第二次课大气的组成、结构和性质

第二章大气的组成、结构和性质

大气的组成

大气的结构和性质气团和锋天气系统第二章大气的组成、结构和性质包围着地球的气体外壳称为大气。大气的总质量约为5.136×1018千克，仅相当于地球质量的百万分之一。在大气中所发生的物理现象及物理过程都有着密切的关系。2.1大气的组成地球大气是由多种气体组成的混合气体，概括起来，大气由三部分组成：干空气、水汽和气溶胶粒子。大气中呈悬浮状态的固态、液态微小颗粒物质称为气溶胶粒子。在86公里以下，大气的气体成分可分为两类：一类是常定成分，为氮、氧和氩（99.96%）另一类是可变成分，其含量随时间和位置而改变，主要有水汽、二氧化碳和臭氧（不足5%

）2.1大气的组成一、干空气大气中除水汽以外的其它气体称为干空气。低层大气中干空气的成分如表2-1所示。氮、氧、氩和二氧化碳等四种成分按摩尔分数来说共占整个干空气的99.997%--主要成分其它成分的比例相当小，其总量还不到0.003%，--次要成分。

表2-1近地面层干空气的成分成分分子量质量分数（ppm）摩尔分数（ppm）氮气28.013755230780840氧气31.999231420209460氩气39.948128009340二氧化碳44.010500330氖20.17912.718.18氦4.0030.725.24氪83.803.31.14氙131.300.390.087甲烷16.0431.01.3～1.6氢气2.01580.040.5氧化亚氮44.0120.50.25～0.35臭氧47.9980.02～0.20.01～0.05一氧化碳28.0100.06～10.05～0.25二氧化氮46.0060.0008～0.030.0001～0.001氨气17.0300.00003～0.003二氧化硫64.060.00003～0.003硫化氢34.08<0.000006～0.00062.1大气的组成二、水汽

水汽是大气的重要组成部分之一。水汽没有固定的含量，随着时间、地点和气象条件（如温度、风等）而有很大的变化，其变化范围按摩尔分数计算，大约在0～4%之间。

2.1大气的组成水汽来自地面，借空气的铅直混合传到上层；在一般情况下，水汽含量随高度的升高而减小夏季水汽含量大，冬季水汽含量小低纬水汽含量大，高纬水汽含量小在一定（有利）的形势下，水汽可以水平传播2.1大气的组成表2-1水汽含量（cm）随季节和纬度的变化季节纬度气层夏季冬季03045600304560海平面以上5.44.32.62.23.21.60.80.51千米以上3.01.91.61.22.01.00.50.32千米以上2.01.51.00.81.00.60.30.23千米以上1.00.80.50.40.60.30.20.1三、气溶胶粒子大气中除了干空气的各种成分以及水汽外，还存在着许多固体和液体粒子。在空气中悬浮的固态和液体粒子称为气溶胶粒子。气溶胶粒子的形状很不规则，有球形、片状、柱状等不同直径的气溶胶粒子的数浓度是不同的，差别相当大

2.1大气的组成2.1大气的组成根据有效直径（D）的大小，可把气溶胶粒子分为三类：在城市的污染空气中最大，海洋上最少（1）埃根核：<0.2微米（2）大核：0.2～2.0微米（3）巨核：>2微米在陆上、海上和污染空气中的数浓度相差不大气溶胶粒子的成分极其复杂，目前所观测到的主要有硫酸盐（主要是硫酸铵）、硝酸盐（例如硝酸钠）、海盐（氯化钠）、煤烟、沥青、土壤粒子以及尘埃等。

