《气象学》第二讲 大气

第二讲大气Likeafishintheocean,manisconfinedtoaveryshallowlayerofatmosphere.编辑ppt主要参考书华莱士、霍布斯著，王鹏飞等译，大气科学概观，上海科学技术出版社，1981.徐绍祖主编：大气物理学基础，气象出版社，1993.徐玉貌、刘红年、徐桂玉编著：大气科学概论，南京大学出版社，2000.编辑pptair?编辑ppt第二讲大气大气的成分大气的垂直结构表征气体状态的物理量，大气现象气体状态方程编辑ppt干洁大气、水汽、气溶胶air?编辑ppt除去水分以外的纯净大气，称为干洁大气。主要成分：N2,O2,Ar,CO2，浓度>300ppmv微量成分：如CH4，浓度在1～20ppmv之间痕量成分：O3,H2,氮氧化合物，硫化合物及认为污染物氟氯烃类化合物，浓度<1ppmv按照浓度分类N2,O2,Ar占空气体积的99.966%编辑ppt按照平均停留时间分类基本不变成分：lifetime>1000a，各成分间比例不变。有N2,O2,Ar及Ne,Kr等惰性气体。可变成分：平均寿命为几年到十几年，比例随时间、地点变化。有CO2,CH4,H2,N2O等。变化很快的气体成分，

lifetime<1a，如碳、硫、氮等的化合物。编辑ppt占的体积比例为78%编辑ppt占的体积比例为21%（2）氧气（Oxygen,O2）是维持人类和植物生存的重要气体对有机物燃烧、腐败和分解起着重要作用编辑ppt大气中氧的来源2H2O2H2+O2

H2O+CO2{CH2O}+O2水的离解作用（光解作用）：需要吸收紫外辐射。光合作用：需要吸收可见光辐射。地球大气的氧主要由后者产生：30亿年之前，只有水的离解作用产生很少量的氧气，臭氧更少，出现原始生命体，都在水下10m左右（？），这种生物可以释放氧气；6亿年前，O2浓度达到目前的百分之一，O3增加，植物、动物由海洋转为陆地；4亿年前，O2达到目前的十分之一，之后逐渐平衡。氧气越来越多----紫外辐射越来越少-----植物登陆，接触可见光多了---产生更多的氧与此同时，动植物的呼吸和死亡---消耗氧气，排放二氧化碳---平衡编辑ppt氧气的光致离解作用，高层光致离解作用随着高度下降而降低，而低层大气中氧气含量增加40-50km高度上O3耗散的主要过程编辑ppt平流层编辑pptO3在平流层吸收的部分太阳辐射能量，估计使得地面平均温度下降1-2度编辑ppt对流层内的O3占O3总量的10%强氧化剂作用——在许多大气污染过程中起重要作用，如SO2及氮氧化合物的转化，是酸雨和光化学烟雾的主要起因之一。在红外波段9.6um有强吸收带，造成对流层大气的增温，从而和CO2、CH4一起属于温室气体。地表附近的O3可危害生态环境。高浓度O3对呼吸系统有害。平流层的湍流和扩散；对流层内的光化学作用；雷暴、闪电编辑ppt大气O3总量有明显的地区变化O3总量年平均值的全球分布（1970～1977年卫星观测结果）主要分布于北半球65～70度和南半球60～65度；北半球O3总量大于南半球O3总量赤道附近极小值，y？编辑ppt编辑ppt大气O3总量有明显的季节变化O3总量年平均值的全球分布（1970～1977年卫星观测结果）赤道两旁25度纬度范围内季节变化不太明显；春季在高纬度地区达极大值编辑ppt春天冬季平流层中的大量冰晶云储存了CL离子，到了春季CL离子释放编辑ppt臭氧洞形成的另一个原因：大气动力学因素。4月-11月，南半球的冬春季节里，南极大陆受到一个稳定围绕极地的涡旋气流控制，从而阻止极地地区大气与中高纬大气的交换。一方面使得极地大气温度受到极地影响不断降低，平流层温度低于-84度，很多冰晶云，其中的CL离子促进O3分解；另一方面，低纬度平流层内的O3无法进入极地地区。编辑ppt近年来O3的变化全球O3总量的变化比较复杂，总的说来有下降趋势。编辑ppt中国近十多年O3总量变化的主要特征大气O3不断在减少，平均年递减率随纬度增加而增大，在海口地区为0.077%/年，在漠河地区为0.75%/年，相差近10倍。青藏高原夏季（6～9月）形成大气O3总量异常低值中心。由于青藏高原独特的地形，在夏季盛行上升气流，带来高空辐散编辑ppt编辑ppt编辑ppt二氧化碳（carbondioxide）

