《江师大地理师范期末重点》顾千苏

10、气象学

　　第一章绪论
　　1、大气科学：大气科学的研究对象是大气圈，是研究大气中各种现象、过程的成因和时空分布规律，以及如何利用这些规律为人类服务的科学。
　　2、天气： 某一地区在某一瞬间或某一较短时间内大气状态（如:
　　Weather 气温、压强、湿度等）和大气现象（如：风、云、雾、
　　降水等）的综合。
　　3、气候： 某一地区是在太阳辐射、下垫面和大气环流的影响下形
　　climate 的一段较长时间内大量天气过程的综合。

　　4、气候系统（climate system）：
　　由大气圈、水圈、岩石圈、冰雪圈、生物圈（含人类智慧圈）组成，能够决定气候形成、气候分布和气候变化的统一的物理系统。（主体—大气圈；下垫面—水圈，陆地表面，冰雪圈和生物圈；能量源—太阳辐射；链条—能量链，物质链）
　　5、
　　6、研究方法：
　　i.观测方法（气象站，卫星云图，高空气球探测，雷达回波）
　　ii.实验方法（人工气候箱实验）青藏高原大气科学试验；华南季风降水试验；干旱气象科学研究计划
　　7、理论研究方法：三大理论：
　　流体力学
　　热力学
　　大气环流理论
　　8、数值模拟方法：基于数理理论基础和天气学原理，将不同的物理和气象方程，以计算机程序的方式进行运算，分析计算出：未来的温度、湿度、气压、风向等变化，以协助天气预报或进一步的理论研究。
　　9、发展简史：

　　第二章 地球大气的静力特征
　　1、地球大气的进化过程及特征

　　2、地球大气由多种气体和悬浮其中的固体或液体粒子混合而成。
　　（1）干洁大气 dry air ——除去水汽和悬浮粒子的纯净混合大气（包括主要成分、微量成分和痕量成分等多种气体。）
　　（2）水汽 water vapour（云、雾、雪、霜、露）
　　（3）气溶胶 aerosol ——悬浮在气体中的固体或液体粒子形成的胶体分散系（空气中悬浮的固态或液态颗粒的总称。典型大小为0.01~10微米，能在空气中滞留至少几个小时。气溶胶有自然来源、人为来源两种。）
　　3、热力垂直结构：温度 (T) 在垂直方向(H)上的变化特征，即

　　4、气象要素meteorological elements：太阳辐射、降水、相对湿度、气温、云、能见度、风、气压
　　5、气温temperature
　　表征空气冷热程度的物理量称为气温，用T表示 。
　　计量单位：摄氏温标（℃）、绝对温标（K）、华氏温标（℉）
　　T（K）= t（℃）+273.15
　　6、气压 air pressure
　　气压即大气压强，指单位面积上承受大气的压力，用P表示。
　　测值单位为：Pa（帕），也有用 hPa（百帕）, mmb（毫巴）等；
　　1hPa = 1mmb = 100Pa
　　1个标准大气压 P0 = 101325Pa =1013.25hPa
　　气压随高度增加而降低。
　　7、湿度humidity
　　水汽压e 指空气中水汽部分产生的压强，以hPa为单位，取1位小数；
　　一般，e < E（饱和水汽压）。
　　相对湿度f 指空气中的实际水汽压e与同温度下的饱和水汽压E的比值（用百分整数表示），即
　　露点温度Td指空气中水汽含量不变，气压一定的前提下，使空气冷却达到
　　饱和时的温度，单位℃，取1位小数。
　　它是一种假想温度，真实只能接近，但无法实现。
　　8、降水precipitation
　　指从天空降落到地面的未被截留、入渗、径流和蒸发的所有形态水的现象。
　　（1）降水量 以积水深度表示，单位：mm
　　（2）降水时数 以持续时间计量，单位：h或min
　　（3）降水强度 单位时间的降水量，单位：mm/h
　　9、能见度：指视力正常的人在当时的天气条件下，能够从天空背景中看到和分辨出目标物的最大水平距离。常用单位：m 或 km。
　　10、日照辐射量和日照时数：日照辐射量单位：MJ/m2
　　日照时数单位：h或min
　　11、云 cloud
　　云是漂浮于大气中的小水滴或（和）冰晶微粒的可见聚合体，其底不接地，
　　具有一定厚度。云观测项目有：云状、云量和云高。
　　12、观测时间：国家基本观测站每天定时定点进行4次观测，昼夜守班不间断。此外，辅助天气观测可以增加到每隔3小时进行一次，全天测量可达8次；乃至更密，以此形成连续的客观基础数据库用以分析与研究。

