大气科学概论-第二讲(大气的基本知识)

1、大气科学导论大气科学导论 第一讲 概述 第二讲 大气的基本知识 第三讲 大气运动的基本规律 第四讲 关于气团和锋的介绍 第五讲 气旋与反气旋（热带气旋） 第六讲 海气相互作用的产物厄尔尼诺 第七讲 天气预报简介 第八讲 气候变化与全球变暖 课程内容课程内容 第二讲第二讲 大气科学的基本知识大气科学的基本知识 2.1 大气的组成大气的组成 2.2 大气的基本物理性质 2.3 大气的垂直结构大气的垂直结构 干洁大气（即干空气）干洁大气（即干空气）Clean Air 水汽水汽 Moisture 悬浮在大气中的固液态杂质悬浮在大气中的固液态杂质 Impurity 地球大气由三个部分组成地球大气由三个部

2、分组成 : : 低层大气的主要成分低层大气的主要成分 干洁大气的定义：干洁大气的定义： 除去水汽及其他悬浮在大气中的固、液体除去水汽及其他悬浮在大气中的固、液体 质粒以外的整个混合气体。质粒以外的整个混合气体。 干洁大气的成分变化：干洁大气的成分变化： l 氮气氮气（N2)： 存在方式：以蛋白质的形式存在于有机体中。存在方式：以蛋白质的形式存在于有机体中。 作用：作用：是有机体的基本组成部分，也是合成氮肥是有机体的基本组成部分，也是合成氮肥 的基本原料。的基本原料。 l 氧气氧气（O2）： 是人类和动植物维持生命活动的极为重要的气体；是人类和动植物维持生命活动的极为重要的气体； 积极参加大气中

3、的许多化学过程；积极参加大气中的许多化学过程； 对有机物质的燃烧、腐败和分解起着重要的作用。对有机物质的燃烧、腐败和分解起着重要的作用。 时空变化：时空变化： 时间变化：时间变化：最大值出现在春季，最小值出现在夏季。最大值出现在春季，最小值出现在夏季。 空间变化：空间变化： 水平：水平：由赤道向两极增加。由赤道向两极增加。 垂直：垂直： 5560km，含量极少。，含量极少。 2025km，达最大值，形成臭氧层；，达最大值，形成臭氧层； 1215km以上，含量增加特别显著；以上，含量增加特别显著； 从从10km向上，逐渐增加；向上，逐渐增加； 近地面，含量很少；近地面，含量很少； 这幅图显示的是

4、臭氧这幅图显示的是臭氧 洞。洞。1986年，南极的年，南极的 臭氧量仅是臭氧量仅是30年前的年前的 一半。一半。 1988年，曾发现北半年，曾发现北半 球上空臭氧层已比球上空臭氧层已比20 年前要薄年前要薄3%。这种变。这种变 化足以使皮肤癌的病化足以使皮肤癌的病 例增加。例增加。 臭氧能够臭氧能够吸收吸收紫外线，紫外线， 减少减少生物直接遭受紫生物直接遭受紫 外外线线的照射，的照射，陆地陆地上上 的生物便能在此一的生物便能在此一保保 护伞护伞下，下，顺利顺利的生的生长长 与繁殖与繁殖。 对紫外线有着极其重要的调控制作用。对紫外线有着极其重要的调控制作用。 对高层大气有明显的增温作用。对高层大

5、气有明显的增温作用。 生物的呼吸、化石燃料的燃烧、有机物质的生物的呼吸、化石燃料的燃烧、有机物质的 燃烧和分解、火山喷发作用等。燃烧和分解、火山喷发作用等。 时间变化：时间变化：a) 白天、晴天、夏季时的浓度小于黑夜、白天、晴天、夏季时的浓度小于黑夜、 阴天、冬季。阴天、冬季。b) 工业革命前小于工业革命后。工业革命前小于工业革命后。 空间变化：空间变化：水平：城市大于农村水平：城市大于农村 垂直：垂直： 020km，含量最高；，含量最高； 20km以上，含量显著减少。以上，含量显著减少。 CO2的作用：的作用： 绿色植物进行光合作用不可缺少的原料。绿色植物进行光合作用不可缺少的原料。 强烈吸

