《气候变化科学概论》专题讲座安排-中山大学大气科学学院
《大气科学概论》大气湍流机理和复杂下垫面边界层结构研究
大气湍流机理和 复杂下垫面边界层结构研究
胡非
（大气边界层物理和大气化学国家重点实验室） 2005 年 4 月 9 日
湍流是大气边界层理论研究的核心问题，湍 流也是自然科学著名的难题之一，湍流研究具有 极大的理论意义和实际价值。
难点：能量级串和相干
结构。长期以来始终是国际 上湍流研究的前沿课题。
北面
城市化发展引起下垫面粗糙度和近地层 湍流特性变化（例：北京325米气象塔附近）
下垫面粗糙度： 1987年：0.6 m 1999年: 3.8 m 2002年: 4.3 m
常通量层厚度：
1987年：~ 50m 1999年: ~ 80m 2002年: ~ 100m
南面
2004.8.8 北京325米气象塔15米高度上测得
出“硬湍流”特性 3、实验证实了我们导出的湍流温度场
高阶结构函数理论公式
概念模型－康托集
325米气象塔三层湍流 观测资料计算结果
同步级串是一种自相似级串 ！
我们曾经提出湍流温度场可能出现“硬湍流”，且满足自相 似性级串，由此导出了高阶结构函数的理论公式,但在当时 缺少实验证实。
Kolmogorov 1941：常能量耗散率模型 “2/3定律”
表2、大气湍流吸引子的关联维 u wT k q
黑河(白天) 3.95 4.10 2.26 3.30 － 黑河(晚上) 4.06 4.23 3.98 3.73 － 北京(白天) 3.43 4.13 4.30 4.53 7.03 北京(晚上) 3.63 4.43 4.17 3.64 7.11 美国(白天) 4.10 4.10 5.80 － － （k 代表湍流动能，其余符号为常用）
论文在物理学权威刊物 Phys. Rev.上 发表后，引起国际同行关注。
2.1大气的组成和垂直分层教学设计高中地理人教版必修第一册
（二）讲授新知
1.大气组成：介绍大气的主要成分，如氮气、氧气、二氧化碳等，以及稀有气体、水汽、杂质等。通过图表展示各成分的体积比例，解释各成分对环境的影响。
2.大气垂直分层：讲解大气层从地表到太空的分层结构，包括对流层、平流层、中间层、热层和外层空间。详细介绍各层大气的特点、高度范围、温度变化规律等。
5.拓展阅读：
-推荐阅读一本与大气科学相关的书籍或文章，如《大气科学概论》、《气候变化与大气层》等，拓展知识面。
6.环保主题活动：
-参与学校或社区组织的环保活动，关注大气环境问题，提高环保意识。
作业要求：
1.思考题和实践活动需认真完成，体现学生对知识的理解和运用能力。
2.研究性学习报告要求观点明确、论述清晰，能结合所学知识分析问题。
3.答疑解惑：教师针对学生答题过程中出现的问题进行解答，帮助学生理解和掌握知识。
（五）总结归纳
1.教学活动：对本节课所学内容进行总结，梳理大气组成、大气垂直分层、大气层对生物、气候、天气等方面的影响。
2.学生发言：请学生谈谈对本节课知识的理解和感悟。
3.教师总结：强调大气层知识在实际生活中的应用，鼓励学生关注大气环境问题，提高生已具备一定的地理基础知识，掌握了地球的基本结构和地理环境的基本概念。在此基础上，他们对大气的组成和垂直分层有一定的了解，但可能对大气各层的具体特征、相互关系及其对环境的影响认识不够深入。因此，在教学过程中，应关注以下几个方面：
1.学生对大气组成的认知程度，特别是对稀有气体、温室气体等成分的了解，需要通过实例进行解释和强化。
-结合所学的GIS知识，制作一份关于大气层特征和影响的电子地图，展现各层大气的特点及其对环境的作用。
本科一流课程建设的改革与实践——以现代气候学为例
本科一流课程建设的改革与实践———以现代气候学为例*余锦华，王志福，李忠贤，耿新（南京信息工程大学大气科学学院，江苏南京210044）引言高等教育的根本任务是培养德智体美劳全面发展的社会主义建设者和接班人，教育质量是生命线。
