大气科学概论-第一讲(概述)
大气科学概论-教案
• （2）长波理论：本世纪30—40年代，由于要求能早期预 报出灾害性天气，再加上有了无线电探空和高空测风的普 遍发展，能够分析出较好的高空天气图。瑞典学者罗斯贝 （Rossby）等研究大气环流，提出了长波理论。它既为 进行2—4天的天气预报奠定了理论基础，同时也使气象学 由两度空间真正发展为三度空间的科学。 • （3）降雨学说：在本世纪30年代，贝吉龙-芬德生 （Bergeron-Findeison）从研究雨的形成中，发现云中有 冰晶与过冷却水滴共存最有利于降雨的形成，从而提出了 降雨学说。1947年又发现干冰和碘化银落入过冷却水滴中 可以产生大量冰晶，这就为人工影响冷云降水提供了途径。 进一步研究还发现在热带暖云中由于大、小水滴碰并也可 导致降雨，这又为人工影响暖云降水奠定了理论基础。由 此人类开始从认识自然进入人工影响局部天气时代。
• （3）把大气作为一个整体进行研究 • 把对流层与平流层中、高纬地区与低纬地 区，南半球与北半球结合起来研究，这在 大气科学的发展上又是一大跃进。 • 人类对大气中的化学现象与化学过程也进 行了多年的观测、分析和研究，并已形成 了气象学中一个新支派——大气化学。特 别是近年来对大气污染的监测，探讨环境 保护的措施，更促进了大气化学的进展。
• 1979年在日内瓦召开了第一次世界气候大会 （FWCC），批准了这一计划（这一计划包含四 个子计划），并确认气候系统的研究是实施气候 研究计划（WCRP）的重要理论基础。建立了 WCP以后，又在各大洲相继召开了地区性的气候 大会，进一步推动这个计划的实施。亚洲及西太 平洋气候会议于1980年在我国广州召开。现在世 界上已有数十个国家制订了国家气候计划 （NCP），开展气候研究。国际上成立了政府间 气候变化专业委员会（IPCC）。在1990年秋于日 内瓦召开了第二次世界气候大会。
大气科学概论 (1)
名词解释
干洁大气：通常把除水汽以外的纯净大气称为干洁大气，简称干空气。
露点温度：湿空气气压降温达到饱和时的温度称为露点温度。
相对湿度：在一定温度和气压下，水汽和饱和水汽的摩尔分数比称为相对湿度。
降水量：指从天空降落到地面上的液态或固态（经融化后）的降水未经蒸发渗透流失而积聚在水平面上的水层深度。
虚温：在气压相等条件下，具有和湿空气相等的密度时干空气具有的湿度。
气团变性：气团只是在某时间与一定的地理区域相关，当气团移动到新的下垫面时，它的性质就会逐渐发生变化，而失去原有的特性。
填空
1、相对湿度说明了同一气温条件下，水汽含量距离大气饱和程度，相对湿度越小，表示空气越不饱和，相对湿度越大，表示空气越饱和。
2、干洁大气是指不包含水汽和气溶胶的整个混合大气。
3、大气的铅直结构有地面向天空共分为对流层，平流层，中间层，热层，逸散层五层。
4、表征水汽的气象要素有很多，如比湿、水汽压、水汽密度等。（相对湿度、露点）
5、水的三相是指气态、液态_各固态。
6、一般温度越高、饱和水汽压则越大，在相同温度下，溶液面比纯水面的饱和水汽压越小。
7、降水可以有雨、雹、雪和霰四种形态。
8、相对湿度是空气中的实际水汽压与同温度下饱和水汽的比值。
9、大气中最主要的成分是氮气、氧气和氩三种气体。
10、相对湿度是指_空气中实际水汽压与同温度下饱和水汽的比值。
11、平流层环流的特点是：中纬度地区夏季盛行东风，冬季盛行西风。
12、露点温度是指湿空气定压降温达到饱和时的温度。
13、在相同状态下，平液面饱和水汽压大于平冰面饱和水汽压。
大气科学概论
1．气候的定义：气候是指在影响天气的各因子（太阳辐射、下垫面性质、大气环流和人类活动等）长期相互作用下所产生的天气综合，不仅包括某些多年经常发生的天气状况，还包括某些年份偶然出现的极端状况。
2.简述气候变化和气候突变的区别
前者:气候从一种稳定状态跳跃到或转变为另一种稳定状态的现象.