6、收长波辐射（地面辐射、大气辐射），强烈吸收长波辐射（地面辐射、大气辐射）， 使地面保持较高的温度，产生使地面保持较高的温度，产生“温室效应温室效应”。 温室效应模式图温室效应模式图 Greenhouse effect 14 主要来自江、河、湖、海、潮湿陆主要来自江、河、湖、海、潮湿陆 面的水分蒸发以及植物表面的蒸腾。面的水分蒸发以及植物表面的蒸腾。 时间：时间：夏季多于冬季夏季多于冬季 空间：一般低纬多于高纬，下层多于上层。空间：一般低纬多于高纬，下层多于上层。 在天气气候变化中扮演了重要角色。在天气气候变化中扮演了重要角色。 能强烈能强烈吸收吸收地面放射的长波辐射并向地面和周地面放射的长波辐

7、射并向地面和周 围大气放出长波辐射，围大气放出长波辐射，对大气起着对大气起着“温室效应温室效应”。 在大气中悬浮着的各种固体和液体微粒（包括气溶胶在大气中悬浮着的各种固体和液体微粒（包括气溶胶 粒子和大气污染物质两大部分）。粒子和大气污染物质两大部分）。 l 定义：大气中沉降速率极小、尺度在定义：大气中沉降速率极小、尺度在10-4m到到100m 之间的固态和液态微粒。之间的固态和液态微粒。 l 分类：液体质粒、固体质粒分类：液体质粒、固体质粒 l 固体质粒的来源：固体质粒的来源：有机质数量较少，大多为植物花粉、有机质数量较少，大多为植物花粉、 微生物和细菌等；微生物和细菌等； l 无机质数量较

8、多，主要来源于：尘粒、烟粒、海洋中无机质数量较多，主要来源于：尘粒、烟粒、海洋中 浪花飞溅的盐粒，流星飞逝后留下的灰烬，火山尘埃等。浪花飞溅的盐粒，流星飞逝后留下的灰烬，火山尘埃等。 l 定义：定义： 由于人类活动或自然过程，使局部、甚至由于人类活动或自然过程，使局部、甚至 全球范围的大气成分发生对生物界有害的变化。全球范围的大气成分发生对生物界有害的变化。 l 分布：分布： 空间空间 垂直：主要集中在垂直：主要集中在3km以下的低层大气中。以下的低层大气中。 水平：水平：城市多，农村少；陆地多，海洋少；城市多，农村少；陆地多，海洋少； 时间：时间：冬季多，夏季少；清晨和夜间多，午后少。冬季多

9、，夏季少；清晨和夜间多，午后少。 火山爆发、风吹扬沙和沙尘暴、雷击火山爆发、风吹扬沙和沙尘暴、雷击 森林失火等。森林失火等。 工业和交通上煤炭、石油、天然气的使工业和交通上煤炭、石油、天然气的使 用，农业上化肥、农药的喷施，生活上制冷用，农业上化肥、农药的喷施，生活上制冷 采暖的排放与泄漏等。采暖的排放与泄漏等。 PM2.5是指大气中直径小于或等于是指大气中直径小于或等于2.5微米的颗微米的颗 粒物，也称为粒物，也称为可入肺颗粒物可入肺颗粒物。它的直径还不到它的直径还不到 人的头发丝粗细的人的头发丝粗细的1/20。 虽然虽然PM2.5只是地球大气成分中含量很少的组只是地球大气成分中含量很少的组

10、 分，但它对空气质量和能见度等有重要的影响。分，但它对空气质量和能见度等有重要的影响。 与较粗的大气颗粒物相比，与较粗的大气颗粒物相比，PM2.5粒径小，富粒径小，富 含大量的有毒、有害物质且在大气中的停留时含大量的有毒、有害物质且在大气中的停留时 间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环 境质量的影响更大。境质量的影响更大。 21 第二节第二节 大气的基本物理性质大气的基本物理性质 在气象学上，大气的物理性状主要以气象要素 和空气状态方程来表征。 一、主要气象要素一、主要气象要素 气象要素是指表示大气属性和大气现象的物理 量，如气温、气压、湿度、风向、

