大氣科學(xué)概論第二講(大氣基本知識(shí))

1、大氣科學(xué)導(dǎo)論1.第一講 概述第二講 大氣的基本知識(shí)第三講 大氣運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律第四講 關(guān)于氣團(tuán)和鋒的介紹第五講 氣旋與反氣旋（熱帶氣旋）第六講 海氣相互作用的產(chǎn)物厄爾尼諾第七講 天氣預(yù)報(bào)簡介第八講 氣候變化與全球變暖課程內(nèi)容2.第二講 大氣科學(xué)的基本知識(shí)2.1 大氣的組成2.2 大氣的基本物理性質(zhì)2.3 大氣的垂直結(jié)構(gòu)3.第一節(jié) 大氣的組成 干潔大氣（即干空氣）Clean Air 水汽 Moisture 懸浮在大氣中的固液態(tài)雜質(zhì) Impurity 地球大氣由三個(gè)部分組成 :4.低層大氣的主要成分5.一 干潔大氣干潔大氣的定義：除去水汽及其他懸浮在大氣中的固、液體質(zhì)粒以外的整個(gè)混合氣體。干潔大氣的

2、成分變化： 090 km : 主要成分和含量比例基本保持不變。 90km以上: 氮稍有減少,氧稍有增多,氬和二氧化碳明顯減少,其中氧分子和氮分子開始離解 。6. 各種成分介紹： 氮?dú)猓∟2)： 存在方式：以蛋白質(zhì)的形式存在于有機(jī)體中。 作用：是有機(jī)體的基本組成部分，也是合成氮肥的基本原料。 氧氣（O2）： 是人類和動(dòng)植物維持生命活動(dòng)的極為重要的氣體； 積極參加大氣中的許多化學(xué)過程； 對(duì)有機(jī)物質(zhì)的燃燒、腐敗和分解起著重要的作用。 7. 臭氧（O3）： 時(shí)空變化： 時(shí)間變化：最大值出現(xiàn)在春季，最小值出現(xiàn)在夏季。 空間變化：水平：由赤道向兩極增加。垂直： 5560km，含量極少。 2025km，達(dá)最

3、大值，形成臭氧層； 1215km以上，含量增加特別顯著； 從10km向上，逐漸增加； 近地面，含量很少； 8. 這幅圖顯示的是臭氧洞。1986年，南極的臭氧量僅是30年前的一半。1988年，曾發(fā)現(xiàn)北半球上空臭氧層已比20年前要薄3%。這種變化足以使皮膚癌的病例增加。9.臭氧能夠吸收紫外線，減少生物直接遭受紫外線的照射，陸地上的生物便能在此一保護(hù)傘下，順利的生長與繁殖。臭氧的作用： 對(duì)紫外線有著極其重要的調(diào)控制作用。 對(duì)高層大氣有明顯的增溫作用。10. 二氧化碳（CO2）：來源：生物的呼吸、化石燃料的燃燒、有機(jī)物質(zhì)的燃燒和分解、火山噴發(fā)作用等。時(shí)空變化：時(shí)間變化：a) 白天、晴天、夏季時(shí)的濃度小

4、于黑夜、陰天、冬季。b) 工業(yè)革命前小于工業(yè)革命后。空間變化：水平：城市大于農(nóng)村垂直： 020km，含量最高； 20km以上，含量顯著減少。11. CO2的作用： 綠色植物進(jìn)行光合作用不可缺少的原料。 強(qiáng)烈吸收長波輻射（地面輻射、大氣輻射），使地面保持較高的溫度，產(chǎn)生“溫室效應(yīng)”。溫室效應(yīng)模式圖Greenhouse effect12.13.14二、水汽 Moisture 來源： 主要來自江、河、湖、海、潮濕陸面的水分蒸發(fā)以及植物表面的蒸騰。14. 時(shí)間：夏季多于冬季 空間：一般低緯多于高緯，下層多于上層。 時(shí)空變化： 在天氣氣候變化中扮演了重要角色。 能強(qiáng)烈吸收地面放射的長波輻射并向地面和周圍

