气象学与气候学教案解析

《气象学及气候学》教案

第一章绪论

气候学历经经典、天气气候到现代气候学的发展过程是科学观念的革命，它包括认识和研究方法的根本变革，启示我们从系统中学习气候，学习气候又是为了更好的认识这个地球表层系统。

一、现代自然地理学及气象气候学

1、人类赖以生存的地球——地球表层系统——个相互作用的整体

任何子系统的变化都会影响其他子系统

2、气候系统及地球表层系统——几乎相互覆盖的研究客体，但重点不尽相同。

3、气候系统也包括了地球表层系统中的几个子系统

4、其中，大气圈及自然地理系统其他圈层相互作用中，大气圈最为活跃，是联系各子系统相互作用的重要纽带，是形成自然地理要素地

带性及非地带性分布特点的主要背景之一，也是构成地球表层系统重要圈层

二、大气圈——是处于特定条件下及具有特定成分的气圈

1、气候系统如何起动及运动，其中的热力、动力过程

2、气候系统中各部分的联系，相互作用及耦合的整体过程以及对气候的影响

3、气候的综合性及地域的差异性，以及气候系统的稳定性及敏感性等

三、特定成分及其影响：

1、主要及微量成分

2、微量成分及其特殊作用：—温室气体

—平流层及臭氧层--生命保护层，

—三态共存，参及能量，辐射，及天气过程

四、重力场对大气层的约束及影响：

—在重力的作用下，以地面为下边界，绕地球旋转的圈层。

—影响之一：垂直层结的形成——大气分层：

水平尺度>>垂直尺度。

五、对流层：

是深受下边界(热力及动力)影响的大气最底层，集中了80％的大气质量，也是大气圈层及其它圈层相互作用的主要场所。

六、水汽对大气状态影响之——湿空气状态方程

七、微量气体：

在气候系统中存在着短周期的微循环，成分可变。含量虽少，但对热辐射非常敏感，因而对大气热状态影响很大，人类活动参及了微循环一可造成对大气行为有意或无意的干扰。

影响举例：臭氧层

问题：地面条件如何影响大气活动(热力及动力)—相互作用

第二章大气的热能和温度

——气候系统物理过程之一太阳能启动气候系统的物理过程—形成全球温度差异的地带性及非地带性分布以及周期和非周期变化。地气间的热能交换过程是地表系统中最基本的相互作用和影响过程，它从能量上把几个圈层连接在一起。

一、太阳能进入气候系统

1、主要途径：太阳辐射能地面大气

太阳短波辐射经大气削弱到达地面，吸收成为地面热能

地面及大气热交换：长波辐射热交换—地面有效辐射一

感热输送(传导；对流乱流)—

潜热输送—

意义：地气热交换——气圈和其它圈层相互耦合的重要过程

2、热交换过程不同，控制因子也不同(天文条件、地面性质、干湿条件)，地面对大气的供热状况，物理过程差异也就很大。有：

地带性——纬度差异

非地带性——海陆等差异

3、模型化：辐射差额方程及热量平衡方程

4、大气中几种微量成分的又一影响——大气的温室效应

二、大气中“气块’的温度变化——受制于热力学第一定律(能量守恒)

在大气中表现为：

1、外界(地面)供热可引起气块温度非绝热变化

2、气块垂直运动中气压变化可引起气块温度的绝热变化，变化率为或 (水气参及时)

3、个别气块变温过程

三、“局地”气温变化由气块水平及垂直运动中引起的气块置换引起

1、包含有水平平流，垂直运动及气块非绝热变化三部分，各部

分控制因子及作用各不相同

2、模型化——局地变温方程

四、气层温度的垂直分布()及气块垂直运动时的温度变化()