2.1大气的组成2.2大气的结构

一、大气的垂直分层根据大气本身的物理或化学性质，可将大气分为许多层次。其中最主要的是按照大气温度的铅直分布特点来分层。大气的温度主要是受太阳辐射的影响，太阳辐射进入大气后能够产生热效应。由于波长较短的辐射往往在高空就被吸收，不能深入到低层，而波长较长的辐射才能深入到低层或到达地面。2.2大气的结构第一个高温层300千米以上的高空原因分析由于波长介于0.1～0.2微米的紫外辐射使90千米以上的氧分解成原子氧，原子氧扩散到300千米以上的高空，在波长小于0.1微米的紫外辐射的作用下形成离子，并放出大量的热量，使这里的温度升得很高，可达1800K以上第二个高温层55千米附近原因分析由于波长介于0.2～0.3微米的太阳辐射被55千米范围内的臭氧大量吸收而形成的。虽然臭氧浓度最大值在22～25千米附近，但由于上层臭氧所接收的辐射强，吸收的能量也就多，当太阳辐射到达20～25千米气层时，强度已显著减弱，不能产生显著的增温效应。温度可达270-290K。

2.2大气的结构第三个高温层近地面的气层

原因分析由于波长大于0.3微米的太阳辐射可深入到地面，对地面起到加热作用。近地面气层受到地面的影响，温度也比较高，可达290～300K。

在上述几个温度较高的层次之间，形成了几个温度相对低的区域。平均来说，它们分别位于85千米和8～12千米附近。2.2大气的结构

1、按大气温度随高度的分布特征分层根据大气温度随高度的分布，1962年世界气象组织（简称WMO）根据中纬度气温铅直分布的平均情况，分为以下五个层次：

对流层平流层中间层热成层外逸层气温垂直递减率：上升单位高度气温的降低值。

γ=-△T/△Z2.2大气的结构（1）对流层：从地面到对流层顶气温随高度降低，平均而论，每上升100米约降低0.65℃左右。对流顶高度：在低纬17-18公里；中纬区11-12公里；高纬区8-9公里。对流层集中了约整个大气质量的3/4和几乎全部水汽。风、云、雨、雪、雷电等天气现象都发生在此层内。有强烈的铅直混合气象要素的水平分布不均匀2.2大气的结构对流层又可分为：1、摩擦层（边界层）：地表到1-2千米2、自由大气：摩擦层顶以上3、对流层顶：对流层和平流层之间，厚度几百米至1-2千米2.2大气的结构（2）平流层：从对流层顶开始向上一直到约55公里高度，也称臭氧层。平流层的下半部，温度随高度的升高变化很少或不变；上半部，温度随高度的升高而显著增加，到平流层顶可达0℃左右，这是臭氧强烈吸收太阳紫外辐射的结果。空气的铅直混合显著减弱。特别是上半部，几乎没有铅直气流，整层气流比较平稳。水汽和尘埃等很少。很少有云的出现，大气的透明程度也较好。

2.2大气的结构（3）中间层：从55千米到85千米。气温随高度迅速减小。有相当强烈的铅直混合

（4）热成层：85千米以上，该层温度可达到1000-2000K，原因是热层中的原子、离子对太阳紫外辐射的吸收。温度随高度升高而迅速升高热成层没有明显的顶部，通常认为温度从增温转为等温时，即为热成层顶。温度与太阳活动有关。当太阳活动加强时，温度随高度增加很快；当太阳活动减弱时，温度随高度增加较慢；当太阳活动宁静时，热成层顶较低；当太阳活动加强时，热成层顶较高。2.2大气的结构

2、按大气成分的变化分层据此可以把大气分为均质层（86公里以下）和非均质层（86公里以上）。

3、按空气的电离特征分层根据电离特征，可以把大气分为中性层（60多公里以下）和电离层（60多公里以上）。TTHHHDDddff一、气压

1、气压的定义和表示方法

大气压强简称气压。在静止大气中任一高度上的气压值等于单位面积上垂直空气柱的重量。气压的单位为帕斯卡,气象部门用百帕（hPa）表示。

气压的另一个常用量：毫米水银柱高，用mmHg表示

1mmHg=4/3hPa或1hPa=3/4mmHg2.3常用的物理量2、气压随高度的变化气压总是随高度的增高而降低的（2）海平面气压：

是指把本站气压推算到海平面处的气压。3、常用的几种气压值（1）、本站气压

是指气象台气压表所在高度上的气压，气象台每小时测定一次。（3）标准海平面气压：

是指标准状况下的海平面气压，它是一个固定数值：760mmHg或1013.25百帕。*概念标准大气：是为了解决实际飞行器性能的远程射击弹道、大气探测及飞行问题而人为规定的“特性随高度平均分布”最接近实际大气的一种大气**标准大气满足的条件（a）大气干洁，垂直方向上化学组成不变，平均分子量μ=28.9644。（b）具有理想气体的性质，即