5、大氣放出長波輻射，對(duì)大氣起著“溫室效應(yīng)”。 作用：水汽 15.在大氣中懸浮著的各種固體和液體微粒（包括氣溶膠粒子和大氣污染物質(zhì)兩大部分）。 三、大氣中的雜質(zhì) Impurity 氣溶膠粒子 ( Aerosol ) 定義：大氣中沉降速率極小、尺度在10-4m到100m 之間的固態(tài)和液態(tài)微粒。 分類：液體質(zhì)粒、固體質(zhì)粒 固體質(zhì)粒的來源：有機(jī)質(zhì)數(shù)量較少，大多為植物花粉、微生物和細(xì)菌等； 無機(jī)質(zhì)數(shù)量較多，主要來源于：塵粒、煙粒、海洋中浪花飛濺的鹽粒，流星飛逝后留下的灰燼，火山塵埃等。16. 吸收太陽輻射，使空氣溫度增高，但也削弱了到達(dá)地面的太陽輻射； 緩沖地面輻射冷卻，部分補(bǔ)償 地面因長波有效輻射而失去

6、的 熱量； 降低大氣透明度，影響大氣 能見度； 充當(dāng)水汽凝結(jié)核，對(duì)云、霧及 降水的形成有重要意義。氣溶膠的作用17. 大氣中的污染物質(zhì)：Pollutant 定義： 由于人類活動(dòng)或自然過程，使局部、甚至全球范圍的大氣成分發(fā)生對(duì)生物界有害的變化。 分布： 空間垂直：主要集中在3km以下的低層大氣中。水平：城市多，農(nóng)村少；陸地多，海洋少； 時(shí)間：冬季多，夏季少；清晨和夜間多，午后少。 18. 火山爆發(fā)、風(fēng)吹揚(yáng)沙和沙塵暴、雷擊森林失火等。 來源： 自然過程形成 人為過程造成 工業(yè)和交通上煤炭、石油、天然氣的使用，農(nóng)業(yè)上化肥、農(nóng)藥的噴施，生活上制冷采暖的排放與泄漏等。19. PM2.5是指大氣中直徑小于

7、或等于2.5微米的顆粒物，也稱為可入肺顆粒物。它的直徑還不到人的頭發(fā)絲粗細(xì)的1/20。雖然PM2.5只是地球大氣成分中含量很少的組分，但它對(duì)空氣質(zhì)量和能見度等有重要的影響。與較粗的大氣顆粒物相比，PM2.5粒徑小，富含大量的有毒、有害物質(zhì)且在大氣中的停留時(shí)間長、輸送距離遠(yuǎn)，因而對(duì)人體健康和大氣環(huán)境質(zhì)量的影響更大。20.21 危害21.第二節(jié) 大氣的基本物理性質(zhì)在氣象學(xué)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。一、主要?dú)庀笠貧庀笠厥侵副硎敬髿鈱傩院痛髿猬F(xiàn)象的物理量，如氣溫、氣壓、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、云量、降水量、能見度等等。22. 氣溫 氣壓 濕度 降水 風(fēng) 云量 能見度主要?dú)庀笠?/p>

8、素23.1、定義：表示大氣冷熱程度的物理量，反映一定條件下空氣分子平均動(dòng)能大小。通常指距地面1.5m高處百葉箱中的空氣溫度。2、單位：攝氏度（）溫標(biāo)；絕對(duì)溫標(biāo)，以K表示；華氏溫標(biāo)：，水的沸點(diǎn)為2123、單位換算：一、氣溫（Temperature）24.百葉箱的設(shè)置條件：1. 全為白色2. 四周全為百葉 3. 離地面1.5m4.窗扇向北（因?yàn)樘枛| 東升西落，以避免開窗時(shí)溫度計(jì)受到陽光直接照射，使得溫度計(jì)的讀數(shù)失真）25.1、定義：單位面積上所承受到的整個(gè)空氣柱的質(zhì)量大氣的壓強(qiáng)。實(shí)質(zhì)：氣壓的大小決定于整個(gè)空氣柱質(zhì)量的多少。2、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓：在緯度為45的海平面上，溫度為0時(shí)，所測(cè)得的水銀柱高高為7

