气象学讲稿课件

1、第1章 大气的基本特征第1章 大气的基本特征一、 大气的成分二、 大气的垂直结构三、 大气的状态方程（不讲）四、 大气静力学方程（不讲） 五、 基本气象要素Outline一、 大气的成分Outline1.1 大气的成分（干空气、水汽、气溶胶粒子和污染物质） 1. 干洁空气（1）定义：指大气中除去水汽和液、固态微粒以外的空气。（2）成分 氮（地球上生命体的基本成分） 氧（维持生命的活动） 氩（惰性气体） 氮+氧+氩=99.96%1.1 大气的成分（干空气、水汽、气溶胶粒子和污染物质） 二氧化碳（光合作用；大气保温效应） 臭氧（地球生命的保护伞：强烈吸收太阳辐射中的紫外线）图大气臭氧浓度随高度的变

2、化 二氧化碳（光合作用；大气保温效应）图大气臭氧浓度随图各高度上氧和氮的组成比例O2图各高度上氧和氮的组成比例O22. 水汽（唯一发生相变的大气成分）（1）来源：陆面、水面蒸发和植物蒸腾 （2）含量: 占整个地球总水量的0.001% （2）特点: 含量不稳定，因地区、高度、气象条件等而异（3）重要性：产生天气变化的重要因素，直接影响地面和低层大气的温度 3. 固态、液态微粒（气溶胶粒子，影响大气和地面温度，但对成云致雨起到重要作用） 4. 大气污染物质（粉尘、一氧化碳、二氧化硫、一氧化氮、硫化氢、碳氢化合物、氨等）2. 水汽（唯一发生相变的大气成分）（1）来源：陆面、水面 气象小常识：PM 2

3、.5PM2.5是指大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物。在大气中停留时间长，输送距离远，易吸附有毒有害化学物及细菌病毒等微生物，并随呼吸进入肺部，诱发疾病。 气象小常识：PM 2.5PM2.5是指气象学讲稿课件1.2 大气的垂直结构1.2 大气的垂直结构1.2.1 对流层（012km）温度随高度递减（平均每100米下降0.65 ）；有强烈的对流运动； 气象要素水平分布不均匀。1.2.1 对流层（012km）温度随高度递减（平均每11.2.2 平流层（1255km）气温随高度增加而升高； 水汽、杂质极少，透明度好；空气以平流为主，气流稳定。1.2.2 平流层（1255km）气温随高度增加而升高

4、；1.2.3 中间层（5580km）气温随高度增加迅速降低； 对流运动强烈（又称为上对流层）。 1.2.4 暖层或电离层（80800km）温度随高度增加而迅速增高；空气处在高度电离状态。1.2.3 中间层（5580km）气温随高度增加迅速降低1.2.5 散逸层（暖层以上）空气极其稀薄，温度高；空气质点运动速度快，受地球引力作用小，大气质点不断逃逸到宇宙太空。1.2.5 散逸层（暖层以上）空气极其稀薄，温度高；大气分层高度(km)气温变化原因气流运动特征与人类的关系对流层012递减地面为主要直接热源对流运动显著影响人类一系列的生产、生活活动平流层1255递增靠臭氧层吸收紫外线增温以平流运动为主人

5、类生存环境的天然屏障，利于高空飞行中间层55-80递减离地面热源远、臭氧少对流运动强烈无线电通讯（D层）暖层80800递增氮、氧吸收太阳紫外线辐射空气密度很小无线电通讯（ E、F层），人造卫星散逸层800以上略有递增空气极其稀薄空气质点运动速度很快受地球引力很小，人造卫星大气分层结构比较大气高度(km)气温原因气流运与人类的关系对流层012递减1.3 大气的状态方程（密度、体积、压强、温度）1.3.1 理想气体状态方程 一定质量的理想气体的压强（P）、体积（V）的乘积与热力学温度（T）的比值是一个常数。一般形式：1.3 大气的状态方程（密度、体积、压强、温度）1.3.1 1mol气体质量（克分

