氣象學與氣候學

關于氣象學與氣候學第1頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三第2頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三由于旱情持續(xù)，截至2010年2月28日，云南省蒙自縣冷泉鄉(xiāng)索本底等5個自然村近200戶人家只能靠本地接近干枯的山泉作飲用水和生活用水。云南今年遭遇50年一遇的特大旱災，2010年2月2日，昆明市石林縣高石哨綠塘子水庫干旱的露出了池底。2011年5月鄱陽湖成為大草原第3頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三11月4日，北京市氣象臺發(fā)布了暴雪紅色預警信號。這是北京自有預警制度以來首個暴雪紅色預警。目前全市降水量平均值達到55.6毫米，最大降水量為99.6毫米，達到北京市有氣象記錄以來“冬半年”最大值。持續(xù)時間超過40小時

據市氣象臺統(tǒng)計，整個降雨雪過程中，從3日8時至4日20時，全市平均降水量為56毫米，城區(qū)平均降水量為62毫米，東南部地區(qū)平均降水量為68毫米，降水量最大的是海淀鳳凰嶺，達到99.6毫米，積雪深度最大的是延慶站，達到47.5厘米。

第4頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三緒論

一、研究對象和分科二、大氣、天氣、氣候、氣候系統(tǒng)概念三、研究方法四、發(fā)展簡史

第5頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三0.1氣象學與氣候學的研究對象和分科大氣科學的定義：研究大氣中各種現象、過程的成因和時空分布規(guī)律，以及如何利用這些規(guī)律為人類服務研究對象：主要是覆蓋整個地球的大氣圈；研究內容：大氣科學分支學科中大氣探測學、大氣物理學、大氣化學、天氣學、氣候學的基礎知識。3.學科分支

主要分支學科有大氣探測、氣候學、天氣學、動力氣象學、大氣物理學、大氣化學、人工影響天氣、應用氣象學。第6頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三大氣：包圍著地球的整個空氣層天氣：指某一地區(qū)在某一短時間內大氣中氣象要素（如溫度、濕度等）和天氣現象(如云、霧等)的綜合。氣候：某地在太陽輻射、下墊面性質、大氣環(huán)流和人類活動長期相互作用下所產生的天氣綜合。區(qū)別：時間尺度：天氣短，氣候長天氣變化多端，氣候比較穩(wěn)定少變氣候具有顯著的區(qū)域性，而天氣不明顯聯系：氣候以天氣為基礎，是天氣的綜合；天氣是以氣候不同為背景氣候系統(tǒng)：由大氣圈、水圈、巖石圈、冰雪圈和生物圈組成的整個系統(tǒng)，以及系統(tǒng)內各子系統(tǒng)之間一系列復雜的相互作用過程。0.2大氣、天氣、氣候、氣候系統(tǒng)概念第7頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三0.3氣象學和氣候學的研究方法

氣象觀測：地面觀測、高空觀測、遙感技術天氣與氣候分析：天氣氣候圖分析、四維分析、統(tǒng)計分、診斷分析天氣與氣候的數值模擬第8頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三1.萌芽時期：十六世紀中葉以前感性認識和經驗形成階段，萌芽時期我國和希臘是露過鋒芒的，氣象學與天文學是混在一起的，可以說具有天象學的性質。我國發(fā)展：殷商的“卜旬”、涉及物候的典籍、漢唐觀測天氣的儀器；國外發(fā)展：希臘亞里斯多德著《氣象學》。

2.發(fā)展初期：十六世紀中葉到十九世紀末氣象觀測階段：溫度表（伽利略）、氣壓表（托里拆利）主要研究成果：關于海平面上風壓關系定律、氣旋模式和結構、大氣中光電現象和云雨形成的初步解釋，大氣環(huán)流的若干現象解釋等0.4氣象學與氣候學的發(fā)展簡史第9頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三3.發(fā)展時期：二十世紀以來早期：二十世紀五十年代前氣象學方面：鋒面學說、長波理論、降雨學說氣候學方面：氣候型、氣候分類法近期：二十世紀五十年代以后電子計算機和新技術，如雷達、激光和人造衛(wèi)星等的使用氣象學方面：大規(guī)模觀測試驗、數值模擬試驗；氣候學的科學革命我國氣象學、氣候學的奠基人竺可楨（1928年在南京北極閣建立氣象臺）。氣象衛(wèi)星竺可楨多普勒天氣雷達站第10頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三衛(wèi)星云圖對流云云頂越高溫度越低副高第11頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三第1章大氣的成分、狀態(tài)與結構