p=ρRT

（c）标准海平面重力加速度g=9.80665m/s2

（d）在平均海平面上，温度T=15℃=288.15K，气压p=1013.25hPa=1大气压，该处空气密度ρ=1.225kg/m3**标准大气满足的条件（e）处在流体静力平衡状态。（f）在海拔11000米以下（对流层）时，温度直减率为0.65℃/百米，从11000-20000米，温度不变，为-56.5℃，再向上到32000米，温度直减率为-0.1℃/百米。（4）场面气压：

是指距离跑道以上3米高度处的气压。

气压的分布称为气压场。某一水平面上的气压分布称为水平气压场，在地面天气图上气压分布主要有四种基本形式：低压：由闭合等压线构成的中心气压比四周低的区域。高压：由闭合等压线构成的中心气压比四周气压高的区域。低压槽：低压延伸出来的狭长区域。高压脊：高压延伸出来的狭长区域。4、气压场的水平分布型式与外界交换热量的方式：辐射、传导、乱流、蒸发和凝结等。二、气温1、气温：表示空气冷热程度的物理量。通常所说的是距地面1.5米高处的百叶箱中的温度。又称地面温度。用（℃）、（K）表示2、气温变化的原因实质是空气内能的变化①气温的非绝热变化：空气与外界有热量交换而引起的温度变化。②气温的绝热变化：空气与外界不发生热量交换，由于外界压力的变化使空气膨胀或压缩引起的温度变化。（a）干空气温度的绝热变化干空气在绝热上升（下降）过程中，每上升（下降）单位距离的温度变化，称为干空气的温度绝热垂直递减率或干绝热直减率。(rd)约为1℃/100米。饱和湿空气绝热上升单位距离的温度变化称湿绝热直减率。（rm）其值在0.4---0.7℃/100m之间（b）湿空气的绝热变化

辐射逆温平流逆温乱流逆温下沉逆温锋面逆温(2)作用：阻碍空气垂直运动，逆温层下能见度差，有利于云雾生成。3、逆温

某一层大气出现气温随高度增加而升高(r<0)的现象，称为逆温。出现逆温的空气层叫逆温层。(1)逆温的种类：1、水汽压（e）

空气中水汽所产生的那部分压强，称为水汽压。空气中含水量越多，水汽压愈大。单位与气压相同。表示空气中水气含量和潮湿程度的物理量，称为湿度饱和水汽压（E）：饱和空气的水汽压。2、相对湿度（f）

空气中实际水汽压与同温度下的饱和水汽压的百分比。（f=e／E×100%)

f<100%空气未达到饱和，

f=100%空气达到饱和。三、湿度2.4气团和锋

一、气团的概念及形成

1、概念

气团是指在水平方向上的物理属性（主要指温度、湿度、稳定度等）比较均匀的大块空气

2、形成气团要具备两个条件：（1）大范围比较均匀的下垫面；（2）适合的环流条件。2.4气团和锋

3、为什么要有这两个基本条件呢？

（1）气团属性基本由下垫面决定。它通过各种物理过程，如乱流、对流、辐射、蒸发和凝结、垂直运动等，使空气获得下垫面的属性；（2）适合的环流条件可以保证大块空气停留较长的时间，以便逐渐获得与下垫面相适应的比较均匀的物理属性。

4、在具备上述两个基本条件后，通过哪些物理过程而形成气团呢？

（1）辐射：辐射是空气与下垫面，空气与空气之间交换热量的一种方式。它是使大范围空气获得比较均匀的温度和决定温度高低的因子之一。高纬度为冰雪覆盖的地区，由于雪面放射长波的能力很强，近地面温度低，气层稳定，乱流、对流不易发展，故辐射对于这一地区气团的形成具有重要意义。所以，辐射在高纬作用大。2.4气团和锋2.4气团和锋（2）乱流和对流：乱流和对流可以把低层获得的热量和水汽带到上空，从而使较厚气层的属性都受到下垫面的影响。在低纬地区，由于近地面气温高，气层不稳定，乱流和对流易于发展，因而它们在气团形成过程中所起的作用显得比较突出。所以，乱流和对流主要在低纬作用大；2.4气团和锋（3）蒸发和凝结：蒸发和凝结是空气与下垫面、空气与空气交换水份和热量的方式之一。他们能使大范围空气普遍地获得或失去水份，从而直接影响着气团的湿度；同时通过蒸发吸热与凝结放热，又间接地影响了气团的温度和稳定度。

