第一章大气概况-课件

大气物理学

热力学与辐射基础

课程属性:专业基础课考试方式：平时20%，期中20%，期末60%

预修课程：高等数学、普通物理学

课程性质及考核方式

课程的性质和任务课程性质和目标：大气物理学是一门气象专业基础课。学习该课程是为了使大家了解和掌握大气物理学各个方面的基础知识和基础理论,为学习后行课、专业课打下坚实基础。本门课主要介绍大气的组成和结构、大气静力学、大气热力学、大气辐射等。本课程主要讲述：大气中各种气体成分的性质、各种气象要素的定义与计算、大气的垂直分层；大气静力学；大气热力学的基本概念和基本定律、各种热力过程和温湿参量；大气层结稳定度；辐射的基本概念和基本定律、太阳短波辐射在大气中的传输、地球长波辐射在大气中的传输；大气的基本运动等基础知识。第一章大气概述0.1大气物理的定义主要研究地球大气现象与过程的物理机制和规律。

大气现象与过程：大气中流体运动、光象、电象、热现象、相变过程、辐射过程。0.2分支大气动力学、大气光学、大气电学、大气热力学、云降水学、大气辐射学意大利天文学家伽利略(16世纪)：意大利数学及物理学家托里拆利(17世纪)：法国数学及哲学家帕斯卡和笛卡尔(17世纪)：英国科学家霍克(17世纪)：德国物理学家华氏(18世纪)：法国化学家查尔斯(18世纪)：瑞典天文学家摄氏(18世纪)：美国科学家富兰克林(18世纪)：瑞士地质及气象学家笛绍高斯(18世纪)：气象参数（温、压、湿、风等）的度量与天气现象的关系开始被建立。0.3大气物理学发展简史近代大气物理学起始阶段（18世纪中叶~20世纪中叶）温度计水银气压计气压随高度变化风速计定华氏温标温度与固定体积空气的关系定摄氏温标放风筝入雷暴证明闪电来源毛发湿度计1752,美国Franklin第一次用风筝探明雷击的本质就是电.1871,英国物理学家Rayleigh解释了天空蓝色的现象.1908年，德国物理学家G.Mie

解决了球形粒子的散射问题1859～1901年这两位德国物理学家开创了辐射定律MaxKarlErnstLudwigPlanck

（1858～1947）德国物理学家量子力学的开创人G.R.Kirchhoff

（1824～1887）

德国物理学家大气物理学高速发展阶段（20世纪中叶以来）具有重大实际应用问题的需要大大加速了大气物理学的发展。1.云物理学

1946年，美国物理学家I.Langmuir,V.J.Schaefer发现干冰可以催化云产生降水。B.Vonnegut发现碘化银可作为人工冰核大大激励了科学家们进行人工影响云雨的勇气与信心，促使云降水物理学获得了重大发展。到了90年代，由于云和降水的物理过程和化学过程研究的掀起，云物理学增添了不少研究新内容，因此，云物理学也称为云降水物理学。由于旱涝灾害和雹灾等气候和天气灾害的严重性，人工增雨、消雹作业在许多地区的开展，使得云降水物理学获得新的发展，特别是人工影响天气试验的成功，说明在局部地区，人类可以在某种程度上控制天气的变化。因此，云降水物理学的建立以及人工影响天气的试验的成功也是20世纪大气科学的重大研究进展之一。2.大气污染与边界层物理由于大气边界层是大气污染的主要源地，而大气边界层主要特点是它的湍流性，因此，从20世纪60年代开始，关于边界层结构、特性的探测和分析研究得到很大发展，并且应用到大气环境的研究，特别是开展了大气边界层污染物扩散特性的研究；到了80－90年代，边界层大气污染的区域输送及模拟，大气污染的预测和调控机理的研究得到很大发展。因此，边界层物理学应用到大气环境的分析、模拟、预测和调控，这也是20世纪大气科学的一个重要应用研究成就。

第二次世界大战以后，随着分子光谱学和光谱分析技术的发展，大气各种成分的辐射特性及其在大气中的传输研究在20世纪5O～60年代掀起高潮，并且，这些研究广泛应用于气象卫星对地球和大气的天基遥感。这不仅使其它大气科学分支学科大大发展，也使得大气物理学本身得到发展。到了20世纪9O年代，大气辐射的测量已成为大气和地球系统天基遥感的重要手段，这是20世纪大气科学应用研究的重要进展之一。

