《氣象學與氣候學》教案

《氣象學與氣候學》教案

第一章緒論

氣候學歷經經典、天氣氣候到現代氣候學的發(fā)展過程是科學觀念的革命，它

包括認識和研究方法的根本變革，啟示我們從系統(tǒng)中學習氣候，學習氣候又是為

了更好的認識這個地球表層系統(tǒng)。

一、現代自然地理學與氣象氣候學

1、人類賴以生存的地球一一地球表層系統(tǒng)一一個相互作用的整體

任何子系統(tǒng)的變化都會影響其他子系統(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的主要背景之一，也是構成地球表層系統(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)如何起動與運動，其中的熱力、動力過程

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，繞地球旋轉的圈層。

一影響之一：垂直層結的形成---大氣分層：

水平尺度?垂直尺度。

五、對流層：

是深受下邊界（熱力及動力）影響的大氣最底層，集中了80%的大氣質量，

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（熱力及動力）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，它從能量上把幾個圈層連接在一起。

一、太陽能進入氣候系統(tǒng)

1、主要途徑：太陽輻射能》地面大氣

太陽短波輻射經大氣削弱到達地面，吸收成為地面熱能（。+幻（1-&）

地面與大氣熱交換dQ=穌+產+￡￡：長波輻射熱交換一地面有效輻射一

穌

感熱輸送（傳導；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、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

二、大氣中“氣塊'的溫度變化——受制于熱力學第一定律（能量守恒）

在大氣中表現為：

1、外界（地面）供熱可引起氣塊溫度非絕熱變化

2、氣塊垂直運動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）

3、個別氣塊變溫過程"=M/C'+工整

1p

CfP

三、“局地”氣溫變化由氣塊水平及垂直運動中引起的氣塊置換引起

1、包含有水平平流，垂直運動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）與氣塊垂直運動時的溫度變化（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)定度對大氣垂直運動、垂直熱輸送及污染物擴散的影響

3、整層氣層抬升時，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現與影響的物理過

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E-e>0

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

3、凝結一一地表與大氣中凝結的基本條件：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、水滴凝結與增大過程一一人工干預的可能性

2、上升運動形式云形降水性質

3、全球降水分布與垂直運動地帶性分布

非地帶性分布

第四章大氣的運動一一氣候系統(tǒng)物理過程之二

——加熱不均及地球旋轉對大氣運動狀態(tài)的影

響

一、大氣中氣壓分布不均并隨時間而變化P{x,y,z,t）

氣壓差是推動空氣塊運動的基本動

力

1、分布不均的量度一一氣壓梯度，因大氣層結性又可分為：

垂直氣壓梯度（很大）：

意義：在重力場下形成，因此與重力有關，基本上與重力相平衡

模式化：靜力方程

應用：壓高公式一一氣壓隨高度降低快慢與溫度關系最密切。

水平氣壓梯度（很小）：形成水平氣壓梯度力一一成為氣塊水平運動基本動力

2、分布不均的總體效應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)的垂直結構一一各處均需滿足靜力學條件，因此氣壓系統(tǒng)隨高

度的變化主要與溫度分布有關。

分析結構的要點是系統(tǒng)的溫度場配置一一可分成對稱（淺薄、深厚）：不

對稱（大多數）系統(tǒng)

二、大氣中氣壓不斷變化

Pit}__大氣質量的重分配一一大氣運動不息

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動

1、因子分析一一為什么會重新分配

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

動力因子：空氣運動中形成質量輻合輻散：

密度平流（冷暖平流）；

垂直運動。（僅影響空中氣壓變化）

2、過程：

3、每個環(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、大氣水平運動的形成一一旋轉地球對運動特征的影響

1、基本規(guī)律：牛頓定律F=但描述運動與坐標選取有關

旋轉坐標系（地球上的觀察者）中的慣性力一一正確認識地轉偏向力、離

心力（擴展的牛頓定律）

2、旋轉坐標系中的幾個平衡運動一一氣壓場與運動場關系的建立

自由大氣中：一一地轉風關系（兩力平衡時）

摩擦層中：一一修正的風壓律（三力平衡時）

在大多數情況下與實際大氣十分接近一一大氣運動處于準動態(tài)平衡中

3、在靜力平衡條件下，水平氣壓場結構隨高度因溫度分布不均而變

地轉風關系也隨之變化一一熱成風

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)的動態(tài)平衡之中一一經歷各種時

空尺度

2、綜合的平均狀態(tài)和瞬時狀態(tài)一一氣候與天氣

3、瞬時狀態(tài)處于各種時空尺度（層次）的高度擾動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、結論

1、大氣整體性的表現一一溫壓場與風場的統(tǒng)一

摩擦層中風的變化

2、問題：大氣整體性的表現形式

第五章天氣系統(tǒng)

一一氣候系統(tǒng)的短期過程

一、大氣運動的內在過程與統(tǒng)------旋轉地球大氣在非均勻加熱地表特征作用

下的表現形式一一大氣環(huán)流

1、觀測事實一一從各個角度看大氣環(huán)流一一用二維圖表現三維運動

2、進一步認識大氣環(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動了環(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)流處于不斷變化運動中一一準動態(tài)平衡

例：高低指數的循環(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、瞬時大氣環(huán)流變化的擾動與渦旋結構一一大中小尺度與中長期天氣過程

