简大气物理学与气象学

1大气物理学与气象学一大气的垂直结构大气垂直分层依据---气温垂直递减率在对流层中，每升高海拔100米，气温降低0.65℃（0.6）（一）对流层对流层（Troposphere）是紧贴地面的一层，它受地面的影响最大。因为地面附近的空气受热上升，而位于上面的冷空气下沉，发生对流运动，故得名对流层。对流层集中了约75%的大气质量和90%以上的水汽。三个特点：1气温随着高度的增高而降低原因：对流层大气热量的直接来源主要是地面长波辐射，靠近地面的空气受热后热量再向高处传递。2具有强烈的对流和湍流运动原因：下热上冷，热升冷降。对流层顶高度：平均说来，低纬度对流层顶高（17—18千米）、高纬度对流层顶低（8—9千米）。中纬度10—12千米。同一地区，对流层顶高度夏季高于冬季。3天气现象复杂多变原因：对流运动显著，水汽和固体杂质上升时气温降低，水汽凝结，2成云致雨。云、雨、雪等天气现象都发生在这一层。对流层与人类关系密切。（二）平流层范围，从对流层顶到50—55千米处。特点：1气温随海拔的升高而升高。原因：有臭氧层，臭氧吸收太阳辐射中的紫外线。2大气以水平运动为主。原因：上部热下部冷，大气稳定，不易对流层平流层中间层热层3形成对流。3云、雨现象近于绝迹。原因：水汽、杂质含量极少，大气水平运动为主。天气晴朗。平流层利于高空飞行，原因：（1）天气晴朗；（2）大气水平运动为主，大气平稳。（三）中间层:从平流层顶到85千米处。特点：1气温随海拔的升高而降低。原因：这一层几乎没有臭氧。2对流运动显著。原因：下部热上部冷。又称高空对流层。（四）热层：从中间层到500千米处。特点：气温随海拔的升高而升高。该层有氧原子，吸收了波长小于0.175微米的紫外线。（四）外层（散逸层）热层以上统称外层。厚度达2000—3000米，空气十分稀薄，受地球的引力小，一些一些高速运动着的空气分子可以挣脱地球的引力和其它分子的阻力散逸到宇宙空间。电离层：距地面60---800高度范围，大气处于电离状态，叫电离层。电离层能反射无线电波，我们能听到远处电台（收音机）的广播，就是电离层的作用。二现代大气成分4低层大气由干洁空气、水汽和固体杂质组成。1干结空气是多种气体的混合物，其主要成分是氮气和氧气，氮气占体积的78﹪，氧气占体积的21﹪。作用：氮是地球上生物体的基本成分；氧气是人类和一切生物维持生命活动所必需的物质。二氧化碳是植物光合作用的重要原料，也是温室气体，能吸收地面长波辐射，对地球具有“温室效应”（GreenHouseEffect）；臭氧分布于平流层中，吸收太阳辐射中的紫外线，保护地球上的生物。二氧化碳含量分布特点：工业区多、农村少同一地区冬季多、夏季少夜间多、白天少阴天多、晴天少2水汽（WaterVapor）:垂直和水平分布差异较大；大气中唯一能发生相变（固、液、气三态变化）的成分，来源于地面，含量变化。容积计约占0~5%。集中在对流层。水汽对天气的影响：水汽相变产生云、雾、露、霜、雨、雪、雹等天气现象。相变过程中放出或吸收热量，影响地面和空气的温度。水汽与气温及天气变化关系密切：大气运动中的水汽通过状态变化传输热量。3大气气溶胶粒子（大气杂质）:悬浮在大气中的固体微粒和液体微粒。5固体微粒：固体杂质可充当水汽的凝结核，在云、雾、降水等的形成过程中起着重要的作用。在一定的天气条件下，气溶胶粒子常聚集在一起，形成霾、风沙浮尘等视程障碍现象，使大气透明度变差；吸收、散射和反射地面和太阳辐射，影响大气温度液体微粒：悬浮于大气中的水滴和冰晶等水汽凝结物，聚集在一起，以云、雾形式出现，使能见度降低，且影响气候。三水循环过程---见必修一课本第三章四大气静力平衡当某单位面积气柱内，垂直向下的重力与垂直向上的气压梯度力（垂直气压差）相平衡时，称大气处于静力平衡。大气既有水平运动，也有垂直运动，垂直方向上，大气受到重力作用，因此，近地面空气密度要比高空大气的密度大，气体压力也要高，而一般情况下垂直运动的加速度比重力加速度小得多，可忽略不计。