一流课程建设，提高课程教学质量是实现一流本科教育的重要环节。
为贯彻落实习近平总书记关于教育的重要论述和全国教育大会精神，教育部先后发布了《关于一流本科课程建设的实施意见》和《关于开展2019年线下、线上线下混合式、社会实践国家级一流本科课程认定工作的通知》，充分展现了国家高度重视高等教育中课程建设工作。
立德树人是高校之本，所有课堂都有育人功能。
充分挖掘现代气候学课程的思政资源，把做人做事的基本道理、社会主义核心价值观、实现中华民族复兴的理想和责任融入课堂教学中，激励学生自觉把个人的理想追求融入国家和民族事业。
教学中教师将这些铭记于心，充分发挥课程的德育功能，运用德育的学科思维，提炼现代气候学课程中蕴含的文化基因和价值范式，在“润物细无声”的知识传授中融入理想信念层面的精神指引，将是专业课程教学的必然趋势。
南京信息工程大学开设的气候学课程，始于建校之初的1963年，历史悠久，基础雄厚。
经过多年的教学积累，1995年，本校缪启龙教授主编的《气候学》[1]教材正式出版；2010年，课程团队编写的《现代气候学》[2]教材摘要：气候是人类生存和发展的重要环境要素。
气候学是研究气候形成与变化、气候与人类活动关系的学科，是大气科学的重要分支。
20世纪70年代初，气候系统的概念被提出，气候学的发展进入现代气候学阶段，其研究对象从大气圈拓展到包含大气圈、水圈、冰冻圈、陆圈和生物圈的气候系统。
人类活动对气候变化的影响与日剧增，气候系统综合观测技术以及数值模式的发展迅速，使气候变化方面的研究成果日新月异。
为了培养顺应科技发展和国家需求之人才，恪守“为党育人、为国育才”的初心，现代气候学课程建设与时俱进，从教学理念与目标、教学内容、教学设计策略、教学评价等方面进行持续改革和实践。
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。
大气科学概论知识梳理(大气基础知识)
大气科学概论知识梳理（大气的基本知识）一、地球大气成分由三个部分组成①干洁大气（即干空气）Clean Air【没有水汽和悬浮物的空气称为干洁空气】②水汽（滴） Moisture③悬浮在大气中的固液态杂质 Impurity二、低层大气的各种主要成分①氮气（N2)：存在方式：以蛋白质的形式存在于有机体中。
作用：是有机体的基本组成部分，也是合成氮肥的基本原料。
②氧气（O2）：是人类和动植物维持生命活动的极为重要的气体；积极参加大气中的许多化学过程；对有机物质的燃烧、腐败和分解起着重要的作用。
③臭氧（O3）：最大值出现在春季，最小值出现在夏季。
空间变化：水平：由赤道向两极增加。
垂直：55～60km，含量极少。
20～25km，达最大值，形成臭氧层；12～15km以上，含量增加特别显著；从10km向上，逐渐增加；近地面，含量很少；臭氧的作用：a.对紫外线有着极其重要的调控制作用。
b.对高层大气有明显的增温作用。
④二氧化碳（CO2)水平：城市大于农村；垂直：0～20km，含量最高；20km以上，含量显著减少。
作用：a.绿色植物进行光合作用不可缺少的原料。
b.强烈吸收长波辐射（地面辐射、大气辐射），使地面保持较高的温度，产生“温室效应”。
三、水汽①来源：主要来自江、河、湖、海、潮湿陆面的水分蒸发以及植物表面的蒸腾。
②时空变化：时间：夏季多于冬季空间：一般低纬多于高纬，下层多于上层。
③作用：a.在天气气候变化中扮演了重要角色。
b.能强烈吸收地面放射的长波辐射并向地面和周围大气放出长波辐射，对大气起着“温室效应”。
四、大气中的杂质在大气中悬浮着的各种固体和液体微粒（包括气溶胶粒子和大气污染物质两大部分）。
