大學(xué)氣象學(xué)匯報(bào)演講人：日期:01氣象學(xué)基本概念02大氣結(jié)構(gòu)與組成03天氣系統(tǒng)分析04氣候?qū)W基礎(chǔ)原理05氣象觀測(cè)與技術(shù)06應(yīng)用與前沿研究目錄CATALOGUE氣象學(xué)基本概念01PART氣象學(xué)是研究大氣現(xiàn)象及其變化規(guī)律的自然科學(xué)，涵蓋大氣成分、結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)及能量交換過程，核心目標(biāo)是預(yù)測(cè)天氣和解釋氣候系統(tǒng)行為。定義與學(xué)科范疇氣象學(xué)的科學(xué)定義與物理學(xué)、化學(xué)、地理學(xué)、海洋學(xué)等學(xué)科深度交叉，涉及流體力學(xué)、熱力學(xué)、輻射傳輸?shù)壤碚?，并借助超?jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬?？鐚W(xué)科特性包括農(nóng)業(yè)氣象（作物生長(zhǎng)模型）、航空氣象（湍流預(yù)警）、軍事氣象（戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境評(píng)估）及環(huán)境氣象（污染擴(kuò)散預(yù)測(cè)）等實(shí)踐方向。應(yīng)用領(lǐng)域劃分天氣學(xué)與預(yù)報(bào)技術(shù)氣候動(dòng)力學(xué)與模式開發(fā)聚焦短期天氣系統(tǒng)演變，研究鋒面、氣旋等天氣系統(tǒng)的形成機(jī)制，運(yùn)用多普勒雷達(dá)、衛(wèi)星遙感等工具提升預(yù)報(bào)精度。分析ENSO（厄爾尼諾-南方濤動(dòng)）、PDO（太平洋年代際振蕩）等氣候信號(hào)，開發(fā)CMIP（耦合模式比較計(jì)劃）框架下的全球氣候模型。主要分支領(lǐng)域大氣物理學(xué)與化學(xué)研究云微物理過程（如凝結(jié)核作用）、大氣邊界層湍流、臭氧層耗損機(jī)制及氣溶膠-云-降水相互作用等前沿課題。古氣候與氣候變化通過冰芯、樹輪等代用指標(biāo)重建過去氣候，結(jié)合IPCC評(píng)估報(bào)告量化人類活動(dòng)對(duì)全球變暖的貢獻(xiàn)率。公元前4世紀(jì)亞里士多德著《氣象學(xué)》系統(tǒng)描述天氣現(xiàn)象，中國(guó)商朝甲骨文記載降雨占卜，體現(xiàn)早期經(jīng)驗(yàn)性認(rèn)知。古代觀測(cè)萌芽階段20世紀(jì)50年代數(shù)值天氣預(yù)報(bào)實(shí)現(xiàn)（理查森理論實(shí)踐），70年代氣象衛(wèi)星組網(wǎng)（TIROS系列），21世紀(jì)集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)（ECMWF）將預(yù)報(bào)時(shí)效延伸至兩周?，F(xiàn)代技術(shù)跨越17世紀(jì)發(fā)明氣壓計(jì)（托里拆利）、溫度計(jì)（伽利略），19世紀(jì)電報(bào)網(wǎng)絡(luò)促成天氣圖繪制，挪威學(xué)派提出極鋒理論奠定現(xiàn)代天氣學(xué)基礎(chǔ)。近代儀器革命010302歷史發(fā)展脈絡(luò)高分辨率地球系統(tǒng)模式開發(fā)（1km網(wǎng)格）、人工智能同化技術(shù)應(yīng)用、空間天氣預(yù)警體系構(gòu)建及碳中和背景下的氣候工程評(píng)估。未來挑戰(zhàn)與趨勢(shì)04大氣結(jié)構(gòu)與組成02PART大氣層垂直劃分對(duì)流層最接近地表的大氣層，集中了約75%的大氣質(zhì)量和幾乎全部水汽，天氣現(xiàn)象如云、雨、雪主要發(fā)生在此層，溫度隨高度增加而降低。平流層位于對(duì)流層之上，臭氧層分布于此，吸收紫外線輻射，溫度隨高度升高而上升，氣流以水平運(yùn)動(dòng)為主，適合航空飛行。中間層平流層之上，溫度隨高度升高而下降，是大氣中最冷的區(qū)域，流星燃燒現(xiàn)象多發(fā)生在此層。熱層和外逸層熱層溫度極高，電離現(xiàn)象顯著，極光在此產(chǎn)生；外逸層為大氣最外層，氣體分子逐漸逃逸至太空。