南信大氣象學(xué)與氣候?qū)W - 第一章 緒論

氣象學(xué)與氣候?qū)W王志福南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院zfwang@2氣象學(xué)與氣候?qū)W3課程簡介課時(shí)安排總學(xué)時(shí)：32學(xué)時(shí)（1-17周）講授為主考核方式平時(shí)成績（書面作業(yè)、出勤）期末考試氣象學(xué)與氣候?qū)W4課程主要內(nèi)容第一章緒論第二章大氣的熱能第三章大氣中的水第四章大氣的運(yùn)動(dòng)第五章氣候的形成和分布第六章氣候變化氣象學(xué)與氣候?qū)W氣象學(xué)與氣候?qū)W第一章 緒論6第一章緒論第一節(jié)學(xué)科的研究對(duì)象、任務(wù)、簡史第二節(jié)氣候系統(tǒng)概述第三節(jié)大氣的基本物理性狀氣象學(xué)與氣候?qū)W71、氣象學(xué)的概念氣象學(xué)(meteorology)—專門研究大氣現(xiàn)象和過程，探討其演變規(guī)律和變化，并直接或間接用之于指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐為人類服務(wù)的科學(xué)。氣象學(xué)與氣候?qū)W82、氣候?qū)W的概念現(xiàn)代氣候?qū)W(Climatology)的概念：研究氣候的空間分布、時(shí)間變化規(guī)律、形成及其與人類活動(dòng)相互關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行氣候預(yù)測(cè)的科學(xué)研究對(duì)象：地球上的氣候（氣候系統(tǒng)）天氣學(xué)

