自然地理学大气圈与气候系统ppt课件.ppt

,教学目的和要求1. 掌握大气的组成，特性2. 了解大气水分和降水 3. 掌握大气的运动规律4. 了解主要的天气系统 5. 掌握气候形成和变化的规律6. 理解未来气候变化趋势,第三章 大气圈与气候系统,本章的基本概念,大气：指围绕着地球的厚层气体。,大气圈：指大气所形成的连续圈层。,大气过程：指大气圈中存在的各种物理过程，如辐射过程、增温冷却过程、蒸发凝结过程等。,气象（天气现象）：指由大气过程所形成的风、云、雨、雪、雾、露、霜、冰等千变万化的物理现象。,第三章 大气圈与气候系统,本章的基本概念,第三章 大气圈与气候系统,天气：某地区短时间内大气过程和现象的综合。即短时间内风、云、降水、温度和气压等气象要素连续变化的综合现象。其特点是多变。,气候：指某地区多年间常见的和特有的大气过程和现象的综合。,一、大气的成分,第三章 大气圈与气候系统 第一节大气的组成和热能,一、大气的成分,第三章 大气圈与气候系统 第一节大气的组成和热能,一、大气的成分,（一） 干洁空气（干空气）： 通常把除水汽、液体和固体杂质外的整个混合气体称为干洁空气，简称干空气。 主要成分： N2、O2、Ar，占干空气容积的 99.97、占干 空气质量的 99.95； 次要成分： CO2、O3、CO、CH4、H2S、SOx 等等。 85km以下大气运动和分子扩散使空气充分混合，干空气成分比例维持常定，可以将干空气作为单一气体处理，分子质量为28.964,第三章 大气圈与气候系统 第一节大气的组成和热能,一、大气的成分,（一） 干洁空气（干空气）： 干空气中，以氮、氧、二氧化碳、臭氧最重要。 氮 含量：大气体积的78% 性质：化学性质不活泼，不能直接被植物吸收，需要通过豆科植物固氮菌固定在土壤中 影响：对太阳辐射的远紫外线具有选择性吸收,第三章 大气圈与气候系统 第一节大气的组成和热能,一、大气的成分,（一） 干洁空气（干空气）： 氧 含量：大气质量的23%，大气体积的21% 性质：化学性质活泼，有游离氧、原子氧、臭氧、化合物氧等形式 影响：生命存在的必要条件,第三章 大气圈与气候系统 第一节大气的组成和热能,一、大气的成分,（一） 干洁空气（干空气）： 二氧化碳 含量：大气体积的0.03% 来源：有机物燃烧、腐烂、生物呼吸 影响：大气保温作用（吸收地面长波辐射）、温室效应,第三章 大气圈与气候系统 第一节大气的组成和热能,一、大气的成分,第三章 大气圈与气候系统 第一节大气的组成和热能,一、大气的成分,第三章 大气圈与气候系统 第一节大气的组成和热能,一、大气的成分,（一） 干洁空气（干空气）： 臭氧 分布：10-40km高空，极大值20-25km（臭氧层） 影响：强烈吸收太阳紫外线 臭氧层空洞：制冷剂（氟氯烃）大量使用,第三章 大气圈与气候系统 第一节大气的组成和热能,一、大气的成分,（二）水汽： 含量：占地球总水量的0.001%，相当于24mm的水层。随时间、地点而变，与大气运动、海陆分布有关 来源：水面蒸发（海洋蒸发尤甚）、植物蒸腾。 分布：3km 高度以内，随高度的增大，水汽含量减少 更新周期：11d 性质：大气中唯一可以发生相变的大气组分 影响：吸收、放出长波辐射；相变过程中释放和吸收热量；是天气变化的重要因子,第三章 大气圈与气候系统 第一节大气的组成和热能,一、大气的成分,（三）固体杂质、液体颗粒（气溶胶） 组成：大气中悬浮着的各种固体杂质和液体微粒（如大气尘埃、小冰晶） 分布：集中分布于大气层底部 来源： 自然源（火山灰、宇宙尘埃、陨石灰烬、植物花粉孢子、岩石风化后的粉尘、森林着火后的灰烬等） 人工源（人类活动和工业生产中排放的烟、粉尘等） 影响：吸收太阳辐射，改变大气透明度；成云致雨必要条件,第三章 大气圈与气候系统 第一节大气的组成和热能,？PM10 与 PM2.5,第三章 大气圈与气候系统 第一节大气的组成和热能,？PM10 与 PM2.5,第三章 大气圈与气候系统 第一节大气的组成和热能,二、大气的结构,（一）大气质量 1.大气上界 理论上是气压为0或接近0的高度 气象学家认为，只要发生在最大高度上的某种现象与地面气候有关，便可定义这个高度为大气上界。 过去曾把极光出现的最大高度（1200km）定为大气上界。 高层大气物理学中常把大气上界定在3000km左右。,第三章 大气圈与气候系统 第一节大气的组成和热能,二、大气的结构,（一）大气质量 2.