《氣象學(xué)與氣候?qū)W》教案

《氣象學(xué)與氣候?qū)W》教案

第一章緒論

氣候?qū)W歷經(jīng)經(jīng)典、天氣氣候到現(xiàn)代氣候?qū)W的發(fā)展過程是科學(xué)觀念的革命，它

包括認(rèn)識(shí)和研究方法的根本變革，啟示我們從系統(tǒng)中學(xué)習(xí)氣候，學(xué)習(xí)氣候又是為

了更好的認(rèn)識(shí)這個(gè)地球表層系統(tǒng)。

一、現(xiàn)代自然地理學(xué)與氣象氣候?qū)W

1、人類賴以生存的地球一一地球表層系統(tǒng)一一個(gè)相互作用的整體

任何子系統(tǒng)的變化都會(huì)影響其他子系統(tǒng)

2、氣候系統(tǒng)與地球表層系統(tǒng)一一幾乎相互覆蓋的研究客體，但重點(diǎn)不盡相

同。

3、氣候系統(tǒng)也包括了地球表層系統(tǒng)中的幾個(gè)子系統(tǒng)

4、其中，大氣圈與自然地理系統(tǒng)其他圈層相互作用中，大氣圈最為活躍，

是聯(lián)系各子系統(tǒng)相互作用的重要紐帶，是形成自然地理要素地

帶性與非地帶性分布特點(diǎn)的主要背景之一，也是構(gòu)成地球表層系統(tǒng)重要圈層

二、大氣圈——是處于特定條件下及具有特定成分的氣圈

1、氣候系統(tǒng)如何起動(dòng)與運(yùn)動(dòng)，其中的熱力、動(dòng)力過程

2、氣候系統(tǒng)中各部分的聯(lián)系，相互作用與耦合的整體過程以及對氣候的影

響

3、氣候的綜合性與地域的差異性，以及氣候系統(tǒng)的穩(wěn)定性與敏感性等

三、特定成分及其影響：

1、主要及微量成分

2、微量成分及其特殊作用：CQ—溫室氣體

Q一平流層與臭氧層一生命保護(hù)層,

a2。一三態(tài)共存，參與能量，輻射，及天氣

過程

四、重力場對大氣層的約束及影響：

一在重力的作用下，以地面為下邊界，繞地球旋轉(zhuǎn)的圈層。

一影響之一：垂直層結(jié)的形成---大氣分層：

水平尺度?垂直尺度。

五、對流層：

是深受下邊界（熱力及動(dòng)力）影響的大氣最底層，集中了80%的大氣質(zhì)量，

也是大氣圈層與其它圈層相互作用的主要場所。

六、水汽對大氣狀態(tài)影響之一一濕空氣狀態(tài)方程

七、微量氣體：

在氣候系統(tǒng)中存在著短周期的微循環(huán)，成分可變。含量雖少，但對熱輻射非

常敏感，因而對大氣熱狀態(tài)影響很大，人類活動(dòng)參與了微循環(huán)一可造成對大氣行

為有意或無意的干擾。

影響舉例：臭氧層

問題：地面條件如何影響大氣活動(dòng)（熱力及動(dòng)力）一相互作用

第二章大氣的熱能和溫度

一一氣候系統(tǒng)物理過程之一

太陽能啟動(dòng)氣候系統(tǒng)的物理過程一形成全球溫度差異的地帶性與非地帶

性分布以及周期和非周期變化。地氣間的熱能交換過程是地表系統(tǒng)中最基本的相

互作用和影響過程，它從能量上把幾個(gè)圈層連接在一起。

一、太陽能進(jìn)入氣候系統(tǒng)

1、主要途徑：太陽輻射能》地面大氣

太陽短波輻射經(jīng)大氣削弱到達(dá)地面，吸收成為地面熱能（。+幻（1-&）

地面與大氣熱交換dQ=穌+產(chǎn)+￡￡：長波輻射熱交換一地面有效輻射一

穌

感熱輸送（傳導(dǎo)；對流亂流）一尸

潛熱輸送一

意義：地氣熱交換一一氣圈和其它圈層相互耦合的重

要過程

2、熱交換過程不同，控制因子也不同（天文條件、地面性質(zhì)、干濕條件），

地面對大氣的供熱狀況，物理過程差異也就很大。有：

地帶性一一緯度差異

非地帶性一一海陸等差異

3、模型化：輻射差額方程及熱量平衡方程

4、大氣中幾種微量成分的又一影響一一大氣的溫室效應(yīng)

