气象学与气候学ppt课件

大气科学概论大气科学概论大气科学学院大气科学学院 王伟王伟大气科学概论大气科学学院第一章第一章 绪论绪论 气象学、气候学的研究对象、任务和简史 气候系统概述 有关大气的物理性状有关大气的物理性状第一章 绪论 气象学、气候学的研究对象、任务和简史3气象学、气候学的研究对象、任务和简史气象学、气候学的研究对象、任务和简史 一、气象学与气候学的研究对象一、气象学与气候学的研究对象 二、天气与气候的关系二、天气与气候的关系 三、本学科在实际生活中的应用三、本学科在实际生活中的应用 四、气象学与气候学的发展简史四、气象学与气候学的发展简史气象学、气候学的研究对象、任务和简史 一、气象学与气候学的研4气候系统概述气候系统概述 一、气候系统一、气候系统 二、大气圈概述二、大气圈概述 三、水圈、陆面、冰雪圈和生物圈概述三、水圈、陆面、冰雪圈和生物圈概述气候系统概述 一、气候系统5第一章第一章 绪论绪论 气象学、气候学的研究对象、任务和简史气象学、气候学的研究对象、任务和简史 气候系统概述气候系统概述 有关大气的物理性状有关大气的物理性状第一章 绪论 气象学、气候学的研究对象、任务和简史6有关大气的物理性状有关大气的物理性状 一、主要气象要素一、主要气象要素 二、空气状态方程二、空气状态方程有关大气的物理性状 一、主要气象要素7问题的提出问题的提出既然大气是既然大气是“物质物质”，那么它就是，那么它就是“运动的运动的”那么如何那么如何“定量地描述定量地描述”大气呢？大气呢？究竟需要究竟需要“哪些量哪些量”才能较好地描述大气呢？才能较好地描述大气呢？通过对大气的定量描述，能够总结出通过对大气的定量描述，能够总结出“哪些大气哪些大气运动的规律运动的规律？”问题的提出既然大气是“物质”，那么它就是“运动的”8有关大气的物理性状有关大气的物理性状一、主要气象要素一、主要气象要素二、空气状态方程二、空气状态方程q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。q因为空气存在流动性、粘着性、连续性等特点，所以当一个地区上空的空气上升时，必然有另一个地区的空气的下降来对它进行补充，从而形成一种环流。有关大气的物理性状一、主要气象要素在气象学上，大气的物理性状9 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、降水量和能见度等等。1.1.1.1.气温气温气温气温 a.定义：表示空气冷热程度的物理量，称为气温。在一定的容积内，一定质量空气温度的高低与气体分子运动的平均动能多少有关，而气体分子运动的平均动能只与温度有关，且与绝对温度了成正比。因此，空气冷热的程度，实质上是空气分子平均动能。物理含义：气温的升降决定于大气的内能的增多或减少。物理含义：气温的升降决定于大气的内能的增多或减少。一、主要气象要素一、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10大小的表现：当空气获得热量时，它的分子运动的平均速度增大，随之平均动能增加，气温也就升高；反之当空气失去热量时，它的分子运动平均速度减小，随之平均动能也减少，气温也就降低。气温的单位：摄氏温标（t,），我国规定用温标，以气压为1013.3hpa（相当于760mmHg）时纯水的冰点为0，沸点为100，其间等分100份中的1份即为1。在理论研究上常用绝对温标绝对温标（K），以K表示，这种温标中一度的间隔和摄氏温标相同，但其零度规定为摄氏-273.16，称为“绝对零度”，水的冰点为273.16K，沸点定为373.16K。两种温标之间的换算关系如下：T=t+273.15t+273(1-2)一、主要气象要素一、主要气象要素 大小的表现：当空气获得热量时，它的11一、主要气象要素一、主要气象要素大气中的温度一般以百叶箱中干球温度为代表大气中的温度一般以百叶箱中干球温度为代表原理：湿纱布上水分蒸发散热，使湿球上温度比干球的温度低，其相差度数与空气中相对湿度成一定比例。使用方法：1、将湿球温度计纱布润湿后固定于测定地点约10分钟后，先读湿球温度，再读干球温度，记下二者的差数。