大气—海洋学概论 学时：40 学分：2

中国科技大学地球和空间科学学院——院定必修课

本课程部分PPT内容来自陈月娟教授的原讲义，特此感谢

课程安排

主讲教师： 周任君，郑建秋

辅导教师： 郭静超

办公室：教学行政楼1213

联系电话：13955146465，3600161

Email: zrj@ustc.edu.cn

教材

“十一五”国家重点图书

中国科学技术大学精品教材

大气—海洋学概论

陈月娟 周任君 王雨 郑建秋 编著

中国科学技术大学出版社

参考书

1. 大气物理学，王永生，气象出版社

2. 大气物理学基础，许绍祖等，气象出版社

3. 海洋学，杨殿荣，高等教育出版社

4. 海洋气象学，周静亚，杨大升等，气象出版社

5. 物理海洋学，叶安乐，李凤歧，青岛海洋大学出版社

甘肃舟曲县特大泥石流灾害(2010)

事件概况

·时间：2010年8月7日夜22点左右

·地点：甘肃甘南藏族自治州舟曲县

·事件：泥石流冲进县城，并形成堰塞湖

·伤亡：已致1287人遇难457人失踪

灾情统计

受灾4496户、20227人；水毁农田1417亩，水毁房屋307户、5508间，其中农村民房235户，城镇职工及居民住房72户；进水房屋4189户、20945间，其中农村民房1503

户，城镇民房2686户；机关单位办公楼水毁21栋，损坏车辆18辆。

舟曲泥石流原因

一、特殊地质

舟曲当地地形地貌和特殊地质构造，是导致灾害发生的重要原因。专家分析认为，舟曲县城附近的地质构造岩性松软、比较破碎，风化程度也很厉害，比较容易发生滑坡、崩塌和泥石流灾害。

二、汶川地震

汶川地震的影响是重要因素之一。舟曲县是汶川地震的重灾区之一，地震导致舟曲县城周边山体松动、岩层破碎。因地震造成的山体松动等需要3到5年时间才能消除，但目前距离汶川地震发生仅2年多时间。

三、半年持续干旱

舟曲去年四季度到今年上半年的持续干旱，造成城区周边岩石解体，部分山体、岩石裂缝暴露在外，使雨水容易进入，导致滑坡。

四、强降雨

7日晚舟曲县城东北部山区突降特大暴雨，持续40多分钟，降雨量达到90多毫米，形成了泥石流，直接造成特大山洪地质灾害发生。

台风莫拉克(2009) 台风莫拉克 （英语：Typhoon Morakot）是2009年太平洋台风季的一个热带气旋。

形成：2009年8月2日

消散：2009年8月11日

最高风速：

155km/h（10分钟平均风速）；

190km/h（1分钟平均风速）

最低气压：945hPa

财产损失：总共至少34亿美元

死亡人数：

12死（菲律宾）；

461死192人失踪（中国台湾）；

6死3失踪（中国大陆）

影响地区：菲律宾、中国

莫拉克登陆时，霞浦沿海 莫拉克浙江显示威力，大树被刮到

8月10日，受莫拉克影响，温州苍南县城被洪水围困，县城停电，网络和电视不通

莫拉克给高雄带来强风，让摩托车骑士弃车逃到一旁，紧抱路树避免被风吹跑

2008年中国雪灾 2008年中国雪灾是指自2008年1月10日起在中国发生的大范围低温、雨雪、冰冻等自然灾害。

截至2月24日，因灾死亡129人，失踪4人，紧急转移安置166万人；农作物受灾面积1.78亿亩，成灾8764万亩，绝收2536万亩；倒塌房屋48.5万间，损坏房屋168.6万间；因灾直接经济损失1516.5亿元人民币。森林受损面积近2.79亿亩，3万只国家重点保

护野生动物在雪灾中冻死或冻伤；受灾人口已超过1亿。其中湖南、湖北、贵州、广西、江西、安徽、四川等7个省份受灾最为严重。

课程目的

增加地球和空间科学学院各专业本科生的大气和海洋学基础知识

加深地球科学类专业的学生对整个地球系统的认识

课程内容

大气科学和海洋学中的一些基本概念；

大气和海洋中发生的物理和化学现象和过程；

大气和海水运动的特征；

目前普遍关心的海—气相互作用、气候异常和全球性的环境问题（酸雨、全球变暖和臭氧层破坏）；

…

第一章 序论

• 大气科学和海洋学的研究对象、研究内容和方法;

• 新技术在大气科学和海洋学中的应用。

主讲：周任君 博士（zrj@ustc.edu.cn）

一．大气圈和水圈与人类生活的关系

1. 大气圈和水圈给人类和各种生物提供生存条件:

