绪论
天气与气候的区别（时间、空间尺度）
气象学发展历程：气象仪器、无线电报、无线电探空仪、遥感探测、自动气象站
大气的基本情况
大气组成：
N2、O2、CO2、O3）、水分、悬浮杂质
大气的垂直结构（温度、成分、电荷、大气垂直运动）
对流层：①气温随高度增加而降低 ②垂直对流运动 ③气象要素水平分布不均匀 ④主要大气现象发生在此层
分层：贴地层、摩擦层、对流中层、对流上层、对流层顶
平流层：①25km（臭氧层）以下，气温保持不变；25km以上，气温随高度增加而显著升高。(臭氧层能大量吸收太阳辐射
热而使空气温度大大升高)
②空气运动以水平运动为主，无明显的垂直运动。
③水汽和尘埃含量极少，晴朗少云，大气透明度好，气流比较平稳，适宜飞机航行。
中间层：温随高度增加而迅速下降，并有强烈的垂直运动。
热层：气温随温度的增加而迅速增高；电离现象
散逸层
气象要素：气温、气压、湿度、风向、风速、云量、降水量、能见度
比湿：一团湿空气中，水汽质量与该团空气总质量（水汽与干空气的质量）的比值；
露点：空气水汽含量不变，气压一定时，使空气达到饱和时的温度,称露点温度
气压一定时，露点的高低只与空气中水汽含量有关，水汽含量高，露点高；
实际大气中，空气经常处于未饱和状态，露点温度比气温低
辐射系统
辐射通量及辐射通量密度定义
辐射通量：单位时间通过任意面积上的辐射能量
辐射通量密度：单位面积上的辐射通量
辐射规律（选择）
基尔荷夫定律(选择吸收定律)：放射能力强（弱），吸收能力强（弱）黑体吸收（放射）能力最强
同一物体，温度T时它放射某一波长的辐射，同一温度下也吸收这一波长的辐射。
斯蒂芬—波尔兹曼定律：物体温度越高，放射能力越强
维恩位移定律：物体的温度愈高，放射能量最大值的波长愈短，随着物体温度不断增高，最大辐射波长向短位移。
太阳辐射是短波辐射；地面、大气辐射是长波辐射。
太阳辐射
太阳辐射光谱：可见光（50%）、红外区（43%）、紫外区（7%）
太阳常数：指在日地平均距离条件下，在大气上界，垂直于太阳光线的单位面积，单位时间内获得的太阳辐射能量。值为
2
大气上界的太阳辐射（天文辐射）
影响因素：日地距离、太阳高度角、白昼长度
天文辐射对热量分布的影响
全球获得太阳辐射最多的是赤道，随纬度增高而减少。形成热带、温带、寒带等气候带。
夏半年获得天文辐射量最大值在20°～25°的纬带上，由此向两极
减少，最小值在极地。
（原因：太阳高度角大，白昼长度大于赤道）
冬半年北半球获得天文辐射最大在赤道。随纬度增高而减少，到极点为零。高低纬度之间冬季气温差较大。
由于日地距离影响，南北半球天文辐射总量是不对称的，南半球夏季各纬圈日辐射总量大于北半球夏季相应各纬圈的
日辐射总量。相反，南半球冬季各纬圈日辐射总量小于北半球冬季相应各纬圈的日辐射总量。
穿过大气层的太阳辐射（反射、散射、吸收）
主要变化：
总辐射能有明显地减弱
辐射能随波长的分布变得极不规则
波长短的辐射能减弱得更为显著
散射作用（***）
分子散射：直径比太阳辐射波长短的空气分子发生的散射。波长越短，散射越强；如青蓝色天
粗粒散射：波长较长的尘埃、水滴。粗粒散射没有选择性，光是可见光－灰白天空。
1）为太阳高度不同，太阳光通过大气的厚度也不同；
2）大气层愈厚则大气的吸收、散射、反射作用也愈强，到达地面的太阳辐射愈少；