1、气温垂直分布及气层静力稳定度——重力场对大气行为的又一影响

2、大气静力稳定度对大气垂直运动、垂直热输送及污染物扩散的影响

3、整层气层抬升时，可能发生变化——气层的位势稳定度

五、平均气温的水平分布深受地面条件影响

具有地带性及非地带性

周期性及非周期性

六、结论

由太阳——地面——大气的供热过程，大气最终获得的加热，加热率各处各时各不相同，具有地带性、非地带性及周期性、非周期性差异。

问题：大气圈中各处受热不同形成了气温分布不均，它对气候系统的进一步影响的物理过程。

第三章大气中的水分——

气候系统中水圈及大气圈水交换的实现及影响

的物理过程

水是地球上唯一能在自然条件下三态并存的物体，在相变中伴随有能量、天气、水循环等过程

一、水出入大气的物理过程

1、基本判据 E－e>0

2、地面蒸发快慢及气象条件——温度及水汽扩散的快慢(风及稳定度)

3、凝结——地表及大气中凝结的基本条件：降温

大气中：绝热上升冷却过程——云

地表层：非绝热冷却过程——雾等

二、由水汽——云——降水

1、水滴凝结及增大过程——人工干预的可能性

2、上升运动形式云形降水性质

3、全球降水分布及垂直运动地带性分布

非地带性分布

第四章大气的运动——气候系统物理过程之二

——加热不均及地球旋转对大气运

动状态的影响

一、大气中气压分布不均并随时间而变化

气压差是推动空气块运动的基本动力

1、分布不均的量度——气压梯度，因大气层结性又可分为：

垂直气压梯度(很大)：

意义：在重力场下形成，因此及重力有关，基本上及重力相平衡

模式化：静力方程

应用：压高公式——气压随高度降低快慢及温度关系最密切。

水平气压梯度(很小)：形成水平气压梯度力——成为气块水平运动基本动力

2、分布不均的总体效应——形成了空间气压系统

气压系统的直观表示——等压面或等高面(基本等效)

气压系统的垂直结构——各处均需满足静力学条件，因此气压系统随高度的变化主要及温度分布有关。

分析结构的要点是系统的温度场配置——可分成对称(浅薄、深厚)：不对称(大多数)系统

二、大气中气压不断变化

——大气质量的重分配——大气运动不息

垂直气压差异的形成——重力

水平气压差异的形成——大气加热率不同以及空气的运动

1、因子分析——为什么会重新分配

热力因子：大气水平局地受热不均——水平密度差——水平气压差

动力因子：空气运动中形成质量辐合辐散：

密度平流(冷暖平流)；

垂直运动。(仅影响空中气压变化)

2、过程：

三、大气水平运动的形成——旋转地球对运动特征的影响

1、基本规律：牛顿定律但描述运动及坐标选取有关

旋转坐标系(地球上的观察者)中的惯性力——正确认识地转偏向力、离心力(扩展的牛顿定律)

2、旋转坐标系中的几个平衡运动——气压场及运动场关系的建立

自由大气中：——地转风关系(两力平衡时)

摩擦层中：——修正的风压律(三力平衡时)

在大多数情况下及实际大气十分接近——大气运动处于准动态平衡中

3、在静力平衡条件下，水平气压场结构随高度因温度分布不均而变

地转风关系也随之变化——热成风

四、大气环流

1、大气环流的平均状态——处于气候系统的动态平衡之中——经历各种时空尺度

2、综合的平均状态和瞬时状态——气候及天气

3、瞬时状态处于各种时空尺度(层次)的高度扰动中——由非线性的气候系统所决定(具有稳态及突变，敏感于初始条件等特征)。

五、结论

l、大气整体性的表现——温压场及风场的统一

摩擦层中风的变化

2、问题：大气整体性的表现形式

第五章天气系统

——气候系统的短期过程

一、大气运动的内在过程及统一——旋转地球大气在非均匀加热地表特征作用下的表现形式——大气环流

1、观测事实——从各个角度看大气环流——用二维图表现三维运动

2、进一步认识大气环流的形成及特征