《大氣基本特征》ppt課件

1、1.1 大氣的成分1.2 大氣的垂直構(gòu)造1.3 大氣的形狀方程1.4 大氣的靜力學(xué)方程及其運用1.5 根本氣候要素思索題第1章 大氣的根本特征氣候?qū)W與氣候?qū)W第1章 大氣的根本特征目前，地球低空大氣是由多種氣體混合組成的氣體及浮懸的固、液態(tài)雜質(zhì)組成。干潔空氣：不含水汽水滴/冰晶和其它固體雜質(zhì)的大氣。主要成分氮、氧和氬，亦稱永久成分Permanent Gases，占99.96；次要成分包括二氧化碳及氫、氖、氦、氪、氡及臭氧等稀有氣體，亦稱可變成分Variable Gases 。1.1 大氣的成分1.1.1 干空氣表11大氣的氣體組成成分 永久成分可變成分第1章 大氣的根本特征l臭氧：l含量：很低、

2、易變；l來源：高層大氣由太陽紫外線產(chǎn)生光化學(xué)作用，使氧分子分解為氧原子，再與氧分子結(jié)合而成；低層大氣經(jīng)過有機物氧化、雷暴閃電及光化學(xué)反響等作用構(gòu)成。l分布：近地面很少，從10km向上逐漸添加，到20km25km到達最大值，構(gòu)成所謂的臭氧層Ozone layer,再向上由逐漸減少，至55km60km已微缺乏道。程度方向上，由赤道向兩極逐漸添加，季節(jié)上，春季最大、夏季最小。l作用：高層吸收紫外線，使大氣升溫；近地面那么對生物有害。1.1 大氣的成分1.1.1 干空氣臭氧垂直分布臭氧層對流層臭氧平流層臭氧構(gòu)成機制對流層臭氧構(gòu)成機制第1章 大氣的根本特征l二氧化碳等溫室氣體：l 指二氧化碳、甲烷、一氧

3、化二氮及水汽等。其中CO2是最主要的溫室氣體，主要來自火山噴發(fā)、有機物的熄滅、腐爛及動植物的呼吸等。l溫室效應(yīng)：l 太陽短波輻射經(jīng)過大氣層到達地面并被其吸收，地面長波輻射那么幾乎全部被大氣所吸收，大氣向外太空和地面發(fā)出長波輻射，后者稱為大氣逆輻射，使地面升溫。1.1 大氣的成分1.1.1 干空氣太陽輻射地面輻射大氣輻射大氣地 面l水汽：在自然界的溫度和壓力下獨一能發(fā)生相變的成分。l來源：地球外表海洋水分的蒸發(fā)，然后隨上升氣流向上保送。l含量：變化較大04%，水汽垂直分布范圍只在1020km以下。l特點：具有固、氣、液三態(tài)，常溫下發(fā)生相變的獨一大氣成分，相變過程中吸收和放出潛熱能，同時能劇烈吸收

4、和放出長波輻射，對地面和空氣溫度影響極大。是云、霧、霜、雨和雪等常見天氣景象產(chǎn)生的先決條件。 l分布：夏季多于冬季；低緯度多于高緯度、海面多于陸面；隨高度添加而減少，主要分布于23km以內(nèi)。第1章 大氣的根本特征1.1 大氣的成分1.1.2 水 汽Clouds天氣景象海洋過程海氣相互作用 定義：懸浮在空氣中的固體或液體微粒，主要包括塵埃、煙粒、細菌、病毒、花粉和微小鹽粒等，亦稱為氣溶膠aerosol粒子。 來源和分布：火山噴發(fā)、風、海浪飛濺、生物過程、流星熄滅及人類活動如熄滅物質(zhì)排放至空氣中的大量煙粒等。它們多集中于大氣的底層； 特點：大多成為水汽凝結(jié)核，對云、霧的構(gòu)成起重要作用。同時固體微粒

