大气物理学：01大气概述

1、1,大气物理学,2,Grading,Homework: 20%; Term paper: 10%; Examination: 70%.,3,参考书目：,1.美 J、M 华莱士，P.V.霍布斯著.大气科学概观.上海科学技术出版社，1981 2. 许绍祖主编. 大气物理学基础. 气象出版社, 1991 3. 周秀骥等编著. 高等大气物理学.气象出版社,1991 4. 盛裴轩,毛节泰等. 大气物理学, 北大出版社, 2013,4,第一章 大气概述 一、定义 主要研究地球大气现象与过程的物理机制和规律。 大气现象与过程：大气中流体运动、光象、电象、热现象、相变过程、辐射过程。 二、分支 大气动力学、大

2、气光学、大气电学、大气热力学、云降水学、大气辐射学,5,三、学科位置 按研究范畴大体可划分为： 自然科学：数、理、化、天、 地 、生、工 程 与材料科学、 信息科学、管理科学 社会科学,6,地球科学 包括 大气科学 、海洋科学、地理学、地质学等 大气科学 基础学科：大气物理学、大气化学、大气动力学、天气学、气候学、大气探测学 应用学科：农业气象学、水文气象、医疗气象、污染气象、人工影响天气等,7,1）近代大气物理学起始阶段（18世纪中叶20世纪中叶）,四、大气物理学发展简史,1752，美国Franklin第一次用风筝探明雷击的本质就是电。,1871，英国物理学家Rayleigh解释了天空兰色的

3、 现象,8,1908，德国物理学家G.Mie 解决了球形粒子的散射问题,1859-1901，这两位德国物理学家开创了辐射定律,Max Karl Ernst Ludwig Planck （1858-1947） 德国物理学家，量子力学的开创人,G.R.Kirchhoff （1824-1887） 德国物理学家,9,1880-1881，英国物理学家J.Aitken等指出了凝结核在雾滴形成中的重要作用。1911，.T.R.Wilson发明云室，因此获1927年诺贝尔物理学奖。是云雾物理的基础和开端。,2）大气物理学高速发展阶段（20世纪中叶以来）,具有重大实际应用问题的需要大大加速了大气物理学的发展。,

4、1）1946年，美国物理学家I.Langmuir, V.J.Schaefer发现干冰可以催化云产生降水,后来，B.Vonnegut发现碘化银可作为人工冰核 大大激励了科学家们进行人工影响云雨的勇气与信心，促使云降水物理学获得了重大发展。,10,2）需要掌握大气环境演变规律，促使大气边界层与大气湍流学科的发展,3）卫星、雷达等遥感技术的发展，推动了大气辐射学的研究,11,第一节 宇宙、地球、大气的 起源和演化 一、宇宙的起源 大爆炸学说,按照Friedmann等人的理论，Russian American physicist George Gamow 和他的学生American physicist

5、s Ralph Alpher and Robert Herman （1940s）认为过去必定存在一个有限的时刻，那时宇宙中的物质被压缩为极高密度的状态，这个时刻被称为“大爆炸”，也就是宇宙起源的时刻。,12,他们的计算结论是：作为“大爆炸”过程的遗迹，目前宇宙中应普遍存在温度约5K的背景黑体辐射。 1989年，美国宇航局专门为此发射了宇宙背景探测者卫星观测数据表明，该辐射的谱分布与2735K的黑体辐射完全相合，天空不同方向的相对温差小于十万分之一。这就证明了背景辐射的黑体性和普适性。这种“背景辐射”的存在是“大爆炸”模型最令人信服的证据之一。 通过现代物理学理论，可以模拟宇宙在大爆炸后110-

6、43秒的状态，但对于此时刻之前还没有新的理论将万有引力和广义相对论二者之间结合起来。,13,膨胀理论,上世纪70年代，美国科学家Alan Guth、Paul Steinhardt和美籍俄裔天文学家Andreas Linde提出从大爆炸后110-35秒开始的110-32秒内宇宙极速膨胀为原来的11050倍，然后减缓为近乎常速。认为宇宙处于开放与封闭系统的边缘状态。 可解释大爆炸学说不能解释的宇宙常速膨胀和宇宙的均匀性等问题，被广大理论天文学家认同。 上世纪90年代以来，观测天文学家对该理论有不同看法，认为宇宙应该是一个开放系统。,14,膨胀理论图示：白点代表星系，膨胀后相互远离,15,宇宙无限论

