1、大气科学概论大气科学概论绪论绪论第一章地球大气第一章地球大气 第一节地球系统第一节地球系统 第二节地球大气第二节地球大气 大气的演化大气的演化 大气成分及特征大气成分及特征 表征大气的基本要素表征大气的基本要素参考文献参考文献安俊琳、安俊琳、在此一并感谢！在此一并感谢！绪绪 论论Atmospheric Sciences: 研究行星地球大气的结构与演变研究行星地球大气的结构与演变Structure and evolution 发生在大气中的许多现象发生在大气中的许多现象Phenomena 其内容在近几十年来，有很多变化，其内容在近几十年来，有很多变化，30 年前，主要内容是天气预报，年前，主要内
2、容是天气预报，weather forecasting, 风暴产生的过程风暴产生的过程Processes ，辐射平稳辐射平稳radiation balances.近年来，气候与气候变化近年来，气候与气候变化 climate and climate change, 大气化学大气化学atmospheric chemistry 已成为已成为大气科学的主要内容。大气科学的主要内容。近年来，主要成果与进展，可概括为以下几个方面：近年来，主要成果与进展，可概括为以下几个方面：观测手段的发展与资料的丰富，观测手段的发展与资料的丰富，天气与气候预报准确率的提高，天气与气候预报准确率的提高，大气化学与大气环境引起
3、重视，气候动力学的进展。大气化学与大气环境引起重视，气候动力学的进展。1 1、历史概况、历史概况 1）气象学）气象学(meteorology)一词源于希腊文一词源于希腊文meteoros和和logos，意为意为“上空的上空的”和和“推理推理”。 2）传统的气象科学，主要是研究大气中各种天气现象的）传统的气象科学，主要是研究大气中各种天气现象的发生发展规律的科学。发生发展规律的科学。 3）在）在18、19世纪，气象学附属于地理学，作为其一个分世纪，气象学附属于地理学，作为其一个分支而存在。支而存在。 4）1820年世界上出现第一张天气图，气象学才开始了近年世界上出现第一张天气图，气象学才开始了近
4、代科学探索的历史。代科学探索的历史。 5）到20世纪初，气象学从地理学分出，逐渐发展而成为地学的一个大的分支。 6） 20世纪20年代，地面气象观测网建立，30-40年代高空气象观测网的发展，增进了人类对大气的认识，加速了气象科学的发展。 7） 60年代以来，电子计算机、卫星、雷达等的应用，使气象科学呈蓬勃发展之势，研究内涵日渐丰富，外延不断拓展。 8） 到了20世纪90年代，气象科学的概念，已逐渐被大气科学的概念所取代。随着现代科学技术在气象学中的应用，其研究范畴日益扩展，因而20世纪90年代以来，“大气科学”术语得到日益广泛的应用，它大大扩充了传统气象学的研究内容。1934绪论绪论大气科学
5、研究对象主要是覆盖整个地球的大气圈。大气圈,特别是地球表层的低层大气和地球的水圈、岩石圈和生物圈是人类赖以生存的主要环境。2、大气科学的学科分支、大气科学的学科分支 绪论绪论大气物理学院大气物理学院 安俊琳安俊琳学科分支学科分支 3、天气学 1） 是一门研究大气中各种天气现象发生发展的规律以及如何应用这些规律来制作天气预报的学科。 2） 研究内容主要包括天气现象、天气系统、天气分析和天气预报等。 气候学和天气学研究的成果，不但为大气科学提供丰富的研究课题，而且还直接为国民经济服务 4、动力气象学、动力气象学 1） 是一门应用物理学和流体力学定律及数学方法，是一门应用物理学和流体力学定律及数学方
6、法，研究大气运动的动力和热力过程及其相互关系的学科。研究大气运动的动力和热力过程及其相互关系的学科。 2） 研究内容主要包括大气热力学、大气动力学、研究内容主要包括大气热力学、大气动力学、大气环流、大气湍流、数值天气预报和数值模拟等。大气环流、大气湍流、数值天气预报和数值模拟等。 3） 动力气象学的发展对更深刻地认识大气运动的动力气象学的发展对更深刻地认识大气运动的机理、掌握天气和气候的变化规律有十分重要的作用，机理、掌握天气和气候的变化规律有十分重要的作用，它是大气科学的理论基础学科它是大气科学的理论基础学科 5、大气物理学、大气物理学 1）是一门研究大气的物理现象、物理过程及）是一门研究大