一、大氣的組成二、大氣的垂直結構第12頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三1.1大氣的成分（干空氣、水汽、氣溶膠粒子和污染物質）1.干潔空氣（1）定義：指大氣中除去水汽、液體和固體微粒以外的整個混合氣體。（2）成分（附圖）

①氮（地球上生命體的基本成分）②氧（維持生命的活動）③氬（惰性氣體）氮+氧+氬=99.95%第13頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三干潔空氣的組成結構第14頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三

④二氧化碳（光合作用；大氣保溫效應）⑤臭氧（地球生命的保護傘：強烈吸收太陽輻射中的紫外線）圖大氣臭氧濃度隨高度的變化第15頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三圖各高度上氧和氮的組成比例第16頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三2.水汽（唯一發(fā)生相變的大氣成分）

（1）來源：陸面、水面蒸發(fā)和植物蒸騰（2）含量:占整個地球總水量的0.001%（3）重要性：產生天氣變化的重要因素，直接影響地面和低層大氣的溫度。3.固態(tài)、液態(tài)微粒（氣溶膠粒子，影響大氣和地面溫度，但對成云致雨起到重要作用）

4.大氣污染物質（粉塵、一氧化碳、二氧化硫、一氧化氮、硫化氫等）第17頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三氣象小常識：PM2.5PM2.5：指大氣中直徑小于或等于2.5微米的顆粒物，也稱為可入肺顆粒物世界2001年至2006年PM2.5平均值分布圖

灰霾天氣第18頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三1.2大氣的垂直結構（按熱力結構分層）第19頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三1.2.1對流層（0~12km）溫度隨高度遞減（平均每100米下降0.65℃）；有強烈的對流運動；氣象要素水平分布不均勻。第20頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三1.2.2平流層（12~55km）氣溫隨高度增加而顯著遞增；水汽、雜質極少，透明度好；空氣以平流為主，氣流穩(wěn)定。第21頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三1.2.3中間層（55~80km）氣溫隨高度增加迅速降低；對流運動強烈（又稱為上對流層）。

第22頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三1.2.4暖層（80~800km）

溫度隨高度增加而迅速增高；空氣處在高度電離狀態(tài)（又稱為電離層）。

第23頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三1.2.5散逸層（暖層以上）

空氣極其稀薄，溫度高；空氣質點運動速度快，大氣質點不斷逃逸到宇宙太空。第24頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三大氣分層高度(km)氣溫變化原因氣流運動特征與人類的關系對流層0~12遞減地面為主要直接熱源對流運動顯著影響人類一系列的生產、生活活動平流層12~55遞增靠臭氧層吸收紫外線增溫以平流運動為主人類生存環(huán)境的天然屏障，利于高空飛行中間層55-80遞減離地面熱源遠、臭氧少對流運動強烈無線電通訊（D層）暖層（電離層）80~800遞增氮、氧吸收太陽紫外線輻射空氣密度很小無線電通訊（E、F層）、人造衛(wèi)星散逸層800以上略有遞增空氣極其稀薄空氣質點運動速度很快受地球引力很小大氣分層結構比較第25頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三按磁特性分層：中性層、電離層、磁層按化學成分分層：均質層，非均質層第26頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三第2章大氣的熱能和溫度

