大气物理学 第一篇大气概论

1、1 大气物理学大气物理学 张泽锋张泽锋 气象楼气象楼1223 2 Grading 期末考试: 50%; 期中考试: 30%; 平时成绩: 20%. 3 参考书目参考书目： 1.美美 J、M 华莱士，华莱士，P.V.霍布斯著霍布斯著.大气科学概观大气科学概观. 上海科学技术出版社，上海科学技术出版社，1981 2. 许绍祖主编许绍祖主编. 大气物理学基础大气物理学基础. 气象出版社气象出版社, 1991 3. 周秀骥等编著周秀骥等编著. 高等大气物理学高等大气物理学.气象出版社气象出版社,1991 4. 盛裴轩盛裴轩,毛节泰等毛节泰等. 大气物理学大气物理学, 北大出版社北大出版社, 2003

2、4 第一章第一章 大气概述大气概述 一、定义一、定义 主要研究地球主要研究地球大气现象与过程大气现象与过程的物理机制和规律。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、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。热现象、相变过程、辐射过程。 二、分支二、分支 大气动力学、大气光学、大气电学、大气热力学、大气动力学、大气光学、大气电学、大气热力学、 云降水学、大气辐射学云降水学、大气辐射学 5 三、学科位置三、学科位置 按研究范畴大体可划分为：按研究范畴大体可划分为： 自然科学自然科学：数、理、化、天、：数、理、化、天、 地地 、生、工生、工 程

3、程 与材料科学、与材料科学、 信息科学、管理科学信息科学、管理科学 社会科学社会科学 6 地球科学地球科学 包括包括 大气科学大气科学 、海洋科学、地理学、地、海洋科学、地理学、地 质学等质学等 大气科学大气科学 基础学科基础学科：大气物理学、大气化学、大气动力学、天：大气物理学、大气化学、大气动力学、天 气学、气候学、大气探测学气学、气候学、大气探测学 应用学科应用学科：农业气象学、水文气象、医疗气象、污染：农业气象学、水文气象、医疗气象、污染 气象、人工影响天气等气象、人工影响天气等 7 1）近代大气物理学起始阶段（）近代大气物理学起始阶段（18世纪中世纪中 叶叶20世纪中叶）世纪中叶）

4、四、大气物理学发展简史四、大气物理学发展简史 1752，美国，美国Franklin第一第一 次用风筝探明雷击的本质次用风筝探明雷击的本质 就是电。就是电。 1871，英国物理学家，英国物理学家 Rayleigh解释了天空解释了天空 兰色的兰色的 现象现象 8 1908，德国物理学家，德国物理学家G.Mie 解决了球形粒子的散射问题解决了球形粒子的散射问题 1859-1901，这两这两 位德国物理学家位德国物理学家 开创了辐射定律开创了辐射定律 Max Karl Ernst Ludwig Planck （1858-1947） 德国物理学家，量子力学的开德国物理学家，量子力学的开 创人创人 G.R

5、.Kirchhoff （1824-1887） 德国物理学家德国物理学家 9 1880-1881，英国物理学家，英国物理学家J.Aitken等指出了凝结等指出了凝结 核在雾滴形成中的重要作用。核在雾滴形成中的重要作用。1911，.T.R.Wilson 发明云室，因此获发明云室，因此获1927年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。 是云雾物理的基础和开端。是云雾物理的基础和开端。 2）大气物理学高速发展阶段（）大气物理学高速发展阶段（20世纪中叶以来）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。学的发展。 1）1946年，美国物

6、理学家年，美国物理学家I.Langmuir, V.J.Schaefer发发 现干冰可以催化云产生降水现干冰可以催化云产生降水 后来，后来，B.Vonnegut发现碘化银可作为人工冰核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，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。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）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）卫星、雷达等遥感技术的发展，推动了大 气辐射学的研

7、究气辐射学的研究 11 第一节第一节 宇宙、地球、大气的宇宙、地球、大气的 起源和演化起源和演化 一、宇宙的起源一、宇宙的起源 大爆炸学说大爆炸学说 按照Friedmann等人的理论，Russian American physicist George Gamow 和他的 学生American physicists 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：作为他们的计算结论是：作为“大爆炸大爆炸”过程的遗迹，过

