大气与海洋科学导论-北京大学物理学院

热岛效应
温度：高出郊区1-5度 降水：增加城市内涝（短时大暴雨）的风险
1959年5月14日英国伦敦城的热岛效应
7 地转动力学
科氏力；地转平衡；H/L周围的梯度风； PBL内部次地转；非地转情况
科氏力
科氏参数： f = 2*Omega*Sin(latitude)
地球自转角速度 Omega = 2Pi/day
Atmospheric and Oceanic Sciences (AOS)
大气与海洋科学导论
IESO2017 北大冬令营集训 北京市101中学
闻新宇
xwen@pku.edu.cn
北京大学 物理学院 大气与海洋科学系
内容提要
in 10 Hours, w/ 100 Slides
大气海洋科学与IESO 1. 大气组分与垂直结构 2. 辐射与能量收支 3. 热力学与条件性不稳定理论 7. 地转动力学 8. 中纬度锋面气旋 9. 中小尺度与强对流天气 10. 大气环流、气候系统、与古气候
森林
草原
QSH QLH
• • • • • 波文比表征某地对大气强迫的特征 全球平均的波文比近似为1 干旱地区的波文比在5以上 森林地区的波文比在0.2-0.5 水面的波文比小至0.1
农田
森林
左图中： 黑实线 – 感热 灰虚线 – 潜热
植被是大气的“加湿器”
植被把土壤中的水分蒸腾到大 气中，加大了蒸发面积
大项
地表温度诊断
理解地表能量平衡
地表通量日循环
数据取自位于美国 Oklahoma州1997年 7月的观测，做月平 均后的结果 RNET QH QE QG 净辐射通量 感热通量 潜热通量 地表热通量
早晨7点
白天
晚20点
黑夜
RNET等于三个Q之和
理解感热通量、潜热通量与植被的关系
沙漠 农田
感热和潜热之比称为“波文比” (Bowen Ratio)
中 Alto-
层 Strato-
雨 Nimbus-
积 Cumu-
云的识别
云的微物理过程
冷云中的贝吉龙过程 由于冰晶比云滴的饱和水汽压低，使得水汽优先向冰晶凝华，甚至云滴的水分子也脱离云滴直接向冰晶凝结 最终冰晶获得优势快速生长，而云滴减少、变小
5 大气化学
南极臭氧洞问题
南极臭氧洞问题
Chapman循环机制： 1. 短波光解O2，生成O 2. O与O2结合，生成O3 3. O3也会光解 CFCs对臭氧层的破坏： 1. CFCs光解产生Cl和-ClO自由基 2. 它们可周而复始地消耗O3
4. 水循环、云、云微物理过程
5. 大气化学与气溶胶 6. 大气边界层
11. 行星大气
12. 大洋环流与海气相互作用 闲话
http://www.phy.pku.edu.cn/climate/wiki2/doku.php/teaching/ieso
4 水循环、云、云微物理过程
水循环；云的分类和识别；云微物理过程
近地面和对流层中高层的关系
对流层中-高层 平直气流，地转风
• 方向： 北半球向右偏 南半球向左偏 • 大小： 越靠近高纬越大 越靠近地位越小 赤道处无科氏力 • 地转动力学不适用于热带
NH
SH
地转平衡
200mb 500mb
ERA-40图集：http://www.ecmwf.int/s/ERA-40_Atlas/docs/section_D15/index.html
PBL的日循环
激光雷达观测
地表通量
动量通量
������������
辐射净通量
Rn
Qsh
感热通量
Qlh
潜热通量
Surface Layer
P 光合作用消耗
1%
Qg 地表热通量
10%
辐射通量 地表能量平衡公式
������������ = ������������������������������������ 1 − ������ + ������������������������������������ − ������������������������4 ������������ = ������������������ + ������������������ + ������������ + ������ ������������������ = −������������ + ������������������ + ������������������ + ������������ + ������ ������������
PBL的基本图景
PBL (ABL) 流体运动形式 动量耗散 风 时间尺度 水平 x 垂直尺度 比喻 湍流 很强的湍流耗散 次地转风 or 非地砖 小时（日循环） 1km x 1km “热带雨林”：枝枝蔓蔓 水平穿越十分困难，速度快不了
Free Atmosphere 平流（极少湍流） 无 地转风 天-周（天气循环） 1000km x 10km “蒙古草原”：一马平川 水平穿越十分容易，速度很高
6 大气边界层
湍流；边界层日循环；地表能量平衡公式；热岛效应
湍流
日常生活中的湍流
• 冬季：物理学院东门外供暖烟囱冒的水汽 • 夏季：阳光直射黑色轿车顶板上热空气的折射 • 夏季：没车的柏油公路尽头上空的热空气折射 • 春游：BBQ时木炭上热空气的折射 • 室内：抽烟同学吐出的烟雾 • 坐飞机：晴空湍流遇险 • 墨水/钢笔水滴入清水的瞬间 • 牛奶滴入浓咖啡的瞬间
Case 1: 平直气流 （西风带）
梯度风
H/L周围的“地转平衡”
NH：L逆时针 SH：L顺时针
Case 2: 低压中心 （锋面气旋、台风）
Case 3: 高压中心 （阻高反气旋、副热带高压）
PBL内部次地转
Case 1: 地面物理摩擦或湍流摩擦导致次地转 地转风Vg与实际风V通常夹角 0-30度 V = Vg Cos(30deg) 在近地面的高度（PBL），摩擦导致实际风减弱并向L偏斜 这样的结果是：L幅合；H幅散
水循环
云的分类
卷ຫໍສະໝຸດ BaiduCirrus-
十种标准云 by 世界气象组织
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. Cirrus Cirrocumulus Cirrostratus Altocumulus Altostratus Cumulus Cumulonimbus Stratocumulus Nimbostratus Stratus