7、： 有限无界论：,在17世纪，Galilei、Newton 在经典力学体系的基础上，建立了宇宙无限无边的理论，即宇宙的体积是无限的，没有空间边界，无限的天体分布在无限的空间之中。,1917年，Albert Einstein在广义相对论的基础上，提出了有限无界的静态宇宙模型。认为宇宙是有限无边的，即宇宙空间的体积是有限，是一个弯曲的封闭体，这个弯曲的封闭体没有边界，类似一个球面，面积有限，但沿着球面运动总是遇不到“边”。该理论拉开了现代宇宙学研究的序幕。,16,二、地球与宇宙,银河系中心,银河系与河外星系,17,18,太阳系,19,2006年08月24日北京时间晚间9:30，第26届国际天文学联

8、合会IAU大会就有关行星新定义的决议草案进行了表决，通过新的行星定义。国际天文从而确认太阳系只有8颗行星，冥王星遭到彻底“降级”。冥王星被排除在行星行列之外，而将其列入“矮行星”。现在太阳系的天体包括：八大行星，矮行星和小天体。,20,地球形成,50亿年前，地球的轮廓已初步形成。最初是个火球。随着地球逐步冷却，较重的物质沉到中心，形成地核；较轻的物质浮在上面，冷却后形成地壳。 其结构见下图,21,地球构造图,22,三、大气演化,1、原始地球上无大气、无海洋； 火山爆发频繁发生 2、火山喷发形成原始大气，主要由水汽、 CO2、氮和硫或硫化物。没有氧气。 大量水汽造成长时间降雨，持续了几千年（推测

9、），形成原始海洋，生命就在原始海洋的汤液中形成。,23,3、生命的光合作用使大气圈中出现了氧气。 从火山喷发出来的氮，由于其化学惰性及其在水中的低溶解度，大部分仍留在大气中，成为现代大气中的主要气体成分； 大气中的氩，是地球固体部分放射性物质 40K衰变时的副产品。,24,第二节 大气组成 一、气体成分,地球大气是由多种气体以及漂浮于其中的固态、液态等颗粒物质组成的。,90km以下干洁大气均匀混合，称为均匀层,25,1、90km以下大气的气体成分 1）按浓度时空变化是否明显来分， 分为：,定常成分：浓度的时空变化不明显 的气体成分。主要包括N2、O2、惰性气体,可变成分：定义略。例如，水汽、

10、CO2、O3、CH4等,26,2）按浓度（单位为体积混合比）来分，分为：,主要气体：浓度1%，包括N2、O2、Ar,微量气体：1ppm1%，包括CO2、CH4 、Ne 、 He、 Kr、 水汽（2 ppm4%,痕量气体： 1ppm，包括（见表）,27,28,大气的组成饼图,29,2、90km以上大气 3、有关概念及其它特征,1）空气分子大部分都发生离解； 2）空气成分随高度的分布逐渐变成按分子量（或原子量）大小排列。 从低层到高层依次为N2 、O、 He、 H,1）干洁大气：不含水汽和悬浮颗粒物的 大气称为干洁大气,30,2）相变特征：在地球大气温、压条件下，水汽是唯一能发生相变的气体成分,3

11、）平均分子量 90km以下，空气平均分子量为28.966，不随高度变化；90km以上，随高度递减。 具体如下图,4）空气密度 标准状态（p=1013.25hPa, t=0）下，干空气密度为1.29kg/m3,31,32,4、重要气体成分的作用,1）主要气体氮、氧 对生命活动有重要意义，但对天气、百万年尺度的气候变化没有什么作用。,2）微量、痕量气体水汽、CO2 、O3,a)水汽 是云和降水的源泉； 在全球能量平衡中起重要作用，影响 地面和空气温度； 是地球系统的水循环中起重要角色。,33,34,地表上的水 全球年水量平衡,35,b) CO2 c) O3 写1篇读书报告，题目分别为“CO2及全球

