《气象学与气候学》教案 第一章绪论 气候学历经经典、天气气候到现代气候学的发展过程是科学观念的革命,它 包括认识和研究方法的根本变革,启示我们从系统中学习气候,学习气候又是为 了更好的认识这个地球表层系统 、现代自然地理学与气象气候学 1、人类赖以生存的地球一一地球表层系统一一个相互作用的整体 任何子系统的变化都会影响其他子系统 2、气候系统与地球表层系统一一几乎相互覆盖的研究客体,但重点不尽相 同 3、气候系统也包括了地球表层系统中的几个子系统 4、其中,大气圈与自然地理系统其他圈层相互作用中,大气圈最为活跃, 是联系各子系统相互作用的重要纽带,是形成自然地理要素地 带性与非地带性分布特点的主要背景之一,也是构成地球表层系统重要圈层 、大气圈——是处于特定条件下及具有特定成分的气圈 1、气候系统如何起动与运动,其中的热力、动力过程 2、气候系统中各部分的联系,相互作用与耦合的整体过程以及对气候的影 响 3、气候的综合性与地域的差异性,以及气候系统的稳定性与敏感性等 三、特定成分及其影响: 1、主要及微量成分 2、微量成分及其特殊作用:CO一温室气体 O3一平流层与臭氧层一生命保护层
《气象学与气候学》教案 第一章 绪 论 气候学历经经典、天气气候到现代气候学的发展过程是科学观念的革命，它 包括认识和研究方法的根本变革，启示我们从系统中学习气候，学习气候又是为 了更好的认识这个地球表层系统。 一、现代自然地理学与气象气候学 1、人类赖以生存的地球——地球表层系统——个相互作用的整体 任何子系统的变化都会影响其他子系统 2、气候系统与地球表层系统——几乎相互覆盖的研究客体，但重点不尽相 同。 3、气候系统也包括了地球表层系统中的几个子系统 4、其中，大气圈与自然地理系统其他圈层相互作用中，大气圈最为活跃， 是联系各子系统相互作用的重要纽带，是形成自然地理要素地 带性与非地带性分布特点的主要背景之一，也是构成地球表层系统重要圈层 二、大气圈——是处于特定条件下及具有特定成分的气圈 1、气候系统如何起动与运动，其中的热力、动力过程 2、气候系统中各部分的联系，相互作用与耦合的整体过程以及对气候的影 响 3、气候的综合性与地域的差异性，以及气候系统的稳定性与敏感性等 三、特定成分及其影响： 1、主要及微量成分 2、微量成分及其特殊作用： —温室气体 —平流层与臭氧层--生命保护层
H2O一三态共存,参与能量,辐射,及天气 过程 四、重力场对大气层的约束及影响: 在重力的作用下,以地面为下边界,绕地球旋转的圈层。 一影响之一:垂直层结的形成一一大气分层: 水平尺度>垂直尺度。 五、对流层: 是深受下边界(热力及动力)影响的大气最底层,集中了80%的大气质量, 也是大气圈层与其它圈层相互作用的主要场所 六、水汽对大气状态影响之一湿空气状态方程 七、微量气体: 在气候系统中存在着短周期的微循环,成分可变。含量虽少,但对热辐射非 常敏感,因而对大气热状态影响很大,人类活动参与了微循环一可造成对大气行 为有意或无意的干扰。 影响举例:臭氧层 问题:地面条件如何影响大气活动(热力及动力)一相互作用 第二章大气的热能和温度 一气候系统物理过程之一 太阳能启动气候系统的物理过程一形成全球温度差异的地带性与非地带 性分布以及周期和非周期变化。地气间的热能交换过程是地表系统中最基本的相 互作用和影响过程,它从能量上把几个圈层连接在一起。 太阳能进入气候系统 1、主要途径:太阳辐射能→>地面→>大气 太阳短波辐射经大气削弱到达地面,吸收成为地面热能(Q+g)(1-a
