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全球变化复习资料全球变化复习资料第⼀章地球系统科学与全球变化研究⼀、全球变化（global change）指由⾃然和认为因素引起的、影响地球系统功能的全球尺度的变化，所谓地球系统，由位于地球表⾯的⼤⽓、陆地、海洋等⼦系统徐成，发⽣在它们之间的各种相互作⽤。
相互影响的物理、化学、⽣物与⼈类过程实现了物质和能量的转化，因⽽为地球上的⽣命提供了条件。
⼆、全球变化研究的意义（1）全球变化研究是⼈类社会实现可持续发展的科学基础其所取得的科学认识是对可持续发展的重要贡献，为⼈类社会的可持续发展提供科学的背景和依据，未来的可持续发展必须与未来环境的变化有机结合，可持续性是⼈类适应全球变化的准则，⼈类对环境的适应必须符合可持续性。
（2）深化对地球系统的认识，发展地球系统科学地球系统科学是全球变化研究的科学基础，并且全球研究表现出强烈的学科交叉的特点，构成了新的学科⽣长点，对所有的传统地理科学学科都是机遇，也是挑战。
全球变化的兴起为地理学的发展提供了新的机遇。
（3）改变⼈类的观念、促进应⽤基础科学和有关社会科学的发展例如对资源的有限性的认识，必将促进⼈类⽣产和⼩费观念的变⾰，促进资源、环境、灾害等有关的应⽤基础学科的发展。
三、全球变化的科学内涵（1）以地球系统为基础将地球作为⼀个整体⽽不是孤⽴地研究地球的不同组分和它的环境，即从全球尺度进⾏研究。
（2）已发⽣在各种事件尺度上的动态变化为核⼼从100-109的时间尺度均可辨认出地球系统的变化，可以利⽤五个不同的时段来定义：①⼏百万年到⼏⼗亿年：地球结构的演变、⽣命的演化、与此有关的现代⼤⽓化学成分的演变均是由⼏百万年或⼏⼗亿年的尺度决定的。
②⼏千到⼏⼗万年（轨道及亚轨道周期尺度）：⼿轨道参数周期性变化所驱动的全球⽓候的冰期和间冰期的交替以及与此有关的⼤⽓成分、⼟壤发育、⽣物种类区域分布的响应变化。
③⼏⼗到⼏百年（年代与世纪尺度）：这⼀尺度的中⼼课题是物理⽓候系统及其对⽣命有机体以及⽣物化学循环、⼤⽓化学成分变化、地表⼲燥度、海洋⽣物系统的变化，均是此时间尺度上的重要问题。
& 2.4 大气滞留与清除过程大气气溶胶在大气中存在的时间有限，与增长率、衰减率分别与总质量的比值有关。
11r dG P I RO G dt G Gτ++==-τr 表示滞留时间，G 表示气溶胶总质量，P 表示产生率，I 表示输入率，R 表示消失率，O 表示输出率。
稳定状态下平均滞留时间τ为：G GP I R Oτ==++假设消失率与输出率均与气溶胶总质量成线性关系，即：R=k R G, O=k O G ，经过一段时间t 后的总质量为：0exp[()][1exp()]t R O R O R OP IG G k k t k k t k k +=-++-++注：上式右端第一项表示起始总质量因衰减过程而随时间变化，第二项描述因新的物质输入而引起G 的变化，经过充分长时间，式中指数项衰减到很小的值，即可达到新的稳定状态。
这种调整过程的时间常数就等于该物质在贮存器中的滞留时间。
nuist邱2.5.2 清除过程2.5.2.1 干沉降过程干沉降：气载物质通过重力下落、扩散传输，或两者的共同作用，沉积于地表面移出大气，或通过与表面碰撞或被突出物拦截而移出，这种过程称为干沉降。
1、受重力影响产生沉降；2、随气流输送的气溶胶粒子受障碍物拦截产生沉降；3、流体输送中的小粒子与惯性大的大粒子碰撞产生沉降；4、布朗运动产生的粒子间的随机碰撞产生沉降；5、湍流输送中的碰撞产生沉降；6、各种泳移过程中的碰撞产生沉降。
气溶胶在大气中为什么会发生干沉降？1、大气输送特征（湍流程度）；2、气溶胶粒子的物理化学特征，如：粒子尺度、形状、水溶性特征等；3、沉降表面和下垫面特征。