8、程的遗迹， 目前宇宙中应普遍存在温度约目前宇宙中应普遍存在温度约5 5K K的背景黑体辐射。的背景黑体辐射。 19891989年，美国宇航局专门为此发射了宇宙背景探年，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，该辐射的谱分布与测者卫星观测数据表明，该辐射的谱分布与 2 2735735K K的黑体辐射完全相合，天空不同方向的相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。这种黑体性和普适性。这种“背景辐射背景辐射”的存在是的存在是 “大爆炸大爆炸”模型最令人信服的证据之一。模型最令人信服

9、的证据之一。 n通过现代物理学理论，可以模拟宇宙在大爆炸后通过现代物理学理论，可以模拟宇宙在大爆炸后 1 1 1010-43 -43秒的状态，但对于此时刻之前还没有新的 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。理论将万有引力和广义相对论二者之间结合起来。 13 膨胀理论膨胀理论 n上世纪上世纪7070年代，美国科学家年代，美国科学家Alan GuthAlan Guth、Paul Paul SteinhardtSteinhardt和美籍俄裔天文学家和美籍俄裔天文学家Andreas LindeAndreas Linde 提出从大爆炸后提出从大爆炸后1 1

10、1010-35 -35秒开始的 秒开始的1 1 1010-32 -32秒内宇宙 秒内宇宙 极速膨胀为原来的极速膨胀为原来的1 1 101050 50倍，然后减缓为近乎常 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。速。认为宇宙处于开放与封闭系统的边缘状态。 n可解释大爆炸学说不能解释的宇宙常速膨胀和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。宇宙的均匀性等问题，被广大理论天文学家认同。 n上世纪上世纪9090年代以来，观测天文学家对该理论有年代以来，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。不同看法，认为宇宙应该

11、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：宇宙无限论： 有限无界论有限无界论： 在在1717世纪，世纪，GalileiGalilei、Newton Newton 在经典力学在经典力学 体系的基础上，建立了宇宙无限无边的理论，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。限的天体分布在无限的空间之中。 1917年，年，Albert EinsteinAlbert Einstein在广义相对论的基在广义相对论的基 础上，提出了有限无界的静态宇宙模型。认为

12、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，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，但沿着球面边界，类似一个球面，面积有限，但沿着球面 运动总是遇不到运动总是遇不到“边边”。该理论拉开了现代宇。该理论拉开了现代宇 宙学研究的序幕。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 太阳太阳系系 19 2006年年08月月24日北京时间晚间日北京时间晚间9:30，第，第26届国际天文学联合会届国际天文学联合会IA

13、U 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。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国际天文从而确认太阳系只有8颗行星，冥王星遭到彻底颗行星，冥王星遭到彻底“降级降级”。 冥王星被排除在行星行列之外，而将其列入冥王星被排除在行星行列之外，而将其列入“矮行星矮行星”。现在太阳。现在太阳 系的天体包括：八大行星，矮行星和小天体。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，较重的物质沉个火球。随着地球逐步冷却，较重的

14、物质沉 到中心，形成地核；较轻的物质浮在上面，到中心，形成地核；较轻的物质浮在上面， 冷却后形成地壳。冷却后形成地壳。 21 三、大气演化三、大气演化 1、原始地球上无大气、无海洋；、原始地球上无大气、无海洋； 火山爆发频繁发生火山爆发频繁发生 2、火山喷发形成原始大气，主要由水汽、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。氮和硫或硫化物。没有氧气。 大量水汽造成长时间降雨，持续了几千大量水汽造成长时间降雨，持续了几千 年（推测），形成原始海洋，生命就在原年（推测），形成原始海洋，生命就在原 始海洋的汤液中形成。始海洋的汤液中形成。 22 3、生命的光合作用使大气圈

15、中出现了氧、生命的光合作用使大气圈中出现了氧 气。气。 从火山喷发出来的氮，由于其化学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留在大气中，成为现代大气中的主要气 体成分；体成分； 大气中的氩，是地球固体部分放射大气中的氩，是地球固体部分放射 性物质性物质 40K衰变时的副产品。衰变时的副产品。 23 第二节第二节 大气组成大气组成 一、气体成分一、气体成分 地球大气是由多种地球大气是由多种气体气体以及漂浮于其中以及漂浮于其中 的固态、液态等的固态、液态等颗粒物质颗粒物质组成的。组成的。 90km以下