一、輻射的基本知識二、太陽輻射三、地—氣系統(tǒng)長波輻射四、輻射差額五、大氣的增溫和冷卻第27頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三2.1輻射的基本知識輻射的概念電磁波普（圖2——1）輻射能的特征量物體對輻射能的作用熱輻射的基本定律：基爾荷夫定律；普朗克定律；斯蒂芬—玻爾茲曼定律；維恩位移定律第28頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三2.2太陽輻射2.1太陽輻射光譜的太陽常數太陽輻射光譜第29頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三太陽常數：在日地平均距離條件下，地球大氣上界垂直于太陽光線的面上所接受的太陽輻射通量密度，稱為太陽常數。以S.表示，單位為W/m2。太陽常數是一個相對穩(wěn)定的常數，依據太陽黑子的活動變化，他所影響到的是氣候的長期變化，而不是短期的天氣變化。第30頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三2.2太陽輻射在大氣中的減弱大氣對太陽輻射的吸收第31頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三大氣對太陽輻射的散射1.散射的本質2.散射的分類第32頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三云層和塵埃對太陽輻射的反射反射作用是大氣中的云層和塵埃，具有反光鏡的作用，可以把投射其上的太陽輻射的一部分，又反射回宇宙空間。第33頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三陽傘效應陽傘效應是由煙塵增多形成的。人類的生產與生活活動，導致大氣中的煙塵越來越多。懸浮在大氣中的煙塵，一方面將部分太陽輻射反射回宇宙空間，削弱了到達地面的太陽輻射能，使地面接受的太陽能減少；另一方面吸濕性的微塵又作為凝結核，促使周圍水汽在它上面凝結，導致低云、霧增多。這種現象類似于遮陽傘，因而稱“陽傘效應”。陽傘效應的產生使地面接受太陽輻射能減少且陰、霧天氣增多，影響城市交通等。第34頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三2.3到達地面的太陽輻射有兩部分：直接輻射：太陽以平行光線的形式直接投射到地面上。散射輻射：經過散射輻射后自天空投射到地面上。二者之和稱為總輻射。第35頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三1、直接輻射：太陽高度（角）、大氣透明度（1）太陽高度角（h）：太陽光線與水平面間的夾角；h不同，地表單位面積上所獲得的太陽輻射也就不同。第36頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三h越小，等量的太陽輻射散布的面積就越大，地表單位面積上所獲得的太陽輻射就越小第37頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三h越小，太陽輻射穿過的大氣層越厚地球O點的地平線OACh2h1h1>h2AO<CO太陽輻射被減弱也較多（吸收、反射、散射等），到達地面的直接輻射就較少。

一個大氣質量：地面為標準氣壓（1013hpa）時，太陽光垂直投射到地面所經路程中，單位截面積的空氣柱的質量。

h不同，大氣質量數不同；大氣質量數隨h減小而增大。

P29表2·1第38頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三不同太陽高度角時的大氣質量數h90°60°30°10°5°3°1°0°m11.152.05.610.415.427.035.4第39頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三（2）大氣透明度用透明系數（p）表示指透過一個大氣質量的輻射強度與進入該大氣的輻射強度之比。即當太陽位于天頂處，在大氣上界太陽輻射通量為I0，而到達地面后為I，則：

p=I/IoP表明輻射通過大氣后的削弱程度，如：p=0.7，表示削弱了30%P決定于大氣中所含水汽、水汽凝結物和塵粒雜質的多少；多，大氣透明度差，P小，太陽輻射被減弱得多，到達地面的太陽輻射相應減少。第40頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三直接輻射有明顯的年變化、日變化和隨緯度的變化。主要由

h決定：隨緯度的變化：低緯地區(qū)一年四季h都很大，地表得到的直接輻射比中、高緯地區(qū)大得多。第41頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三日變化：日出、日落時，h最小，直接輻射最弱；中午，h最大，直接輻射最強。年變化：夏季最強，冬季最弱。第42頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三2、散射輻射：太陽高度角、

大氣透明度天空散射輻射就是大氣對空中的太陽直接輻射進行散射及反射而產生的。h大，到達近地面的直接輻射增強，散射輻射也相應增強；h小，弱。（與直接輻射同向）大氣透明度，不好，參與散射作用的質點增多，散射輻射增強；好，減弱。（與直接輻射反向）云：能強烈地增大散射輻射。P29圖2·11日、年變化，也主要決定于h的變化，一日內正午前后最強，一年內夏季最強。第43頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三3、總輻射變化規(guī)律，比太陽直接輻射和散射輻射要復雜些，它是二者變化規(guī)律的綜合。但在晴朗的日子里，它的強弱主要由太陽直接輻射決定。年變化與直接輻射基本一致，夏季最大，冬季最小。