　　第三章 地球大气的热力特征
　　1. 辐射 radiation
　　任何物体只要温度大于绝对温度0 k，都以电磁波形式向其四周
　　放射能量，这种传播能量的方式称为辐射。 —— from《物理学》
　　2、电磁辐射 electromagnetic radiation
　　依靠辐射传播的能量称为辐射能；辐射能是以电磁波方式传输的。
　　电磁辐射的波动性关系为：
　　υ= 1/λ λ* f = c υ = f/c
　　注：f 频率、λ波长、υ波数和 c波速
　　3、描述辐射场的物理量
　　1）辐射通量 “Φ” （radiant flux）
　　指单位时间内通过某一平面（或虚拟平面）的辐射能，也称为辐射功率，单位为：W 或 J/S.
　　2）辐射通量密度 “E” （radiant flux density）
　　指辐射场内任一点处通过单位面积的辐射功率，也称为辐照度，即单位时间内通过单位面积的辐射能量，单位为：W/m2 或 J/(S?m2).
　　3)净辐射通量密度“ΔE ” （net radiant flux density）
　　指辐射场内任一点处的入射辐射通量密度与放射辐射
　　通量密度之差，单位同E 。即：ΔE=E↓-E↑
　　4、有关辐射的物理规律
　　假设外界投射到物体表面上的总能量是Q ,其中一部分能量Q1 在进入表面后被物体吸收,另一部分能量Q2 被物体反射,其余能量Q3 穿透物体。即： α + r + τ = 1
　　吸收率α
　　反射率 r
　　透射率τ
　　5、黑体是指入射的电磁波全部被吸收，既没有反射，也没有透射；即α =1, r＝τ＝0 。
　　如果某一物体的单色吸收率与投射到该物体的辐射能的波长无关，即α为定常值（且 α < 1），则称为灰体。
　　若某物体在任何温度下对于任何波长的辐射能量的反射率都等于1，即r =1, α＝τ＝0，这一物体被称为白体。
　　6、基尔霍夫定律（Kirchhoff，1859）：
　　指在热平衡条件下，任何物体的辐射率Fλ,T 和它的吸收率A λ,T之比值是一个普适函数。该普适函数只是温度和波长的函数，而与物体的性质无关。
　　即：
　　斯蒂芬-波尔兹曼定律（Stephen-Boltzmann，1879）
　　绝对黑体的积分幅出度与其温度的四次方成正比，即：
　　维恩位移定律（Wien，1893）
　　从热力学理论推导出黑体辐射光谱极大值对应的波长λmax与温度T 的乘积为一个常数，即：
　　普朗克定律（Planck，1900）：
　　从理论上得出了精确的绝对黑体辐射率随波长λ变化的函数关系式：