12、变暖”、“O3”,36,37,The current concentration of CO2 is about 365 ppm (part per million), as compared to the pre-industrial concentration of about 285 ppm. This is an increase of about 28%. This increase is primarily due to the burning of fossil fuels (also some loss of biomass),38,The globally averaged

13、surface temperature is projected to increase by 1.4 to 5.8C over the period 1990 to 2100.,39,Fig. 1-4, p. 7,40,Fig. 1-3, p. 6,41,Increase in catastrophic flood events,42,Global average sea level has risen and ocean heat content has increased,43,Increase in frequency and intensity of droughts,Source:

14、 OSTP,44,Snow cover and ice extent have decreased,45,二、大气气溶胶粒子 1、定义： 尺度范围：1nm-100m,大气中分散、悬浮有液体或固体微粒时的气体和悬浮物的总体系称为大气气溶胶。而其中的悬浮物就称为气溶胶粒子。,46,2、分类 1）云降水学分类（按半径分类） 2）大气环境学分类,爱根核：半径在0.01到0.1微米之间。 大核：半径在0.1到1微米之间。 巨核：半径大于1微米。,TSP、降尘、PM10、PM2.5、尘粒、粉尘、灰霾、等。,47,3、大气气溶胶粒子的源和汇 1）源,据估计，全球气溶胶质粒主要是自然界产生的，人工来源仅为自然

15、来源的五分之一。 包括海水飞沫（见下图）、气粒转换、风扬沙尘、火山爆发,48,49,2）汇 即气溶胶粒子被移出大气的过程。,按是否有水质粒参与，分为干移出、湿移出。,50,干移出过程：指质粒在干的状况下移出大气的过程。包括重力下沉、附粘移出。 湿移出过程：指质粒受雨雪或云雾滴等影响而下沉到下垫面移出大气的过程。包括凝长下沉、碰并下沉。,51,4、大气气溶胶粒子在大气过程中的作用,1）在云雾降水中的作用； 可作为水汽凝结和凝华以及水滴冻结的核 心，即部分大气气溶胶粒子可作为CCN（cloud condensation nuclei)或IN (ice nuclei),2）对大气辐射过程的影响； 吸

16、收和散射太阳辐射，影响大气温度的垂直分布。,52,3）对大气光学特性的影响； 对太阳光的散射和吸收，会影响大气能见度，还会影响天空颜色。一些光学现象的出现，也与它们的作用有关。,53,54,55,虹和霓含七种色光的太阳光线，射入大气中的水滴(雨滴或雾滴)，各种色光经历折射和反 射后，可在雨幕或雾幕上形成彩色光弧环。当光弧环对观测者所张的角半径约42度， 光环的彩色排序是内紫外红时，称为虹。在虹的外面，有时还出现较虹弱的彩色光环，光环对观测者所张的角半径约为52 度，彩色环的排序与虹相反即内红外紫，称为霓或副虹。虹和霓都要背对太阳而立才能观察到。在夏日的傍晚，西方放晴而东方天空有云 雨时，最易看

17、到虹和霓。,56,折射和反射,57,58,内红外紫的晕是 阳光或月光透过云中的冰晶时发生折射和反射形成,59,形成内紫外红的彩环称为华，是均匀云滴(水滴或冰晶)的衍射,60,61,4）对大气电学特性的影响 气溶胶粒子捕获小离子而成为大离子，由于大离子迁移率小，故大气电场中的传导电流减小,62,5）在大气化学过程中的作用。 气溶胶粒子在大气的许多化学过程中起作用。,63,第三节 大气的垂直结构 大气上界： 物理现象上界为 1200km( 极光出现高度）； 大气密度上界为20003000km ( 接近于星际气体密度1个/cm3的高度）,分层标准： （1）按温度随高度的变化,（2）按大气成分是否混合

18、均匀（或称按空气平均分子量随高度变化）分： 均匀层、非均匀层,64,（3）按电离状况分,（4）按O3浓度分： 臭氧层（1050km) 非臭氧层,（5）按地磁场对带电粒子运动作用明显与否分,一、按温度随高度的变化 分为对流层、平流层、中层、热层、外层,65,66,1、对流层（12km以下）,在赤道地区对流层顶的高度约18千米，中纬度地区约12千米，极地地区约8千米。夏季的对流层厚度大于冬季。 以南京为例，夏季的对流层厚度达17公里，而冬季只有11公里，冬夏厚度之差达6公里之多。 特点：,67,1)、温度随高度的增加而降低，气温递减率为6.5/km,定义气温递减率：高度每升高单位高 度气温降低的度

