第1章大氣科學概論(南京信息工程大學大氣概論)

大氣科學概論第一講概述主講人:李棟梁教授

張杰副教授

lidl@自我介紹1957-臘八出生1968-03-01上小學1971-03-01上初中1973-03-01上高中上山下鄉(xiāng)飼養(yǎng)員、記工員、保管員、會計、民辦老師1975-01-011978-03-01蘭州大學蘭州氣象學校教書清水農(nóng)業(yè)學校教書甘肅省氣象局成人教育1982-01-191982-09-011983-03-01甘肅省氣象科學研究所1986-01-011988南京氣象學院讀碩士工程師1992-09-011994-12-01副研究員研究所總工程師1996-04-201997-12-09氣候中心主任中心臺臺長1998-01-011999-06-20研究員寒旱所研究員博導南信大教授/博導2001-012007-2020做點力所能及的事2031年架鶴西去？2021-2030第一次見到電腦！1988-2008年,20年共發(fā)表學術(shù)論文194篇,其中SCI論文12篇,出版專著2本發(fā)表論文（論著）情況：

共計在各類學術(shù)刊物發(fā)表研究論文近200余篇，其中SCI（E）收錄論文12篇，國內(nèi)核心期刊論文150篇；第一作者論文50余篇；第二作者論文50余篇。出版專（合）著2本，經(jīng)查詢，第一作者論文查詢SCI數(shù)據(jù)庫（WEBOFKNOWLEDGE：SCIEXPANDED，數(shù)據(jù)范圍：1991-2006/11/5），在SCI數(shù)據(jù)庫中共被收錄2篇；在SCI數(shù)據(jù)庫中共被引用20次。論文在中國科學文獻服務系統(tǒng)科學引文數(shù)據(jù)庫中共被收錄25篇，共被引用310次。項目第一作者第二作者第三作者第四以后合計SCI收錄21227SCI引用2046131核心期刊收錄25432912109核心期刊引用31024611753726主要內(nèi)容1.1大氣科學的重要性、目的、意義1.2大氣科學的研究對象和內(nèi)容1.3大氣科學的學科體系1.4大氣科學的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀1.5大氣科學在生產(chǎn)建設中的應用圖氣候系統(tǒng)及其各圈層之間的相互作用1.1大氣科學的重要性、目的、意義氣象資料觀測臺站分布1：10萬1990年和2000年土地利用數(shù)據(jù)1：100萬植被類型數(shù)據(jù)1：100萬土壤數(shù)據(jù)1km人口空間化數(shù)據(jù)

對大氣科學您知道什么?

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您知道了想干什么?1.2大氣科學的研究對象和內(nèi)容大氣科學研究內(nèi)容：研究大氣的各種現(xiàn)象及演變規(guī)律，以及如何利用這些規(guī)律為人類服務.大氣科學研究對象:不僅限于大氣圈，也研究大氣與地球表層水圈、冰雪圈、巖石圈和生物圈的相互作用和物化過程；太陽系其它行星的大氣。研究大氣運動的能源，大氣中的物質(zhì)循環(huán)、能量轉(zhuǎn)換和變化過程、大氣環(huán)流及天氣、氣候的分布和變化，都與其它圈層之間存在相互影響和相互作用。極地赤道溫室氣體太陽輻射冰原蒸發(fā)降水侵蝕風化涌升地球氣候系統(tǒng)及其各分量間的相互作用一.研究對象1──大氣圈2.地球大氣的組分地球大氣的組分以氮、氧、氬為主，它們占大氣總體積的

99.96％。其他氣體含量甚微，有二氧化碳、氪、氖、氦、甲烷、氫、一氧化碳、氙、臭氧、氡、水汽等。大氣中還懸浮著水滴、冰晶、塵埃、孢子、花粉等液態(tài)、固態(tài)微粒。地球大氣層1.不可變氣體成分：氮、氧、氬，這幾種氣體成分之間維持固定的比例。2.易變氣體成分，以水汽、二氧化碳和臭氧為主，變化最大的是水汽。2.1.水汽：隨著大氣溫度發(fā)生相變，成云致雨，成為淡水的主要資源。水的相變和水文循環(huán)過程不僅把大氣圈同水圈、巖石圈、生物圈緊密地聯(lián)系在一起，而且對大氣運動的能量轉(zhuǎn)換和變化有重要影響。靜止衛(wèi)星觀測到某一時刻地球大氣水汽分布一.研究對象1──大氣圈2.2.二氧化碳：1.1含量：受植物的光合作用、動物的呼吸作用、含碳物質(zhì)的燃燒以及海水對二氧化碳的吸收作用所影響1.2二氧化碳含量與年俱增：在工業(yè)發(fā)展、化石燃料（如煤、石油、天然氣）燃量增加、森林覆蓋面積減少的情況下，觀測到現(xiàn)象。1.3