大气质量 理论上大气质量：假定大气是均质的，大气高度为8000m，整个大气柱的质量为其中0为T=0，P=1013.25hPa时的大气密度。则整个地球大气的质量为5.14108kg,第三章 大气圈与气候系统 第一节大气的组成和热能,二、大气的结构,第三章 大气圈与气候系统 第一节大气的组成和热能,36km,二、大气的结构,（二）大气压力 1.气压 定义：从观测高度到大气上界单位面积（1cm2）上垂直空气柱的重量为大气压强，简称气压 单位：毫米汞柱和帕斯卡（Pa）（国际单位），气象学采用百帕（hPa）为单位，1 hPa 10-2 Ncm2 测量方法：水银气压表、空盒气压计,第三章 大气圈与气候系统 第一节大气的组成和热能,二、大气的结构,（二）大气压力,第三章 大气圈与气候系统 第一节大气的组成和热能,二、大气的结构,（二）大气压力 1.气压 标准大气压： 温度为 0 ，纬度为 45的海平面气压为 1013.25 hPa，称为一个标准大气压 变化：地面气压在980 1040 hPa 之间变化，平均为 1013 hPa 周期性变化（日变化、年变化）与非周期性变化,第三章 大气圈与气候系统 第一节大气的组成和热能,二、大气的结构,（二）大气压力 1.气压 水平分布：,第三章 大气圈与气候系统 第一节大气的组成和热能,二、大气的结构,（二）大气压力 1.气压 气压场与气压系统： 等压线：某一水平面上气压相等各点的连线 等压面：空间气压相等各点组成的面，是一个起伏不平的曲面 气压场：气压的空间分布,第三章 大气圈与气候系统 第一节大气的组成和热能,二、大气的结构,（二）大气压力 1.气压 气压场与气压系统： 低气压：简称低压，其等压线闭合，中心气压低，等压面向下凹陷如盆地，空气向中心辐合，气流上升 高气压：简称高压，其等压线闭合，中心气压高，等压面向上凸出如山丘，空气向四周辐散，气流下沉,第三章 大气圈与气候系统 第一节大气的组成和热能,二、大气的结构,第三章 大气圈与气候系统 第一节大气的组成和热能,二、大气的结构,（二）大气压力 1.气压 气压场与气压系统： 低压槽：简称槽，由低压向外延伸出来的狭长区域，或一组未闭合的等压线向气压较高一方突出的部分。在槽内各等压线弯曲最大处的连线，称为槽线。槽附近空间等压面形如山谷，空气向槽内辐合上升,第三章 大气圈与气候系统 第一节大气的组成和热能,二、大气的结构,（二）大气压力 1.气压 气压场与气压系统： 高压脊：简称脊，由高压向外延伸出来的狭长区域，或一组未闭合的等压线向气压较低一方突出的部分。在脊中各等压线弯曲最大处的连线，称为脊线。脊线附近空间等压面形如山脊，空气向外辐散,第三章 大气圈与气候系统 第一节大气的组成和热能,二、大气的结构,（二）大气压力 1.气压 气压场与气压系统： 鞍（鞍型气压区）：两个高压与两个低压相对应的中间区域，其附近空间等压面形状似马鞍,第三章 大气圈与气候系统 第一节大气的组成和热能,二、大气的结构,第三章 大气圈与气候系统 第一节大气的组成和热能,二、大气的结构,（二）大气压力 2.气压的垂直分布 规律： 气压大小取决于所在水平面上的大气质量，随着高度的上升，大气柱质量减少，所以气压随高度升高而降低 近地面层每上升10m，气压减少1 hPa；随着高度的升高，递减率也随之减小,第三章 大气圈与气候系统 第一节大气的组成和热能,二、大气的结构,（二）大气压力 2.气压的垂直分布 气压随高度的实际变化与气温和气压条件的关系 （1）气压相同条件下，气柱温度越高单位气压高度差越小，气压梯度越小，暖区气压垂直梯度比冷区小 （2）气温相同条件下，气压越高单位气压高度差越小，气压垂直梯度越大,第三章 大气圈与气候系统 第一节大气的组成和热能,气压垂直梯度,二、大气的结构,第三章 大气圈与气候系统 第一节大气的组成和热能,二、大气的结构,（二）大气压力 2.气压的垂直分布,第三章 大气圈与气候系统 第一节大气的组成和热能,二、大气的结构,（二）大气压力 2.气压的垂直分布 理想大气中高度与气压的关系 常用百帕表示海拔高度 1000 hPa 海平面； 500hPa 5500m； 300hPa 9000m,第三章 大气圈与气候系统 第一节大气的组成和热能,二、大气的结构,（二）大气压力 2.