2023年气象学笔记整理.doc
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1、气候系统:是一个涉及大气圈,水圈,陆地表面,冰雪圈和生物圈在内的,可以决定气候形成,气候分布和气候变化的统一的物理系统天气是指某一地区在某一瞬间或某一短时间内大气状态的综合,天气过程是大气中的短期过程。气候指的是在太阳辐射,大气环流,下垫面性质和人类活动在长期互相作用下,在某一时间段内大量天气过程的综合。它不仅仅涉及该地数年来经常发生的天气状况,并且涉及某些年份偶尔出现的极端天气状况大气的垂直结构:根据温度,成分,电荷等物理性质可将大气分为五层:1对流层2平流层3中间层4热层5散逸层对流层的三个重要特性:1气温随高度增长而减少:由于对流层重要是从地面得到热量,因此温度随高度的增长而减少 2空气
2、具有强烈的对流、乱流运动:由于地表的不均匀加热,产生垂直对流运动,对流运动的强度重要随纬度和季节的变化而不同。一般情况下,低纬较强,高纬较弱,夏季较强,冬季较弱,因此对流层的厚度从赤道到两极减小3气候要素分布不均匀:由于对流层受地表的影响最大,而地表有海陆分布,地形起伏等差异,因此在对流层中,温度,湿度的分布是不均匀的大气的组成成分大气是由多种气体混合组成的气体及其悬浮其中的液态和固态杂质所组成e由于大气中存在着空气的垂直运动、水平运动、湍流运动和分子扩散,使不同高度、不同地区的空气得以进行互换和混合,因而从地面开始,向上直到90km处,空气重要成分(除水汽臭氧和若干污染气体外)的比例基本上是
3、不变的。因此,在90km以下可以把干洁空气当成分子量为28.97的“单一成分”来解决。在90km以上,大气的重要成分仍然是氮和氧,但平均约从80km开始由于紫外线的照射,氧和氮已有不同限度的离解,在100km以上,氧分子已几乎所有离解为氧原子,到250km以上,氮也基本上都解离为氮原子。标准状况下,密度约为1293g/m2。大气气溶胶粒子:大气中悬浮着多种固体微粒和液体微粒,统称大气气溶胶粒子。固体微粒有的来源于自然界,如火山喷发的烟尘,被风吹起的土壤微粒,海水飞溅扬入大气后而被蒸发的盐粒,细菌、微生物、植物的孢子花粉,流星燃烧所产生的细小微粒和宇宙尘埃等;有的是由于人类活动,如燃烧物质排放至
4、空气中的大量烟粒等。它们多集中于大气的底层。这多种多样的固体杂质,有许多可以成为水汽凝结的核心,对云、雾的形成起重要作用。同时固体微粒能散射、漫射和吸取一部分太阳辐射,也能减少地面长波辐射的外逸,对地面和空气温度有一定影响,并会使大气的能见度变坏。液体微粒是指悬浮于大气中的水滴和冰晶等水汽凝结物。它们常聚集在一起,以云、雾形式出现,不仅使能见度变坏,还能减弱太阳辐射和地面辐射,对气候有很大的影响。大气污染:自然或人为因素使大气中某些成分超过正常含量或排入有毒有害的物质,对人类、生物和物体导致危害的现象。大气污染物:凡是能使空气质量变差的物质都是大气污染物。大气污染物目前已知的约有100多种。有
5、自然因素(如森林火灾、火山爆发等)和人为因素(如工业废气、生活燃煤、汽车尾气等)两种,并且以后者为重要因素,特别是工业生产和交通运送所导致的。重要过程由污染源排放、大气传播、人与物受害这三个环节所构成。影响大气污染范围和强度的因素有污染物的性质(物理的和化学的),污染源的性质(源强、源高、源内温度、排气速率等),气象条件(风向、风速、温度层结等),地表性质(地形起伏、粗糙度、地面覆盖物等)。按其存在状态可分为两大类。一种是气溶胶状态污染物,另一种是气体状态污染物。气溶胶状态污染物重要有粉尘、烟液滴、雾、降尘、飘尘、悬浮物等。气体状态污染物重要有以二氧化硫为主的硫氧化合物,以二氧化氮为主的氮氧化
6、合物,以二氧化碳为主的碳氧化合物以及碳、氢结合的碳氢化合物。温室效应:低层大气由于对长波和短波辐射的吸取特性不同而引起的增温现象。大气能使太阳短波辐射到达地面,但地表向外放出的长波热辐射线却被大气吸取,这样就使地表与低层大气温度增高,因其作用类似于栽培农作物的温室,故名温室效应。温室气体:大气中具有温室效应的某些微量气体, 有CO2、CH4、N2O等30余种。水汽压:空气中水汽的分压强。饱和水汽压:一定的温度和气压下,湿空气达成饱和时的水汽压。相对湿度:指空气中水汽压与饱和水汽压的比例。湿空气的绝对湿度与相同温度下也许达成的最大绝对湿度之比。温度升高,饱和水汽压增大,但相对湿度会减小大气内部的
