大气科学概论-第一讲(概述)
大气科学基础课件
* Water(水汽)
Argon(氩) * Carbon Dioxide(二氧化碳) Neon(氖) Helium(氦) *Methane(甲烷) Hydrogen(氢) *Nitrous Oxide(一氧化二氮) *Ozone(臭氧)
H2O
Ar CO2 Ne He CH4 H2 N2O O3
* variable gases
2. The condensation of water vapor creates precipitation that falls to the Earth's surface providing needed fresh water for plants and animals.
3. It helps warm the Earth's atmosphere through the greenhouse effect.
Key Points
• 气溶胶粒子对辐射的吸收和散射、云雾降 水的形成、大气污染以及大气光学与电学 现象的产生都具有重要的作用。 • 气溶胶粒子的来源可分为人工源和自然源 两大类。
随堂小测
1、地球的原始大气中，主要包含以下的气体成分：（ a. 氮和氧 b. 氢和氦 ） c. 水汽和二氧化碳 d. 甲烷和臭氧
Key Points(contd.)
Ozone's role in the enhancement of the greenhouse effect has been difficult to determine. concentrations of ozone gas are found in two different regions of the Earth's atmosphere. The majority of the ozone (about 97 %) found in the atmosphere is concentrated in the stratosphere at an altitude of 15 to 55 kilometers above the Earth's surface.
大气科学概论-绪论
绪 论
大气科学的重要性 大气科学研究对于国民经济建设和社会发展有 着重大作用 防灾减灾 环境问题 交通运输
1990-2006年及2007年以来气象灾害造成的直接经济损失占GDP的比例变化 1990-2006年及2007年以来气象灾害造成的直接经济损失占GDP的比例变化 年及2007年以来气象灾害造成的直接经济损失占GDP
6 历年值 5 比例（%） 4 3 2 1 0 1990 1992 1994 1996 1998 年份 2000 2002 2004 2006 1990-2006年平均
“桑美”共造成浙 桑美” 桑美 福建、 江、福建、江西 和湖北4 和湖北4省665.6 万人受灾 受灾， 万人受灾，因灾 死亡483人，直接 死亡483人 483 经济损失196.6 196.6亿 经济损失196.6亿 浙江、 元。浙江、福建 受灾严重。 受灾严重。
超强台风桑美（SAOMAI）2006年 超强台风桑美（SAOMAI）2006年8月10日在浙江苍南沿海登陆，登 10日在浙江苍南沿海登陆， 日在浙江苍南沿海登陆 陆时中心附近最大风力达17 17级 60米 ），为建国以来登陆我国大 陆时中心附近最大风力达17级（60米/秒），为建国以来登陆我国大 陆最强的一个台风， 2005年登陆美国时的 卡特里娜”飓风还强， 年登陆美国时的“ 陆最强的一个台风，比2005年登陆美国时的“卡特里娜”飓风还强， 也是近10年来因大风造成伤亡最惨重的一个台风。 10年来因大风造成伤亡最惨重的一个台风 也是近10年来因大风造成伤亡最惨重的一个台风。
大气科学概论
大气科学概论
大气科学概论是一门研究大气系统的学科，是大气、海洋、地球
物理学和天文学研究的基础学科之一。
它旨在研究大气的物理、化学
