥有如大气探测、天气学与大气环流、大气动力学、气候学、大气物理学、大气环境学、大气化学、全球变化等众多分支学科的综合性科学； 大气科学已从一种简单的、定性描述的科学变成一种比较严格的，甚至可以用计算机对各种过程进行数值模拟、数值试验的数理科学；此外，人们还可以在一定程度上利用计算机来预测大气状态几天甚至一个季度或更长的变化。,二、大气科学的研究对象、气象与社会经济发展的关系,研究对象：,大气圈及大气圈与水土岩石圈、生物圈之间的相互 作用。,系统地、科学地解释这些现象、作用和效应，阐 明它们的发生和演变规律；,研究任务：,观测和研究各种各样的大气现象、大气层与下垫 面之间的相互作用及人类活动所产生的气象效应；,根据所认识的规律分析、诊断和预测过去、现在 和未来的天气、气候，为国民经济和人们的日常 生活服务；,从理论和实践上探索和模拟人为天气过程、人为 气候环境，为人工影响天气和气候提供科学依据。,气象与社会经济发展的关系：,气象与农业,气象与林业,气象与工业,气象与渔业、海盐生产,气象与航空,气象对人类健康的影响,气象与军事,三、大气科学的主要分支学科（11个分支学科）,普通气象学： 研究气象学的基本理论和一般问题；,大气探测与遥感学： 研究对大气进行观测的方法与观测数据的计算，应用 各种气象仪器设备和技术对地球大气层及地表浅层进行观 测与探测，包括定期观测、运载仪器和常规仪器观测、地 基遥感、空基遥感等；,大气物理学： 研究大气结构、大气热力学特征、大气光电声现象、云物理及人工影响天气等；,气候与气候变化学： 研究不同时期和不同区域的气候与气候变化、气候 系统的年际变化预报、地球物理因子对气候的影响、气候 影响评估、气候与气候变化预测的方法等；,天气与天气预报学： 研究短期预报、中期预报、长期预报，一般天气学原 理与方法、天气诊断等；,大气化学： 研究酸雨、气溶胶、碳循环、降水化学、大气成分、大气中化学过程等；,动力气象学： 研究数值预报、大尺度大气动力学、气候数值模拟、 非线性大气动力学等；,边界层气象学： 研究海上边界层、陆地边界层、大气湍流、边界层 数值模拟、大气扩散与空气污染等；,大气环流学： 研究不同纬度的大气环流系统、热带大气环流与季 风、海气相互作用、大气环流与遥相关等；,应用气象学： 研究农业气象、林业气象、水文气象、医疗气象、 局地气候与小气候、应用气候等；,灾害气象学： 研究灾害性天气（如气旋、台风、雷暴、阵雨、暴 雨、龙卷、沙尘暴及积云对流、锋、飑线、中尺度对流 等其他扰动产生的灾害效应）、灾害性气候及其损失评 估等。,古气象史时代 从人类有文字记载的历史时期开始到十七世纪末。,气象史的两个时代：,一、大气科学的发展历史与现状,第二节 大气科学的历史、现状及发展趋势,近现代气象史时代 从十七世纪末至今的三百多年。,近现代大气科学的四次飞跃：,第一次飞跃: （大约17001859年）,气象仪器如温度表、雨量器、气压表等相继发明，导致对信风和全球大气环流的研究。,无线电探空仪发明，高空观测网迅速建立，Rossby提出了长波动力学，创立了长波理论。 Lorenz提出奇异吸引子与混沌理论、准地转理论、适应理论、突变理论和不稳定理论等并相继得到应用，大尺度天气学进入成熟阶段。,第二次飞跃:（18601940）,无线电报发明，地面气象观测网产生，天气图诞生，V.Bjerknes创立了锋面学说，提出了著名的斜压概念和环流理论，从此天气学和动力气象学形成并得到发展。,第三次飞跃: （大约19411980年）,空间和地面大气遥感探测与气象信息技术系统日趋完善，大气科学试验正从局部的专业试验向全球的综合性试验过渡，气候研究正朝着更加广泛、更加综合的方向发展。,第四次飞跃: （大约1980）,大气科学的历史,希腊哲学家 Aristotle （340 BC）著Meteorologica，记述天气与气候相关的知识，综合论述水、空气和地震等问题对大气现象也作了适当的解释。“meteoros”希腊字意指在高空中。Meteorology一字表示由高空掉落以及在空气中各种过程或现象。 希腊哲学家 狄奥佛拉斯塔（287 BC），Book of Signs，第一本天气预报的书，利用与天气变化有关的信息来预报天气。 气象学成为自然科学源于利用科学仪器来來量度气象要素的变化。,意大利天文学家 伽利略(1593)：温度表。 意大利数学及物理学家托里拆利(1643)：水银气压表。 法国数学哲学家 帕斯卡和笛卡尔(17世纪)：气压随高度变化。 英国科学家 虎克(17世纪)：风速计。 德国物理学家 华氏(18世纪)：定华氏温标。 法国化学家 查尔斯(18世纪)：温度与固定体积空气的关系。 瑞典天文学家 摄氏(18世纪)：定摄氏温标。 美国科学家富兰克林(18世纪)：放风筝入雷暴证明闪电来源。 瑞士气象学家 Saussure(1783)：毛发湿度表。 意大利北部1653年首先建立气象台,气象要素（温度，气压，风速风向，湿度等）的测量与天气现象之间关系开始建立起来了,英國气象学家 哈德里(18世紀)：解释地球旋转如何影响赤道的风向。 1821年 天气图被绘制（天气現象） 法國物理学家 科氏(19世紀)：用数学证明地球旋转对大气运动的影响。 1842年电报系统发展，长途通讯对气象事业发展影响深远 1869年等压线的绘制（現代天气图） 挪威学派 (The Bergen School) 1920年气团与锋面的概念开始建立:极锋理论(polar front theory)，近代天气学的开端(Bjerknes, Solberg, Bergeron),芝加哥学派 (The Chicago School-Dynamical meteorology era) 1940年气球探空、雷达、气象飞机，西风急流，罗斯贝波(Rossby waves 西风帶長波的发现)，WMO成立 現代气象科学的蓬勃发展 1950年冯诺依曼与查尼 (J. Charney)，高速电子计算机，建立准地转理论（長波与氣旋鋒面），数值天气预报开始 (NWP) 1960年气象卫星（泰洛斯1号），全球天气监测 (热帶海洋气象)，多普勒雷达 1970年全球气候与环境变迁，ENSO，南极臭氧洞，全球变暖 1980年风廓线仪、双偏振多普勒雷达、复杂卫星系统、超大快速电子计算机,20世纪50年代以后的近60年来，由于电子计算机和新技术如雷达、激光、遥感及人造卫星等的使用，大大地促进了大气科学的发展。