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气候的形成和现代气候、气象概念--新疆气象手册(6)第1篇1章8-9节

已有 666 次阅读 2019-12-9 10:59 |个人分类:新疆气象手册|系统分类:科研笔记

气候的形成和现代气候、气象概念--新疆气象手册(6)第118-9 

20191209

8 气候的形成和现代气候、气象概念

81 传统气候概念

按照传统的气候定义,气候是天气(大气圈行为)的统计特征,一个地区的气候是指某种统计的平衡状态,它用温、湿、压、风、降水、蒸发、日照等气候因子在较长时段(通常规定为30年)的样本所取得的统计平均值、极差、方差和高阶矩来描述(或定义)。依据这个定义,气候被当作是静态的。传统的气候学任务是描述某个地区的气候特点。

传统的气候学把形成某地区气候的因子概括为太阳辐射平衡和热量平衡、大气环流和地理因素。在阐明气候和生态(主要是植被)的关系是采用气候带概念,通常分为热带雨林气候;干旱气候;亚热带气候;温带气候;亚寒带气候;极地(寒带)气候;高地气候。这些理论观点和概念至今仍然有用,但需要深化和创新。

82 气候系统

1974年,根据世界气象组织(WMO)和国际科联(ICSU)的全球大气研究计划联合组织委员会的建议,在联合国环境署(UNEP)的支持下,在瑞典的斯德哥尔摩召开了气候物理基础和气候模拟国际会议,第一次明确提出了气候系统的概念(Climatic system)。

一般来说,除太阳辐射这个主要的能量源之外,完整的气候系统是由地球表层的5个圈组成,即大气圈、海洋圈、冰雪圈、陆面圈和生物圈。

821 大气圈

这是包围着地球的气体外壳,是气候系统中的主体部分,是最多变、最活跃的部分。据估计,整个对流层大气的特征时间或热力调整的时间量级为一个月,也就是说,大气运动通过垂直和水平的热量输送去适应给定的温度分布大约需要一个月的时间。

822 海洋圈

它是由世界海洋和邻近海域的含盐海水所组成。海洋吸收了到达海面的大部分太阳辐射,又具有大的热容量,因此是气候系统的巨大能量库。同时,海洋携带大量的热量从赤道输向极地,在维持地球高低纬度的能量平衡中起重要作用。平均而言,上层海洋与大气或冰的相互作用尺度为几个月到几年,而深层海洋的热力调整时间则为世纪尺度。

823 冰雪圈

它是由全球的冰体和积雪组成,其中包括大陆冰原、山地冰川,海冰和陆面雪盖等。陆面雪盖和海冰有明显的季节变化,冰川和冰原变化缓慢,它们既是气候变化的指示器,又对气候长期变化产生反馈影响。

824 陆面圈

指的是大陆,包括山脉、表面岩石、沉积物、沙漠、戈壁、土壤、以及江河、湖泊和地表水等。其中江河、湖泊和地表水是水分循环的重要分量,在各种尺度的气候变化中有重要作用;土壤是大气微粒子的一个重要来源,并参与气候和植被的相互作用,在气候变化中有重要作用;陆面位置及高度变化很缓慢,在10a尺度以下的气候变化中可忽略其影响。

825 生物圈

它包括在空气、海洋和陆地生活的微生物、植物、动物,也包括了人类本身。生物圈的各部分变化特征时间有显著不同,总的来说,是比较缓慢的。生物对气候变化是敏感的,生物的生存也影响气候。而人类活动对气候变化的影响日趋显著。

83 现代气候概念

气候系统概念的建立是现代气候学理论研究的一个极其重要的进展,它为从整体上研究地球气候及其形成和变化奠定了理论基础。从科学的定义出发,气候应当理解为在太阳辐射作用下,地球表层内部各子系统之间,在一较长时段内相互联系、相互作用所达到的一种平衡(即变化很慢)状态。因此,气候的形成和变化不仅是大气圈内部的状态和行为的反映,以及海陆分布、地形(地貌)、地面特征、冰雪覆盖等对大气圈的“单向”影响,而且是与大气圈有明显相互联系、相互作用的海洋、冰雪、陆面、生物圈等所组成的复杂系统的总体行为。各子系统内部及各子系统彼此之间长时间的各种物理、化学乃至生物过程的相互联系和作用,形成了气候及其各种时间尺度的变化。