2、转动干湿球温度计上的圆滚筒，在其上端找出干湿球温度差数。3、在实测湿球度数的水平位置作一水平线与中央圆筒旁竖行相交点的读数，即相对湿度百分数。一、主要气象要素大气中的温度一般以百叶箱中干球温度为代表12一、主要气象要素一、主要气象要素温标的对应关系温标的对应关系温标的对应关系温标的对应关系一、主要气象要素温标的对应关系13一、主要气象要素一、主要气象要素2.2.气压气压气压气压 a.定义：气压是指大气的压强，单位面积上所承受到的整个空气柱的质量，即大气的压力。实质：气压的大小决定于整个空气柱质量的多少。若以P代表气压，F代表面积A上所承受的力，则：PF/A物理含义：空气的分子运动与地球重力场综合作用的结果。dP=-pgdz式称为静力方程。它表达了大气在垂直方向上处于静力平衡状态时，气压变化和高度变化之间的定量关系。地面气压分布一般在9401040mb之间，在台风中心可能低于900mb，在西伯利亚高压中心可能高于1080mb。一、主要气象要素2.气压14b.单位：mmHg,pa,mb1hpa=1mb=3/4mmHgc.标准大气压在纬度为45的海平面上，温度为0时，所测得的水银柱高为760mmHg的大气压强，为一个标准大气压(1013.25mb)。精确的气压值是用水银气压表来测量的。一、主要气象要素一、主要气象要素 b.单位：mmHg,pa,mb一、主要气象要素15一、主要气象要素一、主要气象要素水银柱测量气压水银柱测量气压一般情况下，气压值是用水银气压表测量的，若水银柱的高度为h,水银的密度为，水银的截面为S，则所测大气压强为：一、主要气象要素水银柱测量气压16一、主要气象要素一、主要气象要素有关气压的实验有关气压的实验 16541654年年5 5月月8 8日，德国马德堡市日，德国马德堡市的市民们看到了一件令人惊奇又困的市民们看到了一件令人惊奇又困惑的事情：他们的市长，就是发明惑的事情：他们的市长，就是发明抽气机的奥托抽气机的奥托 格里克，把两个直格里克，把两个直径径4040多厘米的空心铜半多厘米的空心铜半 球紧贴在一球紧贴在一起，用抽气机抽出球内的空气，然起，用抽气机抽出球内的空气，然后用两队马向相反的方向拉两个半后用两队马向相反的方向拉两个半球，球，“连连1616匹马（拼命挣扎着）都匹马（拼命挣扎着）都不能把它们拉开，或者只有费了很不能把它们拉开，或者只有费了很大的劲才能拉大的劲才能拉 开它们，当马用尽了开它们，当马用尽了全力把两个半球最后拉开的时候，全力把两个半球最后拉开的时候，还发出了很大的响声，象放炮一样。还发出了很大的响声，象放炮一样。”市民们惊奇得问：市民们惊奇得问：“是什么力量是什么力量把它们压合得这么紧呢？把它们压合得这么紧呢？”“”“没有没有什么，是空气。什么，是空气。”市长这样回答。市长这样回答。而如果把铜半球上的阀门拧开，而如果把铜半球上的阀门拧开，空空气经阀门流进球里，用手一拉球就气经阀门流进球里，用手一拉球就开了。这就是著名的马德堡半球实开了。这就是著名的马德堡半球实验验马德堡半球实验马德堡半球实验一、主要气象要素有关气压的实验马德堡半球实验17一、主要气象要素一、主要气象要素有关气压的实验有关气压的实验有关气压的实验有关气压的实验托里拆利实验托里拆利实验在瓶口比鸡蛋稍小的广口瓶瓶底铺层沙子，将浸过酒精的棉花点燃后迅速放入瓶中，待会儿将剥了皮的熟鸡蛋堵住瓶口，过一会儿，由于大气压强的作用，熟鸡蛋会被玻璃瓶吞进去。“瓶吞蛋瓶吞蛋”试验试验一、主要气象要素有关气压的实验托里拆利实验 18d.主要气压仪器动槽式水银气压表、定槽式水银气压表定槽式水银气压表水银面是固定不动的，不可调整。测量仪器：定槽式水银气压表、动槽式水银气压表、自记气压计、空盒水银气压表。一、主要气象要素一、主要气象要素d.主要气压仪器一、主要气象要素19一、主要气象要素一、主要气象要素3.3.湿度湿度湿度湿度a.定义：表示大气中水汽量多少的物理量。大气的湿度状况是决定云、雾、降水等天气现象的重要因素。大气湿度可用下述几种方法表示：水汽压和饱和水汽压b.