—三态共存，参与能量，辐射，及天气 过程 四、重力场对大气层的约束及影响： —在重力的作用下，以地面为下边界，绕地球旋转的圈层。 —影响之一：垂直层结的形成——大气分层： 水平尺度>>垂直尺度。 五、对流层： 是深受下边界(热力及动力)影响的大气最底层，集中了 80％的大气质量， 也是大气圈层与其它圈层相互作用的主要场所。 六、水汽对大气状态影响之——湿空气状态方程 七、微量气体： 在气候系统中存在着短周期的微循环，成分可变。含量虽少，但对热辐射非 常敏感，因而对大气热状态影响很大，人类活动参与了微循环一可造成对大气行 为有意或无意的干扰。 影响举例：臭氧层 问题：地面条件如何影响大气活动(热力及动力)—相互作用 第二章 大气的热能和温度 ——气候系统物理过程之一 太阳能启动气候系统的物理过程 —形成全球温度差异的地带性与非地带 性分布以及周期和非周期变化。地气间的热能交换过程是地表系统中最基本的相 互作用和影响过程，它从能量上把几个圈层连接在一起。 一、太阳能进入气候系统 1、主要途径：太阳辐射能 地面 大气 太阳短波辐射经大气削弱到达地面，吸收成为地面热能
地面与大气热交换d=F+P+LE:长波辐射热交换一地面有效辐射 Fo 感热输送(传导:对流乱流)一P 潜热输送一LE 意义:地气热交换一一气圈和其它圈层相互耦合的重 要过程 2、热交换过程不同,控制因子也不同(天文条件、地面性质、干湿条件), 地面对大气的供热状况,物理过程差异也就很大。有: 地带性一一纬度差异 非地带性一一海陆等差异 3、模型化:辐射差额方程及热量平衡方程 4、大气中几种微量成分的又一影响一一大气的温室效应 、大气中“气块’的温度变化——受制于热力学第一定律(能量守恒) 在大气中表现为: 外界(地面)供热可引起气块温度非绝热变化 2、气块垂直运动中气压变化可引起气块温度的绝热变化,变化率为y4或 (水气参与时) 3、个别气块变温过程7=21C,+c,pP 局地”气温变化由气块水平及垂直运动中引起的气块置换引起 1、包含有水平平流,垂直运动及气块非绝热变化三部分,各部分控制因子 及作用各不相同 模型化一一局地变温方程 四、气层温度的垂直分布(y)与气块垂直运动时的温度变化(ya,yn)
地面与大气热交换 ：长波辐射热交换—地面有效辐射一 感热输送(传导；对流乱流)— 潜热输送— 意义：地气热交换——气圈和其它圈层相互耦合的重 要过程 2、热交换过程不同，控制因子也不同(天文条件、地面性质、干湿条件)， 地面对大气的供热状况，物理过程差异也就很大。有： 地带性——纬度差异 非地带性——海陆等差异 3、模型化：辐射差额方程及热量平衡方程 4、大气中几种微量成分的又一影响——大气的温室效应 二、大气中“气块’的温度变化——受制于热力学第一定律(能量守恒) 在大气中表现为： 1、外界(地面)供热可引起气块温度非绝热变化 2、气块垂直运动中气压变化可引起气块温度的绝热变化，变化率为 或 (水气参与时) 3、个别气块变温过程 三、 “局地”气温变化由气块水平及垂直运动中引起的气块置换引起 1、包含有水平平流，垂直运动及气块非绝热变化三部分，各部分控制因子 及作用各不相同 2、模型化——局地变温方程 四、气层温度的垂直分布( )与气块垂直运动时的温度变化( )
