大气的概述

第一章大气概述第一节大气的组成第二节大气的结构第三节主要气象要素大气的组成一、干洁空气1概念：大气中除水汽、液体和固体杂质外的整个混合气体。2成分：主要成分是氮、氧、氩、二氧化碳等，此外还有少量的氢、氖、氪、氙、臭氧等稀有气体。3特点：(1)组成干洁空气的各种成分总是维持，(2)干洁空气的平均分子量是28.996，(3)在垂直高度90km以下干洁空气的主要成分所占比例不变4干洁空气中几种有影响的气体（1）臭氧:含量少，20-25km最多；影响气温垂直分布，保护生物（2）二氧化碳：集中于大气底部20公里，因时间和空间而不同(夏季较少，冬季较多；城市较多，农村较少)强烈吸收长波辐射,影响大气和地面温度；但含量过高影响会响人类健康。第一节二、水汽来源：江、河、湖、海及潮湿物体表面的水分蒸发.分布：集中在大气底层，一般随高度的增高而减少;且因纬度、地势高低以及海陆的不同而有差异：低纬＞高纬、夏季＞冬季、湿润地区＞干旱地区作用：是大气唯一能发生相变的气体，产生天气现象；对地面和空气温度产生影响；在水平和垂直方向上进行物质与能量的交换。三、大气中的固体杂质和液体微粒1.固体杂质定义：悬浮于大气中的烟粒、尘埃、盐粒等。来源：物质燃烧的烟粒、海水飞溅扬入大气后而被蒸发的盐粒，被风吹起的土壤微粒及火山喷发的烟尘，流星燃烧所产生的细小微粒和宇宙尘埃,还有细菌、微生物、植物的孢子花粉等。含量分布：多集中在大气的底层，随时间、地区和天气条件而变化（陆上多于海上,城市多于乡村，冬季多于夏季）作用:(1)吸收一部分太阳辐射和阻挡地面放热，对地面和空气温度有一定影响；(2)使大气能见度变坏；(3)充当水汽凝结的核心，对云、雨的形成起重要作用。2.液体微粒定义：悬浮大气中的水滴、过冷水滴和冰晶等水汽凝结物。作用：它们常聚集在一起，以云、雾等形式出现，使能见度变坏，还能减弱太阳辐射和地面辐射。四、大气污染定义：由于工业、交通运输业的发展，在废气不加以回收利用的情况下，空气中增加了许多新的成分，这就是所说的大气污染。大气污染物:如下表防止措施：建立监测网，进行污染预报；通过集尘器和清洗器在排气前清除污染物质；发展无烟囱工厂的闭合工艺过程以及合理布局工业等。造林绿化也是保护环境，净化空气，防止大气污染的重要措施。分类成分粉尘微粒碳粒、飞灰.碳酸钙、氧化锌、二氧化铅硫化物二氧化硫、三氧化硫、硫酸、硫化氢、硫醇等氮化物一氧化氮、二氧化氮、氨等氧化物臭氧、过氧化物、一氧化碳等卤化物氯、氟化氢、氯化氢等有机化合物碳化氢、甲醛、有机酸、焦油、有机卤化物、酮等大气的结构一、大气的高度严格地说，不存在大气圈的上界。大气圈的垂直范围通常有两种划法：（一）着眼于大气中出现的某些物理现象。大气中极光是出现高度最高的物理现象，因此，可以把大气的上界定为1200公里。（二）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—3000公里高度上。第二节二、大气的垂直分层观测证明，大气在垂直方向上的物理性质是有显著差异的。根据温度、成分、电荷等物理性质，同时考虑到大气的垂直运动等情况，可将大气分为五层：对流层、平流层、中间层、暖层、散逸层(图1-1)。（一）对流层对流层是地球大气中最低的一层，其底界是地面。云、雾、雨、雪等主要大气现象都出现在此层。因而，对流层是对人类生产、生活影响最大的一个层次，也是气象学研究的重点层次。1.