组成、结构及其动力学运动，以及它与地球和人类生活之间的相互关系。
大气科学被分为三个小的子领域：气候学、大气物理学和大气化学。
气候学研究大气形势，尤其是大气中气象要素的尺度在时间和空
间上的分布，以及大气的内部运动的影响。
大气物理学研究大气的动
态行为，涉及大气压力，流体动力学，对流等问题，从而了解大气层
在空间上的分布及其变化。
大气化学研究空气中污染物的排放、扩散、沉降，以及不同物质之间的物理和化学反应，研究它们会造成多种污
染性如大气污染和臭氧损坏等等。
有了大气科学的研究成果，能够为气象学和环境保护提供重要的
方法，以识别和预测大气状况变化对人类生活的影响，从而提供减灾
和减少全球气候变化的相应应对措施。
大气科学也为其他领域提供重
要的应用，如航空，航天，资源开发和卫星应用，这些都与大气系统
有关。
随着环境污染，大气污染和全球气候变化，大气科学存在得越
来越重要。
大气科学概论第一章1-4
度哪个最大？
§4 空气状态方程
V1 P0、 P1、T1 T0 V0 F
理想气体 状态方程
PV
m M
R *T nR*T
大气科学概论
§4 空气状态方程
一、干空气状态方程 P=ρ RdT
二、水汽状态方程
e= ρ wRwT 三、湿空气状态方程与虚温
大气科学概论
§4 空气状态方程
虚温的目的和意义：引入虚温的目的是将 大气中所含水汽对比气体常数的影响包含到温
§3.1 大气与生存环境
2、环境问题：温室效应与全球气候变暖， 臭氧层破坏， 酸雨， 城市空气污染
温室效应示意图
大气科学概论
CO2, CH4, N2O, H2O…
地表吸收
增温效应
温室效应：地球表面平均温度是15℃ 无温室效应：地球表面平均温度是－18℃
大气科学概论
360
340
CO2 浓 320 度 (ppmv)
大气科学概论
§3.2 天气与气候
问题：以下何为天气，何为气候？
今天白天到夜间，成都地区睛，气温为25—30℃， 预计明天白天睛间多云，气温为22—25℃； 气候变暖； 厄尔尼诺、拉尼娜。
大气科学概论
第一章 大气概述
§4 空气状态方程
大气科学概论
习题：
1、由理想气体状态方程推导湿空气状态方程。 2、说明虚温的目的和意义。 3、在同样的温压条件下，湿空气密度与干空气密
§3.2 天气与气候
b. 气候在太阳辐射、大气环流、下垫面性质和 人类活动的长期作用下，在某一时段内大量天气 的总和。不仅包括该地多年的平均天气状况，也 包括某些年份偶尔出现的极端天气状况。
大气科学概论
§3.2 天气与气候
大气科学概论 (1)
名词解释干洁大气：通常把除水汽以外的纯净大气称为干洁大气，简称干空气。
露点温度：湿空气气压降温达到饱和时的温度称为露点温度。
相对湿度：在一定温度和气压下，水汽和饱和水汽的摩尔分数比称为相对湿度。
降水量：指从天空降落到地面上的液态或固态（经融化后）的降水未经蒸发渗透流失而积聚在水平面上的水层深度。
虚温：在气压相等条件下，具有和湿空气相等的密度时干空气具有的湿度。
气团变性：气团只是在某时间与一定的地理区域相关，当气团移动到新的下垫面时，它的性质就会逐渐发生变化，而失去原有的特性。
填空1、相对湿度说明了同一气温条件下，水汽含量距离大气饱和程度，相对湿度越小，表示空气越不饱和，相对湿度越大，表示空气越饱和。
2、干洁大气是指不包含水汽和气溶胶的整个混合大气。
3、大气的铅直结构有地面向天空共分为对流层，平流层，中间层，热层，逸散层五层。
4、表征水汽的气象要素有很多，如比湿、水汽压、水汽密度等。
（相对湿度、露点）5、水的三相是指气态、液态_各固态。
6、一般温度越高、饱和水汽压则越大，在相同温度下，溶液面比纯水面的饱和水汽压越小。
7、降水可以有雨、雹、雪和霰四种形态。
8、相对湿度是空气中的实际水汽压与同温度下饱和水汽的比值。
9、大气中最主要的成分是氮气、氧气和氩三种气体。
10、相对湿度是指_空气中实际水汽压与同温度下饱和水汽的比值。
11、平流层环流的特点是：中纬度地区夏季盛行东风，冬季盛行西风。
