第1章 大气科学概论(南京信息工程大学 大气概论)

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：
统计 动力 量场
雷达 飞机 探测 数值模 式预报
好了
准了
突变
不准
1.3大气科学的学科体系

大气科学传统上分为气象 学、气候学和高层大气物 理学3个领域。
气象学主要研究对流层和 低平流层每日甚至每小时 的天气变化。 气候学是对大气层某一区 域长期(1个月至数百万 年)的天气状况的统计描 述。 高层大气物理学主要研究 高层大气的物理状态及支 配过程，高层大气是指低 平流层以上的大气区域。
1.4大气科学的发展历史及现状

1.5大气科学在生产建设中的应用
1.1大气科学的重要性、目的、意义
图 气候系统及其各圈层之间的相互作用
气象资料观测台站分布
1：10万 1990年和2000年土地利用数据
1：100万植被类型数据
1：100万土壤数据
1km人口空间化数据
对大气科学
您知道什么? 您不知道什么? 您知道你已经知道什么? 您知道你还不知道什么? 您知道你需要知道什么? 您知道了想干什么?
大气科学概论
第一讲
概述
主讲人:李栋梁教授 张杰副教授 lidl@nuist.edu.cn
自我介绍
出生 1957腊八
上小学 196803-01
上初中 197103-01
上高中 197303-01
兰州 大学 197803-01 上山下乡 饲养员、 记工员、 保管员、 会计、民 办老师 197501-01
火山爆发对近地大气短波辐射的影响
研究对象二.太阳系其它行星的大气

土卫六（Titan，又称为泰坦星） 是环绕土星运行的一颗卫星。 它是土星卫星中最大的一个。 在1655年3月25日被荷兰物理学 家、天文学家和数学家克里斯 蒂安· 惠更斯发现，它也是在太 阳系内继木星伽利略卫星发现 后发现的第一颗卫星。由于它 是太阳系唯一一个拥有浓厚大 气层的卫星，因此被视为一个 时光机器，有助我们了解地球 最初期的情况，揭开地球生物 如何诞生之谜。
1.2大气科学的研究对象和内容

大气科学研究内容：研究大气 的各种现象及演变规律，以及 如何利用这些规律为人类服务. 大气科学研究对象:不仅限于大 气圈，也研究大气与地球表层 水圈、冰雪圈、岩石圈和生物 圈的相互作用和物化过程；太 阳系其它行星的大气。 研究大气运动的能源，大气中 的物质循环、能量转换和变化 过程、大气环流及天气、气候 的分布和变化，都与其它圈层 之间存在相互影响和相互作用。
静止卫星观测到某一时刻地球大气水汽分布
一.研究对象1──大气圈

2.2.二氧化碳： 1.1含量：受植物的光合作用、 动物的呼吸作用、含碳物质 的燃烧以及海水对二氧化碳 的吸收作用所影响 1.2 二氧化碳含量与年俱增： 在工业发展、化石燃料（如 煤、石油、天然气）燃量增 加、森林覆盖面积减少的情 况下，观测到现象。 1.3 CO2和其它温室气体的 增加，已成为研究现代气候 变化的一个前沿课题。





臭氧层分布及保护作用
一.研究对象1──大气圈
140
高度（千米）

3.地球大气的密度、温度、 压力、组分和电磁特性等 120 都随高度而变化，具有多 100 层次的结构特征。 80
60
D
C

大气的密度和压力一般随 40 高度按指数律递减；温度、 组分和电磁特性随高度的 20 变化不同，按各自的变化 特征可分为若干层次。


起沙动力学条件分析
(引自：周秀骥等，2002)
（五）大气物理学： 是一门研究大气的物理现象、物理过程及其 演变规律的学科。 研究内容主要包括云和降水物理学、大气光 学、大气电学、大气声学、大气辐射学等。 大气物理学也是大气科学中的理论基础学科。 50年代以后，也有人把动力气象学包括在内 都称为大气物理学。
1.不可变气体成分：氮、氧、氩，这几 种气体成分之间维持固定的比例。 2.易变气体成分，以水汽、二氧化碳和 臭氧为主，变化最大的是水汽。
地球大气层
一.研究对象1──大气圈

2.1.水汽： 随着大气温度发生相 变，成云致雨，成为 淡水的主要资源。水 的相变和水文循环过 程不仅把大气圈同水 圈、岩石圈、生物圈 紧密地联系在一起， 而且对大气运动的能 量转换和变化有重要 影响。
一.研究对象1──大气圈

4.5.影响大气运动、变 化的因素1——自然条件： 大气的可压缩性、太阳辐 射、地球的形状和它的重 力、地球的公转和自转、 地球表面的海陆分布和地 形起伏、地球演化和生态 系统等造成地球大气特定 组成、结构和运动、变化 状态。
全球海陆分布图
一.研究对象1──大气圈

4.5.影响大气运动、变 化的因素2——人为条件： 人为的因素在变化着（如 温室效应的气体增加，大 面积森林砍伐等），自然 的因素也在变化着（如火 山爆发等引起辐射能的变 化，地球自转轴方向的变 化等）。

全球和大量气候变化
（二）气候学：

电子计算机的采用，促进了 对气候变化物理因子和气候 模拟的研究，气候预测已不 再是虚无缥缈的难题，而已 成为一个具有战略意义的课 题了。
CABLE模式在NPP模拟(左)基础上对降水(右) 进行模拟研究
（三）天气学：

