大气科学概论-绪论_第一章

一、大气科学研究内容
3. 动力气象学（大气动力学）：控制大气运 动的基本动力、热力方程组，大气中动力、 热力过程的基本问题，大气中各种空间尺 度运动的物理机制。
4. 气候学：全球和区域气候季节内、季节、 年际、年代际和更长时间变化规律和成因， 全球气候系统各圈层相互作用过程、机理 及人类活动对气候的影响。
每年春天，位于南极上空平流层中的臭氧层消失
大气的垂直结构
大气上界： • 物理现象上界为1200km( 极光出现高度）； • 大气密度上界为2000~3000km ( 接近于星际气 体密度1个/cm3的高度）。
分层标准：按大气的属性进行分层 （1）按温度随高度的变化。 （2）按大气成分组成情况（或称按空气平均分子 量随高度变化）分均匀层、非均匀层。 （3）按电离状况分为电离层和非电离层 （4）按大气的光化学反应分： 臭氧层（10~50km)、非臭氧层 （5）按大气中电离气体运动受地磁场制约的情 况，还可以分出磁层。
• 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，冲刷山脉，重构地形，肥沃土地。
大气科学中的球坐标系
Ф表示纬度，定义北半球 为正，南半球为负； λ表示相对于本初子午线的 经度，向东为正。
大气会对穿过它的太阳辐射进行散射，发生一系列 的光学效应。
第二节 地球大气
• 大气的演化
• 大气成分及特征 • 大气的垂直结构 • 表征大气的基本要素（温压湿风）
大气成分及特征—主要研究90km以下的大气（均匀层） 地球大气：由多种气体及悬浮于其中的固态、液态、 气态粒子（大气气溶胶）组成。
大气的组成＝ 干洁大气 + 水汽 + 气溶胶
大气的主要运动方式：1. 分子扩散；2.湍流运动。
大气科学概论
An Introduction to Atmospheric
Science
大气物理学院 樊曙先 E-mail:shuxianf@
2010年2月25日
讲授内容
绪论
第一章 地球大气
第一节 地球系统 第二节 地球大气
• 大气的演化
• 大气成分及特征
• 大气的垂直结构 • 表征大气的基本要素（温压湿风）
大 气 结 构 特 征
地球大气分层
外逸层 热层 中间层 平流层 对流层 大气边界层
大气物理学注意研究对流层与 中层非电离层的大气层。
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。
加利福尼亚沿岸的低层 云——通过反射可见光辐
射观测，太阳辐射在低层 云顶向太空的反向散射大 大增加了这一区域的白色 或反射率。
在任一给定高度，气温随纬度而变化。
上图，冬至、夏至间纬向 平均温度（℃）——对流 层中，纬向平均气温随纬 度增加而降低。虚线标注 为对流层顶、平流层顶、 中间层顶。 下图，冬至、夏至间纬向 风（m.s-1）的经向剖面 图——W代表西风带，E 为东风带。
2、平流层 Stratosphere（12km~55km)
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。
mother-of-pearl (nacreous) clouds (mostly frozen sulfuric acid droplets)
表征大气的基本要素（温、压、湿、风）
气象要素：表征大气状态和现象的物理量。 如，气温、空气湿度、气压、风。
气温
1、定义：表示空气冷热程度的物理量 2、温标 摄氏温标 单位 常用符号 ℃ 华氏温标 °F 绝对温标 K
t
F
T
关系：
T t 273.15
9 F t 32 5
3、观测 地面气温指离地1.5m（我国）高处百叶 箱里的气温
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。
•Above the mesosphere is the thermosphere where the temperature increases with height and can reach more than 1000º C. The high temperature is caused by the heating of short wave solar radiation.
绪论
一、大气科学及其分支
大气科学研究对象主要 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。
地理学 地质学 地球化学
地球科学
地球物理学与空间物理学
动力气象学 大气物理学 大气化学
大气科学
海洋科学
大气环境学 大气探测学 天气学 气候学 应用气象学
虽然所占比重较少但其化学活性较高。 其中水汽是云和降水的源泉，在全球能量平衡中、 水循环起重要作用； 其它气体（CO2 、O3、CH4）对地球辐射平衡和全球气候 变化也产生影响。
CO2的红外吸收带： 2.7um，4.3um，14.7um
温 室 效 应
由于大气对来自太阳的短波辐射及来自地面的长波 辐射具有选择吸收性，致使地表温度升高的现象,称为 温室效应。
二、大气科学研究方法
（一）、观测 （二）、分析和诊断 天气图和气候平均图分析 诊断分析 1．相关分析 2．动力诊断方法 （三）、数值模拟
四维分析
气候分析 1. 气候图分析
2. 3. 4. 5.