气压的垂直分布,第三章 大气圈与气候系统 第一节大气的组成和热能,二、大气的结构,（三）大气分层 根据大气在垂直方向上的温度、成分、密度、电离等物理性质和运动状况，将之分为 5 层： 1、对流层：大气的最低层，自地面到 818km，平均11km 特点：气温随高度的升高而降低；剧烈的垂直对流运动；天气变化显著；对人类和地球生物影响最大,第三章 大气圈与气候系统 第一节大气的组成和热能,二、大气的结构,（三）大气分层 根据大气在垂直方向上的温度、成分、密度、电离等物理性质和运动状况，将之分为 5 层： 2、平流层：从对流层顶到 55km 高度为平流层 特点：气流以水平运动为主，气温随高度的升高不变或微升，大气透明度良好,第三章 大气圈与气候系统 第一节大气的组成和热能,二、大气的结构,（三）大气分层 根据大气在垂直方向上的温度、成分、密度、电离等物理性质和运动状况，将之分为 5 层： 3、中间层：从平流层顶到 85km 高度为中间层 特点：温度随高度升高迅速降低（因为没有臭氧吸收太阳紫外辐射，而氮、氧能吸收的太阳短波辐射又大部分被上层的大气吸收了）；存在强烈的垂直对流，所以该层又称为高空对流层,第三章 大气圈与气候系统 第一节大气的组成和热能,二、大气的结构,（三）大气分层 根据大气在垂直方向上的温度、成分、密度、电离等物理性质和运动状况，将之分为 5 层： 4、暖层：从中间层顶到 800km 高空为暖层 特点 ：空气稀薄；温度因大气强烈吸收太阳紫外辐射而随高度上升迅速升高；高度电离；常常出现极光,第三章 大气圈与气候系统 第一节大气的组成和热能,二、大气的结构,（三）大气分层 根据大气在垂直方向上的温度、成分、密度、电离等物理性质和运动状况，将之分为 5 层： 5、散逸层（外层）： 800 约3000km 的大气层 特点：空气极其稀薄；气温很高，而且随高度升高；地球引力小，高速运动的分子可逃逸至宇宙空间,第三章 大气圈与气候系统 第一节大气的组成和热能,二、大气的结构,第三章 大气圈与气候系统 第一节大气的组成和热能,二、大气的结构,（四）标准大气 定义：人们根据高空探测数据和理论，规定了一种特性随高度平均分布的大气模式，称为“标准大气”或“参考大气” 特性：空气是干燥的（假定）；在86km以下是均匀混合物，平均摩尔质量为28.964 kg/kmol；处于静力学平衡和水平成层分布,第三章 大气圈与气候系统 第一节大气的组成和热能,三、大气的热能,第三章 大气圈与气候系统 第一节大气的组成和热能,三、大气的热能,地球大气系统的能源主要是太阳辐射。,（一）太阳辐射太阳以电磁波的形式向外传递能量，称为太阳辐射。太阳辐射所传递的能量称为太阳辐射能。特点：太阳表面温度约6000K，其辐射能绝大部分集中在波长0.15 4.0 之间，因而称为短波辐射（对流层大气和地面温度为250 300K，辐射波长主要在 3 120 之间，为长波辐射）。,太阳辐射强度：单位时间内垂直投射在单位面积上的太阳辐射能。,1、大气上界的太阳辐射,太阳常数（S0）：在日地平均距离上，大气顶界垂直于太阳光线的单位面积上每分钟接受的太阳辐射，称为太阳常数，即 1367Wm2 。,到达大气上界的太阳辐射取决于：太阳高度太阳辐射强度与太阳高度的正弦 成正比（朗伯定律）；日地距离水平面上的太阳辐射强度与日地 距离的平方成反比；年变化约7；可照时数太阳辐射强度与可照时数成正比， 夏强冬弱。,2、太阳辐射在大气中的减弱过程,大气的吸收：能吸收太阳辐射的物质包括臭氧、氧、水汽、二氧化碳、云、雨滴、气溶胶粒子等，它们选择性吸收太阳辐射（太阳光谱的两端）。,大气的散射和反射： 空气质点小，选择散射短波辐射；而水滴、尘埃等质点大，散射无选择性，称为漫射。散射波长集中于可见光波段。 云层、气溶胶粒子等有较强的反射作用，如云层平均反射率达5055。 上述三种方式中，反射作用最主要，其次是散射，而吸收作用最小，它们共使到达地面的太阳辐射减弱了约一半。,3、到达地面的太阳辐射,包括两部分：直接辐射（S）和散射辐射（D）， 两者之和称为太阳总辐射（SD）。,直接辐射：其强弱受太阳高度和大气透明度影响。 贝尔（Beer）削减定律,S I0 P m I0：太阳常数；P：大气透明度； m：大气质量。,直接辐射有日变化、年变化和纬度变化。,散射辐射：其强弱受太阳高度、大气透明度、 云的特性（云量、云状）和海拔高度等影响。,太阳总辐射,影响直接辐射和散射辐射的因素，也是影响总辐射的因素，所以总辐射也有日变化、年变化和纬度变化。,在我国，年总辐射量最高的地区是海拔高度大的西藏（212252Wm2），干旱少云的新疆、青海、黄河流域次之（159212Wm2 ），而云、雨较多的长江流域与华南大部却较少（119159Wm2 ）。