后者：气候变化是指气候平均状态随时间的变化，即气候平均状态和离差（距平）两者中的一个或两个一起出现了统计意义上的显著变化。离差值越大，表明气候变化的幅度越大，气候状态越不稳定。
突变是气候突然的变化很快，很明显;而气候变化是一个季度的气候变化，比较慢不明显
3.气候变化的原因（书p353）
外部因子：地球轨道参数，太阳活动，火山活动，大陆板块漂移，造山运动，人类活动
内部因子：⑴太阳辐射的变化。⑵地球轨道因素的变化。⑶火山活动。⑷宇宙——地球物理因子。⑸下垫面地理条件的变化。⑹大气环流的变化。⑺大气化学组成的变化。
4．简述云的微观形成（书p47）：云是潮湿空气在上升过程中膨胀冷却，使空气中的水汽达到饱和及过饱和时，在凝结核上凝结成云滴，或（和）由冰核作用经冻结和凝华生成冰晶而形成的。当云中的云滴增长到足够大时，就会从空中降落而产生降水。
5.按照云的外形特征，结构特点和云底高度将云分为哪几族哪几属？（书p48）
三族:高云族（高云形成于6000m以上的高空，对流层较冷的部分在此高度上的水都会凝华或冻结为冰晶，所以这族云都是由冰晶组成。高云高云一般成纤维状，薄薄的并多数为透明。）中云族（中云于2500~6000m的高空形成，它们多由过冷小水滴组成）
中科院《大气科学概论》专业考研资料-第一部分：动力气象学(4)不稳定理论
（四）不稳定理论
核心内容：
§1 波动稳定性的基本概念★★★★★
1）扰动发展，（基本气流由层流变为湍流），即基本气流是不稳定，叠加在其上的扰动是不稳定；
2）扰动减弱，或始终很小，则基本气流是稳定的，扰动也是稳定的。 如果波动或扰动能发展，这个波动就是不稳定的；
如果波动或扰动不发展，即始终很小或衰减，这个波动就是稳定的。 §2 波动稳定性的数学表达 ★★★★★ 简谐波解 c 或ω可以是复数 记：
重力内波、惯性波：受力机制很清楚；一般直接从振荡看是否稳定，由此，可以得到：静力稳定度、惯性稳定度。
而Rossby 波的产生机制是β－效应，从涡旋场（涡度方程）讨论Rossby 波，而没有具体讨论其振荡受力情况；一般从Ci 是否等于0判别其稳定性。 §3 静力稳定度★★★ 气块法
()
()
ik x ct i kx t Ae
Ae
ω--ψ
==)
()(t C x ik t kC t kC t C x ik i r r i i r e Ae e Ae iC C C --==ψ+=这样：()
i kC t
Ae
A t *⇒)(),()(*)
(*t C x k t A e t A r t C x ik r -=ψ-位相为振幅为⎩⎨⎧⇒<>≠⇒⇒=*不稳定
，还是，不论稳定常量，扰动始终很小＝，则如果
000A A 0i i C C
讨论浮力振荡（层结）稳定性问题
气块受扰离开平衡位置向上扰动。
因此：
§4 惯性稳定度 ★★★
↓
↓↓⇒↓↓↓⇒)()()()()()()()()()(z z T z P z P z z T z P z z T z P ρρρ，＝准静力过程绝热膨胀上升过程中，气块作干，，气块要素：，，环境要素：上升z
大气科学概论知识梳理（大气基础知识）
⼤⽓科学概论知识梳理（⼤⽓基础知识）⼤⽓科学概论知识梳理（⼤⽓的基本知识）
⼀、地球⼤⽓成分由三个部分组成
①⼲洁⼤⽓（即⼲空⽓）Clean Air【没有⽔汽和悬浮物的空⽓称为⼲洁空⽓】
②⽔汽（滴）Moisture
③悬浮在⼤⽓中的固液态杂质Impurity
⼆、低层⼤⽓的各种主要成分
①氮⽓（N2)：
存在⽅式：以蛋⽩质的形式存在于有机体中。
作⽤：是有机体的基本组成部分，也是合成氮肥的基本原料。
②氧⽓（O2）：
是⼈类和动植物维持⽣命活动的极为重要的⽓体；
积极参加⼤⽓中的许多化学过程；
对有机物质的燃烧、腐败和分解起着重要的作⽤。
③臭氧（O3）：
时空变化：
最⼤值出现在春季，最⼩值出现在夏季。
空间变化：
⽔平：由⾚道向两极增加。
垂直：55～60km，含量极少。
20～25km，达最⼤值，形成臭氧层；
12～15km以上，含量增加特别显著；
从10km向上，逐渐增加；
近地⾯，含量很少；
臭氧的作⽤：
a.对紫外线有着极其重要的调控制作⽤。
b.对⾼层⼤⽓有明显的增
温作⽤。
④⼆氧化碳（CO2)
空间变化：
⽔平：城市⼤于农村；
垂直：0～20km，含
量最⾼；20km
以上，含量显
著减少。
作⽤：
a.绿⾊植物进⾏光合作⽤
不可缺少的原料。
b.强烈吸收长波辐射（地⾯
辐射、⼤⽓辐射），使地
⾯保持较⾼的温度，产⽣
“温室效应”。
三、⽔汽
①来源：主要来⾃江、河、湖、海、潮湿陆⾯的⽔分蒸发以及植物表⾯的蒸腾。
②时空变化：
时间：夏季多于冬季
空间：⼀般低纬多于⾼纬，下层多于上层。
③作⽤：
a.在天⽓⽓候变化中扮演了重要⾓⾊。
b.能强烈吸收地⾯放射的长波辐射并向地⾯和周围⼤⽓放出长波辐射，对⼤⽓起着“温室效应”。
大气物理学 第一篇大气概论
