氣象學與氣候學

第一章緒論氣候系統大氣的物理性狀2

第二節氣候系統概述地理學研究的對象是巖石圈、水圈、大氣圈和生物圈及其相互關系，具有明顯的綜合性和地域性特點。簡言之，地理學研究的對象就是人類賴以生存的地球表面的地理環境。它既具有對自然條件的研究，又具有對社會生產及其相互關系的研究。在地貌、水文、土壤、氣候、生物等眾多的自然條件中，氣候是最基本、最活躍的要素，地理系統中復雜的物質與能量交換過程，例如熱量交換與水分交換等，都與氣候條件密切相關。因此，氣候學不僅僅是氣象學的一門分支學科，也是地理學的部門學科。3一氣候系統1974年在斯德哥爾摩召開的WMO-ICSU聯席會上，明確提出了這一概念：氣候系統——指的是大氣圈同水圈、冰雪圈、巖石圈、生物圈之間相互作用的、能決定氣候形成、分布和變化的物理系統。4二氣候形成的三大因素太陽輻射——大氣活動的能量之源，大氣過程的主宰力量。（外部因素）大氣環流——輸送熱量和水分的機制，是直接控制氣候過程的因素。（本身）地理環境——下墊面的影響、人類活動的影響。只有地理條件才是氣候特征的決定因素。5氣候系統示意圖6一大氣圈概述

1大氣組成成分與分布

90公里以下百分比較穩定，分子量=∑各氣體所占體積×分子量90公里以上，成份仍以氮氣、氧氣為主，但有一定的離解，氫氦增加100公里以上，氧氣基本離解250公里以上，氮氣基本離解7大氣的氣體組成成份8

