应用气象学绪论讲解.ppt

课 程 介 绍,应用气象学是利用大气科学的基本理论和方法解决国民经济各行业的气象问题的一门实用性科学。目的在于合理、充分、有效的开发利用气候资源，为产业、工程的建设和发展服务。设有应用气象学专业的大学本科为：南京信息工程大学（国家特色专业建设点）、南京大学、中山大学、中国农业大学、兰州大学、沈阳农业大学等。学士-硕士-博士,建筑气象学,能源气象学,航空气象学,交通气象学,医疗气象学,农业气象学,建筑工程气象 交通运输与气象 水利、电力、通讯与气象 生活与健康气象 商品储运、产销与气象,本 课 程 讲 解 内 容,参 考 书 目,1、朱瑞兆应用气候学概论 2005年 气象出版社，包括能源与气候，建筑与气候，大气污染与气候，交通与气候，气候与水文，电力、通讯架空线路与气候，人类生物与气候，商品储藏与气候，旅游与气候，森林与气候十个部门。,2、高绍凤应用气候学气象出版社，包括气候资源的评价和利用、气候与人类健康、气候灾害的推断与预防、建筑与气候、大气环境质量评价和城市大气污染总量控制等。,3、胡毅 应用气象学（第二版）2005 年，气象出版社 包括农业气象，林业气象，能源气象，建筑气象，污染气象，医疗气象，交通气象,主要内容：1.1 历史进程 1.2 未来展望 1.3 应用气象学研究内容、意义、方法,第一章 概 论（2学时）,1.1 历史进程,我国古代应用气象知识是属于世界领先地位的,？,1.1.1 农业气象学诞生与发展,战国初期-二十四节气 春耕、夏耘、秋收、冬藏秦汉时期-农谚华北北部：白露早，寒露迟，只有秋分正当时华北南部：秋分早，霜降迟，只有寒露正当时华中华东：寒露、霜降正当时浙江一带：立冬种麦正当时,1.1.1 农业气象学诞生与发展,中国近代农业气象学的发展,二十世纪初，中国传统的农业气象观念逐渐被近代农业气象知识所代替。1922年竺可桢发表了“气象与农业的关系”一文,积极倡导开展农业气象科学研究。1945年涂长望“农业气象之内容及其研究途径述要”一文的发表,首次较详细地论述了农业气象科技的主要研究内容的意义、任务和方法。中国近代农业气象事业的发展是非常缓慢的，对农业的贡献更谈不上。,1.1.1 农业气象学诞生与发展,中国现代农业气象学的发展,19531958年，初创探索时期；19581965年，发展调整稳步发展时期；农业气象业务，农业气象区划 19661976年，停滞时期；1977年以后，重建发展时期 农业气象基本观测网，农业气候资源调查,1.1.1 农业气象学诞生与发展,中国现代农业气象学的发展,近二十多年来农业气象科学技术水平得到迅速了提高，成为当今世界农业气象事业较为发达的国家之一，为我国农业的发展作出了积极贡献。,1.1.2 农业气象学的定义及其主要内容,一、农业气象学的定义及其研究对象 1、农业气象学的定义 农业气象学是研究农业生产与气象条件的相互关系及其规律的科学。它是根据农业生产的需要，应用农学和气象科学技术来不断揭示和解决农业生产中的农业气象问题，以谋求合理利用气候资源，战胜不利气象因素，促进农业发展的实用性科学。,2 农业气象学的定义及其主要内容,一、农业气象学的定义及其研究对象 2、农业气象学的研究对象 农业气象学的研究对象是生物有机体与气象条件两者相互作用的规律及其影响。一方面要研究农业生产对气象条件的要求和气象条件对农业生产的影响；另一方面也要研究农业生产对气象条件的影响。,二、农业气象学的目的及其主要内容,1、农业气象学的目的 目的是从农业生产实际出发，围绕农业现代化以 及加强农业基础建设，实现农林牧渔全面发展和科学 种养等需要，不断认识和解决农业生产中出现的气象 问题，使农业生产能够充分而合理地利用气候资源，战胜不利的气象因素，逐步提出促进农业“高产、优 质、高效”和可持续发展的气象条件和气象措施。