7、气的物理现象、物理过程及其演变规律的学科。其演变规律的学科。 2）研究内容主要包括云和降水物理学、大气）研究内容主要包括云和降水物理学、大气光学、大气电学、大气声学、大气辐射学、大光学、大气电学、大气声学、大气辐射学、大气扩散学等气扩散学等 6、大气化学、大气化学 1）是一门研究大气组成和大气化学过程的学）是一门研究大气组成和大气化学过程的学科。科。 2）研究内容主要包括大气微量气体及其循环、）研究内容主要包括大气微量气体及其循环、大气气溶胶、大气放射性物质和降水化学等大气气溶胶、大气放射性物质和降水化学等 7、人工影响天气、人工影响天气 1）是研究如何通过影响云和降水的微物理过）是研究如何通
8、过影响云和降水的微物理过程，使某些大气现象、大气过程发生改变的技程，使某些大气现象、大气过程发生改变的技术和方法。术和方法。 如人工降水、人工防雹、人工消雾等。人工如人工降水、人工防雹、人工消雾等。人工影响天气是人类改造自然的一个组成部分。影响天气是人类改造自然的一个组成部分。8、应用气象学、应用气象学 是将气象学的原理、方法和成果应用于农是将气象学的原理、方法和成果应用于农业、水文、航海、航空、军事、医疗等方面，业、水文、航海、航空、军事、医疗等方面，同各个专业学科相结合而形成的边缘性学科同各个专业学科相结合而形成的边缘性学科 大气科学研究方法大气科学研究方法世界上各类自然灾害大致可分为世界
9、上各类自然灾害大致可分为8大类大类干旱干旱洪水洪水地震地震海啸海啸风风暴暴野火野火崩滑崩滑火山火山storm wildfire volcano collapse-slide 1980-2010年全球自然灾害比例Slides 4%Flood 35%Extreme Temperature11%Drought4%Earthquake11%Windstorm 22%Wild Fires 8%Epidemic, famine, insects5%Volcano0.5%88.5%88.5%的灾害是气象及其次生灾害的灾害是气象及其次生灾害1980-2010年全球因自然灾害死亡人数Volcano2.5%Tsu
10、nami11%Epidemic, famine, insects19%Wild Fires 0.06%Windstorm 13%Earthquake14%Drought28%Extreme Temperature3.4%Flood 9%Slides 0.9% 近近70%70%的人员死亡是气象灾害造成的的人员死亡是气象灾害造成的1980-2010年自然灾害经济损失Slides 0.4%Flood 28%Extreme Temperature1.8%Drought5%Earthquake24%Windstorm 38%Wild Fires 2.45%Tsunami1%75%75%的经济损失是气象灾
11、害及其衍生灾害的经济损失是气象灾害及其衍生灾害20062006年百年一遇超强台风年百年一遇超强台风“桑美桑美”登陆我国登陆我国超强台风桑美（超强台风桑美（SAOMAISAOMAI）20062006年年8 8月月1010日在浙江苍南沿海登陆，登日在浙江苍南沿海登陆，登陆时中心附近最大风力达陆时中心附近最大风力达1717级（级（6060米米/ /秒），秒），为建国以来登陆我国大为建国以来登陆我国大陆最强的一个台风，比陆最强的一个台风，比20052005年登陆美国时的年登陆美国时的“卡特里娜卡特里娜”飓风还强飓风还强，也是近也是近1010年来因大风造成伤亡最惨重的一个台风年来因大风造成伤亡最惨重的一
12、个台风。“桑美桑美”共造成共造成浙江、福建、江浙江、福建、江西和湖北西和湖北4 4省省665.6665.6万人万人受灾，受灾，因灾死亡因灾死亡483483人人，直接经济损失直接经济损失196.6196.6亿元亿元。浙江、浙江、福建福建受灾严重。受灾严重。 福建、江西、湖南、广东、广西、云南等省（区）出现严重暴雨福建、江西、湖南、广东、广西、云南等省（区）出现严重暴雨洪涝、山洪和山地灾害，共有洪涝、山洪和山地灾害，共有31943194万人不同程度受灾，因灾死亡万人不同程度受灾，因灾死亡843843人；直接经济损失人；直接经济损失348.3348.3亿元。亿元。“碧利斯碧利斯”是近是近1010年来
13、造成死亡人数最多的热带气旋。年来造成死亡人数最多的热带气旋。强热带风暴强热带风暴“碧利碧利斯斯”7 7月月1313日在台湾省日在台湾省宜兰登陆，宜兰登陆，1414日在福日在福建省霞浦再次登陆。建省霞浦再次登陆。登陆后西行，深入内登陆后西行，深入内陆历时陆历时5 5天，于天，于1818日在日在云南东部减弱并且消云南东部减弱并且消失。失。20062006年强热带风暴年强热带风暴“碧利斯碧利斯”横扫我国南方七省（区）横扫我国南方七省（区） 英国媒体登出一张照片，显示一头北极熊正在海浪中挣扎。相关报道说，它和另外8头北极熊因所住冰面消融而掉进汪洋大海，窘况“令人心碎”。由于全球升温，冰面不断融化，距离
