氣象科普知識(shí)講座演講人：日期:01氣象基礎(chǔ)知識(shí)02主要?dú)庀笠?3常見天氣現(xiàn)象04氣象觀測技術(shù)05天氣預(yù)報(bào)方法06氣候變化與影響目錄CATALOGUE氣象基礎(chǔ)知識(shí)01PART氣象學(xué)基本概念氣象學(xué)的研究對象與范疇氣象學(xué)是研究大氣物理現(xiàn)象、化學(xué)過程及動(dòng)力學(xué)機(jī)制的科學(xué)，涵蓋天氣系統(tǒng)演變、氣候模式分析、大氣環(huán)流規(guī)律等核心領(lǐng)域，其研究成果直接服務(wù)于天氣預(yù)報(bào)、災(zāi)害預(yù)警和氣候變化評估。氣象要素的定量觀測數(shù)值天氣預(yù)報(bào)技術(shù)包括溫度、氣壓、濕度、風(fēng)速、降水等基本參數(shù)的測量，通過地面氣象站、探空氣球、衛(wèi)星遙感等多平臺(tái)協(xié)同觀測，構(gòu)建全球氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)?；诹黧w力學(xué)和熱力學(xué)方程，利用超級計(jì)算機(jī)模擬大氣運(yùn)動(dòng)，通過數(shù)據(jù)同化技術(shù)將觀測資料融入模型，實(shí)現(xiàn)對未來天氣的高精度預(yù)測。123最接近地表的大氣層（厚度約8-18千米），集中了75%的大氣質(zhì)量和幾乎全部水汽，是云、雨、雪等天氣現(xiàn)象的主要發(fā)生區(qū)域，其溫度隨高度升高而遞減。大氣層結(jié)構(gòu)與功能對流層的特征與作用位于地表20-50千米高度，臭氧分子吸收紫外線輻射并轉(zhuǎn)化為熱能，形成逆溫層結(jié)構(gòu)，同時(shí)阻擋有害紫外線抵達(dá)地面，對地球生態(tài)系統(tǒng)具有屏障作用。平流層的臭氧層保護(hù)機(jī)制中間層（50-85千米）存在夜光云和流星燃燒現(xiàn)象；電離層（60-1000千米）因太陽輻射電離產(chǎn)生帶電粒子，影響無線電通信和極光形成。中間層與電離層的特殊現(xiàn)象03天氣與氣候差異02驅(qū)動(dòng)因素的復(fù)雜性天氣變化主要由氣團(tuán)交鋒、鋒面活動(dòng)等中小尺度系統(tǒng)主導(dǎo)；氣候則受太陽輻射、海陸分布、溫室氣體濃度等宏觀因子調(diào)控，并涉及海洋-大氣耦合作用。預(yù)測方法的區(qū)別天氣預(yù)報(bào)依賴高分辨率數(shù)值模型和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)同化；氣候預(yù)測需結(jié)合地球系統(tǒng)模型，考慮碳循環(huán)、冰蓋消融等慢過程反饋機(jī)制。01時(shí)間尺度與空間范圍差異天氣指短時(shí)間（分鐘至數(shù)周）內(nèi)的大氣狀態(tài)變化，如雷暴、寒潮等；氣候則是長期（30年以上）統(tǒng)計(jì)得出的天氣平均特征，如季風(fēng)氣候、地中海氣候等區(qū)域性規(guī)律。主要?dú)庀笠?2PART溫度及其影響因素1234太陽輻射太陽輻射是地球表面溫度的主要來源，其強(qiáng)度受緯度、季節(jié)和天氣條件影響，低緯度地區(qū)接收的太陽輻射更多，溫度普遍較高。不同地表（如海洋、森林、沙漠）對太陽輻射的吸收和反射能力不同，導(dǎo)致局部溫度差異，例如沙漠晝夜溫差大，而海洋溫度變化較緩。地表性質(zhì)大氣環(huán)流全球性的大氣環(huán)流（如赤道低壓帶、副熱帶高壓帶）通過熱量輸送影響溫度分布，暖流和寒流也會(huì)顯著改變沿海地區(qū)溫度。人類活動(dòng)城市化、工業(yè)排放等人為因素通過熱島效應(yīng)和溫室氣體排放改變局部及全球溫度，加劇氣候變暖趨勢。