,4、地面对太阳辐射的反射,到达地面的总辐射一部分被地面吸收，另一部分被反射。反射部分占总辐射量的百分比称为反射率（r）。 反射率的大小取决于：地面性质（水面、陆面）；地面状态（颜色深浅、粗滑、干湿）。,陆面反射率约1030，洁白的新雪反射率可达9095；水面反射率平均约10。,（二）大气能量及其保温效应,地面和大气在吸收太阳辐射的同时，又按其自身温度日夜不停地向外放射长波辐射。,1、地面辐射：地面以电磁波的方式向上发射指向大气的辐射，称为地面辐射。其波长为3 80 ，最大辐射能量波长在9.6 。 地面辐射大小主要取决于地面温度（平均300K）。白天地面吸收太阳辐射多于放射的辐射而增温；夜晚没有太阳辐射，地面因辐射而降温。 “大气窗”地面辐射绝大部分（ 75 95）被大气吸收，只有波长8.412 的部分，可穿过大气层逃逸到宇宙空间，所以称此波段为“大气窗”。,2、大气辐射：,大气主要靠吸收地面辐射而增温。大气按其自身温度，以电磁波的方式向四面八方发射长波辐射，称为大气辐射。它的波长为 7 120 ，最大辐射能量波长在15 。 其大小取决于大气温度、湿度和云天状况。,3、大气的保温效应：,大气辐射向下指向地面的部分，方向与地面辐射相反，称为大气逆辐射。大气逆辐射几乎全部为地面所吸收，这对地面因辐射而损耗的能量得到一定的补偿，所以大气对地面有保温作用。这种作用称为大气保温效应或温室效应。,（三）地气系统的辐射平衡,把地面和对流层看作一个统一体，称为地气系统。地气系统在一定时间内辐射能收入与支出的差，称为地气系统净辐射，即： Rs（SD）（1r）qaF式中， Rs地气系统净辐射； qa 大气吸收的太阳辐射； F地气系统长波射出辐射。 地气系统净辐射随纬度而变，低纬为正值，有热量剩余；高纬为负值，热量亏损，以南、北纬30附近为转折点。高低纬地区之间的气温差异，推动大气环流和洋流的运动。,辐射平衡1,地气系统的辐射平衡,地气系统的温度多年基本不变，全球是到达辐射平衡的。 大气上界一年中获得的太阳辐射能为342.8 Wm2，同时又有相同数量的能量，以短波辐射或长波辐射的形式通过大气上界返回宇宙空间，所以地气系统的热能收支是平衡的。,四、气温,气温是大气热力状况（即空气冷热程度）的数量度量。目前，气象观测和记录的气温，是指离地面一定高度上（我国规定离地面1.5m高），放在百叶窗箱里的温度计测得的空气温度。 通常以摄氏（）和华氏（）两种温度单位表示，我国采用摄氏度数为单位。 在理论研究方面，多数采用绝对温度（或称开氏温度），以（ A）或（ K）表示。 温度单位换算如下： AC273.16 KC273.16,（一）气温的周期性变化,大气温度的时间变化，包括由地球的自转和公转引起的气温周期性变化，以及由大气运动引起的非周期性变化。,1、气温的日变化：指一天内气温的高低变化，它有一个最高值（出现在午后两小时左右）和一个最低值（出现在日出前后），气温日变化过程是一条正弦曲线。 日最高气温与最低气温之差，称为气温的日较差或称日振幅。日较差随纬度增高而减少，随海拔高度增加而减少；晴天大阴天小；夏季大冬季小；大陆大海洋小。,气温日变化,2、气温的年变化,指一年内气温的高低变化。年最高气温出现在夏至后的7月或8月，年最低气温出现在冬至后的1月或2月。 一年中最热月的平均气温与最冷月的平均气温之差，称为气温的年较差。年较差随纬度增高而增大，随海拔高度增加而减少；大陆大海洋小；内陆大沿海小。 气温的年变化反映了气候上的冷暖，是划分气候季节的重要指标。,气温的非周期性变化是由于大规模的气流交替而引起的。,（二）气温的水平分布,气温的水平分布通常用等温线表示。主要受纬度、海陆分布、地形起伏、大气环流、洋流等因素影响。全球气温分布特点：气温随纬度增高而递减，北半球南北温差冬大夏小，南半球则季节相反；冬季北半球等温线在大陆凸向赤道，在海洋凸向极地，反映同一纬度上陆地冷于海洋，夏季时则相反；南半球洋多陆少，等温线较平直；高温带（冬、夏月平均温均24）不是出现在赤道，冬季在 5 10 N，夏季在 20 N左右，该带称为热赤道。,洋流的影响大，中纬度西岸气温比同纬度的东岸高。冬季太平洋和大西洋北部等温线急剧向北凸出，反映黑潮暖流、阿留申暖流、墨西哥湾暖流的强大增温作用；夏季北半球等温线沿非洲和北美西岸向南凸出，反映了加那利寒流和加利福尼亚寒流的影响。