二、大氣中“氣塊'的溫度變化——受制于熱力學(xué)第一定律（能量守恒）

在大氣中表現(xiàn)為：

1、外界（地面）供熱可引起氣塊溫度非絕熱變化

2、氣塊垂直運(yùn)動(dòng)中氣壓變化可引起氣塊溫度的絕熱變化,變化率為七或4

（水氣參與時(shí)）

3、個(gè)別氣塊變溫過程"=M/C'+工整

1p

CfP

三、“局地”氣溫變化由氣塊水平及垂直運(yùn)動(dòng)中引起的氣塊置換引起

1、包含有水平平流，垂直運(yùn)動(dòng)及氣塊非絕熱變化三部分，各部分控制因子

及作用各不相同

2、模型化一一局地變溫方程

四、氣層溫度的垂直分布0）與氣塊垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)的溫度變化（九心

1、氣溫垂直分布與氣層靜力穩(wěn)定度一一重力場對大氣行為的又一影響

2、大氣靜力穩(wěn)定度對大氣垂直運(yùn)動(dòng)、垂直熱輸送及污染物擴(kuò)散的影響

3、整層氣層抬升時(shí)，可能發(fā)生變化一一氣層的位勢穩(wěn)定度

五、平均氣溫的水平分布深受地面條件影響

具有地帶性及非地帶性

周期性與非周期性

六、結(jié)論

由太陽一一地面一一大氣的供熱過程，大氣最終獲得的加熱，加熱率各處各

時(shí)各不相同，具有地帶性、非地帶性及周期性、非周期性差異。

問題：大氣圈中各處受熱不同形成了氣溫分布不均，它對氣候系統(tǒng)的進(jìn)一步

影響的物理過程。

第三章大

氣中的水分——

氣候系統(tǒng)中水圈與大氣圈水交換的實(shí)現(xiàn)與影響的物理過

程

水是地球上唯一能在自然條件下三態(tài)并存的物體，在相變中伴隨有能量、

天氣、水循環(huán)等過程

一、水出入大氣的物理過程

1、基本判據(jù)E-e>0

2、地面蒸發(fā)快慢與氣象條件一一溫度與水汽擴(kuò)散的快慢（風(fēng)及穩(wěn)定度）

3、凝結(jié)一一地表與大氣中凝結(jié)的基本條件：降溫

大氣中：絕熱上升冷卻過程一一云

地表層：非絕熱冷卻過程一一霧等

二、由水汽——云一一降水

1、水滴凝結(jié)與增大過程一一人工干預(yù)的可能性

2、上升運(yùn)動(dòng)形式云形降水性質(zhì)

3、全球降水分布與垂直運(yùn)動(dòng)地帶性分布

非地帶性分布

第四章大氣的運(yùn)動(dòng)一一氣候系統(tǒng)物理過程之二

——加熱不均及地球旋轉(zhuǎn)對大氣運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影

響

一、大氣中氣壓分布不均并隨時(shí)間而變化P{x,y,z,t）

氣壓差是推動(dòng)空氣塊運(yùn)動(dòng)的基本動(dòng)

力

1、分布不均的量度一一氣壓梯度，因大氣層結(jié)性又可分為：

垂直氣壓梯度（很大）：

意義：在重力場下形成，因此與重力有關(guān)，基本上與重力相平衡

模式化：靜力方程

應(yīng)用：壓高公式一一氣壓隨高度降低快慢與溫度關(guān)系最密切。

水平氣壓梯度（很?。盒纬伤綒鈮禾荻攘σ灰怀蔀闅鈮K水平運(yùn)動(dòng)基本動(dòng)力

2、分布不均的總體效應(yīng)一一形成了空間氣壓系統(tǒng)