气溶胶的作用：①吸收太阳辐射，使空气温度增高，但也削弱了到达地面的太阳辐射；②缓冲地面辐射冷却，部分补偿地面因长波有效辐射而失去的热量；③降低大气透明度，影响大气能见度；④充当水汽凝结核，对云、雾及降水的形成有重要意义。
大气科学概论重点
绪论1.*大气科学是研究地球大气中各种现象的演变规律，以及如何利用这些规律为人类服务的一门学科。
2.*大气科学的研究对象主要是覆盖着整个地球的大气圈，特别是地球表面的低层大气和地球的水圈、岩石圈、生物圈、是人类赖以生存的主要环境。
3.*大气科学的内容可概括成四个方面：①地球大气的一般特征（如大气的组成、范围、结构等）；②大气现象发生、发展的能量来源、性质及其转化；③解释大气现象，研究其发生、发展的规律；④如何利用这些现象预测、控制和改造自然（如人工影响天气、大气环境预测和控制）。
4.大气科学研究的特点：①研究大气科学不能仅限于大气圈；②大自然是大气科学研究的实验基地；③国际合作是推动大气科学发展的必要途径。
学科分支：主要为气象学和气候学。
5.大气化学是研究大气组成和大气化学过程的学科。
研究内容主要包括大气的化学组成及演变、大气微量气体及其循环、大气气溶胶、大气放射性物质和降水化学等。
第一章大气概述一、问答题：1.说明“天气”和“气候”的定义和区别，答：天气描述的是一个特定时间与一个特定地点的大气状态和大气现象。
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。
也就是说，气候是在一定时段内由大量天气过程综合平均得出的，它与天气之间存在着统计联系。
2.大气中二氧化碳成分增加的原因及其可能的后果是什么？答：大气中二氧化碳成分增加的原因归因于化石燃料（如煤炭、石油、天然气等）燃烧量的不断加大。
后果是低层大气的温度会由此而升高，从而引起全球气候的变化。
3.为什么水汽和尘埃是大气的重要成分？答：水汽是云和降水的源泉。
水汽是唯一能在常态中以三种相态存在的物质（固态、液态、气态）随着大气的垂直运动，空气中的水汽会发生凝结或凝华，形成雨滴或冰晶，进而产生云和降水。
尘埃可以作为大气中水汽凝结或冻结的核心，是形成云、雾和降水的重要条件；它们能吸收和散射太阳、大气和地面的辐射，改变地球的辐射平衡；使大气能见度和空气质量变坏。
大气科学专业介绍
专业名称:大气科学概述: 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），这些现象的演变规律，以及如何利用这些规律为人类服务的一门学科。
大气科学是地球科学的一个组成部分。
大气科学的分支学科主要有大气探测、气候学、天气学、动力气象学、大气物理学、大气化学、人工影响天气、应用气象学等。
它的研究对象主要是覆盖整个地球的大气圈。
此外，还研究太阳系其他行星的大气。
大气圈，特别是地球表面的低层大气，以及和它相关的水圈、岩石圈、生物圈是人类赖以生存的主要环境。
大气的各种现象及其变化过程，既可带来雨泽和温暖，造福人类；也可造成酷暑严寒，以至旱涝风雹等灾害，直接影响人类的生产和安全。
人类在生产和生活的过程中，也不断地影响着自然环境(包括大气)。
如何认识大气中的各种现象，如何及时而又正确地预报未来的天气、气候，并对不利的天气、气候条件进行人工调节和防御，是人类自古以来一直不断探索的领域。
随着科学技术和生产的迅速发展，大气科学在国民经济和社会生活中的巨大作用日益显著，其研究领域已经越出通常所称的气象学的范围。
历史: 大气科学是地球科学的一个组成部分,是一门研究各种天气气候豹形成、发晨、规律,并用以分析长、中、短期天气气候变化的专业。
它的研究对象主要是覆盖整个地球的大气圈。
17世纪以前,人们对大气以及大气中各种现象的认识完全依靠直觉和经验。
1820年,德国人布兰德斯利用大气研究的资料,开创了近代天气分析和天气预报的方法。
大气的观测开始利用热气球、飞机等工具进行空中探测。
