大气科学概论

大气科学概论
An introductory survey of Atmospheric Sciences J. Wallace and P. Hobbs
l. Introduction and overview
• Atmospheric Sciences: 研究行星地球大气的结构与演变Structure and evolution 发生在大气中的许多现象Phenomena 其内容在近几十年来，有很多变化， 30 年前，主要内容是天气预报，weather forecasting, 风暴产生的过程Processes ， 辐射平稳radiation balances.
大气化学的进展
• 数十年前，大气化学主要关心城市空气质 量问题，燃煤排放的 sulfur dioxide (so2), Oxides of sulfur and nitrogen （NO, NO2, N2O5) 溶解于云滴中，形成 weak solutions of sulfuric and nitric acids , 这时 下雨就形成了酸雨，对植物与农作物造成 伤害。 排放源会影响到下游公里到数千公里
CO2的增加：人为因素
——
人为因素的证据
• “欧洲南极冰核” 计划：在过去的65万年 里，大气中二氧化碳的含量从未超过300PPM （百万分之三百），而目前的二氧化碳含量 则达到了380PPM，比工业化前的最高值还要 高27％。这清楚地表明人类活动是如何影响 到温室气体的含量的。
各种温室气体加热地球表面，功率大约2W/m2，相当于在地球 上每平方米面积上点燃了两个1W的小电灯泡。由于海洋吸收了
l. TC的路径预报
随着观测手段的改进，观测资料的质量和数量
大为改观，而资料同化、集合预报技术的应用和数 值天气预报模式精度的提高和物理过程的完善，使 得TC路径预报的误差在过去10-20年的时间里大大减 小。
• 大西洋地区TC路径的准确率逐步提高，01-05年5年间， 预报时间(小时) 24 36 48 72 96 120 误差（海里） 65 91 118 171 231 300
• 从此可计算出未来的u
• 由于初值，计算与物理方程的误差，使得 预报出现误差， • 目前利用统计，集成等方法来加以补充， 来提高预报准确率
Progress of short range weather forecasting
• 从图可以见到，现在的５天预报的水平， 相当于二十年前的３天预报的水平
• Climate is what you expect, weather is what you get
天气预报的进展
• 从预报时效来看，由Day-to-day (short time range forecasting )延伸到3-7天天气预报 • 发展了Nowcasting (very short time range forecasting, hourly forecasting，0-6小时) • 中期预报Medium range forecasting • 长期预报）Long range forecasting • 气候预报Climatological forecasting
平 自 面厘 将米世 上。纪 升据末 预以 厘测来 米，， 甚到海 平 至 更世面 多纪约 。末上 ，升 海约 10 21
19
50
海水入侵
• 海平面升高，海水侵入沿岸含水层并逐渐向 内陆渗透，这种现象被称为海水入侵 • 海水入侵的直接后果是地下淡水受到海水的 污染、沿岸土地盐碱化、水源受到破坏。 • 现在，我国整个东部沿海地带都发生了海水 入侵，目前大连市的一些水源地氯含量使水源 地已面临废弃的危险。
极端天气气候事件
干旱与荒漠化
由于全球气温的升高，地表水分加速向空中蒸发， 即使降雨量有所增加，多数地区也会形成干旱。 Dai(2005): ２０世纪７０年代，全球严重干旱地区 占陆地面积的１０％至１５％，而到２００２年已达 到约３０％，这一增长的一半可归因于气温升高而不 是降水量下降，实际上同期全球平均降水量还略有增 长。
• u, v 为水平风速， • 风向是指风的来向，例如西风是从西边吹 来的风， • 牛顿力学 加速度＝外力之和 =气压梯度力＋折向力＋摩擦力
dV 1 p ｆ ｋ Ｖ ＋摩擦力 dt dV 0， 摩擦力 ０ dt 1 fk V p

地转风平衡
• 在旋转的地球上，存在一种力，称之为折 向力，这个力作用于运动方向的右侧（北 半球），使运动方向改变，所以称它折向 力，有时称之为偏向力， • 压力高的流体会向压力低的地方推动，这 称气压梯度力,(注意梯度与气压梯度力的差 别）
Ｋ Ｋ … …
真实的地球并不是真正的形球，而 是一个球体，见图，这样的坐标， 称之为气象标准坐标
dx d u RE cos 速度纬向分量 dt dt dy d v RE 经向分量 dt dt dz w 垂直分量 dt
