1、氣象學與氣候學教案 第一章 緒 論 氣候學歷經經典、天氣氣候到現代氣候學的發展過程是科學觀念的革命，它包括認識和研究方法的根本變革，啟示我們從系統中學習氣候，學習氣候又是為了更好的認識這個地球表層系統。一、現代自然地理學與氣象氣候學 1、人類賴以生存的地球地球表層系統個相互作用的整體 任何子系統的變化都會影響其他子系統 2、氣候系統與地球表層系統幾乎相互覆蓋的研究客體，但重點不盡相同。 3、氣候系統也包括了地球表層系統中的幾個子系統4、其中，大氣圈與自然地理系統其他圈層相互作用中，大氣圈最為活躍，是聯系各子系統相互作用的重要紐帶，是形成自然地理要素地帶性與非地帶性分布特點的主要背景之一，也是構

2、成地球表層系統重要圈層二、大氣圈是處于特定條件下及具有特定成分的氣圈 1、氣候系統如何起動與運動，其中的熱力、動力過程 2、氣候系統中各部分的聯系，相互作用與耦合的整體過程以及對氣候的影響 3、氣候的綜合性與地域的差異性，以及氣候系統的穩定性與敏感性等三、特定成分及其影響： 1、主要及微量成分 2、微量成分及其特殊作用：溫室氣體 平流層與臭氧層-生命保護層，三態共存，參與能量，輻射，及天氣過程四、重力場對大氣層的約束及影響： 在重力的作用下，以地面為下邊界，繞地球旋轉的圈層。 影響之一：垂直層結的形成大氣分層： 水平尺度垂直尺度。五、對流層： 是深受下邊界(熱力及動力)影響的大氣最底層，集中了

3、80的大氣質量，也是大氣圈層與其它圈層相互作用的主要場所。六、水汽對大氣狀態影響之濕空氣狀態方程 七、微量氣體： 在氣候系統中存在著短周期的微循環，成分可變。含量雖少，但對熱輻射非常敏感，因而對大氣熱狀態影響很大，人類活動參與了微循環一可造成對大氣行為有意或無意的干擾。 影響舉例：臭氧層 問題：地面條件如何影響大氣活動(熱力及動力)相互作用第二章 大氣的熱能和溫度 氣候系統物理過程之一 太陽能啟動氣候系統的物理過程 形成全球溫度差異的地帶性與非地帶性分布以及周期和非周期變化。地氣間的熱能交換過程是地表系統中最基本的相互作用和影響過程，它從能量上把幾個圈層連接在一起。一、太陽能進入氣候系統 1、

4、主要途徑：太陽輻射能地面 大氣 太陽短波輻射經大氣削弱到達地面，吸收成為地面熱能 地面與大氣熱交換：長波輻射熱交換地面有效輻射一 感熱輸送(傳導；對流亂流) 潛熱輸送 意義：地氣熱交換氣圈和其它圈層相互耦合的重要過程 2、熱交換過程不同，控制因子也不同(天文條件、地面性質、干濕條件)，地面對大氣的供熱狀況，物理過程差異也就很大。有： 地帶性緯度差異 非地帶性海陸等差異 3、模型化：輻射差額方程及熱量平衡方程4、大氣中幾種微量成分的又一影響大氣的溫室效應二、大氣中“氣塊的溫度變化受制于熱力學第一定律(能量守恒) 在大氣中表現為： 1、外界(地面)供熱可引起氣塊溫度非絕熱變化 2、氣塊垂直運動中氣

5、壓變化可引起氣塊溫度的絕熱變化，變化率為或 (水氣參與時) 3、個別氣塊變溫過程三、 “局地”氣溫變化由氣塊水平及垂直運動中引起的氣塊置換引起 1、包含有水平平流，垂直運動及氣塊非絕熱變化三部分，各部分控制因子及作用各不相同 2、模型化局地變溫方程四、氣層溫度的垂直分布()與氣塊垂直運動時的溫度變化() 1、氣溫垂直分布與氣層靜力穩定度重力場對大氣行為的又一影響 2、大氣靜力穩定度對大氣垂直運動、垂直熱輸送及污染物擴散的影響 3、整層氣層抬升時，可能發生變化氣層的位勢穩定度五、平均氣溫的水平分布深受地面條件影響 具有 地帶性及非地帶性 周期性與非周期性六、結論 由太陽地面大氣的供熱過程，大氣最