所以如果将大气层分为无数层薄层，可以认为每一薄层大气受到的重力与垂直向上的气体压力（气压梯度力）相平衡，称作静力平衡状态。静力学关系在大气静止或匀速垂直运动时是完全正确的，在实际大气中，除去垂直运动强烈的积云环流外，它也能成立，故得到广泛应用。但是在积云中由于垂直速度很大，云的运动往往并不是处于动力平衡的。公式表达6式中，g是重力加速度，ρ是大气密度，z是高度，p是气压。通常大气是处于静力平衡状态的，因此，可以从气压就大概知道高度，如在登山的时候，从气压计的示数换算出山的海拔高度。五绝热过程、干绝热过程及递减率、湿绝热过程及递减率空气与外界没有热量交换，称为绝热变化。1、绝热过程：当一个孤立系统得到dQ热量后，一部分用于增加内能dE（提高温度），另一部分用于气体体积膨胀，克服外压强作功dw；干绝热过程：干空气和未饱和湿空气做垂直升降运动时，称为干绝热过程。2、干绝热直减率和湿绝热直减率1）干绝热直减率干绝热过程中气块温度随高度的变化叫干绝热减温率。在干绝热过程中，气块每上升100米，气温约下降1℃2）湿绝热直减率饱和湿空气绝热上升时，如果只是膨胀降温，亦应每上升100m减温1℃。但是，水汽既已饱和了，就要因冷却而发生凝结，同时释放凝结潜热，加热气块。----温度降低幅度减小，不到1℃。所以饱和湿空气绝热上升时因膨胀而引起的减温率恒比干绝热减温率小。饱和湿空气绝热上升的减温率，称为湿绝热直减率，说明：饱和湿空气上升时，温度变化是由两方面作用造成的①气压降低膨胀作功，7②潜热释放使气块增加热量。这两项作用相反，所以湿绝热过程的减温率比干绝热过程小。六大气热力环流原理；参见必修一教材2.1七大气水汽含量、相对湿度、露点；水汽含量(Q)称之为比湿，指湿空气中的水汽质量与湿空气的总质量之比。相对湿度，指空气中水汽压与相同温度下饱和水汽压的百分比。或湿空气的绝对湿度与相同温度下可能达到的最大绝对湿度之比。----------即一定温度下空气中的水汽含量与饱和时空气中的水汽量之比。露点（Dewpoint），又称露点温度（Dewpointtemperature），在气象学中是指在一定气压之下，空气中所含的气态水达到饱和而凝结成液态水所需要降至的温度。在这温度时，凝结的水飘浮在空中称为雾、而沾在固体表面上时则称为露，因而得名露点。八饱和及饱和水汽压；饱和（saturation）是指在一定的温度和压强下，湿空气与水面或冰面之间保持动态平衡的状态。-------即一定温度和压强下，空气中能容纳的水汽达到最大值。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8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。九潜热指在温度保持不变的条件下，物质在从某一个相转变为另一个相的相变过程中所吸入或放出的热量。是一状态量。因任何物质在仅吸入（或放出）潜热时均不致引起温度的升高（或降低），这种热量对温度变化只起潜在作用，故名。理解---例如，液体蒸发时从周围吸收热量(汽化潜热)，因为当液体扩张为气体时分子之间克服相互的吸引力需要能量。同样，固体在熔解时要吸收热量(熔解潜热)。物质的单位量所吸收或释放的热量称为比潜热;单位物质的量所吸收或释放的热量称为摩尔潜热。其值不仅因物质种类不同而异，而且也与温度或压力密切相关。按相变过程种类的不同，有气化潜热、熔化潜热和升华潜热等。同种物质在温度相同、方向相反的相变过程中所吸入或放出的潜热，其量值必相等，如气化潜热总是等于凝结潜热。十地球系统的能量收支地球的能量的收入是太阳辐射，支出有大气辐射、地面辐射、大气反射、地面反射。多年平均，收入=支出地球的温度保持稳定9十一短波及长波辐射；规律：自然界的各种物体，向外辐射的波长与其温度成反比，一般温度愈高其最强辐射的波长愈短，温度愈低辐射的波长愈长。