14、这9头北极熊最近冰面远在644公里外。全球变暖冰面渐远“千里寻冰”累死北极熊 照片里，蓝色的深浅代表臭氧的含量，颜色愈深，臭氧的含量愈少。 南极臭氧空洞臭氧层空洞威胁人类生存 环境问题林木受害状况作物受害状况农业绪论绪论交通运输电力第一章第一章 地球大气地球大气大气圈大气圈大气圈在气候系统中起着核心作用；大气圈中长波辐射和对流的相互作用调节着地球表面的温度，控制着冰雪覆盖的范围和生物圈中各种生物种群的空间分布；大气圈中的风场调节着海洋中上翻流的分布，它能给海洋生物圈带来丰富的营养物质；风决定了地球上水资源的分布，风可以将微量气体、烟、尘、昆虫、植物种子及孢子传播到很远的地方；雨、霜、风侵蚀地壳
15、，冲刷山脉，重构地形，肥沃土地。第一章第一章 地球大气地球大气什么是气溶胶？什么是气溶胶？1、定义：悬浮在大气中的各种固体和液体粒子。2、尺度：10-3102m 数密度： 102106个/cm3城市农村，陆地海洋，冬季夏季3、来源：自然源和人为源大气的垂直结构大气的垂直结构按按温度垂直变化温度垂直变化分层分层n 按按温度垂直变化温度垂直变化分层分层:对流层Troposphere（12km以下）在赤道地区对流层顶的高度约18千米，中纬度地区约12千米，极地地区约8千米。夏季的对流层厚度大于冬季。以南京为例，夏季的对流层厚度达17公里，而冬季只有11公里，冬夏厚度之差达6公里之多。1) 温度随高度
16、的增加而降低，气温递减率为6.5/km。2) 对流层中的垂直运动显著。3) 集中了80%的大气质量和几乎全部水汽。4) 云雾降水均发生在此层。5) 受地表影响最强烈，空气属性的水平分布很不均匀。对流层的特点对流层的特点 平流层Stratosphere（12km55km)1）25km 以下温度递减率接近零，25km以上温度随高度明显增加。2）平流层气流运动主要以水平运动为主。3）水汽极少，颗粒物极少，能见度极好。4）大气污染物进入平流层后能长期存在。 中间层（中间层（- -85 km85 km ）气温随高度增加而迅速下降；气温随高度增加而迅速下降；有相当强烈的垂直对流运动；有相当强烈的垂直对流运
17、动；水汽很少，几乎没有云的出现水汽很少，几乎没有云的出现。 1）温度随高度增加而上升。2）高度电离。3）带电粒子运动受地球磁场的作用明显。热层热层ThermosphereThermosphere（-550km)-550km)外层外层（散逸层）（散逸层）ExosphereExosphere（500500）大气成分可以散逸到星际空间。外层对流层平流层中间层热层上冷下热上冷下热高空对流高空对流按化学成分分层按化学成分分层 均质层（均匀层）均质层（均匀层） 在在90 km以下的大气层中，大气中的主要成分的以下的大气层中，大气中的主要成分的组成比例几乎是不变的。组成比例几乎是不变的。 非均质层（非均匀层
18、）非均质层（非均匀层） 90 km以上的大气层中，由于氧和氮分子大量解以上的大气层中，由于氧和氮分子大量解离，使得大气的平均相对分子质量随高度的增加离，使得大气的平均相对分子质量随高度的增加而降低。而降低。可以分为非电离层、电离层和磁层。可以分为非电离层、电离层和磁层。地面到地面到60 km高度的大气层高度的大气层-非电离层；非电离层；60500 km高度的大气层高度的大气层-电离层；电离层；500 km以上以上-磁层。磁层。按大气电离状态分层按大气电离状态分层大气物理学院大气物理学院 安俊琳安俊琳oo5(32)9CFo273.15KCoo9325FCoo5(32)9CFo273.15KCoo
19、9325FC1、定义：表示大气冷热程度的物理量，反映一定条件下空气分子平均动能大小。通常指距地面1.5m高处百叶箱中的空气温度。2、单位：摄氏度（）温标；绝对温标，以K表示；华氏温标： ，水的沸点为2123、单位换算：一、气温（一、气温（Temperature）1. 1. 全全为为白色白色2. 2. 四周全四周全为百叶为百叶 3. 3. 离地面离地面1.5m1.5m4.4.窗扇向北（因为太阳东升西窗扇向北（因为太阳东升西落，以避免开窗时温度计受落，以避免开窗时温度计受到阳光直接照射，使得温度到阳光直接照射，使得温度计的读数失真）计的读数失真）1、定义：单位面积上所承受到的整个空气柱的质量大气的