日變化日出前：散射輻射日出后：h增大，直接輻射和散射輻射逐漸增加，直接輻射增加快h=8o：直接輻射=散射輻射h=50o：散射輻射：10~20%；直接輻射：80~90%中午：直接輻射和散射輻射均達最大值中午后；二者按相反次序變化云的影響可使這種規(guī)律受到破壞。第44頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三第45頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三隨緯度的分布一般：緯度越低，總輻射越大；反之，小。P30表2·21、可能總輻射，隨緯度降低而增加；低緯，h大，總輻射大，最大值在赤道。2、有效總輻射，小了很多，可見云層的影響很大。3、有效總輻射，一般隨緯度降低而增加，但最大值不在赤道，而在20oN，因赤道附近云多，太陽輻射減弱得也多。第46頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三第三節(jié)地—氣系統(tǒng)的長波輻射地面輻射：地面輻射是地表面這種以其本身的熱量日夜不停地向外放射輻射的方式。由于地表溫度比太陽低得多(地表面平均溫度約為300K)，因而，地面輻射的主要能量集中在1～30微米之間，其最大輻射的平均波長為10微米，屬紅外區(qū)間，與太陽短波輻射相比，稱為地面長波輻射。第47頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三大氣輻射指的是大氣吸收地面長波輻射的同時，又以輻射的方式向外放射能量，大氣這種向外放射能量的方式，稱為大氣輻射。由于大氣本身的溫度也低，放射的輻射能的波長較長，故也稱為大氣長波輻射。第48頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三大氣對長波輻射的吸收作用第49頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三大氣逆輻射與溫室效應大氣吸收地面長波輻射的同時，又以輻射的方式向外放射能量。大氣輻射的方向既有向上的，也有向下的，大氣輻射中向下的部分，因為與地面輻射方向相反，稱為大氣逆輻射。大氣逆輻射是地面獲得熱量的重要來源。由于大氣逆輻射的存在，使地面實際損失的熱量比地面以長波輻射放出的熱量少一些，大氣的這種保溫作用稱為大氣的溫室效應。這種大氣的保溫作用使近地表的氣溫提高了約18℃。月球則因為沒有象地球這樣的大氣，因而，致使它表面的溫度晝夜變化劇烈，白天表面溫度可達127℃，夜間可降至-183℃。第50頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三第51頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三第52頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三第53頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三地面有效輻射地面放射的輻射與地面吸收的輻射之差，稱為地面有效輻射。地面有效輻射的強弱隨地面溫度、空氣溫度、空氣濕度及云況而變化。(1)根據輻射強度的關系，地面溫度增高時，地面輻射增強，如其它條件(溫度、云況等)不變，則地面有效輻射增大。(2)空氣溫度高時，大氣逆輻射增強，如其它條件不變，則地面有效輻射減小。(3)空氣中含有水汽和水汽凝結物較多，則因水汽放射長波輻射的能力比較強，使大氣逆輻射增強，從而也使地面有效輻射減弱。(4)天空中有云，特別是有濃密的低云存在，大氣逆輻射更強，使地面有效輻射減弱得更多。所以，有云的夜晚通常要比無云的夜晚暖和一些。云被的這種作用，我們也稱為云被的保溫效應。人造煙幕所以能防御霜凍，其道理也在于此。第54頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三第四節(jié)輻射差額地面輻射差額大氣輻射差額地氣系統(tǒng)輻射差額第55頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三56地面由于吸收太陽總輻射和大氣逆輻射而獲得能量，同時又以其本身的溫度不斷向外放出輻射而失去能量。某段時間內單位面積地表面所吸收的總輻射和其有效輻射之差值，稱為地面的輻射差額Rg

（表示單位水平面積、單位時間的輻射差額）Rg=（Q+q）（1-a）-F0式中（Q+q）是到達地面的太陽總輻射，即太陽直接輻射和散射輻射之和；a為地面對總輻射的反射率；F0為地面的有效輻射。（一）地面的輻射差額第56頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三57輻射差額各分量的日變化