7、三个基本矛盾:冷与暖、干与湿,高气压与低气压其中冷与暖这对矛盾所表现出来的地球及大气的热状况、温度的分布和变化,制约着大气的运动状态,影响着云和降水的形成。因此,大气的热能成了天气变化的一个基本因素,同时也是气候系统状态和演变的重要控制因子可见光:0.4-0。76um辐射吸取率(反射率,透射率)是物体吸取的太阳辐射能量与人射到该物体上的总能量之比。a+r+d=1太阳辐射光谱:与T=6000时黑体光谱能量分布曲线相似 可视作黑体辐射太阳常数:在大气上界垂直于太阳光线的一平方厘米的面积,一分钟内获得的太阳辐射 太阳常数 能量。太阳辐射在大气中的减弱太阳辐射通过大气时,分别受到大气中的水汽、二氧化碳
8、、微尘、氧和臭氧以及云滴、雾、冰晶、空气分子的吸取、散射、反射等作用,而使投射到大气上界的太阳辐射不能完全到达地面。太阳辐射穿过大气层时,大气中某些成分具有选择吸取一定波长辐射性能的特性。大气中吸取太阳辐射的成分重要有水汽、氧、臭氧、二氧化碳及固体杂质等。太阳辐射被大气吸取后变成热能,因而使太阳辐射减弱。太阳辐射吸取图分析1水汽虽然在可见光区和红外区都有不少吸取带,但吸取最强的是在红外区,2臭氧在大气中含量虽少,但对太阳辐射的吸取很强。3二氧化碳对太阳辐射的吸取比较弱4大气对太阳辐射的吸取是具有选择性的,因而使穿过大气的太阳辐射光谱变得极不规则;由于大气重要吸取物质(臭氧和水汽)对太阳辐射的吸
9、取带都位于太阳辐射光谱两端能量较小的区域,因而吸取对太阳辐射的减弱作用不大。太阳直接辐射到达地面的太阳辐射有两部分:一是太阳以平行光线的形式直接投射到地面上的,称为太阳直接辐射;一是通过散射后自天空投射到地面的称为散射辐射,两者之和称为总辐射影响因素:太阳高度角和大气透明度1太阳高度角越小,等量的太阳辐射散布的面积就越大,因而地表单位面积上所获得的太阳辐射就愈小。同时太阳辐射穿过的大气层越厚,因此太阳辐射被减少的也较多,到达地面的直接辐射就较少。2大气透明系数决定于大气中所含后来水汽、水汽凝结物和尘粒杂质的多少,越多,系数越小当大气透明系数一定,大气质量以等差级数增长,则透过大气层到达地面的太
10、阳辐射以等比级数减少地面有效辐射:地面有效辐射就是地面辐射和地面所吸取的大气逆辐射(EA)之间的差值。F0=Fg-EA物理意义:有效辐射一般总是正的,即地面与大气的热量互换中地面损失热量,大气得到热量。白天太阳辐射能量超过有效辐射,地面增温;夜晚无太阳辐射,有效辐射的结果使地面降温。若天空充满云且湿度高,大气逆辐射将增强而有效辐射将减少,故阴天夜间地面降温少;若天气晴朗干燥,有效辐射强烈,夜间地面将迅速降温,在小风或无风条件下常形成自地面开始的逆温,称辐射逆温。逆温在黎明时最强,日出后逐渐消失。这种逆温与大气污染关系最密切。地面有效辐射影响因素:地面温度、空气湿度,空气温度,云的状况影响地面有
11、效辐射的因子有: (1)云雾、水汽和风:它们能强烈吸取和反射地面发出的长波辐射,使大气逆辐射增大, 因而使地面有效辐射减少;(2)海拔高度:空气密度、水汽、尘埃随海拔高度增长而减少,大气逆辐射相应减少,有效辐射增大;(3)地表特性:起伏、粗糙的地表比平滑表面辐射面大,有效辐射也大; (4)地面覆盖:导热性差的物体如秸杆、草皮、残枝落叶等覆盖地面时,可减少地面的有 效辐射。 地面的辐射差额地面由于吸取太阳总辐射和大气逆辐射而获得能量,同时又以其自身的温度不断向外放出辐射而失去能量。某段时间内单位面积地表面所吸取的总辐射和其有效辐射之差值,称为地面的辐射差额。若以Rg表达单位水平面积、单位时间的辐