如果地球周围不被大气层包围的话，地球表面的等效温度大约是－19℃。但实际观测到的地球表面温度约为15℃。远高于辐射平衡温度，这主要是由于大气的存在使地球表面的平衡的温度升高了。大气对太阳的短波辐射是透明的，而对地球表面的长波辐射不太透明，其性质如同温室的玻璃一样。所以，一般把大气的这种保温作用又称为“温室效应”。把具有温室效应的气体统称为“温室气体”。大气中的主要温室气体不是大气的主要成分，而是水汽，CO2，CH4，N2O，CFCs。

自然界的温室气体使地球保持适当的温度（平均～15℃），而适于人类和生物生存。但是当他们的浓度增加，将会使地球温度升高，改变气候及其他气象要素，特别是降水的重新分布。

温室气体浓度增加，使全球平均地表温度升高，严格地说，这是在自然温室气体浓度之上增加的“增强温室效应”，人们经常把”增强”二字省略，但不应忘记。

编辑ppt编辑ppt编辑ppt编辑ppt编辑ppt编辑ppt编辑ppt编辑ppt

ThecurrentconcentrationofCO2isabout365ppm(partpermillion),ascomparedtothepre-industrialconcentrationofabout285ppm.Thisisanincreaseofabout28%Thisincreaseisprimarilyduetotheburningoffossilfuels(alsosomelossofbiomass)编辑ppt编辑ppt编辑ppt编辑ppt全球变暖的后果，云层中液态水含量增加，全球降水量重新分配，冰川和冻土消融，海平面上升，干旱等，既危害自然生态系统的平衡，更威胁人类的食物供应和居住环境。

编辑ppt编辑ppt编辑ppt编辑ppt编辑ppt编辑ppt编辑pptSnowcoverandiceextenthavedecreased编辑pptGlobalaveragesealevelhasrisenandoceanheatcontenthasincreased编辑ppt编辑ppt编辑ppt地表上的水–全球年水量平衡液态水体（江、河、湖、海）的蒸发、土壤水分的蒸发和陆地植物叶子的蒸腾编辑ppt大气中的水汽含量在全球水含量的比例大气中的水汽约为28万亿吨×95％～26.6万亿吨。全球平均气柱内的水汽总量为27kg/m2编辑ppt水汽的空间分布水汽绝大部分集中在对流层下部，随高度增加而急剧减少，水汽实际上随地区和季节的差异有很大的变化。1.5~2km以下减少为地面的10%编辑ppt4、大气气溶胶粒子（aerosolparticle）1、定义：

现在普遍采用最早由Donnan在第一次世界大战期间的研究工作中，把aero同sol相联而得的术语aerosol。

尺度范围：1nm-100μm

大气中分散、悬浮，且沉降速率很小、尺度在1nm-100μm之间的固态和液态微粒，称为大气气溶胶粒子。编辑ppt2、大气气溶胶粒子的源和汇

据估计，全球气溶胶质粒主要是自然界产生的，人工来源仅为自然来源的五分之一。

土壤岩石风化及火山喷发的尘埃烟尘及工业粉尘海水气泡气-粒转化微生物、孢子、花粉等有机物质点宇宙尘埃1）源编辑ppt海面波浪的气泡破裂时，能产生气溶胶粒子。如一个气泡破裂时，其气泡膜的破碎可产生许多小水滴，小水滴蒸发后，可产生较小的盐粒。气泡破裂产生的凹陷处，水会窜出成射流，并断裂成水滴。水滴蒸发，形成大盐核。编辑ppt2）汇

即气溶胶粒子被移出大气的过程。对流层大气中质粒的移出或消失可以通过上层大气的泄漏，也可以在地面沉积。按是否有水质粒参与，分为干沉降、湿沉降。编辑ppt

干沉降过程：指质粒在干的状况下移出大气的过程。包括重力下沉、附粘移出。

湿沉降过程：指质粒受雨雪或云雾滴等影响而下沉到下垫面移出大气的过程。包括凝长下沉、碰并下沉。编辑ppt大气气溶胶粒子在大气过程中的作用

1）在云雾降水中的作用可作为水汽凝结和凝华以及水滴冻结的核心，即部分大气气溶胶粒子可作为CCN（cloudcondensationnuclei)或IN(icenuclei)2）对大气辐射过程的影响

