大气的成分结构和状态

关于大气的成分结构和状态2023/2/281第1页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/282第一节太阳系的行星大气第二节地球大气的起源第三节大气的垂直结构第四节大气的状态参数及其变化第五节全球大气的纬向平均温度与风的垂直分布第六节大气中基本状态参数之间的关系第2页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/283第一节太阳系的行星大气第3页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/284一、地球大气78％氮气，约21％氧气水蒸汽，不定我国东部季风区，水蒸气含量大西北部干旱区，水蒸气含量小对于干空气，空气的成分在高度80km内几乎一致。第4页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/285一、地球大气第5页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/286一、地球大气二氧化碳（CO2）具有温室效应的气体，它虽然在大气中含量很少，但对大气的气温却起到很重要的作用。CO2气体对太阳辐射不吸收，让太阳辐射直接到达地面，而对地表和大气的长波辐射具有强烈的吸收作用，因此，它对大气起到加热的作用，即起到温室的玻璃或塑料薄膜的作用，故一般又把CO2称为温室气体。随着工业化的进展，地球大气CO2浓度不断增加，使得大气温度不断升高，这已引起全球科学家的关注。第6页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/287CO2温室效应第7页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/288一、地球大气臭氧（O3）它是1913年才发现的一种在地球大气中含量极少（在大气层平均厚应只有0.15～0.45cm）的气体。由于它能吸收太阳紫外辐射，因此，它对人类和生物起到重要的保护作用，并且，它对上层大气温度会起到降温作用。地球大气中辽有如氩、氖、氦、氪、氢等多种微量气体。第8页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/289大气成分的作用第9页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2810二、金星大气金星表面大气压是地球表面气压的90倍金星大气中96%是二氧化碳，因此，金星大气的温室效应很厉害，金星表面温度可达720K（约447℃）之高由于金星大气处于这么高的高温，因此，金星大气环流与地球大气环流有很大不同第10页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2811三、火星大气大气稀薄，表面气压只有地球的7%95%是CO2，但温度不高，只有180K（约-93℃）两极终年被干冰（CO2）覆盖。第11页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2812四、木星大气体积特别大85%是氢（H2），15%是氮（N2）与甲烷（CH4）下垫面无固体表面，由分子状的液态氢组成。第12页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2813第二节地球大气的起源第13页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2814第二节地球大气的起源现在的地球大气状态并不是从地球原始大气慢慢演变而成，而是由于火山爆发或温泉喷发，从地球内部各种气体渗出并笼罩在地球表面而演变形成的。从火山喷出的气体有85％为水汽，10％为CO2；另外还有N2和其他气体。除了O2，其他成分为目前大气所含的成分。那么，问题是现在地球大气中的O2如何形成的？第14页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2815第二节地球大气的起源经过科学家长久的研究，表明了现在地球大气的O2是由水汽分解和光化反应而产主的，即反应式（2.2.1)化学反应要求吸收紫外辐射，而（2.2.2）式光化学反应要求有可见光辐射。光合作用所生成的氧与地球上生物过程密切相关。视频：地球大气第15页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2816第三节大气的垂直结构第16页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2817

地球大气层的温度、压力和湿度是表示大气状态的重要物理量。它们不仅在水平方向有很大变化，而且随高度也有一定规律的变化。第17页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2818地球大气温度的垂直变化第18页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2819第19页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2820第三节大气的垂直结构由于大气温度变化在不同高度其变化规律不同，因此，气象学家就依据大气温度变化的规律把大气层划分成不同的层次。对流层平流层中间层热层第20页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2821一、对流层（troposphere）大气的最低层，自地面到8—18km，平均11km。特点：剧烈的垂直对流运动气温随高度的升高而降低对人类和地球生物影响最大第21页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2822一、对流层（troposphere）平均高度约为11km在赤道附近可到16km，高纬度地区为8.5km。对流层温度变化的最大特点是：温度随高度递减，递减率为-6.5℃/km，就是说在这一层中，每升高1.

