《气象学与气候学》教案
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第一章 绪 论
气候学历经经典、天气气候到现代气候学的发展过程是科学观念的革命,它包括认识和研究方法的根本变革,启示我们从系统中学习气候,学习气候又是为了更好的认识这个地球表层系统。
一、现代自然地理学与气象气候学
1、人类赖以生存的地球——地球表层系统——个相互作用的整体
任何子系统的变化都会影响其他子系统
2、气候系统与地球表层系统——几乎相互覆盖的研究客体,但重点不尽相同。
3、气候系统也包括了地球表层系统中的几个子系统
4、其中,大气圈与自然地理系统其他圈层相互作用中,大气圈最为活跃,是联系各子系统相互作用的重要纽带,是形成自然地理要素地
带性与非地带性分布特点的主要背景之一,也是构成地球表层系统重要圈层
二、大气圈——是处于特定条件下及具有特定成分的气圈
1、气候系统如何起动与运动,其中的热力、动力过程
2、气候系统中各部分的联系,相互作用与耦合的整体过程以及对气候的影响
3、气候的综合性与地域的差异性,以及气候系统的稳定性与敏感性等
三、特定成分及其影响:
1、主要及微量成分
2、微量成分及其特殊作用:—温室气体
—平流层与臭氧层--生命保护层,
—三态共存,参与能量,辐射,及天气过程
四、重力场对大气层的约束及影响:
—在重力的作用下,以地面为下边界,绕地球旋转的圈层。
—影响之一:垂直层结的形成——大气分层:
水平尺度>>垂直尺度。
五、对流层:
是深受下边界(热力及动力)影响的大气最底层,集中了80%的大气质量,也是大气圈层与其它圈层相互作用的主要场所。
六、水汽对大气状态影响之——湿空气状态方程
七、微量气体:
在气候系统中存在着短周期的微循环,成分可变。含量虽少,但对热辐射非常敏感,因而对大气热状态影响很大,人类活动参与了微循环一可造成对大气行为有意或无意的干扰。
影响举例:臭氧层
? 问题:地面条件如何影响大气活动(热力及动力)—相互作用
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第二章 大气的热能和温度
——气候系统物理过程之一
太阳能启动气候系统的物理过程 —形成全球温度差异的地带性与非地带性分布以及周期和非周期变化。地气间的热能交换过程是地表系统中最基本的相互作用和影响过程,它从能量上把几个圈层连接在一起。
一、太阳能进入气候系统
1、主要途径:太阳辐射能地面 大气
太阳短波辐射经大气削弱到达地面,吸收成为地面热能
地面与大气热交换:长波辐射热交换—地面有效辐射一
感热输送(传导;对流乱流)—
潜热输送—
意义:地气热交换——气圈和其它圈层相互耦合的重要过程
2、热交换过程不同,控制因子也不同(天文条件、地面性质、干湿条件),地面对大气的供热状况,物理过程差异也就很大。有:
地带性——纬度差异
非地带性——海陆等差异
3、模型化:辐射差额方程及热量平衡方程
4、大气中几种微量成分的又一影响——大气的温室效应
二、大气中“气块’的温度变化——受制于热力学第一定律(能量守恒)
在大气中表现为:
1、外界(地面)供热可引起气块温度非绝热变化
2、气块垂直运动中气压变化可引起气块温度的绝热变化,变化率为或 (水气参与时)
3、个别气块变温过程
三、 “局地”气温变化由气块水平及垂直运动中引起的气块置换引起
1、包含有水平平流,垂直运动及气块非绝热变化三部分,各部分控制因子及作用各不相同
2、模型化——局地变温方程
四、气层温度的垂直分布()与气块垂直运动时的温度变化()
1、气温垂直分布与气层静力稳定度——重力场对大气行为的又一影响
2、大气静力稳定度对大气垂直运动、垂直热输送及污染物扩散的影响
3、整层气层抬升时,可能发生变化——气层的位势稳定度
五、平均气温的水平分布深受地面条件影响
具有 地带性及非地带性
周期性与非周期性
六、结论
由太阳——地面——大气的供热过程,大气最终获得的加热,加热率各处各时各不相同,具有地带性、非地带性及周期性、非周期性差异。
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问题:大气圈中各处受热不同形成了气温分布不均,它对气候系统的进一步影响的物理过程。