V ui vj wk du u u u u u v w , 局地变化＋平流变化 dt t x y z 大尺度大气运动的主要特点：u , v w, 而中小尺度三者的大小是相同 u, v通过观测直接得到， 而w一般通过间接方法算得
• 外力平衡时，则无加速度， • 大气中的大尺度运动，如波动，气旋，反气旋等 系统，磨擦力一般来说，可忽略不计（边界层除 外）通常气压梯度力与折向力相互平衡， • 这时的风，气象上称为地转风， • 背风而立，右手为高压，有时称之为Buys-Ballot 定律 • 利用此规律可判断高，低压在观测点的什么方向
• 节能减排是当前的主要 工作 • 也是影响人类生存的重 大决策
ll. 大气的基本性质与垂直结构
• 2.1 描述大气运动的基本关系式 近似地把地球看作一个球体，地球上大气运 动，可用球坐标来表示， 见下图
• 坐标为纬度 ，经度与高度，Latitude, Longitude. And hight. • 从某一经度，例如Greenwicn 经线出发，沿纬圈 向东的距离为x， • 赤道向北移动的距离为y, • 离地心的距离为r, 由于大气的厚度， 不到地球的 半径的1%，可以近似地用地球半径Re来代替，
Greenhouse effect and global warming
• 二氧化碳 carbon dioxide ,与其他示踪气体 如甲烷methane 等通称的温室气体，这种 气体的存在，将使大气的温度升高，导致 全球增暖Global warming • 这是当前的一个重要问题,节能减排是当前 的重要政策
Methods of weather forecasting
• 从方法上来看，由天气图分析，经验外推 的主观Subjective (Experiences )，发展为 基于流体力学的数值方法Objective (Numerical weather forecasting) • Statistic +NWF • Assembly NWF
• 问题： • 南京吹东北风，你能估计出台风中心位在 南京何方
• 从静力方程出发，我 们有
p g , 其中p为气压， 为密度， 利用状态方程 z p RT 其中T为温度, 如此， 有 p pg p z RT H RT H 称为大气标高 g
F g p
• 数值预报是，把描述大气运动的一组偏微分方 程，利用大型，快速的计算机，用数值方法求 解，预测出未来大气的运动情况， • 例如，运动方程为
u u u u 1 p 2u u v w fv k 2 t x y z x z t 0, u u0
臭气洞的发现
• 80年代，发现在每年春季，南极上空的平 流层出现臭氧洞 (Ozone hole)，见下图 • 其原因是冰箱与工业中应用的CFCs 氯氟碳 化物，氯氟烃 (chlorofluorocarbons ) 与平 流层的云中，与臭氧发生反应
,
• ２5km高处，氧分子由于太阳紫外辐射 （ultraviolet radiation)的光解作用 （photodissociation)成为氧原子，它很快 与氧分子结合为臭氧， • 臭氧吸收紫外辐射，保护生物细胞为紫外 线杀伤 • 臭氧洞的出现,对人类健康农作物生长都有 不利:影响 • 控制CFCs的排放是重要问题
当今气候施扰因素——温室气体
二氧化碳 水汽 微量气体
• 温室气体吸收本应从地球表面及 大气中逸出到太空的红外热辐射， 象给大气盖了一张毯子； • 若无这些温室气体，地表温度只 能保持在-6度左右；这些气体的 存在才使得地表温度得以保持15 度左右——“温室效应” • 二氧化碳是数量最多的温室气体
Mauna Loa 月平均的co2含量隋时 间变化曲线
……
全球变暖与国家利益 密切相关
冰川消退
全球气候的小幅度波动虽然并不为人明显发觉，
但对于冰川来说则有显著影响了。气温的轻微上
升都会使高山冰川的雪线上移，海洋冰川范围缩 小。
Marr Glacier in the Antarctic peninsula, which is receding.
• 海平面升高
全球性气温上升，导致海水受热膨胀、高山
冰川融化、南极冰盖解体，使得海平面上升，人
类被迫迁居内陆。 使冰融化而让海平面升高1m所需要的热量大 约是12W· 年/m2 (就全球平均而言) ，即如果地球
的能量失衡达到1W化 ， 也 能 提 高 海 平 面
• 从此可见，co2是隋时间增大， • Co2含量的变化, 是影响气候增暖的一个重 要因子 • Co2增大，温度升高
CO2的气候效应问题
CO2含量的变化会引起全 球气温的变化
在约15万年前，大气中 的CO2含量也曾有激烈增 加的现象，说明工业革 命不是大气中CO2含量增 加的唯一原因。
过去16万年来气温(据氢同位素 推算）和CO2含量（据南极地区 冰芯资料推算）的变化。