2.4气团和锋（4）大范围的垂直运动：大范围垂直运动这一物理过程的作用是：在下沉时，空气增温变干，气温直减率减小，空气稳定度增加；反之，在上升运动时，空气降温变湿，温度直减率增加，气层稳定度减小。2.4气团和锋二、气团的分类

1、按照热力性质的不同可以将气团分为冷气团和暖气团（1）冷气团：向比它暖的下垫面移动的气团称为冷气团。冷气团使所经过的地面变冷，本身变暖。冷气团经过暖的地面，下层空气增暖快、稳定度减小，在夏季的中午、下午时，如果冷气团水汽充足，将产生对流，形成积云、积雨云，出现阵性降水或雷暴天气。

冬季，冷气团中水汽含量通常很少，此时多为少云甚至碧空。但在冬季的夜间和清晨，由于低层辐射冷却，可能形成辐射雾。2.4气团和锋2.4气团和锋

暖气团：向比它冷的下垫面移动的气团。暖气团能够使所经过的地面变暖，本身变冷，气温直减率减小，气层稳定。暖气团经过冷的地面，下层降温快，在水汽含量大时，可形成平流雾。太阳一照，往上升高，变成层云。有降水时将是毛毛雨或小雨，在空气比较干燥时一般是少云或无云天气。

2.4气团和锋

3、地理分类气团是在一定的地理环境中形成的，他的属性必然带有地域性特点，依据这些特点可以把气团划分为：

2.4气团和锋三、气团的变性

1、概念

气团离开源地以后，随着下垫面性质的改变，经过辐射、乱流、对流、蒸发和凝结、垂直运动等物理过程，气团的属性将发生相应的改变。这种气团属性变化称为气团变性。从大陆移到海洋上后，经过一段时间，气团就会具有海洋气团的属性。2.4气团和锋

2、气团变性的因素

冷暖气团哪个变性快？不同气团变性的快慢程度不同。冷空气经过暖的地面时稳定度变小，乱流、对流容易发展；而暖气团经过冷的地面时气层更加趋于稳定，所以冷气团变性速度比暖气团变性速度快。2.4气团和锋

3、活动于我国的主要气团在我国境内活动的气团，多为其它地区移来的变性气团，主要有极地大陆气团，热带海洋气团和热带大陆气团。活动于我国的极地大陆气团来源于西伯利亚和蒙古一带；热带海洋气团来源于热带太平洋和南海海面；热带大陆气团主要出现在我国西部青藏高原附近。