16、干洁大气均匀混合，称为均匀以下干洁大气均匀混合，称为均匀 层层 24 1、90km以下大气的气体成分以下大气的气体成分 1）按浓度时空变化是否明显来分，）按浓度时空变化是否明显来分， 分为：分为： 定常成分：浓度的时空变化不明显定常成分：浓度的时空变化不明显 的气体成分。主要包括的气体成分。主要包括N2、 、O2、惰性 惰性 气体气体 可变成分：定义略。例如，水汽、可变成分：定义略。例如，水汽、 CO2、 、O3、CH4等 等 25 2）按浓度（单位为体积混合比）按浓度（单位为体积混合比） 来分，分为：来分，分为： 主要气体：浓度主要气体：浓度1%，包括，包括N2、 、O2、Ar 微量气体：微

17、量气体：1ppm1%，包括，包括CO2、 、 CH4 、 、Ne 、 He、 、 Kr、 水汽（水汽（2 ppm 4% 痕量气体：痕量气体： 1ppm，包括（见表）包括（见表） 26 Table 1.1 U.S. Standard Atm osphere. Constituent gas Content (% by volume) Nitrogen (N2) 78.084 Oxygen (O2) 20.948 Argon (Ar) 0.934 Carbon dioxide (CO2) 0.333 Neon (Ne) 18.1810 -4 Helium (He) 5.2410 -4 M etha

18、ne (CH4) 1.510 -4 Krypton (Kr) 1.1410 -4 Hydrogen (H2) 0.510 -4 Nitrous oxide b (N 2O) 0.2710 -4 Carbon monoxide b (CO) 0.1910 -4 Ozone (O3) 0-1210 -4 Xenon (Xe) 0.08910 -4 Ammonia b (NH 3) 0.00410 -4 Sulfur dioxide b (SO2) 0.00110 -4 Nitrogen dioxide b (NO 2) 0.00110 -4 Water vapor b (H 2O) 0-0.041

19、0 -4 Nitric Oxide b (NO) 0.000510 -4 Hydrogen Sulfide b (H 2S) 0.0000510 -4 Nitric acid vapor Traces b Concentration near the earths surface. 27 大气的组成饼图 28 2、90km以上大气以上大气 3、有关概念及其它特征有关概念及其它特征 1）空气分子大部分都发生离解；）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）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。（或原子量）大小排列。 从低层到高层依次为从低层到高层

20、依次为N2 、O、 He、 H 1）干洁大气：不含水汽和悬浮颗粒物的）干洁大气：不含水汽和悬浮颗粒物的 大气称为干洁大气大气称为干洁大气 29 2）相变特征：在地球大气温、压条件下，）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水汽是唯一能发生相变的气体成分 3）平均分子量）平均分子量 90km以下，空气平均分子量为以下，空气平均分子量为28.966， 不随高度变化；不随高度变化；90km以上，随高度递减。以上，随高度递减。 具体如下图具体如下图 4）空气密度）空气密度 标准状态（标准状态（p=1013.25hPa, t=0）下，下， 干空气密度为干空气密度为1.29kg

21、/m3 30 31 4、重要气体成分的作用 1）主要气体）主要气体氮、氧氮、氧 对生命活动有重要意义，但对天气、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。百万年尺度的气候变化没有什么作用。 2）微量、痕量气体）微量、痕量气体水汽、水汽、CO2 、O3 a)水汽水汽 是云和降水的源泉；是云和降水的源泉； 在全球能量平衡中起重要作用，影响在全球能量平衡中起重要作用，影响 地面和空气温度；地面和空气温度； 是地球系统的水循环中起重要角色。是地球系统的水循环中起重要角色。 32 33 地表上的水 全球年水量平衡 34 b) CO2 c) O3 35 The current c

22、oncentration 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) 36 Fig. 1-4, p. 7 37 Fig. 1-3, p. 6 38 39 40 Source:

23、OSTP 41 42 二、大气气溶胶粒子二、大气气溶胶粒子 1 1、定义：定义： 尺度范围：尺度范围：1 1nm-100mnm-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大气气 溶胶溶胶。而其中的悬浮物就称为气溶胶粒 子。 43 2、分类、分类 1）云降水学分类（按半径分类）云降水学分类（按半径分类） 2）大气环境学分类）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、降尘、PM10、PM2.5、尘粒、粉尘、尘粒、粉尘、 灰霾、等。灰霾、等。 44 3、大气气溶胶粒子的源和汇大

