航海气象学课件

对流层中三个主要特征
⑴ 气温随高度而降低。平 均幅度为-0.65℃/100m。 即 γ ＝0.65℃/100m 称 γ 为对流层中气温垂直递减 率。
⑵ 具有强烈的对流和湍流 运动。是引起大气上下层动 量、热量、能量和水汽等交 换的主要方式。
⑶ 气象要素沿水平方向分 布不均匀。如温度、湿度等。
生在高纬度不同高度上，
最高达到1000-1200Km
称为大气的物理上界。
由卫星探测的大气上界
为2000-3000Km。
大气垂直分层
根据气温、水汽的垂直分布、大气扰动程度和电离现象 等不同等特点，自下而上将大气分为五个层次。（P5）
1. 对流层（Troposphere）：下界为地面，上界随纬度和 季节变化，平均厚度10-12公里。通常在高纬为6-8Km， 中纬度10-12Km，低纬度17-18Km。夏季对流层的厚度比 冬季高。对流层集中了大气质量的80％和全部水汽，与 人类关系最为密切，大气中几乎所有的物理和化学过程 都发生在该层。对流层具有三个主要特征。
象的综合表现。天气表示大气运动的瞬时状态。 气候 (Climate) 指某一区域天气的多年平均特征，其中包括各种
气象要素的多年平均及极值。气候表示长时间的 统计平均结果。
气象要素（Meteorology elements) 反映大气状态的物理量或物理现象，主要有：
气温、气压、风、湿度、云、能见度和天气 现象。 海洋要素（Marine elements） 反映海洋状态的物理量或物理现象。如海温、 盐度、海浪、海流和海冰等。
自由大气(free atmosphere) ：摩擦层以上称自由大气。摩
擦作用忽略不计，大气运动规律比较简单和清楚。自由大气 的基本运动形式是层流，气流多波状系统。 对流层顶：厚度约为1-2Km，温度随高度呈等温或逆温状态。
2. 平流层（Stratosphere）：厚度：自对流层顶到大约55Km。
1. 热传导（Conduction）：空气与下垫面之间， 通过分子热传导过程交换热量，又称感热。空 气是热的不良导体。仅在贴近地面几厘米以内 明显，故通常不予考虑。
2.辐射（Radiation）：地气系统热量交换的主要 方式。地面吸收太阳短波辐射，放射出长波辐射 加热大气。如白天辐射增温，夜间辐射冷却。
4.杂质：悬浮在空气中的固体或液体微粒，主要包括尘埃、烟粒、 细菌、病毒、花粉和微小盐粒等。它们主要集中在大气的低 层，影响能见度，能吸收部分太阳辐射，并对太阳辐射具有 散射作用。在水汽相变过程中，杂质可以作为凝结核。
二、大气垂直结构
大气上界
大气很难定出上界，一
极光
般以物理现象发生的最
高高度为上界。极光发
根据大气运动的不同特征通常将对流层分为：
摩擦层(friction layer) ：摩擦层又称边界层，从地面到
1-1.5Km高度。其厚度夏季高于冬季，白天高于夜间，大风和 扰动强烈的天气高于平稳天气。湍流输送是该层的基本运动 特点，多涡动，各种气象要素都有明显的日变化。该层水汽、 杂子含量多，因而低云、雾、霾、浮尘等出现频繁。
全球平均气温为14.3 ℃ ，极端最高气温63 ℃（索马 里），极端最低气温-94 ℃（南极附近）。
五、气温的垂直分布
在对流层中气温随高度上升而降低,气温随高度递 减的快慢可用气温垂直递减率γ 表示 ：
T
γ = 0.65℃/100m
z
式中： ∆T 表示高度增加 ∆Z 时，相应的气温变
太阳表面温度约为6000K，辐射波长0.15～4μ m，太阳是 短波辐射。
地面和大气的温度约为300K，放出长波辐射4～120μ m，称 长波辐射。
太阳辐射是地球和大气的唯一能量来源。
三、空气增热和冷却方式
空气的增热和冷却主要是非绝热过程引起的， 受下垫面的影响很大。下垫面是泛指不同性质 的地球表面。下垫面与空气之间的热量交换途 径有以下几种：
大气是可压缩气体，大气密度随高度增加而迅速减少。 观测表明，10公里以内集中了大气质量的75%，35公