　　7、太阳光可分为可见光、不可见光两部分。
　　可见光的波长为400～760nm，分光散射后为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫7色，集中起来则为白光。
　　不可见光，又分为2种：红光外区的红外线，波长大于760nm，最长可达
　　5300nm；紫光外区的紫外线，波长290～400nm。
　　8、 太阳辐射的光学频谱接近温度5800K的黑体辐射。
　　因此，定量研究太阳辐射可以尝试使用黑体的辐射定律。
　　9、在大气上界的日地平均距离处，垂直于太阳光线的单位面积内，单位时间内获得太阳辐射能量，称之为太阳常数I0。
　　1981年WMO公布I0 均值为1368 W/m2 ；多数文献中采用1367 W/m2
　　根据1978-1998年 6颗卫星的观测发现， I0 均值为1366.1 W/m2,标准差为425 ppm, 0.37%的波动范围为：1363-1368 W/m2。 (Lean and Rind,1998)
　　10、太阳辐射传递过程
　　I0 = I吸 + I散 + I反 + I
　　（1）大气对太阳辐射的吸收（I吸）
　　太阳辐射照射到大气介质上后，辐射能中的一部分被转变为大气的内能或者其他形式的能量。太阳辐射传递能量不断削弱；而大气内能增加，气温升高。
　　11、白天气温升高，是因为地球大气对太阳辐射的吸收吗？
　　否 大气强吸收红外辐射。
　　白天，地球吸收太阳辐射而升温，会同时释放更多的长波辐射，大气由此不断升温。
　　12、（2）大气对太阳辐射的散射
　　散射是全波段性的，且与波长及散射介质质点的相对大小有关。
　　定义 ，划分散射特征:
　　当α＜＜0.1,即 r＜ λ时，Rayleigh 散射 （分子散射）；
　　当0.1＜α＜50,即 r ≈λ时， Mie散射（大颗粒散射）；
　　当α＞50，即 r﹥﹥λ时，几何光学散射。
　　13、（3）大气对太阳辐射的反射
　　主要是云层和尘埃，其中云的反射作用最明显，其反射强度随云状、云厚而不同，云层愈厚反射愈强。 反射对波段也是无选择性的，所以反射光呈白色。
　　14、（4）太阳辐射的传输过程总结
　　反射作用最重要，
　　散射次之，
　　吸收作用最小。
　　15、太阳总辐射：到达地面的太阳辐射量分为：太阳直接辐射和太阳散射辐射，
　　统称太阳总辐射。
　　太阳直接辐射（direct radiation）——以平行光线直接投射并能到达地面的太阳辐射能(I )；
　　太阳散射辐射(scattered radiation) ——太阳辐射遇到大气中各种气体分子、尘埃等产生的散射，以漫射形式到达地球表面的辐射能。
　　太阳总辐射能量比太阳常数小得多；全球平均而言，只占到达大气上界太阳辐射的45%。
　　16、太阳总辐射时空特征：
　　(1) 太阳总辐射量随纬度升高而减小，随高度升高而增大；
　　(2)一天内，太阳总辐射白天为正值，夜间为零；白天正午时分总辐射最强。
　　(3)一年内，月均总辐射强度夏季最大，冬季最小。
　　17、投射到地面的太阳辐射会被吸收，地表升温。但并非全部，其中部分会被地表反射。
　　地表吸收能力越强，升温越高；同时向外发射辐射的能力也越强。
　　18、大气热量变化的方式
　　△U = Q + W
　　1.1 气温的非绝热变化Q
　　指空气块（团）在运动过程中，只依赖与外界发生热量交换引起的气温变化。
　　1.2 气温的绝热变化W
　　指空气块（团）在运动过程，只依赖与外界相互做功引起的气温变化。
　　19、绝热变化：形式分为：干绝热变化和湿绝热变化
　　1）干绝热变化
　　指干空气块（团）和始终未饱和的湿空气块（团），垂直运动中温度发生的变化。
　　泊松方程（Poisson）:

　　气块干绝热上升单位距离时，其温度的降低值为：干绝热直减率

　　2）湿绝热变化
　　饱和湿空气块（团）在垂直运动中温度发生的变化。
　　气块湿绝热上升单位距离时，其温度的降低值为：
　　湿绝热直减率 ，且
　　真实大气中，空气块的热量变化是绝热和非绝热变化的综合。
　　20、
　　21、等温线——水平面上气温相等的各点的连线
　　22、等温线平直，影响气温水平分布的因素少；反之，影响因素多。
　　等温线密集，气温水平梯度大；等温线稀疏，气温水平梯度小。
　　封闭的等温线，表示存在冷中心或者暖中心。

　　第四章 地球大气的动力特征
　　1、大气压强的时间分布特征：
　　周期性变化
　　日变化：有单峰、双峰和三峰等多种形式。
　　随纬度的增高，气压日较差明显减小。
　　年变化：单峰形式；
　　大陆型——高值在冬、低值在夏；年较差较大，随纬度递增。
　　海洋型——高值在夏、低值在冬；年较差小。
　　高山型——高值在夏、低值在冬；年较差小。
　　非周期性变化： 主要是天气系统移动和演变的结果，比如气团、锋面活动等。
　　2、大气压强的空间分布特征
　　大气压强的空间分布特征，称为气压场( field of pressure )。

　　3、等压线： 同一水平面上，气压值相等的点的连线，多用在海平面图上。
　　图中，一般每间隔2.5hPa绘制一条等压线（如：…, 997.5hPa, 1000hPa, 1002.5hPa， 1005hPa， 1007.5hPa，…）
　　4、海平面气压场:
　　将全球各气象站同一时刻测得的本站气压，订正到海平面高度的气压值并填在图上，再把气压值相等的点用平滑互不交叉的曲线连接起来，便得海平面气压分布特征。
　　5、等压面：立体空间中，空气气压相等的点组成的一个面。
　　等压面不一定是水平面。

　　6、
　　7、

　　8、地转偏向力
　　又称：科里奥利力；主要是物体相对于
　　匀速转动的参考系运动时而引入的一种假想力 。

　　9、
　　10、

　　11

　　12、近地面大范围地区，盛行风随季节出现规律性改变，风向通常近似相反的现象，称为季风（monsoon）。
　　13、以这种季风现象形成的区域大气环流形式，称为季风环流(monsoon circulation) 。
　　14、季风的影响因子：海陆热力差异、行星风带迁移、高大地形作用。
　　15、季风的分布：冬夏风向至少差120°