干沉降过程受哪些因素影响？nuist邱◆近地层输送(空气动力学输送)◆表面输送◆吸收干沉降物理过程贴表面的粘性层流薄层，布朗扩散至吸收表面.表面对物质的吸收（粘附、可溶性）（层流副层）.风速、空气稳定度等大气状况影响。
层流输送层吸收层表面输送近地层空气动力学输送Rc ✓干沉降速度与每个沉降层中的阻力密切相关，气溶胶粒子受到的阻力越大，相应的干沉降速度越小。
基础知识（1）干空气与水蒸气的分压自然界的空气总含有一些水蒸汽，可称之为湿空气，即湿空气可看成干空气与水蒸气的混合物。
若令P代表大气压强，即湿空气的总压，Pa 和 Pw 分别代表干空气及水蒸气的分压，则按道尔顿分压定律有：（ Pa ）（2）露点Td和霜点Tf：如果给定的空气在水汽压不变的情况下逐渐冷却，当达到某一温度时，空气的水汽压达到了该温度下的饱和蒸汽压，当空气进一步冷却时，如果在空气中有一个光洁的平面和“冷凝核心”（如表面上的微粒和缺陷的棱角），水汽就会在平面上凝结成露点，此温度Td称为露点温度，确切的说，应为热力学露点温度；当空气的温度低于0℃ 时，水汽在平面上凝结成霜，该温度Tf被称为霜点。
露点和露点的计算公式详见饱和水蒸气压公式中的介绍。
（3）相对湿度 %RH ：相对湿度是指空气中水汽的摩尔分数与相同温度（T）、压力（P）下纯水表面的饱和水汽的摩尔份数之比，用百分数表示。
式中，e-表示水气分压(Pa) ；ew-表示饱和水蒸气压力(Pa) ；相对湿度越小，就表示是空气离饱和态越远，尚有吸收更多水蒸气的能力，即空气越干燥，吸收水蒸气能力越强；反之，相对湿度越大，吸收水蒸汽能力越弱，即空气越潮湿。
相对湿度反映了湿空气中水蒸汽含量接近饱和的程度，故又称饱和度。
（4）气象相对湿度 %RH ：气象相对湿度的定义同（3）相对湿度 %RH 的定义基本相同，只是低于0 ℃时，相对湿度仍以过冷水即液面饱和水汽压计算公式来计算饱和气压值，所以在计算ew时我们始终用水面上饱和气压值计算公式来计算（低于0℃看成过冷水），这点在同标准相对湿度是不同的。
（5）水气分压WVP；就是在总压下水蒸汽所占的压力，表示为e，若将湿空气视作理想二元气体混合物，根据道尔顿分压定律，引入摩尔分数可得到：式中P为实际气体的压力（包括水汽分压e与干空气分压Pa），r表湿空气的混合比。
（6）饱和水蒸汽压力SWVP，即湿空气处于露点温度或霜点温度（饱和状态时）时水蒸气所占的分压值。
空气饱和含湿量函数
空气饱和含湿量函数是一种用来表示空气饱和含湿量的函数，它用来计算空气中的水汽含量。
它也被称为饱和度函数，是用来计算空气温度、湿度、气压和温度梯度下的饱和度的函数。
空气饱和含湿量函数的计算可以通过湿球温度和饱和气压的比较来实现。
湿球温度是一种表示空气中的水汽含量的物理量，它是空气中的湿空气所具有的温度。
饱和气压是指在恒定温度下，空气中水汽压力与干空气压力之间的压力差。
由于湿球温度和饱和气压的比较，可以得出空气饱和含湿量的数值。
空气饱和含湿量函数具有重要的意义，它能够准确地表征空气中水汽的含量，从而可以帮助分析空气的湿度状态，并根据此来制定正确的空气湿度控制策略。
此外，空气饱和含湿量函数的计算也能够帮助研究人员了解空气中水汽运动的特性，从而更好地控制空气中水汽的流动。
空气饱和含湿量函数是一种重要的函数，它不仅可以用于空气湿度控制，而且还可以帮助研究人员更好地控制空气中水汽的流动。
因此，空气饱和含湿量函数的研究和应用对环境保护和人类健康都具有重要意义。
温度、⽔汽压、湿度计算公式⼀、温度1、露点温度露点（或霜点）温度： dew temperature。
露点温度指空⽓在⽔汽含量和⽓压都不改变的条件下，冷却到饱和时的温度。
形象地说，就是空⽓中的⽔蒸⽓变为露珠时候的温度叫露点温度。
当空⽓中⽔汽已达到饱和时，⽓温与露点温度相同；当⽔汽未达到饱和时，⽓温⼀定⾼于露点温度。
所以露点与⽓温的差值可以表⽰空⽓中的⽔汽距离饱和的程度。
⽓温降到露点以下是⽔汽凝结的必要条件。
湿空⽓在定压冷却（降温）过程中，发⽣凝结现象（达到饱和）时的温度。