—研究天氣系統(tǒng)和天氣現(xiàn)象發(fā)生、發(fā)展及其變化的基本規(guī)律，并利用這些規(guī)律來預(yù)測(cè)未來天氣的學(xué)科。氣象學(xué)與氣候?qū)W92、氣候?qū)W的概念氣候的一般概念我國古代，“五日為候，三候?yàn)闅?，六氣為時(shí)，四時(shí)為歲，每歲二十四節(jié)氣，七十二候應(yīng)?！薄肮?jié)氣”；“候應(yīng)”氣候氣象學(xué)與氣候?qū)W102、氣候?qū)W的概念氣候的定義：在太陽輻射和氣候系統(tǒng)各子系統(tǒng)相互作用下，某一區(qū)域在某一特定時(shí)段內(nèi)大量天氣過程的多年平均狀況及其極端情形。天氣：某一地區(qū)在某一瞬間或某一短時(shí)間內(nèi)大氣現(xiàn)象（風(fēng)、云、雨、雪、干、濕、雷、電等）及其狀態(tài)（溫度、壓強(qiáng)、濕度、密度等）的綜合。氣象學(xué)與氣候?qū)W11世界1月海平面氣溫（攝氏度）的分布?xì)庀髮W(xué)與氣候?qū)W12過去157年來地球表面平均氣溫變化時(shí)間（年）氣象學(xué)與氣候?qū)W133、天氣與氣候的聯(lián)系和區(qū)別兩者存在統(tǒng)計(jì)聯(lián)系氣候是大量天氣過程的綜合包含天氣平均狀態(tài)和極端狀態(tài)區(qū)別：時(shí)間尺度變化特點(diǎn)影響因子氣象學(xué)與氣候?qū)W144、發(fā)展簡史1）萌芽時(shí)期：公元16世紀(jì)中葉以前零星的、局部的氣象觀測(cè)感性認(rèn)識(shí)和經(jīng)驗(yàn)形成階段，以文獻(xiàn)記錄和現(xiàn)象描述為主我國曾居于世界領(lǐng)先殷代：風(fēng)、云、雨、雪等文字記錄春秋戰(zhàn)國：“二十四節(jié)氣”氣象觀測(cè)儀器古希臘氣象學(xué)與氣候?qū)W154、發(fā)展簡史2）發(fā)展初期：16世紀(jì)中葉到19世紀(jì)末觀測(cè)方面：氣象儀器的發(fā)明、建立地面氣象觀測(cè)站和觀測(cè)網(wǎng)，開始?xì)庀笠氐挠^測(cè)和積累發(fā)明時(shí)間發(fā)明者姓名發(fā)明者國籍發(fā)明的氣象觀測(cè)儀器1593伽利略意大利溫度表1643托里拆利意大利氣壓表1667胡克英國板式風(fēng)速器1783索修爾瑞士毛發(fā)濕度計(jì)氣象學(xué)與氣候?qū)W164、發(fā)展簡史理論研究方面：氣象學(xué)和氣候?qū)W由單純定性的描述進(jìn)入了可以定量分析的階段，逐漸發(fā)展為獨(dú)立的學(xué)科時(shí)間姓名國籍研究成果1820布蘭德德國繪制世界上第一張?zhí)鞖鈭D1835科里奧利法國科里奧利力的概念1857白貝羅荷蘭風(fēng)壓關(guān)系定律1863菲茨羅伊英國氣旋模式1817洪堡德德國繪制世界年平均氣溫分布圖1883漢恩德國《氣候?qū)W手冊(cè)》三大卷氣象學(xué)與氣候?qū)W174、發(fā)展簡史3）發(fā)展時(shí)期：20世紀(jì)以來早期：20世紀(jì)前五十年觀測(cè)方面：地面觀測(cè)內(nèi)容更加豐富和精確，觀測(cè)站網(wǎng)擴(kuò)大氣象觀測(cè)從地面向高空發(fā)展1928年蘇聯(lián)莫爾恰諾夫發(fā)明無線電探空儀氣象學(xué)與氣候?qū)W184、發(fā)展簡史理論研究方面：鋒面氣旋學(xué)說長波理論降雨學(xué)說創(chuàng)立了氣候型的概念、幾種氣候分類法、出版了五卷《氣候?qū)W手冊(cè)》Walker提出三大濤動(dòng)概念，把大氣活動(dòng)中心和世界氣候聯(lián)系起來（NAO，NPO，SO）氣象學(xué)與氣候?qū)W194、發(fā)展簡史近期：20世紀(jì)中葉以后觀測(cè)方面：先進(jìn)的觀測(cè)技術(shù)常規(guī)氣象觀測(cè)網(wǎng)的加密開展大規(guī)模的綜合觀測(cè)試驗(yàn)氣象學(xué)與氣候?qū)W20全球監(jiān)測(cè)系統(tǒng)氣象學(xué)與氣候?qū)W21氣象學(xué)與氣候?qū)W22氣象學(xué)與氣候?qū)W23氣象學(xué)與氣候?qū)W24GEWEX觀測(cè)區(qū)域示意氣象學(xué)與氣候?qū)W25氣象學(xué)與氣候?qū)W264、發(fā)展簡史理論研究方面：建立數(shù)值模式，進(jìn)行定量數(shù)值模擬試驗(yàn)，使氣象學(xué)、氣候?qū)W進(jìn)入試驗(yàn)科學(xué)階段，進(jìn)行數(shù)值模擬和預(yù)測(cè)氣候?qū)W領(lǐng)域中的科學(xué)革命國際上召開了一系列氣候?qū)W術(shù)會(huì)議、提出了氣候系統(tǒng)的概念和世界氣候計(jì)劃（WCP）、成立了政府間氣候變化專業(yè)委員會(huì)（IPCC）、提出了《世界氣候框架公約》氣象學(xué)與氣候?qū)W27時(shí)間地點(diǎn)會(huì)議名稱1972瑞典斯德哥爾摩聯(lián)合國環(huán)境大會(huì)1974瑞典斯德哥爾摩聯(lián)合國糧食大會(huì)1974瑞典斯德哥爾摩氣候的物理基礎(chǔ)及其模擬的國際討論會(huì)1979日內(nèi)瓦第一次世界氣候大會(huì)(WCP)1980廣州亞洲及西太平洋氣候會(huì)議1990日內(nèi)瓦第二次世界氣候大會(huì)1992巴西里約熱內(nèi)盧世界環(huán)境與發(fā)展大會(huì)氣候?qū)W術(shù)會(huì)議氣象學(xué)與氣候?qū)W28氣候?qū)W術(shù)會(huì)議（續(xù)）時(shí)間地點(diǎn)會(huì)議名稱1997日本京都《聯(lián)合國氣候變化框架公約》締約方第三次會(huì)議2007印度尼西亞巴厘島《聯(lián)合國氣候變化框架公約》締約方第十三次會(huì)議2009日內(nèi)瓦第三屆世界氣候大會(huì)2009紐約聯(lián)合國氣候變化峰會(huì)2009哥本哈根哥本哈根氣候變化大會(huì)2010坎昆《聯(lián)合國氣候變化框架公約》締約方第十六次會(huì)議氣象學(xué)與氣候?qū)W29胡錦濤主席出席聯(lián)合國氣候變化峰會(huì)

