大气科学基础复习要点

大气科学根底复习要点大气概述大气是地球外表运输能量与水分的主要方式，厚度大约100km，尽管相对于地球很浅薄,但大气层里包含了相当大的质量:5.14X10^15公斤。97%的大气是在地球外表30公里(18英里)以内。大气的密度随着高度的上升而下降。3.大气组成：永久气体(固定比例在大气中)99.999%的大气质量氮气、氧气、氦、氖、氩氪、氪(),氙(氙)、氢可变气体：占很小的百分比,但影响大气的行为的气体，如水汽，二氧化碳，臭氧，甲烷，N2O，氟化物等。4.大气演变：原始大气氢和氦；次级大气水汽，二氧化碳、和其它的由于火山喷发而从地球内部带出来的气体；最终CO2含量减小，O2含量上升，演变成现在的大气。5.其它气体如氮气、氧气、水蒸气、二氧化碳、甲烷、氧化亚氮和臭氧对地球生物圈的健康是极为重要的.6.氮气和氧气是大气的主要成分。整合上述两种气体大约占干大气的99%。7.甲烷是一种很强烈的温室气体。自从1750年,大气中甲烷浓度已经上涨了超过140%。8.臭氧在提升温室效应过程中扮演了重要角色，大多数的臭氧(大约97%)发现是集中在平流层海拔15至55公里以上的地球外表。臭氧能吸收太阳辐射中的紫外线。9.氟氯化合物能破坏大气中的臭氧Cl+O3=ClO+O2ClO+O=Cl+O2O3+O=2O2目前科学家已发现南极上方的臭氧空洞。10.水汽的重要作用;(1)它通过相变潜热在地球上重新分配热能的能量交换.〔2〕水汽凝结降水,坠落到地球外表提供所需的新鲜水给植物和动物，形成各种天气现象；〔3〕它通过温室效应帮助温暖地球大气层。11.气溶胶粒子对辐射的吸收和散射、云雾降水的形成、大气污染以及大气光学与电学现象的产生都具有重要的作用。气溶胶粒子的来源可分为人工源和自然源两大类。12.大气的物理性质和化学性质无论在水平方向还是在垂直方向上都是不均匀的。13.划分：按照大气的化学成分划分，大气垂直方向可分为均质层和非均质层。按照大气的压力结构划分，大气垂直方向可分为气压层和逸散层。按照大气的电离结构划分，大气可分为电离层和磁层。按照温度变化划分，大气在垂直方向可分为：对流层、平流层、中间层、热层及外层。14．对流层〔1〕、对流层的厚度因纬度而有较大差异，低纬度地区约17-18km，中纬度地区约11-12km，高纬度地区约8-9km。〔2〕、集中了大气层大局部的(75%)质量和几乎全部的水汽〔3〕、温度随高度下降，平均每上升100米，气温约下降0.650C〔4〕、空气的对流运动明显，特别是夏季以及低纬度地区〔5〕、天气复杂多变。水汽蒸发、凝结而成云至雨造成不同的天气现象〔6〕、气象要素的水平分布不均匀。〔受地形、海陆分布等各种性质的下垫面影响〕15.平流层〔1〕、从对流层顶到50-55km的高度范围是平流层〔2〕、气流运动相当稳定，且以水平运动为主〔3〕、除少数强对流云伸展到平流层外，很少有天气现象发生〔4〕、平流层底层〔约9公里厚〕，温度不随高度变化，称为同温层〕〔5〕、大气圈大局部的臭氧集中于平流层〔6〕、由于臭氧吸收太阳的紫外线辐射，平流层〔20-50公里〕的温度随高度上升(逆温层定义:随高度升高而温度升高)16．中间层〔1〕、从平流层顶到85km的高度范围是中间层〔2〕、气温随高度迅速下降〔3〕、垂直运动相当剧烈，故称之为高空对流层〔4〕、因为水汽含量极少，几乎没有云层出现，但有时能看到一种薄而带银白色的夜光云，有人认为它是由极细微的尘埃组成。17.热层〔1〕、热层大致处于中间层顶到600km高度的范围内〔2〕、气体在该层在太阳和宇宙辐射的作用下发生电离，形成密度很高的带电粒子，所以热层又称为电离层。〔3〕、由于吸收太阳辐射的缘故，该层的温度随高度急剧升高〔4〕、在高纬度的晴朗夜空，可看到美丽的极光。这可能是由太阳发出的高速带电粒子激发高空稀薄的空气分子或原子而发光〔5〕、电离层会反射无线电波18.