地面輻射和有效輻射曲線對正午來說是不對稱的，因為地表最高溫度出現在13時左右

輻射差額負值輻射差額正值輻射差額負值第57頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三58地面輻射差額特點：時空分布（1）一天之中Rg的大小決定于太陽的總輻射。（2）年變化特點：隨緯度增加Rg>0的時間就減少。第58頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三59（二）大氣的輻射差額

大氣的輻射差額：整層大氣輻射差額（Ra）某一層大氣輻射差額qa：整個大氣層所吸收的太陽輻射F0：地面有效輻射F∞：大氣上界有效輻射Ra=qa+F0-F∞第59頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三60（二）大氣的輻射差額

Ra=qa+F0-F∞

F∞>F0，qa<F∞-F0，Ra是負值大氣要維持熱平衡，還要靠地面以對流及潛熱釋放等來輸送一部分熱量給大氣。第60頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三61（三）地-氣系統(tǒng)的輻射差額如果把地面和大氣看作為一個整體，其輻射能的凈收入為Rs=（Q+q）（1-a）+qa-F∞Q+q是到達地面的太陽總輻射qa大氣所吸收的太陽輻射F∞大氣上界的有效輻射a為地面對總輻射的反射率就個別地區(qū)來說，地氣系統(tǒng)的輻射差額既可以為正，也可以為負。但就整個地氣系統(tǒng)來說，這種輻射差額的多年平均應為零。因整個地球和大氣的平均溫度多年來是沒有什么變化。第61頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三62地-氣系統(tǒng)的輻射差額是正值地-氣系統(tǒng)的輻射差額是負值

地-氣系統(tǒng)的輻射差額是負值

第62頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三63地氣系統(tǒng)輻射差額結論：由于地氣系統(tǒng)輻射差額分布不均，使高低緯度受熱不均，引起氣壓分布不均，導致大氣運動，使高低緯間有水平的熱量輸送，進而產生大氣環(huán)流。第63頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三第五節(jié)大氣的增溫和冷卻一、海陸的增溫和冷卻的差異二、空氣的增溫和冷卻

三、空氣溫度的個別變化和局地變化四、大氣靜力穩(wěn)定度第64頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三65一、海陸的增溫和冷卻的差異同樣條件下的水面吸收的太陽能比陸面吸收的太陽能多10％—20％;陸地所吸收的太陽能分布在很薄的地表面上，而海水所吸收的太陽能分布在較厚的水層中;海面有充分水源供應，以致蒸發(fā)量較大，失熱較多，這也使得水溫不容易升高。巖石和土壤的比熱小于水的比熱。第65頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三66

空氣內能變化既可由空氣與外界有熱量交換而引起；也可由外界壓力的變化對空氣作功，使空氣膨脹或壓縮而引起。空氣與外界有熱量交換，稱為非絕熱變化；空氣與外界沒有熱量交換，稱為絕熱變化。二、空氣的增溫和冷卻

第66頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三67一、非絕熱變化（五種方式）（一）輻射：物體間不停地發(fā)射電磁波進行熱量交換的過程（地氣間、大氣間）。（二）對流：物體受熱后表面空氣膨脹或質點運動傳輸熱量。此方式是地面和低層大氣傳熱的重要形式。（三）亂流：近地層中空氣無規(guī)則地升降或渦旋運動，此方式是摩擦層中熱量變換的方式（０－２ｋｍ）。（四）傳導：從一個分子傳遞給另一個分子的熱能交換方式。由于地面和大氣都是熱的不良導體，可忽略不計。（五）潛熱交換：水相變化中熱量的吸收和釋放過程。此方式主要集中在５km以下的層次中。蒸發(fā)潛熱：冰-汽（吸熱），水-汽（吸熱）。凝結潛熱：水-冰（放熱），汽-冰（放熱）。第67頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三68二、絕熱變化絕熱變化有兩個過程：（1）絕熱增溫過程：氣塊下降、吸熱，溫度升高的過程。（2）絕熱冷卻過程：氣塊上升、放熱，氣溫下降的過程。

上升空氣的降溫作用和下沉空氣的增溫作用主要是由于空氣的絕熱膨脹和絕熱壓縮的結果。第68頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三69（一）干絕熱變化和干絕熱過程1、干絕熱過程：氣塊在升降過程中無水相變化，即與外界無熱量交換的過程。規(guī)律：T/T0=(P/P0)0.286