（2009年9月22日，美國紐約）

中國國家元首首次在聯(lián)合國論壇上就氣候變化問題闡述中方立場(chǎng)，國際社會(huì)給予高度關(guān)注

胡錦濤主席在聯(lián)合國氣候變化峰會(huì)開幕式上講話，明確：加強(qiáng)節(jié)能、提高能效工作，爭取到2020年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年有顯著下降。大力發(fā)展可再生能源和核能，爭取到2020年非化石能源占一次能源消費(fèi)比重達(dá)到15％左右。大力增加森林碳匯，爭取到2020年森林面積比2005年增加4000萬公頃，森林蓄積量比2005年增加13億立方米。大力發(fā)展綠色經(jīng)濟(jì)，積極發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)，研發(fā)和推廣氣候友好技術(shù)。氣象學(xué)與氣候?qū)W304、發(fā)展簡史我國氣象事業(yè)發(fā)展觀測(cè)方面50年代：開始大規(guī)模建立氣象觀測(cè)網(wǎng)70年代：開始建立天氣雷達(dá)網(wǎng)1979年：實(shí)施中國青藏高原氣象科學(xué)試驗(yàn)1985年：建立中國南極長城站氣象站開展大規(guī)模野外綜合試驗(yàn)氣象學(xué)與氣候?qū)W314、發(fā)展簡史理論研究方面1961年：曾慶存提出半隱式差分格式求解大氣運(yùn)動(dòng)原始方程組1965年：開始數(shù)值天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)等等我國氣象學(xué)、氣候?qū)W的奠基人竺可楨《物候?qū)W》1972年，《中國近五千年氣候變遷的初步研究》1987年成立了國家氣候委員會(huì)、組織編寫了國家氣候藍(lán)皮書、制定了國家氣候研究計(jì)劃氣象學(xué)與氣候?qū)W32第一章緒論第一節(jié)學(xué)科的研究對(duì)象、任務(wù)、簡史第二節(jié)氣候系統(tǒng)概述第三節(jié)大氣的基本物理性狀氣象學(xué)與氣候?qū)W331、氣候系統(tǒng)的概念氣候系統(tǒng)是由大氣圈、水圈、陸地表面（巖石圈）、冰雪圈和生物圈等組成的，能夠決定氣候形成、氣候分布和氣候變化的統(tǒng)一的物理系統(tǒng)。五個(gè)組成部分：大氣圈(atmosphere)、水圈(hydrosphere)（海洋）巖石圈(lithosphere)（陸地表面）冰雪圈(cryosphere)生物圈(biosphere)氣象學(xué)與氣候?qū)W3434氣候系統(tǒng)大氣圈、水圈、陸地表面、冰雪圈、生物圈氣象學(xué)與氣候?qū)W35氣候系統(tǒng)的控制與強(qiáng)迫因子外強(qiáng)迫：太陽輻射地球軌道參數(shù)太陽常數(shù)的變化等地球重力場(chǎng)內(nèi)強(qiáng)迫：各子系統(tǒng)的變化、演變等大陸漂移地形變化氣象學(xué)與氣候?qū)W36氣象學(xué)與氣候?qū)W37系統(tǒng)內(nèi)部的能量形式與物理過程能量：輻射能、熱能、位能、動(dòng)能、化學(xué)能、電磁能等過程：動(dòng)力過程、熱力過程、能量的轉(zhuǎn)換、物理量的輸送等反饋：各種因子的相互作用和反饋氣象學(xué)與氣候?qū)W382、氣候系統(tǒng)各子系統(tǒng)的特征（1）大氣圈1）組成：干潔空氣、水汽、固態(tài)和液態(tài)微粒（氣溶膠粒子）2）水平尺度與垂直尺度：106m/104m3）動(dòng)力、熱力性質(zhì)：熱慣性小：其熱力響應(yīng)時(shí)間約為1個(gè)月輸送作用強(qiáng)：熱量、水汽、動(dòng)量、氣溶膠、CO2、O3等動(dòng)力作用活躍：水平運(yùn)動(dòng)和垂直對(duì)流，形成各種天氣現(xiàn)象氣象學(xué)與氣候?qū)W39大氣的氣體組成成分~78%~21%~0.9%~0.1%氣象學(xué)與氣候?qū)W40H2O是大氣中唯一具有三態(tài)的氣體，在大氣中的含量不定氣象學(xué)與氣候?qū)W41臭氧濃度隨高度的分布高度/km臭氧層臭氧濃度/m-3101710191018氣象學(xué)與氣候?qū)W42太陽輻射長波輻射溫室效應(yīng)（GreenhouseEffect）氣象學(xué)與氣候?qū)W43大氣的保溫效應(yīng)（溫室效應(yīng)）大氣中的溫室氣體對(duì)太陽輻射的吸收很少，但卻能強(qiáng)烈地吸收地面輻射，同時(shí)又向地面放射長波輻射，補(bǔ)償?shù)孛嬉蚍派漭椛涠鴵p失的能量，使地面氣溫升高的效應(yīng)。氣象學(xué)與氣候?qū)W44排放溫室氣體的人類活動(dòng)化石能源燃燒活動(dòng)（CO2等）化石能源開采過程（CO2和CH4）工業(yè)生產(chǎn)過程（CO2）農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)（CH4）廢棄物處理（CH4和N2O）土地利用變化（CO2）氣象學(xué)與氣候?qū)W45固態(tài)微粒