,二、农业气象学的目的及其主要内容,2、农业气象学的主要内容（1）、农业气象基本方法与理论研究 a.农业气象监测及试验研究方法研究 b.农业气象仪器研制 c.农业生产与气象条件关系研究 d.农业气象指标研究 e.农业气象模式研究,运用数学物理概念和方法描述作物生长过程,作物生长动力模拟模型从系统科学的观点出发，遵循农业生态系统物质平衡和能量守恒原理及物质能量转换原理，以光、温、水、土壤等条件为环境驱动变量，运用数学物理方法和计算机技术，对作物生育期内光合、呼吸、蒸腾等重要生理生态过程及其与气象、土壤等环境条件的关系进行逐日数值模拟，人为再现农作物生长发育过程。,运用数学物理概念和方法描述作物生长过程,它综合了大气、土壤、作物遗传特性和田间管理等因素对作物生产的影响，克服了传统的作物-天气统计模型的缺点，是一种面向生长过程，机理性和时间动态性很强的模型，已成为农业气象模型的发展方向。,总辐射,光截获,LAI,潜在总光合产物,实际总光合产物,干物质,茎,叶,贮存器官,根,生长呼吸,维持呼吸,Ta/Tm,降水,根区土壤含水量,渗透,蒸发,排水,毛细管上升,实际蒸腾,最大蒸腾,土壤水分平衡子模型,温度,作物生长模拟模型框架,灌溉,荷兰de Wit教授定义了从潜在产量到水分胁迫到营养胁迫及病虫害限制产量的作物模拟四个水平或四个阶段。目前已经有至少100种不同的模拟模型，其中以小麦模型最多，其它如谷类、豆类、根茎类、块茎类作物以及特殊作物如蔬菜和水果等的模型数十分有限。,主要的作物模拟模型,（2）、农业气候资源分析及其合理开发利用研究 与服务（3）、农业气象情报、预报方法研究与服务（4）、农业气象灾害规律及防御措施研究与服务（5）、农业小气候研究与服务 另外，从农业生产对象角度，又可将农业气象学分为：作物气象 林业气象 畜牧气象 渔业气象,研究方法,分期播种法,地理播种法,田间实验法,植物人工气候室法,统计学方法,数值模拟方法,遥感法,1.1.3 农业生产与气象条件,一、农业生产与气象条件 1、影响农业生产的外界自然条件 影响农业生产的外界自然条件主要包括：气候、地形地势、土壤等。气 候：光、热、水、气 地形地势：海拔、坡向、坡度、小地形、水体 土 壤：土壤性质沙土、壤土、粘土、PH值 土壤肥力有机质、氮、磷、钾,附近下蜀黄土母质上的黄棕壤剖面，土层深厚，90厘米以下呈棱块状结构。它是黄壤与棕壤的过渡类型，集中分布于长江两岸的北亚热带地区。,2、气象条件对农业生产影响的主要方面 a.气象条件作为自然资源，直接或间接地为农业生物的生长发育及产量形成提供必需的能量与物质。b.农业生物的生命过程既然是在外界自然环境中完成，就不可避免地会受到有利和不利气象条件的影响。,提供的能量有：,提供的物质有：,绿色植物光合作用,光合作用的能源：,条件：,原料：,O2、N2、CO2、水汽等,太阳辐射能、热能、风能、水能,太阳辐射,CO2、水汽,适宜的温度,CO2,H2O,太阳辐射,温度,C6H12O6,气象要素只有在一定的数值范围内才具有价值,年降水量少于250mm的干旱地区，除有灌溉水源外，一般不能发展农业。,西欧是温带海洋性气候：降水比较均匀，气候较湿，太阳辐射不足，农作物不能成熟，所以只种牧草；,2、西欧yu东亚粮食差异,1、过干、过湿都不利于农作物的生长,东亚地区是季风气候区：夏季高温，冬季较冷，太阳辐射强，昼夜温差大，适合农作物的生长。,2、气象条件对农业生产影响的主要方面 c.气象条件还会通过其它外界环境条件如土壤、水文和地面覆盖物的作用来影响农业生产。d.气象条件中，光、热、水、气诸因子既不能互相代替，又互相制约，综合地影响农业生产，其不同的组合对农业生产会有不同的影响。