12、露点温度是指湿空气定压降温达到饱和时的温度。
13、在相同状态下，平液面饱和水汽压大于平冰面饱和水汽压。
14、对流层臭氧的一个主要来源是从平流层以扩散、湍流的方式输送来的，对流层顶的裂缝是平流层臭氧向对流层输送的主要通道。
15、温度越高，饱和水汽压越大。
16、按中性成分的热力结构，可以把大气分成若干层，其中对流层的特点是温度随高度升高而降低、有强烈的垂直混合、气象要素分布不均匀。
17、臭氧主要分布在10-50km高度的平流层大气中，极大值在20-30km之间，它对有强烈的吸收作用。
大气科学概论
1．气候的定义：气候是指在影响天气的各因子（太阳辐射、下垫面性质、大气环流和人类活动等）长期相互作用下所产生的天气综合，不仅包括某些多年经常发生的天气状况，还包括某些年份偶然出现的极端状况。
2.简述气候变化和气候突变的区别前者:气候从一种稳定状态跳跃到或转变为另一种稳定状态的现象.后者：气候变化是指气候平均状态随时间的变化，即气候平均状态和离差（距平）两者中的一个或两个一起出现了统计意义上的显著变化。
离差值越大，表明气候变化的幅度越大，气候状态越不稳定。
突变是气候突然的变化很快，很明显;而气候变化是一个季度的气候变化，比较慢不明显3.气候变化的原因（书p353）外部因子：地球轨道参数，太阳活动，火山活动，大陆板块漂移，造山运动，人类活动内部因子：⑴太阳辐射的变化。
⑵地球轨道因素的变化。
⑶火山活动。
⑷宇宙——地球物理因子。
⑸下垫面地理条件的变化。
⑹大气环流的变化。
⑺大气化学组成的变化。
4．简述云的微观形成（书p47）：云是潮湿空气在上升过程中膨胀冷却，使空气中的水汽达到饱和及过饱和时，在凝结核上凝结成云滴，或（和）由冰核作用经冻结和凝华生成冰晶而形成的。
当云中的云滴增长到足够大时，就会从空中降落而产生降水。
5.按照云的外形特征，结构特点和云底高度将云分为哪几族哪几属？（书p48）三族:高云族（高云形成于6000m以上的高空，对流层较冷的部分在此高度上的水都会凝华或冻结为冰晶，所以这族云都是由冰晶组成。
高云高云一般成纤维状，薄薄的并多数为透明。
）中云族（中云于2500~6000m的高空形成，它们多由过冷小水滴组成）低云族（云底高度通常在2500m以下）十属：卷云，卷积云，卷层云（高云族）高层云，高积云（中云族）层积云，层云，雨层云，积云，积雨云（低云族）6.绘出雨，雪，冻雨，冰粒四种降水产生的大气温度随着高度分布的草图7.如何区分雾和霾这两类视程障碍？书p558.什么叫视程障碍现象及其种类？定义：云，雾，降水，风沙等液体或者固体杂质造成能见度降低的天气现象；种类：雾，轻雾，吹雪，雪暴，烟幕，霾，沙尘暴，扬沙，浮尘9.描述大气垂直结构的主要特征书p2810.请简述大气成分CO2,O3对地球辐射平衡和全球气候变化产生的影响书p2311.表征大气的基本要素有哪些？并解释p35温度，气压湿度风12.微波辐射计的定义，种类以及我们学校有哪两种微波辐射计，种类以及我们学校有哪两种微波辐射计（p221\\为了测量物质的微波辐射的高敏度接收机）总结为以下五种基本类型：全功率型微波辐射计，Dicke型微波辐射计［1］，负反馈零平衡Dicke型微波辐射计［2］，双参考温度自动增益补偿型微波辐射计［3］，数字增益自动补偿型微波辐射计［4］。
大气科学概论复习
大气科学对于人类生产生活、天 气预报、气候变化研究等方面具 有重要意义，是地球科学的重要 组成部分。
大气科学的研究领域
气象学
研究大气中各种气象现象和过程的形成、演变和预测。
气候学
研究地球气候系统的形成、演变和变化，包括大气、 水圈、生物圈等多个圈层的相互作用。
大气物理学
研究大气中各种物理现象和过程，如云雾形成、降水 机制、大气辐射传输等。
飞机起降与气象条件
飞机起降对气象条件要求较高，大气科学通过提供准确的天气预报和气 象数据，保障飞机安全起降。
03
气候变化对交通的影响
气候变化可能导致极端天气事件增多，如暴雨、洪涝等，对交通基础设
