第一章 大气概述课件

大气科学概论刘红年第一章大气概述绪论

大气科学是研究地球大气中各种物理和化学现象、过程(包括人类活动对它的影响)，这些现象和过程的演变规律，以及如何利用这些规律为人类服务的一门学科。第一章大气概述绪论一.大气科学研究对象二.大气科学研究内容三.大气科学研究特点四.大气科学的学科分支五.大气科学发展概略六大气科学发展中的重要事件第一章大气概述宇宙、地球、大气的起源和演化

宇宙的起源大爆炸学说按照Friedmann等人的理论，RussianAmericanphysicistGeorgeGamow和他的学生AmericanphysicistsRalphAlpherandRobertHerman（1940s）认为过去必定存在一个有限的时刻，那时宇宙中的物质被压缩为极高密度的状态，这个时刻被称为“大爆炸”，也就是宇宙起源的时刻。第一章大气概述他们的计算结论是：作为“大爆炸”过程的遗迹，目前宇宙中应普遍存在温度约5K的背景黑体辐射。1989年，美国宇航局专门为此发射了宇宙背景探测者卫星观测数据表明，该辐射的谱分布与2．735K的黑体辐射完全相合，天空不同方向的相对温差小于十万分之一。这就证明了背景辐射的黑体性和普适性。这种“背景辐射”的存在是“大爆炸”模型最令人信服的证据之一。通过现代物理学理论，可以模拟宇宙在大爆炸后110-43秒的状态，但对于此时刻之前还没有新的理论将万有引力和广义相对论二者之间结合起来。第一章大气概述膨胀理论上世纪70年代，美国科学家AlanGuth、PaulSteinhardt和美籍俄裔天文学家AndreasLinde提出从大爆炸后110-35秒开始的110-32秒内宇宙极速膨胀为原来的11050倍，然后减缓为近乎常速。认为宇宙处于开放与封闭系统的边缘状态。可解释大爆炸学说不能解释的宇宙常速膨胀和宇宙的均匀性等问题，被广大理论天文学家认同。上世纪90年代以来，观测天文学家对该理论有不同看法，认为宇宙应该是一个开放系统。第一章大气概述膨胀理论图示：白点代表星系，膨胀后相互远离第一章大气概述宇宙无限论：有限无界论：在17世纪，Galilei、Newton在经典力学体系的基础上，建立了宇宙无限无边的理论，即宇宙的体积是无限的，没有空间边界，无限的天体分布在无限的空间之中。1917年，AlbertEinstein在广义相对论的基础上，提出了有限无界的静态宇宙模型。认为宇宙是有限无边的，即宇宙空间的体积是有限，是一个弯曲的封闭体，这个弯曲的封闭体没有边界，类似一个球面，面积有限，但沿着球面运动总是遇不到“边”。该理论拉开了现代宇宙学研究的序幕。第一章大气概述地球与宇宙

银河系中心银河系与河外星系第一章大气概述太阳系第一章大气概述地球形成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。其结构见下图第一章大气概述地球构造图第一章大气概述三、大气演化1、原始地球上无大气、无海洋；火山爆发频繁发生2、火山喷发形成原始大气，主要由水汽、CO2、氮和硫或硫化物。没有氧气。大量水汽造成长时间降雨，持续了几千年（推测），形成原始海洋，生命就在原始海洋的汤液中形成。第一章大气概述3、生命的光合作用使大气圈中出现了氧气。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；大气中的氩，是地球固体部分放射性物质40K衰变时的副产品。第一章大气概述第一代大气：氢、氦、氖等气体组成。称为原始大气阶段。第二代大气：氮、二氧化碳、甲烷、氨和水汽。称为次生大气阶段。现代大气：氮和氧气为主。称为今日大气阶段。今天的大气成分为什么是这样？第一章大气概述地球大气的演化

地球大气是怎样长期演化来的，目前主要有两种看法。一种看法认为今天的大气就是从地球原始大气演化而来的。另一种看法则认为，原始大气已经不存在了，现在的大气是由于地球内部火山活动所喷发出的物质演化成的。第一章大气概述地质时期地球大气成分的演变第一章大气概述与左邻右舍进行对比金星的大气成分主要是碳酸气，还有少量的氧、氮、碳、氖、氦、水汽，上部有原子状态的氧。火星的大气成分主要是二氧化碳，另外还有些氨(NH3)、氢、氧、水汽等物质。第一章大气概述第一章大气概述地球大气的演化第一，现在的大气成分是地球长期演化的结果，是和水圈、生物圈、岩石圈进行充分的物质循环的结果。可以说，这几个圈层是相互联系，互相渗透的一个整体。第二，现在的大气成分还在不断的进行着循环过程之中，而且这个过程基本是平衡的，稳定的，在短时期内不是会有明显变化的。第一章大气概述地球的次生大气和水圈生成原始大气次生大气氧化大气46亿年前，H2，O2，CH4，H2S火山爆发和固体吸附。主要成份是CO2、

CH4、NH3和水汽。CO2至30亿年前大约是现在大气的10倍。强温室效应使地表平均温度可达300℃左右。随着二氧化碳浓度下降，大气温度也下降。水汽可以凝成液体水，出现云、雨，并在地球表面积聚，演变成水圈。第一章大气概述大气中氧的产生和生物圈的形成现在大气与类地行星大气的区别O2—生命O3—UVB现在大气的形成是在和生物圈相互作用中形成的：光合作用生物圈形成第一章大气概述一.大气科学的研究对象