濕度與降水原理絕對濕度與相對濕度絕對濕度指單位體積空氣中水汽的實(shí)際含量，而相對濕度是當(dāng)前水汽含量與同溫度下飽和水汽量的百分比，直接影響人體舒適度和降水概率。人工影響降水通過播撒干冰或碘化銀等催化劑，可促進(jìn)云中水汽凝結(jié)，但技術(shù)效果受云層條件和環(huán)境因素嚴(yán)格限制。水汽凝結(jié)過程當(dāng)空氣冷卻至露點(diǎn)溫度時(shí)，水汽凝結(jié)成云滴或冰晶，需凝結(jié)核（如塵埃、鹽粒）參與，此過程是降水形成的物理基礎(chǔ)。降水類型包括對流雨（短時(shí)強(qiáng)降水）、地形雨（迎風(fēng)坡降水）、鋒面雨（冷暖空氣交匯）和臺(tái)風(fēng)雨（熱帶氣旋引發(fā)），不同機(jī)制導(dǎo)致降水強(qiáng)度和范圍差異。地球自轉(zhuǎn)導(dǎo)致北半球風(fēng)向右偏、南半球向左偏，此效應(yīng)在大尺度環(huán)流（如信風(fēng)、西風(fēng)帶）中起主導(dǎo)作用?？评飱W利效應(yīng)包括海陸風(fēng)（晝夜溫差驅(qū)動(dòng)）、山谷風(fēng)（地形熱力差異）和焚風(fēng)（下沉增溫），這些風(fēng)系對區(qū)域氣候和農(nóng)業(yè)有顯著影響。局地風(fēng)系01020304空氣從高壓區(qū)向低壓區(qū)流動(dòng)形成風(fēng)，氣壓差越大則風(fēng)速越快，等壓線密度直接反映風(fēng)力大小。氣壓梯度力臺(tái)風(fēng)（低壓中心）和反氣旋（高壓中心）分別伴隨強(qiáng)風(fēng)和晴朗天氣，其形成需特定海溫與大氣環(huán)流條件配合。極端氣壓系統(tǒng)風(fēng)與氣壓系統(tǒng)常見天氣現(xiàn)象03PART云的類型與形成過程由空氣對流上升冷卻形成，底部平坦、頂部呈棉絮狀，常預(yù)示晴朗天氣，但發(fā)展旺盛時(shí)可演變?yōu)榉e雨云引發(fā)強(qiáng)降水。積云（Cumulus）高空纖細(xì)絲縷狀冰晶云，由強(qiáng)風(fēng)拉伸形成，通常預(yù)示天氣系統(tǒng)變化，如暖鋒或熱帶氣旋臨近。卷云（Cirrus）低空均勻灰白的云層，多由大范圍空氣緩慢抬升或輻射冷卻形成，常導(dǎo)致持續(xù)性小雨或毛毛雨，能見度顯著降低。層云（Stratus）010302厚而暗的降水云層，覆蓋天空且邊界模糊，伴隨長時(shí)間中到大雨或雪，常見于溫帶氣旋系統(tǒng)中。雨層云（Nimbostratus）04降水過程分類由地表受熱不均引發(fā)強(qiáng)烈上升氣流形成，特點(diǎn)是強(qiáng)度大、歷時(shí)短、范圍小，常見于夏季午后，易伴隨雷電和短時(shí)強(qiáng)降水。對流性降水冷暖空氣交匯時(shí)暖空氣沿鋒面抬升冷卻所致，降水范圍廣、持續(xù)時(shí)間長，如梅雨期的連續(xù)性降雨，對區(qū)域水資源補(bǔ)給至關(guān)重要。低壓系統(tǒng)中心輻合上升氣流導(dǎo)致，如臺(tái)風(fēng)帶來的暴雨，往往覆蓋數(shù)百公里，需警惕洪澇和次生地質(zhì)災(zāi)害。鋒面降水濕潤氣流遇山脈被迫抬升而降溫凝結(jié)，迎風(fēng)坡降水豐沛（如喜馬拉雅山南麓），背風(fēng)坡則形成雨影區(qū)，體現(xiàn)降水的空間分異規(guī)律。地形降水01020403氣旋性降水極端天氣特征特大暴雨單日降水量超250毫米，易引發(fā)城市內(nèi)澇和山洪，如2021年鄭州“7·20”特大暴雨，需關(guān)注中小尺度對流系統(tǒng)疊加效應(yīng)。超級單體雷暴具有持久旋轉(zhuǎn)上升氣流的強(qiáng)風(fēng)暴，可同時(shí)產(chǎn)生龍卷風(fēng)、冰雹和直線大風(fēng)，美國中西部“龍卷風(fēng)走廊”年均發(fā)生超1200次此類災(zāi)害。