3）太阳高度越小，日光垂直投射时穿过的大气质量就越大；
4）日出、日落时，日光通过的大气质量数最大，短波光的散射增强，红色光在太阳光中的比例增加。
时太阳呈红色。
到达地面的太阳辐射
影响因素：
太阳高度角越小，等量的太阳辐射散布的面积就愈大，因而地表单位面积上所获得的太阳辐射就愈小；
太阳高度角越小，太阳辐射穿过大气层越厚，被削弱越多，到达地面的直接辐射越少；
大气透明系数：透过一个大气质量(m＝1)后的太阳辐射强度 (S1)与透过前的太阳辐射强度(S0)之比
太阳总辐射强度：太阳直接辐射+散射辐射
影响因子： 太阳高度角 太阳总辐射与太阳高度呈正相关关系。
大气透明度 大气透明度差，到达地面的太阳直接辐射减少，故太阳总辐射减少。
大气质量 大气质量愈大，到达地面的太阳总辐射愈少
纬度、海拔、坡度坡向、云
地面、大气辐射
地面辐射：由地面发射，指向大气的辐射。
大气辐射
定义：大气向外的辐射
大气对长波辐射的吸收具有选择性大气窗口（8-11μm的地面辐射，大气吸收率很小）
影响因素：温度、绝对湿度和云况、海拔
大气、地面辐射区别与特点
区别：前者有选择性（大气窗口）；前者方向为四面八方，后者向上
特点：地面平均温度约为300K（27℃），对流层大气的平均温度约为250K（－17 ℃ ），故其热辐射中95％以上的
量集中在3－120μm范围内（红外辐射）。其辐射能最大段波长在10－15μm范围内，所以把地面和大气的辐
射称长波辐射
。
大气逆辐射
定义：大气辐射指向地面的部分
作用：保温、减少温差
大气的热力学过程
热量交换方式
非绝热
传导：当气团之间有温度差异时发生传导作用交换热量。但地面和大气均为不良导体，所以传导交换的热量很少。
辐射： 物体之间以各自的温度以辐射方式交换热量。大气主要吸收地面长波辐射而增温，同时也吸收大气放出的长波
对流：当暖而轻的空气上升时，周围冷空气下来补充，这种升降运动即对流。通过对流，上下层空气相互混合，热量
湍流：空气不规则运动称为湍流，又称乱流。湍流交换是摩擦层主要热量交换方式。湍流交换也称显热交换，因为它
蒸发和凝结：水蒸发时要吸收热量，相反，水汽凝结放出潜热。通过蒸发和凝结使地面和大气、气团之间发生潜热交
一般，温度变化通常是几种作用共同影响。 地面与空气之间，主要是辐射，气团之间主要依靠对流和湍流，其次通过蒸
绝热
干绝热：指升、降气块内部没有发生水相变化，又没有与外界交换热量的过程
湿绝热：饱和湿空气在上升过程中
绝热直减率：气块绝热上升单位距离时的温度降低值
干绝热直减率是气块本身的降温率，近似于常数；气温直减率表示周围大气的温度随高度的分布情况，有不同数值。
r
判断大气的稳定性
大气稳定度定义：指气块受任意方向扰动后，返回或远离平衡位置的趋势和程度，是衡量气块是否易于发生垂直运动。
判定方法：①气压相同条件下（同一高度），冷的气团重而较稳定；反之，暖的气团轻容易上升而不稳定。
②Z
gad（为周围空气气温直减率，d为上升气块干绝热直减率，Z为上升高度）
加速度方向与上升方向一致，气块不稳定；不一致，气块稳定
（<
——绝对稳定；>d——绝对不稳定；dm——条件不稳定）
逆温
定义：大气上层温度高于下层的现象。
作用：阻碍空气垂直运动的发展，使近地面大量的烟、尘、水汽凝结物聚集到它的下面，能见度变坏