2大氣中的主要成分氮氣基本成分，沖淡氧氣氧氣呼吸、氧化作用二氧化碳光和原料、溫室效應臭氧保護作用、增溫作用93臭氧層及其問題南極臭氧空洞形成原理

人類所排放的氟氯烴主要在北半球，其中歐洲、俄羅斯、日本和北美洲約占總排放量90%。南極是一個非常廣闊的陸地板塊，周圍又完全被海洋包圍，這種自然條件下產生了非常低的平流層溫度。在南極酷冷的季節（6-9月），下沉的空氣在南極洲的山地受阻，停止環流而就地旋轉，吸入周圍的冷空氣，形成“極地風暴旋渦”。這股旋渦上升到20公里的高空的臭氧層，由于這里的溫度非常低，形成了滯留的“冰云”。“冰云”中的冰晶微粒把空氣帶來的氟氯烴和哈龍吸收在其表面，并不斷積累其中。當南極的春季來臨（9月下旬），陽光照向“冰云”時，冰晶融化，釋放出吸附的氟氯烴和哈龍。它們受到紫外線UV-C照射，分解出CL和BR并與臭氧反應生成CLO和BRO，消耗臭氧。由于冰晶的吸附作用，積累的氟氯烴和哈龍在一段時間內集中分解出CL和BR，在加上形成冰晶會發生各種各樣的化學反應，促成了每年9-11月臭氧快速耗減，在特定高度臭氧幾乎完全消失，導致臭氧空洞形成。104臭氧層破壞造成的危害陽光紫外線輻射能量很高的部分稱EUV，從EUV到波長等于290納米之間的稱為UV-C段，波長等于290～320納米的輻射段稱為UV-B段（即B類紫外線）也有90％能被臭氧分子吸收，如果臭氧層的臭氧含量減少，則地面受到UV-B的輻射量增大。UV-B類紫外線灼傷稱為B類灼傷，這是紫外輻射最明顯的影響之一，學名為紅斑病。B類紫外線也能損耗皮膚細胞中的遺傳物質，導致皮膚癌。B類輻射增加還可對眼睛造成損壞，導致白內障發病率增加。B類紫外線輻射也會抑制人類和動物的免疫力。因此B類紫外線輻射的增加，可以降低人類對一些疾病包括癌癥、過敏癥和一些傳染病的抵抗力。B類輻射的增加，會對自然生態系統和作物造成直接或間接的影響。例如B類紫外輻射對20米深度以內的海洋生物造成危害，會使浮游生物、幼魚、幼蟹、蝦和貝類大量死亡，會造成某些生物減少或滅絕，由于海洋中的任何生物都是海洋食物鏈中重要的組成部分，因此某些種類的減少或滅絕，會引起海洋生態系統的破壞。11B類輻射的增加也會損害浮游植物，由于浮游植物可吸收大量二氧化碳，其產量減少，使得大氣中存留更多的二氧化碳，使溫室效應加劇。B類輻射還將引起用于建筑物、繪畫、包裝的聚合材料的老化，使其變硬變脆，縮短使用壽命等等。另外，臭氧層臭氧濃度降低紫外輻射增強，反而會使近地面對流層中的臭氧濃度增加，尤其是在人口和機動車量最密集的城市中心，使光化學煙霧污染的機率增加。有人甚至認為，當臭氧層中的臭氧量減少到正常量的1/5時，將是地球生物死亡的臨界點。這一論點雖尚未經科學研究所證實，但至少也表明了情況的嚴重性和緊急性。121985年3月，聯合國環境規劃署理事會在奧地利首都維也納通過了保護臭氧層的國際公約——《保護臭氧層維也納公約》。為使《公約》進一步落實，1987年9月16日在加拿大的蒙特利爾會議上，又通過了《關于消耗臭氧層物質的蒙特利爾議定書》。為紀念《議定書》簽署，表明國際社會對臭氧層耗損問題的關注和保護臭氧層的共識，1995年1月23日，聯合國大會通過決議，確定從1995年開始，每年的9月16日為“國際保護臭氧層日”，要求所有締約國根據《議定書》及其修正案的目標，采取具體行動紀念這一特殊的日子。13國際組織《關于消耗臭氧層物質的蒙特利爾議定書》及其該《議定書修正》規定了15種氯氟烷烴（CFCs）、3種哈龍、40種含氫氯氟烷烴（HCFCs）、34種含氫溴氟烷烴（HBFCs）、四氯化碳（CCl4）、甲基氯仿（CH3CCl3）和甲基溴（CH3Br）為控制使用的消耗臭氧層物質，也稱受控物質。14二大氣的結構

大氣質量

M=5.3×100013t，其中有50％集中在離地5.5km以下的層次內，在離地36～1000km余的大氣層只占大氣總質量的1％。大氣上界根據觀測資料，在大氣中極光是出現高度最高的現象，上界定為1200km。稱為大氣的物理上界。大氣分層據物理狀況，分為五層15（二）、大氣的結構1、大氣的上界

A:極光是大氣中出現的最高的物理現象，1200kmB:人造衛星探測資料，按大氣密度定為2000~3000km2、大氣的垂直分層（大氣溫度、成分、垂直運動、電離）對流層平流層中間層熱層散逸層五層16對流層平流層對流旺盛近地面，緯度不同厚度變；高度增來溫度減，只因熱源是地面；天氣復雜且多變，風云雨雪較常見氣溫初穩后升熱只因層中臭氧多水平流動天氣好高空飛行很適合上冷下熱高空對流電離層電離層能反射無線電波，對無線電通訊有重要作用中間層熱層171對流層及其特點

氣溫隨高度升高而降低垂直對流旺盛；氣象要素復雜；對流層頂和行星邊界層

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在對流層的最下層稱為行星邊界層或摩擦層。其范圍一般是自地面到1～2km高度。邊界層的范圍夏季高于冬季，白晝高于夜晚，大風和擾動強烈的天氣高于平穩天氣。行星邊界層以上的大氣層稱為自由大氣。在對流層的最上層，介于對流層和平流層之間，還有一個厚度為數百米到1～2km的過度層，稱為對流層頂。19