吸收和散射太阳辐射，影响大气温度的垂直分布。

编辑ppt3）对大气光学特性的影响对太阳光的散射和吸收，会影响大气能见度。还会影响天空颜色。一些光学现象的出现，也与它们的作用有关。4）对大气电学特性的影响天空的颜色、曙暮光等+++++++++++++++----------------------------晴天大气地面负离子正离子编辑ppt通常将实际大气中的气溶胶粒子和大气污染物统称为大气杂质。大气的污染物质主要集中在3km以下。城市多而农村少，陆地多而海洋少，冬季多而夏季少，夜间和清晨多而午后少编辑ppt编辑ppt地球大气分层（t）外逸层热层中间层平流层对流层大气边界层大约距地面1km。飞机为什么理论上应该在平流层飞行？编辑ppt1、对流层（12km以下）在赤道地区对流层顶的高度约18千米，中纬度地区约12千米，极地地区约8千米。夏季的对流层厚度大于冬季。以南京为例，夏季的对流层厚度达17公里，而冬季只有11公里，冬夏厚度之差达6公里之多。Why？编辑ppt1)、温度随高度的增加而降低，气温递减率Γ为6.5℃/km

定义气温递减率Γ：高度每升高单位高度气温降低的度数。2)、对流层中的垂直运动显著。3)、集中了80%的大气质量和几乎全部水汽。对流层特点编辑ppt4)、云雾降水均发生在此层5)、受地表影响最强烈，空气属性的水平分布很不均匀编辑ppt2、平流层（12km~55km)1)25km以下温度递减率接近零，25km左右温度随高度明显增加。每公里升温2°C。最高达到-3°C。？？2)

平流层气流运动主要以水平运动为主。3)

水汽极少，颗粒物极少，能见度极好。4)

大气污染物进入平流层后能长期存在。O3的作用说明：对流层和平流层之间的气体混合是相当弱的。编辑ppt4、热层（~550km)1）温度随高度增加而上升。2）高度电离。3）带电粒子运动受地球磁场的作用明显。强紫外辐射的光化学分解和电离反应造成了高温，分子稀薄，传导率小，所以温度梯度很大。最高温度趋于1000-2000k，昼夜温差极大极光：一种辉煌瑰丽的大气光学现象。太阳发射的高速带电粒子流使得高层稀薄大气分子或原子被激发，激发的粒子要回到基态时发出可见光，就是极光。这种太阳的高速带电粒子流在地磁场的作用下趋于两极分布，所以极光常出现在高纬度地区。编辑ppt地球磁场是通过电流流动的发电机效应产生磁场的。地球磁场是偶极型。磁铁的N极大体上对着南极产生的磁场。

编辑ppt编辑ppt编辑ppt编辑ppt编辑ppt编辑ppt地球大气的上界把极光出现的最高高度作为大气上界。约1200km。卫星探测。约2500-3000km。磁层顶作为大气上界。Actually编辑ppt主要气象要素气象要素：表征大气状态和现象的物理量。例如，气温、空气湿度、气压、风、能见度、降水等。一、气温1、定义：表示空气冷热程度的物理量2、温标摄氏温标华氏温标绝对温标单位℃°FK常用符号tFT编辑ppt关系：3、观测地面气温指离地1.5m（我国）高处百叶箱里的气温。土温指的是埋在地表、地表以下5cm、10cm、15cm、20cm的温度计。编辑ppt二、气压1、定义：在任何表面的单位面积上空气分子运动所产生的压力。

2、单位：国际单位帕（Pa)

气象上常用百帕（hPa）

1标准大气压=1013.25hPa3、测量：静止大气中，任一高度上的气压值等于这一高度铅直向上直到大气上界的空气柱质量。编辑ppt编辑ppt2、等压面图、等高面图等压面是空间气压相等的各点所组成的面。由于同一高度，各地气压不相等，等压面在空间不是平面，而是象地形一样起伏不平。在等压面图上，用等高线表示气压的空间分布。等压面凸起的地方，表示在同一高度上，气压比四周高。在等压面图上，是一组闭合等高线构成的高值区。编辑ppt等压面凹下，表示同一高度上，气压比四周低。在等压面图上，是一组闭合等高线构成的低值区。因此，在等压面图上，由等高线的分布可反映等压面的起伏，表示气压的空间分布状况。编辑ppt