50年代以后,由于各种新技术特别是气象卫星和电子计算机的采用,大气科学有了突飞猛进的发展。
未来: 随着经济全球化和工业化的进一步发展,气候预测以及区域环境监测的作用也越来越大,人们可以利用大气科学来提高利用自然、抵御灾害的能力,大气科学对保护人们的生命财产具有重要意义。
毕业要求: 要求考生具备较好的数学、物理、化学基础。
经常看有关大气层变化的书籍,了解什么是积雨云层。
大气科学概论知识梳理（大气基础知识）
⼤⽓科学概论知识梳理（⼤⽓基础知识）⼤⽓科学概论知识梳理（⼤⽓的基本知识）⼀、地球⼤⽓成分由三个部分组成①⼲洁⼤⽓（即⼲空⽓）Clean Air【没有⽔汽和悬浮物的空⽓称为⼲洁空⽓】②⽔汽（滴）Moisture③悬浮在⼤⽓中的固液态杂质Impurity⼆、低层⼤⽓的各种主要成分①氮⽓（N2)：存在⽅式：以蛋⽩质的形式存在于有机体中。
作⽤：是有机体的基本组成部分，也是合成氮肥的基本原料。
②氧⽓（O2）：是⼈类和动植物维持⽣命活动的极为重要的⽓体；积极参加⼤⽓中的许多化学过程；对有机物质的燃烧、腐败和分解起着重要的作⽤。
③臭氧（O3）：时空变化：最⼤值出现在春季，最⼩值出现在夏季。
空间变化：⽔平：由⾚道向两极增加。
垂直：55～60km，含量极少。
20～25km，达最⼤值，形成臭氧层；12～15km以上，含量增加特别显著；从10km向上，逐渐增加；近地⾯，含量很少；臭氧的作⽤：a.对紫外线有着极其重要的调控制作⽤。
b.对⾼层⼤⽓有明显的增温作⽤。
④⼆氧化碳（CO2)空间变化：⽔平：城市⼤于农村；垂直：0～20km，含量最⾼；20km以上，含量显著减少。
作⽤：a.绿⾊植物进⾏光合作⽤不可缺少的原料。
b.强烈吸收长波辐射（地⾯辐射、⼤⽓辐射），使地⾯保持较⾼的温度，产⽣“温室效应”。
三、⽔汽①来源：主要来⾃江、河、湖、海、潮湿陆⾯的⽔分蒸发以及植物表⾯的蒸腾。
②时空变化：时间：夏季多于冬季空间：⼀般低纬多于⾼纬，下层多于上层。
③作⽤：a.在天⽓⽓候变化中扮演了重要⾓⾊。
b.能强烈吸收地⾯放射的长波辐射并向地⾯和周围⼤⽓放出长波辐射，对⼤⽓起着“温室效应”。
四、⼤⽓中的杂质在⼤⽓中悬浮着的各种固体和液体微粒（包括⽓溶胶粒⼦和⼤⽓污染物质两⼤部分）。
⽓溶胶的作⽤：①吸收太阳辐射，使空⽓温度增⾼，但也削弱了到达地⾯的太阳辐射；②缓冲地⾯辐射冷却，部分补偿地⾯因长波有效辐射⽽失去的热量；③降低⼤⽓透明度，影响⼤⽓能见度；④充当⽔汽凝结核，对云、雾及降⽔的形成有重要意义。
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许吟隆，中国农业科学院农业环境与可持续发 展研究所研究员。 “十五”期间主持国家科技攻关课题， “十一五”期间主持国家科技支撑计划课题。 目前主持农业部948重点项目：“中国农业适应 气候变化关键技术引进”;担任ACCC项目自然影 响评估部分的技术协调人。曾参与撰写《中华 人民共和国气候变化初始国家信息通报》(第三 章主笔)及作为领衔专家之一组织撰写中国《气 候变化国家评估报告》(2007)，为北京气象学 会理事、中国农学会农业气象分会理事、IRDRCHINA专家委员会委员。
效存德 邵雪梅
张华 周天军
周波涛 罗勇
姜克隽 巢清尘/高云/陈文颖
上课地点：珠海中山大学伍舜德国际学术中心2楼报告厅
《气候变化科学概论》专题讲座安排