表示湿度的方法：水气压（e）：大气中所含水汽产生的压力（mb,pa）；绝对湿度（a）：单位体积空气中水汽的含量（g/cm3,g/m3）；饱和水气压（E）：在温度一定的情况下，单位体积空气中能容纳的水汽数量有一定的限度，如果水汽含量达到了这个限度，空气就呈饱和状态，这时的空气，称为饱和空气。饱和空气中的水汽压，称为饱和水汽压(E)。一、主要气象要素3.湿度20一、主要气象要素一、主要气象要素相对湿度（f）：空气中实际水汽压与同温度下的饱和水汽压的百分比，表示空气距离饱和的程度。(用百分数来表示用百分数来表示)f=e/E100%比湿（q）：同一团湿空气中，水汽质量与该团空气总质量的比值。q=mw/(md+mw)饱和差（d）：在某一温度下，饱和水汽压与实际空气中水汽压之差称为饱和差(d)：d=E-e，d表示实际空气距离饱和的程度，在研究水面蒸发时常用到d，它可指出水分子的蒸发能力。一、主要气象要素相对湿度（f）：空气中实际水汽压与同温度下的21一、主要气象要素一、主要气象要素露点（Td）：空气中水汽含量不变，在一定的气压下，若使空气达到饱和，只有降温。降到实际水汽压（e）变成饱和水汽压（E），此时的温度称为露点温度，简称为露点(Td)。它的单位与气温相同。例如：成都某日14时的气温为30，对应的饱和水汽压为42.5mb，当时的实际水汽压为31.7mb，很明显，这时的空气是未饱和的。如果实际水汽压不变，气压也不变，只有降低空气温度才能使空气达到饱和。而饱和水汽压为31.7mb时的气温为25，故只有当温度由30降到25时，空气才由未饱和状态变为饱和状态。因此，成都该日14时的露点是25。一、主要气象要素露点（Td）：空气中水汽含量不变，在一定的气22一、主要气象要素一、主要气象要素气压一定时，露点的高低只与空气中的水汽含量有关，水汽含量愈多，露点愈高，所以露点也是反映空气中水汽含量的物理量。在实际大气中，空气经常处于未饱和状态，露点温度常比气温低(TdT)。只有空气达饱和时，露点温度才和气温相等(Td=T)。因此，根据T和Td的差值，还可大致判断空气距离饱和的程度。上述湿度的各种表示：绝对湿度、水汽压、比湿、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。即：表示空气中水汽含量的量有：a、e、q、E、Td表示空气距离饱和程度的量有：f、d、Td一、主要气象要素 气压一定时，露点的23一、主要气象要素一、主要气象要素观测湿度的仪器观测湿度的仪器一、主要气象要素观测湿度的仪器24一、主要气象要素一、主要气象要素4.4.风风a.定义：空气的水平运动就叫风。风是一个表示气流运动的物理量。它和气压、气温、湿度等要素不同，不仅具有数值的大小(即风速)，还具有方向(即风向)。因此风是向量，它是天气预报的重要项目，又是天气预报的重要依据。风向，指风的来向，地面用16方位表示，高空用360表示，以0度(或360度)表示正北，90度表示正东，180度表示正南，270度表示正西。在十六方位中每相邻方位间的角差为22.5度。风速单位常用m/s、knot（海里/小时，又称“节”，）和km/h表示，其换算关系如下：1m/s=3.6km/h1knot=1.852km/h1km/h=0.28m/s1knot=1/2m/s一、主要气象要素4.风25一、主要气象要素一、主要气象要素风速的表示有时采用压力，称为风压(P)。如果以V表示风速（m/s），P为垂直于风的来向，1m2面积上所受风的压力kg/m2，其关系式P=0.125V2一、主要气象要素 风速的表示有时采用压26天气报告中天气报告中风速：2min的平均风速风向：10为一个单位，用电码01，02，36表示，以正北为基准，顺时针方向旋转。风向是指风的来向。当风速低于0.25m/s时称为静风。风级也是一种表达风力的常用单位。风向 缩写 风向 缩写 风向 缩写 风向 缩写 北东北 NNE东南 SE西西南 WSW北 N东北 NE南东南 SSE西 W静风 C东东北 ENE南 S西西北 WNW东 E南西南 SSW西北 NW东东南 ESE西南 SW北西北 NNW一、主要气象要素一、主要气象要素天气报告中风向 缩写 风向 缩写 风向 缩写 风向 缩写 北27一、主要气象要素一、主要气象要素蒲福风力等级蒲福风力等级蒲福风力等级蒲福风力等级1805年英国人F蒲福根据风对地面（或海面）物体的影响，提出风力等级表，几经修改后得出蒲福风力等级蒲福风力等级表表。