不利的组合将导致减产，有利的组合必使农业增产。,3、农业生产中应该重视的几个气象问题 a.发展农业生产必须“因地因时制宜”，所谓“时”，实际上是指气象条件，即因气象条件制宜。b.不能认为只有气象条件影响农业生产，作物特别是农业生产过程中的农业技术措施也反过来影响气象条件。c.精准农业或精耕细作多项农业技术措施功能的发挥，几乎无一不与天气气候条件有关。,3、农业生产中应该重视的几个气象问题 d.农业生产对象的生长发育规律与影响农业生产的气象条件的变化规律相结合所形成的农业气象规律，会对农业生产产生有利或不利的影响。因此要发展农业生产，必须掌握农业气象规律。,二、土壤植物大气系统（SPAS）简介,从农业气象学科考虑，作物及其生产过程是一个 作用系统，即“土壤植物大气”系统，或可称之为“农业气象系统”。实际上，农业气象系统的垂直尺度并不大。其上 部边界层距离地面最高不过2030米左右，下部边界 层深入土壤中也只在3050厘米以至几米上下。,农业气象系统内各个变量及其相互关系，蒙蒂斯（）等用“土壤植物大气”系统示意图来表示。,农业气象学的任务，实质上就是要了解系统内的机制、状态与过程的相互关系；从能量平衡和物质守恒定律来研究、阐明农业生物从系统外部的输入项如何促使农业生物生长发育和产量形成；从能量转换与物质输送观点出发，为利用、调节和改造“土壤植物大气”系统提供依据，最后为获得高产、优质的农产品，采取最优的气象条件和气象措施。,例子？冬小麦-玉米-气候变化,1.1.2 能源利用与气象,西周-阳燧取火、风帆助航风力机提水、磨面,例如：郑和七次下西洋，所用船只多樯多帆，充分 利用了风能,1.1.3 建筑与气象,北宋初年，木工喻皓，在开封建造了一座平面八角十三层高的开宝寺塔，针对当地盛行的西北风，据长年的实际经验估算，有意识的使塔身向西北方向倾斜，用塔身的倾斜预应风压，实为建筑学上的大胆创举。南北方房屋的结构不同：南方-通风防湿 北方-采光保暖,鉴于世界上曾发生过多次重大建筑事故-设计风压在建筑界备受重视。,军事与气象,三国时期-火攻（官渡之战、赤壁之战、彝陵之战）下雪时进行军事伪装；利用大雾天气进行奇袭和埋伏。目前的机械化战争,1.1.5 医学与气象,早在春秋战国时期就出现了,例如：秦国医家医和倡论“阴、阳、风、雨、晦、明”为“六气”，六气太过就要引起各种疾病,1.1.6 盐业与气象,北宋沈括梦溪笔谈-“解盐不得此风不冰”，描述了山西解盐与南风的关系。明代宋应星开工天物-“盐见水即化，见风即卤”；“山西解盐-引水种盐，春间即为之，待秋夏之交，南风大起，则一宵结成”，具体说明了风与制盐的关系,1.1.7 国内外气象机构的建立,18-19世纪，法、英、日、德先后在我国设立气象机构，主要是为帝国主义侵略服务。,1945年在解放区建立第一个气象台，为抗日战争服务，以后在东北、华北也相继建立了一些气象台，一直隶属于中央军委，主要为保证解放战争的胜利服务，特别是为空军飞行训练和作战提供气象保障。,1949年12月军委1气象局宣告成立，各大军区陆续设立气象处，配合空军、海军和其他兵种建设，为解放大西南，沿海岛屿，特别是抗美援朝战争服务。,1953年8月军委气象局改为中央气象局归政府建制，既为经济建设服务，又为国防建设服务，提供日常的航危报服务，保证了部队战备和飞行训练的需要。,总之，与生产实践密切相关的应用气象学，首先在那些生产或作业直接在野外大气环境中进行并对天气、气候反应十分敏感的行业中兴起，大致可分为4个主要阶段：1840年航海气象应用；1890年农业气象应用；1920年商用航空气象应用 1940年早期（二战期间）的全球军事气象应用。