CO2和其它溫室氣體的增加，已成為研究現(xiàn)代氣候變化的一個前沿課題。

CO2的近期增長狀況以及人類對大氣環(huán)境造成的影響因素一.研究對象1──大氣圈2.3.臭氧：1.1.含量：大氣中臭氧的含量很少，即使在離地表20～30公里的濃度最大處，其含量也不到這層大氣的十萬分之一。1.2.保護作用：吸收太陽紫外輻射中對生命有害的部分。1.3.增加平流層溫度：1.4.含量變化：人類活動對高空光化學過程的影響會引起臭氧含量的變化，該問題已成為醫(yī)學界和氣象學界共同關(guān)注的問題

臭氧層分布及保護作用一.研究對象1──大氣圈3.地球大氣的密度、溫度、壓力、組分和電磁特性等都隨高度而變化，具有多層次的結(jié)構(gòu)特征。大氣的密度和壓力一般隨高度按指數(shù)律遞減；溫度、組分和電磁特性隨高度的變化不同，按各自的變化特征可分為若干層次。DCBA氣溫垂直分布圖

14012010080604020高度（千米）溫度（℃）一.研究對象1──大氣圈4.地球大氣的運動非常復雜4.1.季節(jié)變化：地球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)運動以及地球自轉(zhuǎn)軸的方向產(chǎn)生了地球上的晝夜交替、四季變化和溫度自赤道向兩極遞減的規(guī)律。4.2.地表的溫度分布：并不完全按緯圈帶分布，由于海陸分布和地貌等的不均勻。4.3.大氣的溫度、壓力和密度之間有密切的關(guān)系。大氣壓力分布(即氣壓場)的不均勻會導致大氣的運動，大氣的運動又會引起氣壓場的重新調(diào)整。

21世紀后期（2090-2099）預估的地表溫度變化

一.研究對象1──大氣圈4.地球大氣的運動非常復雜4.4.大氣運動：機械運動、熱運動等多種進行水平方向和鉛直方向的物質(zhì)和能量的傳輸和轉(zhuǎn)換。大氣圈通過各種機制相互緊密地聯(lián)系在一起，形成空間尺度從幾米到上萬公里，時間尺度從幾秒到數(shù)十天或更長時間的多種大氣運動系統(tǒng)一.研究對象1──大氣圈4.5.影響大氣運動、變化的因素1——自然條件：大氣的可壓縮性、太陽輻射、地球的形狀和它的重力、地球的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)、地球表面的海陸分布和地形起伏、地球演化和生態(tài)系統(tǒng)等造成地球大氣特定組成、結(jié)構(gòu)和運動、變化狀態(tài)。全球海陸分布圖一.研究對象1──大氣圈4.5.影響大氣運動、變化的因素2——人為條件：人為的因素在變化著（如溫室效應的氣體增加，大面積森林砍伐等），自然的因素也在變化著（如火山爆發(fā)等引起輻射能的變化，地球自轉(zhuǎn)軸方向的變化等）。火山爆發(fā)對近地大氣短波輻射的影響一.研究對象1──大氣圈土衛(wèi)六（Titan，又稱為泰坦星）是環(huán)繞土星運行的一顆衛(wèi)星。它是土星衛(wèi)星中最大的一個。在1655年3月25日被荷蘭物理學家、天文學家和數(shù)學家克里斯蒂安·惠更斯發(fā)現(xiàn)，它也是在太陽系內(nèi)繼木星伽利略衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)后發(fā)現(xiàn)的第一顆衛(wèi)星。由于它是太陽系唯一一個擁有濃厚大氣層的衛(wèi)星，因此被視為一個時光機器，有助我們了解地球最初期的情況，揭開地球生物如何誕生之謎。