1、气温垂直分布与气层静力稳定度一一重力场对大气行为的又一影响 2、大气静力稳定度对大气垂直运动、垂直热输送及污染物扩散的影响 3、整层气层抬升时,可能发生变化一一气层的位势稳定度 五、平均气温的水平分布深受地面条件影响 具有地带性及非地带性 周期性与非周期性 六、结论 由太阳一一地面一一大气的供热过程,大气最终获得的加热,加热率各处各 时各不相同,具有地带性、非地带性及周期性、非周期性差异。 问题:大气圈中各处受热不同形成了气温分布不均,它对气候系统的进一步 影响的物理过程。 第三章大 气中的水分 气候系统中水圈与大气圈水交换的实现与影响的物理过 程 水是地球上唯一能在自然条件下三态并存的物体,在相变中伴随有能量、 天气、水循环等过程 水出入大气的物理过程 1、基本判据E-e>0 2、地面蒸发快慢与气象条件一一温度与水汽扩散的快慢(风及稳定度) 3、凝结 地表与大气中凝结的基本条件:降温 大气中:绝热上升冷却过程一一云 地表层:非绝热冷却过程一一雾等 二、由水汽——云—降水
1、气温垂直分布与气层静力稳定度——重力场对大气行为的又一影响 2、大气静力稳定度对大气垂直运动、垂直热输送及污染物扩散的影响 3、整层气层抬升时，可能发生变化——气层的位势稳定度 五、平均气温的水平分布深受地面条件影响 具有 地带性及非地带性 周期性与非周期性 六、结论 由太阳——地面——大气的供热过程，大气最终获得的加热，加热率各处各 时各不相同，具有地带性、非地带性及周期性、非周期性差异。 问题：大气圈中各处受热不同形成了气温分布不均，它对气候系统的进一步 影响的物理过程。 第三章 大 气中的水分—— 气候系统中水圈与大气圈水交换的实现与影响的物理过 程 水是地球上唯一能在自然条件下三态并存的物体，在相变中伴随有能量、 天气、水循环等过程 一、水出入大气的物理过程 1、基本判据 E－e>0 2、地面蒸发快慢与气象条件 —— 温度与水汽扩散的快慢(风及稳定度) 3、凝结 —— 地表与大气中凝结的基本条件：降温 大气中：绝热上升冷却过程——云 地表层：非绝热冷却过程——雾等 二、由水汽——云——降水
1、水滴凝结与增大过程一一人工干预的可能性 2、上升运动形式云形降水性质 3、全球降水分布与垂直运动地带性分布 非地带性分布 第四章大气的运动——气候系统物理过程之二 一一加热不均及地球旋转对大气运动状态的影 响 、大气中气压分布不均并随时间而变化P(x,y,z,) 气压差是推动空气块运动的基本动 1、分布不均的量度一一气压梯度,因大气层结性又可分为 垂直气压梯度(很大): 意义:在重力场下形成,因此与重力有关,基本上与重力相平衡 模式化:静力方程 应用:压高公式——气压随高度降低快慢与温度关系最密切。 水平气压梯度(很小):形成水平气压梯度力一一成为气块水平运动基本动力 2、分布不均的总体效应一一形成了空间气压系统 气压系统的直观表示—一等压面或等高面(基本等效) 气压系统的垂直结构—一各处均需满足静力学条件,因此气压系统随高 度的变化主要与温度分布有关。 分析结构的要点是系统的温度场配置一—可分成对称(浅薄、深厚):不 对称(大多数)系统 大气中气压不断变化 P(t)_大气质量的重分配一一大气运动不息
