大气成分结构和性状

《大气科学概论》知识体系1第二章大气的成分、结构和物理性状第一章大气科学概述第三章大气辐射过程和热力学过程第四章大气中水分相变过程第五章大气基本动力过程大气基本物理过程第六章天气系统：各类天气系统和预报第七章气候系统：控制因子、分类、变化编辑ppt《大气科学概论》知识体系1第二章大气的成分、结构和物理性状空气分子在地球引力作用下包围着地球表面形成一层薄薄的大气圈，大气圈无色无味，但时时刻刻发生着复杂的天气过程。2第二章大气的成分、结构和物理性状编辑ppt空气分子在地球引力作用下包围着地球表面形成一层大气圈：是由多种气体混合组成的气体及浮悬其中的液态和固态杂质所组成。3一、大气圈的主要成分氮N2、氧O2、氩Ar三者合占大气总体积的99.96％，占大气总质量的99.95%，其它气体含量甚微编辑ppt大气圈：是由多种气体混合组成的气体及浮悬其中的液态和固态杂质大气中的水汽来自海洋、江河、湖泊及潮湿物体表面的水分蒸发和植物的蒸腾，并借助空气的垂直交换向上输送。空气中水汽含量的时空变化特征

①一般情况是夏季多于冬季。

②低纬度暖水洋面和森林地区的低空水汽含量最大（4％），而在高纬度寒冷干燥的陆面上，其含量则极少（0.01％）。

③从垂直方向而言，空气中的水汽含量随高度的增加而减少：1.5~2km高度上，空气中水汽含量已减少为地面的一半；5km高度，减少为地面的1/10；再向上含量就更少了。4（1）水汽编辑ppt大气中的水汽来自海洋、江河、湖泊及潮湿物体表大气中水汽含量虽不多，但它是天气变化中的一个重要角色：（1）降水；（2）能量5编辑ppt大气中水汽含量虽不多，但它是天气变化中的一个重臭氧通常是氧分子在太阳紫外辐射作用下分解为氧原子后,再进行一系列复杂的化学反应与另外的氧分子结合而形成的。6（2）臭氧O3臭氧层离地面约20到30公里处，它在地球上空形成一把“保护伞”，它将太阳光中99％的紫外线过滤掉，这对于地球上生命的生存十分重要。

过量的紫外线会使人和动物免疫力下降，最明显的表现是皮肤癌的发病率增高；

植物和微生物会因为承受不了紫外线的强烈照射而死亡。编辑ppt臭氧通常是氧分子在太阳紫外辐射作用下分解为氧原1984年英国科学家首次发现南极上空出现臭氧洞。1987年签订了限制使用氟利昂等化学品的蒙特利尔条约

用作制冷剂、喷雾剂、发泡剂等化工制剂的氟氯烃是导致臭氧减少的“罪魁祸首”。2000年10月，臭氧洞面积最大：2900万km2北极、青藏高原出现臭氧低值区7臭氧洞编辑ppt1984年英国科学家首次发现南极上空出现臭氧洞。7臭编辑pp温室气体:对太阳辐射吸收甚少，但却能强烈地吸收地面辐射，同时又向周围空气和地面放射长波辐射。8（3）温室气体CO2

、CH4

、N2O因此它们都有使空气和地面增温的效应。观测证明，近数十年来这些温室气体的含量都有与年俱增的趋势，这与人类活动关系十分密切。编辑ppt温室气体:8（3）温室气体CO2、CH4、N2O因此它们定义：大气中悬浮着的各种固态和液态颗粒总称，

