大氣成分結構和性狀課件

1、1第二章 大氣的成分、結構和物理性狀第一章 大氣科學概述第三章 大氣輻射過程和熱力學過程第四章 大氣中水分相變過程第五章 大氣基本動力過程大氣基本物理過程第六章 天氣系統(tǒng)：各類天氣系統(tǒng)和預報第七章 氣候系統(tǒng)：控制因子、分類、變化大氣成分結構和性狀課件 空氣分子在地球引力作用下包圍著地球表面形成一層薄薄的大氣圈，大氣圈無色無味，但時時刻刻發(fā)生著復雜的天氣過程。2第二章 大氣的成分、結構和物理性狀大氣成分結構和性狀課件大氣圈：是由多種氣體混合組成的氣體及浮懸其中的液態(tài)和固態(tài)雜質所組成。3氮N2、氧O2、氬Ar三者合占大氣總體積的99.96，占大氣總質量的99.95%，其它氣體含量甚微大氣成分結構和

2、性狀課件 大氣中的水汽來自海洋、江河、湖泊及潮濕物 體表面的水分蒸發(fā)和植物的蒸騰，并借助空氣的垂 直交換向上輸送。 空氣中水汽含量的時空變化特征 一般情況是夏季多于冬季。 低緯度暖水洋面和森林地區(qū)的低空水汽含量最大（4），而在高緯度寒冷干燥的陸面上，其含量則極少（0.01）。 從垂直方向而言，空氣中的水汽含量隨高度的增加而減少：1.52km高度上，空氣中水汽含量已減少為地面的一半；5km高度，減少為地面的1/10；再向上含量就更少了。4大氣成分結構和性狀課件 大氣中水汽含量雖不多，但它是天氣變化中的一個重要角色：（1）降水；（2）能量5大氣成分結構和性狀課件 臭氧通常是氧分子在太陽紫外輻射作用

3、下分解為氧原子后, 再進行一系列復雜的化學反應與另外 的氧分子結合而形成的。 6(240)223hnmOOOOOO (1100)3232hnmOOOOOO 臭氧層離地面約20到30公里處，它在地球上空形成一把“保護傘”，它將太陽光中99的紫外線過濾掉，這對于地球上生命的生存十分重要。 過量的紫外線會使人和動物免疫力下降，最明顯的表現是皮膚癌的發(fā)病率增高； 植物和微生物會因為承受不了紫外線的強烈照射而死亡。大氣成分結構和性狀課件1984年英國科學家首次發(fā)現南極上空出現臭氧洞。1987年簽訂了限制使用氟利昂等化學品的蒙特利爾條約 用作制冷劑、噴霧劑、發(fā)泡劑等化工制劑的氟氯烴是導致臭氧減少的“罪魁禍

4、首”。2000年10月，臭氧洞面積最大：2900萬km2北極、青藏高原出現臭氧低值區(qū)7臭氧洞大氣成分結構和性狀課件溫室氣體: 對太陽輻射吸收甚少，但卻能強烈地吸收地面輻射，同時又向周圍空氣和地面放射長波輻射。8因此它們都有使空氣和地面增溫的效應。觀測證明，近數十年來這些溫室氣體的含量都有與年俱增的趨勢，這與人類活動關系十分密切。大氣成分結構和性狀課件定義：大氣中懸浮著的各種固態(tài)和液態(tài)顆粒總稱， 能在空氣中滯留至少幾個小時。尺度：10-3102m數密度： 102106個/cm3分布特征：城市農村 陸地海洋 冬季夏季9大氣成分結構和性狀課件10大氣成分結構和性狀課件大氣氣溶膠在天氣過程中的作用：

