第01章 大气概况

第一章大气概况§概述GO§1大气的组成GO§2大气的垂直结构GO§3大气状态方程GO

SatelliteImageofEarth

Meteorologistsfinditusefultolookatweatheronaverylargescale.Becausegeostationaryweathersatellitescanonlymakeimagesofrelativelysmallportionsoftheearth'ssurface,severalimageswerecombinedtoformthispictureofNorthandSouthAmerica.

概述

几个重要的专业术语大气（Atmosphere）：包围地球表面的整个大气层。天气(Weather)：指一定区域在较短时间内各种气象要素的综合表现。天气表示大气运动的瞬时状态。气候(Climate)：指某一区域天气的多年平均特征，其中包括各种气象要素的多年平均及极值。气候表示长时间的统计平均结果.

§1大气的组成

大气：主要由多种气体、水汽和悬浮的大气微粒构成。干空气（DryAir）:大气中除水汽和大气微粒以外的整个混合气体氮(78.09%)、氧(20.95%）、氩（0.93%）。二氧化碳（0.03％）、稀有气体：氢、氖、氦、氪、氙、氡、臭氧等。主要成分次要成分

大气是可压缩气体，大气密度随高度增加而迅速减少。观测表明，10公里以内集中了75%的大气质量，35公里以下则达99%，近地面空气标准密度为1.293千克/立方米。影响天气和气候变化的主要大气成分为二氧化碳、臭氧和水汽。干洁空气注意1.二氧化碳（CarbonDioxide）:平均含量0.03%,若达到0.2-0.6％，就对人体有害。二氧化碳能强烈地吸收和放射长波辐射，对地面和大气的温度分布有重要影响，类似温室效应(GreenhouseEffect)，直接影响气候变迁。含量：陆地多于海洋，城市多于农村，低处多于高处，夏季多于冬季，室内多于室外。2.臭氧（Ozone）：主要存在于20-40公里气层中，又称臭氧层（Ozonosphere）。臭氧是吸收太阳紫外线的唯一大气成分，若没有臭氧层，人类和动物、植物将受到紫外线的伤害。大气中的易变成分OzoneLayerHole

TheozoneholeovertheSouthPoleisapparentinthisfalse-colorimagetakenbyasatelliteinOctober1999.Lowlevelsofozoneareshowninblue.Ozoneisagasthatblocksharmfulultravioletsunlight.Industrialchemicalsreleasedintotheatmospherehavecausedozonetobreakdown,openingholesintheozonelayerthattendtoconcentrateatthepoles.LaunchingOzoneBalloon,ntarctica

EarthscientistslaunchaballoonfromtheroofofabuildingatMcMurdoresearchbaseinAntarctica.TheballoonwillbeusedtostudyEarth’sozonelayer.3.水汽（Vapor）：含水汽的空气叫做湿空气（WetAir）。空气中的水汽含量随纬度、时间、地点而变化。

湿空气在同一气压和温度下，只有干空气密度的62.2％。大气中水汽含量范围在0～4％，具有固、气、液三态，是常温下发生相变的唯一大气成分，它也是造成云、雨、雪、雾等现象的主要物质条件。水汽能强烈地吸收和放出长波辐射，并在相变过程中吸收和放出潜热能，对地面和空气的温度影响很大。大气中的易变成分

4.大气微粒(Aerosol)：悬浮在空气中的固体或液体微粒，主要包括尘埃、烟粒、细菌、病毒、花粉和微小盐粒等。它们主要集中在大气的低层，影响能见度，能吸收部分辐射，并对太阳辐射具有散射作用。在水汽相变过程中，大气微粒可以作为凝结核（CondensationNucleus)。大气中的易变成分§2大气的垂直结构根据气温、水汽的垂直分布、大气扰动和电离现象等要素的变化规律，可以将大气分为五个层次。（P5）1.对流层（Troposphere）：下界为地面，上界随纬度和季节变化，平均厚度10-12公里。通常在高纬为6-8Km，中纬度10-12Km，低纬度17-18Km。夏季对流层的厚度比冬季高。对流层集中了大气质量的80％和全部水汽，与人类关系最为密切，大气中几乎所有的物理和化学过程都发生在该层。对流层具有三个主要特征。DivisionsoftheAtmosphere