24、气气溶胶粒子的源和汇 1）源）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 45 46 2）汇）汇 即即气溶胶粒子被移出大气的过气溶胶粒子被移出大气的过 程。程。 按是否有水质粒参与，分为干移出、按是否有水质粒参与，分为干移出、 湿移出。湿移出。 47 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。 48 4、大气气溶胶粒子在大气过程中的作用大气气溶胶粒子在大气过程中的作用 1）

25、在云雾降水中的作用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心，即部分大气气溶胶粒子可作为CCN （cloud condensation nuclei)或或IN (ice nuclei) 2）对大气辐射过程的影响对大气辐射过程的影响； 吸收和散射太阳辐射，影响大气温度的垂吸收和散射太阳辐射，影响大气温度的垂 直分布。直分布。 49 3）对大气光学特性的影响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，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，也与它还会影响

26、天空颜色。一些光学现象的出现，也与它 们的作用有关。们的作用有关。 50 4）对大气电学特性的影响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于大离子迁移率小，故大气电场中的传导电流减 小小 + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 晴天大气 地面 正离子 负离子 51 5）在大气化学过程中的作用。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气溶胶粒子在大气的

27、许多化学过程中 起作用。起作用。 52 第三节第三节 大气的垂直结构大气的垂直结构 大气上界：大气上界： 物理现象上界为物理现象上界为 1200km( 极光极光 出现高度）；出现高度）； 大气密度上界为大气密度上界为20003000km ( 接近于星际气体密度接近于星际气体密度1个个/cm3的高度）的高度） 分层标准：分层标准： （1）按温度随高度的变化）按温度随高度的变化 （2）按大气成分是否混合均匀（或称按空）按大气成分是否混合均匀（或称按空 气平均分子量随高度变化）分：气平均分子量随高度变化）分： 均匀层、非均匀层均匀层、非均匀层 53 （3）按电离状况分 （4）按O3浓度分： 臭氧层（

28、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、一、按温度随高度的变化按温度随高度的变化 分为对流层、平流层、中层、热分为对流层、平流层、中层、热 层、外层层、外层 54 55 1、对流层（12km以下） l在赤道地区对流层顶的高度约在赤道地区对流层顶的高度约18千米，中纬度千米，中纬度 地区约地区约12千米，极地地区约千米，极地地区约8千米。夏季的对千米。夏季的对 流层厚度大于冬季。流层厚度大于冬季。 l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：特点： 56 1)、温度随高度的增加而降低，气温递减、温度随高度的

29、增加而降低，气温递减 率率为为6.5/km T z 定义定义气温递减率气温递减率：高度每升高单位高高度每升高单位高 度气温降低的度数。度气温降低的度数。 2)、对流层中的垂直运动显著。、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 57 4)、云雾降水均发生在此层、云雾降水均发生在此层 5)、受地表影响最强烈，空气属性的、受地表影响最强烈，空气属性的 水平分布很不均匀水平分布很不均匀 58 2、平流层（平流层（12km55km) 1)2525kmkm以下温度递减率接近零，以下温度递减率接近零，2525kmkm以以 上温度随高度明显增加上温度随高度明显增加 2)平流层气流

30、运动主要以水平运动为主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。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）大气污染物进入平流层后能长期存在 59 3、中层（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。 60 4、热层（550km) 1)温度随高度增加而上升 2)高度电离。高度电离。 3）带电粒子运动受地球磁场的作用明显。 61 5、外层（外层（大气上界）大气上界） 2 2）大气成分可以散逸到星际空间。）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）

31、随高度升高气温增加不显著 62 二、按电离状况分二、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，高层用较强。因此，大气中离子浓度低层低，高层 高，据此分为高，据此分为 中性层（中性层（60km以下以下) 电离层（电离层（60km以上）以上） 63 三、按地磁场对带电粒子运动作用明显与 否分 1、非磁层（、非磁层（500km以下）以下） 由于空气较稠密，带