其主要表现如下： （1）开展大规模的全球联合观测试验 在50年代以后进行过多次至少有几十个国家参加的大规模大气观测试验，而且规模一次比一次大。 例如：1977年12月1979年11月进行的一次大规模大气观测试验，有一百多个国家参加，其中也有我国参加。这次全球大气试验是以5个同步卫星和2个近极地轨道卫星为骨干，配合气象火箭，并与世界各地常规的地面气象观测站、自动气象站、飞机、船舶、浮标站和定高气球等相结合，组成几个全球性的较完整的立体观测系统。这一全球性观测计划是试图解决1014天之间的天气预报，进一步了解天气现象形成的物理过程和物理原因。,（2）对大气物理现象进行数值模拟试验 大气科学不像物理、化学那样可以在室内进行实验，而是以地球的大气层作为实验室。有了电子计算机才可能广泛地对各种大气物理现象进行精确的、定量的数值模拟试验，如从全球性环流到云内雨滴的生成过程都进行试验，并把云雾中的微观过程和动力的宏观过程结合起来，使气象学进入试验科学阶段。,（3）把大气作为一个整体进行研究 把对流层与平流层中、高纬地区与低纬地区，南半球与北半球结合起来研究，这在大气科学的发展上又是一大跃进。 人类对大气中的化学现象与化学过程也进行了多年的观测、分析和研究，并已形成了气象学中一个新支派大气化学。特别是近年来对大气污染的监测，探讨环境保护的措施，更促进了大气化学的进展。,（4）气候学领域中的科学革命 自本世纪70年代以来，气候异常现象频繁出现，已引起各国广泛的重视。再加上现代科学技术的迅速发展，气候学发生了重大变革，或者说是一场科学革命。如国际上召开的一系列气候学术会议所示，1972年在瑞典斯德哥尔摩召开联合国环境大会，在会上强调了地球气候对于人类及其福利有极重要的影响。1974年召开联合国粮食大会，探讨了气候对世界粮食生产的重要作用，呼吁世界气象组织和联合国粮农组织建立气候警报系统。1974年世界气象组织与世界科学联盟在瑞典斯德哥尔摩召开气候的物理基础及其模拟的国际讨论会，着重研究了气候形成的物理机制和气候与人类的关系，并提出了气候系统（Climate system）的概念和世界气候计划（WCP）。,1979年在日内瓦召开了第一次世界气候大会（FWCC），批准了这一计划（这一计划包含四个子计划），并确认气候系统的研究是实施气候研究计划（WCRP）的重要理论基础。 建立了WCP以后，又在各大洲相继召开了地区性的气候大会，进一步推动这个计划的实施。亚洲及西太平洋气候会议于1980年在我国广州召开。现在世界上已有数十个国家制订了国家气候计划（NCP），开展气候研究。国际上成立了政府间气候变化专业委员会（IPCC）。在1990年秋于日内瓦召开了第二次世界气候大会。,1992年4月在巴西里约热内卢召开了“世界环境与发展大会”，提出了世界气候框架公约。 由于气候变化问题与国家建设密切相关，气候变化与政策的关联愈益紧密，政府组织逐渐代替纯科学家的组织，在领导与推动气候研究中发挥更大的作用。,另外，还加强了气候学各分支之间的联系，组织进行大规模的综合研究。最突出的实例是人类活动与气候相互影响的研究。人类大量砍伐森林，燃烧矿物燃料（煤、石油、天然气等），兴建城市等等，改变了下垫面的性质和大气成分，将会使气候发生深刻的变化，并影响许多自然过程和国民经济部门，如农业、渔业、水利工程、建筑工程和海洋运输等等。其研究范围愈来愈扩大，不仅涉及气候学的各个部门，并且和有关经济学科有密切联系。例如人类活动对气候的影响在城市中的表现最为突出，城市气候的形成、变化和改善等问题的研究都与城市规划、城市经济建设等问题密切相关。,1949年以来，新中国气象事业得到迅速发展。在第一个五年计划期间，全国共建立了各级气象台站1378个，到1957年底全国各级气象台站已达1635个，比解放初期增加近22倍。50余年来兴建的天气和气候站网已遍布全国。我国的大气科学研究进入了高度发展的时期。在基础理论方面，如大气环流和动力气象的研究，在天气学方面如中国天气、高原气象等研究，在卫星气象方面，如甚高分辨云图接受器的研制、卫星气象学和探测原理等研究都取得了显著的进展。,在人工影响天气方面已开展了云雾物理、人工降水和人工消雹等工作，并已取得较好的效果。在气候学方面以竺可桢的物候学和关于中国近五千年来气候变迁的研究最负盛誉。其它如在区域气候、农业气候、物理气候、动力气候、应用气候、城市气候、气候的数值模拟和气候预测等方面都取得了可喜的成绩。,我国是世界气象组织的重要成员国。 1987年2月成立了国家气候委员会，组织编写了国家气候蓝皮书（1990年11月出版），制定了国家气候研究计划，其指导思想是以气候灾害监测和预报问题以及全球性气候变化可能对我国气候的影响问题为重点，同时考虑世界气候研究计划中所提出的问题和要求，以使气候研究工作既解决我国的需要，同时又对世界气候作出贡献。,20世纪气候学理论研究的十大成就,1）2030年代, 三大气压震荡,北大西洋震荡(NAO),北太平洋震荡(NPO),南方震荡(SO); Walker (1932) 2） 30年代, 大气长波理论-罗斯贝波, Rossby (1939) 3） 4050年代, 时间平均环流之长波预测, Namias (1953) 4） 60年代, 赤道东西向Walker环流, Bjerknes (1969) 5） 70年代, 温室效应(doubling CO2), Manabe (1975) 6） 80年代, 月平均环流预, Miyakoda (1986) 7） 8090年代, ENSO预测, Cane and Zebiak (1986) 8） 8090年代, ENSO理论, Suarez (1988), Battisti (1989) 9） 90年代, 温盐环流, Delworth (1993) 10）90年代, 季平均环流预测, Ming Ji (1994),Carl-Gustaf Rossby: Long waves in the westerly,Early days of NWP,Jule Charneys influence on modern Meteorology/long waves vs polar front (1982, BAMS),极锋理论在北半球温带气旋之理想生命周期的连续天气示意图。