12、射差额,则得 Rg=(Q+q)(1-a)- F0 海陆的增温和冷却的差异反射率;厚度;海水蒸发;比热容非绝热与绝热变化非绝热变化 定义:空气与周边环境或大气之间有热量互换(一)气温的非绝热变化 (1).传导:就是依靠分子的热运动将热能从一个分子传递给另一分子,而分子自身并没有 因此发生位置的变化 。空气与地面之间,空气团与空气团之间,当有温度差异时,就会因 4 为传导作用而互换热量。 (2).辐射:物体之间不断地以辐射方式互换着热量。大气重要依靠吸取地面的长波辐射而 增热,同时,地面也吸取大气放出的长波辐射,这样它们之间就通过长波辐射的方式不断地 互换着热量。空气团之间,也可以通过长波辐射而互
13、换热量。 (3).对流:当暖而轻的空气上升时,周边冷而重的空气便下降来补充,这种升降运动,称 为对流。通过对流、上下层空气互相混合,热量也就随之得到互换。 (4).湍流:空气的不规则运动称为湍流,又称乱流。湍流是空气层互相之间发生摩擦或空 气流过粗糙不平的地面时产生的。有湍流时,相邻空气团之间发生混合,热量也就得到了交 换。湍流是摩擦层中热量互换的重要方式。 (5).蒸发(升华)和凝结(凝华)水在蒸发(或冰在升华)时要吸取热量;相反,水汽在凝结(或凝华)时,又会放出潜热。假如蒸发(升华)的水汽,不是在原处凝结(凝华),而是被带到别处去凝结(凝华),就会使热量得到传送。例如,从地面蒸发的水汽,在
14、空中发生凝结时,就把地面的热量传给了空气。因此,通过蒸发(升华)和凝结(凝华),也能使地面和大气之间、空气团与空气团之间发生潜热互换。由于大气中的水汽重要集中在5km以下的气层中,所以这种热量互换重要在对流层下半层起作用。绝热垂直减温率:气块绝热上升单位距离时的温度减少值0.98K100M干绝热直减率:干空气或未饱和湿空气在绝热上升或下沉过程中温度随高度的变化率。湿绝热直减率:饱和状态的湿空气,在绝热上升或下沉过程中的温度随高度的变化率。大气稳定度:叠加在大气背景场上的扰动能否随时间增强的量度。a=(T1-T)g/T大气是否稳定的判断:通常用周边空气的温度直减率()与上升空气块的干绝热直减率(
15、d)或湿绝热直减率(m)的对比来判断。(d)的符号,决定了加速度a与扰动位移Z的方向是否一致,亦即决定了大气是否稳定。当d,若Z0,则a0,加速度与位移方向相反,层结是稳定的;当d,若Z0,则a0,加速度与位移方向一致,层结是不稳定的;当=d,a=0,层结是中性的。逆温: 大气温度随高度升高而增长的现象。逆温形成因素:一是地面辐射冷却;二是空气平流冷却;三是空气下沉增温;四是空气的乱流混合;五是锋面上形成的逆温。按形成的因素不同,将逆温层可分为辐射逆温层,平流逆温层,下沉逆温层,乱流逆温层和锋面逆温层。饱和水汽压:空气中具有的水汽所产生的压强,叫水汽压。空气中的水汽压不能无限制地增长,在一定的
16、温度下,假如水汽压增大到某一个极限值,空气中水汽就达成饱和,假如超过这个极限值,将会有一部分水汽凝结成液体水,这一极限值称为该温度下的饱和水汽压。随着温度的升高,饱和水汽压显著增大饱和水汽压影响因素:温度,蒸发面性质,蒸发面形状不同蒸发面饱和水汽压分析1.冰面和过冷却水面的饱和水汽压对于冰面和过冷却水面,饱和水汽压仍然是按指数规律变化所不同的是冰是固体,冰分子要脱出冰面的束缚比水分子脱出水面的束缚更困难。这样,与同温度下的过冷却水相比,冰面的饱和水汽压自然要少一些。只有当温度刚好为0时,冰和水处在过渡状态,它们的饱和水汽压才相等。冰晶效应:假如当时的实际水汽压介于两者饱和水汽压之间,就会产生冰
17、水之间的水汽转移现象。水滴会因不断蒸发而缩小,冰晶会因不断凝华而增大。这就是“冰晶效应”2.溶液面的饱和水汽压同一温度下,溶液面的饱和水汽压比纯水面要小,且溶液浓度愈高,饱和水汽压愈小。温度相同时,凸面的饱和水汽压最大,平面次之,凹面最小。并且凸面的曲率愈大,饱和水汽压愈大;凹面的曲率愈大,饱和水汽压愈小。影响蒸发的因素:水源,热源,饱和差,风速与湍流扩散大气中水汽凝结的条件:一是有凝结核或凝华核的存在。二是大气中水汽要达成饱和或过饱和状态。云滴增长的物理过程(一)云滴凝结(或凝华)增长(二)云滴的冲并增长气压随高度递减的快慢取决于空气密度()和重力加速度(g)的变化。-dP=gdZ 气压高度
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