11、风速、云量、 降水量、能见度等等。 气温 气温 气压 气压 湿度 湿度 降水 降水 风 风 云量 云量 能见度 能见度 主要气象要素 1、定义：表示大气冷热程度的物理量，反映一定条 件下空气分子平均动能大小。 通常指距地面1.5m高处百叶箱中的空气温度。 2、单位：摄氏度（）温标；绝对温标，以K表示； 华氏温标： ，水的沸点为212 3、单位换算： 一、气温（Temperature） oo 5 (32) 9 CF o 273.15KC oo 9 32 5 FC oo 5 (32) 9 CF o 273.15KC oo 9 32 5 FC 百叶箱的设置条件： 1. 全为白色 2. 四周全为百叶

12、3. 离地面1.5m 4.窗扇向北（因为太阳东 东升西落，以避免开窗时温度计受到阳光直接照射， 使得温度计的读数失真） 1、定义：单位面积上所承受到的整个空气柱的质 量大气的压强。实质：气压的大小决定于整个空 气柱质量的多少。 2、标准大气压：在纬度为45的海平面上，温度为 0时，所测得的水银柱高高为760mm的大气压强， 为一个标准大气压（1atm1013.25Pa）。 3、单位：1Pa=1N/m2，mb毫巴，Pa帕斯卡 1mb=100Pa=1hPa（百帕）； 1atm101325Pa1013.25mb=760mmHg 二、气压（Pressure） 水银气压计 气压的垂直分布 由于大气层的厚

13、度随高度 的增高而变薄， 空气密度也随高度增高而 迅速减小， 所以，气压随高度增高而 急剧减小。 1、定义：表示大气中水汽量多少的物理量称大 气湿度。意义：大气湿度状况直接影响了云、 雾、降水等天气现象的形成。 三、湿度（Humidity） 水汽压 (e ) 及饱和水汽压 ( E ) 相对温度（f ） 饱和差（d） 比湿（q） 水汽混合比（） 露点（Td） 湿度表示方法湿度表示方法 水汽压（水汽压（e）：水汽和其它气体一样也有压力，大气 中水汽产生的那一部分压力。水汽含量水汽含量，水汽压水汽压e e 单位：单位：hPa 水汽压及饱和水汽压 饱和水汽压（饱和水汽压（E）：温度一定，单位体积空气中

14、的水 汽含量是有一定限度，空气达到此限度时为饱和湿空 气，饱和湿空气中的水汽所产生的那部分压力，即最 大水汽压。 饱和水汽压（饱和水汽压（E）saturation vapour pressure 定义：定义：饱和湿空气中水汽的分压强。饱和湿空气中水汽的分压强。 影响因子：影响因子： 温度温度 T E 饱和差 饱和差（d）：在一定温度下，饱和水汽压（E）与实 际空气水汽压（e）之差称饱和差（d）。即：d=E-e 意义意义：饱和差（d） 表示实际空气距离饱和的程度。 d越大，越不饱和； d=0，空气达饱和状态； d 0，说明不饱和；d0，过饱和。 d 定义：同一温度下饱和水汽压与实际水汽压之差。定

15、义：同一温度下饱和水汽压与实际水汽压之差。 d=E-e，反映，反映空气的潮湿程度。空气的潮湿程度。 影响因子：影响因子： 温度不变，温度不变，E不变：水汽含量不变：水汽含量 e d 水汽含量不变，水汽含量不变，e不变：温度不变：温度 E d 温度、水汽含量温度、水汽含量 相对湿度 相对湿度（f）：表示空气中的实有水汽压（e）与同温 度下饱和水气压（E）的百分比。 即：f=e/E 100% 意义意义：相对湿度（f）直接反映了空气距离饱和的程度。 f 越大，越接近饱和，当达到f=100%时，空气就达饱和 状态，此时水汽就要开始凝结。 定义：定义： 空气的实际水汽压与同温度下的饱空气的实际水汽压与同