二、地球与宇宙
银河系与河外星系
银 河 系 中 心
16
17
太阳系
18
2006年08月24日北京时间晚间9:30，第26届国际天文学联合会IAU 大会就有关行星新定义的决议草案进行了表决，通过新的行星定义。 国际天文从而确认太阳系只有8颗行星，冥王星遭到彻底“降级”。 冥王星被排除在行星行列之外，而将其列入“矮行星”。现在太阳 系的天体包括：八大行星，矮行星和小天体。
1）主要气体—氮、氧
对生命活动有重要意义，但对天气、 百万年尺度的气候变化没有什么作用。
2）微量、痕量气体—水汽、CO2 、O3 a)水汽 是云和降水的源泉； 在全球能量平衡中起重要作用，影响 地面和空气温度； 是地球系统的水循环中起重要角色。 31
32
地表上的水 – 全球年水量平衡
33
b) CO2 c) O3
19
地球形成 50亿年前，地球的轮廓已初步形成。最初是 个火球。随着地球逐步冷却，较重的物质沉 到中心，形成地核；较轻的物质浮在上面， 冷却后形成地壳。
20
三、大气演化
1、原始地球上无大气、无海洋；
火山爆发频繁发生
2、火山喷发形成原始大气，主要由水汽、 CO2、氮和硫或硫化物。没有氧气。 大量水汽造成长时间降雨，持续了几千 年（推测），形成原始海洋，生命就在原 始海洋的汤液中形成。
有限无界论：
大气科学概论(绪论)
☺探讨如何利用这些现象预测、控制、改造自然 探讨如何利用这些现象预测、控制、 探讨如何利用这些现象预测
准确预测天气和气候变化，人工影响天气， 准确预测天气和气候变化，人工影响天气，大气环 境预测和控制
1.2 学Fra Baidu bibliotek分支
传统的“气象学” 传统的“气象学”分支学科主要为气象学和 气 候学。六十年代以来，随着“气象学” 候学。六十年代以来，随着“气象学”的研究内 容 的迅速扩展，人们广泛采用“大气科学”这个术语。 的迅速扩展，人们广泛采用“大气科学”这个术语。
大气科学的分支学科： 大气科学的分支学科：
大气物理学、大气探测、天气学、大气动力学、 大气物理学、大气探测、天气学、大气动力学、 气候学、气象业务通信网络、物理海洋学、 气候学、气象业务通信网络、物理海洋学、现代天气 分析技术、数值天气预报、统计分析与天气预报、 分析技术、数值天气预报、统计分析与天气预报、人工 影响天气… 影响天气
1.4 气象部门简介
一、我国气象机构： 我国气象机构： －中国气象局 区域气象中心（北京、沈阳、上海、武汉、 －区域气象中心（北京、沈阳、上海、武汉、 广州、成都、兰州、乌鲁木齐） 广州、成都、兰州、乌鲁木齐） －省气象局 －市气象局 －县气象局
二、我国气象业务体系改革： 我国气象业务体系改革： 随着国家经济社会发展和科技的全球 化， 当前气象科技创新步伐明显加快， 当前气象科技创新步伐明显加快，高新技术 不断引入气象领域， 不断引入气象领域，使气象业务工作发生了巨 大变化，气象业务技术体制的改革势在必行。 大变化，气象业务技术体制的改革势在必行。
中科院《大气科学概论》专业考研资料-第一部分：动力气象学(3)大气中的波动
（三）大气中的波动
核心内容
§1. 波动的基本概念★★
1. 波动的表示方法
波动：质点由于受力的作用围绕某个平衡位置振动（振荡），而振动在空间的传播形成波动。
简谐波：物体作简谐波时，它受到一恢复力作用，其大小与物体位移成正比，方向与位移方向相反。
简谐稳定移动形成的波就是简谐波。一维的简谐波可以表示为：
y=A cos(kx-ωt-δ)
欧拉公式：e iθ=cosθ +i sinθ
2. 波参数
1) 振幅：振动所产生的最大位移
2) 位相（角）；θ =k(x−ct)−δ, 初位相：δ
3) 相速度（波速）c：等位相线（面）移动的速度。
c=dx/dt|
或c=ω/k
θ=co n s t
等位相线（面）：位相相同的点构成的线（面）。
4）波长L：固定时刻相邻两个等位相点之间的距离。
5）波数k：用位相角所表示的单位距离内所包含的波长为L的数目。
k=2π/L或k=∂θ/∂x
而气象中的绕地球一周波的数目=2πR/L=2πa cosϕ/L，其中L为波长。
6）周期τ：固定位置上振动重复（波形复原）一次所需要的时间。
τ=L/c=2π/kc=2π/ω
7）频率v：单位时间内振动次数。v=1/τ
8）圆频率ω：用2π位相角表示的单位时间内的振动次数。
ω=2πv=2π/τ=kc 或ω=∂θ/∂t
4．横波与纵波
4.1 横波：振动方向与波传播方向垂直的波。
1.水平横波：质点在水平面的一个方向振动，而波在水平面上的另一个方向传播。
2.垂直横波：质点在垂直方向上振动，但波在水平面上传播。
4.2 纵波：振动方向与波传播方向一致的。
§2. 小（微）扰动法与方程组的线性化★★★★★
大气科学概论-分章节重点概括复习题总结(全)
绪论