对于冰⾯饱和，则为霜点T f。
这在⽇常⼯作中最容易从地⾯天⽓报告、⽓压表、⾼空压、温、湿记录⽉报表等资料来源中获得的特征参量。
2. 温度露点差 T-T d （K ,℃）探空报中常有这项资料，在已知温度和温度露点差的情况下，就可以求出露点温度。
⼆、⽔汽压⽔汽压（e）是指湿空⽓中汽态⽔（⽔汽）本⾝的压强（分压强），当空⽓饱和时便是饱和⽔汽压。
⽔汽压（e）是空⽓中⽔汽所产⽣的分压⼒(分压强)。
国际制单位为百帕(hPa)。
饱和湿空⽓就是指露点、⽓温相等的空⽓。
饱和⽔汽压（e s）被定义为在⼀定温度下⼀定体积空⽓中，⽔汽达到最⼤限度含量时的分压强，因此，e s仅仅是温度的函数。
⽽e不仅仅是温度的函数还是⽔汽含量多少的函数。
1、饱和⽔汽压饱和⽔汽压（E）是⽔汽达到饱和时的⽔汽压强。
饱和⽔汽压⼤⼩与温度有直接关系。
随着温度的升⾼，饱和⽔汽压显著增⼤。
空⽓温度的变化，对蒸发和凝结有重要影响。
⾼温时，饱和⽔汽压⼤，空⽓中所能容纳的⽔汽含量增多，因⽽能使原来已处于饱和状态的蒸发⾯会因为温度升⾼⽽变得不饱和，蒸发重新出现；相反，如果降低饱和空⽓的温度，由于饱和⽔汽压减⼩，就会有多余的⽔汽凝结出来。
饱和⽔汽压是⼀个与温度有关的函数，其经验计算公式为：1.1 Emanuel 推荐的公式其中E的单位是hPa，T的单位是绝对温标K，与摄⽒温度t（℃）的关系是：1.2 Tetens 公式1.3 修正的Tetens 公式t 为摄⽒度，在-35℃ +30℃范围内，该公式与Tentens公式的误差⼩于0.3%。
第三章大气中得水分第一节蒸发与凝结在同一时间内,跑出水面得水分子与落回水中得水汽分子恰好相等,系统内得水量与水汽分子含量都不再改变,即水与水汽之间达到了两相平衡,这种平衡叫做动态平衡。
动态平衡时得水汽称为饱与水汽,当时得水汽压称为饱与水汽压。
e为水汽压,E为饱与水汽压E＞e 蒸发(未饱与)E=e 动态平衡(饱与)E＜e 凝结(过饱与)若Es 为某一温度下对应得冰面上得饱与水汽压Es＞e 升华Es=e 动态平衡Es＜e 凝华图3、1 就是根据大量经验数据绘制得水得位相平衡图。
水得三种相态分别存在于不同得温度与压强条件下。
水只存在于0℃以上得区域,冰只存在于0℃以下得区域,水汽虽然可存在于0℃以上及以下得区域,但其压强却被限制在一定值域下。
图3·1 中OA 线与OB 线分别表示水与水汽、冰与水汽两相共存时得状态曲线。
显然这两条曲线上各点得压强就就是在相应温度下水汽得饱与水汽压,因为只有水汽达到饱与时,两相才能共存。
所以 OA 线又称蒸发线,表示水与水汽处于动态平衡时水面上饱与水汽压与温度得关系。
线上K 点所对应得温度与水汽压就是水汽得临界温度tk 与临界压力(Ek= 2、2×105hPa),高于临界温度时就只能有气态存在了,因此蒸发线在K 点中断。
OB 称升华线,它表示冰与水汽平衡时冰面上饱与水汽压与温度得关系。
OC线就是融解线,表示冰与水达到平衡时压力与温度得关系。
O 点为三相共存点:t0=0、0076℃,E0=6、11hPa。
上述三线划分了冰、水、水汽得三个区域,在各个区域内不存在两相间得稳定平衡。
例如图中得 1、2、3 点,点 1 位于OA 线之下,ei＜E,这时水要蒸发;点 2 处,e2＞E,此时多余得水汽要产生凝结;点3 恰好位于OA 线上,e3=E,只有这时水与水汽才能处于稳定平衡状态。
二、饱与水汽压(一)饱与水汽压与温度得关系:饱与水汽压随温度得升高而增大。
这就是因为蒸发面温度升高时,水分子平均动能增大,单位时间内脱出水面得分子增多,落回水面得分子数才与脱出水面得分子数相等;高温时得饱与水汽压比低温时要大。
备注：红色字体P37表示在《大气物理学》书中第37页，另外本文档中试题答案为自己总结的。
中科院大气物理研究所大气物理1996-2014年考博试题及答案 2014年一、名词1、标准大气：（P37）标准大气，又称“参考大气”。