6、子量）； 普适气体常数，为8.314 J/(molK)对于单位质量气体：M=1g，并用R表示 ，则有： 通用形式：通用形式：1.3.2 干空气的状态方程 干空气的分子量：比气体常数：干空气的状态方程：1.3.2 干空气的状态方程干空气的分子量：比气体常数：干1.3.3 湿空气的状态方程 道尔顿分压定律：湿空气的气压为干空气气压与水汽压之和。 湿空气的气压： 湿空气的密度：1.3.3 湿空气的状态方程 道尔顿分压定律：湿空气的气压由干空气的状态方程式得：由水汽的状态方程式得：湿空气的密度为上两式之和：由干空气的状态方程式得：由水汽的状态方程式得：湿空气的密度为其中令： 为虚温湿空气的状态方程：

7、其中1.3.4 虚温（1）定义：与湿空气同气压同密度的干空气的温度（2）物理意义：虚温部分反映了湿空气中的水汽效应水汽越多虚温越高，虚温一般比气温高。1.3.4 虚温水汽越多虚温越高，虚温一般比气温高。1.4 大气的静力学方程及其应用 1.4.1 大气静力学方程 气压总是随高度增加而降低。在地面层中，高度每升100m，气压平均降低12.7hPa。 假设大气在垂直方向是静止状态，水平方向无压力差。 在气柱中取单位面积，厚度为 的薄气柱，讨论其垂直方向的受力情况： 1.4 大气的静力学方程及其应用 1.4.1 大气静力学方zP2P1yzx底部大气压力：顶部部大气压力：单位截面大气上界P1P2Gz2

8、z1气层的静力平衡zP2P1yzx底部大气压力：顶部部大气压力：单位截面大气小气柱垂直方向受到的净压力： 方向向上小气柱受到的重力： 方向向下相对地面静止的小气块，必然垂直方向两力平衡（静力平衡），则大气静力学方程为： 铅直气压梯度（单位高度气压差）小气柱垂直方向受到的净压力： 1.4 大气的静力学方程及其应用 Z P气压(P)高度(Z)海拔高度（m）气压（hPa） 30000 12 16000 100 11000 250 5500 500 3000 700 1500 850 0 10001.4 大气的静力学方程及其应用 Z P气1.4 大气的静力学方程及其应用将湿空气的状态方程 代入得到：当

9、单位体积的气块处于静力平衡时，所受的净压力与重量相等；气压随高度增加而减小；气压随高度变化的快慢与气压成正比，与温度成反比。 物理意义:1.4 大气的静力学方程及其应用将湿空气的状态方程 1.4 大气的静力学方程及其应用 1.4.2 单位压强高度差 表示在铅直气柱中气压减小一个单位所需要上升的高度。显然它是铅直气压梯度的倒数，即将湿空气的状态方程 以及常数g、Rd代入上式得到：上式表明，单位压强高差h与压强p成反比，而与温度T成正比1.4 大气的静力学方程及其应用 1.4.2 单位压900hpa1000hpah大h小大 小h与空气密度的关系h与气压和温度的关系900hpa1000hpah大h小

10、大 小h与空气密度的关1.4 大气的静力学方程及其应用 单位压强高度差应用举例：某测站海拔高度为40米，本站气压为1000百帕，气温为0，求h值，并将本站气压Ph订正为海平面气压P0。计算结果： h = 8；海平面气压为1005百帕。P0=Ph+C（C为海平面气压高度差订正值）1.4 大气的静力学方程及其应用 单位压强高度差应用举例：1.4 大气的静力学方程及其应用 大气静力学方程是将大气看成是静力平衡状态条件下，对一薄气柱的讨论。为了精确地获得气压与高度的对应关系，通常将静力学方程从气层底部到顶部进行积分，即得压高方程： 1.4.3 压高公式意义:气压随高度增加呈指数减小；厚度一定，减小的速

11、度快慢与 有关。1.4 大气的静力学方程及其应用 大气静力学方程是将大1.4 大气的静力学方程及其应用等温大气的拉普拉斯压高公式：Z1较低点的海拔高度；Z2较高点的海拔高度P1较低点的气压； P2较高点的气压 1.4.3 压高公式用途：根据不同高度上两点的气压值和它们之间的气柱的平均温度，求其间的高度差；还可以根据某一高度上的气压值和气柱的平均温度来推算另一高度上的气压值；由不同高度上的气压，求两高度之间气柱的平均温度1.4 大气的静力学方程及其应用等温大气的拉普拉斯压高公式1.5 基本气象要素1.5.1 气温 定义：空气温度的简称，表示空气冷热程度的物理量。 测量仪器：温度表：水银、酒精温度