32、电粒子的运动主由于空气较稠密，带电粒子的运动主 要受粒子间的碰撞支配要受粒子间的碰撞支配 2、磁层（、磁层（500km以上）以上） 本层内存在大量带电粒子，空气又稀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子的运动主要受地磁场控制 64 第四节第四节 主要气象要素主要气象要素 气象要素：表征大气状态和现象的物理气象要素：表征大气状态和现象的物理 量。例如，气温、空气湿度、气压、风量。例如，气温、空气湿度、气压、风 一、气温一、气温 1、定义：表示空气冷热程度的物理量、定义：表示空气冷热程度的物理量 2、温标、温标

33、 摄氏温标摄氏温标华氏温标华氏温标绝对温标绝对温标 单位单位FK 常用符号常用符号tFT 65 关系关系：273.15Tt 9 32 5 Ft 3、观测、观测 地面气温指离地地面气温指离地1.5m（我国）高处百叶我国）高处百叶 箱里的气温箱里的气温 66 67 68 69 世界上的极端气温世界上的极端气温 70 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 者差值有关。 71 二、气压二、气压 1、定义：大气压力、定义：大气压力 2、单位：国际单位、单位：国际单位 帕（帕（Pa) 气象上常用气象上常用 百帕（百帕（hPa） 标准大气压标

34、准大气压 =1013.25 hPa 3、测量：、测量： 72 73 74 75 76 77 78 Vertical Pressure Distribution 79 三、空气湿度三、空气湿度 1、定义：表示空气中水汽含量多少或潮湿、定义：表示空气中水汽含量多少或潮湿 程度的物理量。程度的物理量。 2、水汽达饱和、水汽达饱和 3、湿度参量、湿度参量(p19) 由水汽和平面纯水（或由水汽和平面纯水（或 纯水）组成的系统，在某温纯水）组成的系统，在某温 度下达到两相平衡时，称为度下达到两相平衡时，称为 水汽达饱和。水汽达饱和。 有很多个有很多个 80 Observations of vapor pr

35、essure as a function of temperature 81 1）水汽混合比）水汽混合比r v d m r m 单位：单位：kg/kg 2)比湿比湿 q 单位：单位：kg/kg () v vd m q mm q于于r的关系：的关系： 1 r q r 82 3) 绝对湿度（水汽密度绝对湿度（水汽密度) v v v m V 单位：单位：kg/m3 V为湿空气体积为湿空气体积 4）水汽压）水汽压e：湿空气中水汽的分压强。单位湿空气中水汽的分压强。单位 为为hPa 相对于纯水相对于纯水(冰）平面的饱和水汽压冰）平面的饱和水汽压 E w （Ei ），），仅是温度的函数，随温度升高而增大仅

36、是温度的函数，随温度升高而增大 83 饱和水汽压计算公式（饱和水汽压计算公式（p21） 5）相对湿度）相对湿度 f 100% e f E 6）露点）露点 td、霜点霜点 tf 湿空气在水汽含量不变的情况下，等压降温至相对于纯湿空气在水汽含量不变的情况下，等压降温至相对于纯 水水平面达饱和时的温度，称为露点；等压降温至相对于平面达饱和时的温度，称为露点；等压降温至相对于 纯纯冰冰平面达饱和时的温度称为霜点。平面达饱和时的温度称为霜点。 () wd Ete() if Ete 84 四、风四、风 1、风的概念、风的概念 1）空气相对运动形成风）空气相对运动形成风 大气科学中的风以地面为参照大气科学中

37、的风以地面为参照 物，分水平风、垂直风物，分水平风、垂直风 2）风是矢量，水平风是二维矢量）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、）水平风有两种描述方法：分量法、 方向大小法方向大小法 85 2、风向、风向 1）指风的来向）指风的来向 2）表示方法：用）表示方法：用16个地理方位个地理方位 用方位角用方位角 3、风速、风速 表示方法表示方法 1）单位时间里空气所经过的距离。）单位时间里空气所经过的距离。 单位：单位： m/s、mile/h 86 87 2) 风级风级 热带低压热带低压(中心附近最大风力中心附近最大风力67级级) 热带风暴热带风暴(89级级) 强热带风暴强