5、能散射、漫射和吸收一部分太陽輻射，也能減少地面長波輻射的外逸，對地面和空氣溫度有一定影響，并會使大氣的能見度變壞。 第1章 大氣的根本特征1.1 大氣的成分1.1.3大氣雜質(zhì)粒子 包括一氧化碳、氨、二氧化硫、硫化氫及臭氧等。來自工業(yè)、交通運輸業(yè)。含量雖微，但使氣候環(huán)境污染，對人類有害。第1章 大氣的根本特征1.1 大氣的成分1.1.4 大氣污染物質(zhì)大氣總質(zhì)量約5.31015t，其中50集中在5.5km高度內(nèi)，36km 以上只占大氣總質(zhì)量的1。大氣圈上界與星際空間之間很難用一個“分界面把它們截然分開。通常以大氣中極光是出現(xiàn)的高度確定為大氣的上界，約為1200km；假設(shè)以接近于星際的氣體密度的高度

6、來估計大氣的上界。按照人造衛(wèi)星探測資料推算，這個上界大約在20003000km高度上。 根據(jù)氣溫垂直分布等，大氣分為：對流層、平流層、中間層、熱層和散逸層。第1章 大氣的根本特征1.2 大氣的垂直構(gòu)造 定義：從地面至約12km高的大氣層。其下墊面為地面，上界高度隨緯度和季節(jié)而變。集中了大氣質(zhì)量的80和全部水汽，云、霧、雨、雪等也都發(fā)生于其中。 主要特征： 1氣溫t隨高度z添加而下降，氣溫直減率= dt/dz = 0.65C/100m； 2具有劇烈的對流運動和湍流運動； 3氣候要素在程度方向上分布很不均勻，構(gòu)成氣團和鋒； 4垂直方向分為摩擦層或行星邊境層厚1km2km和自在大氣1km 2km以上

7、。 第1章 大氣的根本特征1.2.1 對流層1.2 大氣的垂直構(gòu)造大氣層垂直構(gòu)造對流層平流層中間層熱層對流層構(gòu)造自在大氣行星邊境層 定義：自對流層頂?shù)酱蠹s55Km左右的大氣層； 特點： 氣溫隨高度遞增最初變化較慢，到2025Km氣溫突增，主要是臭氧吸收太陽紫外線。 空氣的垂直運動比較弱，主要是程度運動，故氣層穩(wěn)定。 水汽含量少。第1章 大氣的根本特征1.2.2 平流層1.2 大氣的垂直構(gòu)造定義：自平流層頂?shù)?5Km左右的大氣層;特點： 溫度隨高度迅速下降緣由主要是無臭氧吸收太陽紫外線，另外，波長更短的太陽紫外線被高空大氣分子吸收，構(gòu)成電離層； 有劇烈垂直運動，有高空對流層之稱由于溫度隨高度添加

8、而下降，大氣垂直不穩(wěn)定； 大約在65Km處是電離層，白天強，夜間弱。第1章 大氣的根本特征1.2.3 中間層1.2 大氣的垂直構(gòu)造 定義： 亦稱熱成層或暖層，位于中間層頂以上85800Km。 特點： 氣溫隨高度迅速添加，波長小于0.175m 的太陽紫外輻射被該層中的原子氧等吸收所致； 空氣高度電離， 故亦稱電離層。電離層的電離程度有差別，比較強的為E層100120Km和F層200240Km)，能反射無線電波。第1章 大氣的根本特征1.2.4 熱層1.2 大氣的垂直構(gòu)造定義：在大氣熱層以上的大氣，是地球大氣的最高層，位于800Km以上。特點： 氣溫也隨高度變化不大，由于溫度高，空氣粒子運動速度很