大气科学的研究对象主要是覆盖整个地球的大气圈。大气圈,特别是地球表层的低层大气和地球的水圈、岩石圈和生物圈是人类赖以生存的主要环境。第一章大气概述

1、地球大气的一般特征(如大气的组成、范围、结构等)；2、大气现象发生、发展的能量来源、性质及其转化；3、解释大气现象，研究其发生、发展的规律；4、如何利用这些现象预测、控制和改造自然(如人工影响天气、大气环境预测和控制等)。二.大气科学的研究内容第一章大气概述三.研究特点研究大气科学不能仅限于大气圈。地球(环境)系统是由岩石圈、水圈(含冰雪圈)、大气圈和生物圈组成的一个综合系统大自然是大气科学研究的实验基地国际合作是推动大气科学发展的必要途径第一章大气概述四.大气科学的学科分支气象学大气探测学大气科学大气物理学天气学大气动力学气候学大气化学应用气象学人工影响天气第一章大气概述大气探测大气探测是研究探测地球大气中各种现象的方法和手段的学科。按探测范围和探测手段划分，又分为地面气象观测、高空气象观测、大气遥感、气象雷达、气象卫星等低一级的分支。第一章大气概述天气学天气学是研究大气中各种天气现象发生、发展规律以及如何应用这些规律来制作天气预报的学科。研究内容主要包括天气现象、天气系统、天气分析和预报等第一章大气概述动力气象动力气象是应用物理学和流体力学定律及数学方法，研究大气运动的动力和热力过程及其相互关系的学科，是大气科学的理论基础。第一章大气概述气候学气候学是研究气候的特征、形成和演变以及气候与人类活动相互关系的学科。研究内容主是包括气候特征、气候分类、气候区划、气候成因、气候变化、气候与人类活动的关系、气候预报和应用气候等。第一章大气概述大气物理学大气物理学是研究大气的物理现象、物理过程及其演变规律的学科。研究内容主要包括云和降水物理学、大气光学、大气电学、大气声学、大气辐射学、大气边界层物理学和高层大气物理学等。第一章大气概述大气化学大气化学是研究大气组成和大气化学过程的学科。研究内容主要包括大气的化学组成及演变、大气微量气体及其循环、大气气溶胶、大气放射性物质和降水化学等。第一章大气概述人工影响天气人工影响天气是研究如何通过影响云和降水的微物理过程来使某些大气现象、大气过程发生改变的技术和方法。如人工降水、人工防雹、人工消雾、抑制雷电等。

第一章大气概述应用气象学应用气象学是将气象方面的有关原理、方法和成果应用于生物、农业、森林、水文、建筑、航海、航空、军事、医疗、空气污染等方面，同各个专业学科相结合而形成的边缘性学科。第一章大气概述五、大气科学发展概略1.

50年代以前，大气科学的研究还处于定性、半定性阶段2.大气科学的发展进入了告诉发展阶段，主要表现在以下两个方面：

l

不断采用新的探测技术，使大气科学进入宏观愈宏、微观愈微的阶段

l

计算机的使用

第一章大气概述六大气科学发展中的重要事件公元前340年，Aristotle的书“Meteorogica”总结了当时的天气、气候知识。16世纪发明了温度计(GalileoGalilei

)1643年发明了气压计(Galileo'sdiscipleEvangelistaTorricelli,

)17世纪发明了湿度计1843年电传的发明使天气图成为可能。1920年发现了气团（Airmasses）和锋面（Fronts）1940年开始高空气球观测1950年计算机的发展带动了数值方法的发展1960年TIROS-I天气卫星发射第一章大气概述七中国气象事业发展历程1928年竺可揁先生开创了中国现代气象事业始建于延安时期(1945)

---解放战争军委气象局(1949)

---抗美援朝中央气象局(1953)---转建；“两大服务”国家气象局(1982)---

经济建设中国气象局(1993)

---

小康社会第一章大气概述第一章大气概述

地球大气圈。现在的地球大气已经历了原始大气，次生大气和现代大气三个演化阶段。最早的原始大气形成于46亿年以前第一章大气概述第1节地球系统由岩石圈、水圈、大气圈和生物圈共同构成一个综合体，称之为“地球系统”

,80年代初期诞生了一个新兴科学——地球系统科学第一章大气概述

地球系统的圈层结构、 物质组成及其基本性质1.岩石圈2.水圈(冰雪圈)3.生物圈4.大气圈

第一章大气概述固体地球分层一般把地壳和上地幔合称为岩石圈1.岩石圈

地球包括地壳、地幔和地核。地壳厚度不一，平均厚度约17公里。上层为花岗岩层，下层为玄武岩层。地壳岩石的年龄绝大多数小于20多亿年。地壳中八种主要元素（氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁）的含量占地壳总量的97.13％，其中氧元素的含量占地壳总量的49.13％，硅元素的含量占地壳总量的26％。第一章大气概述土壤－岩石圈中对人类和动植物以及其它生命最有意义的部分土壤是地球陆地能够为作物提供生长发育具有肥力的疏松表层，是生物，特别是植物和微生物生活的重要环境，是地表与大气进行物质和能量交换的重要场所。土壤肥力是土壤的主要特征，是土壤提供植物生长发育所需要的水分、养分和协调土壤中水、肥、气、热等生活条件的能力。

各种大小不同的土粒含量的百分组成或搭配的比例，称为土壤质地，也叫土壤机械组成。

植物生长必需的五个生态因子中，除光能外，热量、空气、水分和营养成分都与土壤有关。水分和营养成分主要由土壤供给，土壤的通气状况和温度变化直接影响到植物生长发育。第一章大气概述2.水圈水体：天然或人工聚集的水成为水体。水圈：地球表层水体的总称。 水圈中的水以三相存在，分布于地表、地下和大气中。 水圈中的水的总体积是13.86亿立方公里。 水圈中的淡水占2.53%。水的更新：如果一个独立的、水量固定的水体与外界进行水的交换，则 称该水体在进行更新。通过水的更新过程，水圈的各个部分相 互交换，联系在一起，构成地球环境水循环的主要过程。第一章大气概述水的循环第一章大气概述深海环流全球温盐环流构成的输送带千年尺度第一章大气概述水汽含量随高度减少，1.5~2km高度水汽减少为地面一半。水汽含量与地理纬度、海岸分布、地形高度、地面类型、季节以及天气条件有关。大气中的水以三种相态存在。第一章大气概述生物圈和岩石圈中的水

地球系统的生物圈和岩石圈的土壤中含有少量的水，其中，生物圈的水量约为1120立方公里，小于这总水量的0.0001%。两部分水一般不作为水圈的组成部分。生物圈和岩石圈土壤中的水量虽少，但对动植物的生存和各种生物过程是至关重要的。第一章大气概述