19、数。,2)、对流层中的垂直运动显著。,3)、集中了80%的大气质量和几乎全部水汽,68,4)、云雾降水均发生在此层,5)、受地表影响最强烈，空气属性的 水平分布很不均匀,69,2、平流层（12km55km),1)25km以下温度递减率接近零，25km以上温度随高度明显增加,2)平流层气流运动主要以水平运动为主.,3)水汽极少，颗粒物极少，能见度极好。,4）大气污染物进入平流层后能长期存在,70,3、中层（85 km),1）层内温度随高度增加而下降,2）空气的垂直对流运动强,故又称之为高空对流层或上对流层。,71,4、热层（550km),1)温度随高度增加而上升,2)高度电离。,3）带电粒子运动

20、受地球磁场的作用明显。,72,73,74,75,76,77,Mohe China,78,Antarctic aurora,79,Boutin, Municipal beach of St-Prime Quebec Canada,80,81,5、外层（大气上界）,2）大气成分可以散逸到星际空间。,1）随高度升高气温增加不显著,82,83,二、按电离状况分,地壳和大气中的放射性物质主要对低层大气的电离起作用，而它们的作用较弱，而宇宙线和太阳紫外线辐射对高层大气起作用，且作用较强。因此，大气中离子浓度低层低，高层高，据此分为,中性层（60km以下) 电离层（60km以上）,84,三、按地磁场对带电粒

21、子运动作用明显与否分,1、非磁层（500km以下）,由于空气较稠密，带电粒子的运动主要受粒子间的碰撞支配,2、磁层（500km以上）,本层内存在大量带电粒子，空气又稀薄，粒子间碰撞稀少，所以，带电粒子的运动主要受地磁场控制,85,第四节 主要气象要素,气象要素：表征大气状态和现象的物理量。例如，气温、空气湿度、气压、风,一、气温,1、定义：表示空气冷热程度的物理量,2、温标,86,关系：,3、观测,地面气温指离地1.5m（我国）高处百叶箱里的气温,87,88,89,90,世界上的极端气温,91,气温的日变化,气温的日变化主要受地表日夜温差的影响，而地表温度的日变化和入太阳辐射以及出地球能量两者

22、差值有关。,92,二、气压,1、定义：大气压力,2、单位：国际单位 帕（Pa) 气象上常用 百帕（hPa） 标准大气压 =1013.25 hPa,3、测量：,93,94,95,96,97,98,99,Vertical Pressure Distribution,100,三、空气湿度,1、定义：表示空气中水汽含量多少或潮湿程度的物理量。,2、水汽达饱和,3、湿度参量(p19),由水汽和平面纯水（或纯水）组成的系统，在某温度下达到两相平衡时，称为水汽达饱和。,有很多个,101,Observations of vapor pressure as a function of temperature,1

23、02,1）水汽混合比r,单位：kg/kg,2)比湿 q,单位：kg/kg,q于r的关系：,103,3) 绝对湿度（水汽密度),单位：kg/m3,V为湿空气体积,4）水汽压e：湿空气中水汽的分压强。单位 为hPa,相对于纯水(冰）平面的饱和水汽压 E w（Ei ），仅是温度的函数，随温度升高而增大,104,饱和水汽压计算公式（p21）,5）相对湿度 f,6）露点 td、霜点 tf,湿空气在水汽含量不变的情况下，等压降温至相对于纯水平面达饱和时的温度，称为露点；等压降温至相对于纯冰平面达饱和时的温度称为霜点。,105,四、风,1、风的概念,1）空气相对运动形成风,大气科学中的风以地面为参照物，分水

24、平风、垂直风,2）风是矢量，水平风是二维矢量,3）水平风有两种描述方法：分量法、方向大小法,106,2、风向,1）指风的来向,2）表示方法：用16个地理方位,用方位角,3、风速,表示方法,1）单位时间里空气所经过的距离。 单位： m/s、mile/h,107,108,2) 风级,热带低压(中心附近最大风力67级) 热带风暴(89级) 强热带风暴(1011级) 台风(12级)。,例如，热带气旋用风级划分为：,109,110,111,112,113,第五节 空气状态方程 一、理想气体状态方程,2、地球上自然状态下的空气可看作理想气体,114,二、干空气状态方程,1、方程推导,设体积为V、温度为T的