1.*大气科学是研究地球大气中各种现象的演变规律，以及如何利用这些规律为人类服务的一门学科。
2.*大气科学的研究对象主要是覆盖着整个地球的大气圈，特别是地球表面的低层大气和地球的水圈、岩石圈、生物圈、是人类赖以生存的主要环境。
3.*大气科学的内容可概括成四个方面：①地球大气的一般特征（如大气的组成、范围、结构等）；②大气现象发生、发展的能量来源、性质及其转化；③解释大气现象，研究其发生、发展的规律；④如何利用这些现象预测、控制和改造自然（如人工影响天气、大气环境预测和控制）。
4.大气科学研究的特点：①研究大气科学不能仅限于大气圈；②大自然是大气科学研究的实验基地；③国际合作是推动大气科学发展的必要途径。学科分支：主要为气象学和气候学。
5.大气化学是研究大气组成和大气化学过程的学科。研究内容主要包括大气的化学组成及演变、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。
第一章大气概述
一、问答题：
1.说明“天气”和“气候”的定义和区别，
答：天气描述的是一个特定时间与一个特定地点的大气状态和大气现象。气候是指在影响天气的各因子（太阳辐射、下垫面性质、大气环流和人类活动等）长期相互作用下所产生的天气综合，不仅包括某些多年经常发生的天气状况，还包括某些年份偶然出现的极端状况。也就是说，气候是在一定时段内由大量天气过程综合平均得出的，它与天气之间存在着统计联系。
2.大气中二氧化碳成分增加的原因及其可能的后果是什么？
答：大气中二氧化碳成分增加的原因归因于化石燃料（如煤炭、石油、天然气等）燃烧量的不断加大。后果是低层大气的温度会由此而升高，从而引起全球气候的变化。
第一篇大气概论之空气状态方程
二、干空气的状态方程
得到干空气的状态方程
p = ρd RdT
ρd为干空气的密度 Rd为干空气的气体常数
一般取287 J/(K·kg)
三、虚温与湿空气的状态方程
湿空气指空气中包含 了水汽
把湿空气分为水汽与 干空气两部分，即
ρ = ρd + ρv
按照道尔顿分压原理， 在包含水汽的空气中
则上式可以写出大气静力学方程的主要形式
dp = −ρg
dZ
方程说明：气压随高度递减的快慢取决于密度（ρ） 和重力加速度（g）的变化。重力加速度随高度的变化 量一般很小，因而气压随高度递减的快慢主要决定于 空气的密度。
由于气象观测不直接测量密度，利用湿 空气状态方程得流体静力平衡状态时，气 压、温度与高度的关系 ：
dP = − g dZ
p
RdTv
二、垂直气压梯度和单位气压高度差
当高度的变化不太大时，气压变化的快慢可以用 垂直气压梯度和单位气压高度差来表示。
◇垂直气压梯度GZ是指每升高（或降低）单位 距离，气压减少（或增大）的数值。
Gz = − dP = ρg = gP ≈ 3.42 P
dZ
RdTv
Tv
单位：hPa/100m 负号表垂直气柱中气压随高度升高而降低
由公式可知： ◇ Gz低层大气>Gz高层大气 ◇ Gz干冷空气> Gz暖湿空气 ◇h高层大气>h低层大气 ◇h暖湿空气> h干冷空气
第1章 大气科学概论(南京信息工程大学 大气概论)
2009. 8.9号莫 拉克台 风带来 的豪雨 重创南 台湾
援救现场
（四）动力气象学：
是一门应用物理学和流体力 学定律及数学方法，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。 动力气象学的发展对更深刻 地认识大气运动的机理、掌 握天气和气候变化的规律有 十分重要的作用，它是大气 科学的理论基础学科。
沙尘天气过程（上） 平流层大气物理（下）
温度、海平面和北半球 积雪变化（右）
▲大气科学的学科分支
大气探测、 气候学、 天气学、 动力气象学、 大气物理学、 大气化学、 人工影响天气、
天气动力学和气 候动力学
卫星气象学
雷达气象学
应用气象学等。
（一）大气探测：
卡 西 尼 " 首 次 近 访 土 卫 六
研究手段和方法
观测是大气科学研究的基础 分析和诊断是大气科学的基本研究方法 数值模拟对于大气科学研究发展的作用
生病了 看医生 诊 断
大气科学概论课件--云、雾和降水物理学基础
云、雾和降水物理学基础
大气中的云、雾、降水是最引人注 目的可观测到的天气现象。
云、雾、降水的成因：
潮湿空气在上升过程中膨胀冷却，使空气 中的水汽达到饱和及过饱和时，在凝结核上 凝结成水滴（温度高于零度），或由冰核作用 经冻结和凝华成冰晶(温度低于零度）而形成的 云、雾、降水。
水汽由未饱和达到饱和而生成云雾有两途径：
◇增加空气中的水汽 ◇降低空气温度
一般说来，云主要是靠潮湿空气在上升 运动过程中膨胀降温达到饱和而形成， 所以， 充足的水汽和上升气流是云生成的必要条件
2、形成云的一般过程
（1） 冷却过程：(p123)
dT dt
Leabharlann Baidu
1 c pd
dQ dt
RdT c pd