氣壓系統(tǒng)的直觀表示一一等壓面或等高面（基本等效）

氣壓系統(tǒng)的垂直結(jié)構(gòu)一一各處均需滿足靜力學(xué)條件，因此氣壓系統(tǒng)隨高

度的變化主要與溫度分布有關(guān)。

分析結(jié)構(gòu)的要點(diǎn)是系統(tǒng)的溫度場配置一一可分成對稱（淺薄、深厚）：不

對稱（大多數(shù)）系統(tǒng)

二、大氣中氣壓不斷變化

Pit}__大氣質(zhì)量的重分配一一大氣運(yùn)動(dòng)不息

垂直氣壓差異的形成一一重力

水平氣壓差異的形成一一大氣加熱率不同以及空氣的運(yùn)動(dòng)

1、因子分析一一為什么會(huì)重新分配

熱力因子：大氣水平局地受熱不均一一水平密度差一一水平氣壓差

動(dòng)力因子：空氣運(yùn)動(dòng)中形成質(zhì)量輻合輻散：

密度平流（冷暖平流）；

垂直運(yùn)動(dòng)。（僅影響空中氣壓變化）

2、過程：

3、每個(gè)環(huán)節(jié)控制因子各不相同一形成氣壓分布于分地帶性

■非地帶性

氣壓變化丁，周期性

G非周期性

三、大氣水平運(yùn)動(dòng)的形成一一旋轉(zhuǎn)地球?qū)\(yùn)動(dòng)特征的影響

1、基本規(guī)律：牛頓定律F=但描述運(yùn)動(dòng)與坐標(biāo)選取有關(guān)

旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（地球上的觀察者）中的慣性力一一正確認(rèn)識(shí)地轉(zhuǎn)偏向力、離

心力（擴(kuò)展的牛頓定律）

2、旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的幾個(gè)平衡運(yùn)動(dòng)一一氣壓場與運(yùn)動(dòng)場關(guān)系的建立

自由大氣中：一一地轉(zhuǎn)風(fēng)關(guān)系（兩力平衡時(shí)）

摩擦層中：一一修正的風(fēng)壓律（三力平衡時(shí)）

在大多數(shù)情況下與實(shí)際大氣十分接近一一大氣運(yùn)動(dòng)處于準(zhǔn)動(dòng)態(tài)平衡中

3、在靜力平衡條件下，水平氣壓場結(jié)構(gòu)隨高度因溫度分布不均而變

地轉(zhuǎn)風(fēng)關(guān)系也隨之變化一一熱成風(fēng)

四、大氣環(huán)流

1、大氣環(huán)流的平均狀態(tài)一一處于氣候系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡之中一一經(jīng)歷各種時(shí)

空尺度

2、綜合的平均狀態(tài)和瞬時(shí)狀態(tài)一一氣候與天氣

3、瞬時(shí)狀態(tài)處于各種時(shí)空尺度（層次）的高度擾動(dòng)中一一由非線性的氣候系

統(tǒng)所決定（具有穩(wěn)態(tài)與突變，敏感于初始條件等特征）。

五、結(jié)論

1、大氣整體性的表現(xiàn)一一溫壓場與風(fēng)場的統(tǒng)一

摩擦層中風(fēng)的變化

2、問題：大氣整體性的表現(xiàn)形式

第五章天氣系統(tǒng)

一一氣候系統(tǒng)的短期過程

一、大氣運(yùn)動(dòng)的內(nèi)在過程與統(tǒng)------旋轉(zhuǎn)地球大氣在非均勻加熱地表特征作用

下的表現(xiàn)形式一一大氣環(huán)流

1、觀測事實(shí)一一從各個(gè)角度看大氣環(huán)流一一用二維圖表現(xiàn)三維運(yùn)動(dòng)

2、進(jìn)一步認(rèn)識(shí)大氣環(huán)流的形成與特征

二、大氣環(huán)流與大氣圈中熱量及水分平衡

1、大氣地帶性與非地帶性加熱率的差異驅(qū)動(dòng)了環(huán)流，環(huán)流又以各種形式輸

送差異一一熱量與水分等。

大氣環(huán)流處于不斷變化運(yùn)動(dòng)中一一準(zhǔn)動(dòng)態(tài)平衡

例：高低指數(shù)的循環(huán)

2、環(huán)流形成了大氣水分分布的地帶及非地帶性分布、及水分循環(huán)