2.平流層高度對流層頂到55km左右溫度隨著高度的增高，氣溫最初保持不變或微有上升。大約到30km以上，氣溫隨高度增加而顯著升高，在55km高度上可達-3℃。平流層這種氣溫分布特征是和它受地面溫度影響減少，特別是存在著大量臭氧能夠直接吸收太陽輻射有關。平流層內氣流比較平穩，空氣的垂直混合作用顯著減弱。其它平流層中水汽含量極少，大多數時間天空是晴朗的。20氣流水平運動為主，適于飛行能見度高：地球大氣的平流層水汽、懸浮固體顆粒、雜質等極少，天氣比較晴朗，光線比較好，能見度很高，便于高空飛行。受力穩定：平流層的大氣上暖下涼，大氣不對流，以平流運動為主，飛機在其中受力比較穩定，便于飛行員操縱架駛噪聲污染小：平流層距地面較高，飛機絕大部分時間在其中飛行，對地面的噪聲污染相對較小。安全系數高：飛鳥飛行的高度一般達不到平流層，飛機在平流層中飛行就比較安全。當然，在起飛和著陸時，要想方設法驅趕開飛鳥才更為安全．21民航飛機的飛行高度層

中型以上的民航飛機都在高空飛行，此處的高空是指海拔7000——12000米的空間。在這個空間以1千米為1個高度層，共分為6個高度層：7千米、8千米、9千米、1萬米、1萬1千米和1萬2千米。高空飛行的飛機只允許飛以上給定高空。

另外，民航飛機在飛行時，以正南正北方向為零度界限，凡航向偏右（偏東）的飛機飛雙數高層，即8千米、1萬米、1萬2千米高度層；凡航向偏左（偏西）的飛機飛單數高度層，即7千米、9千米、1萬1千米高度層。不同飛機的最大飛行高度

短航線的飛機一般在6000米至9600米飛行，長航線的飛機一般在8000米至12600米飛行，現在的普通民航客機最高飛行高度不會超過12600米，有一些公務機的飛行高度可以達到15000米。

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24軍用飛機的最大飛行高度（稱升限）變化也不大。殲擊機的實用升限在20000米左右,高空偵察機如美國的SR-71和蘇聯的米格-25P，實用升限約25000米。用急躍升的方法所能達到的最大飛行高度（稱動升限），有的軍用飛機已達35000米或更高一些。轟炸機和殲擊轟炸機的實用升限,多數不超過16000米。現代直接用于戰斗的飛機，為避免被對方雷達早期發現，常從低空或超低空突防,某些起飛重量超過100噸的轟炸機，突防高度可低至150米左右，強擊機的突防高度為50～100米。25

3.中間層（平流層頂到85km）氣溫隨高度增加而迅速下降，頂部氣溫降到-113°～83℃，其原因是由于這一層中幾乎沒有臭氧，而氮和氧等氣體所能直接吸收的那些波長更短的太陽輻射又大部分被上層大氣吸收掉了。有相當強烈的垂直運動（高空對流層），水汽含量更極少，幾乎沒有云層出現。在中間層的60～90km高度上，有一個只有白天才出現的電離層，叫做D層。26

4.熱層（熱成層和暖層）氣溫隨高度的增加而迅速增高。增溫程度與太陽活動有關，當太陽活動加強時，溫度隨高度增加很快升高，這時500km處的氣溫可增至2000k；當太陽活動減弱時，溫度隨高度的增加增溫較慢，500km處的溫度也只有500k。熱層沒有明顯的頂部。通常認為在垂直方向上，氣溫從向上增溫至轉為等溫時，為其上限。空氣處于高度電離狀態，其電離的程度是不均勻的。其中最強的有兩區，即E層（約位于90～130km）和F層（約位于160～350km）。F層在白天還分為F1和F2兩區。電離層迫使氣體原子電離，產生帶電離子和自由電子，使高層大氣中能夠產生電流和磁場，并可反射無線電波，

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在高緯度地區的晴夜，在熱層中可以出現彩色的極光。這可能是由于太陽發出的高速帶電粒子使高層稀薄的空氣分子或原子激發后發出的光。這些高速帶電粒子在地球磁場的作用下，向南北兩極移動，所以極光常出現在高緯度地區上空。

2011-12-6作家畢淑敏撰于加拿大艾伯塔省北部麥克莫瑞堡印地安人傳說極光是人類的祖先回來與后代對話。茵紐特人說是指引人類上天堂的火把。極光的聲音，猶如銀鏈抖動。