卡西尼"首次近訪土衛(wèi)六

研究對象二.太陽系其它行星的大氣觀測是大氣科學研究的基礎分析和診斷是大氣科學的基本研究方法數(shù)值模擬對于大氣科學研究發(fā)展的作用研究手段和方法生病了有過程看醫(yī)生做預報診斷診斷體溫血壓心率體液生化病理透視B超CT打針吃藥做手術(shù)死了癌癥好了天氣經(jīng)驗特征統(tǒng)計動力量場雷達飛機探測常規(guī)經(jīng)驗預報數(shù)值模式預報不準突變準了1.3大氣科學的學科體系大氣科學傳統(tǒng)上分為氣象學、氣候?qū)W和高層大氣物理學3個領域。氣象學主要研究對流層和低平流層每日甚至每小時的天氣變化。氣候?qū)W是對大氣層某一區(qū)域長期(1個月至數(shù)百萬年)的天氣狀況的統(tǒng)計描述。高層大氣物理學主要研究高層大氣的物理狀態(tài)及支配過程，高層大氣是指低平流層以上的大氣區(qū)域。沙塵天氣過程（上）平流層大氣物理（下）溫度、海平面和北半球積雪變化（右）▲大氣科學的學科分支大氣探測、氣候?qū)W、天氣學、動力氣象學、大氣物理學、大氣化學、人工影響天氣、應用氣象學等。

天氣動力學和氣候動力學衛(wèi)星氣象學雷達氣象學（一）大氣探測：是一門研究探測地球大氣中各種現(xiàn)象的方法和手段的學科。按探測范圍和探測手段劃分，大氣探測有地面氣象觀測、高空氣象觀測、大氣遙感、氣象雷達、氣象衛(wèi)星等次一層分支。探測手段的飛躍往往帶來以往難以預計的重大發(fā)現(xiàn),在大氣科學的發(fā)展進程中,大氣探測起了十分重要的作用。云中冰／水的質(zhì)量CloudSatMLSAMSR云微物理特性MODISCloudSatPARASL降水CloudSatAMSR氣溶膠光學特性CALIPSOMODISPARASOLOMI云光學特性CALIPSO,MODIS,andPARASOL化學TES,MLS,OMI輻射通量CERES多顆衛(wèi)星觀測系統(tǒng)（二）氣候?qū)W：是一門研究氣候的特征、形成和演變以及氣候同人類活動相互關(guān)系的學科。研究內(nèi)容主要包括氣候特征、氣候分類、氣候區(qū)劃、氣候成因、氣候變化、氣候與人類活動的關(guān)系、氣候預報和應用氣候等。20世紀70年代以來，全世界發(fā)生幾次氣候異常，不少地區(qū)糧食產(chǎn)量大幅度下降，引起世人對氣候的嚴重關(guān)注。工業(yè)生產(chǎn)引起大氣中CO2和其他有溫室效應的氣體（如CH4、N2O等）含量逐年增加，若干年后對地球氣候?qū)l(fā)生什么影響，是非常令人關(guān)切的問題。全球和大量氣候變化（二）氣候?qū)W：電子計算機的采用，促進了對氣候變化物理因子和氣候模擬的研究，氣候預測已不再是虛無縹緲的難題，而已成為一個具有戰(zhàn)略意義的課題了。

CABLE模式在NPP模擬(左)基礎上對降水(右)進行模擬研究（三）天氣學：是一門研究大氣中各種天氣現(xiàn)象發(fā)生發(fā)展的規(guī)律以及如何應用這些規(guī)律來制作天氣預報的學科。研究內(nèi)容主要包括天氣現(xiàn)象、天氣系統(tǒng)、天氣分析和天氣預報等。氣候?qū)W和天氣學研究的成果，不但為大氣科學提供豐富的研究課題，而且還直接為國民經(jīng)濟服務。

