氣象學與氣候學

氣象學與氣候學》綜述前言：本課程是水文與水資源工程專業(yè)本科生主干課程，主要講述了氣象學、天氣學和氣候學的基本理論和基礎知識。本書除緒論外共有9章。第1-3章是經典普通氣象學的內容；第4章是大氣動力學的基本內容；第5章是普通氣象學中相關內容的擴展與提高，與水文學聯(lián)系緊密；第6章和第7章分別是經典大氣環(huán)流和天氣學的內容，且前者是后者的背景知識；第8章全球氣候系統(tǒng)則是從5大圈層相互作用的角度論述氣候的成因、氣候的分布及氣候類型；第9章的內容是當今大氣科學界最關心的熱點問題。氣象學與水文學有著緊密的聯(lián)系。陸地水文學是研究陸地上水文循環(huán)規(guī)律的科學，它包括降水的時空分布，水面、陸面和植物表面的水分蒸發(fā)，以及地表徑流和河川徑流的形成過程等，也研究地下水的運動規(guī)律。而降水過程和蒸發(fā)過程都與氣象學有關。地表和大氣之間的熱量和水分交換過程，在不同大氣之間有很大差異，在年總量上以及年內分配方面都不同，這就導致不同地區(qū)有不同的氣候，也就有了不同的水文現象、不同的河川徑流量及其年內分配。河流的封凍與融解、水庫和湖泊的水溫變化與浪涌等水文問題的解決，都要用到氣象學方面的知識。在水庫設計中，水文工作者要提供決定庫容及溢洪道寬度的資料，庫容決定于來水量即流域的降水量和蒸發(fā)量之差，溢洪道寬度決定于流域的降水強度，為解決這些問題也必須用到氣象知識。這就是為什么水文工作者一定要懂得一些氣象學知識的原因。通過對氣象學與氣候學的學習，到達了解大氣科學基本知識和基本理論，氣象學的相關內容和氣候的一些成因與分析，以及熱點氣候問題。課程主要內容：本課程共有9章，包含有大氣的基本特征、輻射與熱量平衡、大氣熱力學、大氣的運動、大氣中的水分、大氣環(huán)流、天氣系統(tǒng)、全球氣候系統(tǒng)和氣候變化及其對水資源的影響。第1章大氣的基本特征，講述了大氣的成分、大氣的垂直結構、大氣的狀態(tài)方程、大氣靜力學方程及其應用和基本氣象要素。大氣是由多種混合氣體和懸浮的固、液態(tài)雜質組成。干空氣主要有氮、氧、氬、二氧化碳和臭氧組成。大氣的垂直結構按照大氣的溫度結構可分為對流層、平流層、中間層、暖層和散逸層。大氣的狀態(tài)方程分為理想氣體狀態(tài)方程(p=pRT)、干空氣狀態(tài)方程(pd=PdRdT)和濕空氣狀態(tài)方程(P=P'RTv)。氣象要素有氣溫、氣壓、濕度、風向、風速、云量、降水量、能見度等。第2章輻射與熱量平衡，有輻射的基礎知識、太陽輻射、地面和大氣的輻射、地面及地氣系統(tǒng)的輻射差額、地面熱量平衡機地氣系統(tǒng)的熱量收支和地面溫度和氣溫的變化。自然界中，一切物體都以電磁波的形式向外放射熱量。這種遞能量的方式稱為輻射。物體通過輻射放出的能量稱為輻射能。輻射的三大基本定律是普朗克定律、維恩位移定律和基爾霍夫定律。太陽輻射中輻射能隨波長的分布，稱為太陽輻射光譜。太陽常數為1370W/m2。至I」達地球上界的太陽輻射為天文輻射，天文輻射能量主要決定于日地距離、太陽高度角和白晝長度。太陽輻射在大氣中的減弱主要是吸收、散射和反射等作用。至達地表的太陽輻射主要包括太陽直接輻射(其大小主要是由太陽高度角和大氣透明度決定)和散射輻射。地面輻射通量密度主要取決于地面的溫度。大氣對地面輻射吸收式具有選擇性的，其中的水汽、液態(tài)水、二氧化碳和臭氧對長波的吸收和放射起主要作用。輻射差額=收入輻射—支出輻射。熱量的收入和熱量的支出至達了平衡，這就是熱量平衡。地面溫度的變化有水陸表面熱力情況的差異、陸地表面的溫度隨時間的變化和水溫隨時間的變化。氣溫的變化有大氣傳熱的方式、氣溫的日變化和年變化、氣溫的地理分布。第3章大氣熱力學，包含熱力學第一定律在大氣中的應用、干絕熱過程和位溫、濕絕熱過程、假絕熱過程和假相當位溫、熱力圖簡介和部分應用、大氣層結穩(wěn)定度、局部溫度變化的影響因素分析與判斷和大氣中的逆溫。熱力學第一定律dQ=勿c/T+pdV。如果升降氣塊內部既沒有發(fā)生水相變化，又沒有與外界交換熱量，稱這種過程為干絕熱過程。氣塊絕熱上升單位距離時溫度的降低值，稱絕熱垂直減溫率，簡稱絕熱直減率。對于干空氣和未飽和濕空氣，則稱干絕熱直減率。位溫定義為，氣塊沿干絕熱過程移動到標準氣壓(取1000hPa)處所具有的溫度。