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5.離散層

這是大氣的最高層，又稱外層。這一層中氣溫隨高度增加很少變化。由于溫度高，空氣粒子運動速度很大，又因距地心較遠，地心引力較小，所以這一層的主要特點是大氣粒子經常散逸至星際空間，本層是大氣圈與星際空間的過度地帶。

3031氣候子系統——水圈、陸面、冰雪圈和生物圈地球上七大洲面積和四大洋面積比較（單位：百萬平方公里）32水圈：海洋是由世界大洋和鄰近海域的含鹽海水所組成。其總面積為3.6億km2，約占地球表面的71％，相當于陸地面積的2.5倍。無論從力學和熱力學效應來看，海洋在氣候系統中具有最大的慣性，是一個巨大的能量貯存庫。陸面：巖石圈。在近代氣候變化的時間尺度內，除火山爆發外，對大氣的作用主要還是發生在陸地表面。冰雪圈：冰川和冰原的體積變化與海平面高度的變化有很大關系。由于冰雪具有很大的反射率，在冰雪覆蓋下，地表（包括海洋和陸地）與大氣間的熱量交換被阻止，因此冰雪對地表熱量平衡有很大影響。它是氣候系統中的一個重要子系統。生物圈：生物對于大氣和海洋的二氧化碳平衡，氣溶膠粒子的產生，以及其它與氣體成分和鹽類有關的化學平衡等都有很重要的作用。333氣候系統的基本特性氣候系統是一個非常復雜的非線性系統，各子系統雖能彼此獨立地客觀存在著，而其相互作用卻又決定著各子系統的演化行為。一般從以下幾個方面來描述氣候系統的基本特性：氣候過程、氣候態及時間尺度、反饋過程、外源強迫、敏感性、可預報性、參數化。天氣往往是由地氣決定的。例如降水形態：到底是下雨、下雪，還是凍雨、冰粒、雨夾雪，多取決于近地面的溫度狀況。也就是說：謀事在高層，成事在基層。3435基本物理性質第三節有關大氣的物理性狀主要氣象要素空氣狀態方程36流動性可壓縮性粘著性連續性結論：因為空氣存在流動性、粘著性、連續性等特點，所以當一個地區上空的空氣上升時，必然有另一個地區的空氣的下降來對它進行補充，從而形成一種環流。空氣物理性質37氣溫氣壓濕度降水風云量能見度主要氣象要素38第三節有關大氣的物理性壯

一、主要氣候要素

㈠氣溫

氣溫的單位：目前我國規定用攝氏度（℃）溫標，以氣壓為1013.3hPa時純水的冰點為零度（0℃），沸點為100度（100℃），其間等分100等份中的1份即為1℃。在理論研究上常用絕對溫標，以K表示，這種溫標中一度的間隔和攝氏度相同，但其零度稱為“絕對溫度”，規定為攝氏-273.15℃。因此水的冰點為273.15K，沸點為373.15K。兩種溫度標之間的換算關系如下

T=t+273.15≈t+273······（1.2）大氣中的溫度一般以百葉箱中干球溫度為代表。39

所謂氣溫，是指近地面的大氣溫度，是百葉箱中觀測到的溫度，離地1.5米，通風、草坪上、避免地面陽光直射。這樣觀測，才能剔除地表（下墊面）差異對溫度造成的巨大影響，比較真實體現大氣的溫度狀況。

這是全球統一的觀測標準，具有地域代表性、觀測連續性和全球可比對，是國際慣例，而非中國特色。而且氣溫觀測是全球信息共享并且目前大多已在實現自動觀測和上傳。

盡管氣溫值是三十幾度，但該地的地面溫度卻千差萬別，樹蔭下、草坪上、水面、水泥路面溫度可以相差幾十度40㈡氣壓

氣壓指大氣的壓強。它是空氣的分子運動與地球重力場綜合作用的結果。若以P代表氣壓，F代表面積A上所承受的力，則

P=F/A······（1.3

若M為任何面積A上的大氣質量，在地球重力場中，g為重力加速度，則這個面積A上大氣柱的重量為

F=Mg······（1.4）41

在靜止大氣中，面積A上大氣柱的重量就是該面上承受的力。將（1.3）式代入（1.4）式得

P=Mg/A

······(1.5)