现代气候学是把气候看成是动态的,是不断变化的。现代气候学的主要任务就是研究气候变化。现代气候学从概念上已经不再是过去常常被作为气象学或地理学的一个分支学科,而是大气科学、海洋学、地球物理和地球化学、地理学、地质学、冰川学、天文学、生物学以至软科学、有关社会科学等众多学科相互渗透共同研究的交叉科学。

现代气候学要求对气候系统进行定量观测和综合分析,对气候形成和变化的动态过程进行理论研究。通过采用高新技术手段的国际性观测试验,数值模拟试验等途径,建立比较完善的、有坚实物理基础的气候模式,定量地研究气候系统中各子系统的相互联系和作用并展现气候变化过程,准确理解气候变化的机制,提高气候预测的可信度。

84 气候的形成

自从提出气候系统概念后,人们对气候概念本身及其形成与变化的认识都发生了深刻的跃变。现代气候学认为气候的形成和变化受多种因子的制约,并将那些能够影响气候而本身不受气候影响的因子称为外部因子,包括太阳辐射、地球轨道参数的变化、大陆漂移、火山活动等;把气候系统内部各成员间的相互联系和作用称为内部因子。

气候系统的属性可以概括为以下五个方面:

热力属性,包括空气、水、冰和陆地表面的温度分布;

动力属性,包括风、洋流及与之相联系的垂直运动和冰体运动;

水分属性,包括空气湿度、云量及云中含水量、降水量、土壤湿度、河湖水流、水域、冰雪等;

静力属性,包括大气和海水的密度和压强、大气的组成成分、大洋盐度及气候系统的几何边界和物理常数等;

生物属性,包括空中、陆地和海洋中的一切生物(含人类)活动。

这些属性在一定的外因条件下,通过气候系统内部的物理过程、化学过程和生物过程而相互联系着、作用着,并在不同时间尺度内变化着,形成不同时期的气候特征。还应该特别强调以下几点:

太阳辐射是气候形成和变化的最主要的外部因子,也是气候系统热量的根本来源;

气候系统的动力属性与气候系统内部的能量转换密切相关,而大气运动则是能量转换的纽带;

气候系统内部进行着复杂的物质交换,最突出的表现是水分循环,而气候系统的水分属性与水分循环关系极为密切;

人类活动对气候系统的属性有越来越显著的影响,它几乎使气候走上不归路;

在气候系统内部发生的相互作用中,存在着大量的反馈过程,它们起着从内部调节气候系统的作用。其中有些反馈过程有使系统变化振幅加大的作用,称之为正反馈。另一类反馈过程则有对系统变化的阻尼作用,称之负反馈。反馈过程表明气候系统各组成部分之间的耦合或相互补偿作用。

综上所述,气候的形成因子可以概括为: 太阳辐射; 宇宙地球物理因子; 环流因子(包括大气环流和洋流); 下垫面因子(包括海陆分布、地形、地面特征、冰雪覆盖); 生物因子特别是人类活动的影响

85 传统气象概念

有两种说法:

⑴地球被空气所包围。包围地球的空气整体称为大气。大气中的各种现象称为气象。(内田英治等,气象手册,贵州:贵州人民出版社,1985.4.1

气象是“大气的状态、变化和现象”。如冷、热、风、云、雾、雨、雪、霜、露、冰雹、雷电等。”(商务印书馆辞书研究中心,新华词典2001年修订版,北京:商务印书馆,2001774)。相对前一说法,增加了“变化”这个非常重要的关键词。

