大气与海洋科学导论-北京大学物理学院

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1、AtmosphericandOceanicSciences(AOS)大气与海洋科学导论IESO2017北大冬令营集训北京市101中学闻新宇xwen@pku.edu.cn北京大学物理学院大气与海洋科学系内容提要in10Hours,w/100Slides大气海洋科学与IESO7.地转动力学1.大气组分与垂直结构8.中纬度锋面气旋2.辐射与能量收支9.中小尺度与强对流天气3.热力学与条件性不稳定理论10.大气环流、气候系统、与古气候4.水循环、云、云微物理过程11.行星大气5.大气化学与气溶胶12.大洋环流与海气相互作用6.大气

2、边界层闲话http://www.phy.pku.edu.cn/climate/wiki2/doku.php/teaching/ieso4水循环、云、云微物理过程水循环；云的分类和识别；云微物理过程水循环十种标准云云的分类by世界气象组织1.Cirrus2.Cirrocumulus3.Cirrostratus4.Altocumulus5.Altostratus6.Cumulus卷7.CumulonimbusCirrus-8.Stratocumulus9.Nimbostratus10.Stratus中Alto-层雨积Nimbu

3、s-Strato-Cumu-云的识别云的微物理过程冷云中的贝吉龙过程由于冰晶比云滴的饱和水汽压低，使得水汽优先向冰晶凝华，甚至云滴的水分子也脱离云滴直接向冰晶凝结最终冰晶获得优势快速生长，而云滴减少、变小5大气化学南极臭氧洞问题南极臭氧洞问题Chapman循环机制：1.短波光解O2，生成O2.O与O2结合，生成O33.O3也会光解CFCs对臭氧层的破坏：1.CFCs光解产生Cl和-ClO自由基2.它们可周而复始地消耗O36大气边界层湍流；边界层日循环；地表能量平衡公式；热岛效应湍流日常生活中的湍流•冬季：物理学院东门外供暖

4、烟囱冒的水汽•夏季：阳光直射黑色轿车顶板上热空气的折射•夏季：没车的柏油公路尽头上空的热空气折射•春游：BBQ时木炭上热空气的折射•室内：抽烟同学吐出的烟雾•坐飞机：晴空湍流遇险•墨水/钢笔水滴入清水的瞬间•牛奶滴入浓咖啡的瞬间PBL的基本图景PBL(ABL)FreeAtmosphere流体运动形式湍流平流（极少湍流）动量耗散很强的湍流耗散无风次地转风or非地砖地转风时间尺度小时（日循环）天-周（天气循环）水平x垂直尺度1kmx1km1000kmx10km“热带雨林”：枝枝蔓蔓“蒙古草原”：一马平川比喻水平穿越十分困难，速

5、度快不了水平穿越十分容易，速度很高PBL的日循环激光雷达观测地表通量RnQQshlh?辐射净通量?感热通量潜热通量动量通量SurfaceLayerP光合作用消耗1%Q地表热通量g10%?=??1−?+??−???4辐射通量??????????地表能量平衡公式??=???+???+??+????地表温度诊断=−??+???+???+??+???大项理解地表能量平衡地表通量日循环数据取自位于美国Oklahoma州1997年7月的观测，做月平均后的结果R净辐射通量NETQ感热通量HQ潜热通量E早晨7点白天晚20点黑夜Q地表热通量

6、GR等于三个Q之和NET理解感热通量、潜热通量与植被的关系沙漠农田感热和潜热之比称为“波文比”(BowenRatio)QSH森林草原QLH•波文比表征某地对大气强迫的特征•全球平均的波文比近似为1农田森林•干旱地区的波文比在5以上•森林地区的波文比在0.2-0.5•水面的波文比小至0.1左图中：黑实线–感热植被是大气的“加湿器”灰虚线–潜热植被把土壤中的水分蒸腾到大气中，加大了蒸发面积热岛效应温度：高出郊区1-5度1959年5月14日英国伦敦城的热岛效应降水：增加城市内涝（短时大暴雨）的风险7地转动力学科氏力；地转平衡

7、；H/L周围的梯度风；PBL内部次地转；非地转情况科氏力科氏参数：f=2*Omega*Sin(latitude)地球自转角速度Omega=2Pi/day•方向：北半球向右偏南半球向左偏•大小：越靠近高纬越大越靠近地位越小赤道处无科氏力•地转动力学不适用于热带NHSH地转平衡200mbCase1:平直气流（西风带）00mb5ERA-40图集：http://www.ecmwf.int/s/ERA-40_Atlas/docs/section_D15/index.html梯度风H/L周围的“地转平衡”NH：L逆时针SH：L顺时针C

8、ase2:低压中心Case3:高压中心（锋面气旋、台风）（阻高反气旋、副热带高压）PBL内部次地转Case1:地面物理摩擦或湍流摩擦导致次地转地转风Vg与实际风V通常夹角0-30度V=VgCos(30deg)在近地面的高度（PBL），摩擦导致实际风减弱并向L偏斜这样的结果是：L幅合；H幅散近地面和对流层