　　第五章地球大气水分特征
　　1、

　　2、全球水循环是水分子从水体和陆地表面通过蒸发进入到大气，然后遇冷凝结，以雨、雪等降水形式又回到地球表面的运动。
　　3、大气中的水汽凝结条件：1）凝结核、凝华核的作用
　　2）水汽达到饱和或过饱和状态
　　4、露（dew）和霜（frost）：
　　（1）定义
　　傍晚或夜间地面或地物辐射冷却，使贴近地表的空气层温度降到露点温度以下，空气中的水汽凝结。如果此时的露点温度在0 ℃以上，水汽在地面或地物上凝结出现微小水滴，称为露。如果此时的露点温度在0 ℃以下，水汽在地面或地物上凝华成白色冰晶，称为霜。
　　（2）形成条件
　　晴朗微风的夜晚；冷平流也利于霜的形成。
　　（3）霜与霜冻
　　霜 —— 白色固体凝结物；
　　霜冻—— 农作物生长季节中，植物表面温度下降到0℃以下，足以引起农作物遭受伤害或死亡的一种农业气象灾害。
　　有霜冻而无霜 ，称为黑霜；既有霜冻，又有霜，称为白霜。
　　5、雾凇（rime）和雨凇（glaze）
　　雾凇——形成于树枝上、电线上或其他地物迎风面上的
　　白色疏松的微小冰晶或冰粒。
　　分两种：晶状雾凇、粒状雾凇。
　　雨凇——过冷却的液态降水（冻雨）碰到低于0 ℃的物体
　　直接冻结形成，呈现毛玻璃状或透明的坚硬冰层。
　　6、雾（fog）和云（cloud）
　　雾 ——悬浮于近地面空气中的大量小水滴（或冰晶）的
　　可见聚合体，其底部接触地面，使水平能见度
　　小于1km。
　　常见有两种：辐射雾、平流雾。
　　云——悬浮于大气中的大量小水滴（或冰晶微粒，或
　　两者混合物）的可见聚合体，其底部不接触地面，
　　且具有一定厚度。
　　7、云的类型
　　?热力对流——积状云
　　?动力抬升——层状云
　　?大气波动——波状云
　　云型 低 云（5000m）
　　层状云雨层云高层云卷层云、卷云
　　波状云层积云、层云高积云卷积云
　　积状云淡积云、浓积云、积雨云
　　8、降水特征量
　　（1）定义
　　降水：指从空中降到地面上的液态或固态水的过程。
　　（2）特征量
　　降水量 ：指降水落至地面（固态降水则需融化）后，未经蒸发、渗透、
　　流失而在水平面上积聚的深度，单位：mm;高纬度地区也有测量雪深（cm）、雪压(g/cm2)。
　　降水强度 ：指单位时间内的降水量，单位：mm/d 或mm/h。

　　9、降水的形成：降水的形成就是云滴增大为降水粒子，并降至地面的过程。
　　（1）宏观条件 ：充沛的水汽、空气的上升运动
　　（2）微观物理过程：①云滴凝结（或凝华）增长
　　②云滴冲并增长
　　增长初期，凝结（或凝华）增长为主，冲并为次；当云滴增大到50~70um后，凝结增长为次，以重力冲并为主。
　　10、人工影响云雨：人工降雨指根据降水学说，在不完全具备降水的条件下，人为地补充所需以促使云滴快速凝结并合并增大，形成降水的活动。
　　作业原理——根据云微物理过程，人为选择一些物质（称为催化剂）去破坏云的
　　胶体稳定特征（称为云的催化）；或释放能量增强或减弱上升气流
　　（称为动力催化），达到影响降水的作用。
　　11、人工影响雷电：闪电是云与云之间、云与地之间或者云体内部之间的强烈放电现象，一般发生在积雨云中。可分为热雷电、锋雷电、地形雷电3类。
　　12、人工影响作业：
　　（1）可以人工抑制积雨云的云中起电过程，减少闪电次数；
　　美国：向云中播撒大量的冻结核，使云冰晶化；
　　或有向云中大量播撒金属箔丝或镀有金属薄膜的尼龙细丝，
　　剧增云中大气导电率。
　　（2）可以人工触发闪电，使其发生在特定时间或特定空间内。
　　中国：成功引雷试验达30多次。