能在空气中滞留至少几个小时。尺度：10-3~102μm数密度：102~106个/cm3分布特征：城市＞农村陆地＞海洋

冬季＞夏季9（4）大气气溶胶粒子编辑ppt定义：大气中悬浮着的各种固态和液态颗粒总称，9（4）大气10大气气溶胶粒子的来源：自然源和人为源编辑ppt10大气气溶胶粒子的来源：自然源和人为源编辑ppt大气气溶胶在天气过程中的作用：①形成云、雾和降水条件——充当凝结核的作用②改变辐射平衡——通过散射辐射和吸收辐射产生直接影响③造成大气污染，能见度降低——沙尘暴、雾11编辑ppt大气气溶胶在天气过程中的作用：11编辑ppt观测证明大气在垂直方向上的物理性质是有显著差异的。大气总质量的50％集中在离地5.5km以下的层次内，36~1000km大气层只占大气总质量的1％。12二、大气圈的结构根据温度、成分、电荷等物理性质，同时考虑到大气的垂直运动等情况，可将大气分为五层：编辑ppt观测证明大气在垂直方向上的物理性质是有显著差异对流层是地球大气中最低的一层。云、雾、雨雪等主要大气现象都出现在此层。对流层是对人类生产、生活影响最大的一个层次，也是气象学、气候学研究的重点层次。①厚度：下界是地表，上界随纬度和季节而变化11~13km，赤道16~18km，两极8~9km13对流层地表能量大气温度对流强度编辑ppt对流层是地球大气中最低的一层。云、雾、雨雪等主②质量：集中了约75%的大气的质量和90%以上的

水汽质量以及几乎所有的气溶胶颗粒；③气温：从下向上是逐渐降低的，低纬度地区对流

层顶气温约-83℃，高纬度地区约-53℃④大气运动：具有强烈的对流、乱流运动⑤气象现象：主要大气现象均出现14编辑ppt②质量：集中了约75%的大气的质量和90%以上的14编辑pp⑥分层：A下层：摩擦层或行星边界层，地面~2km特点：气流受地面的摩擦影响大，湍流作用特别强盛；受地面热力作用影响，气温有明显的日变化；水汽、尘粒含量较多，低云、雾、浮尘等频出B中层：底界在摩擦层顶，上层高度约为6km。特点：受地面影响比摩擦层小得多；

气流状况基本可表征整个对流层空气运动的趋势

大气中的云和降水大都产生在这一层内C上层：6km~对流层的顶部特点：受地面的影响更小，气温<0℃，水汽含量较少，各种云都由冰晶和过冷水滴组成。在中纬度和热带地区存在强风带（急流，风速>28m/s)15编辑ppt⑥分层：15编辑ppt（1）气温随高度增加而降低：由于对流层主要是从地面得到热量，因此气温随高度增加而降低。16对流层的三个主要特征：气温随高度增加而降低的量值，平均而言，高度每增加100m，气温则下降约0.65℃，这称为气温直减率，也叫气温垂直梯度：编辑ppt（1）气温随高度增加而降低：由于对流层主要是从地面得到热量，由于地表面的不均匀加热，产生垂直对流运动。对流运动的强度主要随纬度和季节的变化而不同。一般情况是：低纬较强，高纬较弱；夏季较强，冬季较弱。因此对流层的厚度从赤道向两极减小。17（2）垂直对流运动

空气通过对流和湍流运动，高、低层的空气进行交换，使近地面的热量、水汽、杂质等易于向上输送，对成云致雨有重要的作用。编辑ppt由于地表面的不均匀加热，产生垂直对流运动。对流运由于对流层受地表的影响最大，而地表面有海陆分异、地形起伏等差异，因此在对流层中，温度、湿度等的水平分布是不均匀的。18（3）气象要素水平分布不均匀编辑ppt由于对流层受地表的影响最大，而地表面有海陆分异①高度：从对流层顶到55km②质量：几乎占大气圈总质量的25%③气温：随着高度增加，气温最初保持不变或微有

