第三节大气的基本物理性质

第三节大气的基本物理性质一、主要的气象要素(meteorologicalelements)气象要素：定性或定量描述大气物理现象和大气状态特征的物理量。它们包括太阳辐射、温度、湿度、气压、云、降水、蒸发、能见度和各种天气现象等。其中以温度、气压、湿度和风最为重要。气象要素表征着大气的宏观物理状态，是大气科学研究的基础。气压(airpressure)1、 气压的定义气压：大气压强的简称，从观测高度到大气上界，单位面积上垂直空气柱的重量。气压常用的单位是百帕(hpa),或以水银柱高度的毫米(mm)数、厘米(cm)数表示。一个标准大气压：国际上规定，温度为0°C,纬度为45。的海平面上，760mm水银所具有的压强称为一个标准大气压。2、 气压单位的换算p=(sxhxpHgxg)/s=0・76x1・35951x104(kg/m3)x9・80665(m/s2)=101325(N/m2)g=9.80665(1-0・00259cos2w)(l+Z/R》2在国际单位制中，压强的单位是帕斯卡(Pa)。1帕斯卡=1牛顿/平方米，所以，1个标准大气压=101325N/m2=101325Pa=1013.25hpaM000hpa气象学上以前曾用毫巴作为气压的单位，1mb=1000达因/平方厘米，因1帕斯卡=10达因/平方厘米，所以1mb=100帕斯卡=1百帕(hpa)，1牛顿=105达因1mb=1hpa 一个标准大气压=760mmHg=1000hpa 1mmHg=4/3hpa可以由式mg/4^R2容易地计算出地球表面的平均气压。式中的m为大气的总质量5.13x1018Kg,g为平均重力加速度9.8m/s2，R为地球的平均半径，地球表面上的平均气压为：105pa=1000mb=1000hpa。3、 测定气压的仪器气压表(动槽式、定槽式)、气压计、空盒气压表等。湿度(humidity)1、 湿度的定义表示物体潮湿程度的物理量。表示空气潮湿程度的物理量称为空气湿度。2、 湿度的表示方法(1)水汽压(e)大气中水汽所产生的分压强称为水汽压。和大气压强一样，水汽压也用mmHg为单位，在国际单位制中也采用帕斯卡为单位。饱和水汽压(e』饱和水汽压的定义在一定温度下，空气中水汽达到最大含量时的水汽压称为饱和水汽压。饱和水汽压的计算公式对于纯水面上饱和水汽压与温度的关系可用马格努斯公式表示，即：e=eox10a”(b+t)ww0式中e为温度t时纯水面上的饱和水汽压；e0为0C时纯水平面上的饱和水汽压。a，ww0b为经验常数，对于水面a=7.45，b=235；对于冰面a=9.5,b=265；e0为0C时的饱和0水汽压，e=6.11hpa。0影响饱和水汽压的因子饱和水汽压除与温度有关外，还与蒸发面的物态、形状以及蒸发面的溶液浓度等因子有关。同一温度下冰面饱和水汽压比水面小；凹面的饱和水汽压比平面小，平面又比凸面小随着凸面曲率的增加，饱和水汽压增大；纯水面的饱和水汽压比溶液的大，随着溶液浓度增大，饱和水汽压则减小。饱和差在某一温度下空气的饱和水汽压与空气中实际水汽压之差称为饱和差。它表示空气距离饱和的程度。即：d=e-e。若dvO,表示空气未饱和；若d=0,表示空气正好处于饱和状W态；若d>0,则表示空气处于过饱和状态。绝对湿度(a)单位容积湿空气中含有的水汽质量,也就是空气中水汽的密度。空气中水汽含量愈多,绝对湿度就愈大。利用它能直接表示空气中水汽的绝对含量,但它不能直接测定。如果a的单位取g/m3,e的单位为hpa,则a=217e/Te的单位为mm,则a=289e/T,上式中，T均为绝对温度。在②中，当T=289K(或t=16°C)时，a在数值上与e是相等的。故在常温下，当要求不很精确时，可以mm为单位的e值代替a,但需注意两者的单位是不同的。(5)相对湿度(U)空气中实际水汽压与同温度下饱和水汽压的百分比,称为相对湿度。即：U=e/eX100%.W相对湿度表示空气中水汽含量距离饱和的程度。当空气饱和时，e=e,U=100%:当空气W未饱和时，e>e,U<100%:当空气过饱和时，eve,U>100%。w w(6)比湿(q)在一团湿空气中，水汽质量与该团湿空气总质量的比值称为比湿。即：q=m/(m+md),d式中：m为水汽质量，md为干空气质量。d(7)露点(td)d当空气中水汽含量不变，且气压一定时，使气温降低达到水汽饱和时的温度称为露点温度，简称为露点，单位为C。(8)温度露点差(depressionofdewpoint)在给定的时间和地点，气温和露点温度的差值，用t-td表示。温度露点差也表示空气距d离饱和的程度。当t>td时，表示空气未饱和；当t=td时，空气已饱和；当t<td时，空气为过d d d饱和。3、测定空气湿度的仪器百叶箱中干湿球温度表配合使用、毛发湿度表、湿度计、通风干湿表等。表5风力等级表风力等级名称海面状况海岸渔船征象陆地地面物特征相当风速浪高米/秒千米/小时海里/小时一般最高范围中数0无风(米)(米)静静，烟直上0.0-0.20.1<1<11软风0.10.1寻常渔船略觉摇动烟能表示风向0.3-1.50.91-51-32轻风0.20.3渔船张帆时，每小时人面感觉有风1.6-3.32.56-114-6