38、热带风暴(1011级级) 台风台风(12级级)。 例如，热带气旋用风级划分为：例如，热带气旋用风级划分为： 88 89 90 91 92 第五节第五节 空气状态方程空气状态方程 一、理想气体状态方程一、理想气体状态方程 1 m PVR T M 、 2、地球上自然状态下的空气可、地球上自然状态下的空气可 看作理想气体看作理想气体 93 二、干空气状态方程二、干空气状态方程 1、方程推导、方程推导 设体积为设体积为V、温度为温度为T的干空气中，含有的干空气中，含有 n 种气体成分，其中第种气体成分，其中第i种种 成分的状态方成分的状态方 程为：程为： ,1,1 i i i m PVR T in M

39、 （） 对以上对以上n个式子求和，有个式子求和，有 94 2 i i i m VPR T M （ ） 考虑到考虑到 i PP i mm 并令并令 i i m M m M ，则有，则有 3 m V PR T M （） 95 90km以下，以下， 28.966/Mg mol 令令 * 11 3 8.31 287 28.966 10 d R RJ kgK M Rd称为干空气比气体常数称为干空气比气体常数 （3）式可化为）式可化为 4 ddd PRT（） 96 2、比气体常数、比气体常数 * 11 287 d R RJ kgK M * 11 3 8.31 461 18 10 v v R RJ kgK

40、M 1.6085 v d R R （ ） 97 三、湿空气状态方程三、湿空气状态方程 1、方程推导、方程推导 干空气和水汽状态方程分别为干空气和水汽状态方程分别为 4 ddd PRT（） 6 vv eRT （） 把（把（5）代入上式（）代入上式（6），有），有 1.6087 vd eR T （） 98 （4）+（7）得）得 (1.608) ddvd PeRT 即即 (0.608) vd PR T 1 0.608) v d R T （8） 99 （7）/（8），得），得 1.608 9 10.608 v v e P （ ） 考虑到考虑到 1 v （9）式近似为）式近似为 1 10 1.608 v

41、 e P （） 100 把（把（10）代入（）代入（8），有），有 0.608 1) 1.608 d e PR T P （ 1 0.378)11 d e R T P （ ） 1 0.378) md e RR P （ 若令若令 则（则（11）式化为）式化为12 m pR T（ ） 101 1 0.378) v e TT P （ 若令若令 则（则（11）式化为）式化为13 dv pR T（ ） （11）（13）为湿空气状态方程的三种形式）为湿空气状态方程的三种形式 ，其中最常用的为公式（，其中最常用的为公式（13） 2、虚温、虚温 102 是关于温度、水汽压和压强的函数。为了是关于温度、水汽压和压

42、强的函数。为了 能在湿空气状态方程中使用能在湿空气状态方程中使用 ，并且使其与，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。定义式为参量。定义式为 d R 1 0.378) v e TT P （ 103 四、常用的湿度参量间关系四、常用的湿度参量间关系 1re、 与 一块体积为一块体积为V 、温度为温度为T的湿空气中，的湿空气中， 水汽和干空气状态方程分别为水汽和干空气状态方程分别为 6 vv eRT （） 4 dd P eRT （1 ） （6）/（14），得），得 104 vv dd Re peR 1.608 v d m m 1.608

43、r 0.62215 e r p e 即 （ ） 2qe、 和 一块体积为一块体积为V 、温度为温度为T的湿空气中，的湿空气中， 水汽和湿空气状态方程分别为水汽和湿空气状态方程分别为 105 6 vv eRT （） 1 0.378)11 d e pR T P （ ） （6）/（11），有），有 1 1 0.378 vv d Re e pR p vv d R R 1.608 v m m 1.608q 106 0.62216 e p 即 q （ ） 107 1）水汽混合比）水汽混合比r v d m r m 2)比湿比湿 q () v vd m q mm 3) 绝对湿度（水汽密度绝对湿度（水汽密度)v

44、 v m V 4）水汽压）水汽压e： 5）相对湿度）相对湿度 f 100% e f E 6）露点）露点 td、霜点霜点 tf () wd Ete() if Ete 6 vv eRT （） 108 q于于r的关系：的关系： 1 r q r 1re、 与 0.62215 e r p e 即 （ ） 2qe、 和 0.62216 e p 即 q （ ） 6 vv eRT （） 109 4 ddd PRT（） * 11 3 8.31 287 28.966 10 d R RJ kgK M Rd称为干空气称为干空气 比气体常数比气体常数 6 vv eRT （） * 11 3 8.31 461 18 10