氣體成分與比例占比約78%，是大氣中最主要的氣體，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，對(duì)生物圈和工業(yè)用途具有重要意義。氮?dú)猓∟?）占比約21%，支持生命活動(dòng)和燃燒反應(yīng)，是地球生物生存的關(guān)鍵物質(zhì)。包括氬氣（0.93%）、水蒸氣（可變）、臭氧（微量）等，各自在輻射吸收或化學(xué)反應(yīng)中發(fā)揮獨(dú)特作用。氧氣（O?）占比約0.04%，雖含量低但對(duì)溫室效應(yīng)和植物光合作用至關(guān)重要，近年濃度上升引發(fā)全球變暖問題。二氧化碳（CO?）01020403稀有氣體與其他成分溫度與壓力分布特性氣壓隨高度呈指數(shù)下降，地表氣壓最高，外逸層接近真空，氣壓極低，航空與航天活動(dòng)需考慮氣壓適應(yīng)性。氣壓隨高度變化水平分布差異極端環(huán)境影響對(duì)流層溫度遞減率約為6.5°C/km，平流層因臭氧吸熱而升溫，中間層再次降溫，熱層因太陽輻射溫度驟升。赤道地區(qū)因太陽輻射強(qiáng)，溫度高于極地；海陸分布導(dǎo)致氣壓系統(tǒng)（如高壓、低壓）形成，驅(qū)動(dòng)全球風(fēng)系循環(huán)。高山低壓低溫環(huán)境對(duì)生物和人類活動(dòng)構(gòu)成挑戰(zhàn)，而熱層的高溫需特殊材料防護(hù)航天器。溫度垂直變化天氣系統(tǒng)分析03PART高壓系統(tǒng)形成機(jī)制低壓區(qū)因空氣上升運(yùn)動(dòng)形成，上升氣流絕熱冷卻易凝結(jié)成云，伴隨降水或風(fēng)暴。水平氣流呈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)（北半球），垂直方向上常存在對(duì)流活動(dòng)，大氣不穩(wěn)定度較高。低壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特征氣壓梯度力影響高壓與低壓之間的氣壓差驅(qū)動(dòng)風(fēng)系形成，梯度力越大風(fēng)速越快，同時(shí)受科里奧利力影響導(dǎo)致風(fēng)向偏轉(zhuǎn)，形成復(fù)雜環(huán)流模式。高壓區(qū)通常由空氣下沉運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致，下沉過程中空氣絕熱增溫，抑制云層形成，帶來晴朗干燥天氣。此類系統(tǒng)水平氣流呈順時(shí)針旋轉(zhuǎn)（北半球），垂直方向上大氣層結(jié)穩(wěn)定。高壓與低壓系統(tǒng)機(jī)制冷氣團(tuán)主動(dòng)推進(jìn)取代暖氣團(tuán)時(shí)，鋒面坡度陡峭，導(dǎo)致強(qiáng)對(duì)流天氣，如雷暴、短時(shí)強(qiáng)降水，鋒后氣溫驟降且氣壓上升。冷鋒過境效應(yīng)暖氣團(tuán)緩慢爬升于冷氣團(tuán)之上，形成層狀云系，帶來持續(xù)性降水，鋒前常出現(xiàn)卷云、高層云等漸變性云序，降水范圍廣但強(qiáng)度較弱。暖鋒天氣特征當(dāng)冷鋒追上暖鋒時(shí)形成錮囚鋒，兼具冷暖鋒特性，產(chǎn)生復(fù)雜降水帶，可能伴隨強(qiáng)風(fēng)和多變溫度分布，常見于溫帶氣旋成熟階段。錮囚鋒復(fù)合影響鋒面與氣團(tuán)相互作用常見極端天氣現(xiàn)象低層強(qiáng)烈輻合氣流與高層輻散配合形成暖心結(jié)構(gòu)，眼墻區(qū)域風(fēng)速極值可達(dá)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)別，伴隨風(fēng)暴潮和特大暴雨，對(duì)沿海地區(qū)破壞力極大。熱帶氣旋結(jié)構(gòu)龍卷風(fēng)形成條件干旱氣候關(guān)聯(lián)超級(jí)單體雷暴中強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)上升氣流在垂直風(fēng)切變作用下拉伸，形成漏斗云，地面風(fēng)速可超過EF5級(jí)，路徑狹窄但破壞力集中。