液態(tài)微粒氣溶膠(Aerosols)氣象學(xué)與氣候?qū)W46火山灰氣象學(xué)與氣候?qū)W476月7日，阿根廷首都布宜諾斯艾利斯被火山灰顆粒形成的云霧籠罩。智利南部普耶韋火山6月4日起開始噴發(fā)氣象學(xué)與氣候?qū)W48氣溶膠的陽傘效應(yīng)氣溶膠對(duì)太陽輻射的散射和吸收，使到達(dá)地面的太陽輻射減弱，引起地面氣溫的下降，其效應(yīng)類似于陽傘效果，故稱為陽傘效應(yīng)。氣象學(xué)與氣候?qū)W494）大氣的垂直結(jié)構(gòu)根據(jù)垂直方向上大氣溫度變化、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、密度及成分的變化等，將大氣分為：對(duì)流層、平流層、中間層、熱層、散逸層氣象學(xué)與氣候?qū)W50中間層(~85km)氣溫隨高度增加迅速下降強(qiáng)烈垂直運(yùn)動(dòng)熱層氣溫隨高度迅速增高空氣處于電離狀態(tài)散逸層大氣圈與星際空間的過渡帶對(duì)流層(17-18km)氣溫隨高度增加而降低垂直對(duì)流運(yùn)動(dòng)氣象要素水平分布不均勻平流層(~55km)氣溫初穩(wěn)后升熱氣流平穩(wěn)，水汽含量少4）大氣的垂直結(jié)構(gòu)對(duì)流層平流層對(duì)流層平流層上冷下熱高空對(duì)流電離層中間層熱層氣象學(xué)與氣候?qū)W51氣象學(xué)與氣候?qū)W52（2）水圈1）組成：海洋、河流、湖泊、地下水和地表上的一切液態(tài)水海洋總面積：地球表面的70.8%溫度結(jié)構(gòu)混合層（表層約50-100m)斜溫層（躍溫層，溫度梯度大）深溫層（等溫層，500-1000m以下）鹽度結(jié)構(gòu)表層約500m以內(nèi)變化較大，因緯度而異；深層趨于均勻氣象學(xué)與氣候?qū)W53海洋溫度垂直廓線氣象學(xué)與氣候?qū)W54海洋鹽度垂直廓線氣象學(xué)與氣候?qū)W55動(dòng)力、熱力性質(zhì)：反射率小、熱容量大、流速小，動(dòng)力、熱力慣性大（氣候系統(tǒng)的能量庫，氣候系統(tǒng)總熱量的95.6%）

變化的時(shí)間尺度：幾個(gè)月~幾年（上層海洋）世紀(jì)尺度（深層海洋）對(duì)氣候的影響：（1）對(duì)溫度的調(diào)節(jié)作用、水汽源地；（2）海-氣相互作用氣象學(xué)與氣候?qū)W56氣象學(xué)與氣候?qū)W57氣象學(xué)與氣候?qū)W58（3）巖石圈構(gòu)成：地球表層的固體表面，由巖石、土壤和沉積物組成。包括高原、平原、山地、丘陵、盆地等。反照率：較海洋大，0.10~0.80之間熱力性質(zhì)：熱容量小，熱慣性小演變時(shí)間：105-109年以上山脈形成：105~108年大陸漂移：106~109年陸塊位置和高度變化：109年以上氣候影響：動(dòng)力作用、熱力作用、物質(zhì)交換氣象學(xué)與氣候