施造成威胁，大气科学通过研究气候变化规律，为交通基础设施建设和
维护提供科学依据。
大气科学与健康
空气质量与健康
大气的组成与结构
02
大天 气现象的基础。
详细描述
大气主要由氮气（约78%）、氧气 （约21%）、氩气（约1%）等组成， 还有少量二氧化碳、水蒸气、甲烷等。 这些气体共同作用，影响地球的气候 和天气。
大气的垂直结构
总结词
理解大气的垂直分层是理解气候和天气变化的关键。
地理环境也对大气污染物的传输和扩 散产生影响，如地形、地貌、城市规 划等。例如，山谷地区容易受到污染 物在山谷中累积的影响；而城市地区 由于建筑物密集、交通拥堵等因素， 污染物容易在城市中累积。
大气污染的防治措施
排放控制
通过安装废气处理装置、加强排放标准和 法规的执行等措施，控制污染物排放。
A 减少污染物排放
气象灾害与农业
气象灾害如暴雨、干旱、冰雹等对农 业生产造成巨大损失，大气科学通过 监测和预警气象灾害，帮助农民采取 应对措施，减少损失。
大气科学基础第一章
1010 号 8-8 Meranti
莫兰蒂 马来西亚一种树
2021/3/9
31
§4.4 习题
1、风向、风速如何表示？
大气科学基础
2021/3/9
32
§4.5 云(1)
大气科学基础
▪ 悬浮在大气中的小水滴或冰晶微粒，或两者混合的可见聚合体， 有时也包含一些较大的雨滴、冰晶或雪粒，它底部不接触地面， 有一定的厚度。
360º方位（高空）
大气科学基础
2021/3/9
24
§4.4 风
大气科学基础
2、风速：m·s-1 ， km·h-1 ， mile·h-1
1 m·s-1 =3.6 km·h-1 ，1 mile·h-1=1.85 km·h-1
风力等级表：0—12级
级 风速 别 [m/s]
陆地
0 小于 0.3 静烟直上
q mv
上下同除md
mv md
mv
q
1
md （3）r mv 1
r
md
饱和比湿qs
2021/3/9
13
§4.3 空气湿度(3)
3、水汽压e 水汽压e：空气中所含水汽的分压强，单位为Pa，hPa。
P Pd e
湿空气压强
e v P （4）
水汽摩尔 分数
2021/3/9
14
换算关系：
mv
mv
18
§4.3 空气湿度(4)
4、绝对湿度a：单位容积空气中所含的水汽的质量，即水汽的密 度ρv，单位为g·m-3 ， kg·m-3 。
e
v
Rv
T
v
e Rv T
水汽比气体常数 Rv 461 J kg1 K 1
e：Pa T：K ρv：kg/m3
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天气和气候的区别
天气和气候是两个既有联系又有区别的概念 从时间尺度上讲，天气是指某一地区在某一瞬间或
某一短时间内大气状态（如气温、湿度、压强等）和 大气现象（如风、云、雾、降水等）的综合。天气过 程是大气中的短期过程。 而气候指的是在太阳辐射、大气环流、下垫面性质 和人类活动在长时间相互作用下，在某一时段内大量 天气过程的综合。
研究大气现象的本质，从而能解释大气现象，寻求
控制其发生、发展和变化的规律；
探讨如何应用这些规律，通过一定的措施，为预测
和改善大气环境服务（如人影、消雾、防雹等），使 之能更适合于人类的生活和生产的需要。
大气科学的研究内容
大气科学是研究大气的各种现象（包括 人类活动对它的影响）及其演变规律，
以及如何利用这些规律进行天气、气候
气候系统之水圈（海洋）
水圈包括海洋、湖泊、江河、地下水和地表上 的一切液态水，其中海洋在气候形成和变化中 最重要。 海洋是由世界大洋和邻近海域的含盐海水所组 成。其总面积约占地球表面的71%，相当于陆 地面积的2.5倍。无论从力学和热力学效应来看， 海洋在气候系统中具有最大的惯性，是一个巨 大的能量贮存库。
气候系统之生物圈
大气的气体组成成分
微量气体含量通常用体积或质量混合比表示。其定义 为单位体积 ( 质量 ) 大气中微量气体作占体积 ( 质量 ) 的 比例，以mL/L(mg/g)表示。