6、終獲得的加熱，加熱率各處各時各不相同，具有地帶性、非地帶性及周期性、非周期性差異。 問題：大氣圈中各處受熱不同形成了氣溫分布不均，它對氣候系統的進一步影響的物理過程。 第三章 大氣中的水分 氣候系統中水圈與大氣圈水交換的實現與影響的物理過程 水是地球上唯一能在自然條件下三態并存的物體，在相變中伴隨有能量、天氣、水循環等過程一、水出入大氣的物理過程 1、基本判據 Ee0 2、地面蒸發快慢與氣象條件 溫度與水汽擴散的快慢(風及穩定度) 3、凝結 地表與大氣中凝結的基本條件：降溫 大氣中：絕熱上升冷卻過程云 地表層：非絕熱冷卻過程霧等二、由水汽云降水 1、水滴凝結與增大過程人工干預的可能性 2、上升

7、運動形式 云形 降水性質 3、全球降水分布與垂直運動 地帶性分布 非地帶性分布第四章 大氣的運動氣候系統物理過程之二 加熱不均及地球旋轉對大氣運動狀態的影響 一、大氣中氣壓分布不均并隨時間而變化 氣壓差是推動空氣塊運動的基本動力 1、分布不均的量度 氣壓梯度，因大氣層結性又可分為： 垂直氣壓梯度(很大)： 意義：在重力場下形成，因此與重力有關，基本上與重力相平衡 模式化：靜力方程 應用：壓高公式氣壓隨高度降低快慢與溫度關系最密切。 水平氣壓梯度(很小)：形成水平氣壓梯度力成為氣塊水平運動基本動力 2、分布不均的總體效應形成了空間氣壓系統 氣壓系統的直觀表示等壓面或等高面(基本等效) 氣壓系統的

8、垂直結構各處均需滿足靜力學條件，因此氣壓系統隨高度的變化主要與溫度分布有關。 分析結構的要點是系統的溫度場配置可分成對稱(淺薄、深厚)：不對稱(大多數)系統二、大氣中氣壓不斷變化 大氣質量的重分配大氣運動不息 垂直氣壓差異的形成重力 水平氣壓差異的形成大氣加熱率不同以及空氣的運動 1、因子分析為什么會重新分配 熱力因子：大氣水平局地受熱不均水平密度差水平氣壓差 動力因子：空氣運動中形成質量輻合輻散： 密度平流(冷暖平流)； 垂直運動。(僅影響空中氣壓變化)2、過程：三、大氣水平運動的形成旋轉地球對運動特征的影響 1、基本規律： 牛頓定律 但描述運動與坐標選取有關 旋轉坐標系(地球上的觀察者)中

9、的慣性力正確認識地轉偏向力、離心力(擴展的牛頓定律) 2、旋轉坐標系中的幾個平衡運動氣壓場與運動場關系的建立 自由大氣中：地轉風關系(兩力平衡時) 摩擦層中：修正的風壓律(三力平衡時) 在大多數情況下與實際大氣十分接近大氣運動處于準動態平衡中 3、在靜力平衡條件下，水平氣壓場結構隨高度因溫度分布不均而變地轉風關系也隨之變化熱成風 四、大氣環流 1、大氣環流的平均狀態處于氣候系統的動態平衡之中經歷各種時空尺度2、綜合的平均狀態和瞬時狀態氣候與天氣3、瞬時狀態處于各種時空尺度(層次)的高度擾動中由非線性的氣候系統所決定(具有穩態與突變，敏感于初始條件等特征)。 五、結論 l、大氣整體性的表現溫壓場

10、與風場的統一摩擦層中風的變化2、問題：大氣整體性的表現形式第五章 天氣系統 氣候系統的短期過程 一、大氣運動的內在過程與統一 旋轉地球大氣在非均勻加熱地表特征作用下的表現形式大氣環流 1、觀測事實從各個角度看大氣環流用二維圖表現三維運動2、進一步認識大氣環流的形成與特征二、大氣環流與大氣圈中熱量及水分平衡 1、大氣地帶性與非地帶性加熱率的差異驅動了環流，環流又以各種形式輸送差異熱量與水分等。 大氣環流處于不斷變化運動中準動態平衡 例： 高低指數的循環 2、環流形成了大氣水分分布的地帶及非地帶性分布、及水分循環三、大氣環流系統天氣系統與過程 1、瞬時大氣環流變化的擾動與渦旋結構大中小尺度與中長期