三、大氣環(huán)流系統(tǒng)一一天氣系統(tǒng)與過程

1、瞬時(shí)大氣環(huán)流變化的擾動(dòng)與渦旋結(jié)構(gòu)一一大中小尺度與中長期天氣過程

2、氣團(tuán)與鋒一一擾動(dòng)熱力特征的非均勻性

擾動(dòng)特征之------熱力分布的不均勻性一一氣團(tuán)與鋒

1）大氣的熱力屬性直接從下墊面獲得。

熱力過程：Fo、P、LE

主要控制因子：穩(wěn)定度

2）在合適的環(huán)流以及地表?xiàng)l件下，形成均一或非均一大氣。

氣團(tuán)的定義、遲盛和變性

3）氣團(tuán)間低壓輻合區(qū)形成溫度對比明顯、上升運(yùn)動(dòng)劇烈的向冷區(qū)傾斜

狹長界面一一鋒面，鋒面特征（不連續(xù)、上升運(yùn)動(dòng)等）

4）形成獨(dú)特的鋒面天氣

5）兩種分類觀點(diǎn)：氣候的（宏觀、戰(zhàn)略的）一一注重源

天氣的（戰(zhàn)術(shù)的）一一注重后果

分別適合于不同的研究場合

擾動(dòng)特征之二一一流場分布的不均勻性一一波動(dòng)與渦旋一一氣旋、反氣

旋，槽脊

1）以環(huán)流的緯度地帶性環(huán)流為背景：（地球旋轉(zhuǎn)與高低緯熱交換產(chǎn)物）

地面一一輻合與輻散帶一一以PP及ITC2為背景的低壓與

其間的高壓帶，分為不同類型高空一一西風(fēng)帶與東風(fēng)帶一

一西風(fēng)與東風(fēng)擾動(dòng)

2）熱力結(jié)構(gòu)：對稱性與不對稱性系統(tǒng)

3）均為GC的成員，擾動(dòng)發(fā)展中伴隨有輸送動(dòng)量、熱量

3、中高緯天氣系統(tǒng)與過程一一流場非均勻性一一擾動(dòng)特征之一

西風(fēng)帶上的擾動(dòng)一一以西風(fēng)帶為背景

鋒面氣旋（溫帶氣旋）

1）極鋒活動(dòng)區(qū)上擾動(dòng)的發(fā)展一一鋒面上冷暖空氣相對擾動(dòng)而形成一

一伴隨不對稱結(jié)構(gòu)的低壓渦旋的形成與發(fā)展

2）鋒面氣旋的發(fā)展與西風(fēng)槽（槽前垂直環(huán)流）發(fā)展相關(guān)聯(lián)［熱力、動(dòng)力

作用］

3）鋒面氣旋=天氣二槽前上升+冷暖鋒+低壓輻合上升+大風(fēng)一一表現(xiàn)