散逸层【例】“神舟七号〞在哪一层面上绕行？它面临怎样的空间环境？【解】“神七〞的轨道位于大气层中的“热层〞，有如下特点：〔1〕高强度的太阳电磁辐射、太阳宇宙线辐射〔太阳耀斑爆发时向外发射的高能粒子〕和太阳风〔由太阳日冕吹出的高能等离子体流〕〔2〕几乎是真空的太空环境极端的温度环境〔4〕高速运动的尘埃、微流星体和流星体。它们具有极大的动能，1毫克的微流星体可以穿透3毫米厚的铝板第二章气象要素的特征、变化和分布1.摄氏，华氏，开式温度的转换Celsius=(Fahrenheit-32)*5/9

Fahrenheit=Celsius*9/5+32Kelvin=Celsius+2732.百叶箱原理：百叶箱里的温度计是安装地表以上近似1.5米的地方。温度计含有酒精,顶部是用来确定每日最低温度。用水银温度计的低日最高气温来确定。3.影响局地气温变化的因子：太阳辐射加热〔受太阳入射，海陆分布，洋流，海拔等因素影响〕，冷暖平流，凝结、蒸发潜热，云覆盖。补充：空气的温度平流——空气平流运动传热过程引起局地气温变化称为温度平流，如果风向与水平温度梯度的交角小于900→暖平流？，是否是热胀冷缩的，假设是想到上下压的形成过程感觉不符合。如果风向与水平温度梯度的交角大于900→冷平流4.气温的日变化白天温度高、夜晚温度低，最高气温通常出现在午后，最低气温通常出现在凌晨。海洋上日变化小〔下垫面物质稳定〕沙漠地区日变化大——“早穿棉，午穿纱，抱着火炉吃西瓜〞〔吸热强，散热也强〕早晴天夜无云昼夜温差大多云天气昼夜温差小〔云的对辐射的反射造成增温5．夜间降温夜晚是温暖湿润枯燥——由于释放潜热从凝结和红外变暖6.综合因素？？？？？？这个图不懂较大的温度梯度很可能没有风7.气温的季节变化夏天温度高、冬天温度低海洋上温度的季节变化小陆地上温度的季节变化大纬度越高，气温年较差越大(和太阳的辐射有关，年变化8.气温的空间变化热带地区温度高，中高纬度地区温度低夏季海洋比陆地温度低，冬季海洋比陆地温度高海洋上温度分布相对均匀由于下垫面的不均匀，形成了许多的冷暖中心〔如：西伯利亚、格陵兰等是冷中心；澳大利亚、非洲等地形成暖中心〕山脉南麓气温高，北麓气温低9.冬季气温分布特点〔以北半球为例〕等温线密集等温线南凸，冷空气势力大海洋相对于陆地显的温暖西伯利亚和格凌兰是冷中心，澳大利亚是暖中心10.夏季气温分布特点等温线稀疏等温线北凸，暖空气势力大陆地相对于海洋温度高沙漠地区出现高温中心11.等温线分布要点同一水平面上温度相等的点的连线称为等温线等温线密集，温度随空间变化大；等温线稀疏，温度的空间变化小等温线向高纬度地区突出，说明暖空气势力大；等温线向低纬度地区突出，说明冷空气势力大12.在气象工作中通用的气压单位有毫米和毫巴两种〔1〕毫米(mm)：是用水银柱高度来表示气压上下的单位。〔2〕毫巴(mb)/百帕(hPa)：用单位面积上所受水银柱压力大小来表示气压上下的单位。13.气压跟天气有密切的关系。一般地说，地面上高气压的地区往往是晴天，地面上低气压〔注意说的是地面，只是方便理解〕的地区往往是阴雨天。在同一水平面上，如果气压分布不均匀，空气就要从高气压地区向低气压地区流动。因此某地区的气压高，该地区的空气就在水平方向上向周围地区流出。高气压地区上方的空气就要下降。由于大气压随高度的减小而增大，所以高处空气下降时，它所受到的压强增大，它的体积减小，温度升高，空气中的凝结物就蒸发消散。所以，高气压中心地区不利于云雨的形成，常常是晴天。如果某地区的气压低，周围地区的空气就在水平方向上向该地区流入，结果使该地区的空气上升，上升的空气因所受的压强减小而膨胀，温度降低，空气中的水汽凝结，所以，低气压中心地区常常是阴雨天。14.自由大气的大尺度运动是准地转运动，亦即是地转偏向力和气压梯度力的平衡。15.