冰雪圈冰雪圈的5个组成部分：

海冰、大陆冰原、季节性雪盖、永动土和高山冰川。前两者是最重要部分。相对于液态和气态的水而言，冰和雪具有相对的稳定性。冰雪圈覆盖全球海洋的7％，多年冰覆盖陆地表面的11％，但其覆盖范围可变。冰雪圈的分布范围对地球表面温度非常敏感。 水的冰点恰好位于地球表面最高和最低温度之间约一半之处。冰、雪和冻土分为常年（多年）性和季节性。 季节性冰、雪和冻土产生的季节影响和年际影响非常显著。 因常年性冰、雪和冻土的分布稳定少变，在十到百年尺度以上，可以产生比较固定的影 响过程和影响趋势。冰雪圈的重要性 稳定的对太阳辐射的高反射率，影响地表能量收支。 极地大气－冰－开放海洋的能量交换过程。 约占总水量的2％，占有地球上近80％的淡水资源。（海平面）第一章大气概述3.生物圈生物圈是地球上所有动物、植物和微生物等生物有机体及其活动空间的总称。生物圈占据了包括大气圈对流层下部、几乎整个水圈以及岩石圈表层的薄层范围。其核心部分，即地表面以上100米至水面200以下米之间，集中了绝大部分生物。迄今为止，生物圈是地球环境特有的组成部分。生物圈的两个重要部分：植被和海洋浮游生物生物圈产生的“泵”的作用：以生物过程推动能量、水、物质、动量的输送第一章大气概述植被－生物圈中最重要的组成部分，同各圈存在紧密联系通过植物生长过程，土壤、植被和大气紧密结合在一起，进行物质和能量的交换。植物在生长过程中把太阳能转化为化学能，并吸收大气中CO2，固定在植物体内。植物是人类和动物生存的主要食物供应者和能量供应者。植被的分布对地面反射率和粗糙度产生极大影响，进而影响地气系统的辐射平衡和动量传地。第一章大气概述4.大气圈

地球被大气包裹着。大气本身的可压缩性、太阳辐射、地球的形状与重力、地球的公转与自转、地球表面的海陆分布与地形起伏、地球的演化和地球上的各种生态系统，是形成地球大气特定成分、特定结构和特定运动状态的主要自然条件。人类活动及其对生态系统所起的作用，是影响地球组成、结构和运动的人为条件。第一章大气概述第2节地球大气的成分1.干洁大气不含水汽和悬浮颗粒物的大气为干洁大气，简称干空气主要成分--浓度在百分之一以上,如N2，O2，Ar。微量成分--浓度在1ppm~1%之间,如CO2，H2O，CH4，He等。痕量成分—浓度在1ppm以下,CO,NH3,O3SO2,NO,H2

第一章大气概述按生命时间分类定常成分：寿命在100年以上，如N2，O2，和惰性气体。可变成分：寿命在几年到十几年，如CO2，H2，CH4

等。快变成分：寿命在1年以下。如H2O，……...第一章大气概述3.大气颗粒物大气颗粒物是悬浮在大气中的各种固体和液体微粒，统称为大气气溶胶粒子。气溶胶有自然源和人为源。气溶胶对云雾、降水、辐射传输、大气能见度、大气光学、大气污染以及气候变化等有很大影响。2.water第一章大气概述概念:悬浮于大气中的固液态颗粒物.分类:(依据有效直径D的大小)(1)爱根核<0.2um(2)大核0.2-2.0um(3)巨核>2.0um作用:(1)有利于水汽的凝结;(2)维护大气辐射平衡;(3)影响大气能见度。

第一章大气概述气溶胶的来源第一章大气概述1.3大气科学研究的重要性一.大气与生存环境1.大气是人类最重要的资源2.大气污染对地球环境的影响温室效应与全球气候变暖臭氧层的破坏酸雨城市空气污染第一章大气概述(1)温室效应

由于大气对来自太阳的短波辐射及来自地面的长波辐射具有选择吸收性，致使地表温度升高的现象,称为温室效应。第一章大气概述

第一章大气概述温室效应所造成的危害全球增暖;全球冰雪圈层急剧减小;海平面上升,海岸线变迁;气候带的向高纬度带移动;对农作物的生长、水资源及能源的开发有较大的影响；生物带的变迁等。第一章大气概述（2）酸雨

概念：酸雨是指酸性的降水（严格应称为酸沉降）。通常，将pH值低于5.6的降水称为酸雨。

pH值降低1就相当于酸度增加10倍。影响：（1）使河流、湖泊及土壤酸化；（2）生态系统受害；（3）腐蚀建筑材料、金属结构和油漆；（4）其中的汞、镉等重金属对人类的健康危害很大等。第一章大气概述

第一章大气概述（3）臭氧层破坏臭氧的作用：(1).对太阳的0.2um-0.3um波段紫外线辐射有强烈的吸收作用；(2).对平流曾大气加热，并对平流层的温度场、环流场起重要作用。臭氧的分布：主要分布在10-40KM，近地面分布较少，极大值在20-25KM处。

第一章大气概述第一章大气概述二天气与气候

1.天气与气候的概念天气描述的是一个特定时间与一个特定地点的大气状态和大气现象。气候是指在影响天气的各因子(太阳辐射、下垫面性质、大气环流和人类活动等)长期相互作用下所产生的天气综合,

通常由某一时段的平均值以及距平均值的离差（距平值）表征，主要反映一个地区的冷、暖、干、湿等基本特征。第一章大气概述

我国南方地区致洪暴雨包括长江中下游（含江淮流域）的梅雨锋暴雨、华南前汛期暴雨以及台风暴雨等，由这类暴雨引发的洪涝灾害是我国重要的气象灾害。

二十世纪五十年代以来长江流域（包括江淮地区）的历次大水（如1954、1969、1975、1991、1993、1994、1995、1996、1998、2003年）都是由这类致洪暴雨造成的，给国家造成巨大损失。2.气象灾害第一章大气概述

1994年17号台风造成浙江1126人死亡台风近十年平均造成我国每年高达246亿元直接经济损失和570人死亡。2004年云娜台风2002年0216号台风（森拉克）于9月7日登陆时中心附近最大风力有12级第一章大气概述飓风“卡特里娜”给美国港口城市新奥尔良