上升，大约到30km以上，气温对高度增加

而显著升高，在55km高度上可达-3℃原因在于在20~30公里高处，氧分子在紫外线作用

下，形成臭氧层。④大气运动：主要表现为水平方向运动，对流强度

显著减弱⑤天气特征：基本上没有水汽，晴朗无云，很少发

生天气变化，适于飞机航行⑥成分：几乎不含水汽、尘埃，存在臭氧层19平流层编辑ppt①高度：从对流层顶到55km19平流层编辑ppt在温带地区，商业客机一般会于离地表10公里的高空，即平流层的底部处巡航。这是为了避开对流层因对流活动而产生的气流。20编辑ppt在温带地区，商业客机一般会于离地表10公里的高高度：从平流层顶到85km左右特点：气温随高度增加而迅速下降，顶部气温降到-113℃——-83℃，温度垂直递减率很大原因是由于这一层中几乎没有臭氧，而氮和氧等气体所能直接吸收的那些波长更短的太阳辐射又大部分被上层大气吸收掉了。大气运动：有相当强烈的垂直运动天气现象：水汽含量更极少，几乎没有云层出现，

仅在高纬地区75~90km高度，有时可见夜光云该层的60-90公里高度上，有一个只有在白天出现的电离层，叫做D层。21中间层编辑ppt高度：从平流层顶到85km左右21中间层编辑ppt气温：气温随高度的增加而迅速增高。这是由于波

长小于0.175μm的太阳紫外辐射都被该层中

的大气物质（主要是原子氧）所吸收的缘故。其增温程度与太阳活动有关，当太阳活动加强时，温度随高度增加很快升高，这时500km处的气温可增至2000K；当太阳活动减弱时，温度随高度的增加增温较慢，500km处的温度也只有500K。高度：热层没有明显顶部。通常认为气温从增温转为

等温时，为其上限。特点：空气处于高度电离状态，产生大量带电离子

和自由电子，使高层大气中能够产生电流和

磁场，可反射无线电波，因此该层又称为电离层。22热层（热成层或暖层）编辑ppt气温：气温随高度的增加而迅速增高。这是由于波22热层（热成层大气的最高层，又称外层高度：从暖层顶到外层空间特点：气温随高度增加很少变化，属于恒温层运动特点：由于温度高，空气粒子运动速度很大，又因距地心较远，地心引力较小，所以这一层的主要特点是大气粒子经常散逸至星际空间，本层是大气圈与星际空间的过渡地带。23逸散层编辑ppt大气的最高层，又称外层23逸散层编辑ppt大气是“物质”且是不断“运动的”，那么如何“定量地描述”大气呢？（1）“哪些量”才能较好地描述大气呢？（2）从中可总结出“哪些大气运动的规律？在气象学上，大气的物理性状主要以气象要素和空气状态方程来表征。24三、大气的物理性状编辑ppt大气是“物质”且是不断“运动的”，那么如何“定气象要素：指表示大气属性和大气现象的物理量，

主要包括气温、气压、湿度、风、云量、降水

量和能见度。1、气温：表示空气冷热程度的物理量气体温度T(绝对温度)是分子平均动能的量度，即气温越高分子不规则运动的平均动能越大，分子不规则运动的速度也越大：25（一）主要气象要素单位：（1）摄氏温标（t,℃

）

（2）绝对温标（T,K）

T=t+273.15≈t+273编辑ppt气象要素：指表示大气属性和大气现象的物理量，25（一）主要气大气地表温度观测：百叶箱中的干球温度计编辑ppt大气地表温度观测：百叶箱中的干球温度计编辑ppt2、气压：即大气的压强，单位面积上所承受的整个

空气柱的重量气压大小：决定于整个空气柱质量的多少气压含义：空气的分子运动与地球重力场综合作用的

结果计算方法：P代表气压，F代表面积A上所承受的力，

则：P＝F/A单位：1hpa=1mb=3/4mmHg标准大气压：在纬度为45°的海平面上，温度为0℃

时，所测得的水银柱高为760mmHg的大气压

强，为一个标准大气压(1013.25mb)。编辑ppt2、气压：即大气的压强，单位面积上所承受的整个

水银柱测量气压：精确的气压值是用水银气压表来测量的，若水银柱的高度为h,水银的密度为ρ，水银的截面为S，则所测大气压强为：静止大气气压公式：注意：当空气有垂直运动时，气压值与单位面积上所承受的大气柱重量有一定差异的。但是在一般情况下，空气的垂直运动的加速度很小，这种差别可以忽略的。水银柱测量气压：精确的气压值是用水银气压表来测量的，若水银柱动槽式水银气压表定槽式水银气压表编辑ppt动槽式水银气压表定槽式水银气压表编辑ppt3、湿度：表示大气中水汽含量多少的物理量，是