12、表。温度计：自动记录气温连续变化的仪器，由感应、传递放大和自记三部分组成。 1.5 基本气象要素1.5.1 气温温度表：水银、酒精温度温标及转换摄氏温度 t（ ，摄氏度）华氏温度 tF（ ，华氏度）绝对温度 T（ ，开尔文） 三者间的转换关系： 温标及转换摄氏温度 t（ ，摄氏度）温度的观测百叶箱的作用：避免太阳对仪器的直接辐射和地面对仪器的反射辐射；保护仪器免受风雨的影响；有适当通风，能真实反映温湿度环境。温度的观测百叶箱的作用：避免太阳对仪器的直接辐射和地面对仪器为什么大热天走在大街上感觉到的温度，明显比气象部门公布的实况温度高？地表都能摊鸡蛋了，天气预报怎么才30多度？气温地温体感温度为

13、什么大热天走在大街上感觉到的温度，明显比气象部门公布的实况1.5.2 气压定义：单位面积上所受到的大气压力。任一高度上的大气压 力等于该高度单位面积上整个大气柱的重量。表达式： 汞的密度; h 水银柱的高度; g 重力加速度。 1个标准大气压： P=760 mmHg=1013.25 hPa1.5 基本气象要素最常用气压单位1.5.2 气压定义：单位面积上所受到的大气压力。任一高度上气压的观测水银气压表气压的观测水银气压表气压场的概念 空间各点气压分布组成的场称气压场，可以通过等压面和等高面图的分析来反映。 等压面：气压相等的点组成的面。 等压面的起伏形势反映水平气压场的分布形势 等高线：位势高

14、度相等的点连接成的线。实际为空间等压面与水平面的交线。气压场的概念 空间各点气压分布组成的场称气压场，可以通等高面：高度相等的点组成的面，将同高度不同测站点的气压及其他要素填在一张平面图上即为等高面图。等压线：气压相等的点连成的线。 等高面：高度相等的点组成的面，将同高度不同测站点的气压及其他高压区（空间等压面形如山包）由闭合的等压（高）线构成高值区，中心值最高 低压区（空间等压面形如下凹的盆地）由闭合的等压（高）线构成低值区，中心值最低 气压场基本类型高压区（空间等压面形如山包）气压场基本类型低压槽、槽线低压槽：是从低压区向外延伸的狭窄部分，空间等压面形如山谷。槽线：低压槽中等高（压）线曲率

15、最大点的连线。高压脊、脊线高压脊：是从高压区向外延伸的狭窄部分，空间等压面形如山脊。脊线：高压脊中等高（压）线曲率最大点的连线。鞍型场两高两低相对组成的中间区域。空间等压面形如马鞍。 低压槽、槽线高高高低低低高压脊高压脊低压槽低压槽鞍鞍高高高低低低高压脊高压脊低压槽低压槽鞍鞍 上述五种气压类型统称为（地面）气压系统。在不同的气压系统中，天气情况各不相同。例如，在低压区，由于气流的辐合上升，容易造成云和降水；在高压区内，由于空气下沉辐散，一般天气晴好。预报气压系统的移动与演变，是预报天气的重要内容。 上述五种气压类型统称为（地面）气压系统。在不同的气压天气图是将各地区同一时间观测的气象要素（如风

16、、温度、气压、云量、天气现象等）表现在地图上，帮助气象人员掌握天气状况。气象人员根据天气学原理分析天气图，揭示主要的天气系统、天气现象的分布特征和相互关系。天气图是目前气象部门分析和预报天气的一种重要工具。天气图一般分为地面天气图、高空天气图和辅助图三类。（1）地面天气图也称地面图，是根据地面观测资料绘制的等高面图，是天气分析和预报中最基本的天气图，用于分析地面天气系统和天气现象。 天气图天气图是将各地区同一时间观测的气象要素（如风、温度、气压、云地面图地面图（2）高空天气图是根据高空观测资料绘制的高空等压面图，用于分析高空天气系统和大气状况。常用的等压面图：100、200、500、700、8