带来毁灭性袭击遇难总人数1000多人，评估报告显示“卡特里娜”飓风导致2005年下半年美国经济增长率将降低1个百分点，救灾和重建飓风灾区费用可能高达1500亿美元。布什总统说，“卡特里娜”是美国历史上最严重的自然灾害之一，恢复工作可能需要持续几年时间。第一章大气概述干旱缺水

目前，全国1100个大中城市有600多个存在干旱缺水问题，缺水比较严重的城市有110个。全国每年因城市缺水影响产值达2000亿至3000亿元。干旱分布图第一章大气概述高温热浪

2004年夏季高温热浪袭卷欧亚，各国死亡人数惊人，其中，意大利34071人，法国超10000人，印度1045人。我国南方也遭遇持续高温热浪侵袭，中暑人数大增，城市频繁拉闸限电。2000年北京市最高气温42.2℃，破百年纪录。第一章大气概述雷电灾害我国每年因雷击造成死亡人数超过300人。雷闪频次雷暴日数第一章大气概述气象灾害造成的国民经济的损失约占国民经济生产总值的3-6%。第一章大气概述第一章大气概述

地球大气的密度、温度、压力、成分和电磁特性等都随高度发生变化，具有多层次的变化特征。大气的密度和压力一般按照指数率随高度变化；温度、成分和电磁特性等随高度的变化分别具有不同特征，可按照各自特征分成若干层次。1.6大气的垂直结构第一章大气概述大气状态方程的研究1662年，爱尔兰人RobertBoyle的Boyle定律：VP-11787年，法国人A.Charles的Charles定律：VT同时代，Gay-Bussac定律：PT合并前三定律，可得联合气体定律：加上Avogadro定律：Vn

可得到理想气体定律：

VnTP-1

PV=nRT§1.4空气状态方程第一章大气概述理想气体的微观假设(对单个分子的力学性质的假设)分子当作质点，不占体积；

（因为分子的线度<<分子间的平均距离）分子之间除碰撞的瞬间外，无相互作用力。（忽略重力）弹性碰撞（动能不变）服从牛顿力学

分子数目太多，无法解这么多的联立方程。即使能解也无用，因为碰撞太频繁，运动情况瞬息万变，必须用统计的方法来研究。第一章大气概述理想气体的压强与温度

一般气体分子热运动的概念：分子的密度3

1019

个分子/cm3=3千亿个亿；分子之间有一定的间隙，有一定的作用力（弱）；分子热运动的平均速度约v=500m/s；分子的平均碰撞次数约z=1010

次/秒。理想气体的分子既没有体积也没有分子间引力。高压时，V实际>V理想无相变第一章大气概述适用范围理想气体分子无体积：高压时，V实际>V理想。理想气体分子间无作用力：冷却不会凝聚，无三态变化。因此，适用范围是常温下。第一章大气概述一、理想气体的状态方程

对于质量为m、摩尔质量为M、气压为P、体积为V及温度为T的理想气体，其状态方程的表达式为

（3.1）

其中R*=8.31J/mol·K，称为普适气体常数。（3.1）还可表示为（3.2）

n表示气体的摩尔数。

第一章大气概述

（3.3）

（3.4）（3.5）

式中称为比气体常数。气体成分不同，则M不同，因而比气体常数R也不相同；为气体的比容；为气体的密度。

第一章大气概述二、干空气状态方程干空气可以认为是由许多理想气体所组成的混合气体,对每一种气体而言,都满足状态方程.因此,由道尔顿分压定律知：（1）每一种气体所占的体积为V；（2）每一种气体成份都符合状态方程；（3）混合气体的总压强等于各自分压强之合。

因此，对于每一气体成份有

I=1、2···n

（3.6）将n种气体的成份相加得到

或

(3.7)

第一章大气概述干空气的平均摩尔质量为

(3.8)则(3.7)改写为

(3.9)

称为干空气的比气体常数。故干空气的状态方程可写为

第一章大气概述三、湿空气状态方程

水汽压(e)是空气中所含水汽的分压力。大气是混合气体，在常温、常压下可近似看作为理想气体。根据道尔顿气体定律(理想气体情况下，整个混合气体的压力等于各气体分压力之和)，可把大气压力看成由干空气和水汽压力之和，即p=pd+e，其中pd表示干空气气压。e的单位与气压p一样，也用hpa表示。

第一章大气概述

设湿空气团的气压为p,温度为T,体积为V,质量为m,其中干空气的分压力为pd,密度为

d,质量为md,水汽的分压为e,密度为

v,湿空气密度为（3.11）利用干空气状态方程及水汽状态方程

第一章大气概述可将(3.11)式写为

(3.12)

其中，Rv=461J.kg-1.K-1为水汽的比气体常数,并将Rv=1.608Rd代入得

（3.13)第一章大气概述

由于e<<p,将上式展开,并略去高阶小项,得到气象上常用的湿空气状态方程

(3.14)其中,Tv=T(1+0.378e/p)称为虚温,其并非实际的温度.如写成则第一章大气概述例：试比较在同温、同压下，干空气密度、水汽密度及湿空气密度的大小。

解：在干空气、水汽及湿空气同温、同压条件下，其各自的状态方程表示为

(1)

(2)

(3)用（2）/（1），并简单变化得

第一章大气概述即在同温、同压下

同样，（1）/（3）得但，所以，尽管，但程度不大。依据以上分析有第一章大气概述1.5主要气象要素

大气性状及其现象(天气和气候)是用基本要素——气温、气压、湿度、风、云况(云状和云量)、能见度、降水情况(降水类型和降水量)、辐射、日照以及各种天气现象等来描述的，这些因子称为气象要素。气象要素随时间和空间而变化，其观测记录是天气预报、气候分析以及与大气科学有关的科学研究的基础资料。本节仅介绍最常用的温、压、湿、风四个主要气象要素。第一章大气概述1.5.1气温

表示空气冷热程度的物理量称为空气温度(简称气温)。气体温度T(绝对温度)是分子平均动能的量度，也是分子运动快慢的量度。气温越高，空气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。

第一章大气概述温标⑴我国采用的摄氏温标，用℃或C表示，由它表示的温度为摄氏温度，常用符号t表示。摄氏温标以标准气压(1013.25hPa)下纯水的冰点为零点(0℃)，沸点为100度(100℃)，其间分为100等分，每1等分即为1℃。