極端高溫?zé)崂诉B續(xù)5日最高氣溫超歷史同期閾值5℃以上，如2022年歐洲熱浪致6萬人死亡，凸顯城市熱島效應(yīng)與氣候變化的協(xié)同放大作用。暴風(fēng)雪復(fù)合災(zāi)害強(qiáng)降雪伴隨8級以上大風(fēng)，能見度降至400米以下，如2008年中國南方雪災(zāi)，導(dǎo)致電網(wǎng)癱瘓和交通中斷等鏈?zhǔn)綖?zāi)害。氣象觀測技術(shù)04PART由傳感器、數(shù)據(jù)采集器和通信模塊組成，可實(shí)時(shí)監(jiān)測溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速、降水等氣象要素，數(shù)據(jù)精度高且覆蓋范圍廣。百葉箱用于保護(hù)溫度計(jì)和濕度計(jì)免受陽光直射和降水干擾，確保測量環(huán)境通風(fēng)且穩(wěn)定，是傳統(tǒng)氣象觀測的核心設(shè)備。雨量筒通過漏斗收集降水并測量累積量，蒸發(fā)皿則用于觀測水面蒸發(fā)速率，兩者對水文氣象研究至關(guān)重要。采用超聲波或機(jī)械式傳感器，實(shí)時(shí)記錄風(fēng)向和風(fēng)速變化，為天氣預(yù)報(bào)和風(fēng)能開發(fā)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。地面觀測工具自動(dòng)氣象站百葉箱與溫濕度計(jì)雨量筒與蒸發(fā)皿風(fēng)向風(fēng)速儀多光譜成像技術(shù)通過不同波段捕捉云層、地表和海洋信息，分析云頂高度、海面溫度及植被覆蓋狀況，提升災(zāi)害監(jiān)測能力。大氣垂直探測利用紅外和微波輻射計(jì)反演大氣溫濕度廓線，為數(shù)值天氣預(yù)報(bào)提供全球范圍的高空數(shù)據(jù)支持。氣象災(zāi)害追蹤衛(wèi)星可實(shí)時(shí)監(jiān)測臺(tái)風(fēng)路徑、沙塵暴范圍和森林火點(diǎn)，結(jié)合GIS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)災(zāi)害預(yù)警與評估。氣候數(shù)據(jù)積累長期衛(wèi)星觀測形成全球氣候數(shù)據(jù)集，用于研究氣候變化規(guī)律及極端事件頻率。衛(wèi)星遙感應(yīng)用雷達(dá)監(jiān)測原理雷達(dá)發(fā)射電磁波遇降水粒子反射，通過頻率變化計(jì)算降水粒子的徑向速度，用于識(shí)別強(qiáng)對流天氣中的風(fēng)場結(jié)構(gòu)。多普勒效應(yīng)利用差分反射率、相關(guān)系數(shù)等參數(shù)區(qū)分雨、雪、霰等降水相態(tài)，優(yōu)化短時(shí)強(qiáng)降水預(yù)報(bào)模型。雙偏振參數(shù)應(yīng)用發(fā)射水平和垂直偏振波，分析降水粒子形狀與相態(tài)（如雨滴、冰雹），提高降水類型識(shí)別精度。偏振雷達(dá)技術(shù)010302雷達(dá)通過仰角掃描構(gòu)建大氣三維結(jié)構(gòu)，揭示風(fēng)暴單體發(fā)展過程，輔助龍卷風(fēng)等災(zāi)害性天氣預(yù)警。三維掃描功能04天氣預(yù)報(bào)方法05PART數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模型基于大氣動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)方程，通過超級計(jì)算機(jī)求解復(fù)雜數(shù)學(xué)方程組，模擬大氣運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和演變趨勢，為全球和區(qū)域預(yù)報(bào)提供核心數(shù)據(jù)支持。