可随风移行2-3千米3微风0.61.0渔船渐觉簸动，每小时可随风移行5-6千米树枝及微枝摇动不息，旌旗展开3.4-5.44.412-197-104和风1.01.5渔船满帆时可使船身倾于一方能吹动地面灰尘和纸张，树的小枝摇动5.5-7.96.720-2811-165清风2.02.5渔船缩帆时（即收去帆之一部）有叶的消暑摇摆，内陆的水面有小波8.0-10.79.429-3817-216强风3.04.0渔船加倍缩帆，捕鱼需注意风险大树枝摇动，电线呼呼有声，举伞困难10.8-13.812.339-4922-277劲风4.05.5渔船停息港中，在海面下锚全树摇动，大树枝弯下来，迎风步行感觉不便13.9-17.115.550-6128-338大风5.57.5近港的渔船皆停留不出可折毁树枝，人向前行感觉阻力甚大17.2-20.719.062-7434-409烈风7.010.0汽船航行困难烟筒及平房屋顶受到损害20.8-24.422.675-8841-4710狂风9.012.5汽船航行颇危险陆上少见，见时可使树木拔起或将建筑物吹毁24.5-28.426.589-10248-5511暴风11.516.0汽船遇之极危险陆上少见，有则必有重大损毁28.5-32.630.610311756-6312台风14.0-海浪滔天陆上绝少，其摧毁力极大>32.6>30.6>117>63（三）温度（temperature）1、 温度的定义表示物体冷热程度的物理量称为温度。表示空气冷热程度的物理量称为气温。2、 温度单位的换算摄氏温标（°C）：t°C=5（F-32）/9华氏温标（F°C）：tCF=9C/5+32绝对温标：TK=273+C（四）风（wind）1、风的定义：空气的水平运动称为风。2、风的表示方法风向（winddirection）：是指风的来向，常用8个或16个方位来表示。风速（windspeed）：指单位时间内空气水平移动的距离，通常用每秒米（m/s）或风力等级（表5）来表示。

(3)测定风向风速的仪器电接风向风速计、三杯轻便风向风速表等。二、状态方程理想气体状态方程：PV=MR*T/y,式中R*为普适气体常数，它等于8.31J/mol・k。凡是严格符和这个方程的气体，叫做理想气体。实际上理想气体并不存在，不过在常温常压下干空气和未饱和的湿空气都十分接近理想气体。故上式对于实际大气是实用的。在气象学上常把单位体积的空气作为研究对象，故上式变为：P=MR*T/Vg，式中M/V就是密度p,R*/卩用R表示，为比气体常数，P=pRT干空气状态方程现在求干空气的比气体常数：Rd=R*/gdddgd=M/(ni+n2+n3+n4)=M/(MN2/^N2+MO2/^O2+MAr/^Ar+MCO2/^CO2)=M/(Mx75.52%/卩+Mx23.15%/卩+MH.28%/卩+MM.05%/卩)N2 O2 O2 CO2=28.966千克/千摩尔Rd=R*/gd=287J/kg^k，R*=8.31J/mol・k在标准状况下(1个大气压，温度为0°C时为标准状况)，干空气的密度为：Pd=P/(RdxT)=101325/(287x273.15)=1.293kg/m3于是干空气的状态方程为：P=pdRdT该式表明，在温度一定时，气体的压强与它的密度成正比；在密度一定时，气体的压强与绝对温度成正比。湿空气状态方程大气总是含有水汽的，含有水汽的空气称为湿空气。假设湿空气的温度为T,总压强为P,水汽的分压强是e,此时干空气压强为P-e，干空气密度为pd，水汽密度为P(即绝对湿度)，则湿空气的密度为：p=pd+pwpd=(P-e)/RdT：p=e/RT：wwRw=R*/yw=8.31/18.016=461(J/kg・k)=28.966xR/18.016d=461(J/kg・k)=1.608Rd则：p=p+p=(P-e)/RT+e/RTdw d w=[1.608(P-e)+e]/1.608RdT=[P-e+e/1.608]/RdT=P-e+0.622e/RTd=P-0.378e/RTd=P(1-0.378e/P)/RdT把上式分子分母同乘以(1+0.378e/P),并考虑e比P小得多，因而(0.378e/P)2很小,可忽略不计