,1.1.8 国内外工业气象的兴起,1968年成立的美国全国工业气象家协会（NCIM）的誓约说，其主要职责就是促进气象咨询和工业气象科学原理的应用，为国家谋利，70年代初期，该协会已初具规模，其成员（共527人）服务于工业企业（210人）联邦政府机关（52人），地方政府机关（296人）和大学（14人），美国国家大气海洋局（NOAA）也积极支持工业气象工作，并提供卫星气象资料和通讯等专项服务。,1985年经国务院批准，我国气象部门把开展气象科技服务列作气象事业结构调整和改革的一项重要内容，专业气象服务，专项气象服务是新型气象事业结构的重要组成部分，是促进气象科技转化为生产力的主要方式，气象为产业工程部门开展科技服务，专项服务是气象科技服务中的主要部分。10年来，气象部门在改革开放方针的指引下，气象科技服务经历不断发展深化改革的过程，这对推动我国产业工程气象学的研究和应用起着重大作用。,随着高新科技的发展和应用，人们已步入信息时代，应用气象将进入一个新的历史发展时期，市场竞争将更加激烈，为了发展生产力，提高技术水平，改进工艺过程，加强科学管理以增强市场竞争能力，产业部门对气象的依赖程度将进一步增强，气象科技服务的对象将不断扩大，服务的内容、范围和要求也将进一步拓宽和深化。,1.2 未 来 展 望,1.3-应用气象学研究,气象服务工作,应用气象学的研究内容,开展应用气象学研究的意义和方法,从经济学角度 的大气资源开发利用，称之为气象服务。,1.3.1 气象服务工作 定义:,分类:,决策气象服务-向政府机关提供决策服务公众气象服务-向社会公众提供通用性的公益服务专用气象服务-向国民经济各企事业单位和个人 提供的专项服务、专业有偿服务和 气象科技服务，商业气象服务。,1.3.2-应用气象学的研究内容,各行产业对气象的敏感率：,航空,建筑,海陆交通,加工工业,公用事业,农业、林业、渔业,表1 美国因不利天气造成的年经济损失（1972年，单位百万美元）,可预防减损额表示假定在最佳利用气象情报和天气预报对策下，所获平均收益的潜在经济效益。对天气最敏感的农业、建筑、公用事业和加工工业4个行业占全部可预防减损额98%，可预防减损总额约为不利天气引起损失总额的41.8%。由此可见，气象情报和天气预报潜在经济效益之高。,1.3.3 开展应用气象学研究的意义,制定规划-土地规划 水资源规划 经济协作区规划 城市建设和工业区布局规划,工程设计,专业气象预报,生产组织和管理,1.3-开展应用气象学研究的方法,研究途径：基本上采用实验研究和理论研究。,首先应深入产业各部门，了解生产过程及环境条件，掌握各行业需要什么有利气象条件，防止什么不利气象条件。,通过现场观测试验，建立各行业不同性质，不同工序和不同作业阶段对气象变化的敏感度，对不同天气按引起灾害类，有不良影响类和促进生产类，逐步地进行气象科技服务的专业预报，情报的业务建设，包括专业气象指标，数据库，科技服务信息加工和信息传递等。,利用气象资料分析专业气象指标的空间分布和时间变化规律，将各种天气状态和多种经济决策，采用概率统计方法并与天气预报方法和数值模式，计算机技术相结合，建立以专业预报为主体的各类专业气象科技服务系统，通过气象科技服务逐步形成各产业工程气象学分支。,研究专业气象预报和气象科技服务的效益评价方法，尽量做到长期中期预报相结合，短期短时预报相结合，为用户提供系列配套的天气预报信息产品。,科学系统的行业气象指标，一般应具有“三性”和“二化”，即：客观性：由科学依据，符合行业生产实际。关键性：行业生产关键环节对气象的特殊要求。有效性：指标必须能产生效益。,科学系统的行业气象指标，一般应具有“三性”和“二化”，即：数据化：具体数值化，具可操作性。系列化：指标逐步形成系统，在行业生产全过程 的各个过程都建立气象指标。,