第一章大气概述⑵国际通用的绝对温标，以K表示，它所表示的温度称为绝对温度，以符号T表示。这是理论研究上常用的温标，该温标的零度(称为绝对零度)规定它等于摄氏-273.16℃。因此，绝对温标与摄氏温标间的转换关系为T=273.16+t≈273+t

第一章大气概述

⑶欧美国家常用的华氏温标，用表示。这种温标将水的沸点定为212，水的冰点定为32，并将这两点之间分成180等分，每1等分表示1℃。华氏温标与摄氏温标之间的关系为F=9/5℃+32(4)观测地面气温指离地1.5m（我国）高处百叶箱里的气温第一章大气概述1.5.2气压气象上的气压是指大气的压强，静止大气中某地的气压是该地单位面积上大气柱的重量。当空气有垂直加速运动时，气压值与单位面积上空气柱的重量之间有一定差异，但一般空气的垂直加速很小，可将其看作静止大气。第一章大气概述第一章大气概述目前常用的气压单位有两种。一种是国际单位帕斯卡(Pascal)，其缩写为帕或Pa。1帕等于1平方米面积上受到1牛顿(N)的压力，即1Pa=1N·m为方便起见，气象上常采用百帕(hPa)来表示气压，1hPa=100Pa。另一种单位是毫米水银柱高度(mmHg)。气象上规定，温度为0℃，纬度为45℃的海平面气压为1个标准大气压，

1(标准)大气压=760mmHg=1013.25hPa过去的气象书籍中，经常用毫巴(mb)作为气压的单位，它与hPa和mmHg的关系是：

1mb=1hPa=3/4mmHg

第一章大气概述1.5.3空气湿度

1、水汽压和饱和水汽压⑴水汽压(e)⑵饱和水汽压(E)

达到相态平衡时空气中所含的水汽称为饱和水汽，其水汽压E称为饱和水汽压。饱和水汽压E表示在一定温度下空气中水汽的最大容量，其值随温度的升高而增大。第一章大气概述①克拉珀龙—克劳修斯(Clapeyron-Clausius)方程

2、E与温度的关系是273K时的饱和水汽压第一章大气概述

称为玛格努斯经验公式。式中

a、b的取值为纯水面a=7.5、b=237.30C，纯冰面，a=9.5、b=265.50C。饱和水气压（E）仅是温度的单直函数。②经验公式第一章大气概述2、绝对湿度(a)

绝对湿度是指单位体积空气中所含的水汽质量(即水汽密度ρv)，单位为g/m3

。利用水汽状态方程，可直接获得绝对湿度的计算公式

第一章大气概述3、混合比(r)和比湿(q)

⑴混合比(r)湿空气块中所含的水汽质量mv与该气块中干空气质量md之比称为混合比，其单位为g/g或g/kg。

(g/g)第一章大气概述

湿空气中所含有的水汽分质量mv与空气总质量m之比,称为比湿，用q表示（4.9）计算式

(g/g)(4.10)第一章大气概述4、相对湿度(f)

湿空气中实际混合比与同温度下饱和混合比的百分比，即

相对湿度的大小能直接表示空气距离饱和的相对程度。空气完全干燥时，相对湿度为零。相对湿度越小，表示当时空气越干燥。当相对湿度接近于100%时，表示空气很潮湿，越接近于饱和。

第一章大气概述5、露点温度(Td或td或τ)

湿空气在水汽含量不变的情况下，等压降温至对水面而言达饱和时的温度，称为露点温度，简称露点，用Td或td(或τ)表示。对冰面而言达饱和时的温度称为霜点。第一章大气概述露点的单位是温度(K或℃)，但是其数值只与湿空气的含水量有关，而与温度无关，因此将它作为一个湿度参量，这是露点的一个重要特点。根据定义，露点td所对应的饱和水汽压E(td)等于湿空气中实际水汽压e，即

E(td)=e第一章大气概述气象工作中，经常用温度露点差(t-td)来判断空气的饱和程度，也即相对湿度的大小(t-td)＞0，表示空气未饱和，(t-td)=0时，空气达饱和，(t-td)＜0时为过饱和。(t-td)的值愈大，说明空气的相对湿度愈小；反之，则相对湿度愈大。第一章大气概述

1.5.4风

它是一个水平矢量，有风向与风速之分。风向是指风的来向，一般用16个方位或度数来表示第一章大气概述第一章大气概述以度数表示时，由北起按顺时针方向量度，如北风为0°，东风为90°，南风为180°，西风为270°。平均风向的计算?第一章大气概述蒲福风力等级表

m·s

km·hr

风力等级名称海面风浪海面浪高（m）海面和渔船征象陆地物征象相当于平地10m高处的风速一般最高0无风平稳--------海面平静如镜静，烟直上0.0～0.2＜1

1软风涟漪0.10.1微波如鳞，波峰无沫；渔船正好使舵烟能表示风向，但风向标不能转动0.3～1.51～5

2清风微波0.20.3波小而短，较明显，波峰呈现玻璃色，末破裂；渔船张帆，每小时可随风移行1～2海里(约2～4公里)人面感觉有风，树叶微响，风向标能转动1.6～3.36～11

3微风微波0.61.0小波加大，波峰开始破裂，沫呈玻璃色偶有白沫波峰；渔船开始簸动，张帆时每小时可顺风移行3～4海里(约6～7公里)树叶及微枝摇动不息，旌旗展开3.4～5.412～19