17、50、925hpa850hpa1500m高空大气低层700hpa3000m对流层中下层500hpa5500m对流层中高层 天气图（2）高空天气图是根据高空观测资料绘制的高空等压面图，用于分高空图高空图（3）辅助图是配合地面图和高空图使用的，大致分两类，一类是地面辅助图，如区域天气实况演变图、区域降水分布图；另一类是高空辅助图，如温度对数压力图。 天气图（3）辅助图是配合地面图和高空图使用的，大致分两类，一类是地表示大气中水汽量多少的物理量，是云、雾、雨、露产生的重要影响因素，常用下述物理量表示：1水汽压 e 2饱和水汽压 es3绝对湿度w4相对湿度f5比湿q6混合比 w 7露点和霜点 td 8

18、. 饱和差d1.5.3 湿度1.5 基本气象要素表示大气中水汽量多少的物理量，是云、雾、雨、露产生的重要影响1水汽压（e） 含义：大气中水汽所产生的压力单位：hPa特点：随高度增加而迅速减小；由赤道地区向两极地区逐渐减少。 温度一定的条件下，一定体积的空气中能够容纳的水汽含量是有限度的。 未达到限度 未饱和 湿空气 达到限度 饱和 饱和空气 超过限度 过饱和 过饱和空气1水汽压（e） 温度一定的条件下，一定体积的空气中能够式中，t为温度；a，b为经验系数，冰、水面不同。es 反映一定温度下，空气对水汽的容纳能力。影响因素：温度、蒸发面的性质2饱和水汽压（es） 含义：饱和空气的水汽压，称饱和水

19、汽压。马格努斯（Magnus）经验公式（温度的函数）：式中，t为温度；a，b为经验系数，冰、水面不同。es 反映一气象学讲稿课件3绝对湿度（w ）含义：单位体积空气中所含的水汽质量计算公式： 式中，e为水汽分压力，Pa；T为气温，k；RW为水汽的比气体常数，等于461.5 J/(kgK)。当空气达到饱和时，为饱和绝对湿度。表示1m3 体积中水汽的最大包容能力。 3绝对湿度（w ）式中，e为水汽分压力，Pa；T为气温，气象学讲稿课件根据气体状态方程可导出：4比湿（q）含义：在一团湿空气中，水汽质量与该团空气总质量（水汽质量加干空气质量）之比。 计算公式：根据气体状态方程可导出：4比湿（q）当空气

20、饱和时，对应为饱和比湿，表达式为： 因为esp，上式可以写成： 饱和比湿是温度和气压的函数。当空气饱和时，对应为饱和比湿，表达式为：根据气体状态方程可导出：由于e50mm）影响因素：纬度位置、海陆位置、地形状况分布规律：总体从赤道向两极递减1.5.4 降水1.5 基本气象要素定义：自天空降落到地面的液态或固态水1.5.4 降水1.5 降雨强度标准小雨中雨大雨暴雨大暴雨特大暴雨1h雨量2.52.68.08.115.916.024h雨量200降雨强度标准小雨中雨大雨暴雨大暴雨特大暴雨1h雨量2.521. 雨量器 分辨率0.1mm。两段制观测，即每日8时及20时各观测一次。雨季增加观测段次。每日8时

21、至次日8时降水量为当日降水量。降水的观测1. 雨量器降水的观测2. 虹吸式雨量计分辨率：0.1mm雨强适用范围：小于4.0mm/min可连续记录降水量和降水时间。其上部盛水漏斗的形状和大小与雨量器相同。当雨水经过漏斗导入量筒后，量筒内的浮子将随水位升高而上浮，带动自记笔在自记纸上划出水位上升的曲线。当量筒内的水位达到10毫米时，借助虹吸管，使水迅速排出，笔尖回落到零位重新记录。自记钟给出降水量随时间的累积过程。 2. 虹吸式雨量计3. 翻斗式雨量计分辨率：0.1mm雨强适用范围：小于4.0mm/min分感应器和记录器两部分。感应器用翻斗测量，它是用中间隔板间开的两个完全对称的三角形容器，中隔板

22、可绕水平轴转动，从而使两侧容器轮流接水，当一侧容器装满一定量雨水时（0.1或0.2毫米），由于重心外移而翻转，将水倒出，随着降雨持续，将使翻斗左右翻转，接触开关将翻斗翻转次数变成电信号，送到记录器，在累积计数器和自记钟上读出降水资料。 3. 翻斗式雨量计气象学讲稿课件气象学讲稿课件定义：空气的水平运动风速：单位时间空气在水平方向运动的距离（m/s、km/h，kn）风向：风吹来的方向 （16方位表示） 风力等级: 蒲福（Beaufort ）风力等级测定：风向风速仪1.5.5 风1.5 基本气象要素定义：空气的水平运动1.5.5 风1.5 基本气象要素风向方位图风向方位图风向玫瑰图（风玫瑰图）WE