时间序列分析 点聚图分析 多元分析 周期分析
二、大气科学研究方法
大气监测
气象业务组织
一、大气科学研究内容
5. 大气物理学：大气各层(对流层、平流层、户问层、电离层 等)结构与成分，大气中声、光、电和雾、霜、雪、雨等物 理现象及机理，大气热力学原理，人工局部影响大气的原理。 6. 大气环境学：大气边界层的物理过程、大气污染及其污染 物在大气的扩散过程、酸雨、环境保护与治理等。 7. 大气化学：大气温室气体和痕量气体、气溶胶的化学过程 及其气候效应，大气、海洋中化学物质的循环过程以及它们 对全球气候的影响。 8. 应用气象学：天气学和气候学在工农业、交通运输、水文、 医疗等领域的应用以及天气、气候灾害对上农业、交通运输 和国民经济的影响。
地球大气根据温度、组成、电性的分层。电离层内带电离 子密度有显着日变化,在白天D区对AM无线电波大量吸收,阻 碍长距离传播;在夜晚AM无线电波可达F区可以传播较远. 地球大气带电粒子来源有四:太阳X光紫外线离子化空气分 子;高能宇宙射线入侵至低层大气;陆地地壳放射性衰减;云 内电荷分离.
（
对 流 层 和 大 气 边 界 层 ）
第一章 地球大气
第一节 地球系统
地球系统各成员的主要特征 大气圈 海洋 冰雪圈


陆地生物圈
地壳和地幔
• 由岩石圈、水圈、大气圈和生物圈共同 构成一个综合体，称之为“地球系统”
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；
90km是大气分子扩散与湍流扩散量级相当的高度
• 干洁大气：不含水汽和悬浮颗粒物的大气为干洁大气。
• 按气体成分所占比例划分： – 主要成分：浓度在300ppm以上,如N2，O2，Ar，
CO2；
– 微量成分：浓度在1~20ppm之间,如H2O，CH4，
He 等。
– 痕量成分：浓度在1ppm以下 , CO ,NH3 ,O3
三、 大气科学发展中的重要事件
• 16世纪发明了温度计(Galileo Galilei )
• 1643 年 发 明 了 气 压 计 (Galileo's disciple Evangelista Torricelli)
• 17世纪发明了湿度计
• 1843年电传的发明使天气图成为可能。
• 1920年发现了气团（Air masses）和锋面（Fronts） • 1940年开始高空气球观测 • 1950年计算机的发展带动了数值方法的发展 • 1960年TIROS-I天气卫星发射
大气科学的学科分支
气 象 学
大气科学
大 气 探 测 学
大 气 物 理 学
气 候 学
大 气 动 力 学
天 气 学
大 气 化 学
应 用 气 象 学
人 工 影 响 天 气
一、大气科学研究内容
1. 大气探测学：大气要素观测仪器、方法； 地基遥感与空基遥感仪器原理、构造和观 测方法。 2. 天气学和大气环流：大气中天气系统（暴 雨、龙卷风、跑线、台风、气旋、反气旋） 特征、变化规律；大气环流系统（季风、 副热带高压、阻塞高压和西风带槽脊）特 征、演变规律；天气预报原理和方法。
• 基准气候站：一般300-400公里设一站， 每天观测24次。 • 基本气象站：一般不大于150公里设一站， 每天观测8次。 • 一般气象站：一般50公里左右设一站， 每天观测3次或4次。 • 高空气象站：一般300公里设一站， 每天探测2次或3-4次。
基准站计划布设Ⅰ型站
基本站计划W T
M T T W T
W
海洋表层风场分布， （上图，12月~次 年2月；下图，6~8 月）。较浅的阴影 对应主要降水带。 W 代表西风带，M 代表季风环流，T 代表信风。