南半球冬夏最低气温都出现在南极，北半球则夏季在极地、冬季在高纬大陆东部、西伯利亚和格陵兰。最高气温北半球夏季出现在低纬大陆内部热带沙漠地区。 在我国，最低气温为 53，出现在黑龙江的漠河；最高气温48.9，出现在新疆的吐鲁番。,（三）气温的垂直分布,每上升单位距离气温的降低值，称为气温直减率，以 r 表示，单位为100m 。 对流层大气平均 r 0.65 100m 。气温直减率一般夏季和白天大，冬季和夜晚小。,逆温：指对流层内发生温度随高度增加而上升的局部反常现象。出现逆温的气层称为逆温层，它的状态稳定，会阻止下层空气的垂直对流运动，因此又叫阻挡层。,（三）气温的垂直分布,逆温： 辐射逆温: 晴朗平静的夜晚，地面因辐射而失去热量，近地气层冷却强烈，较高气层冷却较慢，形成从地面开始向上气温递增，称为辐射逆温。 随着夜深地面失热愈多，逆温层愈厚，日出后，地面增热，逆温逐渐消失。辐射逆温在大陆上常年均可出现，以冬季最强、夏季较弱。山谷和盆地因冷空气沿斜坡流入，常使辐射逆温加强。云顶因夜间辐射冷却，也可形成空中辐射逆温层。,（三）气温的垂直分布,锋面逆温: 冷暖空气团相遇时，较轻的暖空气爬到冷空气上方，在界面附近也会出现逆温，称之为锋面逆温。 下沉逆温: 又称为压缩逆温，是由于稳定气层整层空气下沉压缩增温而形成的逆温。 平流逆温: 由暖空气平流到冷地面上，贴近地面的空气层受冷地面的冷却作用，比上层空气有较大的降温而形成。,第二节 大气水分和降水,一、大气湿度,（一）湿度概念及其表示方法 大气中水分含量的多少，称为湿度，即空气的干湿程度。 1、水汽压： 指大气中水汽所产生的那部分压力，用 e 表示，单位是 hPa 。空气中水汽含量越多，水汽压越大。 2、绝对湿度： 指单位体积湿空气所含有的水汽质量，又称为水汽密度， 用 a 表示，其单位为 gm3 或 gcm3 。空气中水汽含量越多，绝对湿度就越大。 由于水汽含量难以直接测量，通常以 e 代替 a 。,3、饱和水汽压： 指一定体积空气在一定温度条件下所能容纳的最大水汽量所具有的压力，用 E 表示，其单位与水汽压相同。饱和水汽压随温度升高而增大，随温度降低而减小。 4、相对湿度： 指空气中实际水汽压与同温度下的饱和水汽压之比的百分数，用 f 表示，即： f e E 100相对湿度大小直接反映空气距离饱和的程度，当 e 不变时，气温升高饱和水汽压增大，相对湿度减小。,5、露点温度： 指空气中水汽含量不变，气压保持一定时，气温下降到使空气达到饱和时的温度。用 Td 表示。 气温降到露点，是水汽凝结的必要条件。,（二）湿度的变化与分布,1、日变化： 相对湿度的日变化主要取决于气温。气温高相对湿度小，气温低相对湿度大。因为气温增高时，饱和水汽压增大比水汽压增大要快得多，气温降低时相反。因此，相对湿度最高值出现在清晨气温最低时，最低值出现在午后气温最高时。 2、年变化： 相对湿度的年变化，一般是冬季最大，夏季最小。但季风气候区相反，夏季大冬季小，因为夏季风来自海洋，而冬季风来自大陆。,3、湿度的空间分布,相对湿度的空间分布特征取决于纬度和海陆分布状况。 赤道地带终年高温多雨，而高纬度地带则全年低温，所以相对湿度都较高80。副热带区域，相对湿度较低，约50。 通常，相对湿度大陆小海洋大。在大陆，距离海洋越近，相对湿度越大；距离海洋越远，相对湿度越小。,（一）、蒸发及其影响因素,当 e E 时，出现蒸发；当 e E 时，则出现凝结。,1.影响蒸发的因素 其影响因素主要包括蒸发面的温度、性质、性状、空气湿度、风等。 2. 蒸发量 实际工作中，一般以水层厚度（mm）表示蒸发速度，称为蒸发量。蒸发量的变化与气温变化一致，一日内，午后蒸发量最大；日出前蒸发量最小。一年内，夏季蒸发量大，冬季小。蒸发量的空间变化受气温、海陆分布、降水量等因素的影响。,二、蒸发和凝结,（二）、凝结和凝结条件,空气中水的凝结必须具备两个条件：1.空气要达到饱和或过饱和状态；增加空气水汽含量，如暖水面的蒸发；降低气温，大气中水的凝结主要由于空气冷却而产生（绝热冷却：云、雨产生的主要方 式；辐射冷却和平流冷却：雾、露、霜等产生的主要方式 ）。2.凝结核指具有吸湿性、可作为水汽凝结核心的微粒。其含量随高度递减；陆地多海洋少；城市多乡村少，工业区最多。,（一） 地表面的凝结现象 1. 霜与露 日没后，地面及近地面层空气冷却，温度降低。当气温降到露点一下时，水汽即凝附于地面或地面物体上。