11、天氣過程2、氣團與鋒擾動熱力特征的非均勻性擾動特征之一 熱力分布的不均勻性氣團與鋒 1）大氣的熱力屬性直接從下墊面獲得。 熱力過程：Fo、P、LE 主要控制因子：穩定度 2）在合適的環流以及地表條件下，形成均一或非均一大氣。 氣團的定義、遲盛和變性 3）氣團間低壓輻合區形成溫度對比明顯、上升運動劇烈的向冷區傾斜狹長界面鋒面，鋒面特征(不連續、上升運動等) 4）形成獨特的鋒面天氣 5）兩種分類觀點：氣候的(宏觀、戰略的)注重源 天氣的(戰術的)注重后果 分別適合于不同的研究場合擾動特征之二 流場分布的不均勻性波動與渦旋氣旋、反氣旋，槽脊 1）以環流的緯度地帶性環流為背景：(地球旋轉與高低緯熱交換

12、產物) 地面輻合與輻散帶以PP及ITC2為背景的低壓與其間的高壓帶，分為不同類型高空西風帶與東風帶西風與東風擾動 2）熱力結構：對稱性與不對稱性系統3）均為GC的成員，擾動發展中伴隨有輸送動量、熱量 3、中高緯天氣系統與過程流場非均勻性擾動特征之一西風帶上的擾動以西風帶為背景 鋒面氣旋(溫帶氣旋) 1）極鋒活動區上擾動的發展鋒面上冷暖空氣相對擾動而形成伴隨不對稱結構的低壓渦旋的形成與發展 2）鋒面氣旋的發展與西風槽(槽前垂直環流)發展相關聯熱力、動力作用 3）鋒面氣旋=天氣二槽前上升+冷暖鋒+低壓輻合上升+大風表現為逗點云系的發展為渦旋云系 4）溫帶氣旋過程也是能量釋放及南北交換過程 5）我國

13、鋒面氣旋活動特點與鋒面活動一致；如春夏多，兩個活動帶 移動性冷性反氣旋與寒潮 l）地面移動性反氣旋與高空槽后環流相結合 形成于槽后(冷平流；輻散；輻射冷卻) 天氣為高壓前部冷鋒后部暖鋒 活動也與槽相聯系 2）常與鋒面氣旋成對活動：槽前(高空輻散、暖平流、上升運動)、槽后 (相反)；移向東北、東南；冷鋒上、冷鋒后； 也是極鋒區南北熱交換的基本成員 3）寒潮天氣過程極端的冷性反氣旋活動過程 引起大規模冷空氣南侵的天氣過程(東亞大型過程) 前提有冷空氣的積累(醞釀)期，高指數期 實現爆發期(突變)，向低指數轉換，形成寒潮天氣：降溫、大風、霜凍等 結果環流大調整，建立東亞大槽(長波)，完成冷暖南北大交

14、換 路徑與活動受引導氣流支配 高空天氣系統槽脊與渦旋 1）西風帶上的大型擾動(行星尺度) a大氣長波： 大、長、慢(比較短波) 是短波活動背景 與大型天氣過程聯系(如南北交換) 長波與氣旋族長波槽前PF上首尾相聯的一系列氣旋 b阻塞高壓與切斷低壓長波發展變形而形成的大型閉合渦旋系統 冷暖交換中向北突出的孤立的暖氣團阻塞高壓(對稱) 向南突出的孤立的冷氣團切斷低壓 建立與崩潰多與環流大調整聯系維持時是GC的穩定因子(影響到不是直接控制的地區) c極渦與極區冷中心對應，位置、強度影響GC 2）西風帶中型擾動(中下層) a短波槽 小、短、快 移動性，不對稱槽前逗點云系，是直接影響我國天氣變化的主要西