即靜止大氣中任意高度上的氣壓值等于其單位面積上所承受的大氣柱的重量。一般情況下氣壓值是用水銀氣壓表測量的。設水銀柱的高度為h，水銀密度為ρ，水銀柱截面積為S，則水銀柱的重量W=

ρgh·S。

42由于水銀柱底面積的壓強和外界大氣壓強是一致的，從而所測大氣壓強為

P=W/S=ρgh·S/S=ρgh

······（1.6）

所以氣壓單位曾經用毫米水銀柱高度（mmHg)表示，現在通常用百帕表示。1hPa等于1cm2面積上受到102牛頓（N）的壓力時的壓強值，即

1hPa=102N/cm2······（1.7）

當選定溫度為0℃，緯度為45°的海平面作為標準時，海平面氣壓為1013.25hPa，相當于760mm的水銀柱高度，曾經稱此壓強為1個大氣壓。43㈢濕度

表示大氣中水汽量多少的物理量稱大氣濕度。大氣濕度狀況與云、霧、降水等關系密切。大氣濕度常用下述物理量表示：

⒈水汽壓和飽和水汽壓水氣壓（e）大氣中的水汽所產生的那部分壓力。單位和氣壓一樣，也用hPa表示飽和水汽壓（E）在溫度一定情況下，單位體積空氣中的水汽量有一定限度，如果水汽含量達到此限度，空氣就呈飽和狀態，這時的空氣稱飽和空氣。飽和空氣的水汽壓，也叫最大水汽壓，因為超過這個限度，水汽就要開始凝結。飽和水汽壓隨溫度的升高而增大。在不同的溫度條件下，飽和水汽壓的數值不同。44

⒉相對濕度

相對濕度（f）空氣中的實際水汽壓與同溫度下的飽和水汽壓的比值（用百分數表示），即

f=e/E×100％······（1.8）

相對濕度直接反映空氣距離飽和的程度

物理意義

當其接近100％時，表明當時空氣接近于飽和。當水汽壓不變時，氣溫升高，飽和水汽壓增大，相對濕度會減少。45

⒊飽和差

在一定溫度下，飽和水汽壓與實際空氣中水汽壓之差稱飽和差（d）。即d=E-e,表示實際空氣距離飽和的程度。在研究水面蒸發時常用到d，它能反映水分子的蒸發能力。

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⒋比濕（q）。

在一團濕空氣中，水汽的質量與該團空氣總質量（水汽質量加上干空氣質量）的比值，稱比濕其單位是g/g，即表示每一克濕空氣中含有多少克的水汽。也有用每千克質量濕空氣中所含水汽質量的克數表示的即g/kg。

q=mw/md+mw······（1.9）式中，mw

為該團濕空氣中水汽的質量；md為該團濕空氣中干空氣的質量。據此公式和氣體狀態方程可導出

q=0.622e/p······（1.10）

注意式中氣壓（P）和水汽壓（e）須采用相同單位（hPa），q的單位是g/g。對于某一團空氣而言，只要其中水汽質量和干空氣質量保持不變，不論發生膨脹或壓縮，體積如何變化，其比濕都保持不變。因此在討論空氣的垂直運動時，通常用比濕來表示空氣的濕度。47

⒌水汽混合比

一團濕空氣中，水汽質量與干空氣質量的比值稱水汽混合比(r)即(單位：g/g)

r=mw/md······（1.11）

據其定義和氣體狀態方程可導出

r=0.622e/P–e······（1.12）48⒍露點

在空氣中水汽含量不變，氣壓一定下，使空氣冷卻達到飽和時的溫度，稱露點溫度，簡稱露點(Td)。其單位與氣溫相同。在氣壓一定時，露點的高低只與空氣中的水汽含量有關，水汽含量愈多，露點愈高，所以露點也是反映空氣中水汽含量的物理量。在實際大氣中，空氣經常處于未飽和狀態，露點溫度常比氣溫低(Td<T)。因此，根據T和Td的差值，可以大致判斷空氣距離飽和的程度。上述各種表示濕度的物理量：水汽壓、比濕、水汽混合比、露點基本上表示空氣中水汽含量的多寡。而相對濕度、飽和差、溫度露點差則表示空氣距離飽和的程度。49