p t
RdT cpd p
Vh
h
p
d
◇绝热冷却过程：
气块沿斜面（锋面、山坡）上升引起的冷却； 对流运动 波动运动
◇非绝热冷却过程：
辐射冷却
（2）既降温又增加水汽的过程
当温度和湿度不同的两块未饱和空气发生 混合时，湿度和温度将会发生改变，有可能达到 饱和，从而形成云或雾。
◇垂直混合： ◇水平混合：
大气科学第1讲
大气科学概论
课程主要内容
1. 绪论
2. 大气的基本知识
3. 能量与温度
4. 水汽、云和降水
5. 气压和风
6. 锋面和气旋
7. 雷暴、龙卷和台风
8. 大气环流和大洋环流
9. 天气预报和常规气象观测
10. 气候变化
主要参考书
1.李万彪，《大气概论》，北京大学出版社，2009
2.华莱士（Wallace J. M），霍布斯（Hobbs P.V），何金海等译，《大气科学》（第二版），科学出版社，2008
3.黄荣辉，《大气科学概论》，气象出版社，2005
4.何金海，《大气科学概论》，气象出版社，2012
5.Meteorology Today : An Introduction to Weather, Climate, and the Environment, C. Donald Ahrens, Brooks/Cole, 6th or 7th edition
现象
建筑与气象原因
肤色与气象原因
现象
原因
生活与气象
现象
1 绪论
1.1大气科学的概念
1.2大气科学的重要性1.3研究对象及基本内容1.4大气科学分支
1.5大气科学相关概念1.6发展概况
1.1 大气科学的概念
什么是大气科学？
美丽的彩虹
1.1 大气科学的概念
火焰彩虹
1.1 大气科学的概念
海市蜃楼
日晕多日同辉
1.1 大气科学的概念
夜光云极光
1.1 大气科学的概念
位于意大利西西里岛东岸的埃特纳活火山创造出了这一令人惊叹的瞬间阿联酋迪拜被云海包围
1.1 大气科学的概念
1.1 大气科学的概念
土星上的气旋宛如一朵红色的玫瑰
美国华盛顿州雷尼尔山附近的荚状云
霜
1.1 大气科学的概念
大气概述-教师课件
在地球系统的水循环中起重要角色。
3）臭氧：臭氧层阻挡强紫外到达地面，保护了地球上的生命。
对建立大气垂直温度结构和大气辐射平衡起重要作用。
4）二氧化碳，气溶胶，硫化物，氮化物……
HO2：地球水循环
Hydrologic Cycle: Water Fluxes (x1015 kg)
13 in Atmosphere
CO2：二氧化碳
• 二氧化碳是在地壳、大气层、海洋和生物圈之间循环的。 • 人工源：主要的人工源是矿物燃料燃烧和工业活动。 • 自然源：死亡生物体的腐败和呼吸作用也都排出二氧化碳。 • 汇：植物的光合作用，海洋能吸收大量二氧化碳。
• 对气候影响：二氧化碳有强烈的“温室效应”作用。
Carbon Fluxes (GTC/yr): Current 750 Input Removal
Pluto has been officially demoted from its status as a plபைடு நூலகம்net. The International Astronomical Union (IAU), at a meeting in August 2006, voted on their first “official” definition of a planet. Based on this new definition, Pluto is no longer a planet.
大气科学导论1章概论 95页PPT文档
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一、大气科学理论在自然科学中的作用
哲学界认为自然科学发展中有三次革命：
第一次科学革命是17世纪初牛顿创立的经典力学
它使观测和实验所得到的科学现象上升为理论，产生了近代自 然科学理论
第二次科学革命是20世纪初爱因斯坦提出的狭义和广 义相对论
为量子力学等现代科学的发展提供了理论基础
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一、大气科学的研究内容与对象
大气科学的研究内容
大气科学是研究地球大气状态的演变和发生在 大气的动力、物理、化学的各种现象的形成原 因及其随时间和空间的演变规律，以及研究如 何采用这些规律为人类服务和人类活动对大气 影响等方面的一门科学。
大气科学的研究对象（五圈）
大气科学的研究对象是覆盖整个地球的大气圈 以及大气圈与地球的水圈、岩石圈、冰雪圈和 生物圈之间的相互作用。
这些灾害每年约造成200×108kg的粮食损失和 1000~2000亿元的经济损失，约占20世纪 90年代 国民总产值的 3％～6％左右。
这就是说，全国人民辛辛苦苦一年所取得国民经济 的发展增加值，其中一部分要被严重的气候和天气 灾害损失掉。