4和风轻波1.01.5小浪渐长，白沫波峰较多；渔船最适于作业，满帆时船身侧于一方能吹起地面灰尘和纸张，树的小枝摇动5.5～7.920～28

5轻劲风中波2.02.5中浪，浪形较长，白沫波峰成群出现，偶有飞沫；渔船需收一部分帆有叶的小树摇摆，内陆的水面有小波8.0～10.729～38

6强风大浪3.04.0大浪开始形成，白沫波峰到处伸展，常有飞沫；渔船需加倍缩帆，捕渔时需小心从事大树枝摇动，电线呼呼有声，撑伞困难10.8～13.839～49

7疾风巨浪4.05.5海面堆叠，碎浪的白沫开始风吹成条；渔船留于港内，在海者抛锚全树摇动，迎风步行感觉困难13.9～17.150～61

8大风猛浪5.57.5浪长而较高，浪峰边缘多破裂成飞舞浪花，风吹浪沫成明显条纹；一切渔船返港折毁树枝，迎风步行感觉阻力甚大17.2～20.762～74

9烈风猛浪7.010.0浪已高，浪沫沿风密布，浪峰开始有高耸、下塌、翻卷现象，浪花偶或减低视程建筑物有小损(烟囟顶盖及平瓦移动)20.8～24.475～88

10狂风狂浪9.012.5浪很高，具有长而高悬的浪峰，所成大片浪沫沿风密集成白条纹，海浪翻滚，击拍加强，视程减低陆上少见，见时可使树木拔起，建筑物损坏较重24.5～28.489～102

11暴风暴涛11.516.0浪涛特高，足以暂时掩蔽浪后中小船只，全部海面为沿风伸展的长条白浪沫所掩盖，涛峰边缘到处破裂起泡沫，视程大减陆上很少见，有则地物必有广泛损坏28.5～32.6103～11712飓风暴涛14.0--空中充满浪花及飞沫，海面全白如沸，视程严重减弱陆上绝少见，摧毁力极大≥32.7≥118

第一章大气概述m·s

km·hr

风力等级名称海面风浪海面浪高（m）海面和渔船征象陆地物征象相当于平地10m高处的风速一般最高0无风平稳--------海面平静如镜静，烟直上0.0～0.2＜1

1软风涟漪0.10.1微波如鳞，波峰无沫；渔船正好使舵烟能表示风向，但风向标不能转动0.3～1.51～5

2清风微波0.20.3波小而短，较明显，波峰呈现玻璃色，末破裂；渔船张帆，每小时可随风移行1～2海里(约2～4公里)人面感觉有风，树叶微响，风向标能转动1.6～3.36～11

3微风微波0.61.0小波加大，波峰开始破裂，沫呈玻璃色偶有白沫波峰；渔船开始簸动，张帆时每小时可顺风移行3～4海里(约6～7公里)树叶及微枝摇动不息，旌旗展开3.4～5.412～19

第一章大气概述4和风轻波1.01.5小浪渐长，白沫波峰较多；渔船最适于作业，满帆时船身侧于一方能吹起地面灰尘和纸张，树的小枝摇动5.5～7.920～28

5轻劲风中波2.02.5中浪，浪形较长，白沫波峰成群出现，偶有飞沫；渔船需收一部分帆有叶的小树摇摆，内陆的水面有小波8.0～10.729～38

6强风大浪3.04.0大浪开始形成，白沫波峰到处伸展，常有飞沫；渔船需加倍缩帆，捕渔时需小心从事大树枝摇动，电线呼呼有声，撑伞困难10.8～13.839～49

第一章大气概述7疾风巨浪4.05.5海面堆叠，碎浪的白沫开始风吹成条；渔船留于港内，在海者抛锚全树摇动，迎风步行感觉困难13.9～17.150～61

8大风猛浪5.57.5浪长而较高，浪峰边缘多破裂成飞舞浪花，风吹浪沫成明显条纹；一切渔船返港折毁树枝，迎风步行感觉阻力甚大17.2～20.762～74

9烈风猛浪7.010.0浪已高，浪沫沿风密布，浪峰开始有高耸、下塌、翻卷现象，浪花偶或减低视程建筑物有小损(烟囟顶盖及平瓦移动)20.8～24.475～88

第一章大气概述

10狂风狂浪9.012.5浪很高，具有长而高悬的浪峰，所成大片浪沫沿风密集成白条纹，海浪翻滚，击拍加强，视程减低陆上少见，见时可使树木拔起，建筑物损坏较重24.5～28.489～102

11暴风暴涛11.516.0浪涛特高，足以暂时掩蔽浪后中小船只，全部海面为沿风伸展的长条白浪沫所掩盖，涛峰边缘到处破裂起泡沫，视程大减陆上很少见，有则地物必有广泛损坏28.5～32.6103～11712飓风暴涛14.0--空中充满浪花及飞沫，海面全白如沸，视程严重减弱陆上绝少见，摧毁力极大≥32.7≥118

第一章大气概述1.6大气的垂直结构

通常有两种方法：一种是根据大气中出现的某些物理现象，以极光出现的最大高度——1200km作为大气的上界。因为极光是太阳发出的高速带电粒子使稀薄空气分子或原子激发出来的光，它只出现在大气中，星际空间无这种物理现象。另一种是根据大气密度随高度增加而减少的规律，以大气密度接近星际气体密度的高度定为大气上界。按卫星观测资料推算，该高度约为2000～3000km。

第一章大气概述一、大气分层的依据1、按照大气的温度结构分：对流层、平流层、中间层、暖层及散逸层；2、按照大气的成分结构分：均质层和非均质层；3、按照大气的压力结构分：气压层和外大气层；4、按照大气的电离结构分：电离层和磁层。第一章大气概述按温度的垂直分布，通常将大气分成对流层、平流层、中层、热层和外逸层等五层。

第一章大气概述地球大气按照温度分层：中层平流层对流层8－10－18km50km500km热层外逸层85km极地中纬度赤道第一章大气概述第一章大气概述1、对流层

对流层是地球大气的最低层，其下边界为地面或海面。对流层高度随纬度、季节等因素而变，在低纬地区平均为17～18km，中纬地区平均为10～12km，极地平均为8～9km。就季节变化而言，夏季对流层高度大于冬季。第一章大气概述四个主要特点

(1)气温随高度增加而降低，其降低的数值随地区、时间和所在高度等因素而变。平均而言，每上升100m约降低0.65℃，这个气温降低速率称为(环境)气温递减率，通常以γ表示，即平均值γ=0.65℃/(100m)。有时在某地区会出现气温不随高度而变，甚至随高度增大而升高(称为逆温)的情况。对流层顶的温度在低纬地区平均约190K，高纬地区约为220K。第一章大气概述二、气温铅直递减率（

