气象学与气候学

《气象学与气候学》综述

前言：

本课程是水文与水资源工程专业本科生主干课程，主要讲述了气象学、天气学和气候学的基本理论和基础知识。本书除绪论外共有9章。第1-3章是经典普通气象学的内容；第4章是大气动力学的基本内容；第5章是普通气象学中相关内容的扩展与提高，与水文学联系紧密；第6章和第7章分别是经典大气环流和天气学的内容，且前者是后者的背景知识；第8章全球气候系统则是从5大圈层相互作用的角度论述气候的成因、气候的分布及气候类型；第9章的内容是当今大气科学界最关心的热点问题。

气象学与水文学有着紧密的联系。陆地水文学是研究陆地上水文循环规律的科学，它包括降水的时空分布，水面、陆面和植物表面的水分蒸发，以及地表径流和河川径流的形成过程等，也研究地下水的运动规律。而降水过程和蒸发过程都与气象学有关。地表和大气之间的热量和水分交换过程，在不同大气之间有很大差异，在年总量上以及年内分配方面都不同，这就导致不同地区有不同的气候，也就有了不同的水文现象、不同的河川径流量及其年内分配。河流的封冻与融解、水库和湖泊的水温变化与浪涌等水文问题的解决，都要用到气象学方面的知识。在水库设计中，水文工作者要提供决定库容及溢洪道宽度的资料，库容决定于来水量即流域的降水量和蒸发量之差，溢洪道宽度决定于流域的降水强度，为解决这些问题也必须用到气象知识。这就是为什么水文工作者一定要懂得一些气象学知识的原因。

通过对气象学与气候学的学习，到达了解大气科学基本知识和基本理论，气象学的相关内容和气候的一些成因与分析，以及热点气候问题。

课程主要内容：

本课程共有9章，包含有大气的基本特征、辐射与热量平衡、大气热力学、大气的运动、大气中的水分、大气环流、天气系统、全球气候系统和气候变化及其对水资源的影响。

第1章大气的基本特征，讲述了大气的成分、大气的垂直结构、大气的状态方程、大气静力学方程及其应用和基本气象要素。大气是由多种混合气体和悬浮的固、液态杂质组成。干空气主要有氮、氧、氩、二氧化碳和臭氧组成。大气的垂直结构按照大气的温度结构可分为对流层、平流层、中间层、暖层和散逸层。大气的状态方程分为理想气体状态方程

（p=ρRT）、干空气状态方程（p d=ρd R d T）和湿空气状态方程（p=ρ′RTν）。气象要素有气温、气压、湿度、风向、风速、云量、降水量、能见度等。

第2章辐射与热量平衡，有辐射的基础知识、太阳辐射、地面和大气的辐射、地面及地气系统的辐射差额、地面热量平衡机地气系统的热量收支和地面温度和气温的变化。自然界中，一切物体都以电磁波的形式向外放射热量。这种递能量的方式称为辐射。物体通过辐射放出的能量称为辐射能。辐射的三大基本定律是普朗克定律、维恩位移定律和基尔霍夫定律。太阳辐射中辐射能随波长的分布，称为太阳辐射光谱。太阳常数为1370W/m2。到达地球上界的太阳辐射为天文辐射，天文辐射能量主要决定于日地距离、太阳高度角和白昼长度。太阳辐射在大气中的减弱主要是吸收、散射和反射等作用。到达地表的太阳辐射主要包括太阳直接辐射（其大小主要是由太阳高度角和大气透明度决定）和散射辐射。地面辐射通量密度主要取决于地面的温度。大气对地面辐射吸收式具有选择性的，其中的水汽、液态水、二氧化碳和臭氧对长波的吸收和放射起主要作用。辐射差额=收入辐射—支出辐射。热量的收入和热量的支出到达了平衡，这就是热量平衡。地面温度的变化有水陆表面热力情况的差异、陆地表面的温度随时间的变化和水温随时间的变化。气温的变化有大气传热的方式、气温的日变化和年变化、气温的地理分布。

