南信大氣象學與氣候學 - 第一章 緒論

氣象學與氣候學王志福南京信息工程大學大氣科學學院2氣象學與氣候學3課程簡介課時安排總學時：32學時〔1-17周〕講授為主考核方式平時成績〔書面作業(yè)、出勤〕期末考試氣象學與氣候學4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動第五章氣候的形成和分布第六章氣候變化氣象學與氣候學氣象學與氣候學第一章 緒論6第一章緒論第一節(jié)學科的研究對象、任務、簡史第二節(jié)氣候系統(tǒng)概述第三節(jié)大氣的根本物理性狀氣象學與氣候學92、氣候學的概念氣候的一般概念我國古代，“五日為候，三候為氣，六氣為時，四時為歲，每歲二十四節(jié)氣，七十二候應。〞“節(jié)氣〞；“候應〞氣候氣象學與氣候學102、氣候學的概念氣候的定義：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間內(nèi)大氣現(xiàn)象〔風、云、雨、雪、干、濕、雷、電等〕及其狀態(tài)〔溫度、壓強、濕度、密度等〕的綜合。氣象學與氣候學11世界1月海平面氣溫〔攝氏度〕的分布氣象學與氣候學12過去157年來地球外表平均氣溫變化時間〔年〕氣象學與氣候學133、天氣與氣候的聯(lián)系和區(qū)別兩者存在統(tǒng)計聯(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：時間尺度變化特點影響因子氣象學與氣候學144、開展簡史1〕萌芽時期：公元16世紀中葉以前零星的、局部的氣象觀測感性認識和經(jīng)驗形成階段，以文獻記錄和現(xiàn)象描述為主我國曾居于世界領先殷代：風、云、雨、雪等文字記錄春秋戰(zhàn)國：“二十四節(jié)氣〞氣象觀測儀器古希臘氣象學與氣候學154、開展簡史2〕開展初期：16世紀中葉到19世紀末觀測方面：氣象儀器的創(chuàng)造、建立地面氣象觀測站和觀測網(wǎng)，開始氣象要素的觀測和積累發(fā)明時間發(fā)明者姓名發(fā)明者國籍發(fā)明的氣象觀測儀器1593伽利略意大利溫度表1643托里拆利意大利氣壓表1667胡克英國板式風速器1783索修爾瑞士毛發(fā)濕度計氣象學與氣候學164、開展簡史理論研究方面：氣象學和氣候學由單純定性的描述進入了可以定量分析的階段，逐漸開展為獨立的學科時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白貝羅荷蘭風壓關系定律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《氣候學手冊》三大卷氣象學與氣候學174、開展簡史3〕開展時期：20世紀以來早期：20世紀前五十年觀測方面：地面觀測內(nèi)容更加豐富和精確，觀測站網(wǎng)擴大氣象觀測從地面向高空開展1928年蘇聯(lián)莫爾恰諾夫創(chuàng)造無線電探空儀氣象學與氣候學184、開展簡史理論研究方面：鋒面氣旋學說長波理論降雨學說創(chuàng)立了氣候型的概念、幾種氣候分類法、出版了五卷?氣候學手冊?Walker提出三大濤動概念，把大氣活動中心和世界氣候聯(lián)系起來〔NAO，NPO，SO〕氣象學與氣候學194、開展簡史近期：20世紀中葉以后觀測方面：先進的觀測技術常規(guī)氣象觀測網(wǎng)的加密開展大規(guī)模的綜合觀測試驗氣象學與氣候學20全球監(jiān)測系統(tǒng)氣象學與氣候學21氣象學與氣候學22氣象學與氣候學23氣象學與氣候學24GEWEX觀測區(qū)域示意氣象學與氣候學25氣象學與氣候學264、開展簡史理論研究方面：建立數(shù)值模式，進行定量數(shù)值模擬試驗，使氣象學、氣候學進入試驗科學階段，進行數(shù)值模擬和預測氣候學領域中的科學革命國際上召開了一系列氣候學術會議、提出了氣候系統(tǒng)的概念和世界氣候方案〔WCP〕、成立了政府間氣候變化專業(yè)委員會〔IPCC〕、提出了?世界氣候框架公約?氣象學與氣候學27時間地點會議名稱1972瑞典斯德哥爾摩聯(lián)合國環(huán)境大會1974瑞典斯德哥爾摩聯(lián)合國糧食大會1974瑞典斯德哥爾摩氣候的物理基礎及其模擬的國際討論會1979日內(nèi)瓦第一次世界氣候大會(WCP)1980廣州亞洲及西太平洋氣候會議1990日內(nèi)瓦第二次世界氣候大會1992巴西里約熱內(nèi)盧世界環(huán)境與發(fā)展大會氣候學術會議氣象學與氣候學28氣候學術會議〔續(xù)〕時間地點會議名稱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》締約方第十三次會議2009日內(nèi)瓦第三屆世界氣候大會2009紐約聯(lián)合國氣候變化峰會2009哥本哈根哥本哈根氣候變化大會2010坎昆《聯(lián)合國氣候變化框架公約》締約方第十六次會議氣象學與氣候學29胡錦濤主席出席聯(lián)合國氣候變化峰會