2.4气团和锋冬季，主要是极地大陆气团和热带海洋气团。

极地大陆气团在我国的活动范围很广，可以从北向南一直影响到我国华南沿海，它常给我国各地带来冷而干的天气，但当其从海上侵入我国时，则多层积云与层云，下毛毛雨或小雨；

热带海洋气团主要影响华南地区，偶尔也可扩展到华东沿海一带。上述两种气团在华南相遇，形成阴雨天气。2.4气团和锋

夏季，主要是热带海洋气团、极地大陆气团和热带大陆气团。

热带海洋气团影响范围极广，除西北和青藏高原以外的我国各地都可受到影响。

极地大陆气团势力减弱，主要活动于我国长江以北。

热带大陆气团主要活动在青藏高原地区，有时也影响到华北和华中，这种气团长时间控制一个地区，往往造成严重干旱。2.4气团和锋

春、秋季节，影响我国的主要为变性极地气团和热带海洋气团。

春季，这两种气团分居南北，并互相推移，造成多变天气。

秋季，极地气团不断加强，并向南扩展，而此时的热带海洋气团则向东南方海上退缩，两气团交汇之处，常造成秋雨天气。当极地大陆气团占优势时，天气晴朗。

2.4气团和锋四、锋的定义锋是大气中密度不同的两个气团之间的狭窄过渡带。在中纬度，密度不同主要表现在温度上，因而锋面又可以简单说成是冷暖气团之间的交界面。锋的倾斜程度称为锋面坡度。锋与地面的交线称为锋线。2.4气团和锋(1)、锋具有一定的宽度并向冷区倾斜；(2)、冷空气密度大，楔入暖空气之下。2.4气团和锋五、锋的分类根据需要锋可有不同的分类方法。（一）按照锋的移动情况可以分为：冷锋、暖锋、准静止锋、锢囚锋。

1、冷锋：向暖空气一侧移动的锋，或者说是冷空气推动暖空气运动的锋。2.4气团和锋（1）急行冷锋：锋的特点是坡度大、移动快、天气复杂剧烈，会遇到强烈的扰动气流、闪电、恶劣能见度、积冰、下击暴流等危及飞行安全。2.4气团和锋（2）缓行冷锋：坡度小、移速慢、多形成广阔的层云，由高到低，会有连续性的降水，飞行中在雨层云中会遇到恶劣能见度、积冰。穿越锋面时，会有偏流、地速变化大的影响。2.4气团和锋2.4气团和锋2、暖锋天气及其对飞行的影响暖锋：是向冷气团方向移动的锋。坡度比冷锋小。2.4气团和锋3、准静止锋天气及其对飞行的影响移动很少的锋称为准静止锋2.4气团和锋锢囚锋：冷锋追上暖锋，或者两条冷锋迎面相遇而形成的锋。

2.4气团和锋卫星云图上的锋系特征2.4气团和锋对于锢囚锋：原来两条锋面的交接点称为锢囚点。锢囚锋分为三类：冷式锢囚锋:锋后的冷气团比锋前的冷气团更冷，图(a）；暖式锢囚锋:锋后的冷气团比锋前的冷气团更冷，图（b）；中性锢囚锋:锋前后的冷、暖气团差别不大，图（c）。2.4气团和锋2.5天气系统一、气旋和反气旋气旋:是同一高度平面上中心气压比四周低的天气系统。也称低压。北半球的气旋，水平气流作逆时针方向旋转。低压槽：由低压延伸出来的狭长区域。反气旋：是同一高度平面上中心气压比四周高的天气系统。也称高压。北半球的反气旋，水平气流作顺时针方向旋转。高压脊：由高压延伸出来的狭长区域。（1）在气旋区域内（含低压槽），由于中心气压较四周低，近地面层的空气则从外向内流，形成了大规模的辐合上升运动，空气作上升运动时绝热降温，有利于云的形成，故气旋区内一般多阴雨天气。2、气旋、反气旋的天气（2）在反气旋区域内（含高压脊），中心气压较四周高，近地面层空气则向四周流散，上层空气下降来补充，反气旋区内上空出现了下降气流，空气下降时压缩增温，不利于云的形成，故反气旋区多为晴好天气。3、活动于我国的气旋、反气旋（1）活动于我国的气旋①锋面气旋：

具有锋面的低压系统，属温带气旋。发展旺盛的往往有广阔的云区和降水。影响我国的锋面气旋主要有两类：（a）南方气旋：包括生成于长江中下游、淮河流域的江淮气旋和生成于东海的东海气旋。多发生在春季和初夏。南方气旋可造成江淮地区和东部沿海地区的暴雨天气以及大风天气。（b）北方气旋：包括蒙古境内生成的蒙古气旋，黄河流域生成的黄河气旋和活动于东北地区的东北低压。多发生在春秋季，春季最多。春季主要为大风、风沙天气为主，夏季主要是降水、雷阵雨天气。②热带气旋：发源于热带海洋上的气旋性涡旋，称为热带气旋。发源于热带海洋上的中心气压很低的，风力达到12级以上的气旋性涡旋，称为台风。名称属性超强台风（Super