9、60mm的大氣壓強(qiáng)，為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（1atm1013.25Pa）。3、單位：1Pa=1N/m2，mb毫巴，Pa帕斯卡 1mb=100Pa=1hPa（百帕）； 1atm101325Pa1013.25mb=760mmHg二、氣壓（Pressure）水銀氣壓計(jì)26.氣壓的垂直分布 由于大氣層的厚度隨高度的增高而變薄， 空氣密度也隨高度增高而迅速減小， 所以，氣壓隨高度增高而急劇減小。27.1、定義：表示大氣中水汽量多少的物理量稱大氣濕度。意義：大氣濕度狀況直接影響了云、霧、降水等天氣現(xiàn)象的形成。三、濕度（Humidity）水汽壓 (e ) 及飽和水汽壓 ( E ) 相對(duì)溫度（f ）飽和差（d）比濕

10、（q）水汽混合比（） 露點(diǎn)（Td）濕度表示方法28.水汽壓（e）：水汽和其它氣體一樣也有壓力，大氣中水汽產(chǎn)生的那一部分壓力。水汽含量，水汽壓e。單位：hPa水汽壓及飽和水汽壓飽和水汽壓（E）：溫度一定，單位體積空氣中的水汽含量是有一定限度，空氣達(dá)到此限度時(shí)為飽和濕空氣，飽和濕空氣中的水汽所產(chǎn)生的那部分壓力，即最大水汽壓。29.飽和水汽壓（E）saturation vapour pressure反映空氣的最大水汽容納能力飽和水汽壓取決于溫度（馬格奴斯半經(jīng)驗(yàn)公式）定義：飽和濕空氣中水汽的分壓強(qiáng)。影響因子： 溫度 T E 30.飽和差飽和差（d）：在一定溫度下，飽和水汽壓（E）與實(shí)際空氣水汽壓（e）

11、之差稱飽和差（d）。即：d=E-e意義：飽和差（d） 表示實(shí)際空氣距離飽和的程度。d越大，越不飽和；d=0，空氣達(dá)飽和狀態(tài)；d 0，說明不飽和；d0，過飽和。31. 飽和差（ d ）saturation deficit定義：同一溫度下飽和水汽壓與實(shí)際水汽壓之差。d=E-e，反映空氣的潮濕程度。影響因子：溫度不變，E不變：水汽含量 e d水汽含量不變，e不變：溫度 E d溫度、水汽含量32.相對(duì)濕度相對(duì)濕度（f）：表示空氣中的實(shí)有水汽壓（e）與同溫度下飽和水氣壓（E）的百分比。即：f=e/E 100%意義：相對(duì)濕度（f）直接反映了空氣距離飽和的程度。f 越大，越接近飽和，當(dāng)達(dá)到f=100%時(shí)，空

12、氣就達(dá)飽和狀態(tài)，此時(shí)水汽就要開始凝結(jié)。33. 相對(duì)濕度（f）relative humidity定義： 空氣的實(shí)際水汽壓與同溫度下的飽和水汽壓的百分比值。含義：反映空氣的潮濕程度溫度不變，E不變：水汽含量 ，e， f水汽含量不變，e不變：溫度， E， f 34.比濕和水汽混合比比濕（q）：在一團(tuán)濕空氣中，水汽的質(zhì)量與該團(tuán)空氣總質(zhì)量（水汽質(zhì)量加上干空氣質(zhì)量）的比值，稱比濕。即：q=m水/(m干+ m水)，其單位是g/g。水汽混合比（S）：相對(duì)濕一團(tuán)濕空氣中，水汽質(zhì)量與干空氣質(zhì)量的比值稱水汽混合比。S=m水/m干，其單位是g/g。35. 比濕（q）、混合比（S）、絕對(duì)濕度（a）比濕(Specific