0km，温度就降低6.5℃如在广州夏季地面气温约30℃，在它上空3.0km处空气温度约10℃第22页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2823一、对流层（troposphere）对流层是大气运动最活跃的一层，“tropo”是希腊语，其意思是“混乱”，这就是说，这一层空气运动是丰富多采。由干对流层连接高山、海洋、陆面，并且，在这一层高层空气冷，低层空气暖，暖空气上升，冷空气下沉，从而形成对流运动，并且由于冷、暖水平分布不均，从而形成各种尺度的大气运动，如低气压、锋面和台风等，带来各种天气现象。由于海洋和陆面受热后会向大气加热，并向大气蒸发水蒸汽，蒸发的水蒸汽受高山的抬升，并在抬升过程中凝结，从而形成降水。第23页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2824一、对流层（troposphere）通常从地面到高度约为1~2km这一对流层底层又称大气边界层。在这一层里，大气运动不仅受到科里奥利力的作用（详见第四章），而且受到摩擦力的作用；并且两者具有同样大小。因此，在这一层若不考虑摩擦力，则就不能很好地讨论大气运动。第24页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2825一、对流层（troposphere）从地表面到10m高的贴近地表面的大气层，由于在这一层中由湍流所产生的应力不依赖于高度而改变，而近似于一个常数，故这一层又称表面边界层，也有称接地边界层。在这一层大气不仅受到地面所引起的摩擦力的作用，而且受地面的作用有明显的湍流运动。由于烟尘、汽车尾气、气溶胶和灰沙容易在大气边界层这一层扩散与输运，因此，研究边界层的物理特性和污染物的扩散已成为大气科学中一门分支学科，即大气环境学。第25页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2826二、平流层（stratosphere）从对流层顶到55km高度为平流层。特点气流以水平运动为主气温随高度的升高不变或微升大气透明度良好第26页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2827二、平流层（stratosphere）这一层温度在对流层顶上方至20km处几乎不随高度变化；在等温层上方，温度反而随高度增加，并且，约到50km处，温度达到270K左右。第27页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2828二、平流层（stratosphere）平流层没有山脉且不直接与陆面、海洋相接，在这一层中几乎没有水汽凝结。因此，在这一层大气运动不像在对流层大气运动那样复杂。平流层中也有各种运动。对流层激发的内波会垂直上传到平流层，由于上传的内波的振幅是与密度成反比，因此，在对流层并不引起人们注意的重力波到了平流层其振幅变成很大，成为很重要的波动。此外，还有行星波传到了平流层，其振幅也变很大，也是很重要的一种波动。对流层与平流层之间的界面称对流层顶（tropopause）。第28页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2829三、中间层（mesosphere）从平流层顶到85km高度为中间层。特点：温度随高度升高迅速降低因为没有臭氧吸收太阳紫外辐射，而氮、氧能吸收的太阳短波辐射又大部分被上层的大气吸收了。存在强烈的垂直对流所以该层又称为高空对流层。第29页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2830三、中间层（mesosphere）大气的温度在平流层先是不变，后随高度增加到50km，在50km处温度最高。然而，在这高度以上，随高度气温下降，约在80~90km处，温度达到最低。平流层与中间层的界面称平流层顶（stratopause）中间层的顶端称中间层顶（mesopause）。在大气科学一般把平流层到80km处的大气又称为中层大气（middleatmosphere）。第30页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2831

四、热层从中间层顶到800km高空为热层（也称暖层）。特点：空气稀薄温度因大气强烈吸收太阳紫外辐射而随高度上升迅速升高高度电离常常出现极光第31页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2832

四、热层这一层空气非常稀薄，这一层空气质量只有大气质量的十万分之一。由于太阳紫外辐射在这一层强烈吸收，故这一层温度随高度增加而迅速升高，以致在这一层温度可达摄氏数百度。第32页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2833

四、热层在热层以上是大气圈的外层，即大气圈与星际空间的过渡层，其高度可达到1000km。大气成分的比例在100km内是相同的从地面到100km（包括对流层、平流层和中间层）由于大气的湍流和对流混合起重要作用，使得大气上、下混合很强。在100km以上大气成分的比例是不相同由于大气上、下混合很弱，大气成分的比例随高度变化。视频：大气层第33页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2834第四节大气的状态参数及其变化第34页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2835描述大气基本状态的参数有4个：温度压力湿度风又称气象要素还有降水量、云量、云状等。第35页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2836一、气压