形成条件：逆温层按形成条件可分为辐射逆温、湍流逆温、平流逆温、下沉逆温、锋面逆温。
空气局地变化的原因
起因：空气平流运动引起的局地气温变化、空气温度的个别变化
影响因素：①平流运动（冷平流、暖平流）
②铅直运动（绝热）：一般情况下， γd>γ, 上升运动时ω<0，气压减小，温度降低，
出现下沉时， ω>0,气压增大，温度升高；
γd ＝γ ，空气垂直运动不引起局地气温变化；
③非绝热热量交换
大气中的水分
饱和水汽压
概念：温度一定条件下，单位体积空气中的水汽量有一定限度，如果水汽含量
达到此限度，空气呈饱和状态，称饱和空气。
影响因素：①温度
（i） 随着温度的升高，饱和水汽压按指数规律迅速增加
（ii) 空气温度的变化，对蒸发和凝结有着重要的影响已饱和的空气，T升高，E增加—不饱和---重新蒸发不
饱和空气，T减少，E减少—饱和---凝结
（iii）饱和水汽压随温度的改变量，在高温时比低温时要大。（高温饱和空气中形成的云要浓厚，夏季容易
②蒸发面性质
（i） 冰面和过冷却水面的饱和水汽压
一般，水低于0度结冰，但实验和对云雾观测发现，水可以存在于0度以下的温度不结冰－过冷却水。
冰面和过冷却水饱和水汽压也遵循按指数规律变化。
冰面饱和水汽压比过冷却水要小;
冰是固体，冰分子要脱出水面的束缚比水分子脱出水面的束缚更难。
冰晶效应：水滴会因不断蒸发而不断缩小，冰晶会因不断凝结而增大，这就是冰晶效应，对降水的形成有重要意义。
在云中，冰晶和过冷水滴相处在一起的机会是很多的，如果当时的实有水汽压处于两者的饱和水汽压之间，就会有冰和水
在这种情况下，实有水汽压比水 滴的饱和水汽压小，对水滴来说是未饱和的，水滴就出现蒸发。但实有水
（ii) 溶液面的饱和水汽压
同样温度下，溶液面饱和水汽压比纯水面要小，溶液浓度越高，饱和水汽压越小，越容易凝结。
这种作用对在可溶性凝结核上形成云或雾很重要。
③蒸发面形状
温度同时，凸面>平面>凹面，且凸面的曲率越大，饱和水汽压越大，凹面的曲率越大，饱和水汽压越小。
大气水分发生三相转换的条件
①达到饱和水汽压：辐射冷却、平流冷却、绝热冷却、水平混合冷却
②凝结核
地表水汽凝结现象
露：①定义：露是凝结在地表或地物上的微小水滴，它由潮湿的空气与较冷的物体表面相接触形成的，这时较冷的物体表
面应不低于0°c
②形成露的有利条件：天空无云或有很薄的高云而有微风的夜间，这时可使辐射冷却在较厚的气层中充分进行
霜：①定义：霜是白色具有晶体结构的水汽凝华物。
②形成霜的有利条件：与露相似不同点在于地面温度，一个0度以上，一个0度以下。
③霜与霜冻的区别：（1）有霜时农作物不一定遭受霜冻之害，霜冻是温度急剧下降引起植物受冻现象。
（2）有霜冻时也可以有霜出现（白霜），也可以无霜出
现（黑霜）
雾凇：雾凇是水汽在树枝、电线和地物凸出表面上形成的凝华物，多见于寒冷而湿度高的天气条件之下。
雨凇：雨凇是在地表或地物迎风面上形成的透明的或呈毛玻璃状的紧密水层。（过冷却雨）
大气水汽凝结现象
雾
定义：是悬浮在空气中的小水滴或冰晶，当水平能见度降到1KM以下时，称为雾
有利条件：近地层空气水汽充沛，冷却过程，凝结核；风力微弱，大气稳定
分类：辐射雾、平流雾、蒸发雾、上坡雾、锋面雾
云
定义：悬浮在自由大气中的水汽凝结物
形成条件：充足水汽、凝结核、绝热冷却
降水
定义：由云中降到地面上的液态水或固态水