(四)降水降水是指從天空降落到地面的液態或固態水，包括雨、毛毛雨、雪、雨夾雪、霰xiàn、冰粒和冰雹等降水量指降水落至地面后（固態降水則需經融化后），未經蒸發、滲透、流失而在水平面上積聚的深度，降水量以毫米（mm）為單位霰（xiàn）：亦稱“軟雹”，白色不透明和形狀圓錐形的固體降水物，常在要落前具有一定對流厚度的云中降落，往往著地反彈且強烈。50㈤風

空氣的水平運動稱為風。風是一個表示氣流運動的物理量。它不僅有數值的大小（風速），還具有方向（風向）。因此風是向量風速的表示有時采用壓力，稱為風壓。如果以V表示風速（m/s），P為垂直于風的來向，1㎡面積上所受風的壓力㎏/㎡，其關系式

P=0.125V2······（1.13）風向八方位圖、十六方位圖NWNSWESESWNE地面風向表示方法在地面天氣圖上，用下列圖示來表示風，風尾長劃風速為4米/秒，即風力為2級，短劃風速為2米/秒。一個風旗，表示風力為8級。風尾和風旗均放在風桿的左側。西南風5級東南風12級天氣圖上風的表示方法53地面氣象要素填圖格式（手工填寫）54

㈥云量

云是懸浮在大氣中的小水滴、冰晶微粒或二者混合物的可見聚合群體，底部不接觸地面（如接觸地面則為霧），且具有一定的厚度。云量是指云遮蔽天空視野的成數。將地平以上全部天空劃分為10份，為云所遮蔽的份數即為云量。例如，碧空無云，云量為0，天空一半為云所覆蓋，則云量為5。

㈦能見度

能見度指視力正常的人在當時天氣條件下，能夠從天空背景中看到和辨出目標物的最大水平距離。單位用米（m）或千米（㎞）表示。55

二、空氣狀態方程

空氣狀態常用密度（ρ）、體積（V）、壓強（P）、溫度（t或T）表示。對一定質量的空氣，其P、V、T之間存在函數關系。

㈠干空氣狀態方程

1理想氣體的狀態方程

P1V1/T1=P2V2/T2=P3V3/T3=···PnVn/TnPV/T=常數······（1.14）凡嚴格符合該方程的氣體，稱理想氣體。實際上，理想氣體并不存在，但在通常大氣溫度和壓強條件下，干空氣和未飽和的濕空氣都十分接近于理想氣體。5621mol的氣體的狀態方程在標準狀態下（P0=1013.25hPa,T0=273k），，體積約等于22.41，即V0=22.4L/mol。因此

PV/T=P0V0/T0=R*

即PV=R*T······（1.15）

R*=1.01325×2.24×10ˉ2m3/mol÷273K=8.31441Pam3/(mol·K)≈8.31J/(mol·K)該值對1mol任何氣體都適用，所以叫普適氣體常數。573質量對于質量為M克

1摩爾氣體的質量是μ的理想氣體，在標準狀態下，其體積V等于1摩爾氣體體積的M/μ倍，即

V=M/μ×R*T/P

或PV=M/μ×R*T······（1.16）

這是通用的質量為M的理想氣體狀態方程，又稱做門捷列夫–克拉珀瓏方程。它表明氣體在任何狀態下，壓強、體積、溫度和質量4個量之間的關系（計算時要注意單位的統一）。

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在氣象學中，常用單位體積的空氣塊作為研究對象，為此，常將（1·16）式中4個量的關系變為壓強、溫度和密度3個量間的關系，即

式中R稱比氣體常數，是對質量為1克