如温度在00C以上，水汽凝结为液态，称为露；温度在00C以下，水汽凝结为固态，称为霜。霜常见于冬季，露见于其他季节，以夏季为最多。 2. 雾淞和雨淞 雾淞是一种白色固体凝结物，由过冷雾滴附着于地面物体或树枝迅速冻结而成，俗称“树挂”。多出现于寒冷而湿度高的天气条件下。,三、水汽的凝结现象,（二）、大气中的凝结现象（云和雾）,1. 雾：指漂浮在近地面层乳白色小水滴或小冰晶。雾的类型：最常见的是辐射雾和平流雾，还有蒸汽雾、上坡雾和锋面雾。辐射雾因地面辐射冷却，使近地面层空气变冷，水汽凝结而成；多出现于秋冬季节无云的夜晚，谚语有 “ 十雾九晴 ” 之说。平流雾暖湿气流移到冷的下垫面上，冷却降温，水汽凝结而形成；出现范围广。,2 云 云是高空水气凝结现象。空气对流、锋面抬升、地形抬升等作用使空气上升到凝结高度，就会形成云。云有各式各样的外貌特征。,云的类型,云量,天空被云遮蔽的程度叫云量，以0 10 的成数表示。云量的多少与纬度、海陆分布、大气环流等因素有关。晴天：04； 多云：5 8； 阴天：9 10 。云量带赤道多云带：上升气流，热对流，云量 6；纬度 20 30 少云带：下沉气流，云量 4 ；中高纬多云带：气团、锋面频繁活动，云量 6 7 。,云的结构,积云，平底，向上发展,积雨云在13分钟内的发展,积雨云在13分钟内的发展,强烈发展的积雨云1,强烈发展的积雨云,强烈发展的积雨云2,强烈发展的积雨云,强烈发展的积雨云3,强烈发展的积雨云,层积云,层云,雨层云,高层云,高积云,卷云1,卷云,卷云2,卷云,卷云3,卷云,卷层云1,卷层云,卷层云2,谚语 “ 日晕风，月晕雨 ” : 表示已经有锋面或低气压自远方接近，是为天气转坏的前兆。,卷层云,卷层云3,卷层云,卷积云,波状云1,波状云,波状云2,波状云,旗云（地形云）,火山云,美国圣劳伦斯火山,UFO云（地形云）,法国,荚状云（地形云）,镜状云（地形云）,四、大气降水,指从云层中降落到地面的液态或固态水。降水量：指降落到地面上的雨和融化后的雪、霰、雹等集聚在水平面上的水层厚度，单位为 mm 。降水强度：指单位时间内的降水量，单位为 mmh 或 mmd 。降水变率：指各年降水量的距平数与多年平均降水量的百分比，表示降水量的变化程度。 Cv = 距平数平均数100,（一）降水的形成,降水从云中来，但有云未必有降水。形成降水的关键，是云滴迅速增大到能克服空气阻力和上升气流的顶托，并在降落过程中不被蒸发掉。1、云滴凝结（凝华）增长：指水汽分子凝结（凝华）在云滴（冰晶）表面上，使云滴（冰晶）增长的过程。,过冷水滴蒸发冰晶凝华增长,小水滴蒸发大水滴凝结增长,暖水滴蒸发冷水滴凝结增长,2、云滴冲并增长,是指两个或两个以上的水滴相碰合并而增大的过程。下降时，大水滴追上小水滴；上升时，小水滴追上大水滴，都会发生碰并，使云滴迅速增大。,在云滴增长过程中，上述两种过程共同作用，初期以凝结（凝华）增长为主，后期则以碰并增长为主，尤其在低纬度地区的暖云降水，碰并增长更为重要。,人工降水,根据自然界降水的原理，利用催化剂，促使云滴迅速凝结或碰并增大形成雨滴，达到降水的方法。冷云催化：人工增加冰晶，产生冰晶效应。方法： 干冰（降温自生冰晶）； 人工冰核（碘化银、氯化汞等）；暖云催化：提供大水滴，促进凝结、碰并增长。方法：氯化钠、氯化钾等吸湿性物质.,（二）降水的类型（成因分类）,1、对流雨：近地面气层强烈受热上升，冷却凝结形成积雨云而降雨， 常伴随雷电现象， 又称热雷雨；赤道常年可见，我国夏季常见；2、地形雨：暖湿气流沿山地迎风坡抬升冷却凝结而降水。 山地迎风坡常形成多雨中心， 而背风坡则由于焚风效应，降水少，成为雨影区。3、锋面雨（气旋雨）：冷暖气团相遇，暖湿气流沿锋面抬升凝结成雨。 降水范围广、时间长。 在温带很常见；4、台风雨：可产生强度极大的降水。夏秋季常见；,（三）降水的时间变化,1 降水强度 单位时间内的降水量，称为降水强度。气象部门为确定一定时间内降水的数量特征，并用以预报未来降水数量变化趋势，将降水强度划分为若干等级：,雨量和分级,2. 降水的日变化 一天内的降水变化，在很大程度受地方条件限制，可大致分为两个类型： （1） 大陆型 特点是一天有两个最大值，分别出现在午后和清晨；两个最小值，分别出现在夜间和午前。 （2） 海洋型 特点是一天只有一个最大值，出现在清晨，最小值出现在午后。 3. 降水的季节变化 降水季节变化因纬度，海陆位置、大气环流等因素影响而不同。