2009.8.9號莫拉克臺風帶來的豪雨重創(chuàng)南臺灣

援救現(xiàn)場（四）動力氣象學：是一門應用物理學和流體力學定律及數(shù)學方法，研究大氣運動的動力和熱力過程及其相互關(guān)系的學科。研究內(nèi)容主要包括大氣熱力學、大氣動力學、大氣環(huán)流、大氣湍流、數(shù)值天氣預報和數(shù)值模擬等。動力氣象學的發(fā)展對更深刻地認識大氣運動的機理、掌握天氣和氣候變化的規(guī)律有十分重要的作用，它是大氣科學的理論基礎學科。起沙動力學條件分析(引自：周秀驥等，2002)（五）大氣物理學：是一門研究大氣的物理現(xiàn)象、物理過程及其演變規(guī)律的學科。研究內(nèi)容主要包括云和降水物理學、大氣光學、大氣電學、大氣聲學、大氣輻射學等。大氣物理學也是大氣科學中的理論基礎學科。50年代以后，也有人把動力氣象學包括在內(nèi)都稱為大氣物理學。（六）大氣化學：是一門研究大氣組成和大氣化學過程的學科。研究內(nèi)容主要包括大氣微量氣體及其循環(huán)、大氣氣溶膠、大氣放射性物質(zhì)和降水化學等。大氣中沙塵氣溶膠分布個例大氣化學觀測（七）人工影響天氣：研究如何通過影響云和降水的微物理過程使某些大氣現(xiàn)象、大氣過程發(fā)生改變的技術(shù)和方法。如人工降水、人工防雹、人工消霧等。人工影響天氣是人類改造自然的一個組成部分。凝結(jié)核化過程人工影響天氣作業(yè)是將氣象學的原理、方法和成果應用于農(nóng)業(yè)、水文、航海、航空、軍事、醫(yī)療等方面，同各個專業(yè)學科相結(jié)合而形成的邊緣性學科，也是充分開發(fā)利用氣候資源的重要領域。

2006年非洲的農(nóng)業(yè)干旱（八）應用氣象學：1.4大氣科學的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀1.劇烈天氣之實時監(jiān)測與預報：遙測設備的蓬勃發(fā)展以及下游應用。氣象雷達、氣象衛(wèi)星、以及氣象飛機等。這方面的研究需要大氣科學家和下游應用各學門專家的通力合作。2.大氣與海洋的交互作用：季風和ENSO現(xiàn)象的研究，并延伸至短期氣候變化的預測，這方面的研究關(guān)連到大氣科學家與海洋學家的合力研究。（一）大氣科學的最新發(fā)展