在其生命期，系統由于动力作用向东移。,Chaos Theory混沌理论,Predictability problem：可预测度问题,海气交互作用-圣婴与南方涛动ENSO,Walker circulation-an equatorial belt circulation,Chervin and Druyan 1984 MWR,大气科学的未来发展,1、灾害天气及时监测预警、预报：自动化和遥感遥测设备的蓬勃发展。气象雷达、气象卫星、以及气象飞机等。这方面的研究需要大气科学家和其他学科专家的通力合作。 2、海气交互作用：季风和圣婴现象的研究，并延伸至短期气候变化的预测，这方面的研究关联到大气科学家与海洋学家的合力研究。 3、大气问题的数值模拟：这方面的研究关联到大气科学家、应用数学家及计算机专家的合作。 4、空气污染问题：热岛效应、全球变暖、南极臭氧洞等。该方面的研究关联到大气科学家与化学家的通力合作。 5、探讨地球气候变迁的历史：这方面研究涉及到大气科学家、地球化学家、地质学家、海洋学家及冰河学家们的合作。探讨百年甚至千年气候变化的原因与未來之可能趋势，并讨论应对策略。 6、太阳表面扰动所造成地球高层大气各种特殊現象产生的物理过程：磁暴/太阳风对通訊、太空天气预报的计划。这方面的研究牵涉到高层大气物理学家、太阳物理学家及太空物理学的通力合作。 7、其他星球的大气探索：遥测技术、实地太空观测（太空船）,近代物理之辐射理论的发展与应用等。,灾变天气及时监测预警、预报,暴雨、台风、寒潮等灾害天气的预测预报。人们的认识水平和防范意识还有待提高。,Typhoon Aere visible image, wind and rainfall forecast,Hurricane Isabel Synoptic Surveillance Sept 13 to Sept 17, 2003 Red tracks: AFRES WC-130 Blue tracks: NOAA G-IV 00Z Green tracks: NOAA G-IV 12Z,TRMM SEES RAIN FROM HURRICANES FALL AROUND THE WORLD,Since rain and freshwater flooding are the number one causes of death from hurricanes in the United States over the last 30 years, better understanding of these storms is vital for insuring public safety. A recent study funded by NASA and the National Science Foundation offers insight into patterns of rainfall from tropical storms and hurricanes around the world. Researchers at the University of Miami's Rosenstiel School of Marine and Atmospheric Science, Miami, and the National Oceanic and Atmospheric Administration Atlantic Oceanographic and Meteorological Laboratory's Hurricane Research Division, Miami, used data from NASA's Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) satellite to show how rain falls at different rates in different areas of a storm. The results were published in the July issue of the journal Monthly Weather Review. The results are already being used in a model developed at the Hurricane Research Division to estimate rainfall accumulation related to tropical cyclones. The findings are important because they may help in the development of better forecasts.,数值模拟-数值天气预报(NWP),DVj/Dt = Aj = Fj / m, (Vj = u, v, w ) Fj = gravity, pressure gradient, Coriolis, friction DT/Dt = H = Q Q = radiation, sensible heat, latent heat Di /Dt = Si Si = cloud, rain, ice, snow P = RT,Meteorological variables: Vj (u, v, w), P, i, T (precipitation),Initial and boundary conditions,US Navy global forecast model output (48hr forecast) Typhoon Aere and Chaba,NASA DATA SHOWS HURRICANES HELP PLANTS BLOOM IN “OCEAN DESERTS“,Whenever a hurricane races across the Atlantic Ocean, chances are phytoplankton will bloom behind it. According to a new study using NASA satellite data, these phytoplankton blooms may also affect the Earth's climate and carbon cycle. Dr. Steven Babin, a researcher at the Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory in Laurel, Md., studied 13 North Atlantic hurricanes between 1998 and 2001. Ocean color data from the SeaWiFS instrument on the SeaStar satellite were used to analyze levels of chlorophyll, the green pigment in plants. The satellite images showed tiny microscopic ocean plants, called phytoplankton, bloomed following the storms. “Some parts of the ocean are like deserts, because there isn't enough food for many plants to grow. A hurricane's high winds stir up the ocean waters and help bring nutrients and phytoplankton to the surface, where they get more sunlight, allowing the plants to bloom,“ Babin said.,http:/www.gsfc.nasa.gov/topstory/2004/0602hurricanebloom.html,空气污染问题,Real time monitoring of North Africa dust storm,The United Arab Emirates Unified Aerosol Experiment mission runs from August 5 through September 30. Scientists are using satellites, computer models and ground stations to understand the unique “mixing bowl“ of desert dust, smoke and other aerosols created by the complex atmospheric circulations.,This is a true color image of the United Arab Emirates taken from Aqua-MODIS on August 10, 2004. A dust plume surrounds peninsular UAE/Oman and the Straight of Hormuz.,气候变迁,The contribution to each winter's total precipitation made from “heavy“ precipitation days, indicated by red (below average) and blue (above average) bars. A black smoothing line to highlight decadal variations has been overlaid.,UK,Decadal annual SST anomalies (°C) from 30-yr (196190) climatology: from (a) decade of 18911900 to (j) decade of 198190,太阳表面扰动,(左)太阳表面粒斑化特征图, 包括太阳黑子sunspots,光斑faculae, 和光焰flares。(右)日全蚀下的日冕corona。太阳活跃年时(1958)，太阳表面的黑子、光斑及光焰数目非常多。反之，称为太阳安静年(1964)。,Between Sun and Earth,This sequence of images shows the change in electron densities through Earth's atmosphere, primarily in the ionosphere, during a solar storm on 10 January 1997.,Since 1965, the Mauna Loa Solar Observatory has collected solar data from Hawaii's second- highest peak. The site now hosts the Advanced Coronal Observing System.,