泊淞方程其中：T0、T：干空氣初、終態(tài)的溫度

P0、P：干空氣初、終態(tài)的氣壓意義：干絕熱變化過程中，溫度隨氣壓的變化呈指數降低。

第69頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三702.干絕熱直減率和濕絕熱直減率

氣塊絕熱上升單位距離時的溫度降低值，稱絕熱垂直減溫率（簡稱絕熱直減率）。對于干空氣和未飽和的濕空氣來說，則稱干絕熱直減率γd.第70頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三71干絕熱直減率與的區(qū)別：是干空氣在絕熱上升過程中氣塊本身的降溫率，它近似于常數。是周圍大氣的溫度隨高度的分布情況。它可以有不同的數值。第71頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三72

干空氣或者未飽和的濕空氣，每上升100m（或下降100m）溫度降低（升高）的度數。干絕熱直減率是個常數：rd=1℃/100m

某高度處：T=T0-rdΔZ第72頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三73

飽和空氣絕熱上升中，因飽和而發(fā)生冷卻凝結，同時釋放凝結潛熱，加熱氣塊的過程。濕絕熱過程濕絕熱直減率（rm）

飽和濕空氣絕熱上升,每上升100m溫度降低的度數。

rm是個變量。第73頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三74濕絕熱直減率1g飽和濕空氣中含有水汽qsg，絕熱上升，凝結了dqsg水汽，所釋放出的潛熱為：dQ＝-Ldqs

L表示水汽的凝結潛熱,負號表示當有水汽凝結得到熱量時，水汽減少

。

第74頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三75濕絕熱過程熱力學第一方程為：

飽和濕空氣上升時，溫度隨高度的變化有兩種原因：

氣壓變化引起凝結潛熱釋放

上升時，dqs<0,造成溫度升高，凝結作用可以抵消一部分由于氣壓降低而引起的溫度降低

所以：有水汽凝結時，空氣上升所引起的降溫比干空氣時要緩慢第75頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三76濕絕熱遞減率：

當飽和濕空氣上升時，dz>0，dqs<0,則：

此外，由于是氣壓和溫度的函數，因此，是溫度和氣壓的函數，

當飽和濕空氣下降時，dz<0，dqs>0,則：第76頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三77第77頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三78干、濕絕熱線的比較，干絕熱線直減率近于常數，故呈一直線；

濕絕熱線，因γm＜γd，故在干絕熱線的右方，并且下部因為溫度高，γm小，上部溫度低，γm大，這樣形成上陡下緩的一條曲線。到高層水汽凝結愈來愈多，空氣中水汽含量便愈來愈少，γm愈來愈和γd值相接近，使干、濕絕熱線近于平行。第78頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三79（三）氣塊的狀態(tài)變化１、濕空氣的狀態(tài)變化：對于未飽和的濕空氣而言，在絕熱上升時，氣塊的溫度直減率有兩個階段：干絕熱變化和濕絕熱變化第79頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三80位溫由于溫度在氣塊運動過程中，不是一個守恒量，為了便于比較處于不同高度上的兩氣塊的熱狀況，假設把氣塊都按絕熱過程移到同一高度（或等壓面），就可以進行比較了。取這一標準高度為1000hpa,這時所具有的溫度稱為位溫，以Θ表示，由泊松方程可得：位溫在干絕熱過程中具有保守性，即氣塊在循干絕熱升降時，其位溫恒定不變。第80頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三81假相當位溫在濕絕熱過程中，由于有潛熱釋放或消耗，位溫是變化的。假設有極端的一種情況，水汽凝結后即脫離氣塊而降落，潛熱留在氣塊中加熱了氣塊，該過程為假絕熱過程。當氣塊中含有的水汽全部凝結降落時，所釋放的潛熱，就使原氣塊的位溫提高到了極值，這個數值稱為假相當位溫，用θse表示。

第81頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三82假相當位溫θse的含義A點，這時氣塊是未飽和的，令其沿干絕熱線上升到達凝結高度B點