能够反映某地区（如中纬度）垂直方向上气温、气压、湿度等近似平均分布的一种模式大气。
它能粗略地反映中纬度地区大气多年年平均状况，并得到一国或国际组织承认。
2、天电：（P407）天电是指大气中放电过程引起的脉冲电磁辐射，其中闪电是主要的天电源。
3、莫宁-奥布霍夫长度：(P248)4、云凝结核：（P320）5、光化学烟雾：（P29）光化学烟雾是由汽车、工厂等污染源排入大气的碳氢化合物（HC ）和氮氧化物（NOx ）等一次污染物在阳光作用下发生复杂的光化学反应，生成臭氧、醛、酮、酸、过氧乙酰硝酸酯（PAN ）等二次污染物，这些一次污染物和二次污染物混合形成有害的光化学烟雾。
6、播撒云: “播种云一供应云”机制：高空对流泡中通过凝华和结淞增长大量冰晶，成为自然“播种云” ，冰晶降落到低层浓密的层状云中碰并水滴，从而将云水转化为雨水。
在低层，由中尺度抬升而产生的浓密的层状云为降落下来的降水粒子提供了丰富的云水，成为“供应云”。
高层播种云，一般是卷层云，在气旋云系中，高空对流泡是一种典型的播种云。
由于高空对流泡尺度小，可能同时存在好几个，因此，使地面降水存在着小尺度的不均匀结构。
供应云，一般指浓密的层状云，如高层云、雨层云、层积云或层云。
当供应云受到冰雪晶粒子的播种后，云内会通过云水碰冻→云冰碰连→雪晶的有效转化以及碰并等过程，使其降水强度明显增加。
7、冰雹的湿增长：（P348）8、普朗克定律（P68）：对于绝对黑体物质，单色辐射通量密度与发射物质的温度和辐射波长或频率符合以下关系:1/51152)1()1(2),(2---=-=T c Tk chB e c e h c T F λλλλπλ，其中c 1为第一辐射常数：24821107427.32-⋅⋅⨯==m m W h c c μπ；c 2为第二辐射常数：K m kch c ⋅==μ143882。
大气中的水汽滞留函数张学文（乌鲁木齐沙漠气象研究所，中国气象局, 新疆，乌鲁木齐，830002）（受科技部科技公益研究专项2004DIB3J118 资助）提要：水分从蒸发进入大气到变成雨雪再降落大约在空中滞留（存活）9天，而9天只是水汽在大气中的平均寿命。
我们应当知道在大气里现存的总水汽量中已经在大气里滞留（存活）1天、2天或者n天的水汽分别占有的百分比是多少。
描述这个问题需要引入大气中的水汽滞留函数概念。
本文阐明了水汽滞留函数的物理含义并且指出它应当是一个负指数方程。
关键词：大气中的水分循环，大气中的水汽滞留函数1. 引言就全球而论，大气中持有的水汽约为25毫米[1]，而每年的降水量（约1000毫米），是它的40倍。
大气要维持水分平衡必然要从下垫面的水分蒸发中补充1000毫米（相当于补充40次，1000毫米/25毫米）的水分。
这也说明水分从蒸发进入大气到形成雨雪而脱离大气，一年要循环40次，即大气中的水汽9天（365/40）就更新一次，即水汽蒸发进入大气在空中平均滞留9天又回到下垫面[2]。
“9天”是描述大气中的水分循环的重要参数。
但它只是个平均值，实际情况肯定有的水汽滞留时间更长或者更短。
面对大气中现存的水汽，我们可以问，它们进入大气1天、2天、…n天就离开大气的水分占了水汽总量的百分比是多少，回答这个问题显然不是求一个未知数，而是求一个未知函数，描述不同滞留时间的水汽占的百分比的函数。
文献[3]提出了分布函数概念和它在气象学中的应用问题，不同滞留时间的水汽各占多大的比例的问题实际上就是分布函数概念的一个特例。
文献[4，5]给出了在不同约束条件下利用最复杂原理（最大熵原理）求得其分布函数的思路、原理和技术。
本文就利用这种思路给出一种（可以不是一种）理论的水汽滞留函数。
2. 水汽滞留函数f(τ)本文分析某个气候阶段（例如30年）的地球大气中的水汽的总的情况。
根据前面的讨论，我们把f(τ)称为水汽滞留函数：这个函数的自变量τ是水汽在最近的一次蒸发进入大气后已经存在（滞留）的时间长度。