16、温度下的饱 和水汽压的百分比值。和水汽压的百分比值。 100% e f E 含义：反映空气的潮湿程度含义：反映空气的潮湿程度 温度不变，温度不变，E不变：水汽含量不变：水汽含量 ，e， f 水汽含量不变，水汽含量不变，e不变：温度不变：温度， E， f 比湿和水汽混合比 比湿（q）：在一团湿空气中，水汽的质量与该团空气 总质量（水汽质量加上干空气质量）的比值，称比湿。 即：q=m水/(m干+ m水)，其单位是g/g。 水汽混合比（S）：相对湿一团湿空气中，水汽质量与 干空气质量的比值称水汽混合比。 S=m水/m干，其单位是g/g。 , www wdd mmm qSa mmmV 露点 露点（露点

17、（Td）：在空气中水汽含量不变，气压一定下，使 空气冷却达到饱和时的温度， 称为露点温度，简称露点。 含义：气压一定时，露点的高低只与空气中的水汽含量 有关，水汽含量越多，露点越高，所以露点也是反映空 气中水汽含量多少的物理量。 在实际大气中，空气常处于不饱和状态，此时露点要比 气温低，即露点温度差（Td-T）0。当Td=T时，空气饱 和；当Td-T0时，空气不饱和；当Td-T0，空气过饱和。 露点温度露点温度( Td) dew-point temperature 定义：对于含有水汽的湿空气，在不改变气压和水定义：对于含有水汽的湿空气，在不改变气压和水 汽含量的情况下，降低温度而使空气达到饱和

18、状态汽含量的情况下，降低温度而使空气达到饱和状态 时的温度。时的温度。 反映空气中水汽含量的多少，水汽含量反映空气中水汽含量的多少，水汽含量 露点温度露点温度Td 上述各种表示湿度的物理量：水汽压、比湿、 水汽混合比、露点基本上表示空气中水汽含量 的多寡。 而相对湿度、饱和差、温度露点差则表示空气 距离饱和的程度。 各种表示湿度的物理量小结 四、降水(Precipitation) 含义：降水是指从天空降落到地面的液态或固态水， 包括雨、毛毛雨、雪、雨夹雪、霰、冰粒和冰雹等。 降水量指降水落至地面后（固态降水则需经融化后）， 未经蒸发、渗透、流失而在水平面上积聚的深度，降 水量以毫米（mm）为单

19、位。 在高纬度地区冬季降雪多，还需测量雪深（从积雪表 面到地面的垂直深度，cm）和雪压。（单位面积上的 积雪重量，g/cm2）。降水量是表征某地气候干湿状态 的重要要素，雪深和雪压还反映当地的寒冷程度。 五、风(Wind) 定义：空气的水平运动称为风。 风是一个表示气流运动的物理量。 它不仅有数值的大小（风速），还具有方向 （风向）。因此风是向量（矢量）。 风向是指风的来向。 地面风向用16 方位表示；在16 方位中，每相邻 方位间的角差为22.5。 风标和风速计：左边是杯型风 速计，右边是螺旋桨风向风速 计，可同时测量风向和风速。 地面风向表示方法 五、风 高空风向常用方位度数表示； 即以0

20、(或360)表示正北，90表示正东，180表 示正南，270表示正西。 风速单位常用m/s、knot（海里/小时，又称“节”） 和km/h 表示，其换算关系如下: 1m/s=3.6km/h；1knot=1.852km/h 1km/h=0.28m/s；1knot=1/2m/s。 在地面天气图上，用下列图示来表示风，风尾长 划风速为4米/秒，即风力为2级，短划风速为2米 /秒。一个风旗，表示风力为8级。风尾和风旗均 放在风杆的左侧。 西南风5级东南风12级 天气图上风的表示方法 风力等级 风力 等级 陆地上面物体征象 相当风速 （米/秒） 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