為逗點(diǎn)云系的發(fā)展為渦旋云系

4）溫帶氣旋過程也是能量釋放及南北交換過程

5）我國鋒面氣旋活動(dòng)特點(diǎn)與鋒面活動(dòng)一致；如春夏多，兩個(gè)活動(dòng)帶

移動(dòng)性冷性反氣旋與寒潮

1）地面移動(dòng)性反氣旋與高空槽后環(huán)流相結(jié)合

形成于槽后（冷平流；輻散；輻射冷卻）

天氣為高壓前部冷鋒后部暖鋒

活動(dòng)也與槽相聯(lián)系

2）常與鋒面氣旋成對活動(dòng)：槽前（高空輻散、暖平流、上升運(yùn)動(dòng)）、

槽后

（相反）；移向東北、東南；冷鋒上、冷鋒后；

也是極鋒區(qū)南北熱交換的基本成員

3）寒潮天氣過程一一極端的冷性反氣旋活動(dòng)過程

引起大規(guī)模冷空氣南侵的天氣過程（東亞大型過程）

前提一一有冷空氣的積累（醞釀）期，高指數(shù)期

實(shí)現(xiàn)一一爆發(fā)期（突變），向低指數(shù)轉(zhuǎn)換，形成寒潮天氣：降溫、

大風(fēng)、霜凍等

結(jié)果一一環(huán)流大調(diào)整，建立東亞大槽（長波），完成冷暖南北大交

換

路徑與活動(dòng)一一受引導(dǎo)氣流支配

高空天氣系統(tǒng)一槽脊與渦旋

1）西風(fēng)帶上的大型擾動(dòng)（行星尺度）

a大氣長波：大、長、慢（比較短波）

是短波活動(dòng)背景

與大型天氣過程聯(lián)系（如南北交換）

長波與氣旋族一長波槽前PF上首尾相聯(lián)的一系

列氣旋

b阻塞高壓與切斷低壓一長波發(fā)展變形而形成的大型閉合渦旋系

統(tǒng)

冷暖交換中向北突出的孤立的暖氣團(tuán)一阻塞高

壓（對稱）

向南突出的孤立的冷氣團(tuán)一切斷低壓

建立與崩潰多與環(huán)流大調(diào)整聯(lián)系

維持時(shí)是GC的穩(wěn)定因子（影響到不是直接控制的

地區(qū)）

c極渦與極區(qū)冷中心對應(yīng)，位置、強(qiáng)度影響GC

2）西風(fēng)帶中型擾動(dòng)（中下層）

a短波槽小、短、快

移動(dòng)性，不對稱槽前逗點(diǎn)云系，是直接影響我國天

氣變化的主要西風(fēng)帶系統(tǒng)

發(fā)展時(shí)常誘導(dǎo)地面鋒面氣旋及冷性反氣旋發(fā)展

b切變線氣旋性風(fēng)場不連續(xù)線，形成于不同性質(zhì)對持的高壓

間，表現(xiàn)為東西向穩(wěn)定的云雨帶

c冷渦中尺度低值系統(tǒng)，與上下層聯(lián)結(jié)時(shí)常沿切變線移動(dòng)發(fā)

展----暴雨團(tuán)

小結(jié)：西風(fēng)帶是擾動(dòng)活動(dòng)帶，天氣變化多，地面以極鋒上的鋒面氣旋，活動(dòng)性

高壓為主，高空以槽脊波動(dòng)為主。

擾動(dòng)性質(zhì)多與冷暖空氣交匯位能釋放有關(guān)，所以多為不對稱結(jié)

構(gòu)。

擾動(dòng)形式：波、渦、切變。

4、低緯天氣系統(tǒng)與過程一一流場非均勻性一一流場擾動(dòng)特征之二，熱帶輻

合帶上的擾動(dòng)

熱帶天氣系統(tǒng)的環(huán)流背景（與中緯比較）

1）大氣水熱源（面積、海洋大，顯熱、潛熱輸出大）

2）地轉(zhuǎn)參數(shù)小，非周期不明顯

3）溫度差異小，潛熱能為主

4）以副熱帶高壓及熱帶輻合帶為背景

副熱帶高壓一一副熱帶地區(qū)行星尺度大型動(dòng)力性高壓

1）形成于Hadley&Ferrelcell的下沉區(qū):

分布與脊線位置一一副熱帶地區(qū)多中心、帶狀性質(zhì)一一動(dòng)力性

結(jié)構(gòu)一一暖性，深厚、穩(wěn)定天氣一一與東西風(fēng)帶相作用一一

形成晴一片，雨一線的天氣分布一一表現(xiàn)為副高衛(wèi)星云系

2）西太平洋副熱帶高壓一一夏半年影響我國天氣的重要成員

季節(jié)性進(jìn)退（強(qiáng)度位置）一一形成我國雨帶和各地雨季，

及盛夏干旱

多年變化一一氣候振動(dòng)與異常，如旱一片，澇一線

短期變化一一與周圍系統(tǒng)相作用，形成天氣過程及異常

熱帶天氣系統(tǒng)

1）ITCZ---兩半球間Hadleycell低壓上升區(qū)內(nèi)的氣流輻合帶

a,依距赤遠(yuǎn)近表現(xiàn)為：赤道附近一一信風(fēng)槽；遠(yuǎn)離赤道一一季風(fēng)槽

b,濕熱、不穩(wěn)定對流天氣為主

c,季節(jié)性擺動(dòng)與非周期活動(dòng)

