氣象學(xué)課件第2章教學(xué)內(nèi)容

氣象學(xué)課件第2章（一）氮（N2）大氣中含量最多的成分，約78%。地球上有機(jī)體的基本組成部分。合成氮肥的基本原料。大部分以蛋白質(zhì)的形式存在在于有機(jī)體中。（二）氧（O2）大氣中次多的成分，約占大氣容積的21%。人類和動(dòng)植物維持生命活動(dòng)極為重要的氣體。參與大氣中的許多化學(xué)過(guò)程。對(duì)有機(jī)物質(zhì)的燃燒、腐敗和分解起著極其重要的作用。CompanyLogo（三）臭氧（O3）大氣中含量極少。主要是在太陽(yáng)紫外線輻射作用下通過(guò)光化學(xué)作用由氧分子分解為氧原子后再和另外的氧分子結(jié)合而形成。對(duì)紫外線有極其重要的調(diào)控作用：吸收多余的紫外線，不致使過(guò)多的紫外線到達(dá)地面對(duì)生物構(gòu)成傷害，又能透過(guò)少許的紫外線殺滅地面對(duì)動(dòng)植物有害的一些病菌。對(duì)高空大氣有明顯的增溫作用。CompanyLogo（四）二氧化碳（CO2）在大氣中含量很少。主要來(lái)源于生物的呼吸、化石燃料的燃燒、有機(jī)物質(zhì)的燃燒和分解、火山的噴發(fā)作用等。低層大氣中二氧化碳的含量隨時(shí)間和空間的不同略有變化。是綠色植物進(jìn)行光合作用不可缺少的原料。具有相當(dāng)強(qiáng)的吸收長(zhǎng)波輻射的能力。二氧化碳與“溫室效應(yīng)”。CompanyLogo二、水汽來(lái)源：主要來(lái)自江、河、湖、海、潮濕陸面的水分蒸發(fā)以及植物表面的蒸騰。

作用：在天氣氣候變化中的重要作用。對(duì)大氣和地面的溫度狀況有著顯著影響。使世界各地形成各種各樣的天氣和氣候。水汽與“溫室效應(yīng)”。

CompanyLogo三、大氣中的雜質(zhì)

在大氣中懸浮著的各種固體和液體顆粒（包括氣溶膠粒子和大氣污染物質(zhì)兩大部分）統(tǒng)稱為雜質(zhì)。（一）氣溶膠粒子大氣中沉降速率極小、尺度在10-4μm到100μm之間的固體和液態(tài)微粒，稱為氣溶膠粒子。

作用：吸收太陽(yáng)輻射，使空氣溫度增高，但也削弱了到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射；緩沖地面輻射冷卻，部分補(bǔ)償?shù)孛嬉蜷L(zhǎng)波有效輻射而失去的熱量；降低大氣透明度，影響大氣能見(jiàn)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。CompanyLogo（二）大氣中的污染物質(zhì)大氣污染

由于人類活動(dòng)或自然過(guò)程，使局部、甚至全球范圍的大氣成分發(fā)生對(duì)生物界有害的變化稱為大氣污染。大氣中的污染物質(zhì)主要集中在3km以下的低層大氣中。大氣污染物質(zhì)的兩大來(lái)源自然形成過(guò)程火山爆發(fā)，沙塵暴，森林火等；人為過(guò)程工業(yè)和交通上煤炭，石油，天然氣的使用；農(nóng)業(yè)上化肥，農(nóng)藥的使用；生活上制冷采暖的排放與泄露等。CompanyLogo大氣中主要的污染物顆粒物質(zhì)，二氧化硫，氮氧化物，一氧化碳，碳?xì)浠铮蚧?，氟化物及光化學(xué)氧化劑等。一次污染物與二次污染物污染物一次污染物二次污染物含硫化合物SO2、H2SSO3、H2SO4、硫酸鹽含氮化合物NO、NH3NO2、HNO3、硝酸鹽碳的氧化物CO、CO2無(wú)碳?xì)浠衔顲1～C5醛、酮、過(guò)氧乙酰基硝酸酯鹵素化合物HF、HCL無(wú)CompanyLogo第二節(jié)

大氣的鉛直結(jié)構(gòu)一、大氣的鉛直結(jié)構(gòu)（一）對(duì)流層對(duì)流層的主要特點(diǎn)：集中了80%以上的大氣質(zhì)量和幾乎所有的水汽；溫度隨高度升高而降低；空氣具有強(qiáng)烈的垂直運(yùn)動(dòng)和不規(guī)則的亂流運(yùn)動(dòng)；氣象要素水平分布不均勻。根據(jù)氣流和天氣特點(diǎn)，還可以把對(duì)流層細(xì)分為下層、中層、上層和對(duì)流層頂?shù)人膶?。CompanyLogoCompanyLogo（二）平流層平流層的特點(diǎn)：在平流層下部，隨高度的增加氣溫變化很小，在25km以上，氣溫隨高度的增加而顯著升高；該層空氣以水平運(yùn)動(dòng)為主，無(wú)明顯的垂直運(yùn)動(dòng)；水汽和塵埃含量較少，晴朗少云，大氣透明度好，氣流比較平穩(wěn)，適于飛機(jī)航行。（三）中間層氣溫隨高度增高而迅速下降；有強(qiáng)烈的鉛直運(yùn)動(dòng)，又稱“高空對(duì)流層”。CompanyLogo（四）熱成層又稱熱層或暖層。溫度隨高度升高而迅速增高；空氣密度小，空氣質(zhì)點(diǎn)在太陽(yáng)紫外線輻射和宇宙高能粒子作用下，產(chǎn)生電離現(xiàn)象。該層空氣多被離解成離子，故又稱電離層，它具有很強(qiáng)的反射無(wú)線電波的能力，對(duì)無(wú)線電通訊具有重要作用。（五）散逸層是地球大氣的最高層。這一層的大氣物質(zhì)具有向星際空間散逸的特性，是大氣圈與星際空間的過(guò)渡地帶。CompanyLogo二、大氣上界