在某一高度上，其飽和水汽壓等于氣塊的水汽壓，水汽開始發(fā)生凝結，把這個高度稱為抬升凝結高度，簡稱凝結高度。飽和濕空氣在上升過程中，與外界沒有熱量交換，該過程稱為濕絕熱過程。飽和濕空氣絕熱上升的減溫率，稱為濕絕熱直減率。大氣層結穩(wěn)定度有判定法和判據。大氣中的逆溫有輻射逆溫、湍流逆溫、平流逆溫、下沉逆溫和鋒面逆溫。第4章大氣的運動，由作用在氣塊上的力、大氣運動方程及其簡化、p坐標系中的運動方程、自由大氣中的風、地球風隨高度的變化——熱成風、摩擦層中的風、水平運動與垂直運動的關系和大氣的垂直運動組成。作用在氣塊上的力有氣壓梯度力、地轉偏向力、摩擦力和慣性離心力。自由大氣中的風分為地磚風和梯度風。地磚風隨高度的變化，或上下兩層等壓面地轉風之差，稱為該兩等壓面間氣層的熱成分。在摩擦層中，空氣的水平運動因受摩擦力的影響，破壞了地轉風和梯度風中的諸力的平衡關系，出現了風速減小，方向偏離等壓線的現象，如摩擦造成的地轉偏差、摩擦力的大氣運動的影響、摩擦層中風隨高度的變化和近地面風的季節(jié)性變化和日變化。大氣的垂直運動按垂直運動的尺度和成因，通常分為系統(tǒng)性垂直運動和對流性垂直運動。第5章大氣中的水分，包括了水循環(huán)、水相變化和飽和水汽壓、蒸發(fā)、水分方程和可降水量、凝結和降水。通過蒸發(fā)、水汽輸送、降水、地表和地下徑流、下滲和徑流等過程，分布在地球各個層次的水被連接起來，進行著周而復始的、跨越四大圈層的水分循環(huán)，稱為水循環(huán)。大循環(huán)又稱外循環(huán)或海陸循環(huán)，它是發(fā)生在海洋與陸地之間的水交換過程。小循環(huán)又稱內部循環(huán)，是發(fā)生在海洋與大氣(或陸地與大氣)之間的水交換過程。水相變化是指水IDE狀態(tài)變化，水通過相變釋放熱量或吸收熱量，引起氣溫變化。飽和水汽壓是在一定溫度下，從空氣中進入水面或冰面的水汽量與從水面或冰面逸散入空氣中的水汽量達到平衡時，水汽施加于水面或冰面上的可能最大水汽壓強，其大小與溫度、水的相位、水面曲率、水內雜質及帶電量有關系。影響蒸發(fā)的因素有：水源、熱源、飽和差和風速與湍流擴散。把單位面積整個大氣柱中的水汽全部凝結并降至地面的水量稱為可降水量。水汽由氣態(tài)變成液態(tài)的過程稱為凝結。水汽直接轉化為固態(tài)的過程稱為凝華。大氣中凝結或凝華的必要條件是：有凝結核或凝華核存在、大氣中的水汽要達到飽和或過飽和狀態(tài)。地表面的凝結現象有露、霜、霧凇、雨凇等；霧是近地面空氣的凝結現象；云是大氣中空氣凝結現象，是產生降水的預備條件。降水概述了降水形成的條件、云滴增長方式、降水的種類、降水量的地理分布和季節(jié)分配、降水強度和降水變率。第6章大氣環(huán)流，有大氣環(huán)流形成的主要因子和大氣環(huán)流的平均狀況。第7章天氣系統(tǒng)，有氣團與鋒、中高緯度天氣系統(tǒng)、低緯度天氣系統(tǒng)和我國主要天氣過程。因為這兩章都不是重點章節(jié)，所以在此就不在展開論述了。第8章全球氣候系統(tǒng)，是有氣候系統(tǒng)和物理過程、影響氣候的基本因素、氣候分類和中國氣候區(qū)分。氣候系統(tǒng)是決定氣候形成，氣候分布于氣候變化的物理系統(tǒng)。包括大氣圈、水圈、巖石圈、冰雪圈和生物圈。氣候系統(tǒng)具有熱力屬性、動力屬性、水分屬性和靜力屬性。氣候系統(tǒng)中的主要反饋過程有：1、水汽-輻射反饋；2、冰雪-反射率反饋；3、云量-地面氣溫反饋；4、二氧化碳-海洋-大氣反饋。影響氣候的基本因素可歸納為：1、太陽輻射；2、宇宙地球物理因子；3、環(huán)流因子；4、下墊面因子；5、人類活動的影響。本書主要講述了柯本氣候分類法，即把全球氣候分為A熱帶、B干帶、C溫暖帶、D冷溫帶、E極地帶。我國劃成了6個氣候帶和一個高原氣候區(qū)，這就是：1、赤道季風氣候；2、熱帶季風氣候；3、副熱帶季風氣候；4、暖溫帶季風氣候；5、溫帶季風氣候；6、寒溫帶季風氣候；7、高原氣候。第9章氣候變化及其對水資源的影響，包含有氣候變化的歷史事實、氣候變化的原因、人類活動對氣候的影響、氣候變化對水循環(huán)和水資源的影響和氣候變化對策。地球外部與地球內部輸向地球及地球表層的物質與能量的數量與強度的變化，以及地球運動系統(tǒng)的某些變化，都可能激發(fā)發(fā)放的地球表層系統(tǒng)中某些因素的自變化