23、NS风向玫瑰图（风玫瑰图）WENS蒲福风级（Beaufort scale）由英国海军上将蒲福，于1805年首创的风力分级标准，后逐渐发展成现今通用的风级。 F为蒲福风级数；为风速（ kmh ）。蒲福风级是现今普遍采用的经验公式。蒲福风级（Beaufort scale）由英国海军上将蒲福，气象学讲稿课件风级歌风级歌轻便三杯风向风速表用于测量风向和一分钟时间内的平均风速由风向仪（包括风向标、方位盘、制动小套）、风速仪（包括十字架、风杯、风速表主机等）、手柄三部分组成风的观测轻便三杯风向风速表风的观测EL型电接风向风速仪由电感应器、指示器和记录器三部分组成EL型电接风向风速仪风灾 与 风能风灾风灾和

24、风能风灾：当风速和风力超过一定限度时带来的灾难。常见的风灾有台风（飓风）和龙卷风。风能：空气流动（风）所具有的动能。风能资源决定于风能密度和年累积时数，风能密度指单位迎风面积可获得的风的功率，与风速相关。风灾和风能风灾：当风速和风力超过一定限度时带来的灾难。常见的中国风力资源分布状况图 中国风力资源分布状况图 我国风能资源丰富的地区 （1）三北(东北、华北、西北)地区包括东北三省、河北、内蒙古、甘肃、宁夏和新疆等省(自治区)近200 公里宽的地带。风功率密度在200300 W/m2以上。 （2）东南沿海及附近岛屿包括山东、江苏、上海、浙江、福建、广东、广西和海南等省(市)沿海近10 公里宽的地

25、带，年风功率密度在200W/m2米以上。 我国风能资源丰富的地区 （1）三北(东北、华北、西北)地区包定义：悬浮在大气中、不接触地面的小水滴、冰晶微粒或二者混合物的可见聚合群体。通常由云量、云状两个状态参量表示。 1云量 表示云的多少，以云占据天空的面积来度量。将天空划分为10等份，云遮盖的份数即为云量。1.5.6 云1.5 基本气象要素定义：悬浮在大气中、不接触地面的小水滴、冰晶微粒或二者混合物 天气预报广播中的晴、少云、多云和阴，就是根据云量划分的。 天空无云，或者虽有零星云层，但云量不到2时称为晴；低云量在8以上称为阴。中、低云的云量为13，高云的云量为45时，称为少云；中、低云的云量为

26、47，高云的云量为610时，称为多云。 天气预报广播中的晴、少云、多云和阴，就是根据云量晴天 多云阴天 把天空当做一个圆，看看云在天空中所占的多少晴天 多云阴天 把天空当做一个圆，看看云在天空中所占的多少观察云晴 天观察云晴 天观察云多 云观察云多 云观察云阴 天观察云阴 天2云状 国际通用的方法是按照云的不同形态和云高分为3族10属：高云族、中云族、 低云族2云状 （1） 高云种类：卷云、卷积云、卷层云 特点：云层薄，对阳光略有削弱，常伴有日、月晕。云底高度6000m。由微小冰晶组成，无降水。（1） 高云种类：卷云、卷积云、卷层云 高云（距地面6000m以上）高云（距地面6000m以上）高云（距地面6000m以上）高云（距地面6000m以上）（2） 中云种类：高积云、高层云 特点：云底高度2000-5000m，常伴有日、月华。高积云无降水；高层云冬季有时有小雨雪。（2） 中云种类：高积云、高层云 中云（云底高度在20005000m）中云（云底高度在20005000m）中云（云底高度在20005000m）中云（云底高度在20005000m）（3） 低云种类：层积云、层云、雨层云、积云（淡积云、浓积云）、积雨云 特点：云底高度2000m，层积云偶见小雨、毛毛雨。层云常伴有小雨、毛毛雨。雨层云有连续性降水。淡积云一般无雨，浓积云有时有零星小雨，积雨云常有电闪、雷鸣和