(一)气压的定义气压就是指大气的压强，任意高度上的气压值等于单位面积上所承受的大气柱的重量。一般用p来表示。气压的单位用hPa（百帕）来表示

1hPa定义为每平方米上所受的压力为100牛顿（=100N／m2）。气象上曾长期使用毫巴（mb）作为气压的单位，至今美、英、日等国还使用mb作为气压的单位，1hPa=1mb。第36页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2837(一)气压的定义当选定温度为0℃，纬度为45°的海平面时，气压为1013.25hPa，称为一个标准大气压。在气象和工程中还常用标准大气压（atm）作为压力单位，即1atm=1013.25hPa。第37页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2838(二)气压的变化气压随高度呈指数递减P是某高度的气压z为高度p0是海平面气压，一般1013hPa，h是标高，即均质大气层顶的高度，一般为8km上式反映了压力与高度的关系，称压高公式。第38页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2839(二)气压的变化高度(Km)1.53.05.591216气压(hPa)850700500300200100一般常用的气压与高度的关系：其中850、700、500hPa是短期天气分析预报常用的等压面。第39页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2840(二)气压的变化气压不仅与高度有关，而且与空间位置、时间也有关。一般在高纬度气压高，而低纬度气压低；并且，它不仅有日变化、季节变化、年际变化，而且还有非周期的变化。这些非周期变化将产生不同的天气和气候异常现象，如在冬季，我国北方气压变低之后，经常出现阴雨天气，而后有寒潮的到来。第40页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2841(二)气压的变化气压变化的因素：热力因子热—减压冷—加压动力因子—大气运动造成的气柱质量的变化第41页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2842(二)气压的变化日变化单峰最大值出现在清晨最小值出现在午后双峰最大值出现在9—10点、21—22点最小值出现在3—4点、15—16点三峰年变化大陆上最大值出现在冬季，最小值出现在夏季海洋上最大值出现在夏季，最小值出现在冬季高山上最大值出现在夏季，最小值出现在冬季第42页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2843气温是大气热力状况（即空气冷热程度）的数量度量。目前，气象观测和记录的气温，是指离地面一定高度上（规定离地面1.5m高），放在百叶窗箱里的温度计测得的空气温度。一般用T来表示。第43页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2844

(一)气温的定义气温的单位通常以摄氏（℃）和华氏（℉）两种温度单位表示，我国采用摄氏度数为单位。在理论研究方面，多数采用绝对温度（或称开氏温度），以（°A）或（°K）表示。温度单位换算如下：A＝C＋273.16K＝C＋273.16