五大圈层相互作用
大气科学的学科体系
物理气象学 气象学 天气学 动力气象学
大气科学
物理气候学 气候学 描述气候学 应用气候学
高它为生产和生活服务的能力，如提高天气和
气候预报的准确率、为开发利用气象资源和制
定经济政策提供更加可靠的科学依据等，其经 济效益和社会效益将不可估量。
第二节
大气科学的发展历史、
现状及其在生产建设中的应用
大气科学的发展史
古代气象知识的积累时期
大气科学的建立时期 大气科学主要分支的形成时期
《后天 (The Day After Tomorrow) 》 《完美风暴(Perfect Storm)》 《龙卷风（Tornadoes ）》
气候系统之大气圈
覆盖整个地球的大气的质量约占地球
总质量的百万分之一。由于地心引力的作 用，大气质量的 90% 聚集在地表 15km 高
度以下的大气层内， 99.9% （ 48km ）。
计（1783）
第一个气象观测站：1653年由意大利的斐迪南二世在
佛罗伦萨建立 ，18世纪80年代哈默尔组建了由欧洲、
北美洲和西伯利亚共 20个国家的57个气象观测站构成 的观测网。
第一次飞跃: （大约1700—1859年）
1686 年哈雷发现信风，认为信风同太阳供给赤道较 多的热有关。
哈得来在 1735 年的《关于信风之起因》中，第一次 对大气环流考虑地球自转的因素，并首次创立了经 圈环流的理论。
太阳辐射有关。虽然 30km 以上臭氧的含量已逐渐减少，
的垂直混合作用显著减弱。
平流层中水汽含量极少，大多数时间天空是晴朗的。平 火山尘可到达平流层，影响能见度和气温。
流层中的微尘远较对流层中少，但是当火山猛烈爆发时，
3.中间层
自平流层顶到85km左右为中间层。
该层的特点是气温随高度增加而迅速下降，并有相当
陆面（岩石圈）
在上述近代气候变化的时间尺度内，除火山爆发 外，对大气的作用主要还是发生在陆地表面。因 此在气候系统中通常不用岩石圈这个更广泛的名 词，而采用陆面一词。 陆地表面具有不同的海拔高度和起伏形势，可分 为山地、高原、平原、丘陵和盆地等类型。它们
以不同的规模错综分布在各大洲之上，构成崎岖
复杂的下垫面。
一个厚度为数百米到 1—2km的过渡层，称为对流层顶。 这一层的主要特征是：气温随高度的增加突然降低缓 慢，或者几乎不变，成为上下等温。
2.平流层
自对流层顶到 55km 左右为平流层。在平流层内的温度 随着高度的增高。平流层这种气温分布特征是和它受地 面温度影响很小，特别是存在着大量臭氧能够直接吸收 但这里紫外线辐射很强烈，故温度随高度增加得以迅速 增高，造成显著的暖层。平流层内气流比较平稳，空气
由于冰雪具有很大的反射率，在冰雪覆盖下，
影响。它是气候系统中的一个重要子系统。
总之，冰雪的主要效应是增大了地表反照率， 对大气运动总是起冷却（源）作用。
气候系统之冰雪圈
气候系统之生物圈
生物圈除了包括动植物，也包括人类本身。 生物圈的各部分在变化的时间尺度上有显著差 异，但它们对气候的变化都很敏感，而且反过 来又影响气候。 生物对于大气和海洋的CO2平衡，气溶胶粒子 的产生，以及其它与气体成分和盐类有关的化 学平衡等都有很重要的作用。 由于动物需要得到适当的食物和栖息地，所以 动物群体的变化也反映了气候的变化。
世界主要气候图
气候系统
一个完整的气候系统应包括对气候形成分布和
变化有直接或间接影响的各个环节，除太阳辐
射这个主要能源之外，气候系统包括大气圈、 水圈、冰雪圈、陆地表面和生物圈（动、植物 和人类）等5个子系统。各个子系统内部以及各 子系统彼此之间的各种物理、化学乃至生物过 程的相互作用决定着气候的长期平均状态以及 各种时间尺度的变化。
气候系统之水圈
洋 流 示 意 图
暖流
寒流
水圈（海洋）
由于海洋对太阳辐射的反射率比陆面小，海洋 单位面积所吸收的太阳辐射能比陆地多25％— 50％。全球海洋表层的年平均温度要比全球陆 面温度约高10℃左右。 如果仅考虑100m深的表层海水，即占整个气候