45、v v R RJ kgK M 1.6085 v d R R （ ） 110 12 m pR T（ ） 1 0.378) md e RR P （ 13 dv pR T（ ） 1 0.378) v e TT P （ 111 第五节第五节 大气静力学方程大气静力学方程 一、方程推导一、方程推导 假定大气处于静力平衡假定大气处于静力平衡 状态，即大气相对于地状态，即大气相对于地 面静止，达到力的平衡。面静止，达到力的平衡。 任取一块截面积为任取一块截面积为1m2， 厚度为厚度为dz的铅直气柱，的铅直气柱， 对它进行受力分析对它进行受力分析 112 应有 G+(p+dp)=p 即 gdz+p+dp=p

46、整理得 dp=- gdz （1.5.1) dp g dz 或 （ 1.5.2) （1.5.1）称为大气静力学方程的微分形式）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式）称为大气静力学方程的导数形式 113 当大气静止或只做匀速垂直运动时，大气静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。力学方程精确成立。 当大气有弱的垂直加速度时，大气静力学当大气有弱的垂直加速度时，大气静力学 方程近似成立。方程近似成立。 二、适用条件二、适用条件 大气运动具有准水平性，即任意时刻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。大部分空间范围的

47、大气以水平运动为主。 垂直加速度一般小于垂直加速度一般小于0.1cm/s2,比重力加速度比重力加速度 至少小至少小4个数量级。个数量级。 114 大气静力学方程不仅适用于静止大气，而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且也适用于一般大气，不适用于有强垂直运动 的大气（见图）的大气（见图） 115 116 三、应用三、应用 1、用来定义平衡气压（大气静力学气压）、用来定义平衡气压（大气静力学气压） 对（对（1.5.2）式两边积分）式两边积分， 12 :;zzz 12 :p pp 得得 2 1 21 1.5.3 z z ppgdz （） 22 0zp 特

48、殊 地 ， 当时 ， 则 1 1 1 .5 .4 z pg d z （） 117 即以某高度即以某高度z1上的平衡气压等于从该高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。度直到大气上界的单位截面铅直气柱的重量。 2、求气压阶、求气压阶hp (p31) 1）定义：垂直气柱中每减小单位气压所对）定义：垂直气柱中每减小单位气压所对 应的几何高度增加量应的几何高度增加量 (10.378) 1 21.5.5 d p e R T dzp h dpgpg ）计算式：（） 3）影响因子）影响因子 ; p Th，, p ph 118 3、计算气压标高、计算气压标高Hp 1）定义）定义 标高

49、分气压标高和密度标高，这里只介绍前者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气压标高表示气压随高度的变化 趋势，定义式为趋势，定义式为 (平面平行大气的假设下平面平行大气的假设下) 119 1 ln ()1.5.6 p dp H dz （） 2）计算式）计算式 1 ln p H dp dz p dp dz dv R T g 1.5.7 dv R T g （） vv TT与 成正比，若 不随高度变化， p 则H 也不随高度变化。 120 3）等温大气的标高）等温大气的标高 对（对（1.5.6）式变形后两边积分，得）式变形后两边积分，得 2 1 21 1 exp()1

50、.5.8 z z p PPdz H （） 对于等温大气，对于等温大气，Tv不随高度变化，不随高度变化， 故故Hp也不随高度变化，所以也不随高度变化，所以 21 21 exp()1.5.9 p zz PP H （） 121 对于等温大气，对于等温大气，Hp在数量上等于气压在数量上等于气压 减小到起始气压的减小到起始气压的1/e所需要的高度增量。所需要的高度增量。 4、用来推导模式大气的压高公式、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。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。模式大气：是满足一定假设条件的大气。 1）等温大气）等温大气

51、a) 定义：虚温或温度不随高度变化的大气定义：虚温或温度不随高度变化的大气 b) 压高公式压高公式： 21 21 exp()1.5.9 p zz PP H （） 122 21 21 () exp1.5.10 dv g zz PP R T （） 把（把（1.5.7）代入，有）代入，有 在气象观测中，常用（在气象观测中，常用（1.5.10）求）求 算等压面位势高度和海平面气压换算。算等压面位势高度和海平面气压换算。 c) 上界（上界（p=0 的高度）：无上界的高度）：无上界 2）多元大气）多元大气 a) 定义：气温随定义：气温随 高度线性变化的高度线性变化的 大气称大气称 为多元为多元 大气。大气