1、水滴凝结与增大过程——人工干预的可能性 2、上升运动形式 云形 降水性质 3、全球降水分布与垂直运动 地带性分布 非地带性分布 第四章 大气的运动——气候系统物理过程之二 ——加热不均及地球旋转对大气运动状态的影 响 一、大气中气压分布不均并随时间而变化 气压差是推动空气块运动的基本动 力 1、分布不均的量度 —— 气压梯度，因大气层结性又可分为： 垂直气压梯度(很大)： 意义：在重力场下形成，因此与重力有关，基本上与重力相平衡 模式化：静力方程 应用：压高公式——气压随高度降低快慢与温度关系最密切。 水平气压梯度(很小)：形成水平气压梯度力——成为气块水平运动基本动力 2、分布不均的总体效应——形成了空间气压系统 气压系统的直观表示——等压面或等高面(基本等效) 气压系统的垂直结构——各处均需满足静力学条件，因此气压系统随高 度的变化主要与温度分布有关。 分析结构的要点是系统的温度场配置——可分成对称(浅薄、深厚)：不 对称(大多数)系统 二、大气中气压不断变化 ——大气质量的重分配——大气运动不息
垂直气压差异的形成一一重力 水平气压差异的形成一一大气加热率不同以及空气的运动 1、因子分析一一为什么会重新分配 热力因子:大气水平局地受热不均一一水平密度差一一水平气压差 动力因子:空气运动中形成质量辐合辐散: 密度平流(冷暖平流); 垂直运动。(仅影响空中气压变化) 2、过程: 太阳加热非绝热加热 P: LE: Fo 热力因子 △T(地) △T(气) 水平气温差 水平气压差 空气水平运动 绝热,平流 过程(uv,w) 动力因子 修改T;P分布 3、每个环节控制因子各不相同一形成气压分布>地带性 非地带性 气压变化—>周期性 非周期性 大气水平运动的形成——旋转地球对运动特征的影响 1、基本规律:牛顿定律F=ma但描述运动与坐标选取有关 旋转坐标系(地球上的观察者)中的惯性力—一正确认识地转偏向力、离 心力(扩展的牛顿定律) 2、旋转坐标系中的几个平衡运动一一气压场与运动场关系的建立
垂直气压差异的形成——重力 水平气压差异的形成——大气加热率不同以及空气的运动 1、因子分析——为什么会重新分配 热力因子：大气水平局地受热不均——水平密度差——水平气压差 动力因子：空气运动中形成质量辐合辐散： 密度平流(冷暖平流)； 垂直运动。(仅影响空中气压变化) 2、过程： 三、大气水平运动的形成——旋转地球对运动特征的影响 1、基本规律： 牛顿定律 但描述运动与坐标选取有关 旋转坐标系(地球上的观察者)中的惯性力——正确认识地转偏向力、离 心力(扩展的牛顿定律) 2、旋转坐标系中的几个平衡运动——气压场与运动场关系的建立
自由大气中:一一地转风关系(两力平衡时) 摩擦层中:一一修正的风压律(三力平衡时) 在大多数情况下与实际大气十分接近一一大气运动处于准动态平衡中 3、在静力平衡条件下,水平气压场结构随高度因温度分布不均而变 地转风关系也随之变化一一热成风 四、大气环流 1、大气环流的平均状态一一处于气候系统的动态平衡之中一一经历各种时 空尺度 2、综合的平均状态和瞬时状态一一气候与天气 3、瞬时状态处于各种时空尺度(层次)的高度扰动中一一由非线性的气候系 统所决定(具有稳态与突变,敏感于初始条件等特征)。 五、结论 1、大气整体性的表现一一温压场与风场的统一 地转风关系 水平风场 水平气压场 静力学关系 热成风关系 Tm(x,y) dp=p gdz Vt(x v) 气层平均温度场 V(x,y) P(x, y) 水平风场 水平气压场 摩擦层中风的变化 2、问题:大气整体性的表现形式 第五章天气系统
自由大气中：——地转风关系(两力平衡时) 摩擦层中：——修正的风压律(三力平衡时) 在大多数情况下与实际大气十分接近——大气运动处于准动态平衡中 3、在静力平衡条件下，水平气压场结构随高度因温度分布不均而变 地转风关系也随之变化——热成风 四、大气环流 1、大气环流的平均状态——处于气候系统的动态平衡之中——经历各种时 空尺度 2、综合的平均状态和瞬时状态——气候与天气 3、瞬时状态处于各种时空尺度(层次)的高度扰动中——由非线性的气候系 统所决定(具有稳态与突变，敏感于初始条件等特征)。 五、结论 l、大气整体性的表现——温压场与风场的统一 摩擦层中风的变化 2、问题：大气整体性的表现形式 第五章 天气系统