效存德，北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验 主任、博导。 为中国科学院“百人计划”入选者，国家杰出青年基 金获得者；获世界气象组织（WMO）青年科学家研究奖， 国家海洋局科技创新一等奖；获“中央国家机关十大杰出 青年”、“全国先进工作者”、“全国优秀科技工作者” 等荣誉称号。 主要国际学术任职包括国际冰冻圈科学协会副主席、 国际南极科学委员会南极与全球气候系统计划科学指导组 成员、世界气候研究计划气候与冰冻圈计划科学委员会成 员、世界气象组织气候学委员会成员、IUGG/IAMAS极地气 象委员会成员、IPCC AR5章主审、中国冰冻圈科学学会秘 书长、中国第四纪研究会理事、中国气象学会气候变化委 员会理事、中国海洋学会极地科学委员会副主任、 《Science of Cold and Arid Regions》编委等。
陈文颖，清华大学能源环境经济研究所，教授， 副所长。 作为负责人承担国家“十一五”、“十二 五”科技支撑计划课题、973课题、国家发改委 低碳发展宏观战略课题、国家自然科学基金课 题、欧盟第六/七框架计划课题等30余项。发表 论文百余篇、专/合著20余部，担任《第二次气 候变化国家评估报告》与《第三次气候变化国 家评估报告》领衔专家。主要从事能源模型、 气候变化应对对策等的研究。《IPCC第五次评 估报告: 减缓气候变化》及《IPCC第五次评估 综合报告》的编审。
廖宏，南京信息工程大学环境科学与工程学院 院长、博导。 中国科学院"百人计划"入选者；2008年获 国家杰出青年基金；2016年获首届“全国杰出 科技人才”奖；中国科学院战略性先导科技专 项项目"我国气溶胶历史变化及气候效应"和科 技部973项目"大气污染物的理化特征及其与气 候系统相互作用"首席科学家。 现任WCRP/Joint Scientific Committee委 员及官员、WCRP中国委员会副主席、GEOS-Chem 模式科学指导委员会委员、“Atmospheric Environment"期刊编委。
许吟隆，中国农业科学院农业环境与可持续发展 研究所气候变化研究室研究员 “十五”期间主持国家科技攻关课题、“十 一五”期间主持国家科技支撑计划课题、目前主 持农业部948重点项目、主持气候科学的“利用 PRECIS构建中国区域高分辨率气候情景”和“国 家水平的气候变化影响与风险评估研究”2项课 题研究。 曾参与撰写《中华人民共和国气候变化初始 国家信息通报》(第三章主笔)及作为领衔专家之 一组织撰写中国《气候变化国家评估报告》 (2007);为北京气象学会理事、中国农学会农业 气象分会理事、IRDR-CHINA专家委员会委员。
巢清尘，国家气候中心副主任、研究员级高工、 博士。 研究领域为气候系统分析及相互作用、气候 风险管理以及气候变化政策研究。任全球气候观 测系统（GCOS）指导委员会委员；中国气象学会 气候变化与低碳经济委员会主任委员、中国气象 学会气象经济委员会副主任委员、全国气候与气 候变化标准化技术委员会副主任委员、中国未来 海洋联盟副理事长等。第三次国家气候变化评估 报告编写专家组副组长。2003年起作为中国代表 团成员参加联合国气候变化框架公约（UNFCCC） 和政府间气候变化专门委员会(IPCC)工作。曾任 中国气象局科技与气候变化司副司长。
《气候变化科学概论》专题讲座安排
7月6日
上午（8:30-9:50） 上午（10:10-11:37月8日
高学杰 董文杰
7月9日
姜彤 8:30-9:30 吴绍洪/罗亚丽 9:40-10:40 许吟隆 10:50-11:50
下午（14:30-15:50） 下午（16:10-17:30）
罗亚丽，中国气象科学研究院灾害天气国家重 点实验室首席研究员、博导。 2003年获得美国宇航局集体成就奖，2013 年入选首批中国气象局科技领军人才，2016年 获得邹竞蒙气象科技人才奖。 世界气象组织季风委员会剧烈季风天气专 家组联合主席，世界天气研究计划“华南季风 降水试验”（SCMREX）研究发展项目首席科学 家。中国气象学会数值预报专业委员会委员， 《气象学报》、《气象》和《气象科技进展》 编委。中国科学院大学研究生院兼职教授。