形成条件：①宏观条件：水汽充足、凝结核、上升运动
②微观条件：云滴凝结增长，云滴冲并增长
云滴凝结增长：冰水云滴共存（冰晶效应）、冷暖云滴共存、大小云滴共存
云滴冲并增长：当云滴在不稳定的上升气流带动下做各向运动，大小不同的云滴其运动速度的差异，造成相互碰撞而合并，
形成过程
水成云形成的降水
水成云：当云层稳定时，一般不产生降水，即使形成降水，也多为均匀、持续的小雨或毛毛雨。
当云层不稳定时，易形成降水。
冰成云形成的降水
冰成云：高度较高，水汽含量较少，下降过程长，易被蒸发，而形成雨或雪，因此冰成云除了在冬季或高原地区可能
混合云形成大降水
混合云：冰晶处于过饱和状态，水滴想冰晶转移输送水汽，水滴缩小而冰晶增大形成雪花。雪片降落到高于零度的气
气压变化和大气的水平运动
气压随高度变化
决定因素：（1）大气柱高度；
（2）大气柱空气密度；
变化规律：（1）气压随海拔高度增高而递减；
（2）密度大，气压降低快；
气压随时间变化
热力因子：温度的升高或降低引起空气体积膨胀或收缩、密度的变化以及伴随的气流辐合和辐散造成的质量增多或减
动力因子：水平气流的辐合和辐散；不同密度气团的移动；空气的垂直运动
大气的水平运动
空气的运动是在力的作用下产生的。
作用于空气的力除重力之外，还有由于气压分布不均产生的气压梯度力
水平气压梯度力是空气产生水平运动的直接原因和动力
由于地球自转而产生的地转偏向力（南左北右）
物体静止时，不受地转偏向力作用。
地转偏向力的方向同物体运动方向相垂直，它只能改变物体运动方向，不能改变运动速度大小。
地转偏向力大小同风速成正比，同纬度的正弦成正比。在赤道为零。
由于空气层之间的运动产生的摩擦力（在摩擦
层起作用，在自由层可以忽略）
空气做曲线运动产生的惯性离心力（只改变物体运动方向，不改变运动速度）
自由大气中的空气运动
大气环流
三风四带示意图（太阳辐射、地球自转的作用）掌握
地表性质对大气环流作用
海陆分布影响
东亚季风和南亚季风在成因和现象上有何差异？它们的气候特征如何？
高大地形的影响（以青藏高原为例）
动力作用（机械阻挡作用）：青藏高原海拔高、面积大，占据对流层中低部，犹如大气海洋中的一个巨大岛屿，对于冬季层
从西伯利亚西部侵入我国的寒潮一般都是通过准噶尔盆地，经河西走廊、
分别沿高原绕行。从冬季北半球700hPa 与500hPa 月平均气温图上可以清楚地看出，在
热力作用：从青藏高原的地面气温看来，具有如下特点：（1）地球的第三极地：青藏高原由于海拔高，气温特别低，它虽位
18—20℃。（2）气温日、年较差大：青藏高原上地面气
比同纬度东部平原则稍小。（3）气温季节变化急，春温高于秋温：青藏高原上春季升温强度大，特别是当积雪消融之
季风：由于青藏高原与四周自由大气的热力差异，所造成冬夏相反的盛行风系，称为高原季风。冬季高原上出现冷高压，冬
天气系统
气团
定义：指气象要素（主要指温度、湿度和大气稳定度）水平分布比较均匀、垂直分布相似的大范围的空气团。
形成条件：①范围广阔、性质均一的下垫面②合适的流场
分类：冰洋气团、热带气团、极地气团、赤道气团
暖气团、冷气团
锋
定义：冷暖气团的交绥地带
根据锋在移动过程中冷暖气团所占的主次地位可将锋分为：冷锋、暖锋、准静止锋、锢囚锋。
天气现象
第一型（缓行）冷锋天气：典型云序：雨层云—高层云—卷层云—卷云；降水主要发生在地面锋后（雨层云）内，风