空气和水，适于生存的温度。

在白天，如果不是大气圈吸收和反射了相当一部分太阳辐射，地面温度将会达到水的沸点之上。

在晚上，如果不是它象暖房的玻璃那样保存着地面上的热量，地面温度会冷却到零下一百多度。

2. 大气圈和水圈中的声光电现象使地球上生机盎然，气象万千。

3. 大气圈的存在使人类免受星际空间来的高能宇宙射线、紫外线的伤害和大量流星的袭击。

4. 大气圈和水圈中某些现象的反常变化会引起人类生存条件的变化甚至带来灾难。

5. 人类的生产和生活反过来会影响大气圈和水圈，引起环境恶化。而环境的恶化又会给人类带来更大的灾难。

二．大气科学和海洋学的研究内容

大气科学和海洋学主要研究大气和海洋中的各种现象和过程的发生、发展与演变规律，进而对它们的状况进行预测。

大气科学的研究内容：

大气物理学、大气化学、大气动力学、大气探测和遥感、大气环境学等等。

海洋学的研究内容：

海洋物理学、海洋化学，海洋生物学和海洋地质学。

海—气相互作用物理学

一门新的边缘学科。

三. 大气圈和水圈的概况

1. 大气圈：

厚度: 2500Km~3000Km。

73.9%集中在10Km 以下，

98.8%集中在30Km 以下，

99.9%集中在50Km以下，

所以相对于地球而言大气只是薄薄的一层。

2. 水圈

包括海洋、江河湖泊、陆地上的冰雪、地下水以及大气中的水汽和液态水等，以海洋为主。

地球表面积: 510×106 Km2。

海洋面积： 362×106 Km2 。

约占地球表面积的71%,

相当于陆地面积的 2.5 倍。

在南北半球分布不均匀,

北半球海洋占60.7%, 陆地占39.3%,

南半球海洋占80.9%, 陆地占19.1% 。

3. 四大洋及其划分

四大洋:

太平洋, 大西洋, 印度洋, 北冰洋。

太平洋、大西洋和印度洋的南边是相通的，

故有时又称其为南大洋。

太平洋：

北至白令海峡，东到通过

合恩角的经线（68°W），西边沿马来半岛，经苏门答腊、爪哇、帝纹至澳大利亚的伦敦得里角，再沿147°E

到南极洲。

印度洋：

东边沿马来半岛，经苏门

答腊、爪哇、帝纹至澳大利亚的伦敦得里角，再沿147°E经线与太平洋分界，西边界为通过非洲厄加勒斯角的经线 （20°E）。

大西洋： 北边沿格陵兰经冰岛和法罗群岛到苏格兰，西边以通过合恩角的经线（68°W）

与太平洋分界，东边在通过非洲厄加勒斯角的经线（20°E）与印度洋交界。

北冰洋：

以白令海峡和格陵兰经冰

岛和法罗群岛到苏格兰为分界线。

4. 大气和海洋的边界

大气和海洋可以看成是密度不同的两层流体，它们的运动状况和物理过程有很多共同特征，同时它们又通过它们之间的边界发生相互影响和作用。因此，可以放在一起来研究。

(1). 海洋的上下边界，海底地形

海洋的上边界就是海面

海洋的下边界即为岩石圈的上边界。

海底的地形：

大陆架、大陆坡、大陆裾、洋盘、洋中脊、海岛、海沟等等。

海底的几种地形（引自杨殿荣，1986）

洋中脊：

洋中脊是大洋底部的大规模的山脉，它们是

海底扩张的中心。洋中脊是一个世界性的体系，从北冰洋开始，穿大西洋，经印度洋，入太平洋，绵延七万余公里，占海洋总面积的32.7%.

洋中脊的位置：在大西洋它从南北向贯穿大洋中

部。在印度洋它呈“入”字形分布在大洋中部。太平洋洋中脊则位于东部。

洋中脊系统（引自杨殿荣，1986）

海沟：

海沟是大洋边沿狭长的海底陷落带，具有陡的侧壁和极大的深度.

海沟是由于大洋板块向大陆板块下方俯冲而形成的。全世界20余条海沟，绝大部分分布在太平洋的边缘海区。在这些海区附近，是地震多发区。

世界大洋的海沟分布（引自杨殿荣，1986）

(2). 大气的上下边界

大气的下边界：陆地（高原、高峰、山地、平原、谷地等等）和海面。

大气和陆地、海洋通过这个边界交换其动量、热量和水分，产生相互作用和影响。

大气的上边界：人造卫星测得大气上界为2500—

3000Km.

在理论研究中，常取大气上界为Z→∞或P→0.

5. 大气圈和水圈的形成和演化

火山活动形成大气圈和水圈。

火山喷发物(约含85%的水汽，10%的CO2

，百分之几的氮、硫和硫化物)

→冷却凝结成云雨降落，形成水圈。

→水通过离解生成氢气、氧气.