天氣一一熱帶云團(tuán)、熱帶擾動(dòng)源地

氣候----水、熱源，形成熱帶雨林、干濕季氣候

2）熱帶氣旋一一形成于熱帶洋面的強(qiáng)低氣壓渦旋（天氣尺度）

a,形成有明顯的季節(jié)性和地域性特征

b,結(jié)構(gòu)獨(dú)特一一具有暖心的排氣管式渦旋熱機(jī)一一形成影響沿海災(zāi)害性

天氣

c,形成取決當(dāng)?shù)貤l件?；緱l件一一能量；啟動(dòng)：

旋轉(zhuǎn):通風(fēng)

d,移動(dòng)受周圍氣流牽引

e,消亡一一斷能（北上、登陸）

3）熱帶云團(tuán)一一衛(wèi)星云圖上表現(xiàn)的密集的對流擾動(dòng)云群

活動(dòng)在ITCZ：季風(fēng)低壓：暖季高原上

4）其他：季風(fēng)槽北進(jìn)時(shí)形成的季風(fēng)低壓：東風(fēng)上的波動(dòng)等

5、中小尺度系統(tǒng)一一流場擾動(dòng)特征之三

中、小尺度天氣系統(tǒng)一般特征

1）尺度小，但水平梯度大，垂直速度大，所以天氣變化突然

2）時(shí)間短，但加速度大，所以變化激烈，能量集中，強(qiáng)度大

3）多為不穩(wěn)定對流天氣，非靜力、非地轉(zhuǎn)，易形成災(zāi)害

4）多依附于一定大尺度環(huán)境，釋放能量

對流天氣系統(tǒng)

1）雷暴一一與積雨云聯(lián)系的天氣（放電、陣雨、大風(fēng)）

a,在不穩(wěn)定氣層中突發(fā)增展的強(qiáng)對流一一具有自我消散機(jī)制（生命

短）

b,水汽充足的不穩(wěn)定氣層中（能）+沖擊啟動(dòng)（動(dòng)力、熱力）一一季節(jié)、

地域

2）強(qiáng)雷暴一一超級積雨云

a,強(qiáng)風(fēng)暴一超級對流單體一云體傾斜形成自我維持機(jī)制

范圍大、生命長、天氣劇烈

b,雹線一多個(gè)超級單體組成的強(qiáng)對流活動(dòng)線

c,龍卷風(fēng)一強(qiáng)風(fēng)暴云體中孕育的小尺度漏斗狀強(qiáng)渦旋（旋衡風(fēng)）

暴雨（天氣過程）一一夏季風(fēng)時(shí)期災(zāi)害之一

1）我國大暴雨特點(diǎn)

強(qiáng)度大；持續(xù)長：

在一定的天氣背景下，可由多種中小尺度系統(tǒng)引起：

2）形成

大尺度背景

各尺度相互作用

由中小系統(tǒng)直接形成暴雨

物理?xiàng)l件與對流系統(tǒng)不完全相同

其他：災(zāi)害性天氣一天氣系統(tǒng)

第六章氣候的形成

---影響與氣候過程

一、氣候系統(tǒng)的完全描述

1、組成特征：敏感性與穩(wěn)定性

2、能量守恒：太陽輻射能分布基本格局一一天文氣候

3、氣候過程及其時(shí)間譜：天氣一一氣候一一氣候系統(tǒng)

二、海氣相互作用（熱交換過程為主）

---氣候系統(tǒng)基本過程之一

1、海陸熱力性質(zhì)差異：海洋是氣候系統(tǒng)的熱量儲(chǔ)存器及穩(wěn)定因子

2、海陸對大氣加熱的周期變化一一季風(fēng)

3、海陸對大氣影響的綜合表現(xiàn)一一海洋性與大陸性氣候

4、海洋中熱力非均勻分布一一冷暖洋流對氣候特征的進(jìn)一步影響

三、冰雪圈與冰雪覆蓋過程

——?dú)夂蛳到y(tǒng)基本過程之二

1、冰雪覆蓋區(qū)特征及其重要性

2、海冰、大氣與海水的相互耦合

四、地形起伏對大氣圈層的影響：陸面過程

——?dú)夂蛳到y(tǒng)基本過程之三

1、熱力作用對輻射與氣溫的影響