9、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(jīng)常散逸至星際空間。 逸散層的頂部即地球大氣層的上界，其高度難以準確確定，通常以極光出現(xiàn)的最大高度為準，約為1000km1200km第1章 大氣的根本特征1.2.4逸散層1.2 大氣的垂直構(gòu)造第1章 大氣的根本特征1.3.1 理想氣體形狀方程1.3 大氣的形狀方程 1mol理想氣體： PV/T = P0V0/T0 = R* 其中，R*=8.31 J mol1K1，稱為普適 氣體常數(shù)。 初始形狀規(guī)范形狀 po=101325Pa vo=22.4103m3 To=273K恣意形狀pvT1mol理想氣體MRTTRMPV*其中，R=R*/，

10、R稱為比氣體常數(shù)；=M/V為氣體密度。M g理想氣體：摩爾數(shù) n=M /，為摩爾質(zhì)量，故 PV/T = nR*或RTP第1章 大氣的根本特征1.3.2 干空氣形狀方程1.3 大氣的形狀方程 干空氣比氣體常數(shù)： )(287)(287. 097.2831. 81111*KJkgKJgRRd 或其中， 為干空氣密度(kg/m3)， 為干空氣比容(m3/kg)TRPddTRPddVmdd/dd1 干空氣形狀方程： 第1章 大氣的根本特征1.3.3 濕空氣形狀方程1.3 大氣的形狀方程 水汽e,mw,w 干空氣Pd,md,d濕空氣: P,V,T,m,dw濕空氣密度濕空氣密度=水汽密度水汽密度+干空氣密度

11、干空氣密度TRPdddTReww利用干空氣和水汽形狀方程及道爾頓分壓定律：利用干空氣和水汽形狀方程及道爾頓分壓定律：ePPdPeTRPPeRRTRPTRePTRedwdddw378. 0111PeTRPePeTRPeTRPddd378. 01378. 01/378. 01378. 01/2第1章 大氣的根本特征1.3.3 濕空氣形狀方程1.3 大氣的形狀方程或vdTRPPeTTv378. 01稱為虛溫其中 由于，TVT，故濕空氣密度小于干空氣密度，于是當暖濕空氣與干冷空氣相遇時，暖濕空氣總是被抬升而冷卻、水汽飽和、成云致雨。課堂討論一 勻質(zhì)大氣高度：當氣溫為0C、緯度為45時，海平面大氣壓P0

12、為101325Pa，空氣密度0為1.293kg/m3。假定大氣均勻，密度均為0，那么此時大氣為勻質(zhì)大氣，其高度Z0由下式確定：000gZPmgPZ80008 . 9293. 1101325000大氣質(zhì)量：單位截面積勻質(zhì)大氣柱質(zhì)量m0為： m0=0Z0=10344kg/m2 將m0乘以地球外表積，那么得地球大氣總質(zhì)量，約為5x1015tP0P0勻質(zhì)大氣實踐大氣0Z0課堂討論二 大氣密度：實踐大氣密度是隨高度z添加 而減小，其變化關(guān)系為dzKd其中，K為比例系數(shù)0000ZdzeKz將上式垂直積分至大氣層上界 ，應(yīng)等于單位單位截面積勻質(zhì)大氣柱質(zhì)量，即K=1/Z0Kze0積分得：z0dzd 大氣密度：

13、00Zze結(jié)論：實踐大氣密度隨高度z添加而指數(shù)減小，即第1章 大氣的根本特征1.4.1 大氣靜力學(xué)方程1.4 大氣靜力學(xué)方程及其運用大氣運動是準程度的，垂直方向上大氣通常處于靜力平衡形狀，這種垂直靜力平衡關(guān)系，稱為大氣靜力方程，其反映了氣壓與高度之間的變化關(guān)系。z1z2P1P2F1F2W空氣塊受力分析021WFF垂直力平衡：SPF11z1大氣壓力：SPF22z2大氣壓力：zgSW氣塊重力：zgP代入后得：gdzdP靜力方程：靜力方程：第1章 大氣的根本特征1.4.2單位氣壓高度差1.4 大氣靜力學(xué)方程及其運用定義：垂直氣壓梯度的倒數(shù)，用h表示。表示每改動單位壓所對應(yīng)高度差，即dpdzh性質(zhì)：根