气候系统的短期过程 大气运动的内在过程与统一—旋转地球大气在非均匀加热地表特征作用 下的表现形式——大气环流 1、观测事实—一从各个角度看大气环流一一用二维图表现三维运动 、进一步认识大气环流的形成与特征 第一类热机 二类热机 第三类热机 高低纬加热率地转运动 海陆加热率不 其他加热差异 不同 角动量守恒 同且冬夏相反 有冰无冰区 三圈环流 地面活动中心 非地带性特 单圈环流 三风四带等 形成 征更明显 地带性加强强 非地带性加强 二、大气环流与大气圈中热量及水分平衡 1、大气地带性与非地带性加热率的差异驱动了环流,环流又以各种形式输 送差异一一热量与水分等。 大气环流处于不断变化运动中一一准动态平衡 高低指数的循环 环流形成了大气水分分布的地带及非地带性分布、及水分循环 三、大气环流系统——天气系统与过程 1、瞬时大气环流变化的扰动与涡旋结构一一大中小尺度与中长期天气过程 2、气团与锋—一扰动热力特征的非均匀性 扰动特征之 热力分布的不均匀性一一气团与锋 1)大气的热力属性直接从下垫面获得。 热力过程:Fo、P、LE
——气候系统的短期过程 一、大气运动的内在过程与统一 ——旋转地球大气在非均匀加热地表特征作用 下的表现形式——大气环流 1、观测事实——从各个角度看大气环流——用二维图表现三维运动 2、进一步认识大气环流的形成与特征 二、大气环流与大气圈中热量及水分平衡 1、大气地带性与非地带性加热率的差异驱动了环流，环流又以各种形式输 送差异——热量与水分等。 大气环流处于不断变化运动中——准动态平衡 例： 高低指数的循环 2、环流形成了大气水分分布的地带及非地带性分布、及水分循环 三、大气环流系统——天气系统与过程 1、瞬时大气环流变化的扰动与涡旋结构——大中小尺度与中长期天气过程 2、气团与锋——扰动热力特征的非均匀性 扰动特征之一 ——热力分布的不均匀性——气团与锋 1）大气的热力属性直接从下垫面获得。 热力过程：Fo、P、LE
主要控制因子:稳定度 2)在合适的环流以及地表条件下,形成均一或非均一大气。 气团的定义、迟盛和变性 3)气团间低压辐合区形成温度对比明显、上升运动剧烈的向冷区倾斜 狭长界面——锋面,锋面特征(不连续、上升运动等) 4)形成独特的锋面天气 5)两种分类观点:气候的(宏观、战略的)一一注重源 天气的(战术的)一一注重后果 分别适合于不同的研究场合 扰动特征之二一一流场分布的不均匀性一一波动与涡旋一一气旋、反气 旋,槽脊 1)以环流的纬度地带性环流为背景:(地球旋转与髙低纬热交换产物) 地面一一辐合与辐散带一一以PP及ITC2为背景的低压与 其间的高压带,分为不同类型高空一一西风带与东风带 西风与东风扰动 2)热力结构:对称性与不对称性系统 3)均为GC的成员,扰动发展中伴随有输送动量、热量 3、中高纬天气系统与过程—一流场非均匀性一一扰动特征之 西风带上的扰动一一以西风带为背景 锋面气旋(温带气旋) 1)极锋活动区上扰动的发展一一锋面上冷暖空气相对扰动而形成 伴随不对称结构的低压涡旋的形成与发展 2)锋面气旋的发展与西风槽(槽前垂直环流)发展相关联[热力、动力 作用] 3)锋面气旋=天气二槽前上升+冷暖锋+低压辐合上升+大风一一表现 为逗点云系的发展为涡旋云系 4)温带气旋过程也是能量释放及南北交换过程