5、形成云、霧和降水條件充當凝結核的作用 改變輻射平衡通過散射輻射和吸收輻射產生直接影響 造成大氣污染，能見度降低沙塵暴、霧11大氣成分結構和性狀課件 觀測證明大氣在垂直方向上的物理性質是有顯著差異的。大氣總質量的50集中在離地5.5km以下的層次內，361000km大氣層只占大氣總質量的1。 12 根據溫度、成分、電荷等物理性質，同時考慮到大氣的垂直運動等情況，可將大氣分為五層：大氣成分結構和性狀課件 對流層是地球大氣中最低的一層。云、霧、雨雪等主要大氣現象都出現在此層。對流層是對人類生產、生活影響最大的一個層次，也是氣象學、氣候學研究的重點層次。厚度：下界是地表，上界隨緯度和季節(jié)而變化 111

6、3km，赤道1618km，兩極89km13地表能量大氣溫度對流強度大氣成分結構和性狀課件質量：集中了約75%的大氣的質量和90%以上的 水汽質量以及幾乎所有的氣溶膠顆粒；氣溫：從下向上是逐漸降低的，低緯度地區(qū)對流 層頂氣溫約-83，高緯度地區(qū)約-53大氣運動：具有強烈的對流、亂流運動氣象現象：主要大氣現象均出現14大氣成分結構和性狀課件分層：A 下層：摩擦層或行星邊界層，地面2km特點：氣流受地面的摩擦影響大，湍流作用特別強盛； 受地面熱力作用影響，氣溫有明顯的日變化； 水汽、塵粒含量較多，低云、霧、浮塵等頻出B 中層：底界在摩擦層頂，上層高度約為6km。特點：受地面影響比摩擦層小得多； 氣流

7、狀況基本可表征整個對流層空氣運動的趨勢 大氣中的云和降水大都產生在這一層內C 上層：6km對流層的頂部特點：受地面的影響更小，氣溫28m/s)15大氣成分結構和性狀課件（1）氣溫隨高度增加而降低：由于對流層主要是從地面得到熱量，因此氣溫隨高度增加而降低。16氣溫隨高度增加而降低的量值，平均而言，高度每增加100m，氣溫則下降約0.65，這稱為氣溫直減率，也叫氣溫垂直梯度：大氣成分結構和性狀課件 由于地表面的不均勻加熱，產生垂直對流運動。對流運動的強度主要隨緯度和季節(jié)的變化而不同。一般情況是：低緯較強，高緯較弱；夏季較強，冬季較弱。因此對流層的厚度從赤道向兩極減小。17 空氣通過對流和湍流運動，

8、高、低層的空氣進行交換，使近地面的熱量、水汽、雜質等易于向上輸送，對成云致雨有重要的作用。大氣成分結構和性狀課件 由于對流層受地表的影響最大，而地表面有海陸分異、地形起伏等差異，因此在對流層中，溫度、濕度等的水平分布是不均勻的。18大氣成分結構和性狀課件高度：從對流層頂到55km質量：幾乎占大氣圈總質量的25%氣溫：隨著高度增加，氣溫最初保持不變或微有 上升，大約到30km以上，氣溫對高度增加 而顯著升高，在55km高度上可達-3原因在于在2030公里高處，氧分子在紫外線作用 下，形成臭氧層。大氣運動：主要表現為水平方向運動，對流強度 顯著減弱天氣特征：基本上沒有水汽，晴朗無云，很少發(fā) 生天氣

9、變化，適于飛機航行成分：幾乎不含水汽、塵埃，存在臭氧層19大氣成分結構和性狀課件 在溫帶地區(qū)，商業(yè)客機一般會于離地表10公里的高空，即平流層的底部處巡航。這是為了避開對流層因對流活動而產生的氣流。20大氣成分結構和性狀課件高度：從平流層頂到85km左右特點：氣溫隨高度增加而迅速下降，頂部氣溫降到- 113 -83，溫度垂直遞減率很大 原因是由于這一層中幾乎沒有臭氧，而氮和氧等氣體所能直接吸收的那些波長更短的太陽輻射又大部分被上層大氣吸收掉了。大氣運動：有相當強烈的垂直運動天氣現象：水汽含量更極少，幾乎沒有云層出現， 僅在高緯地區(qū)7590km高度，有時可見夜光云 該層的60-90公里高度上，有一