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?????????????????????? 第三章 大气中的水分——
气候系统中水圈与大气圈水交换的实现与影响的物理过程
水是地球上唯一能在自然条件下三态并存的物体,在相变中伴随有能量、天气、水循环等过程
一、水出入大气的物理过程
1、基本判据 E-e>0
2、地面蒸发快慢与气象条件 —— 温度与水汽扩散的快慢(风及稳定度)
3、凝结 —— 地表与大气中凝结的基本条件:降温
大气中:绝热上升冷却过程——云
地表层:非绝热冷却过程——雾等
二、由水汽——云——降水
1、水滴凝结与增大过程——人工干预的可能性
2、上升运动形式 云形 降水性质
3、全球降水分布与垂直运动 地带性分布
非地带性分布
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第四章 大气的运动——气候系统物理过程之二
——加热不均及地球旋转对大气运动状态的影响
一、大气中气压分布不均并随时间而变化
气压差是推动空气块运动的基本动力
1、分布不均的量度 —— 气压梯度,因大气层结性又可分为:
垂直气压梯度(很大):
意义:在重力场下形成,因此与重力有关,基本上与重力相平衡
模式化:静力方程
应用:压高公式——气压随高度降低快慢与温度关系最密切。
水平气压梯度(很小):形成水平气压梯度力——成为气块水平运动基本动力
2、分布不均的总体效应——形成了空间气压系统
气压系统的直观表示——等压面或等高面(基本等效)
气压系统的垂直结构——各处均需满足静力学条件,因此气压系统随高度的变化主要与温度分布有关。
分析结构的要点是系统的温度场配置——可分成对称(浅薄、深厚):不对称(大多数)系统
二、大气中气压不断变化
——大气质量的重分配——大气运动不息
垂直气压差异的形成——重力
水平气压差异的形成——大气加热率不同以及空气的运动
1、因子分析——为什么会重新分配
热力因子:大气水平局地受热不均——水平密度差——水平气压差
动力因子:空气运动中形成质量辐合辐散:
密度平流(冷暖平流);
垂直运动。(仅影响空中气压变化)
2、过程:
三、大气水平运动的形成——旋转地球对运动特征的影响
1、基本规律: 牛顿定律 但描述运动与坐标选取有关
旋转坐标系(地球上的观察者)中的惯性力——正确认识地转偏向力、离心力(扩展的牛顿定律)
2、旋转坐标系中的几个平衡运动——气压场与运动场关系的建立
自由大气中:——地转风关系(两力平衡时)
摩擦层中:——修正的风压律(三力平衡时)
在大多数情况下与实际大气十分接近——大气运动处于准动态平衡中
3、在静力平衡条件下,水平气压场结构随高度因温度分布不均而变
地转风关系也随之变化——热成风
四、大气环流
1、大气环流的平均状态——处于气候系统的动态平衡之中——经历各种时空尺度
2、综合的平均状态和瞬时状态——气候与天气
3、瞬时状态处于各种时空尺度(层次)的高度扰动中——由非线性的气候系统所决定(具有稳态与突变,敏感于初始条件等特征)。
五、结论
l、大气整体性的表现——温压场与风场的统一
摩擦层中风的变化
2、问题:大气整体性的表现形式
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第五章 天气系统
——气候系统的短期过程
一、大气运动的内在过程与统一 ——旋转地球大气在非均匀加热地表特征作用下的表现形式——大气环流
1、观测事实——从各个角度看大气环流——用二维图表现三维运动
2、进一步认识大气环流的形成与特征
二、大气环流与大气圈中热量及水分平衡
1、大气地带性与非地带性加热率的差异驱动了环流,环流又以各种形式输送差异——热量与水分等。
大气环流处于不断变化运动中——准动态平衡
例: 高低指数的循环
2、环流形成了大气水分分布的地带及非地带性分布、及水分循环
三、大气环流系统——天气系统与过程
1、瞬时大气环流变化的扰动与涡旋结构——大中小尺度与中长期天气过程
2、气团与锋——扰动热力特征的非均匀性
扰动特征之一 ——热力分布的不均匀性——气团与锋
1)大气的热力属性直接从下垫面获得。
热力过程:Fo、P、LE
主要控制因子:稳定度
2)在合适的环流以及地表条件下,形成均一或非均一大气。
气团的定义、迟盛和变性