2、氣團與鋒一一擾動熱力特征的非均勻性

擾動特征之------熱力分布的不均勻性一一氣團與鋒

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)流以及地表條件下，形成均一或非均一大氣。

氣團的定義、遲盛和變性

3）氣團間低壓輻合區(qū)形成溫度對比明顯、上升運動劇烈的向冷區(qū)傾斜

狹長界面一一鋒面，鋒面特征（不連續(xù)、上升運動等）

4）形成獨特的鋒面天氣

5）兩種分類觀點：氣候的（宏觀、戰(zhàn)略的）一一注重源

天氣的（戰(zhàn)術的）一一注重后果

分別適合于不同的研究場合

擾動特征之二一一流場分布的不均勻性一一波動與渦旋一一氣旋、反氣

旋，槽脊

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

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帶與東風帶一

一西風與東風擾動

2）熱力結構：對稱性與不對稱性系統(tǒng)

3）均為GC的成員，擾動發(fā)展中伴隨有輸送動量、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特征之一

西風帶上的擾動一一以西風帶為背景

鋒面氣旋（溫帶氣旋）

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

一伴隨不對稱結構的低壓渦旋的形成與發(fā)展

2）鋒面氣旋的發(fā)展與西風槽（槽前垂直環(huán)流）發(fā)展相關聯(lián)［熱力、動力

作用］

3）鋒面氣旋=天氣二槽前上升+冷暖鋒+低壓輻合上升+大風一一表現

為逗點云系的發(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）我國鋒面氣旋活動特點與鋒面活動一致；如春夏多，兩個活動帶

移動性冷性反氣旋與寒潮

1）地面移動性反氣旋與高空槽后環(huán)流相結合

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

活動也與槽相聯(lián)系

2）常與鋒面氣旋成對活動：槽前（高空輻散、暖平流、上升運動）、

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，高指數期

實現一一爆發(fā)期（突變），向低指數轉換，形成寒潮天氣：降溫、

大風、霜凍等

結果一一環(huán)流大調整，建立東亞大槽（長波），完成冷暖南北大交

換

路徑與活動一一受引導氣流支配

高空天氣系統(tǒng)一槽脊與渦旋

1）西風帶上的大型擾動（行星尺度）

a大氣長波：大、長、慢（比較短波）

是短波活動背景

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一阻塞高

壓（對稱）

向南突出的孤立的冷氣團一切斷低壓

建立與崩潰多與環(huán)流大調整聯(lián)系

維持時是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，位置、強度影響GC

2）西風帶中型擾動（中下層）

a短波槽小、短、快

移動性，不對稱槽前逗點云系，是直接影響我國天

氣變化的主要西風帶系統(tǒng)

發(fā)展時常誘導地面鋒面氣旋及冷性反氣旋發(fā)展

b切變線氣旋性風場不連續(xù)線，形成于不同性質對持的高壓

間，表現為東西向穩(wěn)定的云雨帶

c冷渦中尺度低值系統(tǒng)，與上下層聯(lián)結時常沿切變線移動發(fā)

展----暴雨團

小結：西風帶是擾動活動帶，天氣變化多，地面以極鋒上的鋒面氣旋，活動性

高壓為主，高空以槽脊波動為主。

擾動性質多與冷暖空氣交匯位能釋放有關，所以多為不對稱結

構。

擾動形式：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特征之二，熱帶輻

合帶上的擾動

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）地轉參數小，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、帶狀性質一一動力性

結構一一暖性，深厚、穩(wěn)定天氣一一與東西風帶相作用一一

形成晴一片，雨一線的天氣分布一一表現為副高衛(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)性進退（強度位置）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)內的氣流輻合帶

a,依距赤遠近表現為：赤道附近一一信風槽；遠離赤道一一季風槽

b,濕熱、不穩(wěn)定對流天氣為主

c,季節(jié)性擺動與非周期活動

天氣一一熱帶云團、熱帶擾動源地

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,結構獨特一一具有暖心的排氣管式渦旋熱機一一形成影響沿海災害性

天氣

c,形成取決當地條件?；緱l件一一能量；啟動：

旋轉:通風

d,移動受周圍氣流牽引

e,消亡一一斷能（北上、登陸）

3）熱帶云團一一衛(wèi)星云圖上表現的密集的對流擾動云群

活動在ITCZ：季風低壓：暖季高原上

4）其他：季風槽北進時形成的季風低壓：東風上的波動等

5、中小尺度系統(tǒng)一一流場擾動特征之三

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）時間短，但加速度大，所以變化激烈，能量集中，強度大

3）多為不穩(wěn)定對流天氣，非靜力、非地轉，易形成災害

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）

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

短）

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

地域

2）強雷暴一一超級積雨云

a,強風暴一超級對流單體一云體傾斜形成自我維持機制

范圍大、生命長、天氣劇烈

b,雹線一多個超級單體組成的強對流活動線

c,龍卷風一強風暴云體中孕育的小尺度漏斗狀強渦旋（旋衡風）

暴雨（天氣過程）一一夏季風時期災害之一

1）我國大暴雨特點

強度大；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

物理條件與對流系統(tǒng)不完全相同

其他：災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、海陸熱力性質差異：海洋是氣候系統(tǒng)的熱量儲存器及穩(wěn)定因子

2、海陸對大氣加熱的周期變化一一季風

3、海陸對大氣影響的綜合表現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一步影響

三、冰雪圈與冰雪覆蓋過程

——氣候系統(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

——氣候系統(tǒng)基本過程之三

1、熱力作用對輻射與氣溫的影響