持續(xù)高壓控制導(dǎo)致降水異常偏少，土壤濕度驟降，蒸發(fā)加劇形成正反饋循環(huán)，影響農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)和水資源供給穩(wěn)定性。氣候?qū)W基礎(chǔ)原理04PART基于溫度和降水?dāng)?shù)據(jù)將全球氣候分為熱帶、干旱、溫帶、寒冷和極地五大類，細(xì)分30余種亞型，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)規(guī)劃和生態(tài)研究。通過潛在蒸散量（PE）與降水量的比值劃分氣候區(qū)，特別適用于評(píng)估水資源可利用性和植被分布特征。結(jié)合氣團(tuán)、鋒面活動(dòng)等動(dòng)態(tài)因素劃分氣候帶，強(qiáng)調(diào)氣候成因分析，常用于中高緯度地區(qū)氣候研究。依據(jù)海拔梯度導(dǎo)致的溫度、降水變化劃分垂直氣候帶，對(duì)高山生態(tài)保護(hù)和登山運(yùn)動(dòng)有重要指導(dǎo)意義。氣候分類方法柯本氣候分類法桑斯威特氣候分類法斯特拉勒氣候分類法山地氣候垂直分帶法包括太陽輻射變化（如太陽黑子周期）、火山噴發(fā)（釋放氣溶膠影響大氣透光率）、地球軌道參數(shù)（米蘭科維奇旋回）等，這些因素通過改變能量平衡導(dǎo)致氣候波動(dòng)。自然驅(qū)動(dòng)因素厄爾尼諾-南方振蕩（ENSO）、北大西洋濤動(dòng)（NAO）等海溫異常模式通過改變熱量和水汽輸送，引發(fā)全球氣候異常事件。海洋-大氣相互作用工業(yè)化排放的溫室氣體（CO?、CH?等）增強(qiáng)溫室效應(yīng)，土地利用變化（如森林砍伐）破壞碳匯功能，氣溶膠排放則可能產(chǎn)生降溫或區(qū)域降水格局改變。人為驅(qū)動(dòng)因素010302氣候變化驅(qū)動(dòng)因素永久凍土融化釋放甲烷、海洋酸化影響浮游生物固碳能力等，可能加速或減緩氣候變化進(jìn)程。生物地球化學(xué)反饋04全球氣候模式概述僅模擬大氣物理過程（如輻射傳輸、云微物理），需與海溫觀測(cè)數(shù)據(jù)耦合，常用于短期氣候預(yù)測(cè)和機(jī)制研究。大氣環(huán)流模式（AGCM）整合大氣、海洋、陸面、海冰等多圈層相互作用，可模擬百年尺度氣候變化，IPCC評(píng)估報(bào)告主要依賴此類模式。耦合氣候系統(tǒng)模式（CGCM）在CGCM輸出結(jié)果基礎(chǔ)上降尺度，分辨率達(dá)10-50公里，能更精確模擬地形降水、城市熱島等局地氣候特征。區(qū)域氣候模式（RCM）在CGCM中納入碳循環(huán)、植被動(dòng)態(tài)等生物過程，用于研究氣候-生態(tài)系統(tǒng)的雙向反饋，如亞馬遜雨林退化對(duì)全球氣候的影響。地球系統(tǒng)模式（ESM）氣象觀測(cè)與技術(shù)05PART傳統(tǒng)儀器類型包括水銀溫度計(jì)、酒精溫度計(jì)及雙金屬溫度計(jì)，用于精確測(cè)量近地面或高空大氣層的溫度變化，其原理基于液體或金屬的熱脹冷縮特性。溫度測(cè)量設(shè)備01干濕球濕度計(jì)和毛發(fā)濕度計(jì)通過蒸發(fā)冷卻效應(yīng)或毛發(fā)吸濕特性計(jì)算相對(duì)濕度，為農(nóng)業(yè)和氣候研究提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。濕度檢測(cè)裝置03水銀氣壓計(jì)和空盒氣壓計(jì)是核心工具，前者通過水銀柱高度反映氣壓值，后者利用真空金屬盒的形變程度推算氣壓，適用于野外和固定站點(diǎn)觀測(cè)。氣壓觀測(cè)儀器02機(jī)械式風(fēng)杯風(fēng)速計(jì)和風(fēng)向標(biāo)通過物理轉(zhuǎn)動(dòng)捕捉風(fēng)向風(fēng)速，長(zhǎng)期應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)、港口等安全關(guān)鍵領(lǐng)域。風(fēng)速風(fēng)向儀04靜止軌道衛(wèi)星（如風(fēng)云系列）提供全球云圖、地表溫度及氣溶膠分布數(shù)據(jù)，極軌衛(wèi)星則用于三維大氣溫濕度剖面反演。衛(wèi)星遙感系統(tǒng)利用激光束與大氣粒子相互作用，精確測(cè)量氣溶膠垂直分布、邊界層高度及污染物擴(kuò)散規(guī)律，支持環(huán)境氣象研究。