里以下则达99%，近地面空气标准密度为1.293kg/m-3, 大气的总质量为5.3ⅹ 1018 kg，约为地球质量的百万 分之一。 其中影响天气、气候变化的主要大气易变成分为二氧 化碳、臭氧和水汽。
圈平行，北半球由于海陆分布不均匀，等温线不与纬圈平行。 ① 夏半球的等温线比较稀疏，冬半球较密集 ②冬季北半球的等温线在大陆上大致凸向赤道，在海洋上大
致凸向极地，而夏季相反。这是因为在同一纬度上，冬季大 陆温度比海洋温度低，夏季大陆温度比wk.baidu.com洋温度高的缘故。 ③北半球冬季大洋西部从低纬向东北方向伸出一个暖脊直达 大洋东部中高纬海域。这是两个强大暖流黑潮、湾流所致。
5.平流（Advection)：水平运动称平流。平流是 大气中最重要的热量传输方式，范围大，持续 时间长。如南风暖、北风寒、东风湿、西风干。 平流是指某种物理量的水平输送，如温度平流、 湿度平流等。
6.湍流：又称乱流（Turbulence），是空气不规则的 运动。湍流是摩擦层中热量、能量和水汽交换的主要 方式。
1.气温的日变化
diurnal variation of temperature
日变化:一天中气温有一个最低温度和最高温度。陆地上
最低气温出现在日出前，最高气温夏季出现在14～15点， 冬季出现在13～14点。海洋上最高值滞后陆地1～2小时。
气温的日较差：一日中最高气温与最低气温之差。其大
4. 热层（Thermosphere）：厚度：85-800Km。又叫电离层。
5. 逸散层（Exosphere）: 厚度： 800Km以上。地球大气
向宇宙空间逸散的过渡区域。
第二节 气温
一、气温的定义和温标 气温（Air Temperature）是大气的重要状态参数之一，是
天气预报的直接对象。气温的分布和变化与气压场、风场、 大气稳定度以及云、雾、降水等天气现象密切相关。 1. 定义：气温是表示空气冷热程度的物理量。空气的冷热程 度，实质上是反映空气分子运动的平均动能。当空气获得 热量时，其分子运动的平均速度增大，平均动能增加，气 温升高。反之当空气失去热量时，其分子运动平均速度减 小，平均动能随之减少，气温就降低。气温可以通过温度 表或温度计直接测得。
第一章 气象学基础知识
第一节 大气概况 第二节 气温 第三节 气压 第四节 空气水平运动--风 第五节 大气环流 第六节 大气湿度
第八节 云和降水 第九节 雾和能见度 第十节 船舶海洋水文气象观测
概述
大气（Atmosphere） 包围地球表面的整个大气层。 天气 (Weather) 指一定区域在较短时间内各种气象要素和天气现
小与纬度、季节、下热面性质、海拨高度及天气状况有关。 一般有：低纬＞高纬；陆上＞海上；夏季＞冬季；晴天＞ 阴天；低海拨＞高海拨。（吐鲁番海拔-154m，日较差大）
2.气温的年变化
annual variation of temperature
年变化：一年中月平均气温有一个最高值和一个最低值。 陆地：北半球:最高在七月份,最低在一月份。
南半球:最高在一月份,最低在七月份。 海洋：比陆地迟后一个月,即最高在八月,最低在二月 年较差：一年中月平均最高气温与月平均最低气温之差。
它与下热面的性质、纬度和海拔等有关。 高纬＞低纬； 陆上＞海上； 海拔低＞海拔高
五、气温的空间分布
1.气温的水平分布 海平面平均气温从赤道向高纬递减，南半球等温线大约与纬
第一节 大气概况
一、大气成分：主要由多种气体(氮、氧、氩、二 氧化碳和臭氧等)、水汽和悬浮的杂质构成。
干空气（Dry air）:（除水汽和杂质以外的气体） 气体主要成分:氮（78.09%）、氧(20.95%）、氩
（0.93%）、 气体次要成分:二氧化碳（0.03％）、氢、氖、氦、
氪、氙、氡、臭氧等稀有气体（ 0.01％）。
特点：空气主要是水平运动垂直运动弱；水汽含量少；（3） 气温随高度升高而递增（最初等温，到20～45Km气温突增， 主要是臭氧吸收太阳紫外线所致）；（4）气层稳定利于飞 机飞行。