10、個只有在白天出現的電離層，叫做D層。21大氣成分結構和性狀課件氣溫：氣溫隨高度的增加而迅速增高。這是由于波 長小于0.175m的太陽紫外輻射都被該層中 的大氣物質（主要是原子氧）所吸收的緣故。 其增溫程度與太陽活動有關，當太陽活動加強時，溫度隨高度增加很快升高，這時500km處的氣溫可增至2000K；當太陽活動減弱時，溫度隨高度的增加增溫較慢，500km處的溫度也只有500K。高度：熱層沒有明顯頂部。通常認為氣溫從增溫轉為 等溫時，為其上限。特點：空氣處于高度電離狀態(tài)，產生大量帶電離子 和自由電子，使高層大氣中能夠產生電流和 磁場，可反射無線電波，因此該層又稱為電離層。22大氣成分結構和性狀課

11、件大氣的最高層，又稱外層高度：從暖層頂到外層空間特點：氣溫隨高度增加很少變化，屬于恒溫層運動特點：由于溫度高，空氣粒子運動速度很大，又因距地心較遠，地心引力較小，所以這一層的主要特點是大氣粒子經常散逸至星際空間，本層是大氣圈與星際空間的過渡地帶。23大氣成分結構和性狀課件 大氣是“物質”且是不斷“運動的”，那么如何“定量地描述”大氣呢？ （1）“哪些量”才能較好地描述大氣呢？ （2）從中可總結出“哪些大氣運動的規(guī)律？ 在氣象學上，大氣的物理性狀主要以氣象要素和空氣狀態(tài)方程來表征。24大氣成分結構和性狀課件氣象要素：指表示大氣屬性和大氣現象的物理量， 主要包括氣溫、氣壓、濕度、風、云量、降水 量

12、和能見度。 1、氣溫：表示空氣冷熱程度的物理量 氣體溫度T (絕對溫度)是分子平均動能的量度，即氣溫越高分子不規(guī)則運動的平均動能越大，分子不規(guī)則運動的速度也越大：25單位：（1）攝氏溫標（t, ） （2）絕對溫標（T,K） T=t+273.15 t+273 大氣成分結構和性狀課件大氣成分結構和性狀課件氣壓大?。簺Q定于整個空氣柱質量的多少氣壓含義：空氣的分子運動與地球重力場綜合作用的 結果計算方法：P代表氣壓，F代表面積A上所承受的力， 則： PF/A單位：1hpa=1mb=3/4 mmHg標準大氣壓：在緯度為45的海平面上，溫度為0 時，所測得的水銀柱高為760mmHg的大氣壓 強，為一個標準

13、大氣壓(1013.25mb)。大氣成分結構和性狀課件精確的氣壓值是用水銀氣壓表來測量的，若水銀柱的高度為h,水銀的密度為，水銀的截面為S，則所測大氣壓強為：靜止大氣氣壓公式：靜止大氣氣壓公式：ghSSghSWP注意：當空氣有垂直運動時，氣壓值與單位面積上所承受的大氣柱重量有一定差異的。但是在一般情況下，空氣的垂直運動的加速度很小，這種差別可以忽略的。動槽式水銀氣壓表定槽式水銀氣壓表大氣成分結構和性狀課件表示濕度的方法： （1）水氣壓e、飽和水氣壓E、飽和差d水氣壓（e）：大氣中所含水汽產生的壓力，大氣壓 中的水汽分壓。 根據道爾頓分壓定律，大氣中的總壓強等于水汽分壓強和干空氣的分壓強之和。(