氣塊達到飽和；當氣塊再繼續(xù)上升時，就不斷地有水汽凝結，這時它將沿濕絕熱線上升降溫當氣塊內水汽全部凝結降落后，再令其沿干絕熱線下沉到1000hPa，此時氣塊的溫度就是假相當位溫θse。第82頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三83假相當位溫θse是關于溫、壓、濕的一個綜合物理量，對于干絕熱，濕絕熱和假絕熱過程，都守恒第83頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三84三、空氣溫度的個別變化和局地變化

溫度的平流變化

個別變化：單位時間內個別空氣質點溫度的變化局地變化：固定地點大氣溫度隨時間的變化局地變化和個別變化之間的關系：溫度的個別變化

溫度的局地變化

第84頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三85溫度平流第85頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三86四、大氣靜力穩(wěn)定度

（一）大氣穩(wěn)定度的概念許多天氣現象的發(fā)生，都和大氣穩(wěn)定度有密切關系。

大氣穩(wěn)定度是指氣塊受任意方向擾動后，返回或遠離原平衡位置的趨勢和程度。它表示在大氣層中的個別空氣塊是否安于原先的層次，是否易于發(fā)生垂直運動，即是否易于發(fā)生對流。大氣穩(wěn)定度有三種類型：穩(wěn)定：無論上升或下降，最終回到原位。不穩(wěn)定：加速遠離原位。中性：隨欲而安。

第86頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三87空氣層的γ與空氣塊的γm、γd的關系γ：升降氣塊所在的周圍大氣溫度隨高度的變化情況，稱之為層結曲線。大氣層結：大氣中溫度、濕度的分布狀況。

γm、γd：升降氣塊溫度隨高度的變化情況，稱之為狀態(tài)曲線。第87頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三88單位體積氣塊受到兩個力一是四周大氣對它的浮力ρg，方向垂直向上；另一是本身的重力ρig，方向垂直向下，兩力的合力稱為層結內力，以f表示之，加速度a即由該力作用而產生的。判別穩(wěn)定度的基本公式

當空氣塊溫度比周圍空氣溫度高，即Ti＞T，則它將受到一向上加速度而上升；反之，當Ti＜T，將受到向下的加速度；而Ti=T，垂直運動將不會發(fā)展。第88頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三89（二）判斷大氣穩(wěn)定度的基本方法大氣是否穩(wěn)定，通常用周圍空氣的溫度直減率（γ）與上升空氣塊的干絕熱直減率（γd）或濕絕熱直減率（γm）的對比來判斷。（γ－γd）的符號，決定了加速度a與擾動位移△Z的方向是否一致，亦即決定了大氣是否穩(wěn)定。當γ＜γd，若△Z＞0，則a＜0，加速度與位移方向相反，層結是穩(wěn)定的；當γ＞γd，若△Z＞0，則a＞0，加速度與位移方向一致，層結是不穩(wěn)定的；當γ=γd，a=0，層結是中性的。第89頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三901、干空氣和未飽和濕空氣的判據r<rd時，大氣層結穩(wěn)定r=rd時，大氣層結為中性r>rd時，大氣層結不穩(wěn)定第90頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三91

利用層結的位溫隨高度的分布也可以判定層結的穩(wěn)定與否。第91頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三922、飽和濕空氣的判據：r<rm時，大氣層結穩(wěn)定r=rm時，大氣層結為中性r>rm時，大氣層結不穩(wěn)定第92頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三933、結論1)r越大，大氣層結越不穩(wěn)定;2)r<rm<rd時，或r=0（<0）時，大氣層結是等溫或逆溫，絕對穩(wěn)定;3)r>rd時,無論空氣是否飽和，都是不穩(wěn)定的，絕對不穩(wěn)定;4)rm<r<rd時,屬于條件性不穩(wěn)定,對飽和空氣大氣層結是不穩(wěn)定的,對未飽和濕空氣大氣層結是穩(wěn)定的。

第93頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三94（三）不穩(wěn)定能量：1、定義：大氣中可以供給單位質量空氣作上升運動的那部分能量。2、如何判斷不穩(wěn)定能量主要決定于氣塊溫度與氣層溫度的對比。第94頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三95影響正不穩(wěn)定能量大小的因素（1）r越大（降溫）：正不穩(wěn)定能量面積增大;（2）濕度大：凝結潛熱多rm小，正不穩(wěn)定能量面積增大。