系统总热量的95.6％。仅此一端就可见其在气
候系统中的重要性。
大气科学的研究对象
大气科学的研究对象主要是覆盖整个 地球的大气圈，也研究大气与其周围
的水圈、冰雪圈、岩石圈和生物圈相
互作用的物理和化学过程，此外还研 究太阳系其他行星的大气。
大气科学的领域很广，其基本内容是：
把大气当作研究的对象来探讨其特性和状态，如大 气的组成、结构、温度、湿度、压强和密度等等； 研究导致大气现象发生、发展的能量来源、性质及 其转化；
热层又称热成层或暖层，它位于中间层顶以上。该层中，
5.散逸层
这是大气的最高层，又称外层。这一层中气温随高度
增加很少变化。由于温度高，空气粒子运动速度很大， 又因距地心较远，地心引力较小，所以这一层的主要
特点是大气粒子经常散逸至星际空间，本层是大气圈
与星际空间的过渡地带。
气候系统之大气圈
地球大气运动的复杂性
气候系统之岩石圈
青 括大陆冰原、高山冰川、海冰和地面
雪盖等。
陆地雪盖有季节性的变化，海冰有季节性到几
十年际的变化，而大陆冰原和冰川的变化要缓 慢得多，约在几百年甚至到几百万年的周期。 冰川和冰原的体积变化与海平面高度的变化有 很大关系。
冰雪圈
地表（包括海洋和陆地）与大气间的热量交 换被阻止，因此冰雪对地表热量平衡有很大
（2）垂直对流运动：
（3）气象要素水平分布不均匀：
在对流层的最下层称为行星边界层或摩擦层。其范围 一般是自地面到 1—1.5km 高度。在这层里大气受地面 摩擦和热力的影响最大，湍流交换作用强，水汽和微 尘含量较多，各种气象要素都有明显的日变化。 行星边界层以上的大气层称为自由大气。在自由大气 中，地球表面的摩擦作用可以忽略不计。 在对流层的最上层，介于对流层和平流层之间，还有
有关大气的物理属性
大气科学的研究对象、内容和学科体系
由于地球的引力作用，地球周围聚集着一个 气体圈层，构成了所谓大气圈; 大气的分布是如此之广，以致地球表面没有 任何地点不在大气的笼罩之下；
人类就生活在大气圈底部的“下垫面”上;
大气圈是人类地理环境的重要组成部分。
大气圈阻挡了大多数陨石
大气科学与其它学科的关系
从 20 世纪 60 年代以来，大气科学扩充了其传
统的研究内容，出现了许多分支学科，主要
有大气探测、天气学与大气环流、大气动力
学、气候学与全球变化、大气物理学、大气 环境学、大气化学、人工影响天气、应用气 象学等。
大气科学与其它学科的关系
由于人类越来越认识到大气圈与水圈、冰
的斜压概念和环流理论，从此天气学和动力气象
学形成并得到发展。
第二次飞跃:（1860—1940）
第一张天气图：1820年，布兰德斯（德国）
风与气压关系的提出：1857年，白贝罗（荷兰）
最早的气象学专著：亚里士多德《气象汇论》
英国气象学的奠基人---圣比德《自然本质》
现代气象科学的四次飞跃
第一次飞跃: （大约1700—1859年）
气象仪器如温度表、雨量器、气压表等相继发 明，导致对信风和全球大气环流的研究。
各种气象仪器相继问世：空气温度表（1597）、气压 表（1643）、虹吸式自记雨量计（1662）、毛发湿度
大气科学概论
课程内容
第一章 概 述 第二章 大气运动的基本规律
第三章 气旋与反气旋
第四章 关于气团和锋的介绍 第五章 关于天气预报的基本方法和技术 第六章 海气相互作用的产物———厄尔尼诺 第七章 气候变化
本 章 内 容
大气科学的研究对象、内容和
学科体系
大气科学的发展历史、现状及
其在生产建设中的应用
强烈的垂直运动。
中间层内水汽含量更极少，几乎没有云层出现，
在中间层的60—90km高度上，有一个只有白天才出现
的电离层，叫做D 层。
4.热层
气温随高度的增加而迅速增高。其增温程度与太阳活动 有关，当太阳活动加强时，温度随高度增加很快升高。 在热层中空气处于高度电离状态，又可称为电离层，正 是由于高层大气电离层的存在，人们才可以收听到很远 地方的无线电台的广播。 此外，在高纬度地区的晴夜，在热层中可以出现彩色的 极光。