大气辐射在气候系统中的作用：由于在20世纪8O年代以后，温室气体CO2和痕量气体O3、CH4,在大气中浓度的改变引起全球增暖和人类生存环境的变化，并对全球环境变化产生了严重影响，这个问题引起世界上许多国家科学家的关注，因此，关于这些气体浓度改变的气候效应的研究使得大气辐射学的研究迅速发展。这不仅使得大气物理学的研究更深入，也使得大气物理过程与大气动力过程的研究相结合。3.大气辐射学50亿年前，地球的轮廓已初步形成。最初是个火球。随着地球逐步冷却，较重的物质沉到中心，形成地核；较轻的物质浮在上面，冷却后形成地壳。1.1行星大气和地球大气的演化12地球大气生命的光合作用使大气圈中出现了氧气。约20~30亿年前，原始植物开始通过光合作用释放少量的O2，随着O2的大量增加，导致高空大气形成O3层，从而过滤了太阳的紫外辐射，这样使得大量植物从海洋深处逐渐向陆地推进，最后形成愈来愈多的O愈来愈少的辐射接受更多的可见光更加丰富的植物释放更多的O2。大约在4亿年前，伴随着地球生物的演化过程，才逐渐形成现在地球大气的状态。从火山喷发出来的氮，由于其化学惰性及其在水中的低溶解度，大部分仍留在大气中，成为现代大气中的主要气体成分。第一代大气：氢、氦、氖等气体组成，称为原始大气阶段（PrimordialAtmosphere）。第二代大气：氮、二氧化碳、甲烷、氨和水汽，称为次生大气阶段（SecondaryPrimitiveAtmosphere）。现代大气：氮和氧气为主，称为现代大气阶段（CurrentAtmosphere）。大气演化小结1）按大气成分在大气中的停留时间可分为：定常成分：浓度的时空变化不明显的气体成分，主要包括N2、O2、惰性气体（Ar等）。可变成分：寿命几年到几十年，在大气中所占比例随时间、地点而变。例如，CO2、O3、CH4，H2等。快变成分：短寿命（小于1年），变化很快，如一些碳、硫、氮的化合物（H2O，CO，NO，NO2，HNO3，SO2，H2S和气溶胶），含量虽然极微少，但由于人类活动的影响或特殊的自然条件，在某些局部地区浓度可能很大，造成危害。2）按浓度（单位为体积混合比）来分，分为：主要成分：浓度在300ppmv，包括N2、O2、Ar、CO2，其中前三种就占了空气体积的99.996%；微量气体：浓度约1ppmv，包括CH4、Ne（氖）、He（氦）、Kr（氪）、水汽；痕量气体：浓度小于1ppmv，包括O3、H2、氮氧化合物、硫化物及人为污染物氟氯烃类化合物；

ppmv：partspermillionbyvolume1ppmv=10-61.2.3水汽量大气中表示水汽量的物理量总称为空气湿度，它是表示湿空气中水汽含量的多少或空气干湿程度的物理量。地表蒸发率和大气中形成云雾的凝结过程等，调节着空气湿度的大小。空气湿度可以用不同的物理量表示，包括水汽压、水汽密度、混合比、比湿、相对湿度和露点等。雾君和霾君都会影响能见度，其分界主要取决于空气湿度1）水汽压e：大气中水汽产生的压强，即水汽分压(hPa)空气中的水汽压不能无限制地增加，在一定的温度下，如果水汽压增大到某一个极限值，空气中水汽就达到饱和，如果超过这个极限值，将会有一部分水汽凝结成液体水，这一极限值称为该温度下的饱和水汽压。饱和水汽压es仅是温度的函数，随温度升高而增大；相对于纯水（冰）平面的饱和水汽压es（

esi）；2）水汽混合比：某一体积湿空气中水汽质量和干空气质量的比值，单位是kg/kg

比湿q：水汽与湿空气的质量比在地球大气中，这两个量都小于0.04kg/kg，因此可近似认为w≈q3）相对湿度r

一定温度和压强下，湿空气的水汽压和在相同状态下下的饱和水汽压的比值，是水汽压和温度的函数。4）露点Td露点温度指空气在水汽含量和气压都不改变的条件下，冷却到饱和时的温度。形象地说，就是空气中的水汽变为露珠时候的温度叫露点温度。这就是为什么白天不会出现露水而夜间出现露水露点温度本是个温度值，可为什么用它来表示湿度呢？这是因为，当空气中水汽已达到饱和时，气温与露点温度相同；当水汽未达到饱和时，气温一定高于露点温度。所以露点与气温的差值（即温度露点差=T-Td）可以表示空气中的水汽距离饱和的程度。气温降到露点是水汽凝结的必要条件。单位面积空气柱里含有的水汽的总量称为可降水量。它对应于单位底面积空气柱的水汽全部凝结成雨或雪降落（把空气挤得一点水分都没有）所能形成的降水量。如某地某时的可降水量为20mm，即空气柱含有的水汽全部“拧干”可以形成的水柱高为20mm。6）可降水量5）水汽密度湿空气中水汽的质量与湿空气的体积之比单位：kg/m3其中pi为第i种成分的分压强，m，μ和n分别为气体的质量、摩尔质量和摩尔数,R*是普适气体常数设体积为V、温度为T的干空气中，含有n种气体成分，其中第i种成分的状态方程为：mi为第i种气体的质量，Mi为第i种气体的摩尔质量考虑到并令即为干空气的平均摩尔质量对以上n个式子