21、静烟直上 烟能表示风向，树叶略有摇动 人面感觉有风，树叶有微响 树叶及小枝摇动不息，旗子展开 能吹起地面灰尘和纸张，树的小枝摇动 有叶的小树摇摆，内陆的水面有小波 大树枝摇动，电线呼呼有声，撑伞困难 大树摇动，大树枝弯下来，迎风步行感觉不便 可折毁树枝，人向前感到阻力甚大 烟囱及平房屋顶受到损坏，小屋遭到破坏 树木可被吹倒，一般建筑物遭破坏 大树可被吹倒，一般建筑物遭到严重破坏 陆上少见，摧毁力极大 0.00.2 0.31.5 1. 63.3 2. 45.4 5.57.9 8.010.7 10.813.8 13.917.1 17.220.7 20.824.4 24.528.4 28.532.6

22、 32.6 0级静风，风平浪静，烟往上冲。级静风，风平浪静，烟往上冲。 1级软风，烟示方向，斜指天空。级软风，烟示方向，斜指天空。 2级轻风，人有感觉，树叶微动。级轻风，人有感觉，树叶微动。 3级微风，树叶摇动，旗展风中。级微风，树叶摇动，旗展风中。 4级和风，灰尘四起，纸片风送。级和风，灰尘四起，纸片风送。 5级清风，塘水起波，小树摇动。级清风，塘水起波，小树摇动。 6级强风，举伞困难，电线嗡嗡。级强风，举伞困难，电线嗡嗡。 7级疾风，迎风难行，大树鞠躬。级疾风，迎风难行，大树鞠躬。 8级大风，折断树枝，江湖浪猛。级大风，折断树枝，江湖浪猛。 9级烈风，屋顶受损，吹毁烟囱。级烈风，屋顶受损，

23、吹毁烟囱。 风力等级：风力等级： 英国蒲福英国蒲福 六、云量 (cloud amount) 云是悬浮在大气中的小水滴、冰晶微粒或二者 混合物的可见聚合群体，底部不接触地面（如 接触地面则为雾），且具有一定的厚度。 云量是指云遮蔽天空视野的成数。将地平以上 全部天空划分为10份，为云所遮蔽的份数即为 云量。例如，碧空无云，云量为0，天空一半为 云所覆盖，则云量为5。 高云（5000m以上） 中云（2500-5000m） 低云（2500m以下） 七、能见度（Visibility） 能见度指视力正常的人在当时天气条件下，能 够从天空背景中看到和辨出目标物的最大水平 距离。 单位用米（m）或千米（km

24、）表示。 空气状态方程空气状态方程 对一定质量的空气，其P、V、T之间存在函数关系。例 如，一小团空气从地面上升时，随着高度的增大，其受 到的压力减小，随之发生体积膨胀增大，因膨胀时做功， 消耗了内能，气温乃降低。这说明该过程中一个量变化 了，其余的量也要随着变化，亦即空气状态发生了变化。 如果三个量都不变，就称空气处于一定的状态中，因此， 研究这些量的关系就可以得到空气状态变化的基本规律。 空气状态常用密度（）、体积（V）、压 强（P）、温度（T）表示。 气象上常用的状态方程为：气象上常用的状态方程为：P=RT 其中P为压强，为空气密度，R为比气体常数， T为空气的温度。 对于一团干空气而言

25、，Rd即干空气的比气体常 数为Rd=0.287J/g.k。 状态方程式 湿空气的状态方程为：湿空气的状态方程为：P=RdT（1+0.3e/p） P为湿空气压， e为水汽压。 第三节 大气圈的垂直结构 观测证明，大气在垂直方观测证明，大气在垂直方 向上的物理性质是有显著向上的物理性质是有显著 差异的。差异的。 根据温度、成分、电荷等根据温度、成分、电荷等 物理性质，同时考虑到大物理性质，同时考虑到大 气的垂直运动等情况，可气的垂直运动等情况，可 将大气分为五层。将大气分为五层。 大气科学研究重点：对流 层，平流层 对流层（Troposphere, 自地面到10km左右） 对流层的主要特点：对流层