15、風帶系統 發展時常誘導地面鋒面氣旋及冷性反氣旋發展 b切變線 氣旋性風場不連續線，形成于不同性質對持的高壓間，表現為東西向穩定的云雨帶 c冷渦 中尺度低值系統，與上下層聯結時常沿切變線移動發展暴雨團 小結：西風帶是擾動活動帶，天氣變化多，地面以極鋒上的鋒面氣旋，活動性高壓為主，高空以槽脊波動為主。 擾動性質多與冷暖空氣交匯位能釋放有關，所以多為不對稱結構。 擾動形式：波、渦、切變。 4、低緯天氣系統與過程流場非均勻性流場擾動特征之二，熱帶輻合帶上的擾動 熱帶天氣系統的環流背景(與中緯比較) 1）大氣水熱源(面積、海洋大，顯熱、潛熱輸出大) 2）地轉參數小，非周期不明顯 3）溫度差異小，潛熱能為

16、主 4）以副熱帶高壓及熱帶輻合帶為背景副熱帶高壓副熱帶地區行星尺度大型動力性高壓 1）形成于Hadley&Ferrel cell的下沉區： 分布與脊線位置副熱帶地區多中心、帶狀性質動力性結構暖性，深厚、穩定天氣與東西風帶相作用形成晴一片，雨一線的天氣分布表現為副高衛星云系 2）西太平洋副熱帶高壓夏半年影響我國天氣的重要成員 季節性進退(強度位置)形成我國雨帶和各地雨季，及盛夏干旱 多年變化氣候振動與異常，如旱一片，澇一線 短期變化與周圍系統相作用，形成天氣過程及異常熱帶天氣系統 1）ITCZ兩半球間Hadley cell低壓上升區內的氣流輻合帶 a，依距赤遠近表現為： 赤道附近信風槽； 遠離赤

17、道季風槽 b，濕熱、不穩定對流天氣為主 c，季節性擺動與非周期活動 天氣熱帶云團、熱帶擾動源地 氣候水、熱源，形成熱帶雨林、干濕季氣候 2）熱帶氣旋形成于熱帶洋面的強低氣壓渦旋(天氣尺度) a，形成有明顯的季節性和地域性特征 b，結構獨特具有暖心的排氣管式渦旋熱機形成影響沿海災害性天氣 c，形成取決當地條件。基本條件能量； 啟動： 旋轉： 通風 d，移動受周圍氣流牽引 e，消亡斷能(北上、登陸) 3）熱帶云團衛星云圖上表現的密集的對流擾動云群 活動在ITCZ： 季風低壓： 暖季高原上4）其他：季風槽北進時形成的季風低壓：東風上的波動等5、中小尺度系統流場擾動特征之三中、小尺度天氣系統一般特征1

18、）尺度小，但水平梯度大，垂直速度大，所以天氣變化突然2）時間短，但加速度大，所以變化激烈，能量集中，強度大3）多為不穩定對流天氣，非靜力、非地轉，易形成災害4）多依附于一定大尺度環境，釋放能量 對流天氣系統l）雷暴與積雨云聯系的天氣(放電、陣雨、大風) a，在不穩定氣層中突發增展的強對流具有自我消散機制(生命短) b，水汽充足的不穩定氣層中(能)+沖擊啟動(動力、熱力)季節、地域2）強雷暴超級積雨云 a，強風暴超級對流單體云體傾斜形成自我維持機制 范圍大、生命長、天氣劇烈 b，雹線多個超級單體組成的強對流活動線 c，龍卷風強風暴云體中孕育的小尺度漏斗狀強渦旋(旋衡風) 暴雨(天氣過程)夏季風時

19、期災害之一1）我國大暴雨特點 強度大；持續長： 在一定的天氣背景下，可由多種中小尺度系統引起：2）形成 大尺度背景 各尺度相互作用 由中小系統直接形成暴雨 物理條件與對流系統不完全相同其他：災害性天氣天氣系統第六章 氣候的形成 影響與氣候過程 一、氣候系統的完全描述 1、組成特征：敏感性與穩定性 2、能量守恒：太陽輻射能分布基本格局天文氣候 3、氣候過程及其時間譜：天氣氣候氣候系統二、海氣相互作用(熱交換過程為主) 氣候系統基本過程之一 1、海陸熱力性質差異：海洋是氣候系統的熱量儲存器及穩定因子 2、海陸對大氣加熱的周期變化季風 3、海陸對大氣影響的綜合表現海洋性與大陸性氣候 4、海洋中熱力非均勻分布冷暖洋流對氣候特征的進一步影響三、冰雪圈與冰雪覆蓋過程 氣候系統基本過程之二 1、冰雪覆蓋區特征及其重要性 2、海冰、大氣與海水的相互耦合四、地形起伏對大氣圈層的影響：陸面