14、據(jù)大氣靜力方程，得根據(jù)大氣形狀方程，得根據(jù)熱力學(xué)與攝氏溫標關(guān)系，得當P=1000hPa，t=0C時，PgRTh Pth)273/1 (8000hPam8h/g1hpppp2p冷熱h1h2h1h3h4h3第1章 大氣的根本特征1.4.3 壓高公式1.4 大氣靜力學(xué)方程及其運用定義：兩點垂直高度與對應(yīng)氣壓及其垂直平均氣溫之關(guān)系。P1P2z1z2RTPPdPgRTdz2112lnppgRTzzzm推導(dǎo)：gdzdP靜力方程：形狀方程：消去：以Tm換T后積分得：壓高公式Tm垂直平均氣溫第1章 大氣的根本特征1.4.4 位勢高度(差1.4 大氣靜力學(xué)方程及其運用重力位勢差d：在地球重力場中，將單位質(zhì)量物體

15、從高度z移到高度z+dz時抑制重力所做的功，稱為重力位勢差d ，即gdzd位勢高度差dH定義：將重力位勢差d除以9.8，稱為位勢高度差dH，單位為位勢米(gpm)，即gdzddH8 . 918 . 9/位勢高度差dH計算：;8 . 9pdpRTdH21ln8 . 9ppTRH P1P2aHbHabaTbT第1章 大氣的根本特征1.5.1 氣溫1.5 根本氣候要素l概念：表示空氣冷熱的程度的物理量，本質(zhì)上反映空氣分子平均內(nèi)能的大小。l特征：當空氣獲得熱量時，其分子運動的平均速度增大，平均動能添加，氣溫也就升高。反之當空氣失去熱量時，其分子運動平均速度減小，平均動能隨之減少，氣溫也就降低。l表示法

16、：用攝氏度溫標，以氣壓1013.3hPa時純水的冰點為0，沸點為100，其間100等份中的1份即為1。實際研討上常用絕對溫標，以K表示，其一度間隔和攝氏度一樣，但“絕對零度，為273.15。兩者關(guān)系：TK=t +273.15t+273第一章 引論l概念：指大氣的壓強，由空氣的分子熱運動與地球重力場綜協(xié)作用的結(jié)果。l表示法：靜止大氣中恣意高度上的氣壓值等于其單位面積上所接受的大氣柱的分量，即l特征：當氣溫升高、高度添加、空氣流失輻散時，空氣密度減小，故氣壓降低；反之亦然；l氣壓單位：規(guī)范單位帕Pa，氣候上為百帕hPa，即100帕Pa，其它毫巴(mb)、毫米水銀柱(mmHg)等。zzdzPPz1.

17、5.2 氣壓1.5 根本氣候要素等高面圖 高度一定的程度面上的等壓線分布圖。 等壓線是同高度的程度面上氣壓相等的點的連線。 海平面氣壓分布圖即為高度為零的等高面圖。 等壓線間隔：我國2.5hpa，國外4hpa。亞洲地面天氣分析圖 空間氣壓一樣的點所構(gòu)成的曲面。 等高線是某一特定等壓面850hPa、700hPa、500hPa等上高度相等的點的連線，其高值區(qū)和低值區(qū)分別表示等壓面凸區(qū)和凹區(qū)。 等壓面上凸和下凹區(qū)域分別相當于 等高度面上的高壓區(qū)和低壓區(qū)。 等高線間隔為60位勢米(gpm)HL等高面圖等壓面表示圖 PA=PA+PAA PB=PB PC=PCPCC PA=PB=PC PAPBPC為什么等