界限：底层是下地垫面，上层随纬度和季节而不同低纬度地区平均为17-18公里，中纬度地区为10-12公里，高纬度地区为8-9公里任何纬度尤其是中纬度的对流层厚度，夏季较大，冬季较小同大气的总厚度比较起来，对流层是非常薄的，不及整个大气厚度的1％。但是，由于地球引力的作用，这一层却集中了整个大气3／4的质量和几乎全部的水汽。2.主要的特征:(1)气温随高度的升高而降低：由于对流层主要是从地面得到热量，因此温度随高度增加而降低。气温铅直梯度：对流层中气温随高度而降低的数值，在不同地区、不同季节、不同高度是不一致的，平均而言，每上升100米，气温下降约0.65℃。这称为气温直减率，也叫气温铅直梯度。通常以y表示：y=-dT/dZ=0.65℃/100m.(1-1)(2)铅直对流运动：由于地表面的不均匀加热，产生铅直对流运动。空气通过对流和湍流运动，高、低层的空气进行交换，使近地面的热量、水汽、杂质等易于向上输送，对成云致雨有重要作用。(3)气象要素水平分布不均匀：由于对流层受地表的影响最大，而地表的性质差异也是很大的，因此在对流层中，温度、湿度的水平分布是不均匀的，特别是冷、暖气团交绥的地带，即所谓锋区，往往有严重的天气现象发生，如寒潮、梅雨、暴雨、大风、冰雹等。3.对流层的分层按气流和天气现象分布的特点又可分为下层、中层和上层。(1)下层：下层又称扰动层或摩擦层。其范围一般是自地面到2公里高度。特点：气温有明显的日变化；湍流交换作用特别强盛；由于本层的水汽、尘粒含量较多，因而低云、雾、霾、浮尘等出现频繁；随着高度的增高，风速增大，风向偏转。(2)中层：中层的底界即摩擦层顶，上界高度约为6公里。它受地面影响比摩擦层小得多，气流状况基本上可表征整个对流层空气运动的趋势。大气中的云和降水大都产生在这一层内。(3)上层：上层的范围是从6公里高度伸展到对流层的顶部。这—层受地面的影响更小，气温常年都在0℃以下，水汽含量较少，各种云都由冰晶和过冷水滴组成。在中纬度和热带地区，这—层中常出现风速等于或大于30米／秒的强风带，即所谓的急流。此外，在对流层和平流层之间，有一个厚度为数百米到1—2公里的过渡层，称为对流层顶。这一层的主要特征是:温度随高度增加而降低很慢，或者几乎为等温。(二)平流层1.界限：自对流层顶到55公里左右2.特点:1)随着高度的增高，气温最初保持不变或微有上升，到25公里以上，气温随高度增加而显著升高，在55公里高度上可达-3℃(图1-1)；2)气流比较平衡，空气的垂直混合作用显著减弱；多晴好天气，能见度高。(三)中间层自平流层顶到85公里左右为中间层。该层的特点是:气温随高度增高而迅速下降，并有相当强烈的垂直运动。该层的60-90公里高度上，有一个只在白天出现的电离层，叫做D层。(四)暖层：中间层顶至800公里高度暖层有两个特点：(1)随着高度的增高，气温迅速升高空气就更稀薄。(2)空气处于高度电离状态。从这一特征来说，暖层又可称为电离层。(五)散逸层800公里高度以上的大气层，统称为散逸层。这一层的气温随高度的增高而升高。这一层的主要特征是大气质点经常散逸至星际空间。主要气象要素气象要素：指表示大气中物理现象的物理量。如气压、温度、湿度、风向、风力、云量、能见度、降水量、日照、辐射等。一、气温表示空气冷热程度的物理量，称为气温。在一定的容积内，一定质量空气温度的高低与气体分子运动的平均动能多少有关，而气体分子运动的平均动能只与温度有关，且与绝对温度了成正比。因此，空气冷热的程度，实质上是空气分子平均动能。