）

>0

减温层=0

等温层<0逆温层TZ第一章大气概述(2)大气密度和水汽随高度迅速递减，对流层几乎集中了整个大气质量的3/4和水汽的90%。(3)有强烈的垂直运动。包括有规则的垂直对流运动和无规则的湍流运动，它们使空气中的动量、水汽、热量以及气溶胶等得以混合与交换。

第一章大气概述(4)气象要素的水平分布不均匀。由于对流层空气受地表的影响最大，因此，海陆分布、地形起伏等差异使对流层中的温度、湿度等气象要素的分布不均匀。

对流层在国外还常称它的“天气层”。

第一章大气概述2、平流层

自对流层顶向上至55km左右这一范围称为平流层最初20km以下，气温基本均匀(即随高度基本不变)，从20km到55km，温度很快上升，至平流层顶可达270～290K。这主要是由于臭氧吸收太阳辐射所致。臭氧层位于10～50km，在15～30km臭氧浓度最高，30km以上臭氧浓度虽然逐渐减少，但这里的紫外辐射很强烈，故温度随高度能迅速增高。

第一章大气概述(2)层内气流平稳、对流微弱，而且水汽极少，因此大多数为晴朗的天空，能见度很好。有时对流层中发展旺盛的的积雨云顶部(卷云)也可伸展到平流层下部，在高纬地区有时日出前、日落后，会出现贝母云(也称珍珠云)。水汽和尘埃较少,大气透明度较好.第一章大气概述3、中层

自平流层顶部向上，气温又再次随高度增加而迅速下降，至离地80～85km处达最低值(约为160～190K)，这一范围的气层称为中层，或中间层。在中层，有相当强烈的垂直对流和湍流混合，故又称为高空对流层，然而，由于水汽极少，只是在高纬地区的黄昏时刻，在该层顶部附近，有时会看到银白色的夜光云。第一章大气概述4、热层中层顶(85km)以上是热层，这一层没有明显的上界，而且与太阳活动情况有关，有人观测到其高度约在250～500km。在这一层，由于氧原子和氮原子吸收大量的太阳短波辐射，而使气温再次升高，可达1000～2000K。在100km以上，大气热量的传输主要靠热传导，而非对流和湍流运动。第一章大气概述由于热层内空气稀薄，分子稀少，传导率小，因此该层的气温能很快上升到几百度。然而，由于大气稀薄，分子间的碰撞机会极少，温度只有动力学意义(温度是分子、原子等运动速度的量度)。如果宇航员能从宇航仓内伸出手来，他也不会感觉到“热”，因为热量还与分子的多少有关。热层的温度有很显著的日变化，下午的温度可比早晨温度高300K，甚至更多。

第一章大气概述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。第一章大气概述第一章大气概述第一章大气概述第一章大气概述第一章大气概述第一章大气概述5、外逸层

热层顶以上是外逸层，它是大气的最高层。在这层中气温很高，但随高度的增加很少变化。由于气温高，粒子运动速度很大，而且这里的地心引力很小，因此，一些高速运动的空气质粒可能散逸到星际空间，这就是“外逸层”名称的由来。根据卫星观测，可以推算出不同高度上的空气密度，从而估计外逸层的高度。观测表明，外逸层的高度可以从2000～3000km向外伸展到很远，并逐渐与行星空间融合。第一章大气概述第一章大气概述1.6.2大气组成随高度的变化

根据大气组成，可将大气分为均匀层和非均匀层两个层次。从地面到80～100km(平均为90km)，大气的气体成分，随高度基本不变，称为均匀层；90km以上的稀薄空气成分则不均匀，称其为不均匀层。大气成分随高度的变化是由分子扩散和湍流混合两种物理过程作用共同决定的。

在这非均匀层，又可以按其组成的主要成分，将其分为四层：最低一层以最重要的氮气分子(N２)为主要成分，其上一层以原子氧(O)为最多，第三层以氦原子(He)居多，最高一层由最轻的氢原子(H)组成。

第一章大气概述1.6.3电离层

高空大气中的气体分子和原子在太阳短波辐射(紫外辐射和X射线)和微粒辐射(质子、电子等)作用下会电离而形成离子和自由电子。这种电离现象发生在地面以上50～1000km之间，电离的正离子和负电子密度在80～400km范围达最大，称为电离层。第一章大气概述电离层的电性结构不均一，它由三个密度不同的层次构成，自下而上依次称为D、E、F层。由于电离需要太阳直接辐射，因此，白天和夜间的离子密度有所不同，尤其在D和E层，它们夜间消失，白天又形成。最高的上层在白天和黑夜都存在，因为F层大气稀薄，电子、离子不会象低层密度较大的空气那样容易碰撞、中和，所以这一层的电子、离子密度变化幅度小。夜间虽变弱，但仍然存在。第一章大气概述电离层对电磁波的传播有重要影响，这是因为电离层对电磁波会发生吸收、反射和折射作用。无线电波可以借助于地面和电离层之间的多次反射而实现其远距离传输，有时夜间能收到的电台，第二天白天却消失了，这是由于白天被上层反射的电波有一部分被D层吸收掉了，而夜间D层不存在。电离层的结构与太阳活动有着密切的关系，当太阳发生各种爆发现象时，会增加射向地球的太阳辐射和粒子流，使电离层状态发生剧烈变化。例如，当太阳出现耀斑时，会使D层的电离度突然增加，导致中、短波无线电信号突然衰减，甚至使通讯中断。第一章大气概述地球大气按照电磁性质分层：磁层电离层中性层60km500km1000km第一章大气概述按地磁场对带电粒子运动作用明显与否分1、非磁层（500km以下）由于空气较稠密，带电粒子的运动主要受粒子间的碰撞支配2、磁层（500km以上）本层内存在大量带电粒子，空气又稀薄，粒子间碰撞稀少，所以，带电粒子的运动主要受地磁场控制第一章大气概述1.6.4气压的高度分布

气压总是随高度增加而减小

高度(km)海平面1.53.05.59121620.52431气压(hPa)1000850700500300200100503010气压随高度变化的定量关系可以用静力方程和压高公式来描述。第一章大气概述1、静力方程

静力平衡

观测表明，除了少数情况（如雷暴、龙卷风等强对流天气）外，气块的铅直加速度通常不超过0.001ms-2，比g约小一万倍，一般可以忽略这个加速度，而近似认为气块在铅直方向的受力处于平衡状态，称此时大气处于静力平衡状态。第一章大气概述第一章大气概述