Theatmospherecanbedividedintoaseriesoflayers,basedontheairtemperatureatdifferentaltitudes.Intwoofthelayers,thetroposphereandthemesosphere,airgetscolderasaltitudeincreases.Intheothertwolayers,thestratosphereandthethermosphere,airgetswarmerasaltitudeincreases.Thissecondpatterniscalledatemperatureinversion,andithindersthemixingofairthataccompaniesverticalaircurrents.Consequently,airinthetroposphereiswellmixed,butairinthestratosphereisnot.⑴气温随高度而降低。平均幅度为0.65℃/100m。即γ＝0.65℃/100m称γ为气温垂直递减率。⑵具有强烈的对流和湍流运动。是引起大气上下层动量、热量、能量和水汽等交换的主要方式。⑶气象要素沿水平方向分布不均匀。如温度、湿度等。对流层中三个主要特征在对流层中气温随高度上升而降低。气温随高度递减的快慢可用气温的直递减率γ表示：

式中：表示高度增加时，相应的气温变化量。的单位通常取100m.负号表示气温随高度增加而减小。通常γ＞0。当γ=0时表示等温。当γ＜0时表示逆温，既在某一气层中，气温随高度增加而增加。γ=0.65℃/100m对流层中气温的垂直分布根据大气运动的不同特征通常将对流层分为：摩擦层(FrictionLayer)：摩擦层又称边界层，从地面到1Km高度，其厚度夏季高于冬季，白天高于夜间。摩擦层高度是纬度和湍流粘性系数的函数。湍流输送是该层的基本运动特点。按摩擦力随高度变化的特点，摩擦层可分成近地面层和上部摩擦层。自由大气(FreeAtmosphere)：自由大气的基本运动形式是波动，地面摩擦作用减小，可忽略不计，这样大气的运动显得比较简单和清楚。摩擦层与自由大气近地面层：30~50m，一般不超过100m。风向随高度的改变不明显；风速随高度的改变则主要与气层是否稳定有关。稳定，差异明显；不稳定，差异不明。在近地面层内，粘性摩擦力起主要作用，而气压梯度力和地转偏向力可以忽略。近地面层(SurfaceLayer)对流层顶(Tropopause)厚度约为1-2Km，温度随高度呈等温或逆温状态2.平流层（Stratosphere）：厚度：自对流层顶到大约55Km左右；特点：①空气的垂直运动比较弱，主要是水平运动。②水汽含量少。③气温随高度递增（最初等温，到20-25Km气温突增，主要是臭氧吸收太阳紫外线）。④气层稳定利于飞机飞行。3.中间层（Mesosphere）：厚度：自平流层顶到85Km左右；特点：①温度随高度迅速下降（无臭氧，有强烈垂直运动）。②大约在65Km处是电离层，白天强，夜间弱。4.

热层（Thermosphere）：厚度：85-800Km。特点：①气温随高度迅速增加。②空气高度电离，又称电离层。电离层的程度也有差别，比较强的为E层（100-120Km）和F层（200-240Km)，反射无线电波，对通信有重要意义。5.逸散层（Exosphere）:厚度800Km以上。特点：气温也随高度增加，大气质点摆脱地球引力的束缚，向星际空间散逸。按着大气的化学成分来划分。这种划分是以距海平面90公里的高度为界限的。均质层:在90公里高度以下，大气是均匀地混合的，组成大气的各种成分相对比例不随高度而变化，这一层称均质层。非均质层:在90公里高度以上，组成大气的各种成分的相对比例，是随高度的升高而发生变化的，比较轻的气体如氧原子、氦原子、氢原子等越来越多，大气就不再是均匀的混合了，因此，把这一层叫做非均质层。按着大气被电离的状态来划分，可分为：非电离层：在海平面以上60公里以内的大气，基本上没有被电离处于中性状态，所以这一层叫非电离层。电离层(Ionosphere)：在60公里以上至1000公里的高度，这一层大气在太阳紫外线的作用下，大气成分开始电离，形成大量的正、负离子和自由电子，故这一层叫做电离层。大气的垂直高度大气上界(Aeropause)：大气很难定出上界，一般以物理现象发生的最高高度为上界。极光发生在高纬度不同高度上，但最高达到1000-1200Km作为大气的物理上界.但由卫星探测的大气上界为2000-3000Km

AuroraBorealis,orNorthernLights

Luminousdisplayscalledaurorasoftenoccurinphasewithsunspotcycles.Aurorastypicallyappearabovetheearth’spolarregionswhenchargedparticlesfromthesuninteractwithgasesintheearth’satmosphere.Excitedgasmoleculesgiveoffvisibleradiation,orlight,oftenintheredandgreenpartofthespectrum.ThisdisplayofmultipleauroralbandswasphotographedinFairbanks,