14、, )( , )( , )ABp T Vp T Vp T VBBpp大氣成分結構和性狀課件飽和水汽壓（E）： 在溫度一定的情況下，單位體積空氣中能容納的水汽數量（水汽壓）存在一個極限值，水汽含量達到了這個限度，空氣就呈飽和狀態(tài)，如果超過這個極限值，多余部分的水汽凝結成液體水，這一極限值稱為該溫度下的飽和水汽壓。 飽和水汽壓實際上是水和水汽之間達到動態(tài)平衡時（凝結率=蒸發(fā)率）的水汽壓類似溶解度的概念 根據理論計算和實驗證明，飽和水汽壓與溫度有關，隨溫度的升高而迅速增大31大氣成分結構和性狀課件32世界氣象組織WMO推薦的飽和水汽壓計算公式 國家氣象局推薦的飽和水汽壓計算公式17.276.11ex

15、p()237.3sstete為水面的飽和水汽壓差（hPa）t為氣溫（）飽和差d：在一定溫度下，飽和水汽壓E與空氣中實際水汽壓e之差 d=E-e，d表示實際空氣距離飽和的程度。在研究水面蒸發(fā)時常用到d，它能反映水分子的蒸發(fā)能力。大氣成分結構和性狀課件相對濕度RH:空氣中的實際水汽壓與同溫度下的飽 和水汽壓的比值（用百分數表示）RH直接反映空氣距離飽和的程度: 當RH接近100時，表明當時空氣接近于飽和。 當水汽壓不變時，氣溫升高，飽和水汽壓增大，相對濕度會減小。33100%eRHE大氣成分結構和性狀課件比濕：濕空氣中水汽的質量與該團空氣總質量（水 汽質量加上干空氣質量）的比值34qwwdmqmm

16、干空氣質量水汽質量q的單位是g/g,表示每一克濕空氣中含有多少多少克水汽0.622eqP注意問題：e和P須采用相同單位（hPa）,q的單位是g/g大氣成分結構和性狀課件35水汽混合比 ：一團濕空氣中，水汽質量與干空氣 質量的比值比濕和水汽混合比的不變性： 對于某一團空氣而言，不論發(fā)生膨脹或壓縮，體積如何變化，只要其中水汽質量和干空氣質量保持不變，其比濕和水汽混合比都保持不變。 因此在討論空氣的垂直運動時，通常用比濕或水汽混合比來表示空氣的濕度。wdmm0.622ePe大氣成分結構和性狀課件露點溫度：在空氣中水汽含量不變，氣壓一定下， 使空氣冷卻達到飽和時的溫度，稱露點溫度， 簡稱露點（Td）。

17、36 在氣壓一定時，露點的高低只與空氣中的水汽含量有關，水汽含量愈多，露點愈高，所以露點也是反映空氣中水汽含量的物理量。 根據T和Td的差值，可以大致判斷空氣距離飽和的程度。大氣成分結構和性狀課件37():eEAP ttettPAE實際水汽壓（hPa）干球溫度（）濕球溫度（）大氣壓（hPa）干濕表測濕系數濕球溫度下的飽和水汽壓（hPa）大氣成分結構和性狀課件降水：指從天空降落到地面的液態(tài)或固態(tài)水，包括 雨、雪、霰、冰雹、霧、霜等。降水量：指降水落至地面后（固態(tài)降水則需經融化 后），未經蒸發(fā)、滲透、流失而在水平面上積聚的深度，降水量以毫米（mm）為單位。38大氣成分結構和性狀課件雪深：從積雪表面

18、到地面的垂 直深度，以厘米（cm） 為單位。 當雪深超過5cm時，則需觀測雪壓。雪壓：單位面積上的積雪重量，以g/cm2為單位。39大氣成分結構和性狀課件風：空氣的水平運動稱為風。風是一個表示氣流運風是一個向量：風速：數值的大小 m/s km/h風向：指風的來向40地面風向：16方位表示，每相鄰方位間的角差為22.5；高空風向：方位度數表示，正北0（或360）正東90正南180正西270大氣成分結構和性狀課件41風向風速儀風速的表示有時采用壓力，稱為風壓。P 為垂直于風的來向1m2面積上所受風的壓力 kg/m2V 表示風速（m/s）22122rPg內陸海拔高度500以下：1/1632東南沿海地