25、干空气中，含有 n 种气体成分，其中第i种 成分的状态方程为：,对以上n个式子求和，有,115,考虑到,并令,，则有,116,90km以下，,令,Rd称为干空气比气体常数,（3）式可化为,117,2、比气体常数,118,三、湿空气状态方程,1、方程推导,干空气和水汽状态方程分别为,把（5）代入上式（6），有,119,（4）+（7）得,即,120,（7）/（8），得,考虑到,（9）式近似为,121,把（10）代入（8），有,若令,则（11）式化为,122,若令,则（11）式化为,（11）（13）为湿空气状态方程的三种形式 ，其中最常用的为公式（13）,2、虚温,123,是关于温度、水汽压和压强的

26、函数。为了能在湿空气状态方程中使用 ，并且使其与干空气状态方程具有类似的简单形式所引入的参量。定义式为,124,四、常用的湿度参量间关系,一块体积为V 、温度为T的湿空气中，水汽和干空气状态方程分别为,（6）/（14），得,125,一块体积为V 、温度为T的湿空气中，水汽和湿空气状态方程分别为,126,（6）/（11），有,127,128,第五节 大气静力学方程 一、方程推导,假定大气处于静力平衡状态，即大气相对于地面静止，达到力的平衡。,任取一块截面积为1m2，厚度为dz的铅直气柱，对它进行受力分析,129,（1.5.1）称为大气静力学方程的微分形式,（1.5.2）称为大气静力学方程的导数形

27、式,130,当大气静止或只做匀速垂直运动时，大气静力学方程精确成立。,当大气有弱的垂直加速度时，大气静力学方程近似成立。,二、适用条件,大气运动具有准水平性，即任意时刻大部分空间范围的大气以水平运动为主。垂直加速度一般小于0.1cm/s2,比重力加速度至少小4个数量级。,131,大气静力学方程不仅适用于静止大气，而且也适用于一般大气，不适用于有强垂直运动的大气（见图）,132,133,三、应用,1、用来定义平衡气压（大气静力学气压）,对（1.5.2）式两边积分，,得,134,即以某高度z1上的平衡气压等于从该高度直到大气上界的单位截面铅直气柱的重量。,2、求气压阶hp (p31),1）定义：垂

28、直气柱中每减小单位气压所对应的几何高度增加量,3）影响因子,135,3、计算气压标高Hp,1）定义,标高分气压标高和密度标高，这里只介绍前者,气压标高表示气压随高度的变化趋势，定义式为 (平面平行大气的假设下),136,2）计算式,137,3）等温大气的标高,对（1.5.6）式变形后两边积分，得,对于等温大气，Tv不随高度变化，故Hp也不随高度变化，所以,138,对于等温大气，Hp在数量上等于气压减小到起始气压的1/e所需要的高度增量。,4、用来推导模式大气的压高公式,压高公式：表明气压与高度间关系的公式。,模式大气：是满足一定假设条件的大气。,1）等温大气,a) 定义：虚温或温度不随高度变化

29、的大气,b) 压高公式：,139,把（1.5.7）代入，有,在气象观测中，常用（1.5.10）求算等压面位势高度和海平面气压换算。,c) 上界（p=0 的高度）：无上界,2）多元大气,a) 定义：气温随高度线性变化的大气称 为多元大气。,140,b) 压高公式：设,，代入大气静力学方程中可推导出,c) 上界：,141,3）均质大气,a) 定义：空气密度不随高度变化的大气称为均质大气。,b) 压高公式：,c) 上界：,数值上等于低层大气的标高。,142,卓奥友峰 8201米 8000米是人类生存的极限,143,144,d) 铅直温度递减率,由均质大气压高公式和状态方程，求得均质大气铅直温度递减率为：,145,变形，得,由（1.5.12）式发现，,所以 也称为自由对 流铅直温度递减率,146,四、标准大气,1、定义（WMO的定义）,所谓标准大气，就是