18、壓面圖上高值低值區(qū)相當于等高度面上的高壓區(qū)低壓區(qū)？海平面氣壓場的根本型式低氣壓：由閉合等壓線構(gòu)成，中心氣壓值比周圍低的區(qū)域，簡稱低壓。其空間空間等壓面向下凹陷，形如盆地；高氣壓：由閉合等壓線構(gòu)成，中心氣壓值比周圍高的區(qū)域，簡稱高壓。其空間等壓面向上凸起，形如山丘。低壓槽和槽線Trough：由低壓向外延伸出來的狹長區(qū)域，或一組未閉合的等壓線向氣壓較高的一方凸出的部分，簡稱槽。在低壓槽中各條等壓線曲率最大處的連線，稱槽線。高壓脊和脊線Ridge：由高壓向外延伸出來的狹長區(qū)域，或一組未閉合的等壓線向氣壓較低的一方凸出的部分，簡稱脊，脊中曲率最大點的連線稱脊線。氣壓鞍：兩兩相鄰的兩個高壓和兩個低壓所組

19、成的中間區(qū)域稱為氣壓鞍，簡稱鞍，其空間等壓面如馬鞍形。低壓槽H高壓脊海平面氣壓場的根本型式2021年9月12日0000時亞洲地面天氣分析圖第一章 引論l概念：表示大氣中水汽量多少的物理量，反映空氣潮濕程度。l表示法：l1.水汽壓和飽和水汽壓：大氣中的水汽所產(chǎn)生的那部分壓力稱水汽壓e。單位也用hPa；一定溫度、體積空氣中的水汽含量到達最大時的水汽壓稱飽和水汽壓E ，其大小隨溫度的升高而增大。l2.相對濕度：實踐水汽壓e與同溫度下的飽和水汽壓E的比值用百分數(shù)表示，即%100Eef1.5.3 濕度1.5 根本氣候要素第一章 引論3.飽和差d ：在一定溫度下，飽和水汽壓與實踐空氣中水汽壓之差稱飽和差。

20、即d=Ee，d表示實踐空氣間隔飽和的程度。在研討水面蒸發(fā)時常用到d，它能反映水分子的蒸發(fā)才干。4.比濕q ：在一團濕空氣中，水汽的質(zhì)量與該團空氣總質(zhì)量的比值。其單位是g/g或g/kg。利用氣體形狀方程，可得到比濕與水汽壓和氣壓的關(guān)系如下：)/(622kggPeq 1.5.3 濕度1.5 根本氣候要素e=wRwTP=RdT(1+0.378e/p)第一章 引論5. 混合比 ：一團濕空氣中，水汽質(zhì)量與干空氣質(zhì)量的比值即單位為g/g。據(jù)其定義和氣體形狀方程可導(dǎo)出：)/(622kggePe1.5.3 濕度1.5 根本氣候要素e=wRwTP-e=dRdT第一章 引論6.露點：在空氣中水汽含量不變，氣壓一定

21、下，使空氣冷卻到達飽和時的溫度，稱露點溫度，簡稱露點td。其單位與氣溫一樣。氣溫t飽和水汽壓E0E(t)tEeE(td)tdeE(td)td假設(shè)td越高，那么e越大；0dddtttttt越大，那么越不飽和越小，那么越近飽和空氣飽和過飽和1.5.3 濕度1.5 根本氣候要素第一章 引論l概念：是指從天空降落到地面的液態(tài)或固態(tài)水，包括雨、毛毛雨、雪、雨夾雪、霰、冰粒和冰雹等。l表示法：l降水量是降水包括近地面凝結(jié)的露水未經(jīng)蒸發(fā)、浸透、流失，在程度面上所積聚的水層厚度，以毫米表示。l降水強度是單位時間的降水量，常用mm/h或mm/d表示。1.5.4 降水1.5 根本氣候要素第一章 引論l概念：空氣的程度運動稱為風。有大小風速和方向風向。因此風是向量。l表示法：l風速單位常用m/s、knot海里/小時，又稱“節(jié)，和 km/h表示，其換算關(guān)系如下l1m/s=3.6km/h；1knot=1.852km/hl1km/h=0.28m/s；1knot=1/2m/s。l風向是指風的來向。地