第44页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2845(二)气温的变化1、气温的垂直变化与逆温层在对流层中，大气温度随高度是递减的它一般应用大气干绝热温度递减率与实际大气温度递减率来表征。实际对流层大气温度的垂直变化一般用温度的垂直递减率γ来表征对流层内干空气气温的平均递减率大约为-6.5℃/km，即气块每升高1km，气温就下降6.5℃。第45页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2846(二)气温的变化在大气中气温随高度的增加而升高的层次，称为逆温层。平流层就是一种逆温层；在对流层，也可观测到高层的气温高于低层气温的逆温层。逆温层的作用：抑制对流，聚集能量，加重污染逆温层是非常稳定的层次，对流活动将受到抑制如平流层的存在就抑制积云云顶的发展，使得积云发展强盛时会成砧状；在对流层若存在逆温层，对流活动也会被抑制。第46页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2847鬃积雨云(CL9)——由于云上部有稳定层阻挡，云顶已扩展成砧状。第47页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2848(二)气温的变化逆温层的存在会使大气能量积累，一旦有冷空气吹来，就会破坏逆温层，从而使所积累的能量释放出来，形成很剧烈的天气，甚至产生风暴，其破坏力相当大，会带来很大的灾害。此外，低层逆温层的存在也会抑制湍流扩散，使得逆温层下的空气中烟尘和污染物不能扩散出去，从而加重污染。比如，冬季我国兰州上空经常可观侧到低层逆温层，使得该城市污染物不易扩散出去，因此，兰州市冬季空气质量要比其他季节差。第48页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2849因为逆温而无法散去的污染物第49页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2850(二)气温的变化形成逆温层有以下几种原因：辐射逆温因地面强烈辐射而形成的逆温称为辐射逆温。在晴朗无风或微风的夜晚，地面因辐射冷却而降温，与地面接近的气层冷却降温最强烈，而上层的空气冷却降温缓慢，因此使低层大气产生逆温现象。辐射逆温一般日出后，逆温就逐渐消失了。下沉逆温因整层空气下沉而形成的逆温称为下沉逆温。当某气层产生下沉运动时，因气压逐渐增大，以及由于气层向水平方向扩散，使气层厚度减小。若气层下沉过程是绝热过程，且气层内各部分空气的相对位置不变。这时空气层顶部下沉的距离比底部下沉的距离大，致使其顶部绝热增温的幅度大于底部。因此，当气层下沉到某一高度时，气层顶部的气温高于底部，而形成逆温。下沉逆温多出现在高压控制的地区，其范围广，逆温层厚度大，逆温持续时间长。锋面逆温锋面是冷暖空气的交界面，暖空气因密度小而位于冷空气之上，温度的铅直分布表现出同一数值的等温线位置在暖空气中要比冷空气中高，当等温线穿过锋面时，便发生转折。当冷暖空气的温差较大时，就可形成锋面逆温。锋面逆温由于锋面从地面向冷空气上方倾斜，故只能在冷空气一侧的上空才能观测到，而且距地面锋线愈近，逆温层的高度愈低。第50页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2851(二)气温的变化平流逆温由于暖空气流到冷的地面上而形成的逆温称为平流逆温。当暖空气流到冷的地面上时，暖空气与冷地面之间不断进行热量交换。暖空气下层受冷地面影响最大，气温降低最强烈，上层降温缓慢，从而形成逆温。平流逆温的强度，主要决定于暖空气与冷地面之间的温差。温差愈大，逆温愈强。湍流逆温因低层空气的湍流混合作用而形成的逆温称为湍流逆温。当气层的气温直减率小于干绝热直减率时，经湍流混合后，气层的温度分布逐渐接近干绝热直减率。因湍流上升的空气按干绝热直减率降低温度。空气上升到混合层顶部时，它的温度比周围的气温低，混合的结果，使上层气温降低；空气下沉时，情况相反，致使下层气温升高。这样就在湍流减弱层，出现逆温。第51页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2852(二)气温的变化第52页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2853(二)气温的变化2、气温的时空变化大气温度的时间变化，包括由地球的自转和公转引起的气温周期性变化，以及由大气运动引起的非周期性变化。周期变化：日变化年变化非周期变化第53页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2854(二)气温的变化气温的日变化：指一天内气温的高低变化，它有一个最高值（出现在午后两小时左右）和一个最低值（出现在日出前后），气温日变化过程是一条正弦曲线。日最高气温与最低气温之差，称为气温的日较差或称日振幅。日较差随纬度增高而减少，随海拔高度增加而减少；晴天大阴天小；夏季大冬季小；大陆大海洋小。第54页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2855(二)气温的变化气温的年变化：指一年内气温的高低变化。年最高气温出现在夏至后的7月或8月，年最低气温出现在冬至后的1月或2月。一年中最热月的平均气温与最冷月的平均气温之差，称为气温的年较差。年较差随纬度增高而增大，随海拔高度增加而减少；大陆大海洋小；内陆大沿海小。气温的年变化反映了气候上的冷暖，是划分气候季节的重要指标。第55页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2856(二)气温的变化气温的非周期性变化：是由于大规模的气流交替而引起的。第56页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2857三、湿度