决定云、雾、降水等天气现象的重要因素表示湿度的方法：

（1）水气压e、饱和水气压E、饱和差d水气压（e）：大气中所含水汽产生的压力，大气压

中的水汽分压。根据道尔顿分压定律，大气中的总压强等于水汽分压强和干空气的分压强之和。编辑ppt3、湿度：表示大气中水汽含量多少的物理量，是

饱和水汽压（E）：在温度一定的情况下，单位体积空气中能容纳的水汽数量（水汽压）存在一个极限值，水汽含量达到了这个限度，空气就呈饱和状态，如果超过这个极限值，多余部分的水汽凝结成液体水，这一极限值称为该温度下的饱和水汽压。

饱和水汽压实际上是水和水汽之间达到动态平衡时（凝结率=蒸发率）的水汽压——类似溶解度的概念

根据理论计算和实验证明，饱和水汽压与温度有关，随温度的升高而迅速增大31编辑ppt饱和水汽压（E）：31编辑ppt32世界气象组织WMO推荐的饱和水汽压计算公式国家气象局推荐的饱和水汽压计算公式饱和差d：在一定温度下，饱和水汽压E与空气中实际水汽压e之差d=E-e，d表示实际空气距离饱和的程度。在研究水面蒸发时常用到d，它能反映水分子的蒸发能力。编辑ppt32世界气象组织WMO推荐的饱和水汽压计算公式相对湿度RH:空气中的实际水汽压与同温度下的饱

和水汽压的比值（用百分数表示）RH直接反映空气距离饱和的程度:

当RH接近100％时，表明当时空气接近于饱和。

当水汽压不变时，气温升高，饱和水汽压增大，相对湿度会减小。33（2）相对湿度RH（RelativeHumidity）编辑ppt相对湿度RH:空气中的实际水汽压与同温度下的饱33（2）比湿：湿空气中水汽的质量与该团空气总质量（水

汽质量加上干空气质量）的比值34（3）比湿和水汽混合比干空气质量水汽质量注意问题：e和P须采用相同单位（hPa）,q的单位是g/g编辑ppt比湿：湿空气中水汽的质量与该团空气总质量（水34（3）比湿35水汽混合比：一团湿空气中，水汽质量与干空气

质量的比值比湿和水汽混合比的不变性：

对于某一团空气而言，不论发生膨胀或压缩，体积如何变化，只要其中水汽质量和干空气质量保持不变，其比湿和水汽混合比都保持不变。

因此在讨论空气的垂直运动时，通常用比湿或水汽混合比来表示空气的湿度。编辑ppt35水汽混合比：一团湿空气中，水汽质量与干空气编辑露点温度：在空气中水汽含量不变，气压一定下，

使空气冷却达到饱和时的温度，称露点温度，

简称露点（Td）。36（4）露点温度（露点）在气压一定时，露点的高低只与空气中的水汽含量有关，水汽含量愈多，露点愈高，所以露点也是反映空气中水汽含量的物理量。根据T和Td的差值，可以大致判断空气距离饱和的程度。编辑ppt露点温度：在空气中水汽含量不变，气压一定下，36（4）露点温37编辑ppt37编辑ppt降水：指从天空降落到地面的液态或固态水，包括

雨、雪、霰、冰雹、雾、霜等。降水量：指降水落至地面后（固态降水则需经融化

后），未经蒸发、渗透、流失而在水平面上积聚的深度，降水量以毫米（mm）为单位。384、降水编辑ppt降水：指从天空降落到地面的液态或固态水，包括384、降水编辑雪深：从积雪表面到地面的垂