13、 humidity, q)：濕空氣中水汽的質(zhì)量與濕空氣總質(zhì)量的比值?；旌媳?Mixing ratio, S)：濕空氣中水汽的質(zhì)量與濕空氣中干空氣質(zhì)量的比值。絕對(duì)濕度（水汽密度, Absolute humidity, a)：單位體積濕空氣中水汽的質(zhì)量。36.露點(diǎn)露點(diǎn)（Td）：在空氣中水汽含量不變，氣壓一定下，使空氣冷卻達(dá)到飽和時(shí)的溫度， 稱為露點(diǎn)溫度，簡稱露點(diǎn)。含義：氣壓一定時(shí)，露點(diǎn)的高低只與空氣中的水汽含量有關(guān)，水汽含量越多，露點(diǎn)越高，所以露點(diǎn)也是反映空氣中水汽含量多少的物理量。在實(shí)際大氣中，空氣常處于不飽和狀態(tài)，此時(shí)露點(diǎn)要比氣溫低，即露點(diǎn)溫度差（Td-T）0。當(dāng)Td=T時(shí)，空氣飽和；當(dāng)Td-

14、T0時(shí)，空氣不飽和；當(dāng)Td-T0，空氣過飽和。37. 露點(diǎn)溫度( Td) dew-point temperature定義：對(duì)于含有水汽的濕空氣，在不改變氣壓和水汽含量的情況下，降低溫度而使空氣達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)的溫度。EeTTTdeE（T,e）反映空氣中水汽含量的多少，水汽含量 露點(diǎn)溫度Td38.上述各種表示濕度的物理量：水汽壓、比濕、水汽混合比、露點(diǎn)基本上表示空氣中水汽含量的多寡。而相對(duì)濕度、飽和差、溫度露點(diǎn)差則表示空氣距離飽和的程度。 各種表示濕度的物理量小結(jié)39.四、降水(Precipitation)含義：降水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。

15、降水量指降水落至地面后（固態(tài)降水則需經(jīng)融化后），未經(jīng)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。在高緯度地區(qū)冬季降雪多，還需測(cè)量雪深（從積雪表面到地面的垂直深度，cm）和雪壓。（單位面積上的積雪重量，g/cm2）。降水量是表征某地氣候干濕狀態(tài)的重要要素，雪深和雪壓還反映當(dāng)?shù)氐暮涑潭取?0.五、風(fēng)(Wind)定義：空氣的水平運(yùn)動(dòng)稱為風(fēng)。風(fēng)是一個(gè)表示氣流運(yùn)動(dòng)的物理量。它不僅有數(shù)值的大?。L(fēng)速），還具有方向（風(fēng)向）。因此風(fēng)是向量（矢量）。風(fēng)向是指風(fēng)的來向。地面風(fēng)向用16 方位表示；在16 方位中，每相鄰方位間的角差為22.5。風(fēng)標(biāo)和風(fēng)速計(jì)：左邊是杯型風(fēng)速計(jì)，右邊是螺旋槳風(fēng)向

16、風(fēng)速計(jì)，可同時(shí)測(cè)量風(fēng)向和風(fēng)速。41.地面風(fēng)向表示方法42.五、風(fēng)高空風(fēng)向常用方位度數(shù)表示；即以0(或360)表示正北，90表示正東，180表示正南，270表示正西。風(fēng)速單位常用m/s、knot（海里/小時(shí)，又稱“節(jié)”）和km/h 表示，其換算關(guān)系如下:1m/s=3.6km/h；1knot=1.852km/h1km/h=0.28m/s；1knot=1/2m/s。43.在地面天氣圖上，用下列圖示來表示風(fēng)，風(fēng)尾長劃風(fēng)速為4米/秒，即風(fēng)力為2級(jí)，短劃風(fēng)速為2米/秒。一個(gè)風(fēng)旗，表示風(fēng)力為8級(jí)。風(fēng)尾和風(fēng)旗均放在風(fēng)桿的左側(cè)。西南風(fēng)5級(jí)東南風(fēng)12級(jí)天氣圖上風(fēng)的表示方法44.風(fēng)力等級(jí) 風(fēng)力等級(jí)陸地上面物體征象相