→通过光合作用形成植物细胞的碳水化合物。

最后形成现在的大气圈和生物圈。

世界大洋的形成:

大陆漂移和海底扩张说

认为地球的岩石圈被分裂成大小不等的板块。六个较大的板块是：

太平洋板块、美洲板块、非洲板块、欧亚板块、印度洋板块和南极洲板块。

地球上的主要板块（引自杨殿荣，1986）

板块的边界有洋中脊、转换断层、海沟及两大陆板块相碰撞的地缝合线。

洋中脊系统的中央裂谷，是现代板块主要构造带，也是海洋扩张的中心。在洋中脊的中央裂谷中不断地有岩浆从地壳内往上涌出来，流向两边, 同时渐渐冷却，凝结成新的地壳并向两边推挤和扩张。随着大洋地壳在洋中脊的中央裂谷处不停地建造，岩石圈驮着大陆地壳向两边分开(所谓大陆漂移)，使新诞生的大洋不断成长。

而在海沟附近，大洋正经历着相反的过程。由于相邻板块的挤压，大洋板块向大陆板块下面俯冲，进入地球内部后，由于摩擦和压力的增加以及周围地幔的高温，使俯冲板块温度升高而逐渐融化，最后进入软流圈而消亡。这就是海底扩张说。

大陆漂移说认为，现在的大陆原先是合在一起的，后来才逐渐分开，大陆漂移分几个阶段。

大陆漂移过程（引自杨殿荣，1986）

白垩纪

海洋的演变至今并未完结，大西洋和印度洋现在还在扩大而太平洋正在缩小。地中海处在欧亚板块和非洲板块的压缩带上，正经历着消亡过程。与此相反，红海和加里福尼亚湾则是未来大洋的一个雏形。

四．大气科学和海洋学的研究方法

大气科学和海洋学的研究方法除理论分析，实验室实验和数值模拟外，对大气和海洋进行局部或全球的观测。

长期地、系统地积累资料，从分析资料中发现现象，寻找规律，揭露机理是大气科学和海洋学研究中最重要的方法和途径。

五. 大气科学和海洋学的发展和新技术的应用

国际合作计划：

在国际合作的重大研究计划中，大气和海洋的研究占着相当重要的地位。

全球变化（Global Change）研究计划

全球气候研究计划（WCRP） • TOGA计划（热带海洋和全球大气研究计划）

• WOCE计划（西太平洋环流计划）

• GEWEX计划（全球能量和水循环研究计划）。

西太平洋热带海洋考察

关于三极考察活动

南极、北极和青藏高原（冷极）被称为地球的三极。是全球气候和环境变化的关键区和敏感区，它在全球气候和环境变化中起着重要作用。

我国的南极考察：

1984年国务院批准进行南极考察，首次派了‘向阳红10号’和‘极地号’考察船于1984年12月26日到达南极。

综合考察项目：气象、天文、地质、地球物理、高层大气，生物和冰川等。

建立了两个观测站：

长城站：位于62°12′59″S, 58°57′52″W.

在世界气象观测网中，其编号是89058。

中山站：位于69°22′S, 76°22′E.

主要进行平流层臭氧和其它一些气体的观测。

每年都有不少科学家去南极参加考察工作。

长城站

中山站

南极考察

我国的北极考察: （雪龙号）

主要考察北极地区的海-冰-气的耦合作用、极地地区浮冰的物理特性，用于研究北极海冰变化与我国气候变化的关系。同时还观测北极地区臭氧的分布和变化特征。

中国北极黄河站

我国第一个北极科考站，2004年7月28

日建成使用。该站位于北冰洋上挪威斯匹次卑尔根群岛的新奥尔松。（78°55′N,

11°56′E）

黄河站

北极冰上考察

青藏高原考察:

