大气科学复习资料

3.大气科学的定义：大气科学是研究地球大气中各种现象（包括物理和化学现象以及人类活动对它的影响）的演变规律，以及如何利用这些规律为人类服务的一门学科。7.大气科学的基本内容可概括为四个方面：研究地球大气的一般特性,如大气的组成、范围、结构等;研究大气现象的能量,大气现象发生和发展的能量来源、性质及其转化;研究大气现象的本质,解释大气现象，研究其发生、发展和变化的规律;探讨如何利用这些现象预测、控制、改造自然,准确预测天气和气候变化，人工影响天气，大气环境预测和控制.9.大气成分的组成：大气是由多种气体组成的混合气体，包括N2、O2、Ar、CO2、CH4、O3、H2…水汽、大气气溶胶11.干洁大气的定义：通常把除水汽、大气气溶胶以外的其余大气称为干洁大气，简称干空气。13.CO2：（1）来源：人工源：地面燃烧、工业活动，生物体的呼吸和生物尸体腐化都排出CO2。呼吸作用：[CH2O]n+nO2=nCO2+nH2O(包括动植物的呼吸，但白天植物的光合作用可使CO2还原）自然源：CO2分压大于大气CO2分压的海水。（如热带和低纬地区的海洋是大气的源，放出CO2）（2）CO2的含量变化：大气中主要原因是由燃烧煤、石油、天然气，化学燃料等燃料引起，次要原因是火山爆发及碳酸盐矿物、浅地层里释放CO2，原子武器试验把放射性碳带进大气等。（3）3、作用：CO2吸收太阳辐射很少，却能强烈地吸收地面长波辐射，使地面和空气不致于因放射辐射而失热过多。因此它们都有使空气和地面增温的效应。（温室效应）这样一来，当浓度不断增加会改变大气的热量平衡，导致大气底层和地面的平均温度上升，而全球气候的变化将直接影响人类的生存环境。CO2增多引起的温室效应，使两极冰川融化，致使海平面升高，危及沿海城市，使海岸地区土地盐碱化，增加开发难度，温度升高还使一些山顶的积雪融化，使以积雪融化为水资源的河流水量减少，甚至发生断流现象，影响这些地区的生产活动6.臭氧虽然臭氧在大气中所占的比例极小，但因它对太阳紫外辐射（0.2—0.29μm)有强烈的吸收作用，所以臭氧是大气中最重要的微量成份之一。臭氧的作用：1臭氧层阻挡强紫外辐射到达地面,是地面上生命的保护伞。3臭氧层吸收的太阳紫外辐射能量使平流层大气增温，对平流层的温度场和大气环流起着决定性的作用臭氧的空间分布：◇在近地面层臭氧含量很少◇从10km高度开始逐渐增加◇在12-15km以上含量增加得特别显著，在20-30km高度处达最大值◇再往上则逐渐减少，到55km高度上就极少了。造成这一现象的原因：由于在大气的上层中，太阳短波的强度很大，使得氧分子解离增多，因此氧原子和氧分子相遇的机会很少，即使臭氧在此处形成，由于它吸收一定波长的紫外线，又引起自身的分解，因此在大气上层臭氧的含量不多。在20—30km高度这一层中，既有足够的氧分子，又有足够的氧原子，这就造成了臭氧形成的最适宜条件，故这一层又称臭氧层。◇北半球，大部分地区臭氧层的厚度春季变大，秋季变小。高纬的季节更明显，最大臭氧带靠近极地。◇南半球，各纬度的季节变化比较小。最大臭氧带在春季的中高纬地区。7.干空气状态方程mRT=T*R=T*nR=PVMm令比气体常数为M*R=R即RT=PVm写成ρRT=P（式中P,V,T,m,n,R*,M,R,ρ分别为混合气体的压强、体积、温度、质量、摩尔数、普适气体常数、平均摩尔质量、比气体常数,空气密度。）90km以下干空气的平均摩尔质量Md=28.97g/mol干空气的比气体常数是K287J/kg=Rd令干空气的密度为ρd,则干空气的状态方程可以写成以下形式：TRρ=Pdd水汽和干空气组成的混合理想气体称湿空气，表示湿空气中水汽含量的物理量称为空气湿度湿空气的状态方程：)378.01(RTρR=PdvdpeT虚温Tv：Tv＝T(1+0.608q)＝T(1+0.608*0.622e/p)=T(1+0.378e/p)8.水汽压e水汽压e是大气中所含水汽的分压强。