3)气团间低压辐合区形成温度对比明显、上升运动剧烈的向冷区倾斜狭长界面——锋面,锋面特征(不连续、上升运动等)
4)形成独特的锋面天气
5)两种分类观点:气候的(宏观、战略的)——注重源
天气的(战术的)——注重后果
分别适合于不同的研究场合
扰动特征之二 ——流场分布的不均匀性——波动与涡旋——气旋、反气旋,槽脊
1)以环流的纬度地带性环流为背景:(地球旋转与高低纬热交换产物)
地面——辐合与辐散带——以PP及ITC2为背景的低压与其间的高压带,分为不同类型高空——西风带与东风带——西风与东风扰动
2)热力结构:对称性与不对称性系统
3)均为GC的成员,扰动发展中伴随有输送动量、热量
3、中高纬天气系统与过程——流场非均匀性——扰动特征之一
西风带上的扰动——以西风带为背景
锋面气旋(温带气旋)
1)极锋活动区上扰动的发展——锋面上冷暖空气相对扰动而形成——伴随不对称结构的低压涡旋的形成与发展
2)锋面气旋的发展与西风槽(槽前垂直环流)发展相关联[热力、动力作用]
3)锋面气旋=天气二槽前上升+冷暖锋+低压辐合上升+大风——表现为逗点云系的发展为涡旋云系
4)温带气旋过程也是能量释放及南北交换过程
5)我国锋面气旋活动特点与锋面活动一致;如春夏多,两个活动带
移动性冷性反气旋与寒潮
l)地面移动性反气旋与高空槽后环流相结合
形成于槽后(冷平流;辐散;辐射冷却)
天气为高压前部冷锋后部暖锋
活动也与槽相联系
2)常与锋面气旋成对活动:槽前(高空辐散、暖平流、上升运动)、槽后
(相反);移向东北、东南;冷锋上、冷锋后;
也是极锋区南北热交换的基本成员
3)寒潮天气过程——极端的冷性反气旋活动过程
引起大规模冷空气南侵的天气过程(东亚大型过程)
前提——有冷空气的积累(酝酿)期,高指数期
实现——爆发期(突变),向低指数转换,形成寒潮天气:降温、大风、霜冻等
结果——环流大调整,建立东亚大槽(长波),完成冷暖南北大交换
路径与活动——受引导气流支配
高空天气系统-槽脊与涡旋
1)西风带上的大型扰动(行星尺度)
a大气长波: 大、长、慢(比较短波)
是短波活动背景
与大型天气过程联系(如南北交换)
长波与气旋族-长波槽前PF上首尾相联的一系列气旋
b阻塞高压与切断低压-长波发展变形而形成的大型闭合涡旋系统
冷暖交换中向北突出的孤立的暖气团-阻塞高压(对称)
向南突出的孤立的冷气团-切断低压
建立与崩溃多与环流大调整联系
维持时是GC的稳定因子(影响到不是直接控制的地区)
c极涡与极区冷中心对应,位置、强度影响GC
2)西风带中型扰动(中下层)
a短波槽 小、短、快
移动性,不对称槽前逗点云系,是直接影响我国天气变化的主要西风带系统
发展时常诱导地面锋面气旋及冷性反气旋发展
b切变线 气旋性风场不连续线,形成于不同性质对持的高压间,表现为东西向稳定的云雨带
c冷涡 中尺度低值系统,与上下层联结时常沿切变线移动发展——暴雨团
小结:西风带是扰动活动带,天气变化多,地面以极锋上的锋面气旋,活动性高压为主,高空以槽脊波动为主。
扰动性质多与冷暖空气交汇位能释放有关,所以多为不对称结构。
扰动形式:波、涡、切变。
? 4、低纬天气系统与过程——流场非均匀性——流场扰动特征之二,热带辐合带上的扰动
热带天气系统的环流背景(与中纬比较)
1)大气水热源(面积、海洋大,显热、潜热输出大)
2)地转参数小,非周期不明显
3)温度差异小,潜热能为主
4)以副热带高压及热带辐合带为背景
副热带高压——副热带地区行星尺度大型动力性高压
1)形成于Hadley&Ferrel cell的下沉区:
分布与脊线位置——副热带地区多中心、带状性质——动力性结构——暖性,深厚、稳定天气——与东西风带相作用——
形成晴一片,雨一线的天气分布——表现为副高卫星云系
2)西太平洋副热带高压——夏半年影响我国天气的重要成员
季节性进退(强度位置)——形成我国雨带和各地雨季,及盛夏干旱
多年变化——气候振动与异常,如旱一片,涝一线
短期变化——与周围系统相作用,形成天气过程及异常
热带天气系统
1)ITCZ——两半球间Hadley cell低压上升区内的气流辐合带
a,依距赤远近表现为: 赤道附近——信风槽; 远离赤道——季风槽
b,湿热、不稳定对流天气为主
c,季节性摆动与非周期活动
天气——热带云团、热带扰动源地
气候——水、热源,形成热带雨林、干湿季气候