第三节大小的表现：当空气获得热量时，它的分子运动的平均速度增大，随之平均动能增加，气温也就升高；反之当空气失去热量时，它的分子运动平均速度减小，随之平均动能也减少，气温也就降低。气温的单位：目前我国规定用摄氏(℃)温标。以气压为760mmHg时纯水冰点为零度，沸点为100度，其间等分100等分即为1℃。在理论研究上常用绝对温标，以K表示，这种温标中一度的间隔和摄氏温标相同，但其零度规定为摄氏-273.16℃，称为“绝对零度”，水的冰点为273.16K，沸点定为373.16K。两种温标之间的换算关系如下：T=t+273.16≈t+273(1-2)大气中的温度一般以百叶箱中干球温度为代表。二、气压气压指大气的压强。它是空气的分子运动与地球重力场综合作用的结果。若以P代表气压，F代表面积A上所承受的力，则：P＝F/AdP=-pgdz式称为静力方程。它表达了大气在垂直方向上处于静力平衡状态时，气压变化和高度变化之间的定量关系。地面气压分布一般在940—1040mb之间，在台风中心可能低于900mb，在西伯利亚高压中心可能高于1080mb。三、湿度表示大气中水汽量多少的物理量，称为湿度。大气的湿度状况是决定云、雾、降水等天气现象的重要因素。大气湿度可用下述几种方法表示：水汽压和饱和水汽压在温度一定的情况下，单位体积空气中能容纳的水汽数量有一定的限度，如果水汽含量达到了这个限度，空气就呈饱和状态，这时的空气，称为饱和空气。饱和空气中的水汽压，称为饱和水汽压(E).相对湿度所谓相对湿度(f)，就是空气中的实际水汽压与同温度下的饱和水汽压的比值(用百分数来表示)，即：f＝e/F×100%饱和差在某一温度下，饱和水汽压与实际空气中水汽压之差称为饱和差(d)：d=E—e，d表示实际空气距离饱和的程度，在研究水面蒸发时常用到d，它可指出水分子的蒸发能力。露点在空气中水汽含量不变，在一定的气压条件下，使空气冷却到达饱和时的温度，称为露点温度，简称露点(Td)。它的单位与气温相同。例如上海某日14时的气温为30℃，对应的饱和水汽压为42.5mb，当时的实际水汽压为31.7mb，很明显，这时的空气是未饱和的。如果实际水汽压不变，气压也不变，只有降低空气温度才能使空气达到饱和。而饱和水汽压为31.7mb时的气温为25℃，故只有当温度由30℃降到25℃时，空气才由未饱和状态变为饱和状态。因此，上海该日14时的露点是25℃。气压一定时，露点的高低只与空气中的水汽含量有关，水汽含量愈多，露点愈高，所以露点也是反映空气中水汽含量的物理量。在实际大气中，空气经常处于未饱和状态，露点温度常比气温低(Td＜T)。只有空气达饱和时，露点温度才和气温相等(Td=T)。因此，根据T和Td的差值，还可大致判断空气距离饱和的程度。上述湿度的各种表示：绝对湿度、水汽压、比湿、露点基本上表示空气中水汽含量的多寡；而相对湿度、饱和差、温度露点差则表示空气距离饱和的程度。四、降水P17五、风空气的水平运动就叫风。风是一个表示气流运动的物理量。它和气压、气温、湿度等要素不同，不仅具有数值的大小(即风速)，还具有方向(即风向)。因此风是向量，它是天气预报的重要项目，又是天气预报的重要依据。风向是指风的来向。地面风向用十六方位来表示。高空风向常用方位度数(共分360度)表示，以0度(或360度)表示正北，90度表示正东，180度表示正南，270度表示正西。在十六方位中每相邻方位间的角差为22.5度。六、云量七、能见度思考：1、什么是干空气状态方程，解释各项物理意义。2、什么是气候系统，你是怎样认识它的。