150—200Km。
第二型（快行）冷锋天气：积状云系：积雨云—高积云；因而云系和降水主要发生在地面锋线（积雨云）附近，为对
10～100Km 。天气特征：常带来狂风暴雨现象。
暖锋天气：产生广阔而深厚的层状云系，且越接近地面锋线，云层越厚。典型的云序为：卷云— 卷层云 — 高层云
雨层云 降水主要发生在地面锋前的雨层云内，多为连续性降水。降水强度小，雨区范围广，约为300—400Km。夏季：如
准静止锋天气：云区和降水区更为宽广，降水强度小，持续时间长，可造成绵绵不断的阴雨天气。由于准静止锋运动
锢囚锋天气：是两条运动的锋合成而成，天气特征仍然 保留着原来两条锋的锋面天气特征。锢囚锋降水不但保留原
温带气旋和反气旋
气旋和反气旋
）气旋是指在同一高度上中心气压比四周气压低的水平涡旋，北逆南顺。（低气压）
）反气旋指在同一高度上中心气压比四周气压高的水平涡旋，北顺南逆。（高气压）
天气现象
锋面气旋：
冷性反气旋（寒潮）：冷性反气旋南移时，造成一次冷空气袭击，若冷空气十分强大，如图寒冷潮流滚滚而来，给流
副热带高压
季节性活动规律：
a) 位置、强度：从冬季到夏季，向北偏西移动，强度增强；从夏季到冬季，向南偏东移动，强度减弱。
b) 活动型式：稳定少动（冬季）、缓慢移动（北上）、迅速跳跃（北上、南下）
c) 移动过程：北进时，伴随短暂的南退；南退时，伴随短暂的北进－南北震荡现象。且北进时移速慢，历时长；南退时移速
非季节性活动规律 ：半个月左右的副高偏强或偏弱趋势及一周左右的副高西伸东退、北进南缩的周期变化。这种变化
影响：对我国夏季天气影响最大的天气系统西太平洋副高位置和强度影响东南季风从太平洋向大陆输送水汽的路径和
北测是北上暖湿气流与南下冷气流交绥地带，气旋和锋面活动频繁。形成阴雨和暴雨天气。
月：副高脊线位置在15°N 附近，雨带在华南地区－连阴雨－江南雨带。
月：副高脊线位置在20°N 附近，雨带在长江流域－梅雨（霉雨）
月：副高脊线位置在25°N 附近，雨带在淮河流域－长江流域伏旱
月：副高脊线位置在28°N附近，雨带在黄河流域－华北、东北进入雨季
月：副高脊线位置在25°N附近，雨带在淮河流域－秋雨，长江流域秋高气爽
月：副高脊线位置在20°N附近，雨季和秋高气爽天气结束，环流转入冬季形式，南支西风建立，副高影响减弱
台风
广阔的高温洋面：大气层中温度、湿度越大带来的大气层结不稳定；一般海温高于29～30℃；
合适的纬度（地转参数值）：产生地转偏向力的地方使辐合气流演变为水平漩涡，加强气旋性环流。
气流垂直切变要小：利于潜热聚集。如西太平洋夏季。
合适的流场：西太平洋和南海地区，台风起源于赤道辐合带
下垫面对气候的影响
海陆差异对气候的影响
海陆差异对气温、降水、风向的影响
海洋“热惰性”：增温慢、降温慢；热量存储器，温度调节器
陆地“热敏性”：冬冷夏热，敏感
海洋蒸发量大与陆地：冬季，海洋远大于陆地；夏季差异不大。
空气湿度：冬季，海洋大于陆地；夏季，差异不明显
海上空气潮湿，只要有适当的平流将暖湿空气吹送到比较冷的海面，下沉空气变冷，极易达到饱和而凝结成平流雾，
海上——气旋雨
、锋面雨
陆上——气旋雨、对流雨、地形雨
海陆风：沿海地带昼夜热力状况的不同硬气的以24小时为周期的有规律的气流称为海陆风。昼间陆地温度高，海洋温度