19、區(qū)：1/1750海拔3500m高原：1/2600大氣成分結構和性狀課件42大氣成分結構和性狀課件云：懸浮在大氣中的小水滴、冰晶微?；蚨呋旌衔锏目梢娋酆先后w，底部不接觸地面（如接觸地面則為霧），且具有一定的厚度。云量：指云遮蔽天空視野的成數。 將地平以上全部天空劃分為10份，為云所遮蔽的份數即為云量。 例如，碧空無云，云量為0，天空一半為云所覆蓋，則云量為5。 43大氣成分結構和性狀課件能見度：指視力正常的人在當時天氣條件下，能夠 從天空背景中看到和辨出目標物的最大水平距離。單位：米（m）或千米（km）表示。 能見度對航空、航海、陸地交通以及軍事活動有重要影響。影響能見度的因子主要有：大氣透明

20、度、燈光強度和視覺感閾，而大氣透明度與當時天氣條件密切相關：降水、霾、沙塵暴大氣透明度較差。 測量大氣能見度一般用目測的方法，也可以使用大氣透射儀、激光能見度自動測量儀等測量儀器測量。44大氣成分結構和性狀課件 空氣狀態(tài)常用密度（）、體積（V）、壓強（P）、溫度（t 或T）表示。對一定質量的空氣，其P、V、T 之間存在函數關系。 例如，一小團空氣從地面上升時，隨著高度的增大，其受到的壓力減小，隨之發(fā)生體積膨脹增大，因膨脹時做功，消耗了內能，氣溫乃降低。這說明該過程中一個量變化了，其余的量也要隨著變化，亦即空氣狀態(tài)發(fā)生了變化。 如果三個量都不變，就稱空氣處于一定的狀態(tài)中，因此研究這些量的關系就可

21、以得到空氣狀態(tài)變化的基本規(guī)律。45大氣成分結構和性狀課件A 干空氣狀態(tài)方程 根據實驗發(fā)現，一切氣體在壓強不太大，溫度不太低（遠離絕對零度）的條件下，一定質量氣體的壓強和體積的乘積除以其絕對溫度等于常數： 理想氣體并不存在，但在通常氣溫和氣壓條件下，干空氣和未飽和的濕空氣都十分接近于理想氣體。1mol的理想氣體在標準狀態(tài)下：PVT常數理想氣體狀態(tài)方程*3.31 / mol KPVRJT（）普適氣體常數47*PVMnRRT*M RPTV PR T干空氣的比氣體常數Rd*8.310.287 / .28.97ddRRJ gKdPR T比氣體常數干空氣狀態(tài)方程大氣成分結構和性狀課件 實際大氣中，尤其是在

22、近地面氣層中存在的總是含有水汽的濕空氣。常溫常壓下濕空氣仍然可以看成理想氣體: 水汽含量是變化的！ 如果解決這個問題呢？思路！ 如果以 P 表示濕空氣的總壓強，e表示其中水汽部分的壓強（即前述的水汽壓），則P-e是干空氣的壓強。干空氣的密度 和水汽的密度 分別是 *=/PR TRR dwdwdwPeeR TR TdwdwRRKgJKgJRR608. 1608. 1/287. 0/4616. 0*wR8.31R0.4616J/g K18w*8.310.287 / .28.97ddRRJ gK干空氣比氣體常數水汽比氣體常數 濕空氣是干空氣和水汽的混合物，故濕空氣的密度是干空氣密度d與水汽密度w之和大氣成分結構和性狀課件1.608()11.60811.60810.62210.37810.37810.37810.37810.378dwdwddddddeePeePeePPPR TR TR TR TPeePeR TPPR TPeePPPPeeR TR TPPPeTTPeTRPvd378. 01378. 01虛溫dvPR T濕空氣的狀態(tài)方程 大氣成分結構和性狀課件虛溫的意義：在同一壓強下，干空氣密度等