在北半球，地转偏向力与风向垂直，且偏向右侧。因此，在北半球，低气压对应着逆时针的气旋运动；高气压对应着顺时针的反气旋运动16.边界层摩擦作用使气旋区辐合上升，反气旋区辐散下沉17.影响大气压变化的因子〔1〕高度随着海拔高度的上升，气压下降〔主要是因为空气密度的下降与温度的下降。〔2〕温度/密度p=RT——状态方程18.全球气压分布特征全球气压带的分布特征是由太阳辐射、地球自转效应、海陆分布等因子决定的。总体而言，可分为四大气压带，即：极地高压带(PolarHigh)、副极地低压带(SubpolarLow)、副热带高压带(SubtropicalHigh)、赤道低压带(EquatorialLow)由于由于海陆分布的差异，上述的气压带并不随纬度均匀分布，在海平面气压图上表现为永久性和季节性的大气活动中心地球自转作用——三圈环流的形成赤道地区受热上升的气流，流向极地；在地球自转偏向力的作用下，逐步变为偏西气流，阻滞了空气的北上，在300附近积聚下沉；下沉到达地面后一支回流赤道，形成了Hadley环流圈；另一支继续北上，与极地下沉的南流气流在600附近集合上升；上升到高空一支南流形成中纬度Ferrel环流圈；一支北流形成极地环流圈。与三圈环流相对应，是所谓的“三风四带〞，即：极地东风(PolarEasterlies)中纬度西风(Westerlies)低纬度信风(Trades)极地高压带(PolarHigh)副极地低压带(SubpolarLow)副热带高压带(SubtropicalHigh)赤道低压带(EquatorialLow)20.风的表述空气的流动产生风气流由不同尺度的运动叠加而成，其中包括很多小尺度的湍流天气报告中是2min的平均风速风向以100为单位，以正北为基准，顺时针方向旋转。精度要求不高的情况下，也可以用16个方位来表示当风速低于0.25m/s时，称为静风风力的大小划分为12个等级21.影响风的因子〔具体内容在大气动力学中〕气压梯度力——风的形成〔梯度越大，风速越大〕科氏力——引起风向的改变〔地转偏向力，北半球向右，南半球向左，赤道为0，与风速成正比〕摩擦力——风速22.准地转平衡风的受力分析受力分析NetForce=PGF+G+f+Co远离地面时f=0NetForce=PGF+G+Co〔假定气压梯度力在水平方向上的分力被重力平衡〕23.局地风环流：由于局部地表受热不均匀造成的大气环流圈。主要有海陆风，山谷风与季风。24.天气分类0%云覆盖——晴25%云覆盖——少云75%云覆盖——多云100%云覆盖——阴25.云的形成〔1〕发生在相对湿度到达100%时〔2〕水汽转化为液态时要有凝结核26.使相对湿度到达饱和的方法：降温〔最有效〕，增湿〔补充水汽〕27.成云降雨的两种方式〔1〕热力对流，地表空气温度上升，使空气上升，凝结成云降雨〔2〕周围空气的辐合，〔怎么幅合〕造成空气的动力上升，凝结成云降雨。28.云的分类按照云底高度将云分为高云，中云，低云3族按照云的形态将云分为孤立的相互间不相联系的团块状积状云，外表不匀整的波状云以及均匀的云幕层状云三种类型：层状云：雨层云、高层云、卷层云、卷云波状云：层积云、层云、高积云、卷积云积状云：淡积云、浓积云、积雨云29各种云的缩写。低云多由微小水滴组成，厚的或低云多由微小水滴组成，厚的或垂直开展旺盛的低云的下部由微小水滴组成而中上部是由微小水滴、过冷水滴和冰晶混合组成。低云的云底距地面高度较低，一般低于2500米，它是随季节、天气条件和不同经纬度而有变化。中云是由微小水滴过冷水滴或者冰晶雪晶混合而成。中云的云底高度一般在2500-5000米之间高层云在夏季多出现降雨，而在冬季多出现降雪。高积云较薄时不会出现降水，但在高原地区的高积云出现雨〔雪、幡〕。高云是由微小的冰晶组成。云底高度一般在5000米以上，而高原地区较低。高云出现降水较少，冬季北方的卷层云密卷云有时也会降雪，偶尔也能观测到雪幡30.