全球降水的年类型大致可分为以下几类： （1） 赤道型：全年多雨，其中有两个高值和两个低值时期。春、秋分之后降水量最多；冬、夏至之后，降水量出现低值。这种类型分布在南北纬100以内的地区。,（2）热带型： 位于赤道型南北两侧。由于太阳在天顶的时间不像在赤道上间隔相等，随纬度的增加，两段最多降水量时间逐渐接近，至回归线附近合并为一个。 （3）副热带型： 副热带全年降水只有一个最高值，一个最低值。大陆东岸降水量集中于夏季（季风型），大陆西岸则冬季多雨（地中海型）。（4）温带及高纬型： 内陆及东海岸以夏季对流雨为主，西海岸则以秋冬气旋雨为主。,（四）降水的地理分布,1、赤道多雨带：赤道及其两侧，是全球降水最多的地带，年降水量约 2000 3000 mm ；2、副热带少雨带：南北纬 15 35 地带，受副热带高压的下沉气流和信风影响， 干旱少雨，年平均降水量 500 mm 以下，此带的大陆西岸和内部更不到 200 mm，但大陆东南部受季风、地形影响，可形成多雨中心；3、中纬度多雨带：大陆西岸受西风控制，大陆东岸受季风影响，降水较多，500 1000mm ；4、高纬度少雨带：气温低，蒸发弱，大气含水汽少，一般年降水量不到 300 mm 。,小结,大气运动在全球水、热平衡中起着独特的作用，其水热状况对比与分布，对地表自然景观的形成和地域分异有着深刻的影响。作业： 讨论大气降水的形成过程,第三节 大气运动和天气系统, 风,空气的水平运动称为风；空气的垂直运动称为上升气流或下沉气流。地球上大气的运动形式以水平运动最为广泛和持久。,W,N,S,E,NE,SE,SW,NW,风是矢量，既有风向，又有风速。风向指风的来向，以16个方位或 360方位角表示。风速以 ms 或 km h 表示；根据风速的大小，可将风力划分为13级（0 12级）。,蒲福风级（Beaufort scale）,由英国海军上将蒲福，于1805年首创的风力分级标准，后逐渐发展成现今通用的风级 。,为蒲福风级数；为风速（ ms ）。这是现今普遍采用的经验公式。,一、大气的水平运动,（一）作用于空气的力,气压梯度力（原动力）地转偏向力（改变方向）惯性离心力（改变方向）摩擦力（减速、改变方向）,当气压梯度存在时，作用于单位质量空气上的力，称为气压梯度力。气压梯度力可分为垂直气压梯度力和水平气压梯度力两种。水平气压梯度力使空气从高压区流向低压区，是大气水平运动的原动力，其表达式为：,G 水平气压梯度力； 空气密度；p 两条等压线之间的气压差；n 两条等压线之间的垂直距离；p n 为水平气压梯度；“ ” 负号表示方向由高压指向低压。,1、气压梯度力,1007,1005,1003,1001,气压梯度大,气压梯度小,等压线疏密与气压梯度大小,气压梯度,2、地转偏向力,指由于地球的自转而使地表上运动的物体发生方向偏转的力。它包括水平和垂直两个分力。水平地转偏向力为：,m ：空气质量；v ：风速；：地球自转角速度；j ：地理纬度。地转偏向力是使运动空气发生偏转的力，它总是与空气运动方向垂直。在北半球，它使风向右偏；它的大小与风速和纬度成正比，在赤道为零，随纬度而增大，在两极达最大。地转偏向力只能改变风的方向，而不能改变风的速度。,3、惯性离心力,离心力是指空气作曲线运动时，受到一个离开曲率中心而沿曲率半径向外的作用力。这是空气为了保持惯性方向运动而产生的，所以称为惯性离心力。它的方向与空气运动方向垂直。,C 离心力；V 空气运动速度；r 曲率半径。,在一般情况下，空气运动路径的曲率半径很大，惯性离心力远小于地转偏向力；但在空气运动速度很大而曲率半径很小时，如龙卷风、台风，离心力很大，甚至超过地转偏向力。,4、摩擦力,摩擦力指地面与空气之间，不同运动状况的空气层之间相互作用而产生的阻力。气层之间的阻力，称为内摩擦力；地面对空气的阻力，称为外摩擦力。摩擦力以近地面层最显著，随高度增加而迅速减弱，一般到 1 2 km 以上就可以忽略不计了，此高度以上气层称为自由大气。摩擦力方向与风向相反，使风速减小，导致地转偏向力也相应减弱。陆地表面摩擦力总是大于海洋表面。,（二）自由大气中的空气运动,1、地转风指自由大气中空气作等速、直线水平运动。,1020,1010,1000,hPa,高压,低压,气压梯度力,地转偏向力,地转风,地转风出现时，地转偏向力（A）与气压梯度力（G）平衡。地转风（ Vg ）风速与气压梯度（ ）成正比，与空气密度（）及纬度的正弦（ sin j ）成反比。