86 现代气象概念

气象是地球自然环境巨系统中的一个系统,是天气、气候、气候变化的集合。其中天气是指在太阳辐射作用下,在较短时段内地球大气圈的状态和行为;气候是指在太阳辐射作用下,地球表层的大气圈、海洋圈、冰雪圈、陆面圈、生物圈在一较长时段内,相互联系、相互作用的总体行为与状态;气候变化是指由于自然界的外源强迫或是由于气候系统固有的内部过程与人类活动的强迫相互联系与作用,造成气候要素在连续几十年或更长时间的长期统计结果的任何系统性变化。

9 气象学的基础理论概述

气象学的核心部分是温度、压力、风和水分的分布和变化。制约这些分布和变化的基本规律是物理学中有关气体(流体)的基本规律。

91 空气遵守气体的状态方程

空气是氮、氧等多种成分的混合气体,它服从关于气体的一般规律,其密度ρ、压力p、温度T满足p=ρRT关系,称为状态方程。对于干空气,R是个常数。湿空气的状态方程是P=ρRTV式中TV称虚温。,其中e为水气压。状态方程是制约大气的基本关系之一。

92 空气服从能量守恒原理

空气块的温度变化和膨胀(压缩)都联系着热能变化和空气块的“做功”,制约它的原理是能量守恒原理(热力学第一定律),它在气象学中一般写为 。式中dQ为单位质量空气块的热量变化,Cp是空气的定压比热。

空气块如果是绝热上升(dQ=0),它绝热膨胀使自己温度减低,一般为升高100m温度下降1℃,γd =1/100m。空气的干(湿)垂直减温率γd γm)和周围空气的温度直减率(γ)对比有重要意义,<,大气层结是稳定的;>,大气层结是不稳定的。当=,大气层结是中性的。

93 大气压力与空气的重量相等

扛着一袋面粉,即使不运动你也感到压力,这压力与地球对面粉的引力是相等的。气象学发现大气压力也与地球对大气的引力(重量)是相等的。这种相等在空气不运动时完全准确,在空气运动时也相当准确(龙卷风除外),其偏差对应于空气的垂直运动。依据它可以不仅计算出空气质量,也引出了静力方程:。即大气中上下两处的压力差与它对应的高度差ΔZ之内的空气重量对应(g是重力加速度)。它是计算大气压力高度关系的基础关系。在20世纪,飞机所在高度的确定,登山家所在的高度的确定都依靠压力与高度的公式(他们携带的高度表实际上是压力表)。

94 大气所受的力

大气除了因为有质量而受到向下的地心吸引力外,还受到下面几种力

气压梯度力。 水库垮坝是由于坝的两侧的水的压力差太大。有压力差就会产生推动力,并且推动流体运动的道理也适用于空气。空气的水平压力差是推动空气水平运动(风)的原动力。它称为气压梯度力,其中,是水平距离内的气压差,称为气压梯度。

地转偏向力。 这是因地球环绕自身轴转动而产生的非惯性力,也称科里奥利力。根据牛顿定律,在北半球的任何纬度上作用于单位质量运动空气质点上的地转偏向力,其中v为空气的运动速度;ω为地球自转角速度;Ф是空气所在的纬度。A的方向垂直于地轴和相对速度ν,指向ν的右侧。地转偏向力只是在空气相对于地面运动时(v0)才产生,而且只改变空气质点运动方向而不改变其运动速度。

惯性离心力。 它是物体在作曲线运动时候产生的由运动轨迹的曲率中心沿曲率半径向外作用在物体上的力。这个力是物体为保持沿惯性方向运动而产生的,称为惯性离心力。惯性离心力的大小与速度的平方成正比例,与曲率半径成反比例。

摩擦力。它是两个相互接触的物体(空气层)作相对运动时,接触面之间所产生的一种相互牵制的力。大气运动的内摩擦力数值很小,可以忽略;空气贴近下垫面运动的外摩擦力R=kv。其中,k为摩擦系数,ν为空气运动速度。