〔2021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，國際社會給予高度關注胡錦濤主席在聯(lián)合國氣候變化峰會開幕式上講話，明確：加強節(jié)能、提高能效工作，爭取到2021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。大力開展可再生能源和核能，爭取到2021年非化石能源占一次能源消費比重到達15％左右。大力增加森林碳匯，爭取到2021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。大力開展綠色經(jīng)濟，積極開展低碳經(jīng)濟和循環(huán)經(jīng)濟，研發(fā)和推廣氣候友好技術。氣象學與氣候學304、開展簡史我國氣象事業(yè)開展觀測方面50年代：開始大規(guī)模建立氣象觀測網(wǎng)70年代：開始建立天氣雷達網(wǎng)1979年：實施中國青藏高原氣象科學試驗1985年：建立中國南極長城站氣象站開展大規(guī)模野外綜合試驗氣象學與氣候學314、開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動原始方程組1965年：開始數(shù)值天氣預報業(yè)務等等我國氣象學、氣候學的奠基人竺可楨?物候學?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、組織編寫了國家氣候藍皮書、制定了國家氣候研究方案氣象學與氣候學32第一章緒論第一節(jié)學科的研究對象、任務、簡史第二節(jié)氣候系統(tǒng)概述第三節(jié)大氣的根本物理性狀氣象學與氣候學331、氣候系統(tǒng)的概念氣候系統(tǒng)是由大氣圈、水圈、陸地外表〔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)。五個組成局部：大氣圈(atmosphere)、水圈(hydrosphere)〔海洋〕巖石圈(lithosphere)〔陸地外表〕冰雪圈(cryosphere)生物圈(biosphere)氣象學與氣候學3434氣候系統(tǒng)大氣圈、水圈、陸地外表、冰雪圈、生物圈氣象學與氣候學35氣候系統(tǒng)的控制與強迫因子外強迫：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內(nèi)強迫：各子系統(tǒng)的變化、演變等大陸漂移地形變化氣象學與氣候學36氣象學與氣候學37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、動能、化學能、電磁能等過程：動力過程、熱力過程、能量的轉換、物理量的輸送等反響：各種因子的相互作用和反響氣象學與氣候學382、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?！矚馊苣z粒子〕2〕水平尺度與垂直尺度：106m/104m3〕動力、熱力性質：熱慣性?。浩錈崃憫獣r間約為1個月輸送作用強：熱量、水汽、動量、氣溶膠、CO2、O3等動力作用活潑：水平運動和垂直對流，形成各種天氣現(xiàn)象氣象學與氣候學39大氣的氣體組成成分~78%~21%~0.9%~0.1%氣象學與氣候學40H2O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與氣候學41臭氧濃度隨高度的分布高度/km臭氧層臭氧濃度/m-3101710191018氣象學與氣候學42太陽輻射長波輻射溫室效應〔GreenhouseEffect〕氣象學與氣候學43大氣的保溫效應〔溫室效應〕大氣中的溫室氣體對太陽輻射的吸收很少，但卻能強烈地吸收地面輻射，同時又向地面放射長波輻射，補償?shù)孛嬉蚍派漭椛涠鴵p失的能量，使地面氣溫升高的效應。氣象學與氣候學44排放溫室氣體的人類活動化石能源燃燒活動〔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〕氣象學與氣候學45固態(tài)微粒