第3章大气热力学，包含热力学第一定律在大气中的应用、干绝热过程和位温、湿绝热过程、假绝热过程和假相当位温、热力图简介和部分应用、大气层结稳定度、局部温度变化的影响因素分析与判断和大气中的逆温。热力学第一定律dQ=m c V dT+pdV。如果升降气块内部既没有发生水相变化，又没有与外界交换热量，称这种过程为干绝热过程。气块绝热上升单位距离时温度的降低值，称绝热垂直减温率，简称绝热直减率。对于干空气和未饱和湿空气，则称干绝热直减率。位温定义为，气块沿干绝热过程移动到标准气压(取1000hPa)处所具有的温度。在某一高度上，其饱和水汽压等于气块的水汽压，水汽开始发生凝结，把这个高度称为抬升凝结高度，简称凝结高度。饱和湿空气在上升过程中，与外界没有热量交换，该过程称为湿绝热过程。饱和湿空气绝热上升的减温率，称为湿绝热直减率。大气层结稳定度有判定法和判据。大气中的逆温有辐射逆温、湍流逆温、平流逆温、下沉逆温和锋面逆温。

第4章大气的运动，由作用在气块上的力、大气运动方程及其简化、p坐标系中的运动方程、自由大气中的风、地球风随高度的变化——热成风、摩擦层中的风、水平运动与垂直运动的关系和大气的垂直运动组成。作用在气块上的力有气压梯度力、地转偏向力、摩擦力和惯性离心力。自由大气中的风分为地砖风和梯度风。地砖风随高度的变化，或上下两层等压面地转风之差，称为该两等压面间气层的热成分。在摩擦层中，空气的水平运动因受摩擦力的影响，破坏了地转风和梯度风中的诸力的平衡关系，出现了风速减小，方向偏离等压线的现象，如摩擦造成的地转偏差、摩擦力的大气运动的影响、摩擦层中风随高度的变化和近地面风的季节性变化和日变化。大气的垂直运动按垂直运动的尺度和成因，通常分为系统性垂直运动和对流性垂直运动。

第5章大气中的水分，包括了水循环、水相变化和饱和水汽压、蒸发、水分方程和可降水量、凝结和降水。通过蒸发、水汽输送、降水、地表和地下径流、下渗和径流等过程，分布在地球各个层次的水被连接起来，进行着周而复始的、跨越四大圈层的水分循环，称为水循环。大循环又称外循环或海陆循环，它是发生在海洋与陆地之间的水交换过程。小循环又称内部循环，是发生在海洋与大气（或陆地与大气）之间的水交换过程。水相变化是指水IDE 状态变化，水通过相变释放热量或吸收热量，引起气温变化。饱和水汽压是在一定温度下，从空气中进入水面或冰面的水汽量与从水面或冰面逸散入空气中的水汽量达到平衡时，水汽施加于水面或冰面上的可能最大水汽压强，其大小与温度、水的相位、水面曲率、水内杂质及带电量有关系。影响蒸发的因素有：水源、热源、饱和差和风速与湍流扩散。把单位面积整个大气柱中的水汽全部凝结并降至地面的水量称为可降水量。水汽由气态变成液态的过程称为凝结。水汽直接转化为固态的过程称为凝华。大气中凝结或凝华的必要条件是：有凝结核或凝华核存在、大气中的水汽要达到饱和或过饱和状态。地表面的凝结现象有露、霜、雾凇、雨凇等；雾是近地面空气的凝结现象；云是大气中空气凝结现象，是产生降水的预备条件。降水概述了降水形成的条件、云滴增长方式、降水的种类、降水量的地理分布和季节分配、降水强度和降水变率。

第6章大气环流，有大气环流形成的主要因子和大气环流的平均状况。第7章天气系统，有气团与锋、中高纬度天气系统、低纬度天气系统和我国主要天气过程。因为这两章都不是重点章节，所以在此就不在展开论述了。

第8章全球气候系统，是有气候系统和物理过程、影响气候的基本因素、气候分类和中国气候区分。气候系统是决定气候形成，气候分布于气候变化的物理系统。包括大气圈、水圈、岩石圈、冰雪圈和生物圈。气候系统具有热力属性、动力属性、水分属性和静力属性。气候系统中的主要反馈过程有：1、水汽-辐射反馈；2、冰雪-反射率反馈；3、云量-地面气温反馈；4、二氧化碳-海洋-大气反馈。影响气候的基本因素可归纳为：1、太阳辐射；2、宇宙地球物理因子；3、环流因子；4、下垫面因子；5、人类活动的影响。本书主要讲述了