目测风时，根据风力等级表中各级风的特征，即可估计出相应的风速。地面风指离地平面10-12米高的风。一、主要气象要素蒲福风力等级28蒲福风力等级表蒲福风力等级表蒲福风力等级表蒲福风力等级表风力名称相当于开阔平坦地面10米高处风速浪高陆上物理征象米/秒公里/时海里/时（米）0静风静风00.211静，烟直上。静，烟直上。1软风软风0.31.515130.1烟能表示风向，但风向标尚不能烟能表示风向，但风向标尚不能指示风向。指示风向。2轻风轻风1.63.3611460.2人面感觉有风，树叶有微响，风人面感觉有风，树叶有微响，风向标能随风转动。向标能随风转动。3微风微风3.45.412197100.6树叶与微枝摇动不息，旌旗展开。树叶与微枝摇动不息，旌旗展开。4和风和风5.57.9202811161.0灰尘和碎纸扬起，小树枝摇动。灰尘和碎纸扬起，小树枝摇动。5劲风劲风8.010.7293817212.0有叶的小树枝摇动，内陆水面有有叶的小树枝摇动，内陆水面有小波浪。小波浪。6强风强风10.813.8394922273.0大树枝摇动，电线呼呼有声，打大树枝摇动，电线呼呼有声，打伞困难。伞困难。7疾风疾风13.917.1506128334.0全树摇动，逆风步行感到困难。全树摇动，逆风步行感到困难。8大风大风17.220.7627434405.5树枝折断，逆风行进阻力甚大。树枝折断，逆风行进阻力甚大。9烈风烈风20.824.4758841477.0发生轻微的建筑破坏。发生轻微的建筑破坏。10狂风狂风24.528.48910248559.0内陆少见，有些树木拔起，建筑内陆少见，有些树木拔起，建筑物破坏较重。物破坏较重。11暴风暴风28.532.6103117566311.5极少遇到，伴随着广泛的破坏。极少遇到，伴随着广泛的破坏。12飓风飓风32.71186414.0蒲福风力等级表风名称相当于开阔平坦地面10米高处风速浪高陆上29一、主要气象要素一、主要气象要素5.5.降水降水a.定义：从天空降至地面的液态或固态的水，包括雨、毛毛雨、雪、雨夹雪、霰、冰粒和冰雹等。b.降水量：降水落至地面后（固态降水则需经融化后），未经蒸发、渗透、流失而在地面上积聚的深度，降水量以毫米（mm）为单位,表示干湿程度。c.积雪：在高纬度地区冬季降雪多，还需测量雪深和雪压。雪深是从积雪表面到地面的垂直深度，以厘米（cm）为单位，表示寒冷程度。当雪深超过5cm时，则需观测雪压。雪压是单位面积上的积雪重量，以g/cm2为单位。降水量是表征某地气候干湿状态的重要要素，雪深和雪压还反映当地的寒冷程度。一、主要气象要素5.降水30一、主要气象要素一、主要气象要素降水量的测量降水量的测量降水量的测量降水量的测量翻斗式雨量计：可连续记录降水量随时间变化和测量累积降水量的有线遥测仪器。分感应器和记录器两部分，其间用电缆连接。感应器用翻斗测量，当一侧容器装满一定量雨水时（0.1或0.2毫米），由于重心外移而翻转，将水倒出，随着降雨持续，将使翻斗左右翻转，接触开关将翻斗翻转次数变成电信号，送到记录器，在累积计数器和自记钟上读出降水资料。一、主要气象要素降水量的测量31一、主要气象要素一、主要气象要素虹吸雨量计虹吸雨量计虹吸雨量计虹吸雨量计是可连续记录降水量和降水时间的仪器。其上部盛水漏斗的形状和大小与雨量器相同。当雨水经过漏斗导入量筒后，量筒内的浮子将随水位升高而上浮，带动自记笔在自记纸上划出水位上升的曲线。当量筒内的水位达到10毫米时，借助虹吸管，使水迅速排出，笔尖回落到零位重新记录。自记钟给出降水量随时间的累积过程。一、主要气象要素虹吸雨量计32一、主要气象要素一、主要气象要素6.6.云量云量a.云：悬浮在大气中的小水滴、冰晶微粒或者二者混合物的可见聚合体，底部不接触地面，且有一定的厚度。b.云量：云遮蔽天空视野的成数。碧空无云，云量为0，天空一半为云所覆盖，则云量为5。积雨云积雨云浓积云浓积云一、主要气象要素6.云量积雨云浓积云33一、主要气象要素一、主要气象要素7.7.能见度能见度能见度能见度能见度指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。