2)热带气旋——形成于热带洋面的强低气压涡旋(天气尺度)
a,形成有明显的季节性和地域性特征
b,结构独特——具有暖心的排气管式涡旋热机——形成影响沿海灾害性天气
c,形成取决当地条件。基本条件——能量; 启动:
旋转: 通风
d,移动受周围气流牵引
e,消亡——断能(北上、登陆)
3)热带云团——卫星云图上表现的密集的对流扰动云群
活动在ITCZ: 季风低压: 暖季高原上
4)其他:季风槽北进时形成的季风低压:东风上的波动等
5、中小尺度系统——流场扰动特征之三
中、小尺度天气系统一般特征
1)尺度小,但水平梯度大,垂直速度大,所以天气变化突然
2)时间短,但加速度大,所以变化激烈,能量集中,强度大
3)多为不稳定对流天气,非静力、非地转,易形成灾害
4)多依附于一定大尺度环境,释放能量
对流天气系统
l)雷暴——与积雨云联系的天气(放电、阵雨、大风)
a,在不稳定气层中突发增展的强对流——具有自我消散机制(生命短)
b,水汽充足的不稳定气层中(能)+冲击启动(动力、热力)——季节、地域
2)强雷暴——超级积雨云
a,强风暴-超级对流单体-云体倾斜形成自我维持机制
范围大、生命长、天气剧烈
b,雹线-多个超级单体组成的强对流活动线
c,龙卷风-强风暴云体中孕育的小尺度漏斗状强涡旋(旋衡风)
暴雨(天气过程)——夏季风时期灾害之一
1)我国大暴雨特点
强度大;持续长:
在一定的天气背景下,可由多种中小尺度系统引起:
2)形成
大尺度背景
各尺度相互作用
由中小系统直接形成暴雨
物理条件与对流系统不完全相同
其他:灾害性天气—天气系统
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第六章 气候的形成
——影响与气候过程
一、气候系统的完全描述
1、组成特征:敏感性与稳定性
2、能量守恒:太阳辐射能分布基本格局——天文气候
3、气候过程及其时间谱:天气——气候——气候系统
二、海气相互作用(热交换过程为主)
——气候系统基本过程之一
1、海陆热力性质差异:海洋是气候系统的热量储存器及稳定因子
2、海陆对大气加热的周期变化——季风
3、海陆对大气影响的综合表现——海洋性与大陆性气候
4、海洋中热力非均匀分布——冷暖洋流对气候特征的进一步影响
三、冰雪圈与冰雪覆盖过程
——气候系统基本过程之二
1、冰雪覆盖区特征及其重要性
2、海冰、大气与海水的相互耦合
四、地形起伏对大气圈层的影响:陆面过程
——气候系统基本过程之三
1、热力作用对辐射与气温的影响
2、动力作用之一:
3、动力作用之二:降水与地形
五、小气候下垫面局部特征
——区域性陆面过程在边界层的耦合过程,圈层相互作用的微物理过程
1、小气候概念
2、昼夜间能量——物质交换过程
3、地气间局部耦合及其影响:土地荒漠化
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第七章?????????????? 气候带及气候型?
整体性与差异性、共性与个性、综和性与地域性
——认识与研究气候系统与气候环境的基本观点之一
一、气候带型
1、地带性与非地带性特征(水分和热量)
2、几种分类方法,热量、水分差异和地带、非地带性差异的统一。
二、低纬气候带
——热量充沛,受地带和非地带性因素影响,水分条件差异悬殊。
三、中纬气候带
——热量、水分条件都有差异。
四、高纬气候带
——温度低,水分含量都不大,热量条件差异起主要作用
五、垂直气候带
——同一地点因高度差异引起的热量和水分差异,没有纬度地带性差异的影响。
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第八章?????????????? 气候变化和人类活动对气候的影响
一、气候变化史实:
不同周期、不同强度和尺度的渐变与突变
1、地质历史时期
2、历史时期
3、近代时期:20世纪的突变
4、气候跃变现象
5、海洋或大气异常变化——引起气候异常变化
二、气候系统的变率 气候系统的敏感性及稳定性
1、太阳辐射 日地作用 气候系统的外部输入的影响
2、气候系统内部相互作用
下垫面条件
大气微量气体成分:
CO2 温室效应
O3 臭氧空洞
火山灰 阳伞效应
海洋、大气的相互作用
土壤水体与大气相互作用
3、人类活动的影响 人类有意无意的改变了气候系统的某些性质。