20、压强。实质：气压的大小决定于整个空气柱质量的多少。2、标准大气压：在纬度为45的海平面上，温度为0时，所测得的水银柱高高为760mm的大气压强，为一个标准大气压（1atm1013.25 hPa）。3、单位：1Pa=1N/m2，mb毫巴，Pa帕斯卡 1mb=100Pa=1hPa（百帕）； 1atm101325Pa1013.25mb=760mmHg二、气压（Pressure）水银气压计水银气压计气压的垂直分布 由于大气层的厚度随高度的增高而变薄， 空气密度也随高度增高而迅速减小， 所以，气压随高度增高而急剧减小。1、定义：表示大气中水汽量多少的物理量称大气湿度。意义：大气湿度状况直接影响了云、雾、
21、降水等天气现象的形成。三、湿度（Humidity）湿度表示方法湿度表示方法露点（Td）水汽混合比（） 比湿（q）饱和差（d）水汽压(e)及饱和水汽压(E) 相对温度（f）水汽压（水汽压（e）：水汽和其它气体一样也有压力，大气中水汽产生的那一部分压力。水汽含量水汽含量，水汽压水汽压e单位：单位：hPa水汽压及饱和水汽压饱和水汽压（饱和水汽压（E）：温度一定，单位体积空气中的水汽含量是有一定限度，空气达到此限度时为饱和湿空气，饱和湿空气中的水汽所产生的那部分压力，即最大水汽压。饱和水汽压（饱和水汽压（E）saturation vapour pressure定义：饱和湿空气中水汽的分压强。定义：饱和
22、湿空气中水汽的分压强。影响因子：影响因子：EET温度温度 T E 饱和差饱和差（d）：在一定温度下，饱和水汽压（E）与实际空气水汽压（e）之差称饱和差（d）。即：d=E-e意义意义：饱和差（d） 表示实际空气距离饱和的程度。d越大，越不饱和；d=0，空气达饱和状态；d 0，说明不饱和；d0，过饱和。d定义：同一温度下饱和水汽压与实际水汽压之差。定义：同一温度下饱和水汽压与实际水汽压之差。d=E-e，反映空气的潮湿程度。，反映空气的潮湿程度。影响因子：影响因子：温度不变，温度不变，E不变：水汽含量不变：水汽含量 e d水汽含量不变，水汽含量不变，e不变：温度不变：温度 E d温度、水汽含量温度、
23、水汽含量影响因子：影响因子：温度、水汽含量温度、水汽含量温度不变，温度不变，E不变：水汽含量不变：水汽含量 e d水汽含量不变，水汽含量不变，e不变：温度不变：温度 E d影响因子：影响因子：温度、水汽含量温度、水汽含量相对湿度相对湿度（f）：表示空气中的实际水汽压（e）与同温度下饱和水气压（E）的百分比。即：f=e/E 100%意义意义：相对湿度（f）直接反映了空气距离饱和的程度。f 越大，越接近饱和，当达到f=100%时，空气就达饱和状态，此时水汽就要开始凝结。混合比与比湿混合比与比湿四、风(Wind)定义：空气的水平运动称为风。风是一个表示气流运动的物理量。它不仅有数值的大小（风速），还
24、具有方向（风向）。因此风是向量（矢量）。风向是指风的来向。地面风向用16 方位表示；在16 方位中，每相邻方位间的角差为22.5。风标和风速计：左边是杯型风速计，右边是螺旋桨风向风速计，可同时测量风向和风速。地面风向表示方法高空风向常用方位度数表示；即以0(或360)表示正北，90表示正东，180表示正南，270表示正西。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/h；1knot=1.852km/h1km/h=0.28m/s；1knot=1/2m/s。在地面天气图上，用下列图示来表示风，风尾长划风速为4米/秒，即风力为2级，短划
25、风速为2米/秒。一个风旗，表示风力为8级。风尾和风旗均放在风杆的左侧。西南风5级东南风12级天气图上风的表示方法0级静风，风平浪静，烟往上冲。级静风，风平浪静，烟往上冲。 1级软风，烟示方向，斜指天空。级软风，烟示方向，斜指天空。 2级轻风，人有感觉，树叶微动。级轻风，人有感觉，树叶微动。 3级微风，树叶摇动，旗展风中。级微风，树叶摇动，旗展风中。 4级和风，灰尘四起，纸片风送。级和风，灰尘四起，纸片风送。 5级清风，塘水起波，小树摇动。级清风，塘水起波，小树摇动。 6级强风，举伞困难，电线嗡嗡。级强风，举伞困难，电线嗡嗡。 7级疾风，迎风难行，大树鞠躬。级疾风，迎风难行，大树鞠躬。 8级大风，折断树枝，江湖浪猛。级大风，折断树枝，江湖浪猛。 9级烈风，屋顶受损，吹毁烟囱。级烈风，屋顶受损，吹毁烟囱。 风力等级：风力等级：蒲福风级表蒲福风级表