17、當(dāng)風(fēng)速（米/秒）0123456789101112靜煙直上 煙能表示風(fēng)向，樹葉略有搖動(dòng) 人面感覺有風(fēng)，樹葉有微響 樹葉及小枝搖動(dòng)不息，旗子展開 能吹起地面灰塵和紙張，樹的小枝搖動(dòng) 有葉的小樹搖擺，內(nèi)陸的水面有小波 大樹枝搖動(dòng)，電線呼呼有聲，撐傘困難 大樹搖動(dòng)，大樹枝彎下來，迎風(fēng)步行感覺不便 可折毀樹枝，人向前感到阻力甚大 煙囪及平房屋頂受到損壞，小屋遭到破壞 樹木可被吹倒，一般建筑物遭破壞 大樹可被吹倒，一般建筑物遭到嚴(yán)重破壞 陸上少見，摧毀力極大 0.00.20.31.51.63.32.45.45.57.98.010.710.813.813.917.117.220.720.824.424.52

18、8.428.532.632.645.0級(jí)靜風(fēng)，風(fēng)平浪靜，煙往上沖。 1級(jí)軟風(fēng)，煙示方向，斜指天空。 2級(jí)輕風(fēng)，人有感覺，樹葉微動(dòng)。 3級(jí)微風(fēng)，樹葉搖動(dòng)，旗展風(fēng)中。 4級(jí)和風(fēng)，灰塵四起，紙片風(fēng)送。 5級(jí)清風(fēng)，塘水起波，小樹搖動(dòng)。 6級(jí)強(qiáng)風(fēng)，舉傘困難，電線嗡嗡。 7級(jí)疾風(fēng)，迎風(fēng)難行，大樹鞠躬。 8級(jí)大風(fēng)，折斷樹枝，江湖浪猛。 9級(jí)烈風(fēng)，屋頂受損，吹毀煙囪。 風(fēng)力等級(jí)：英國蒲福46.六、云量 (cloud amount)云是懸浮在大氣中的小水滴、冰晶微粒或二者混合物的可見聚合群體，底部不接觸地面（如接觸地面則為霧），且具有一定的厚度。云量是指云遮蔽天空視野的成數(shù)。將地平以上全部天空劃分為10份，為云

19、所遮蔽的份數(shù)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。47.高云（5000m以上）中云（2500-5000m）低云（2500m以下）48.七、能見度（Visibility）能見度指視力正常的人在當(dāng)時(shí)天氣條件下，能夠從天空背景中看到和辨出目標(biāo)物的最大水平距離。單位用米（m）或千米（km）表示。49.空氣狀態(tài)方程 對(duì)一定質(zhì)量的空氣，其P、V、T之間存在函數(shù)關(guān)系。例如，一小團(tuán)空氣從地面上升時(shí)，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(shí)做功，消耗了內(nèi)能，氣溫乃降低。這說明該過程中一個(gè)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(gè)量都不變

20、，就稱空氣處于一定的狀態(tài)中，因此，研究這些量的關(guān)系就可以得到空氣狀態(tài)變化的基本規(guī)律。 空氣狀態(tài)常用密度（）、體積（V）、壓強(qiáng)（P）、溫度（T）表示。50. 氣象上常用的狀態(tài)方程為：P=RT其中P為壓強(qiáng)，為空氣密度，R為比氣體常數(shù)，T為空氣的溫度。 對(duì)于一團(tuán)干空氣而言，Rd即干空氣的比氣體常數(shù)為Rd=0.287J/g.k。狀態(tài)方程式濕空氣的狀態(tài)方程為：P=RdT（1+0.3e/p） P為濕空氣壓， e為水汽壓。51.第三節(jié) 大氣圈的垂直結(jié)構(gòu)觀測(cè)證明，大氣在垂直方向上的物理性質(zhì)是有顯著差異的。根據(jù)溫度、成分、電荷等物理性質(zhì)，同時(shí)考慮到大氣的垂直運(yùn)動(dòng)等情況，可將大氣分為五層。大氣科學(xué)研究重點(diǎn)：對(duì)流層