液態(tài)微粒氣溶膠(Aerosols)氣象學與氣候學46火山灰氣象學與氣候學476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)氣象學與氣候學48氣溶膠的陽傘效應氣溶膠對太陽輻射的散射和吸收，使到達地面的太陽輻射減弱，引起地面氣溫的下降，其效應類似于陽傘效果，故稱為陽傘效應。氣象學與氣候學494〕大氣的垂直結構根據(jù)垂直方向上大氣溫度變化、運動狀態(tài)、密度及成分的變化等，將大氣分為：對流層、平流層、中間層、熱層、散逸層氣象學與氣候學50中間層(~85km)氣溫隨高度增加迅速下降強烈垂直運動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流層(17-18km)氣溫隨高度增加而降低垂直對流運動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〕大氣的垂直結構對流層平流層對流層平流層上冷下熱高空對流電離層中間層熱層氣象學與氣候學51氣象學與氣候學52〔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：地球外表的70.8%溫度結構混合層〔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〕鹽度結構表層約500m以內(nèi)變化較大，因緯度而異；深層趨于均勻氣象學與氣候學53海洋溫度垂直廓線氣象學與氣候學54海洋鹽度垂直廓線氣象學與氣候學55動力、熱力性質：反射率小、熱容量大、流速小，動力、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%〕變化的時間尺度：幾個月~幾年〔上層海洋〕世紀尺度〔深層海洋〕對氣候的影響：〔1〕對溫度的調(diào)節(jié)作用、水汽源地；〔2〕海-氣相互作用氣象學與氣候學56氣象學與氣候學57氣象學與氣候學58〔3〕巖石圈構成：地球表層的固體外表，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：熱容量小，熱慣性小演變時間：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：動力作用、熱力作用、物質交換氣象學與氣候學59世界地形圖氣象學與氣候學60氣象學與氣候學61〔4〕冰雪圈構成：大陸冰原、高山冰川、海冰和地面雪蓋，包括格陵蘭、南極、大陸冰川、凍土等熱力性質：反射率大變化時間尺度陸地雪蓋：季節(jié)~年際變化海冰：季節(jié)~幾十年際變化大陸冰原和高山冰川：幾百年~幾百萬年作用：淡水的重要來源；高反照率對氣候有重要影響氣象學與氣候學62氣象學與氣候學63天山的積雪和冰川氣象學與氣候學64雪蓋的變化氣象學與氣候學65海冰的變化北極海冰面積距平(1979-2004年)氣象學與氣候學66〔5〕生物圈構成：陸地和海洋中的植物、空氣、海洋和陸地生活的動物，包括人類本身作用：調(diào)節(jié)溫室氣體及其它大氣成分〔CO2、CH4、水分等〕植被：影響地表反照率、蒸發(fā)、蒸騰、徑流、外表粗糙度、CO2平衡等變化時間尺度：10-1~107年〔季節(jié)~千年〕人類活動通過改變地表特性和大氣成分對氣候產(chǎn)生影響。氣象學與氣候學67粗糙度減小地面氣溫增高表層濕度減小近地面風速增大氣象學與氣候學683、氣候系統(tǒng)的根本性質氣候系統(tǒng)是一個復雜的、高度非線性的開放系統(tǒng)各個氣候子系統(tǒng)間顯著的熱力學和動力學屬性差異氣候系統(tǒng)的反響性氣候系統(tǒng)的可預報性氣象學與氣候學69復雜的、高度非線性的開放系統(tǒng)系統(tǒng)：許多物體〔成分〕和屬性〔變量〕組成的結構群，這些物體和屬性之間通過一定的物理過程而相互聯(lián)系，并按某種觀測的型作為一個復雜的整體而起作用。系統(tǒng)的分類：開放系統(tǒng)：有能量和物質與系統(tǒng)外交換。封閉系統(tǒng)：有能量但無物質與系統(tǒng)外交換。孤立系統(tǒng)：沒有能量和物質與系統(tǒng)外交換。氣象學與氣候學70各圈層的熱力和動力差異氣象學與氣候學71氣候系統(tǒng)的反響性反響：將系統(tǒng)的局部輸出作為輸入重新輸進系統(tǒng)，從而使系統(tǒng)的凈響應得到改變分類：正反響：反響過程造成的變化與原變化同號，系統(tǒng)偏離穩(wěn)定狀態(tài)，向一個極端方向開展負反響：反響過程造成的變化與原變化反號，抑制變化和異常的開展，系統(tǒng)狀態(tài)在平衡態(tài)附近振動氣象學與氣候學72反響過程舉例正反響過程舉例：冰雪反照率與全球溫度水汽與地面溫度CO2與全球溫度植被–反照率–穩(wěn)定度反響負反響過程舉例：溫度與全球云量大氣溫度–長波輻射氣象學與氣候學73冰雪反照率反響地球變暖〔冷〕冰雪覆蓋減少〔增多〕行星反射減少〔增多〕系統(tǒng)吸收更多太陽輻射〔少〕氣象學與氣候學74CO2反響CO2濃度增加〔減少)全球變暖〔冷〕海外表溫度升高〔降低〕海洋吸收CO2能力減弱〔增強〕海洋垂直穩(wěn)定度增加〔減少〕氣象學與氣候學75云反響〔負〕