而f值表示水汽滞留时间在τ±0.5这个范围（即时间的单位增加量）的水汽在大气里的水汽总量中占的百分比。
f的量刚是时间的负一次方。
根据分布函数的一般定义[5]，水汽滞留函数就是一种具体的分布函数。
根据文献 [4，5]的研究，我们可以在分析该分布函数涉及的物理过程是否存在随机性和应当具有的约束条件的基础上引入最复杂原理（最大熵原理），从而推求理论的分布函数。
3. 从熵原理和约束条件求水汽滞留函数要具体追踪每天蒸发的水汽在大气中的行踪是十分困难的。
但是从气候角度分析问题，不仅得到了水汽在大气中平均存在9天的知识，而且可以把天气演变过程仅仅看作是气候平均情况下的随机扰动。
而承认气候的形成中包括天气过程这个随机性也就可以引用最复杂原理（最大熵原理）了。
根据 [6]的研究思路和举例，如果存在着很多地位相同的个体，每个个体就某标志值x 在同一时刻只能取一个值，但是各个个体的标志值可以不同，那么可以用一个分布函数描述具有不同的标志值的个体各有多少。
而当● 各个个体的标志值必然大于零，而且其平均值应当是常数● 如果各个个体的标志值究竟取什么数值具有随机性时，表示不同标志值各有多少的分布函数所对应的熵（复杂程度）应当达到最大值。
理论分析已经得到这时的分布函数只能是负指数函数。
并且具有下面的形式：a x a e x f f -==1)( （1）这里的a 是标志值x 的平均值 ，而f 是标志值（变量）出现在x ±0.5范围的个体的数量占的百分比。
结合水汽滞留问题，可以这样分析和引用上述结果：大气中存在很多个水汽分子，每个水汽分子就是一个个体，而每个水汽分子已经在大气中存活时间（滞留时间）就是标志值（变量）。
当我们承认● 水汽分子在大气中滞留的时间的平均值应当在研究的这个气候阶段是不变化的， 9天就是这个常数的值（包含了这个值必然大于零的要求）。
● 各个水汽分子在大气里滞留的时间长短具有随机性的（是随机变量），也就意味着只有水汽滞留函数（分布函数的特例）为负指数函数时，随机性才得到充分体现、该气候系统的复杂程度（混乱程度）才是最大的（没有理由更小）、熵才是最大的（体现了熵最大原理）。
根据水汽滞留函数的定义和公式（1），这只要把公式（1）中的变量x 改为水汽滞留时间τ，把a 理解为水汽的平均滞留时间（9天）就得到了大气中水汽滞留函数的具体公式应当是991τ-=e f （2） 公式（2）就是根据最复杂原理（最大熵原理）和对约束条件（平均值不变）的分析而得到的理论公式。
它对应的图形是如果把公式（2）从0到τ做定积分，并且用F (τ)表示积分结果，自然得到]/exp[1)(a F ττ--= （3）公式（3）的F (τ)显然表示了仅在大气中存在了τ天以下（不超过τ天）的水汽在总的水汽中占的百分比。
当τ取不同值时，根据公式（3）计算的它们占的百分比列在表中。
在大气中滞留时间≤τ天的水汽所占的百分比The percentage of vapor persisted duration who less than τdays in atmosphereτ的值 1 2 5 10 20 30 40 百分比 10.5 19.9 42.6 67.1 89.1 96.4 98.8表1提示20%的空中水汽是最近两天才进入大气中的。
这些知识对我们分析降水量中有多少水分来自远方，有多少来自附近显然是有帮助的。
讨论● 要从目前的天气学入手计算空中的水分分别在大气中存在了多少天几乎是不可能的。
但是从气候角度分析水分循环，就容易得出水汽在大气中平均存在9天的知识。
而这也提示我们再问：蒸发进入大气的水汽中有多少是1天，2天或者n 天前蒸发的。
● 本文指出，要回答这个问题，就需要引入一个函数，我们称它为空中水汽滞留函数。
给出这个名称本身已经包含了一层含义：就地球大气总体而言，在一个气候阶段，如30年，这个描述气候状态的函数应当是稳定的。