21、，平流層52.對(duì)流層（Troposphere, 自地面到10km左右）對(duì)流層的主要特點(diǎn)： 對(duì)流層是大氣的最下層，它的下界為地面，集中3/4大氣，90%水汽，云、霧、雨雪等主要大氣現(xiàn)象都出現(xiàn)在此層，也是對(duì)人類生產(chǎn)、生活影響最大的一個(gè)層次，也是大氣科學(xué)研究的重點(diǎn)層次。氣溫隨著高度而降低， 每升高100m平均降溫0.65空氣具有強(qiáng)烈的對(duì)流、亂流運(yùn)動(dòng)，大氣污染主要發(fā)生在該層溫度和濕度等氣象要素水平分布不均勻53.在對(duì)流層的最下層稱為行星邊界層或摩擦層。其范圍一般是自地面到11.5km高度。在這層里大氣受地面摩擦和熱力的影響最大，湍流交換作用強(qiáng)，水汽和微塵含量較多，各種氣象要素都有明顯的日變化。行星邊界

22、層以上的大氣層稱為自由大氣。在自由大氣中，地球表面的摩擦作用可以忽略不計(jì)。在對(duì)流層的最上層，介于對(duì)流層和平流層之間，還有一個(gè)厚度為數(shù)百米到12km的過渡層，稱為對(duì)流層頂。這一層的主要特征是：氣溫隨高度的增加突然降低緩慢，或者幾乎不變，成為上下等溫。54.對(duì)流層(troposphere) 平流層(stratosphere) 對(duì)流層頂 (tropopause) 平流層頂(stratopause) 55.大氣邊界層對(duì)流層下層11.5km，地面阻滯和摩擦 作用明顯近地層地面以上50100m，上下氣溫之差可達(dá)12 自由大氣大氣邊界層以上，地面摩擦可以忽略對(duì)流層頂介于對(duì)流層和平流層之間的過渡層對(duì)流層56.

23、溫度隨高度升高而增加平流層這種氣溫分布特征是和它受地面溫度影響很小，特別是存在著大量臭氧能夠直接吸收太陽輻射有關(guān)。雖然30km以上臭氧的含量已逐漸減少，但這里紫外線輻射很強(qiáng)烈，故溫度隨高度增加得以迅速增高，造成顯著的暖層。 平流層（Stratosphere, 自對(duì)流層頂?shù)?5km）在25km高度上，有一個(gè)臭氧含量相對(duì)較高的層次，為臭氧層。由此向上、向下臭氧逐漸減少。57.大部分的臭氧分布在地球表面上空10到50km處（平流層中）。其中距地表25km附近高空臭氧的濃度最大，稱為臭氧層。58.沒有強(qiáng)烈的對(duì)流運(yùn)動(dòng)平流層內(nèi)氣流比較平穩(wěn)，空氣的垂直混合作用顯著減弱，不利于空氣對(duì)流運(yùn)動(dòng)發(fā)展。所以叫平流層。水汽、塵埃含量很少平流層中水汽含量極少，大多數(shù)時(shí)間天空是晴朗的。但有時(shí)在20-30km處可看到貝母云，它常出現(xiàn)在冬季極區(qū)。平流層中的微塵遠(yuǎn)較對(duì)流層中少，但是當(dāng)火山猛烈爆發(fā)時(shí)，火山塵可到達(dá)平流層，影響能見度和氣溫。平流層59.火山灰進(jìn)入大氣層引起全球氣溫下降“陽傘