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（一）在防灾减灾中的作用
因此，气候和天气灾害的成因及预测已成为我国 大气科学的前沿研究问题。
很多开发类似洗发香波的产品 的公司都利用模拟方式，观察 长发及洗发产品如何在气流中 飘动，以及如何与水、灰尘和 其它因素发生反应。为了制造 完美的风吹发效果，电脑模拟 所需要的时间绝对超出我们想 象。
大气科学概论
大气科学概论
1.什么叫气候？（即气候的定义）
气象要素经过长时间的平均的状态。气象学常取30年左右。
2.区分气候突变和气候变化
气候突变：气候从一种稳定状态跳跃到或转变为另一种稳定状态的现象。
气候变化：气候变化是指气候平均状态统计学意义上的巨大改变或者持续较长一段时间（典型的为10年或更长）的气候变动。
3．气候变化的原因
①太阳辐射的变化; ②宇宙沙尘浓度的变化; ③地球轨道的变化;④大陆漂移;⑤山地隆升对大气环流和环
境的影响;⑥洋流的改变;⑦海冰的变化; ⑧大气温室气体的变化;⑨大气气溶胶浓度的变化;⑩极地同温层云量的变化; 11、极地植被的变化; 12、同大陆沙尘气溶胶相联系的“铁假说”; 13、大陆C3 植物向C4 植物的转化;14、天体撞击; 15、火山爆发; 16、地核环流作用
4.云的微观组成
云是悬浮在大气中的小水滴、过冷水滴、冰晶或它们的混合物组成的可见聚合体；有时也包含一些较大的雨滴、冰粒和雪晶；其底部不接触地面。
5.按照云的外形特征；云底的高度，大概将云分为哪几族，哪几属哪几类，并简要分析每一族的特征
3族，10属，29类。高云族：高云形成于6000米以上的高空，对流层较冷的部分。在此高度上的水都会凝华或冻结为冰晶，所以这族云都是由冰晶所组成。高云一般呈纤维状，薄薄的并多数会透明。中云族：中云于2500~6000米的高空形成，它们多由过冷小水滴组成。低云族：包括层积云，层云，雨层云，积云，积雨云五类，其中层积云，层云，雨层云由水滴组成，云底高度通常在2500米以下。大部分低云都有可能下雨，雨层云还常有连续性雨雪。而积云，积雨云由水滴，过冷水滴，冰晶混合组成，云底高度一般也常在2500米以下，但云顶很高。积雨云多下雷阵雨，有时伴有狂风，冰雹等。
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世界主要气候图
气候系统
一个完整的气候系统应包括对气候形成分布和
变化有直接或间接影响的各个环节，除太阳辐
射这个主要能源之外，气候系统包括大气圈、 水圈、冰雪圈、陆地表面和生物圈（动、植物 和人类）等5个子系统。各个子系统内部以及各 子系统彼此之间的各种物理、化学乃至生物过 程的相互作用决定着气候的长期平均状态以及 各种时间尺度的变化。
气候系统之岩石圈
陆面有时亦称岩石圈。岩石圈的变化时间尺度甚 长，其中如山脉形成的时间尺度约为105—108a， 大陆飘移的时间尺度约为106—109a，而陆块位置 和高度变化的时间尺度则更在109a 以上。 它们的这些特征对地质时期的气候变化是有巨大
影响的，但对近代在季节、年际、十年际乃致百
年际的气候变化中是可以忽略的。
一个厚度为数百米到 1—2km的过渡层，称为对流层顶。 这一层的主要特征是：气温随高度的增加突然降低缓 慢，或者几乎不变，成为上下等温。
2.平流层
自对流层顶到 55km 左右为平流层。在平流层内的温度 随着高度的增高。平流层这种气温分布特征是和它受地 面温度影响很小，特别是存在着大量臭氧能够直接吸收 但这里紫外线辐射很强烈，故温度随高度增加得以迅速 增高，造成显著的暖层。平流层内气流比较平稳，空气
气候系统之生物圈
大气的气体组成成分
微量气体含量通常用体积或质量混合比表示。其定义 为单位体积 ( 质量 ) 大气中微量气体作占体积 ( 质量 ) 的 比例，以mL/L(mg/g)表示。
五大圈层相互作用
大气科学的学科体系
物理气象学 气象学 天气学 动力气象学
大气科学
物理气候学 气候学 描述气候学 应用气候学
研究大气现象的本质，从而能解释大气现象，寻求
控制其发生、发展和变化的规律；
探讨如何应用这些规律，通过一定的措施，为预测
和改善大气环境服务（如人影、消雾、防雹等），使 之能更适合于人类的生活和生产的需要。
大气科学的研究内容
大气科学是研究大气的各种现象（包括 人类活动对它的影响）及其演变规律，
以及如何利用这些规律进行天气、气候
陆面（岩石圈）
在上述近代气候变化的时间尺度内，除火山爆发 外，对大气的作用主要还是发生在陆地表面。因 此在气候系统中通常不用岩石圈这个更广泛的名 词，而采用陆面一词。 陆地表面具有不同的海拔高度和起伏形势，可分 为山地、高原、平原、丘陵和盆地等类型。它们
以不同的规模错综分布在各大洲之上，构成崎岖
复杂的下垫面。