3. 中间层（Mesosphere）：厚度：自平流层顶到85Km左右。
特点：（1）温度随高度升高迅速下降；（2）大约在65 km 处是电离层，白天强，夜间弱。
化量。
∆Z 的单位通常取100m.负号表示气温随高度增加 而减小。通常γ ＞0。当γ =0时表示等温。
当γ ＜0时表示逆温。逆温既在某一气层中，气 温随高度增加而升高。
第三节 气 压 (Atmosphere Pressure)
一、气压概述
1.气压与天气 气压与天气之间有着密切的
关系，有时称气压表为晴雨 表。如高压控制下是，晴朗、 少云、微风好天气；低压控 制下是阴雨、大风和低能见 度坏天气。
3.水相变化：水有液态、气态和固态之间的变化。 液体水蒸发，吸收热量；水汽凝结放出热量。一 般下垫面水蒸发，吸收热量；上空水凝结放出热 量。从而通过水相变化将下垫面的热量传给上层 大气。
4.对流（Convection) ：一般将垂直运动称对流， 对流又分热力对流和动力对流。由于空气受热 不均引起有规则的暖空气上升冷空气下沉称热 力对流。由于动力作用造成的对流运动称动力 对流，如空气遇山爬升等。
2.气压的定义和单位
气压：指单位截面积上大气柱的重量称大气压强，简称 气压。
在标准情况下（即气温为0℃，纬度为45°的海平面 上），760mm水银柱高的大气压称一个标准大气压，等 于1013.25hPa(百帕)(hecto-pascal)。

Ｐ＝w/s＝ρ ghs/s＝ρ gh （大气压强公式）
大气中的易变成分
1.二氧化碳:平均含量0.03%，二氧化碳能强烈地吸收和放射长波 辐射。
2.臭氧：主要存在于20-40公里气层中，又称臭氧层。臭氧是吸 收太阳紫外线的唯一大气成分。
3.水汽：水汽能强烈地吸收和放出长波辐射，并在相变过程中吸 收和放出潜热能。湿空气在同一气压和温度下，只有干空气 密度的62.2％。大气中水汽含量范围在0～4％，具有固、气、 液三态变化，它也是造成云、雨、雪、雾等天气现象的主要 物质条件。
温标
2．温标：温度的数值表示法称温标。常用的温标有三种。
① 摄氏温标 ℃：把水的冰点温度定为0℃，沸点为100℃， 多数非英语国家使用。
② 华氏温标 Ｆ：水的冰点温度定为32F，沸点212F。一 些英语国家多使用。
摄氏与华氏的关系： C 5 (F 32) 9
F 9 C 32 5
温度脊
1月海平面平均气温分布
湾流
黑潮
7月海平面平均气温分布
“寒极”和 “热赤道”
④ 在南半球不论冬夏，最低气温均出现在南极地区， 而在北半球只有夏季在北极，冬季在西伯利亚东北部 （佛科扬斯克）和格陵兰，称为“寒极”(Cold Pole)。
⑤ 近赤道附近存在一个高温带,1月和7月平均气温均高 于25℃，称这个高温带称为“热赤道”(Heat Equator)。 平均在10N左右。
③ 绝对温标(K氏温标) K：水的冰点温度定为273K，沸点为 373K（由英国物理学家Kelvin提出）。多用于理论计算。
关系：
K＝273＋C
二、太阳、地面和大气辐射
辐射的基本特性
在自然界中凡温度高于绝对零度的物体均发出电磁波，电 磁波按其波长分为γ 射线、X射线、可见光、红外线和无线 电波。温度高，辐射强，多为短波；温度低，辐射弱，多 为长波。物体因放射辐射消耗内能而使本身的温度降低， 同时又因吸收其它物体放射的辐射能并转变为内能而使本 身的温度增高。
综上所知，空气与下垫面之间的热量交换是通过多种 途径进行的。
通常，地面与大气之间的热量交换以辐射为主，乱流 和水相变化次之；
各地空气之间的热量交换以平流为主。 上下层空气之间的热量交换以对流和乱流为主。 以上均为非绝热过程。
四、气温随时间的变化
大气的热量主要来自下垫面，所以 气温具有与下垫面温度类似的周期 性变化。如冬寒夏暖、午热晨凉反 映了气温日、年变化的一般规律。