即它不追究随天气过程而变化的特例，而仅描述长时期的平均情况。
●借助于熵气象学的研究成果和本问题中“承认水汽在空中滞留时间的平均值应当是一个大于零的常数”的假设（而且只有这一个约束）和最大熵原理（最复杂原理），我们可以方便地得到这个水汽滞留函数就应当是一个的负指数函数，即公式（2）。
●过去我们曾经从理论和实际数据两个方面揭露过一些有关水分的分布函数都符合负指数分布公式[7-10]。
这里的水汽滞留函数是其新的事例。
当然，它是否与实际一致尚有待实践的检验。
参考文献：[1] 王守荣，朱川海，程磊等.全球水循环与水资源.北京：气象出版社，2003年：53[2] 王守荣，朱川海，程磊等.全球水循环与水资源.北京：气象出版社，2003年：50[3] 张学文.相对分布函数和气象熵，气象学报1986,44卷，第2期:214-219[4] 张学文，马力.熵气象学.北京：气象出版社，1992年：4-66[5] 张学文.组成论.合肥：中国科学技术大学出版社，2003年第2、3、11、12章[6] 张学文.组成论.合肥：中国科学技术大学出版社，2003年第12、17章[7] 张学文.大气比湿的分布律，气象学报1987，45卷，第2期：251-253[8] 张学文，马叔红，马力.从熵原理得出的雨量时程方程，大气科学1991，15卷，第6期：17-25[9] 张学文，杨秀松.从熵原理得出的暴雨面积和雨量的关系，高原气象1991，10卷，第3期：225-232[10] 张学文.新疆水汽压力的铅直分布规律，新疆气象2002，25卷，第4期：1-1，14The persistence function of the vapor in atmosphereZhang Xue-wenUrumuqi Institute of Desert Meteorology, CMA Urumuqi 830002, ChinaAbstract:It is 9 days long that the vaporized water persisted in atmosphere before it changes into rain or snow then get out of it，but the “9 days” is a mean duration only. We need to know how many percents of water has stayed in atmosphere for 1 day, 2 days, … , n days. To describe this question, we introduced a concept: the persistence function of vapor. In this paper the significance of the persistence function of the vapor in atmosphere was discussed, we also point out that the persistence function of vapor should be a negative exponent function.Key words: water circulation in atmosphere，the persistence function of the vapor in atmosphere附图和表的英文图：在大气中滞留不同时间的水汽所占有的百分比The percentage of different persisted duration of vapor in atmosphere表：在大气中滞留时间≤τ天的水汽所占的百分比The percentage of vapor persisted duration who less thanτdays in atmosphere。