52、。 123 b) 压高公式：设压高公式：设 0 TTz ，代入大气静力学方程中可，代入大气静力学方程中可 推导出推导出 0 0 0 ()1.5.11 d g R Tz pp T （） c) 上界：上界： 0 T H 124 3）均质大气）均质大气 a) 定义：空气密度不随高度变化的定义：空气密度不随高度变化的 大气称为均质大气。大气称为均质大气。 b) 压高公式压高公式： 0 ppgz c) 上界：上界： 00 8 dv pR T Hkm gg 数值上等于低层大气的标高。数值上等于低层大气的标高。 125 卓奥友峰卓奥友峰 8201米米 8000米是米是 人类生存人类生存 的极限的极限 126

53、 127 d) 铅直温度递减率铅直温度递减率 34.2 / md gg K km RR m pR Tz对两边关于 求导 mm pT R TR zzz pp T g zTz 由均质大气压高公式和状态方程，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：求得均质大气铅直温度递减率为： 34.2 /?K km 128 变形，得变形，得()1.5.12 m Tg zTzR （） 由（由（1.5.12）式发现，）式发现， ,0, m Tg zRz 若则自动发生对流 ,0, m Tg zRz 若则不会自动发生对流 所以所以 也称为自由对也称为自由对 流铅直温度递减率流铅直温度递减率 34.2

54、 / md gg K km RR 129 四、标准大气四、标准大气 1、定义（、定义（WMO的定义）的定义） 所谓标准大气，就是能够粗略地反所谓标准大气，就是能够粗略地反 映出周年、中纬度状况的，得到国际上承映出周年、中纬度状况的，得到国际上承 认的，假定的大气温度、压力和密度的垂认的，假定的大气温度、压力和密度的垂 直分布。它的典型用途是作为压力高度计直分布。它的典型用途是作为压力高度计 校准、飞机性能计算、飞机和火箭设计、校准、飞机性能计算、飞机和火箭设计、 弹道制表和气象制图的基准。假定空气服弹道制表和气象制图的基准。假定空气服 从使温度、压力和密度与位势发生关系的从使温度、压力和密度与

55、位势发生关系的 理想气体定律和流体静力学方程。在一个理想气体定律和流体静力学方程。在一个 时期内，只能规定一个标准大气，这个标时期内，只能规定一个标准大气，这个标 准大气，除相隔多年做修正外，不允许经准大气，除相隔多年做修正外，不允许经 常变动。常变动。 130 2、美国、美国1976年标准大气：年标准大气： 是对美国是对美国1962年标准大气的修正，年标准大气的修正， 它表示了中等太阳活动期间，由地面到它表示了中等太阳活动期间，由地面到 1000km的理想化、静态的中纬度平均的理想化、静态的中纬度平均 大气结构。大气结构。 3、我国国家标准、我国国家标准： 我国国家标准总局规定，在建立我国我

56、国国家标准总局规定，在建立我国 自己的标准大气之前，可使用自己的标准大气之前，可使用1976年美国年美国 标准大气，取其标准大气，取其30 km以下部分作为国家以下部分作为国家 标准。标准。 131 132 133 第六节第六节 气压场气压场 气压场：气压的空间分布。气压的三维气压场：气压的空间分布。气压的三维 空间分布称为空间分布称为空间气压场空间气压场；气压的水平；气压的水平 分布称为分布称为水平气压场水平气压场。 134 一、基本概念一、基本概念 1、等高面图、等高面图 等压面：指空间气压相等各点组成的等压面：指空间气压相等各点组成的 曲面，曲面， 见下页图见下页图 等高面：海拔高度相同的各点组成的曲面等高面：海拔高度相同的各点组成的曲面 等高面上的等压线：是等高面上气压相同等高面上的等压线：是等高面上气压相同 点的连线。是等压面与等高面的交线。点的连线。是等压面与等高面的交线。 135 书签 气压气压 hPa 亚洲亚洲 : 10月月 11日日 北京时北京时 间间 08:00 136 目前地面天气图，就是高