地球變暖

云水含量增加

云的亮度增加

系統(tǒng)反射更多太陽輻射

地球變冷

云水含量減少

云的亮度減小

系統(tǒng)反射更少太陽輻射氣象學與氣候學76氣候系統(tǒng)的可預報性第一類可預報性〔時間意義上的可預報性〕初始誤差〔擾動〕隨時間的增長問題，直接與大氣統(tǒng)計性質的預報有關，主要表現(xiàn)為按時間順序預報氣候狀態(tài)的可能程度第二類可預報性〔與時間無關的敏感性預報〕外強迫發(fā)生變化后，氣候變化的模擬和預報能力氣象學與氣候學77第一章緒論第一節(jié)學科的研究對象、任務、簡史第二節(jié)氣候系統(tǒng)概述第三節(jié)大氣的根本物理性狀氣象學與氣候學78氣象要素是指表示大氣的屬性和大氣現(xiàn)象的物理量1、氣溫:在一定的容積內(nèi)，一定質量的空氣，其溫度的上下只與氣體分子運動的平均動能有關。單位：攝氏度℃；絕對溫度K2、氣壓：大氣的壓強。靜止大氣中任意高度上的氣壓值等于其單位面積上所承受的大氣柱的重量。單位：水銀柱的高度〔mm、cm〕；大氣壓；百帕760mmHg=1個大氣壓=1013.25hPa一、主要氣象要素氣象學與氣候學793、濕度：表示大氣中水汽量多少的物理量。大氣濕度狀況與云、霧、降水等關系密切〔1〕水汽壓〔e〕和飽和水汽壓〔E〕大氣壓力是大氣中各種氣體壓力的總和。水汽和其他氣體一樣，也有壓力大氣中的水汽所產(chǎn)生的那局部壓力稱水汽壓〔e〕一、主要氣象要素〔續(xù)〕氣象學與氣候學80一、主要氣象要素〔續(xù)〕飽和空氣：飽和水汽壓〔E〕：實驗和理論都可以證明，飽和水汽壓隨溫度的升高而增大。在不同的溫度條件