气候系统之水圈（海洋）
水圈包括海洋、湖泊、江河、地下水和地表上 的一切液态水，其中海洋在气候形成和变化中 最重要。 海洋是由世界大洋和邻近海域的含盐海水所组 成。其总面积约占地球表面的71%，相当于陆 地面积的2.5倍。无论从力学和热力学效应来看， 海洋在气候系统中具有最大的惯性，是一个巨 大的能量贮存库。
气候系统之岩石圈
青 藏 高 原
气候系统之冰雪圈
冰雪圈包括大陆冰原、高山冰川、海冰和地面
雪盖等。
陆地雪盖有季节性的变化，海冰有季节性到几
十年际的变化，而大陆冰原和冰川的变化要缓 慢得多，约在几百年甚至到几百万年的周期。 冰川和冰原的体积变化与海平面高度的变化有 很大关系。
冰雪圈
地表（包括海洋和陆地）与大气间的热量交 换被阻止，因此冰雪对地表热量平衡有很大
最早的气象学专著：亚里士多德《气象汇论》
英国气象学的奠基人---圣比德《自然本质》
现代气象科学的四次飞跃
第一次飞跃: （大约1700—1859年）
气象仪器如温度表、雨量器、气压表等相继发 明，导致对信风和全球大气环流的研究。
各种气象仪器相继问世：空气温度表（1597）、气压 表（1643）、虹吸式自记雨量计（1662）、毛发湿度
雪圈、岩石圈和生物圈之间相互作用和相互影
响的重要性，要了解大气变化过程就不能不深
入到其他圈层变化过程的研究。
因此，大气科学与其它学科之间的相互渗 透也越来越深入。
大气科学与其它学科的关系
总之，人类生产和生活的发展，将不断提
出新的问题和要求，推动大气科学新理论和新
分支的发展。大气科学新的发展，必将不断提
高它为生产和生活服务的能力，如提高天气和
气候预报的准确率、为开发利用气象资源和制
定经济政策提供更加可靠的科学依据等，其经 济效益和社会效益将不可估量。
第二节
大气科学的发展历史、
现状及其在生产建设中的应用
大气科学的发展史
古代气象知识的积累时期
大气科学的建立时期 大气科学主要分支的形成时期
的监测和预测，从而趋利避害为人类服 务的一门学科。
天气和气候的区别
天气和气候是两个既有联系又有区别的概念 从时间尺度上讲，天气是指某一地区在某一瞬间或
某一短时间内大气状态（如气温、湿度、压强等）和 大气现象（如风、云、雾、降水等）的综合。天气过 程是大气中的短期过程。 而气候指的是在太阳辐射、大气环流、下垫面性质 和人类活动在长时间相互作用下，在某一时段内大量 天气过程的综合。
的斜压概念和环流理论，从此天气学和动力气象
学形成并得到发展。
第二次飞跃:（1860—1940）
第一张天气图：1820年，布兰德斯（德国）
风与气压关系的提出：1857年，白贝罗（荷兰）
2000 km以上，上大气极其稀薄，逐渐向 星际空间过渡，无明显的上界。
观测证明，大气在垂直方向上的物理性质是有显著差 异的。根据温度、成分、电荷等物理性质，同时考虑 到大气的垂直运动等情况，可将大气分为五层。
大 气 的 垂 直 结 构
1. 对流层
对流层是地球大气中最低的一层。云、雾、雨雪 等主要大气现象都出现在此层。对流层是对人类 生产、生活影响最大的一个层次，也是大气科学 研究的重点层次。 对流层有以下3个主要特征： （1）气温随高度增加而降低：
由于冰雪具有很大的反射率，在冰雪覆盖下，
影响。它是气候系统中的一个重要子系统。
总之，冰雪的主要效应是增大了地表反照率， 对大气运动总是起冷却（源）作用。
气候系统之冰雪圈
气候系统之生物圈
生物圈除了包括动植物，也包括人类本身。 生物圈的各部分在变化的时间尺度上有显著差 异，但它们对气候的变化都很敏感，而且反过 来又影响气候。 生物对于大气和海洋的CO2平衡，气溶胶粒子 的产生，以及其它与气体成分和盐类有关的化 学平衡等都有很重要的作用。 由于动物需要得到适当的食物和栖息地，所以 动物群体的变化也反映了气候的变化。
计（1783）
第一个气象观测站：1653年由意大利的斐迪南二世在
佛罗伦萨建立 ，18世纪80年代哈默尔组建了由欧洲、
北美洲和西伯利亚共 20个国家的57个气象观测站构成 的观测网。
第一次飞跃: （大约1700—1859年）
1686 年哈雷发现信风，认为信风同太阳供给赤道较 多的热有关。
哈得来在 1735 年的《关于信风之起因》中，第一次 对大气环流考虑地球自转的因素，并首次创立了经 圈环流的理论。
空间尺度：小至几米以下，大至几千公 里甚至上万公里
时间尺度；短至几秒长至数十天或更长
气候系统各组成部分及其相互作用
地球大气的组分以氮、氧、氩为主，它们占大 气总体积的99.96% ，此外还包括二氧化碳、甲 烷、臭氧、水汽、氡、氨等。大气中还悬浮着 水滴、冰晶、尘埃、花粉等液态、固态微粒。 氧：人类赖以生存的物质基础 水汽：淡水的主要资源 臭氧：含量虽少，但能吸收太阳紫外辐射中对 生命有害的部分
强烈的垂直运动。
中间层内水汽含量更极少，几乎没有云层出现，
在中间层的60—90km高度上，有一个只有白天才出现