海洋性气候和大陆性气候的特征
大陆性气候
小 大
小 大
最热月 ：8月；最冷月：2月 最热月：7月；最冷月：1月
气温变化和缓，春来的迟，夏去得亦迟；
气温变化急剧；春来快，夏去得亦快；春温高于秋温
降水均匀，变率小 降水集中夏季，变率大
厄尔尼诺、ENSO
它的上涌为上层鱼类生长提供了极为有利的条件，因而，鱼类资源十分丰富，形成世界著名的秘鲁渔场。
6oS，使海水温度升高，沿岸的上
甚至消失，从而影响到那里的海洋动物和鱼类，使秘鲁渔场大幅度减产，而沿岸干旱少雨的陆地却连续大雨，
Southern Oscillation，简作SO）、沃克（Walker）环流和哈德莱（Hadley）
（降低）时，印度洋赤道低压就比常年降低（增高），两者气压变化有“跷跷板”现象，称之为涛动。 所谓ENSO
并不是哪一个半球的行为，而是两半球大气环流作用下，低纬度大气-海洋相互作用的现象，其形成原因尚有待于进一步
地形起伏对气候的影响（以青藏高原为例）见第七章
山谷风
由于补偿作用从相反方向流向谷地，称为反谷风。夜间由于山坡上辐射冷却，使 邻近坡面的空气迅速
人类活动对气候的影响
人类活动对气候的影响
大气成分改变对气候的影响
温室气体排放：CO2浓度增加使全球变暖
引起世界各地区降水和干湿状况的变化，导致世界各国经济结构的变化
加强国际间的合作
臭氧层耗竭
氟氯氢等化合物的排放
对生态环境、农林牧渔业造成破坏
加强国际间的合作
人为硫污染和酸雨
PH值小于5.6的雨水称为酸雨。PH<4.5的称为重酸雨。
使土壤酸化，危害森林和农作物生长
危及人类健康
腐蚀建筑物和文化古迹
有效措施是研究煤炭中硫的综合开发和利用
人为气溶胶变化及其气候效应
增加地气系统对太阳辐射的吸收
是地面长波辐射的强吸收体，即温室效应
影响云量，增加云的反射率和吸收率
水汽量较少，可使云滴数量增加，但云滴减小，而使降水量减少
下垫面改变及其影响
1）植被覆盖率减少使空气变得干燥，温差增大，降水减少，旱涝灾害加剧，沙漠面积扩大，生态环境恶化。
2）海洋石油污染导致了“海洋沙漠化效应”。
3）改变下垫面对气候的有益影响表现在灌溉设施的大量修建、防护林的建设，增加了空气的湿润度，减小了温差，减弱了风
4）城
市是人类活动的密集地，人类对气候的影响最为深刻：
）大量的热释放和下垫面辐射性质的变化形成热岛效应。
）气溶胶粒子增加形成浑浊岛效应。
）下垫面粗糙度增加，凝结核增多和热岛环流——湿岛和雨岛效应。
城市下垫面粗糙度大，影响降水移动速度，城市降水时间延长
城市空气凝结核多，有利于云雨形成和暴雨产生。
）大面积的水泥下垫面减少了下垫面向大气中水汽输送——干岛效应。
1）城市绿地面积小，蒸发蒸腾作用强，底层大气水汽少；
（2） 城市下垫面湍流垂直交换作用强，底层水汽输送到高层
）由热岛效应产生热岛环流——城市风，它加重了城区污染。
气候变化
1）地质时期的温度变化：地质时期，地球气候发生过三次大冰期和大间冰期，三次大冰期分别是：震旦纪大冰期、石炭-
（2）历史时期的温度变化：人类历史发展的5000年中，可划分为四次温暖时期和四次寒冷时期
（3）近代气候变化特征：20世纪以来，大致以40年代为界，前期是世界性气候的增暖期，后期至70年代气候变冷，进入
年代后，气候又趋变暖，到1980年以后，世界气候增暖的形势更为突出