(一)大气中湿度的定义1．绝对湿度单位体积空气中所含水蒸汽的质量单位：kg/m3在一定温度下，单位体积空气中所含水蒸汽是有一定限度的，若该体积空气中所含水汽超过这个限度，该体积中空气称饱和空气，并且水汽就会凝结而产生降水。第57页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2858(一)大气中湿度的定义2、相对湿度单位体积中水汽压与饱和水汽压之比的百分率一般用f来表示。单位：%若某体积中空气的相对湿度为100％，表示该体积空气已达到饱和了，就可能产主降水。相对湿度有时也用比湿q来表示比湿是指某体积中水汽的质量与该体积空气的总质量之比单位：g/kg第58页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2859(一)大气中湿度的定义3、露点温度在气压一定时，使某体积空气中的水汽冷却到饱和时的温度称露点温度用Td表示单位：℃在气压不变下，露点温度愈低，说明该体积空气中水汽含量愈少；相反，露点温度愈高，则该体积空气中水汽含量愈多。即，T-Td小，水汽含量高。第59页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2860(二)湿度的变化湿度随高度的变化，右式Q水汽压Q0地面水汽压P气压P0地面气压由于气压随高度成指数衰减，因此，从上式可以看到，湿度随高度递减比气压随高度递减要快得多。如在500hPa处的水汽就比地面水汽减少了90％左右。第60页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2861(二)湿度的变化湿度随空间与时间而变化有季、月的周期性变化也有非周期性的变化非周期性变化与云和降水有关。如在我国长江流域，每年6月份到7月中旬湿度都很大，这是梅雨季节但在这一段时期，也并不是每一天湿度都很高，有时湿度很高，有时又变低。第61页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2862第五节

全球大气的纬向平均温度与风的垂直分布第62页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2863由于航空、航天的需要以及火箭探测技术的发展，大气科学家已经可以探测到很高的高层大气温度与风的垂直分布。第63页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2864一、气温随纬度、高度分布特征第64页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2865何谓夏半球、冬半球？由于地球自转轴的倾斜，地球的夏半球与太阳接近而冬半球与太阳远离，因而地球有了春、夏、秋、冬四季。当北半球处于夏季，北半球就为夏半球，这时候南半球处于冬季，即为冬半球，反之亦然。第65页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2866大气纬向平均温度随纬度、高度分布的特征：在对流层，无论冬半球或夏半球，其气温从赤道向极地降低在赤道地区，对流层顶温度低，在冬半年中纬度地区平流层上部，气温为极大在30~60km高度的气层中，气温从冬半球的极地向夏半球的极地大体上均匀升高，而在60km以上的气层，气温变化与上述气温变化的倾向相反，即，从冬半球的极地到更夏球的极地，气温呈均匀下降的。第66页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2867二、风随纬度、高度分布特征在对流层中，冬半球最大风速位于30°的12km高空；而夏半球最大风速位于40~50°之间的10km高空整个平流层和中间层，冬半球是西风，最大风速位于60km的高空，它可达80m/s以上，这称极夜急流；而夏半球是东风，最大风速位于65km左右，它可达-60m/s在冬半球的冬至、夏半球的夏至，西风或者东风可达到最大，而在春分或秋分时，由于西风变成东风或者东风变成西风，所以纬向气流很弱。第67页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2868二、风随纬度、高度分布特征平流层极夜西风急流简称极夜急流。在冬半球的平流层里，由于极地长期处于黑夜，大气因辐射而冷却，但在中、低纬度地区平流层中的臭氧，却直接吸收太阳的紫外辐射而增温，形成了很强的温度梯度，产生了直接经圈环流。在科里奥利力作用下，向极地流动的气流逐渐向右偏，在极地区域50～60公里上空，形成了一支西风急流，它向下可延伸到20～30公里高度处，因此在50百帕等压面的图上，就可见到这支急流。

第68页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2869第69页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2870第六节

大气中基本状态参数之间的关系第70页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2871大气中压力、密度和温度这3个基本状态参数之间是有一定关系的，这个关系又称状态方程。对于不同特征的大气是有不同的状态方程，介绍理想气体、干空气和湿空气的状态方程。第71页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2872一、理想气体的状态方程p为压力R为气体常数T为大气温度ρ为气体密度R*=8.31J/(mol·K)为普适气体常数μ为分子量R是分子量为μ的气体常数第72页，共81页，2023年，2月20日，星期三2023/2/2873一、理想气体的状态方程对理想气体状态方程的分析：m=ρV=〉pV=RT当温度保持不变，空气的体积改变与压力成反比，这种关系是物