气象学与气候学作业题答案

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第一次作业

家庭作业一

1、大气组成

主要成分 氮气（N2） 氧气（O2) 氩气（Ar） 体积百分比 78.08% 20.95% 0.93% 主要分布高度 0-250km 0-100km 稳定/可变 稳定 稳定 稳定 主要来源 火山喷发 植物的光合作用 江、河、湖、海及潮湿物体水汽 （H2O） 1%-1ppm 0-5km 可变 表面的水分蒸发和植物的蒸腾，并借助空气的垂直交换向上输送 二氧化碳（CO2） 0.03% 0-20km 10-55臭氧（O3） 20ppb-10ppm （10-40，极大值在20-25）km 可变 可变 矿物燃料燃烧和工业活动，死亡生物的腐败和呼吸作用 在太阳短波辐射下，通过光化学作用，氧分子分解成为氧原子后再和另外的氧分子结合而成。有机物的氧化和雷雨闪电的作用。 是 是 是 是否温室气体 否 否 否 注：ppm：百万分之一；ppb：十亿分之一 2、大气分层（结构）

分层 高度 温度变化 主要特征 1.垂直对流运动强烈 对流层 8-18km 温度随高度增加而递减 2.气象要素水平分布不均匀 3.包含了大气质量的四分之三和几乎所有的水汽，云、雨、雷、电发生在此层 1.有臭氧层，但在平流层顶消失 温度随高度增加平流层 55km 而递增 （初稳后升） 2.气流平稳，空气的垂直混合作用显著减弱 3.水汽含量极少，天空多晴朗 4.可见贝云母 中间层 85km 温度随高度增加迅速下降 1.垂直运动强烈 2.水汽含量极少，几乎没有云层 3.出现电离层、夜光云 优秀学习资料 欢迎下载

热层 800km 温度随高度增加迅速增高 温度很少变化 1.空气高度电离 2.高纬度地区的晴夜可出现极光 大气粒子经常散逸至星际空间，是大气圈与星际空间的过渡地带 散逸层 3000km 家庭作业二

一、以下描述哪些是指“天气”？哪些是指“气候”？

1. 今天的足球比赛因下雨停赛。 2. 北京的1月最冷。

3. 今天下午最高气温15℃。 4. 昨晚台风从广东省登陆。

5. 昆明是个旅游胜地，因为那四季如春。

6. 昨晚最低气温－20℃，是这个地方记录到的最低气温。 7. 今天多云。

答：天气是指某一地区在某一瞬间或某一短时间内大气状态（如气温、湿度、压强等）和大气现象（如风、云、雾、降水等）。气候是指在某一时段内大量天气过程的综合，不仅包括该地多年来经常发生的天气状况，而且包括某些年份偶尔出现的极端天气状况。 “天气”：1、3、4、7 “气候”：2、5、

6、昨晚最低气温－20℃，是这个地方记录到的最低气温：前半句是天气，后半句是气候。

二、某地区海平面气温23℃，估计其2km上空大气温度多少？ 解：已知气温直减率为0.65℃/100m

2km上空大气温度T=23-0.65×2000/100=10℃ 答：其2km上空大气温度约为10℃。

三、某地区春季海平面气温10℃，假设气温直减率为0.65℃/100m，对流层顶温度为-55℃，求该地对流层顶高度，并说明该地区所在纬度是：高、中、低纬哪个纬度？ 解：该地对流层顶高度h=［10-（-55）］÷0.65×100＝10000m＝10km

因为对流层在中纬度地区的厚度平均为10~12km，所以该地区为中纬度地区。（对流层低纬平均高度17-18Km，中纬10-12km，极地8-9km）

答：该地对流层顶高度为10km，是中纬度。 四、位于赤道某地区海平面气温25℃，假设气温直减率为0.65℃，其对流层顶高度为16km，求该地对流层顶温度？

解：该地对流层顶温度T=25-0.65×16000/100＝-79℃ 答：该地对流层顶温度是-79℃

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第二次作业

家庭作业一

一、 设到达大气顶界的太阳辐射为100个单位，根据下图，描述地-气系统辐射平衡过

程。

答：设到达大气顶界的太阳辐射为100%。

① 未到达地面部分：被大气和云滴吸收20%（其中18%被大气吸收（主要被水汽、臭氧、

微尘、二氧化碳等选择吸收），2%被云滴吸收），被云反射回宇宙空间20%，被大气散射回宇宙空间6%。共计46%。

② 到达地面部分：被地面吸收50%（其中地面吸收直接辐射22%，散射辐射28%），被地面

反射回宇宙空间4%。共计54%。

在此过程中，地-气系统共反射回宇宙空间20%+6%+4%=30%，这部分为地球反射率。 地面吸收辐射而增温，向外放出长波辐射，其能量为115%，其中109%被大气吸收，6%透过大气窗逸入宇宙空间。

大气吸收辐射后，根据其温度进行长波辐射，95%为射向地面的逆辐射，64%射向宇宙空间。在辐射过程中，大气共吸收20%+109%=129%，大气长波辐射支出95%+64%=159%。全球大气的年平均辐射差额为-30%，这部分亏损的能量，由地面向大气输入的潜热24%和湍流显热6%来补充，以维持大气能平衡。