預(yù)報(bào)模型基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)模型利用歷史氣象數(shù)據(jù)建立統(tǒng)計(jì)關(guān)系，通過回歸分析、機(jī)器學(xué)習(xí)等方法預(yù)測未來天氣，適用于降水概率、溫度異常等特定要素的預(yù)測。集合預(yù)報(bào)技術(shù)通過擾動(dòng)初始條件或模型參數(shù)生成多組預(yù)報(bào)結(jié)果，量化預(yù)報(bào)不確定性，提高極端天氣事件的預(yù)警能力。短期與長期預(yù)報(bào)短期預(yù)報(bào)（0-3天）依賴高分辨率數(shù)值模型和實(shí)時(shí)觀測數(shù)據(jù)，重點(diǎn)預(yù)測暴雨、雷暴、大風(fēng)等強(qiáng)對流天氣的時(shí)空分布，為防災(zāi)減災(zāi)提供精準(zhǔn)指導(dǎo)。中期預(yù)報(bào)（3-10天）結(jié)合全球環(huán)流模式和統(tǒng)計(jì)訂正技術(shù)，預(yù)測大范圍天氣系統(tǒng)演變，如寒潮、臺(tái)風(fēng)路徑等，但局地細(xì)節(jié)精度隨預(yù)報(bào)時(shí)效降低。長期預(yù)報(bào)（月-季尺度）基于海-氣耦合模型和氣候信號(hào)（如厄爾尼諾），預(yù)測溫度、降水趨勢，服務(wù)于農(nóng)業(yè)規(guī)劃和能源調(diào)度，但無法精確到具體日期。預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性評估用戶反饋機(jī)制收集航空、農(nóng)業(yè)等行業(yè)用戶的實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù)，針對性調(diào)整預(yù)報(bào)產(chǎn)品格式和閾值設(shè)定，提升服務(wù)實(shí)用性。03通過Brier評分、可靠性圖評估概率預(yù)報(bào)的校準(zhǔn)度和分辨力，改進(jìn)集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)的成員配置和權(quán)重分配。02概率預(yù)報(bào)驗(yàn)證誤差分析方法采用均方根誤差（RMSE）、相關(guān)系數(shù)等指標(biāo)量化溫度、降水等要素的預(yù)報(bào)偏差，定期優(yōu)化模型參數(shù)和同化算法。01氣候變化與影響06PART全球變暖成因溫室氣體排放增加人類活動(dòng)如化石燃料燃燒、工業(yè)生產(chǎn)等導(dǎo)致二氧化碳、甲烷等溫室氣體濃度顯著上升，加劇大氣保溫效應(yīng)。海洋酸化與熱吸收海洋吸收過量二氧化碳導(dǎo)致酸化，同時(shí)表層海水溫度持續(xù)上升，影響全球熱量分布與氣候模式。森林砍伐、濕地填埋等行為減少碳匯能力，同時(shí)破壞自然氣候調(diào)節(jié)機(jī)制，進(jìn)一步推動(dòng)溫度升高。土地利用變化氣候影響生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性喪失極端氣候事件（如干旱、洪水）及溫度變化導(dǎo)致物種棲息地破壞，加速瀕危物種滅絕速度。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)波動(dòng)珊瑚白化、浮游生物減少等現(xiàn)象頻發(fā)，破壞海洋食物鏈基礎(chǔ)，影響漁業(yè)資源穩(wěn)定性。