目前地面天气图，就是高度为零的等高面图，在地图上填上海平面气压值，绘制等压线，此外，地面天气图上还标有其他天气符号和等值线。编辑ppt编辑ppt三、空气湿度1、定义：表示空气中水汽含量多少或潮湿程度的物理量。2、水汽达饱和3、湿度参量由水汽和平面纯水（或纯冰）组成的系统，在某温度下达到两相平衡时，称为水汽达饱和。有很多个编辑ppt1）水汽混合比r单位：kg/kg2）比湿q单位：kg/kgq与r的关系：编辑ppt3）绝对湿度（水汽密度)单位：kg/m3V为湿空气体积4）水汽压e：湿空气中水汽的分压强。单位为hPa相对于纯水（冰）平面的饱和水汽压Ew（Ei），仅是温度的函数，随温度升高而增大。编辑ppt5）相对湿度f6）露点td、霜点tf湿空气在水汽含量不变的情况下，等压降温至相对于纯水平面达饱和时的温度，称为露点；等压降温至相对于纯冰平面达饱和时的温度称为霜点。编辑ppt四、风1、风的概念1）空气相对运动形成风大气科学中的风以地面为参照物，分水平风、垂直风。2）风是矢量，水平风是二维矢量3）水平风有两种描述方法：分量法、方向大小法编辑ppt2、风向1）指风的来向2）表示方法：用16个地理方位用方位角，正北开始。3、风速表示方法1）单位时间里空气所经过的距离。单位：m/s编辑ppt2)风级热带低压(中心附近最大风力6~7级)热带风暴(8~9级)强热带风暴(10~11级)台风(≥12级)。例如，热带气旋用风级划分为：编辑ppt0无风0.0-0.2烟直上平静0.0

1软风0.3-1.5烟示风向微波峰无飞沫0.1

2轻风1.6-3.3感觉有风小波峰未破碎0.2

3微风3.4-5.4旌旗展开小波峰顶破裂0.6

4和风5.5-7.9吹起尘土小浪白沫波峰1.0

5劲风8.0-10.7小树摇摆中浪折沫峰群2.0

6强风10.8-13.8电线有声大浪到个飞沫3.0

7疾风13.9-17.1步行困难破峰白沫成条4.0

8大风17.2-20.7折毁树枝浪长高有浪花5.5

9烈风20.8-24.4小损房屋浪峰倒卷7.0

10狂风24.5-28.4拔起树木海浪翻滚咆哮9.0

11暴风28.5-32.6损毁普遍波峰全呈飞沫12飓风32.7-摧毁巨大海浪滔天14.0编辑ppt五、能见度气象上规定：标准视力的眼睛观察水平方向，以天空为背景的黑色（不反射光）目标物（视角在0.5-5°之间），能从背景上辨认出来目标物轮廓的max距离，称为气象能见距离；气象能见距离大小的程度，称为气象能见度。（由能见度距离来判断雾的分级。）从飞机上看地面目标物时，其能见度属于斜视能见度，与气象能见度不同。编辑ppt测量：测量大气能见度一般可用目测的方法，也可以使用大气透射仪、激光能见度自动测量仪等测量仪器测量。

编辑ppt受气溶胶影响大气中的常见现象编辑ppt

虹和霓

含七种色光的太阳光线，射入大气中的水滴(雨滴或雾滴)，各种色光经历折射和反射后，可在雨幕或雾幕上形成彩色光弧环。光环的彩色排序是内紫外红时，称为虹。（光线在水汽滴内经历了一次反射、一次折射）

在虹的外面，有时还出现较虹弱的彩色光环，彩色环的排序与虹相反即内红外紫，称为霓或副虹。（光线在水汽滴内经历了两次反射、一次折射）

虹和霓都要背对太阳而立才能观察到。在夏日的傍晚，西方放晴而东方天空有云雨时，最易看到虹和霓。

编辑ppt折射和反射编辑ppt大气中的电学现象晴天大气电场：在地表附近的电场强度约120V/m，总电