单位用米（m）或千米（km）表示。能见度是一个对航空、航海、陆上交通以及军事活动等都有重要影响的气象要素。在航空中，一般使用前者定义的能见度。影响能见度的因子主要有大气透明度、灯光强度和视觉感阈。大气能见度和当时的天气情况密切相关。当出现降雨、雾、霾、沙尘暴等天气过程时，大气透明度较低，因此能见度较差。测量大气能见度一般可用目测的方法，也可以使用大气透射仪、激光能见度自动测量仪等测量仪器测量。目前，能见度的观测大都还是以人工目测为主，规范性、客观性相对较差。一、主要气象要素7.能见度34有关大气的物理性状有关大气的物理性状一、主要气象要素一、主要气象要素二、空气状态方程二、空气状态方程有关大气的物理性状一、主要气象要素35二、空气状态方程二、空气状态方程空气状态常用密度（）、体积（V）、压强（P）、温度（t或T）表示。对一定质量的空气，其P、V、T之间存在函数关系。例如，一小团空气从地面上升时，随着高度的增大，其受到的压力减小，随之发生体积膨胀增大，因膨胀时做功，消耗了内能，气温乃降低。这说明该过程中一个量变化了，其余的量也要随着变化，亦即空气状态发生了变化。如果三个量都不变，就称空气处于一定的状态中，因此研究这些量的关系就可以得到空气状态变化的基本规律。二、空气状态方程 空气状态常用密度（36二、空气状态方程二、空气状态方程a.a.干空气状态方程干空气状态方程干空气状态方程干空气状态方程根据实验发现，一切气体在压强不太大，温度不太低（远离绝对零度）的条件下，一定质量气体的压强和体积的乘积除以其绝对温度等于常数，即：1mol的理想气体状态方程：（未饱和湿空气和干空气可以近似看作是理想气体）在标准状态下(Po=1013.25hPa,To=273K),1mol的任何气体(Vo=22.4L/mol)R*8.31J/(molK)(普适气体常数)理想气体的状态方程二、空气状态方程a.干空气状态方程理想气体的状态方程37二、空气状态方程二、空气状态方程(M/(M/)mol)mol的理想气体状态方程的理想气体状态方程（在标准状态下，某体积（在标准状态下，某体积V V等于等于1 1摩尔气体体积的摩尔气体体积的倍）倍）为分子量，M为质量，=M/V（空气密度）R=R*/二、空气状态方程(M/)mol的理想气体状态方程为分子量38二、空气状态方程二、空气状态方程b.b.湿空气状态方程与虚温湿空气状态方程与虚温湿空气状态方程与虚温湿空气状态方程与虚温在实际大气中，尤其是在近地面气层中存在的总是含有水汽的湿空气。在常温常压下，湿空气仍然可以看成理想气体。湿空气状态参量之间的关系，可用下式表示，P=RT式中R=R*/，是湿空气的分子量，是湿空气的密度。如果以P表示湿空气的总压强，e表示其中水汽部分的压强（即前述的水汽压），则P-e是干空气的压强。干空气的密度（d）和水汽的密度（w）分别是二、空气状态方程b.湿空气状态方程与虚温39二、空气状态方程二、空气状态方程干空气的比气体常数干空气的比气体常数干空气的比气体常数干空气的比气体常数R Rd d 与水汽的比气体常数与水汽的比气体常数与水汽的比气体常数与水汽的比气体常数RRw w干空气分子量为28.97g/mol水汽分子量为18g/mol。二、空气状态方程干空气的比气体常数Rd 与水汽的比气体常数 40二、空气状态方程二、空气状态方程湿空气是干空气和水汽的混合物，故湿空气的密度是干空气密度d与水汽密度w之和，即虚温虚温湿空气的状态方程湿空气的状态方程 二、空气状态方程 湿空气是干空气和水汽41二、空气状态方程二、空气状态方程虚温的意义是：在同一压强下，干空气密度等于湿空气密度时，干空气应有的温度。虚温和实际温度之差T为水汽压e愈大，这一差值便愈大。在低层大气，尤其是在夏季，e值较高，这时必须用湿空气状态方程，但在高空，e值相对地较小，因而T很小，这时便可用干空气状态方程，而不致造成大的误差。二、空气状态方程虚温的意义是：在同一压强下，干空气密度等于湿42有关大气的物理性状有关大气的物理性状 一、主要气象要素一、主要气象要素 二、空气状态方程二、空气状态方程有关大气的物理性状 一、主要气象要素43