单位：hpa饱和水汽压es：达到相态平衡时空气中的饱和水汽产生的水汽压饱和水汽压es随温度增加相对湿度f(Uw)在一定的温度和压强下，水汽压和饱和水汽压之比成为相对湿度。%100Eef对于一定质量的空气，若令其定压冷却，q,r,e都将保持不变，而esi(T)却因温度的降低而减少。当esi(T)=e时，空气达到饱和。如果是对于冰面饱和，则湿空气定压降温达到饱和时的温度称为霜点Tf。露点Td对于一定质量的空气，若令其定压冷却，q,r,e都将保持不变，而es(T)却因温度的降低而减少。当es(T)=e时，空气达到饱和。湿空气定压降温达到饱和时的温度称为露点Td。露点虽然是温度，但露点差T–Td却反映了湿度的大小：T–Td越大，空气越干燥；T–Td越小，空气越潮湿，T–Td＝０时，空气达到饱和。经验公式在精度要求不高的情况时，可采用经验公式来计算es：tbatssee100式中t是摄氏温度，a和b是常数：对水面：a=7.5,b=237.3，对冰面：a=9.5,b=265.5由上经验公式可知，同温度下，es水面esi冰面,且在t=-12℃时，es－esi最大。水汽密度(ρv)水汽密度表示单位体积湿空气中含有的水汽质量，也称为绝对湿度。在常温常压下，纯水汽可以看成理想气体，由状态方程得：e=ρvRvT即TRevv其中Rv=R*/Mv，Mv为水的比气体常数,单位g／m39大气气溶胶大气中含有悬浮着的各种固体和液体粒子，例如尘埃、烟粒、微生物、植物的孢子和花粉，以及由水和冰组成的云雾滴、冰晶和雨雪等粒子。所以可以把空气看成是一种气溶胶。习惯上大气气溶胶是指大气中悬浮着的各种固态和液态粒子（霾、飘尘、烟雾、冰晶、云雾滴、雨滴、雪花、霰、冰雹等）。气溶胶粒子的来源：（1）土壤、岩石风化及火山喷发的尘埃（2）烟尘及工业粉尘人类活动产生的气溶胶粒子的浓度有明显的日变化：◇清晨，浓度最大；◇中午前后，浓度最小◇黄昏，浓度又增加；◇夜间，浓度再次减小。（3）海沫破裂干涸成核海沫破裂产出海盐水滴，蒸发干涸形成巨核和爱根核。（4）气-粒转化爱根核由大气中微量气体转化而来。如so2经光化学氧化作用，高温下能生成硫酸盐微滴，蒸发后成为硫酸盐质点。（5）微生物、孢子、花粉等有机物质点（6）宇宙尘埃如流星气溶胶粒子在大气过程中的作用一、在云雾降水中的作用气溶胶粒子起着凝结核、冰核、凝冻核、凝华核的作用，使云雾滴能够产生并长大，形成云雾降水。二、对大气辐射过程的影响气溶胶粒子能吸收和散射太阳辐射，削减到达地面的能量，减低低层大气的温度。另一方面，气溶胶粒子吸收了太阳能量，本身得到增温，并通过大气运动传输热量，提高高层大气的温度。10大气的分层和结构按热力结构分层就是根据大气的温度垂直递减率Γ的正负变化，把大气层分为：对流层、平流层、中间层、热层。温度垂直递减率Γ指在垂直方向上，高度每升高100米，温度改变的数值。）对流层１、高度：赤道附近和热带：15-20km极地和中纬：8-14km２、主要特点：◇大气温度随高度增加而降低。（Γ=0.65℃/100m=6.5K/Km）◇有强烈的垂直对流运动，垂直混合作用强。◇气象要素水平分布不均匀。对流层气象要素水平分布不均匀会形成气团和锋。◇气团：通常把水平方向上温度、湿度相对比较均匀、天气现象比较类似；垂直方向上气象要素的变化近于相同的大范围地区的空气，划分为一个气团。气团的水平范围约几百km--几千km，垂直厚度约几km—十几km◇锋：指两种性质不同的气团相遇，在它们之间形成一个狭窄的气象要素（温度、气压、湿度、风向、风速等）急剧变化的过渡带。通常把锋看成是一个几何面，称为锋面。锋面是一倾斜曲面，坡度约1/200—1/50，宽度约几十km，长度可延伸几百km—几千km。锋面与地面的交线称为锋线。锋面和锋线统称为锋。对流层顶在对流层的最上层，介于对流层和平流层之间，还有一个厚度为数百米到1—2km的过渡层，称为对流层顶（Γ≤0.2℃/100米）◇主要特征：气温随高度的增加突然降低缓慢，或者几乎不变，成为等温层。