太阳的光球表面温度约6000K，太阳辐射中约有一半的能量分布在0.4～0.76微米的可见光区，其余一半大多在近红外区，少量在紫外区。太阳辐射能量的绝大部分（99.9％以上）在0.15～4微米波段之间。辐射最强的波长为0.475微米，与地球的辐射相比，太阳辐射的波长短得多，故把太阳辐射称为短波辐射。地球表面的平均温度为300K（27℃），对流层大气的平均温度为250K（—23℃），在这样温度条件下，地面辐射能主要集中在4～80微米的波长范围内，对流层中大气的辐射能主要集中在3～120微米的波长范围内，都是不能直接看见的红外线辐射，地面和大气辐射的波长比太阳辐射的波长要长得多，故把地面和大气的辐射称为长波辐射。十二太阳常数就日地平均距离来说，在大气上界，垂直于太阳光线的1平方厘米面积内，1分钟内获得的太阳辐射量，采用1380W/m2—平方米，有周期性变化，可能与太阳黑子的活动周期有关，在太阳黑子多的年份，紫外线某些波长的辐射强度大。十三反射率到达地面的总辐射中，有一部分被地面反射回大气，称为地面反射辐射。地面反射能力的大小，以向上的反射辐射总通量与入射辐射10总通量的比值来表示，称为地面反射率。地面反射率的大小取决于地面的性质和状态。一般来说，深色土壤的反射率比浅色土壤小，潮湿土壤的反射率比干燥土壤小，粗糙表面的反射率比平滑表面小，陆地表面的平均反射率为10—35%，新雪面反射率最大，可达95%。冰的反射率为50%，--南极洲气温低的原因之一。水面反射率随太阳高度角而变，太阳高度角愈小反射率愈大。对波浪起伏的水面来讲，反射率平均为7—10%左右。因此，即使总辐射强度一样，不同性质的下垫面得到的太阳辐射仍然有很大差别，这是地面温度分布不均匀的原因之一。十四不同大气成分对短波和长波辐射的散射和吸收；11颗粒较大的物质，水滴、大的尘埃的散射没有选择性，阴天，天空白色或者灰蒙蒙的。十五温室效应；温室效应是大气保温效应的俗称。大气能使太阳短波辐射到达地面，但地表受热后向外辐射出的大量长波辐射线却被大气吸收并保存，这样就使地表与低层大气温作用类似于栽培农作物的温室的保温作用，故名温室效应（greenhouseeffect）。自工业革命以来，人类向大气中排入的二氧化碳等吸热性强的温室气体逐年增加，大气的温室效应也随之增强，其引发了一系列问题已引起了世界各国的关注。十六云和类型和特征—看云识天气低云：云底距地面高度小于2500米，积云、积雨云、层积云、层云、雨层云五属。中云：------------------------2500---5000米，高层云、高积云两属。高云：------------------------大于5000米，卷云、卷层云、卷积云三属。积雨云是由浓积云演变而成，云体浓厚庞大垂直发展旺盛，很像耸立的高山，顶部已冰晶化，呈白色，毛丝般的纤维结构，云顶随云的发展逐渐展平成砧状。积雨云的底部显得十分阴暗，常有雨幡下垂或伴有碎雨云。积雨云是对流云发展到极盛阶段，常产生较强的阵性降水，并伴有大风、雷电等现象，有时还出现强的降雹（叫冰雹云），有时有龙12卷风产生。---降水机率大十七大气边界层结构及其日变化；大气最底层，靠近地球表面、受地面摩擦阻力影响的大气层区域。大气流过地面时，地面上各种租糙元，如草、沙粒、庄稼、树木、房屋等会使大气流动受阻，这种摩擦阻力由于大气中的湍流而向上传递，并随高度的增加而逐渐减弱，达到某一高度后便可忽略。此高度称为大气边界层厚度，它随气象条件、地形、地面租糙度而变化，大致为300～1000米。森林与耕地，哪儿风速小？在大气边界层内，风速、温度和湿度都有明显的日变化，这种日变化随高度减弱。从流体力学的角度来看，大气边界层有如下特点：（1）风速随高度增加而逐渐增大，风向与等压线的夹角随海拔升高而减小，因为摩擦力逐渐减小。到大气的边界层厚度时夹角为