主要控制因子：稳定度 2）在合适的环流以及地表条件下，形成均一或非均一大气。 气团的定义、迟盛和变性 3）气团间低压辐合区形成温度对比明显、上升运动剧烈的向冷区倾斜 狭长界面——锋面，锋面特征(不连续、上升运动等) 4）形成独特的锋面天气 5）两种分类观点：气候的(宏观、战略的)——注重源 天气的(战术的)——注重后果 分别适合于不同的研究场合 扰动特征之二 ——流场分布的不均匀性——波动与涡旋——气旋、反气 旋，槽脊 1）以环流的纬度地带性环流为背景：(地球旋转与高低纬热交换产物) 地面——辐合与辐散带——以 PP 及 ITC2 为背景的低压与 其间的高压带，分为不同类型高空——西风带与东风带— —西风与东风扰动 2）热力结构：对称性与不对称性系统 3）均为 GC 的成员，扰动发展中伴随有输送动量、热量 3、中高纬天气系统与过程——流场非均匀性——扰动特征之一 西风带上的扰动——以西风带为背景 锋面气旋(温带气旋) 1）极锋活动区上扰动的发展——锋面上冷暖空气相对扰动而形成— —伴随不对称结构的低压涡旋的形成与发展 2）锋面气旋的发展与西风槽(槽前垂直环流)发展相关联[热力、动力 作用] 3）锋面气旋=天气二槽前上升+冷暖锋+低压辐合上升+大风——表现 为逗点云系的发展为涡旋云系 4）温带气旋过程也是能量释放及南北交换过程
5)我国锋面气旋活动特点与锋面活动一致;如春夏多,两个活动带 移动性冷性反气旋与寒潮 1)地面移动性反气旋与高空槽后环流相结合 形成于槽后(冷平流;辐散;辐射冷却) 天气为高压前部冷锋后部暖锋 活动也与槽相联系 2)常与锋面气旋成对活动:槽前(高空辐散、暖平流、上升运动)、 槽后 (相反);移向东北、东南;冷锋上、冷锋后: 也是极锋区南北热交换的基本成员 3)寒潮天气过程一一极端的冷性反气旋活动过程 引起大规模冷空气南侵的天气过程(东亚大型过程) 前提一一有冷空气的积累(酝酿)期,高指数期 实现一—爆发期(突变),向低指数转换,形成寒潮天气:降温、 大风、霜冻等 结果一一环流大调整,建立东亚大槽(长波),完成冷暖南北大交 换 路径与活动一一受引导气流支配 高空天气系统一槽脊与涡旋 1)西风带上的大型扰动(行星尺度) a大气长波:大、长、慢(比较短波 是短波活动背景 与大型天气过程联系(如南北交换 长波与气旋族一长波槽前PF上首尾相联的一系 列气旋
5）我国锋面气旋活动特点与锋面活动一致；如春夏多，两个活动带 移动性冷性反气旋与寒潮 l）地面移动性反气旋与高空槽后环流相结合 形成于槽后(冷平流；辐散；辐射冷却) 天气为高压前部冷锋后部暖锋 活动也与槽相联系 2）常与锋面气旋成对活动：槽前(高空辐散、暖平流、上升运动)、 槽后 (相反)；移向东北、东南；冷锋上、冷锋后； 也是极锋区南北热交换的基本成员 3）寒潮天气过程——极端的冷性反气旋活动过程 引起大规模冷空气南侵的天气过程(东亚大型过程) 前提——有冷空气的积累(酝酿)期，高指数期 实现——爆发期(突变)，向低指数转换，形成寒潮天气：降温、 大风、霜冻等 结果——环流大调整，建立东亚大槽(长波)，完成冷暖南北大交 换 路径与活动——受引导气流支配 高空天气系统－槽脊与涡旋 1）西风带上的大型扰动(行星尺度) a 大气长波： 大、长、慢(比较短波) 是短波活动背景 与大型天气过程联系(如南北交换) 长波与气旋族－长波槽前 PF 上首尾相联的一系 列气旋