青藏高原的考察开始于20世纪60年代。

青藏高原季风观测试验

观测青藏高原雪盖的变化(研究其对我国长江流域旱涝的影响)。

观测高原上空臭氧含量的变化。

喜马拉雅山气象考察 雅鲁藏布江综合观测试验

新技术在大气科学和海洋学中的应用

每当科学技术有一个大的发展，大气科学和海洋学也随之有一个飞跃。

五十年代以来，大型电子计算机的问世、空间技术的发展、激光、红外和微波技术的产生都使大气科学和海洋学受到很大的促进。

1.雷达

（1）微波天气雷达：

用于探测降水和警戒强对流和灾害天气（如台风、冰雹、雷暴和龙卷风等）的雷达，称为天气雷达。

微波天气雷达的发展：

六十年代：3cm波长的711型天气雷达

(可测50～60公里内的降水)，

七十年代中：5cm波长的713型天气雷达

(可测100～200公里内的范围)，

八十年代：10cm波长的714型天气雷达

可以测得更远，黄山光明顶的714型天气雷达可以监测我国东南沿海的台风活动。

多普勒天气雷达。它可以测出各种天气系统内的风场结构。

713气象雷达

双波长(8毫米,3.2厘米) 雷达天线

雷达回波

多普勒雷达

（2）激光雷达：

考虑到激光单色性好，相干性强，方向性好，能量大，功率高等特点，利用它的散射特性设计的雷达称为激光雷达。

种类： 测云激光雷达，

测量大气中的小粒子的激光雷达。

（如测大气灰尘、气溶胶和大气分子）。

中科院大气所，武汉物理所和安徽光机所都设计和制造过各种用途的激光雷达。近几年又设计了激光测污雷达，测大气中的O3, SO2, NOx 等。大功率的激光雷达可以测到50公里以上的高空的大气状况。

探测能见度和云高的XUZ01型激光雷达

大型激光雷达

用曙暮光偏振光度计和极光雷达测平流层火山灰云

（3）声雷达：

由于声波在不均匀的大气中的散射本领比无线电波和光波大得多，利用它的这个特性设计声雷达来探测大气的温度、水汽和风的脉动，进行大气湍流的研究。由于声波在大气中传播时衰减很快，所以只用于低层大气的探测。

这三种雷达各有优缺点，通常是配合使用。

2. 卫星

专门用于大气探测和海洋探测的卫星分别称为气象卫星和海洋卫星。它们分为极轨卫星和静止卫星两种.

极轨卫星--太阳同步卫星。

气象卫星

• 拍摄可见光云图和红外云图

• 用红外辐射仪等遥感大气的温度、水汽。

海洋卫星

• 测海面高度、海面风速和波高等等。

静止卫星--地球同步卫星。

它相对于地球总是固定在赤道上空的一点上。

用这种卫星可以监视中低纬的台风和季风风暴等。

卫星云图接收天线和接收设备

全球卫星监测网（引自蒋尚城，2006）

在全球卫星监测网中包括以下几个国家的卫星：

美国的气象卫星： 极轨气象卫星：是美国海洋大气局（NOAA-National Oceanic and

Atmospheric Administration）发射的泰罗斯-N/诺阿（TIROS-N/NOAA）系列卫星。

静止气象卫星：GOES 卫星.有两颗，分别定点在75°W和135°W 赤道上空。

俄罗斯（或前苏联）的气象卫星： 极轨气象卫星：流星（METEOR）气象业务卫星。

静止气象卫星：GOMS卫星，定点在赤道中印度洋（75°E）上空

日本的静止气象卫星：（GMS），定点在140°E 赤道上空。

欧盟的静止气象卫星：METEOSAT卫星，两颗，分别定点在0°和63°E上空。

我国的气象卫星： 极轨气象卫星: 风云一号(FY-1)。

静止气象卫星: 风云二号(FY-2)，定点在赤道（105°E）上空。

我国的气象卫星：

风云一号（极轨卫星）系列 1988.9和1990.9: 风云一号A和B星，

1999.5风云一号C星，

2002.5.15 风云一号D星。

风云二号（静止卫星）系列

已发射风云二号A星，B星和C星， 2001年1月1日风云二号B星的云图开始使用。

2004年10月19日发射C星，2005年1月1日起投入业务使用。2005年1月20日太阳爆发强的耀斑，风云二号C观测到很强的高能质子。

长征三号火箭运送中

长征三号火箭吊装

风云二号卫星在转运中

风云二号卫星吊装 风云二号卫星升空

风云1号卫星 风云2号卫星

《FY-1C》卫星获取的 北半球可见光图像（方宗义提供，2008）

《FY-2B》卫星获取的多通道合成图像(方宗义提供，2008)

气象卫星一般都能兼测海洋的若干项目，但一些国家还发射海洋专用卫星。美国和前苏联都发射过海洋卫星。如1992年美国和法国联合发射了一个海洋卫星，1995

年加拿大发射一个海洋卫星。我国2002年5

月15日发射风云一号D星的同时发射了第一颗海洋探测卫星“海洋一号”。

3．大型电子计算机的应用

（1）大气和海洋探测的自动化：

计算机与各种常规探测仪器、雷达、卫星接收设备等的结合使大气和海洋探测能够自动地进行。网络技术的发展使这些探测资料能迅速的传递到世界各地。

（2）大型电子计算机的应用给大气和海洋学的理论研究提供了一个有效的工具，使大量的观测资料得到分析和使用,使全球大气和海洋的问题可以在实验室里进行数值模拟实验。

（3）大型电子计算机的应用和无线电通讯、网络技术的结合使天气预报和海洋环境预报自动化。特别是为突发性、灾害性的天气预报提供了有利的条件。