地面长波辐射到宇宙空间6%和大气长波辐射到宇宙空间64%共计70%。

从宇宙空间射入的太阳辐射100%，地球反射30%，长波辐射射出70%。大气长波辐射指出159%，吸收=20%+109%+30%=159%。地面吸收=50%+95%=145%，地面放出=30%+115%=145%，各部分的能量收支都是平衡的。

-2

二、假设地球无大气，到达地表的太阳辐射通量密度Fs为1368W · m，入射的太阳辐射有30%被反射（反射率A=0.3），其余均为地球吸收。计算该情况下地球的等效黑体温度。 提示：

（1）等效黑体温度，是指相当于黑体的辐射温度。

-8-2-4

（2）斯蒂芬-波尔兹曼常数?=5.67 ×10W · m · K

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（3）去除反射部分外，地球以πR面积吸收的太阳辐射，然后以4πR面积放射长波辐射，二者达到平衡。

解：根据已知，地球吸收的太阳辐射与放射的长波辐射平衡的关系，有

22

FS*S1*(1-A)=ETb*S2

S1=πR

2

，S2=4πR，得到

-2.

2

ETb

4

，带入求得

ETb=1368*0.7/4=239.4 W · m

根据斯蒂芬-玻耳兹曼定律，ETb =?*T，其中?=5.67 ×10

-8

W · m · K

-2-4

有，T=，带入解得，T=254.9K

答：该情况下地球的等效黑体温度为254.9K。

家庭作业二

1. 为什么说大气的直接热源是地面辐射，而非太阳辐射？

答：因为大气本身对太阳短波辐射直接吸收得很少，几乎是透明的，而地球表面却能大量吸收太阳辐射，并经转化供给大气，大气对地面的长波辐射吸收强烈，从这个意义来说，地面辐射是大气的直接热源。

2. 无大气包围的地球温度为255K，有大气包围时的温度为288K，出现该差别的原因是什么，求288K时的等效黑体地球辐射通量密度及其最大辐射的波长？

答：无大气包围时的地球温度比有大气包围时的温度低，是因为：大气逆辐射使地面因放射辐射而损耗的能量得到一定的补偿，这种作用称为大气的保温效应。在没有大气的情况下，这种保温效应消失，温度降低。

根据斯蒂芬-波耳兹曼定律E = ?T4， 5.67*10-8*(288)4≈390W/m2 根据韦恩定律λ=C/T：2896/288=10.06?m

3. 一团未饱和湿空气块，从海平面开始沿山地爬升，此时温度为30℃，其露点温度为20℃。设饱和后的湿绝热直减率为0.5℃/100m，求气块降温到10℃时爬升的高度？假设气块已达山顶时，开始沿山坡下降，问到达海平面时的气块温度？

答：爬升过程中先是干绝热上升，到达抬升凝结高度后沿湿绝热上升

（30-20）/1*100+（20-10）/0.5*100=3000m。 下沉时按干绝热下沉10+3000/100*1=40℃。

（若把上升饱和后看做可逆的湿绝热过程，则上升和下沉是可逆的，所以到达海平面得温度仍为30℃.但是，一般来说饱和上升时凝结的液态水会脱落，是假绝热过程，应按干绝热下沉。同5）

4. 根据所给表格，求下列各空气块的相对湿度： （1）35℃空气块每kg空气含水汽5g； （2）15℃空气块每kg空气含水汽5g；

（3）将（2）的空气块降低5℃，其相对湿度变化多少？

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（4）如果20℃空气块每kg空气含水汽7g，它的露点温度是多少？

温度（℃） -40 -30 -20 -10 0 5 10 15 20 25 30 35 40 饱和比湿（g/kg） 0.1 0.3 0.75 2 3.5 5 7 10 14 20 26.5 35 47 饱和水汽压（hPa） 0.19 0.51 1.25 2.86 6.11 8.72 12.27 17.04 23.37 31.68 42.45 56.29 73.91 答：相对湿度：f=水汽压/饱和水汽压*100%=e/E*100%

比湿:q= 0.622e/p

饱和比湿：qs=0.622E/p

所以，相对湿度f=e/E*100%=q/qs*100% (1) 35℃时：q=5/1=5 g/kg

f=q/qs*100%=5/35*100%=14.3% (2) 15℃时：q=5/1=5 g/kg

f=q/qs*100%=5/10*100%=50% (3) 10℃时：q=5/1=5 g/kg

f=q/qs*100%=5/7=71.4% 71.4%-50%=21.4%

(4) 露点温度：在空气中水汽含量不变，气压一定下，使空气冷却到饱和时的温度。也就饱和比湿E（T）=e时的温度为露点温度。 20℃时：q=7/1=7 g/kg

与10℃的饱和比湿相等，所以露点温度为10℃

（注意，有些同学根据q= 0.622e/p，把p当做标准大气压，进而求出e，是不对的。这里p是未知的，如果要这么算的话，可以根据qs=0.622E/p，求出p，再代入，求e）

5. 如下图：A点气块位于海平面高度，温度25℃，露点温度10℃，山脉高度3500m， B点海拔高度500m，假设到达凝结高度后，气块的湿绝热直减率为0.5℃/100m，求：

(1)云底高度？（2）到达山顶后气块的温度以及此时气块的露点温度？（3）到达山顶时，每kg空气有多少水汽被凝结？（4）气块翻越山顶到达B点时的温度？此时该气块每kg最多可再容纳多少水汽?（5）假设该气块从山顶到达B点过程中无外来水汽加入，到达B点时的相对湿度是多少？

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