一般来说,气压梯度力是使空气产生运动的直接动力。其它的力是在空气开始运动后产生和起作用的,而且所起的作用视具体情况而有不同。地转偏向力、惯性离心力和摩擦力虽然不能使空气由静止状态转变为运动状态,但却能影响运动的方向和速度。气压梯度力和重力既可改变空气运动状态,又可使空气由静止状态转变为运动状态。

95 地转风

某地的风速所对应的地转偏向力恰好与当地的气压梯度力数值相等而方向相反,这个风称为地转风。从理论上讲地转风应当是在赤道以外(sinφ0)的地方存在的空气的等速、直线运动。地转风风向与水平气压梯度力的方向垂直,即平行于等压线。因而,我们背风而立,在北半球,高压在其右方;在南半球,高压在其左方。你可以从风向(指离地面比较高处的风向,可以用云的运动来判知)反推哪里是高气压区,体现高空风与压力关系的这个规律也称为风压律(白贝罗定律)。

在等压面天气图上,地转风 ,式中Hn是在同一等压面上的高度差和水平距离。中、高纬度的自由大气里的实际风与地转风十分相近。

当空气质点作曲线运动时,如果气压梯度力、地转偏向力、惯性离心力三个力达到平衡,这时的风称为梯度风。梯度风比地转风更接近于实际风。另外,在摩擦层中,空气的水平运动因受摩擦力作用,不仅风速减弱,风向受到干扰,而且破坏了气压梯度力与地转偏向力间的平衡关系,表现出气流斜穿等压线,从高压吹向低压的特征。

96 牛顿力学的体现大气运动方程组

地转风关系与中高纬度的大气运动比较一致,但是准确反映大气的运动和变化,就要利用大气运动方程组。它是牛顿力学定律的具体体现,在随地球旋转的相对局地直角坐标系中其方程组是:

 

式中,u为东西风,v为南北风,w是垂直速度,RxRyRz为摩擦力在xyz方向的分量。

97 大气服从质量守恒定律

质量守恒是物理学的基本规律。它自然约束大气的运动。质量守恒定律用到干空气上体现为流体力学中的所谓连续方程

对于饱和湿空气或涉及水汽相变问题,须增加水分守恒方程。这些方程配合运动方程、状态方程、热力学定律是目前气象台发布的数值天气预告的物理基础(需要结合当前的天气实况资料用计算机做大量计算)。质量守恒定律也是研究大气地面之间的水分循环与平衡的基本关系。

98 大气中的水分变化规律

大气中的水分基本理论主要是围绕三个方面:一是水的“汽、液、固”三相,通过蒸发、凝结(华、固)、融化等物理过程的相互转化、相互作用的规律;二是云和降水的形成机制和规律;三是“地气”系统的水分循环与平衡理论,它要利用关于水的质量守恒定律。

99 关于辐射的规律

太阳能是大气运动的根本能量来源。太阳辐射能和长波辐射能在大气中的吸收、反射、传递、放射的规律也是制约大气状况的重要一环。

910 熵原理在气象学中的应用

熵(音商)是重要的物理学和信息理论概念,它联系着热力学第二定律,最大熵原理,并且广泛应用于多学科,获得了很多重要公式。熵的概念和原理如何有效、充分地应用于气象学很重要。被称为“熵气象学”(见第3篇第13章)。

(张学文修改、补充)

 

 

 

参考文献

章国材主编,中国天情,2002,北京:开明出版社:4–11159–167

林超、任美锷等主编,中国大百科全书地理卷,1990,北京·上海:中国大百科全书出版社:647395147349394401

周淑贞主编,气象学与气候学第三版,1997,北京:高等教育出版社:15–1750–153

国家科学技术委员会,气候,1990,北京:科学技术文献出版社:186–188

叶笃正、曾庆存、郭裕福主编,当代气候研究,1991,北京:气象出版社:1–3

张学文、马力,熵气象学,1992,北京:气象出版社





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