TY）底层中心附近最大平均风速≥51.0

米/秒，也即16级或以上强台风（STY）底层中心附近最大平均风速41.5-50.9

米/秒，也即14-15

级台风（TY）底层中心附近最大平均风速32.7-41.4

米/秒，也即12-13

级强热带风暴(STS)底层中心附近最大平均风速24.5-32.6

米/秒，也即风力10-11

级热带风暴(TS)底层中心附近最大平均风速17.2-24.4

米/秒，也即风力8-9

级热带低压(TD)底层中心附近最大平均风速10.8-17.1

米/秒，也即风力为6-7

级关于台风小知识

1997年11月25日至12月1日，世界气象组织台风委员会在香港举行的第30届会议决定，西北太平洋和南海热带气旋采用具有亚洲风格的名字命名。我国大陆、香港、澳门分别提出了一批热带气旋的名字，这些名称从2000年1月1日起生效。关于台风小知识根据规定，一个热带气旋在其整个生命过程中无论加强或减弱，始终保持名字不变。这些名字大都出自提供国和地区家喻户晓的传奇故事等。中国提供的名字是：“龙王”、“玉兔”、“风神”、“杜鹃”、“海马”、“悟空”、“海燕”、“海神”、“电母”和“海棠”。关于台风小知识第l列第2列第3列第4列第5列备注英文名中文名英文名中文名英文名中文名英文名中文名英文名中文名名字来源Damrey

达维Kong－rey

康妮Nakri

娜基莉Krovanh科罗旺Sarika

莎莉嘉柬埔寨Longwang

龙王Yutu

玉兔Fengshen

风神Dujuan

杜鹃Haima

海马中国Kirogi

鸿雁Toraji

桃芝Kalmaegi

海鸥Maemi

鸣蝉Meari

米雷朝鲜Kai-tak

启德Man-yi

万宜Fung-wong

凤凰Choi-wan彩云Ma-on马鞍中国香港Tembin

天秤Usagi

天兔Kammuri

北冕Koppu

巨爵Tokage

蝎虎日本Bolaven

布拉万Pabuk

帕布Phanfone

巴蓬Ketsana凯萨娜Nock-ten洛坦老挝Chanchu

珍珠Wutip

蝴蝶Vongfong

黄蜂Parma芭玛Muifa

梅花中国澳门Jelawat

杰拉华Sepat

圣帕Rusa

鹿莎Melor

茉莉Merbok

苗柏马来西亚Ewiniar

艾云尼Fitow

菲特Sinlaku

森拉克Nepartak尼伯特Nanmadol南玛都密克罗尼西亚Bilis

碧利斯Danas丹娜丝Hagupit

黑格比Lupit

卢碧Talas

塔拉斯菲律宾Kaemi

格美Nari

百合Changmi

蔷薇Sudal

苏特Noru

奥鹿韩国Prapiroo

派比安Wipha

韦帕Mekkhala

米克拉Nida

妮妲Kulap

玫瑰泰国Maria玛莉亚Francisco范斯高Higos

海高斯Omais

奥麦斯Roke

洛克美国Saomai

桑美Lekima

利奇马Bavi

巴威Conson

康森Sonca

桑卡越南Bopha

宝霞Krosa

罗莎Maysak

美莎克Chanthu

灿都Nesat

纳沙柬埔寨Wukong

悟空Haiyan

海燕Haishen

海神Dianmu

电母Haitang

海棠中国Sonamu

清松Podul

杨柳Pongsona

凤仙Mindulle蒲公英Nalgae

尼格朝鲜Shanshan

珊珊Lingling

玲玲Yanyan

欣欣Tingting

婷婷Banyan榕树中国香港Yagi

摩蝎Kajiki

剑鱼Kujira

鲸鱼Kompasu

圆规Washi

天鹰日本Xangsane

象神Faxai

法茜Chan-hom

灿鸿Namtheun

南川Matsa

麦莎老挝Bebinca

贝碧嘉Vamei

画眉Linfa

莲花Malou

玛瑙Sanvu

珊瑚中国澳门Rumbia

温比亚Tapah

塔巴Nangka

浪卡Meranti

莫兰蒂Mawar

玛娃马来西亚Soulik

苏力Mitag

米娜Soudelor

苏迪罗