飛機雷達衛(wèi)星等探測手段結(jié)合3.大氣問題的數(shù)值模擬：數(shù)值仿真天氣及預報，利用計算機自動計算結(jié)果經(jīng)人為詮釋來預報天氣。這方面的研究關(guān)連到大氣科學家，應用數(shù)學家及電子計算器專家的合作。臺風的衛(wèi)星影像及風向和降水移動路徑的數(shù)值模擬（一）大氣科學的最新發(fā)展（一）大氣科學的最新發(fā)展4.空氣污染問題：熱島效應,全球增溫,南極臭氧洞等。這方面的研究關(guān)連到大氣科學家與化學家的通力合作。(左)空氣污染與(右)城市熱島（一）大氣科學的最新發(fā)展5.探討地球氣候變遷的歷史：這方面的研究牽涉到大氣科學家，地球化學家，地質(zhì)學家,海洋學家,及冰河學家們的合作。探討百年甚至千年氣候變化的原因與未來之可能趨勢，并討論因應對策。氣候系統(tǒng)內(nèi)部相互作用氣候變量內(nèi)部響應原因(外部強迫)板塊構(gòu)造變化地球軌道變化太陽輻射強度的變化植被大氣冰雪海洋地表大氣層變化冰雪層變化植被的變化海洋的變化地表層變化地球氣候系統(tǒng)以及其分量間的相互作用6.太陽表面擾動所造成地球高層大氣各種特殊現(xiàn)象產(chǎn)生的物理過程：磁暴/太陽風→通訊、太空天氣預報的計劃。這方面的研究牽涉到高層大氣物理學家，太陽物理學家及太空物理學家們的通力合作。7.其它星球的大氣探索：遙測技術(shù),實地太空觀測（宇宙飛船）,近代物理之輻射理論的發(fā)展與應用等。太陽表明的擾動(上)太陽表面粒斑化特征圖,包括太陽黑子,光斑,和光焰[flares]。(下)日全蝕下的日冕。太陽活耀年時(1958)太陽表面的黑子、光斑、及光焰數(shù)目非常多。反之，稱為太陽安靜年(1964)。（一）大氣科學的最新發(fā)展（一）大氣科學的歷史（1）大氣科學是研究大氣與其相關(guān)現(xiàn)象的科學（氣象和氣候）希臘哲學家亞里士多德（340BC），Meteorologica，和天氣與氣候相關(guān)的知識，并包括天文學、地理學、以及化學。云、雨、雪、風、雹、雷、和颶風等?！眒eteoros”希臘字意指在高空中。Meteorology一字表示由高空掉落以及在空氣中各種事務或現(xiàn)象稱之。希臘哲學家狄奧佛拉斯塔（287BC），BookofSigns，第一本天氣預報的書，利用與天氣變化有關(guān)的訊息來預報天氣。氣象學成為『自然科學』源于利用科學儀器來量度氣象變數(shù)。（一）大氣科學的歷史（2）意大利天文學家伽利略(16世紀)：溫度計。意大利數(shù)學及物理學家托里賽利(17世紀)：水銀氣壓計。法國數(shù)學及哲學家帕斯卡和笛卡兒(17世紀)：氣壓隨高度變化。英國科學家霍克(17世紀)：風速計。德國物理學家華氏(18世紀)：定華氏溫標。法國化學家查爾斯(18世紀)：溫度與固定體積空氣的關(guān)系。瑞典天文學家攝氏(18世紀)：定攝氏溫標。美國科學家法蘭克林(18世紀)：放風箏入雷暴證明閃電來源。瑞士地質(zhì)及氣象學家笛紹高斯(18世紀)：毛發(fā)濕度計。氣象參數(shù)（溫度，氣壓，風速風向，濕度，閃電）的度量與天氣現(xiàn)象之關(guān)系開始被建立（一）大氣科學的歷史（3）英國氣象學家哈德里(18世紀)：解釋地球旋轉(zhuǎn)如何影響赤道的風向。1821年，天氣圖被繪制（天氣現(xiàn)象）法國物理學家科氏(19世紀)：利用數(shù)學證明地球旋轉(zhuǎn)對大氣運動的影響。1842年，電報系統(tǒng)發(fā)展，長程通訊對氣象事業(yè)發(fā)展影響深遠1869年，等壓線的繪制（現(xiàn)代天氣圖）挪威學派(TheBergenSchool)1920年，氣團與鋒面的概念開始建立:極鋒理論(polarfronttheory)，近代天氣學的開端(Bjerknes,Solberg,Bergeron)（一）大氣科學的歷史(4)芝加哥學派(TheChicagoSchool-Dynamicalmeteorologyera)1940年氣球探空、雷達、氣象飛機，西風噴流，羅士比波(Rossbywaves西風帶長波的發(fā)現(xiàn))，WMO成立現(xiàn)代氣象科學的蓬勃發(fā)展1950年馮紐曼與查尼(J.Charney)，高速電子計算器，建立準地轉(zhuǎn)理論（長波與氣旋鋒面），數(shù)值天氣預報(NWP)Rossby:Longwavesinthewesterly（一）大氣科學的歷史(4)1960年，氣象衛(wèi)星（泰洛斯1號），全球天氣監(jiān)測(熱帶海洋氣象)，多普勒雷達1970年，全球氣候與環(huán)境變遷，南方震蕩(ENSO)，南極臭氧洞，全球暖化1980年，剖風儀、雙偏振都卜勒雷達、復雜衛(wèi)星系統(tǒng)、超大快速電子計算器微波輻射計測得大氣溫濕度及液態(tài)水分布20~30年代,三大氣壓震蕩,北大西洋震蕩(NAO),北太平洋震蕩(NPO),南方震蕩(SO);Walker(1932)30年代,大氣長波理論-羅士比波,Rossby(1939)（一）大氣科學的歷史（5）20世紀氣候?qū)W理論研究的十大成就

大氣海洋交互作用南方震蕩40~50年代,時間平均環(huán)流之長波預測,Namias(1953)60年代,赤道東西向沃克環(huán)流,Bjerknes(1969)

全球大氣環(huán)流（一）大氣科學的歷史（5）20世紀氣候?qū)W理論研究的十大成就70年代,溫室效應(doublingCO2),Manabe(1975)80年代,月平均環(huán)流預測,Miyakoda(1986)溫室效應（一）大氣科學的歷史（5）20世紀氣候?qū)W理論研究的十大成就80~90年代,ENSO預測,CaneandZebiak(1986)80~90年代,ENSO理論,Suarez(1988),Battisti(1989)（一）大氣科學的歷史（5）20世紀氣候?qū)W