26、的主要特点： 对流层是大气的最下层，它的下界为地面，集中对流层是大气的最下层，它的下界为地面，集中 3/4大气，大气，90%水汽，云、雾、雨雪等主要水汽，云、雾、雨雪等主要大气现象都大气现象都 出现在此层出现在此层，也是对人类生产、生活影响最大的一个，也是对人类生产、生活影响最大的一个 层次，也是大气科学研究的层次，也是大气科学研究的重点层次重点层次。 气温随着高度而降低， 每升高100m平均降温0.65 空气具有强烈的对流、乱流运动，大气污染主要发生在该层 温度和湿度等气象要素水平分布不均匀 在对流层的最下层称为在对流层的最下层称为行星边界层或摩擦层行星边界层或摩擦层。其范围。其范围 一般是

27、自地面到一般是自地面到11.5km高度。在这层里大气受地面高度。在这层里大气受地面 摩擦和热力的影响最大，湍流交换作用强，水汽和微摩擦和热力的影响最大，湍流交换作用强，水汽和微 尘含量较多，各种气象要素都有明显的日变化。尘含量较多，各种气象要素都有明显的日变化。 行星边界层以上的大气层称为行星边界层以上的大气层称为自由大气自由大气。在自由大气。在自由大气 中，地球表面的摩擦作用可以忽略不计。中，地球表面的摩擦作用可以忽略不计。 在对流层的最上层，介于对流层和平流层之间，还有在对流层的最上层，介于对流层和平流层之间，还有 一个厚度为数百米到一个厚度为数百米到12km的过渡层，称为的过渡层，称为对

28、流层顶对流层顶。 这一层的主要特征是：气温随高度的增加突然降低缓这一层的主要特征是：气温随高度的增加突然降低缓 慢，或者几乎不变，成为上下等温。慢，或者几乎不变，成为上下等温。 对流层(troposphere) 平流层(stratosphere) 对流层顶 (tropopause) 平流层顶(stratopause) 大气边界层大气边界层对流层下层对流层下层1 1.5km，地面阻滞和摩擦，地面阻滞和摩擦 作用明显作用明显 近地层近地层地面以上地面以上50100m，上下，上下 气温之差可达气温之差可达12 自由大气自由大气大气边界层以上，地大气边界层以上，地 面摩擦可以忽略面摩擦可以忽略 对流层

29、顶对流层顶介于对流层和平流层介于对流层和平流层 之间的过渡层之间的过渡层 对对 流流 层层 温度随高度升高而增加 平流层这种气温分布特征是和它受地面温度影响平流层这种气温分布特征是和它受地面温度影响 很小，特别是存在着大量很小，特别是存在着大量臭氧臭氧能够直接吸收太阳辐射能够直接吸收太阳辐射 有关。虽然有关。虽然30km以上臭氧的含量已逐渐减少，但这以上臭氧的含量已逐渐减少，但这 里紫外线辐射很强烈，故温度随高度增加得以迅速增里紫外线辐射很强烈，故温度随高度增加得以迅速增 高，造成显著的高，造成显著的暖层暖层。 平流层（Stratosphere, 自对流层顶到55km） 在在25km高度上，有

30、一个臭氧含量相对较高的层次，高度上，有一个臭氧含量相对较高的层次， 为臭氧层。由此向上、向下臭氧逐渐减少。为臭氧层。由此向上、向下臭氧逐渐减少。 大部分的臭氧分布在 地球表面上空10到 50km处（平流层中）。 其中距地表25km附近 高空臭氧的浓度最大， 称为臭氧层。 没有强烈的对流运动 平流层内气流比较平稳平流层内气流比较平稳，空气的垂直混合作用显著，空气的垂直混合作用显著 减弱减弱，不利于空气对流运动发展。所以叫平流层。 水汽、尘埃含量很少 平流层中水汽含量极少，大多数时间天空是晴朗的。平流层中水汽含量极少，大多数时间天空是晴朗的。 但有时在20-30km处可看到贝母云，它常出现在冬季极 区。平流层中的微尘远较对流层中少，但是当平流层中的微尘远较对流层中少，但是当火山猛烈火山猛烈 爆发爆发时，火山尘可到达平流层，影响能见度和气温。时，火山尘可到达平流层，影响能见度和气温。 平流层 火山灰进入大气层引起全球气温下降“阳伞效应” （1991年皮纳图博火山年喷发时的火山灰高达40km） 气温随高度增加而迅速下降 顶界温度可降至-83-113，几乎