大氣的頂界是模糊的，地球大氣和星際空間氣體之間沒(méi)有一個(gè)截然的分界面把它們分開(kāi)，而是逐步過(guò)渡的。為了實(shí)際的應(yīng)用，通過(guò)物理分析，給大氣劃定一個(gè)大致的上界面。一種是根據(jù)大氣中物理現(xiàn)象極光出現(xiàn)的最大高度作為大氣的物理上界，高度為1000～1200km。另一種是以大氣密度接近星際氣體密度的高度作為大氣上界的標(biāo)準(zhǔn)，約在2000～3000km高度處。CompanyLogo第三節(jié)大氣的物理性質(zhì)一、大氣的質(zhì)量

單位截面積的大氣柱中空氣的質(zhì)量為：

m0=ρ0·Z0=1.293×8000=10344㎏/㎡

其中，ρ0為標(biāo)準(zhǔn)情況下的空氣密度（ρ0=1.293㎏/m3

）為氣溫0℃時(shí)，45°N（或45°S）處海平面上的密度；Z0為此時(shí)大氣的厚度，經(jīng)理論計(jì)算約為8000m.據(jù)此地球表面大氣的總質(zhì)量約有5×105t,即在地面上1㎡大約要承受10t的大氣質(zhì)量。實(shí)際大氣的密度是隨高度按指數(shù)規(guī)律減小的，其關(guān)系式為：

ρz=

ρ0·ez/z0（2-1）式中：ρz為z高度處的大氣密度；

ρ0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的大氣密度；Z0為均質(zhì)大氣的高度，z為對(duì)應(yīng)與要計(jì)算ρz的高度。CompanyLogo二、大氣的氣體狀態(tài)方程大氣物理狀態(tài)的常用物理量質(zhì)量（m）壓強(qiáng)(P)溫度(T)體積(V)對(duì)一定質(zhì)量的空氣，P、V、T之間存在著函數(shù)關(guān)系。CompanyLogo

（一）干空氣的狀態(tài)方程理想氣體的狀態(tài)方程為：

（2-2）

式中：μ為氣體的摩爾質(zhì)量；R*是通用氣體常數(shù)．其值為8．31J／（mol·K）；m為氣體的質(zhì)量。在通常情況下，可認(rèn)為地球大氣和理想氣體相近似。因此可用（2-2）式求得干空氣的狀態(tài)方程。對(duì)于單位質(zhì)量（g）的干空氣，則可將上式改寫成：Pdv=(R*/μ)·T=RdT

(2-3)式中：

v為單位質(zhì)量干空氣所占的體積，稱比容；μ為干空氣的摩爾質(zhì)量（其值為28.87）；Rd為單位質(zhì)量干空氣的氣體常數(shù)，稱干氣體比氣體常數(shù)，其值為0.287

J／（mol·K）；

Pd為干氣體壓強(qiáng)。CompanyLogo由于v=1/ρd(ρd

為干氣體密度)，所以干空氣狀態(tài)方程可寫成如下形式：

Pd=ρdRdT或ρd=Pd/

RdT（2-4）

由此式可知，空氣密度隨氣壓和溫度而變化。（二）水汽狀態(tài)方程

大氣中的水汽在沒(méi)有相變的情況下，也可利用理想氣體的狀態(tài)方程。對(duì)于水汽有：e=ρwRwT或ρw=

e/RwT（2-5）

式中：e為水汽的壓強(qiáng)；Rw為水汽的比氣體常數(shù)，其值為0.461

J／（g·K）；T為溫度；ρw為水汽密度。CompanyLogo（三）濕空氣狀態(tài)方程濕空氣的總壓強(qiáng)（P）：

據(jù)道爾頓分壓定律，混合氣體的總壓強(qiáng)等于各氣體成分的分壓強(qiáng)之和，所以濕空氣總壓強(qiáng)（Pd）應(yīng)為干空氣分壓強(qiáng)(e)和水汽分壓強(qiáng)之和，即：P=Pd+e濕空氣密度（ρ）：

ρ=ρd+ρ0

據(jù)（2-4）和（2-5）式，可得濕空氣的狀態(tài)方程為：（2-6）

CompanyLogo由于e/P值通常很小，所以（2-6）可寫為：

（2-7）CompanyLogo三、氣象要素表示大氣狀態(tài)和特征的物理量和物理現(xiàn)象，統(tǒng)稱為氣象要素。

氣象要素包括：日射、溫度、濕度、氣壓、風(fēng)、云、降水、蒸發(fā)、能見(jiàn)度和天氣現(xiàn)象等。

能見(jiàn)度：氣象學(xué)上把人的正常視力所能看到的目標(biāo)物的最大距離叫做能見(jiàn)度。