对流层顶的气温在低纬地区平均为-83℃，在高纬地区约为-53℃。◇主要作用：该层可阻挡对流层中的对流运动，从而使下边输送上来的水汽微尘聚集在其下方，使该处大气的混浊度增大。大气上界通常有两种划法：眼于大气中出现的某些物理现象，根据观测资料，在大气中极光是出现高度最高的现象，它可以出现在1200km的高度上，因此可以把大气的上界定为1200km。这种根据在大气中才有，而在星际空间没有的物理现象确定的大气上界，称为大气的物理上界。◇另一种是着眼于大气密度用接近于星际的气体密度的高度来估计大气的上界。按照人造卫星探测资料推算，这个上界大约在2000—3000km高度上。大气压力是指单位面积上直至大气上界整个空气柱的重量。若大气处于流体静力平衡状态，则合力为零：0)(mgdzZPPP将m=ρdz代入上式，整理得：gZP1因为ρ是正值，所以气压总是随高度递减。由于大气在水平方向分布均匀，在一定的范围内可以认为P=P(Z),则上式可以写出大气静力学方程的主要形式gdZdp程说明：气压随高度递减的快慢取决于密度（ρ）和重力加速度（g）的变化。重力加速度随高度的变化量一般很小，因而气压随高度递减的快慢主要决定于空气的密度。由于气象观测不直接测量密度，利用湿空气状态方程得流体静力平衡状态时，气压、温度与高度的关系：dZTRgpdPvd垂直气压梯度和单位气压高度差◇垂直气压梯度GZ是指每升高（或降低）单位距离，气压减少（或增大）的数值。vvdzTPTRgPgdZdPG42.3单位：hpa/100m负号表垂直气柱中气压随高度升高而降低◇单位气压高度差h是指在垂直方向上，气压每降低（或升高）1hpa时，需要升高（或降低）的高度。PtPgTRgdPdZhvvd)1(80001单位：m/hpa（α=1/273,tv是摄氏温度）由公式可知：◇Gz低层大气Gz高层大气◇Gz干冷空气Gz暖湿空气◇h高层大气h低层大气◇h暖湿空气h干冷空气所以，暖气团中的气压比冷气团变化缓慢，高层大气中的气压比低层大气变化缓慢。气压－高度公式Gz、h只能定性判断气压的变化快慢，要定量确定气压随高度的关系最常用压高公式。PdgTRZZPPvdln2112等温大气压高方程若大气层的温度（虚温）不随高度变化，这样的大气称为等温大气。忽略重力加速度的变化和水汽影响，并假定气温不随高度发生变化，此条件下的压高方程，称为等温大气压高公式又称拉普拉斯压高方程。由PdgTRZZPPvdln2112在等温大气中，上式中的T可视为常数，对上式积分，将T换成t，自然对数换成常用对数，并将g、R代入，则上式变成气象上常用的等温大气压高方程：21m12PP)lg273t+18400(1=Z-Z实际大气并非等温大气，所以应用上式计算实际大气的厚度和高度时，必须将大气划分为许多薄层，求出每个薄层的tm，然后分别计算各薄层的厚度，最后把各薄层的厚度求和便是实际大气的厚度。tm的求法：1、已知上下两层空气的气温t1,t2,则tm＝(t1＋t2)/22、已知测站的气温t和前12小时的气温t12,则tm＝1/2(t＋t12)+h/400（h为测站的海拔高度）说明：◇一般说，在大气低层g随高度的变化不大，但将此式应用到100km以上的高层大气时，必须对g作纬度和高度的订正。◇当空气中水汽含量较多时，必须用虚温Tv代替式中的气温T。◇气层厚度不大时，用平均温度tm来代替t。压高公式的应用广泛，在气象工作中一般最常用的是等温大气的压高公式(拉普拉斯压高公式)。其中温度t多用气柱的平均温度tm代替。因为不考虑Rd和g的变化，所以压高公式中含有五个物理量P1,P2,t(或tm),Z2，Z1，如果已知其中四个量，则可计算另一未知量。压高公式在气象工作中应用有１、海平面气压订正２、测压定高３、求气层厚度４、求气层的平均温度描述空间气压场的方法：地面：采用海平面等压