地转风方向与水平气压梯度力的方向垂直，即平行于等压线。在北半球，背风而立，高压在右，低压在左，南半球相反，此称为白贝罗风压定律。,2、梯度风,自由大气中，当空气作曲线运动时，水平气压梯度力G、地转偏向力A和惯性离心力C三个力达到平衡时的空气水平运动，称为梯度风。,L,H,G,A、C,G、C,A,V,V,G,A,Vg,北半球,逆时针,顺时针,L,H,地转风,以北半球圆形等压线为例，在低压中，气压梯度力 G指向低压中心，而地转偏向力 A和惯性离心力 C都指向外，而且 A C G ，由于地转偏向力和惯性离心力都与风向垂直，所以梯度风的方向是沿着等压线按逆时针方向吹；在高压中则相反， G C A ， 梯度风绕高压中心按顺时针吹。南半球的情况刚好相反。梯度风的风向，也遵从白贝罗风压定律，即在北半球，背风而立，高压在右，低压在左，南半球则相反。,梯度风,（三）风随高度的变化,1.地转风随高度的变化热成风气温水平梯度的存在，引起气压梯度力随高度发生变化，影响风随高度发生相应变化。由于水平温度梯度引起的上下层风的向量差，称为热成风（VT）。热成风风向与等温线平行，在北半球，背热成风而立，高温在右，低温在左，南半球则相反。热成风的大小与气层平均水平温度梯度及气层的厚度成正比。在自由大气中，随着高度的增加，风越来越趋于热成风，如北半球中纬度对流层顶部的西风急流。,2. 摩擦层中风随高度的变化,在摩擦层中，空气的水平运动因受摩擦力的作用，风速减小，风向改变。如地转风斜穿等压线从高压吹向低压，梯度风斜穿等压线，低压向中心辐合，高压自中心向外辐散。地面摩擦作用随高度减小，风速随高度增大，不断右偏，达到摩擦层顶部，最终风向与等压线平行。,二、大气环流,大气环流是指地球上具有一定稳定性的各种气流运行的综合现象。,（一）全球环流,1、全球7个纬向气压带 赤道低压带； 极地高压带； 副热带高压带； 副极地低压带。,2、行星风系,行星风系是指不考虑海陆分布和地形起伏等的影响，全球性的低层盛行风带。 主要包括三个盛行风带：信风带：由副热带高压带吹向赤道。北半球为东北信风，南半球为东南信风；盛行西风带：由副热带高压带吹向高纬地区。北半球为西南风，南半球为西北风；极地东风带：由极地高压向外辐散形成。,全球大气环流示意图,40S 60S 盛行西风带,40S60S 盛行西风带,开普敦,好望角,3、经向三圈环流,65N,N,S,30N,30S,65S,H,H,H,H,L,L,L,E,E,NE,SE,W,W,W,W,W,W,极地高压,副极地低压,副热带高压,赤道低压,副热带高压,副极地低压,极地高压,0,经向三圈环流,信风环流圈（Hadley环流）：分布于赤道与南北纬 30 之间。 高空由赤道吹向副热带高压带（西风），地面由副热带吹向赤道（信风）。中纬度环流圈（Ferrel环流）： 分布于中纬度约 30 65 地带。地面由副热带高压带吹向副极地低压带（西风），高空由副极地低压带返回。极地环流圈： 分布于高纬度约 60 与极地之间地带。地面由极地高压带吹向副极地低压带（东风），高空由副极地低压带返回（西风）。,4.高空西风带的波动和急流,高空风不受地面或水面摩擦力影响，地转偏向力使气流与等压线平行。对流层上层，高空西风带环绕极地并形成巨大蜗旋。急流是全球大气环流的重要环节，与天气系统的发生、发展有着密切关系。,（二）季风环流,季风的英文名称是 “monsoon”，源自阿拉伯语 “mausem”，意为季节。以一年为周期，大范围地区的盛行风随季节而有显著改变的现象，称为季风。季风是由于海洋与大陆之间的热力差异而形成的大范围热力环流。夏季，风由海洋吹向陆地，形成夏季风；冬季，风由陆地吹向海洋，形成冬季风。,亚洲夏季风,南太平洋副高（澳大利亚高压）,东南信风,过赤道流,西南季风,西太平洋副高（夏威夷高压）,梅雨锋,极地气团,T,U,S,R,Q,O,P,亚洲低压（印度低压）,夏季风,季,风,槽,0,10N,20N,30N,40N,50N,60N,西太平洋副高,西南季风,东南季风,印度低压,季风槽,夏季，在大陆地表形成并保持的低压槽称为季风槽，导致低层大气往这个地带辐合，进而形成雨带。,冬季风,0,10N,20N,30N,40N,50N,60N,亚洲高压,东北风,西北风,阿留申低压,东亚季风与南亚季风,世界季风区,分布：约在 30W 170E，20S 35N的范围， 其中以东亚和南亚的季风最显著。东亚季风范围广、强度大，冬季风强于夏季风。南亚季风（印度季风），