直深度，以厘米（cm）

为单位。当雪深超过5cm时，则需观测雪压。雪压：单位面积上的积雪重量，以g/cm2为单位。39高纬度地区还必须要考虑雪深和雪压编辑ppt雪深：从积雪表面到地面的垂39高纬度地区还必须要考虑雪深风：空气的水平运动称为风。风是一个表示气流运风是一个向量：风速：数值的大小m/skm/h风向：指风的来向405、风地面风向：16方位表示，每相邻方位间的角差为22.5°；高空风向：方位度数表示，正北——0°（或360°）正东——90°正南——180°正西——270°编辑ppt风：空气的水平运动称为风。风是一个表示气流运风是一个向量：441风向风速仪风速的表示有时采用压力，称为风压。P为垂直于风的来向1m2面积上所受风的压力

kg/m2V表示风速（m/s）内陆海拔高度500以下：1/1632东南沿海地区：1/1750海拔3500m高原：1/2600编辑ppt41风向风速仪风速的表示有时采用压力，称为风压。内陆海拔高度42编辑ppt42编辑ppt云：悬浮在大气中的小水滴、冰晶微粒或二者混合物的可见聚合群体，底部不接触地面（如接触地面则为雾），且具有一定的厚度。云量：指云遮蔽天空视野的成数。

将地平以上全部天空划分为10份，为云所遮蔽的份数即为云量。

例如，碧空无云，云量为0，天空一半为云所覆盖，则云量为5。436、云量编辑ppt云：悬浮在大气中的小水滴、冰晶微粒或二者混合物的可见聚合群体能见度：指视力正常的人在当时天气条件下，能够

从天空背景中看到和辨出目标物的最大水平距离。单位：米（m）或千米（km）表示。能见度对航空、航海、陆地交通以及军事活动有重要影响。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，而大气透明度与当时天气条件密切相关：降水、霾、沙尘暴大气透明度较差。测量大气能见度一般用目测的方法，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。447、能见度编辑ppt能见度：指视力正常的人在当时天气条件下，能够447、能见度空气状态常用密度（ρ）、体积（V）、压强（P）、温度（t或T）表示。对一定质量的空气，其P、V、T之间存在函数关系。例如，一小团空气从地面上升时，随着高度的增大，其受到的压力减小，随之发生体积膨胀增大，因膨胀时做功，消耗了内能，气温乃降低。这说明该过程中一个量变化了，其余的量也要随着变化，亦即空气状态发生了变化。如果三个量都不变，就称空气处于一定的状态中，因此研究这些量的关系就可以得到空气状态变化的基本规律。45（二）空气状态方程编辑ppt空气状态常用密度（ρ）、体积（V）、压强（P）A干空气状态方程根据实验发现，一切气体在压强不太大，温度不太低（远离绝对零度）的条件下，一定质量气体的压强和体积的乘积除以其绝对温度等于常数：理想气体并不存在，但在通常气温和气压条件下，干空气和未饱和的湿空气都十分接近于理想气体。1mol的理想气体在标准状态下：普适气体常数A干空气状态方程普适气体常数47质量为M克，分子量为μ理想气体：干空气的比气体常数Rd比气体常数干空气状态方程编辑ppt47质量为M克，分子量为μ理想气体：干空气的比气体常数Rd比B湿空气状态方程与虚温

实际大气中，尤其是在近地面气层中存在的总是含有水汽的湿空气。常温常压下湿空气仍然可以看成理想气体:

水汽含量是变化的！如果解决这个问题呢？——思路！如果以P表示湿空气的总压强，e表示其中水汽部分的压强（即前述的水汽压），则P-e是干空气的压强。干空气的密度和水汽的密度分别是B湿空气状态方程与虚温实际大气中，尤其是在干空气比气体常数水汽比气体常数思路分析

湿空气是干空气和水汽的混合物，故湿空气的密度ρ是干空气密度ρd与水汽密度ρw之和编辑ppt干空气比气体常数水汽比气体常数思路分析湿空气是虚温湿空气的状态方程编辑ppt虚温湿空气的状态方程编辑ppt二、空气状态方程虚温的意义：在同一压强下，干空气密度等于湿空气密度时，干空气应有的温度。水汽压e愈大，这一差值便愈大。在低层大气，尤其是在夏季，e值