所以只有增大正不穩(wěn)定能量面積，才有利于對流的快速發(fā)展。第95頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三963、不穩(wěn)定能量的類型（1）絕對不穩(wěn)定型：在起始高度以上，各高度上的氣塊溫度大于氣層的溫度，氣塊才能自由上升。第96頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三97（2）絕對穩(wěn)定型

在起始高度以上，各高度上的氣塊溫度小于氣層的溫度，氣塊只有靠外力被迫上升。第97頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三98（3）潛在不穩(wěn)定型：層結曲線與狀態(tài)曲線相交于B（自由對流高度）B以上：氣塊的溫度高于氣層的溫度，具有正的不穩(wěn)定能量，屬于不穩(wěn)定型。B以下：氣塊的溫度小于氣層的溫度，具有負的不穩(wěn)定能量，難以發(fā)展對流，屬于穩(wěn)定型。第98頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三99習題1）試述絕熱變化與非絕熱變化區(qū)別與聯系。2）試推導干絕熱和濕絕熱直減率。3）如何有效地判斷大氣的穩(wěn)定度？第99頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三氣溫的時空分布氣溫隨時間的變化氣溫的空間分布水平分布垂直分布第100頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三氣溫最隨時間的變化氣溫的日變化：氣溫日變化指一天內氣溫高低的周期性變化。這種變化離地面愈近愈明顯。大陸上最高氣溫一般出現在14時左右，最低氣溫一般在日出前。正午以后，太陽輻射雖開始減弱，但地面獲得的太陽輻射熱量仍比地面輻射失去的熱量多，地面儲存的熱量繼續(xù)增多，直到太陽輻射熱量開始少于地面輻射失去的熱量時，即由盈余轉為虧損的時刻，地面溫度達最高值。地面將熱量傳給空氣還需一定時間，故最高氣溫出現在14時左右。夜間地面熱量虧損，氣溫降低，直到日出前地面儲存熱量減至最少，故最低氣溫出現在清晨5時左右。這一天中氣溫最高值與最低值之差叫做氣溫日較差第101頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三第102頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三影響因子①緯度：低緯正午太陽高度角最大，高緯正午太陽高度角最?。凰缘途暁鉁厝蛰^差最大，中緯次之，高緯最小。據統(tǒng)計熱帶地區(qū)的平均日較差約為12℃，溫帶約為8—9℃，極圈內為3—4℃。②季節(jié)：在一年中，夏季太陽高度最大，冬季最小所以夏季日較差最大冬季最小，這一變化在中緯地區(qū)最明顯。但最大值并不出現在夏至日。這是因為氣溫日較差不僅與白天的最高溫度值有關，還取決于夜間的最低溫度值。夏至日，中午太陽高度角雖最高，但夜間持續(xù)時間短，地表面來不及劇烈降溫而冷卻，最低溫度不夠低。所以，中緯度地區(qū)日較差最大值出現在初夏，最小值出現在冬季。第103頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三③地形：凹下的地形（盆地和谷地），在白天空氣與地面的接觸面比平地大，因而空氣增溫強烈，再加上地形閉塞，通風不良，熱量不易擴散，所以白天凹地比平地氣溫高；夜間冷空氣在凹地內堆積，氣溫低。因此，凹地氣溫日較差最大，平地要小。在春秋兩季凹地很容易受霜凍的危害（俗語：霜打洼地）由于坡度及空氣很少流動之故，白天增熱與夜間冷卻都較大，日較差大。而小山峰等凸出地形區(qū)，地表面對氣溫影響不大，日較差小。④下墊面的性質：海洋上日較差小于大陸。⑤天氣情況：有云層存在，則白天地面得到的太陽輻射少，最高氣溫比晴天低。而在夜間，云層覆蓋又不易使地面熱量散失，最低氣溫反而比晴天高。所以陰天的氣溫日較差比晴天小（第104頁，講稿共118頁，2023年5月2日，星期三氣溫年變化：氣溫年變化，指一年中氣溫高低的