降水的分类〔1〕降雨空气中成千上万的微小水滴碰撞在一起凝结成云降雨〔2〕雨夹雪，冻雨一局部融化冰雹形式或雨滴回身雪花变成冰的雨〔3〕雪当空气温度到达零度以下。当水凝固时的雪形成云,化做雪花落下。〔4〕冰雹过冷却云不断上下运动时，液滴以不同的速度凝结在冰核周围，反复屡次后形成冰雹。31.降水量的测量用雨量筒测量，拦截下落在特定区域的降水，最后取一大片范围内降水的平均值。32.大气能见度大气能见度(Visibility)是反映大气透明度的一个指标。一般定义为具有正常视力的人在当时的天气条件下还能够看清楚目标轮廓的最大地面水平距离。还有一种定义为目标的最后一些特征已经消失的最小距离。能见度是一个对航空、航海、陆上交通以及军事活动等都有重要影响的气象要素。在航空中，一般使用前者定义的能见度。影响能见度的因子主要有大气透明度、灯光强度和视觉感阈。大气能见度和当时的天气情况密切相关。当出现降雨、雾、霾、沙尘暴等天气过程时，大气透明度较低，因此能见度较差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。目前，能见度的观测大都还是以人工目测为主，标准性、客观性相对较差Area第三章大气静力学1.静止大气中的力：重力〔地心吸引力〔万有引力〕和惯性离心力的合力〕重力万有引力惯性离心力2.静力学方程对空气块受力分析即得得到的推论：〔1〕dz>0时dp<0，说明气压随高度是下降的〔2〕由于g随高度的变化很小，所以气压随高度下降的快慢主要取决于密度。大气层低层密度大，气压随高度下降快；大气层高层密度小，气压随高度下降的慢〔3〕将静力学方程从任意高度z积分到大气上界，得说明任意高度z处的气压等于从该高度到大气上界的单位截面积所受的重力。3.为什么大尺度大气满足静力平衡条件描述大气水平方向的运动方程〔具体推导见ppt〕单位质量空气的合力F为其中g=ga+Ce，那么有气压梯度为，那么气压梯度力为—就是气压梯度力在三个方向上的分力对于科氏力同样可得到三个分力——综上所述可得到总方程式然后我们从数量级方面对得到的方程进行简化最终得到完整的大气静力学方程4.均质大气的压高公式即P=0处的高度称为均质大气的上界〔高度〕由上述压高公式可以看出，在均质大气中气压随高度线性递减均质大气的垂直温度梯度为5.等温大气的压高公式积分后可得由上述公式可知，等温大气气压随高度按指数递减，当z→∞时气压为零6.多元大气的压高公式当温度的垂直递减率为时，z高度处的温度可表示为这样，静力学方程可表示为P几种大气气压随高度递减情况比照H7.压高公式的应用〔1〕、利用压高公式可以计算出不同高度的气压值〔海平面气压订正，测压定高〕〔2〕、利用压高公式分析天气系统的垂直结构浅薄系统：冷高，暖低深厚系统：暖低，冷高a.气旋向冷区倾斜，反气旋向暖区倾斜b.低压向冷区倾斜，高压向暖区倾斜c.气旋的散度分布是低层辐合高层辐散反气旋的散度分布是低层辐散高层辐合8.位势不稳定层结是强对流天气是否开展的重要条件。9.温度对对流运动的影响：由右侧公式可知假设气块比周围空气暖时，可获得向上的加速度假设气块比周围空气冷时，可获得向下的加速度假设气块与周围空气无温差时，气块的垂直加速度为零10.静力稳定度气块在某一高度受到某种垂直冲击力后上升到上升dz距离上式第二项表示气块垂直运动已产生时能否继续开展。即其中前者为环境温度垂直递减率，后者为气块绝热运动时的温度递减率当前者大于后者，垂直加速度的方向与气块位移方向相同，说明气层层结不稳定。当前者等于后者，气块作等速运动，气层层结属于中性平衡。当前者小于后者，垂直加速度的方向与气块位移方向相反，说明气层层结稳定。如果气块是干空气，或者是未饱和的湿空气γ>γd静力不稳定γ=γd静力平衡γ>γd静力稳定11.条件不稳定实际大气中，除了贴地气层以外，