的电离层，叫做D 层。
4.热层
气温随高度的增加而迅速增高。其增温程度与太阳活动 有关，当太阳活动加强时，温度随高度增加很快升高。 在热层中空气处于高度电离状态，又可称为电离层，正 是由于高层大气电离层的存在，人们才可以收听到很远 地方的无线电台的广播。 此外，在高纬度地区的晴夜，在热层中可以出现彩色的 极光。
大气科学的研究对象
大气科学的研究对象主要是覆盖整个 地球的大气圈，也研究大气与其周围
的水圈、冰雪圈、岩石圈和生物圈相
互作用的物理和化学过程，此外还研 究太阳系其他行星的大气。
大气科学的领域很广，其基本内容是：
把大气当作研究的对象来探讨其特性和状态，如大 气的组成、结构、温度、湿度、压强和密度等等； 研究导致大气现象发生、发展的能量来源、性质及 其转化；
大气科学概论
课程内容
第一章 概 述 第二章 大气运动的基本规律
第三章 气旋与反气旋
第四章 关于气团和锋的介绍 第五章 关于天气预报的基本方法和技术 第六章 海气相互作用的产物———厄尔尼诺 第七章 气候变化
本 章 内 容
大气科学的研究对象、内容和
学科体系
大气科学的发展历史、现状及
其在生产建设中的应用
热层又称热成层或暖层，它位于中间层顶以上。该层中，
5.散逸层
这是大气的最高层，又称外层。这一层中气温随高度
增加很少变化。由于温度高，空气粒子运动速度很大， 又因距地心较远，地心引力较小，所以这一层的主要
特点是大气粒子经常散逸至星际空间，本层是大气圈
与星际空间的过渡地带。
气候系统之大气圈
地球大气运动的复杂性
有关大气的物理属性
大气科学的研究对象、内容和学科体系
由于地球的引力作用，地球周围聚集着一个 气体圈层，构成了所谓大气圈; 大气的分布是如此之广，以致地球表面没有 任何地点不在大气的笼罩之下；
人类就生活在大气圈底部的“下垫面”上;
大气圈是人类地理环境的重要组成部分。
大气圈阻挡了大多数陨石
大气科学迅速发展时期
气象史的两个时代：
古气象史时代
从人类有文字记载的历史时期开始到十六
世纪末。
近现代气象史时代
从十六世纪末至今以来。
古代气象知识的积累时期
（自人类文明开始至16世纪） 源流：1）以中国和印度为主的亚洲（中国殷代便有
记载，测量空气湿度、风向和降水量的仪 器都是我国最先发明的 ） 2）地中海东部、欧亚非三洲的交汇处（埃及 文化、巴比伦文化和希腊文化的发祥地）
大气科学与其它学科的关系
从 20 世纪 60 年代以来，大气科学扩充了其传
统的研究内容，出现了许多分支学科，主要
有大气探测、天气学与大气环流、大气动力
学、气候学与全球变化、大气物理学、大气 环境学、大气化学、人工影响天气、应用气 象学等。
大气科学与其它学科的关系
由于人类越来越认识到大气圈与水圈、冰
（2）垂直对流运动：
（3）气象要素水平分布不均匀：
在对流层的最下层称为行星边界层或摩擦层。其范围 一般是自地面到 1—1.5km 高度。在这层里大气受地面 摩擦和热力的影响最大，湍流交换作用强，水汽和微 尘含量较多，各种气象要素都有明显的日变化。 行星边界层以上的大气层称为自由大气。在自由大气 中，地球表面的摩擦作用可以忽略不计。 在对流层的最上层，介于对流层和平流层之间，还有
太阳辐射有关。虽然 30km 以上臭氧的含量已逐渐减少，
的垂直混合作用显著减弱。
平流层中水汽含量极少，大多数时间天空是晴朗的。平 火山尘可到达平流层，影响能见度和气温。
流层中的微尘远较对流层中少，但是当火山猛烈爆发时，
3.中间层
自平流层顶到85km左右为中间层。
该层的特点是气温随高度增加而迅速下降，并有相当
气候系统之水圈
洋 流 示 意 图
暖流
寒流
水圈（海洋）
由于海洋对太阳辐射的反射率比陆面小，海洋 单位面积所吸收的太阳辐射能比陆地多25％— 50％。全球海洋表层的年平均温度要比全球陆 面温度约高10℃左右。 如果仅考虑100m深的表层海水，即占整个气候
系统总热量的95.6％。仅此一端就可见其在气
候系统中的重要性。
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18世纪中叶，人们开始进行高空探测的尝试。 17 世纪～ 19 世纪初，流体的概念及牛顿的力学三大 定律和微 积分学，为动力气象学提供了理论基础。
现代气象科学的四次飞跃
第二次飞跃:（1860—1940）
无线电报发明，地面气象观测网产生，天气图诞 生，V Bjerknes 创立了锋面学说，提出了著名
《后天 (The Day After Tomorrow) 》 《完美风暴(Perfect Storm)》 《龙卷风（Tornadoes ）》
气候系统之大气圈
覆盖整个地球的大气的质量约占地球
总质量的百万分之一。由于地心引力的作 用，大气质量的 90% 聚集在地表 15km 高
度以下的大气层内， 99.9% （ 48km ）。