是一门研究大气中各种天 气现象发生发展的规律以 及如何应用这些规律来制 作天气预报的学科。
B A
温度（℃）
气温垂直分布图
一.研究对象1──大气圈

4.地球大气的运动非常复杂
4.1.季节变化：地球的自转和 公转运动以及地球自转轴的方 向产生了地球上的昼夜交替、 四季变化和温度自赤道向两极 递减的规律。
4.2.地表的温度分布：并不完 全按纬圈带分布，由于海陆分 布和地貌等的不均匀。





（六）大气化学：

是一门研究大气组成 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。
大气化学 观测

大气中沙尘气 溶胶分布 个例
（七）人工影响天气：

研究如何通过影响云和 降水的微物理过程使某 些大气现象、大气过程 发生改变的技术和方法。 如人工降水、人工防雹、 人工消雾等。 人工影响天气是人类改 造自然的一个组成部分。
极 地
温室气 体
太阳辐 射
赤 道

冰原
涌 升
侵 蚀 风 化
降 水
蒸 发

地球气候系统及其各分量间的相互作用
一.研究对象1──大气圈

2.地球大气的组分 地球大气的组分以氮、氧、氩为主， 它们占大气总体积的 99.96％。其 他气体含量甚微，有二氧化碳、氪、 氖、氦、甲烷、氢、一氧化碳、氙、 臭氧、氡、水汽等。大气中还悬浮 着水滴、冰晶、尘埃、孢子、花粉 等液态、固态微粒。
CO2 的近期 增长状 况 以及 人类对 大气环 境造成 的影响 因素


一.研究对象1──大气圈
2.3.臭氧：
1.1.含量：大气中臭氧的含量 很少，即使在离地表20～30 公里的浓度最大处，其含量也 不到这层大气的十万分之一。 1.2.保护作用：吸收太阳紫外 辐射中对生命有害的部分 。 1.3.增加平流层温度： 1.4.含量变化：人类活动对高 空光化学过程的影响会引起臭 氧含量的变化，该问题已成为 医学界和气象学界共同关注的 问题
4.3.大气的温度、压力和密度 之间有密切的关系。大气压力 分布(即气压场)的不均匀会导 致大气的运动，大气的运动又 会引起气压场的重新调整。

21世纪后期（2090-2099） 预估的地表温度变化
一.研究对象1──大气圈


4.地球大气的运动非常复杂
4.4.大气运动 ：机械运动、热运动等多种进行水平方向和铅直方 向的物质和能量的传输和转换。大气圈通过各种机制相互紧密地 联系在一起，形成空间尺度从几米到上万公里，时间尺度从几秒 到数十天或更长时间的多种大气运动系统
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
有过程 做预报 诊 断
体温 血压 心率 打针 吃药 死了
体液 生化 病理 做手 术 癌症
透视 B超 CT
天气 经验 特征 常规经 验预报
2031年架 鹤西去？
• 发表论文（论著）情况：
共计在各类学术刊物发表研究论文近200余篇，其中 SCI（E）收录论文12篇，国内核心期刊论文150篇； 第一作者论文50余篇；第二作者论文50余篇。出版 专（合）著2本，经查询，第一作者论文查询SCI数 据库（WEB OF KNOWLEDGE：SCI EXPANDED，数据范 围：1991-2006/11/5），在SCI数据库中共被收录2 篇；在SCI数据库中共被引用20次。论文在中国科学 文献服务系统科学引文数据库中共被收录25篇，共 被引用310次。
项目 SCI 收录 SCI 引用 核心期刊收录 第一作者 2 20 25 第二作者 1 4 43 第三作者 2 6 29 第四以后 2 1 12 合计 7 31 109
核心期刊引用
310
246
117
53
726
主要内容

1.1大气科学的重要性、目的、意义
1.2大气科学的研究对象和内容
1.3大气科学的学科体系
研究内容主要包括天气现 象、天气系统、天气分析 和天气预报等。 气候学和天气学研究的成 果，不但为大气科学提供 丰富的研究课题，而且还 直接为国民经济服务。

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Βιβλιοθήκη Baidu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。

是一门研究探测地球大气 中各种现象的方法和手段 的学科。按探测范围和探 测手段划分，大气探测有 地面气象观测、高空气象 观测、大气遥感、气象雷 达、气象卫星等次一层分 支。探测手段的飞跃往往 带来以往难以预计的重大 发现,在大气科学的发展进 程中,大气探测起了十分重 要的作用。
云中冰／水的 CloudSat 质量 MLS AMSR 云微物理特性 MODIS CloudSat PARASL 降 水 CloudSat AMSR
人工影响天 气作业

凝结核化 过程
（八）应用气象学：

是将气象学的原理、 方法和成果应用于 农业、水文、航海、 航空、军事、医疗 等方面，同各个专 业学科相结合而形 成的边缘性学科， 也是充分开发利用 气候资源的重要领 域。
气溶胶光 学特性
CALIPSO MODIS PARASOL OMI
CALIPSO, MODIS, and PARASOL TES, MLS, OMI
云光学特 性
化
学
多颗卫星观测系统
辐射通量
CERES
（二）气候学：

是一门研究气候的特征、形成和演 变以及气候同人类活动相互关系的 学科。研究内容主要包括气候特征、 气候分类、气候区划、气候成因、 气候变化、气候与人类活动的关系、 气候预报和应用气候等。 20世纪70年代以来，全世界发生 几次气候异常，不少地区粮食产量 大幅度下降，引起世人对气候的严 重关注。工业生产引起大气中CO2 和其他有温室效应的气体（如CH4、 N2O等）含量逐年增加，若干年后 对地球气候将发生什么影响，是非 常令人关切的问题。
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