激光雷達(dá)技術(shù)01020304多普勒雷達(dá)通過發(fā)射微波并分析回波強(qiáng)度與頻移，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)降水強(qiáng)度、風(fēng)暴結(jié)構(gòu)及臺(tái)風(fēng)路徑，顯著提升災(zāi)害預(yù)警能力。雷達(dá)氣象探測(cè)被動(dòng)接收大氣輻射信號(hào)，反演水汽、液態(tài)水含量及臭氧濃度，彌補(bǔ)傳統(tǒng)探空觀測(cè)的時(shí)空分辨率不足問題。微波輻射計(jì)現(xiàn)代遙感技術(shù)應(yīng)用數(shù)值模式開發(fā)WRF（WeatherResearchandForecasting）模式通過非靜力動(dòng)力框架模擬中小尺度天氣過程，支持臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)對(duì)流等極端天氣研究。高性能計(jì)算集群采用GPU并行計(jì)算加速集合預(yù)報(bào)運(yùn)算，處理PB級(jí)氣象數(shù)據(jù)，支撐全球公里級(jí)分辨率模擬需求。機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（如ConvLSTM）用于衛(wèi)星圖像時(shí)序分析，實(shí)現(xiàn)降水短臨預(yù)報(bào)及氣候模式降尺度，突破傳統(tǒng)物理方程限制。數(shù)據(jù)同化算法集合卡爾曼濾波（EnKF）和變分法（4D-Var）將觀測(cè)數(shù)據(jù)與模型初始場(chǎng)動(dòng)態(tài)融合，減少數(shù)值預(yù)報(bào)初始誤差，提升預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)處理與模型構(gòu)建應(yīng)用與前沿研究06PART天氣預(yù)報(bào)實(shí)用案例通過高精度數(shù)值模型和衛(wèi)星遙感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)臺(tái)風(fēng)、暴雨、暴雪等極端天氣的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警，為防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。極端天氣預(yù)警系統(tǒng)利用風(fēng)場(chǎng)、能見度及雷暴預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，優(yōu)化航班航線規(guī)劃和船舶航行路徑，降低運(yùn)輸成本與風(fēng)險(xiǎn)。航空與航海導(dǎo)航優(yōu)化結(jié)合土壤濕度、溫度及降水預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，為農(nóng)作物播種、灌溉和收割提供定制化氣象建議，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)010302通過分析城市溫度分布與氣流模式，指導(dǎo)綠地規(guī)劃與建筑布局設(shè)計(jì)，改善城市微氣候環(huán)境。城市熱島效應(yīng)緩解04跨學(xué)科應(yīng)用領(lǐng)域生態(tài)氣象學(xué)研究氣候變化對(duì)物種分布、生態(tài)系統(tǒng)平衡的影響，為生物多樣性保護(hù)提供數(shù)據(jù)支持。醫(yī)療氣象學(xué)探索氣象條件與疾病傳播（如流感、哮喘）的關(guān)聯(lián)性，輔助公共衛(wèi)生部門制定季節(jié)性防控策略。能源氣象學(xué)預(yù)測(cè)風(fēng)速、日照強(qiáng)度等參數(shù)，優(yōu)化風(fēng)能、太陽能發(fā)電調(diào)度，提高可再生能源利用率。軍事氣象保障為軍事行動(dòng)提供戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境氣象分析，包括沙塵暴、霧霾等特殊天氣條件下