假设大气处于静力平衡状态(即静止状态)，设高度z处的气压为p(方向指向上)，z+dz处的气压为p+dp(方向为向下)，则薄气柱所受的净压力为

p-(p+dp)=-dp

作用于薄气柱的另一个力是重力W，方向向下，其值为

W=gdm=ρgdz

第一章大气概述

在静力平衡条件下，薄气柱受的净压力应与重力相等

大气静力方程具有很高的精度(有强对流运动的区域除外)，在大气科学中得到广泛的应用

第一章大气概述物理意义：

反应了在静力平衡条件下，气压与高度的分布关系，即气压随高度的增高而降低，随高度的降低而增大。

第一章大气概述

（1）dp与dz总是反号的，当dz>0时，dp<0，表示气压随高度增加而减少；相反，当dz<0时，dp>0，表示气压随高度减小而增大。

(2）气压随高度升高而减小的快慢程度，主要取决于ρ和g，若g视为常量，则主要取决于ρ：ρ大，p递减快；ρ小，递减慢。由此推导：

A、高空ρ<低空ρ，高空递减较低空慢些；

B、当p相同的情况下，暖区ρ<冷区ρ，暖区

p递减较慢。

第一章大气概述（3）在静力平衡情况下，任意高度z处的气压，等于该高度单位位截面上所承受的铅直气柱的重量，这就是气压的静力学意义。即

A、若海平面（z=0）处气压为p，则由上式得到：

B、任意单位截面上下界的气压差（p-p）等于该气层的重量

第一章大气概述“气压阶”它定义为铅直气柱中每改变单位气压(常指1hPa)所对应的高度变化，即

hp=-dz/dp=-1/ρg

hp=8000/p(1+αt)

式中α=1/273，t为气层的平均温度(℃)，p的单位为hPa。第一章大气概述不同气温和气压下的气压阶值(m/hPa)

气温(℃)气压（hpa）-40-200204010006.77.48.08.69.350013.414.716.017.318.610067.273.680.086.492.8第一章大气概述

静力学基本方程的表达式为

对于深厚气层微分形式的静力学方程不能直接应用，可以通过积分得到其积分表达式，这就是常用的压高公式。

具体推导如下：

将大气状态方程代入静力学基本方程得：2压高公式第一章大气概述

（2.1）将（2.1）式两边从P1～P2；Z1～Z2积分得：

(2.2)若略去水汽的影响，则（2.2）可写为

(2.3)(2.3)就是压高公式的一般表达式。

为了便于实际应用，通常对大气作某些特定假设，使积分能够顺利进行。对应于不同的大气模型，便可以得到不同的压高公式。

第一章大气概述(1)均质大气压高公式

均质大气是指空气密度不随高度变化的大气，并不考虑水汽的影响和重力g随高度的变化。

p=p0-ρgz第一章大气概述均质大气中气压随高度呈线性递减，而且递减的速度很快。当z=p0/ρg时，p=0，这个高度就是均质大气的上界，也称为标高，通常以H表示，其表达式为

H=p0/ρg均质大气的密度随高度不变，可将ρ取为地面大气密度ρ0，再利用干空气状态方程，上式可写为

H=RdT0/g上式表明，均质大气高度H是地面气温T0的函数。当T0=273K时，有H=RdT0/g≈8km。均质大气的密度随高度不变，但其温度是随高度递减的第一章大气概述均质大气层中气温直减率将干空气状态方程两边取自然对数得在上式两边对Z求偏导数

γ=-3.41℃/100m第一章大气概述物理含义：将大气状态方程两边取自然对数，再求偏导讨论：（1）增质层，表示密度随高度增加而增大。空气将产生翻腾现象，被称为自动对流梯度；

（2）均质层，表示密度随高度分布均匀。（3）减质层，表示密度随高度增加而减小。

第一章大气概述

均质大气的重要特征：

（1）P随Z呈线性递减；（2）T随Z呈线性递减，直减率

r=3.42/100m,是空气产生自动对流的一个临界值，r可作为判据；（3）随Z不变。（4）气层上限高度H仅是地面T的函数。

第一章大气概述（2）等温大气压高公式：

1、概念：气温不随高度变化（γ=0,即T=常数)的大气称为等温大气

2、等温大气压高公式：

利用（2.3）式由于

第一章大气概述代入（2.3）得：（2.10)若取Z1为海平面高度，即，则海平面气压Z2=Z,P2=P。

(2.11)

(2.11)就是等温大气压高公式。表示气压随高度按指数规律递减。从（2.11）知，时，表示等温大气无明确上界。

第一章大气概述等温大气中，气压随高度呈指数递减。实际应用中，可将大气分成若干层次，把各层看作等温大气。即以各层的平均温度作为公式中的温度t，计算出各层的高度差，累加后即可得整个气层的厚度。若考虑水汽影响，则上式中的温度(T或t)，用虚温(Tv)替代。第一章大气概述等温大气的主要特征归纳如下：

P随高度按照指数规律递减，递减快慢与气层温度有关。气层温度随高度不变，即气层中ρ(z)≠const，呈指数规律递减。气层上限高度不确定，且趋于无大。

第一章大气概述(3)多元大气压高公式

多元大气就是气温等递减大气。在这种模式大气中，气温是高度的线性函数。

T=T0-γz第一章大气概述

多元大气压高度公式

第一章大气概述

（2.13）(2.13)多元大气的压高公式。将上式稍加整理得

(2.14)多元大气上界高度

由（2.14）知，当时，大气上界为

第一章大气概述多元大气与等温大气、均质大气的关系

（1）多元大气层与均质大气多元大气压高公式（2.14）

第一章大气概述多元大气层压高公式分布特征归纳为：

（1）P随Z呈指数规律递减，递减快慢与γ大小有关，γ越大，递减快；反之，则慢。（2）T呈线性分布；（3）ρ随z呈指数规律递减；（4）多元大气上限的高度是确定的有限值。（5）多元压高公式是普遍式，γ=0，γ=γ，为其特例。

第一章大气概述第一章大气概述(4)标准大气中气压随高度的变化

实际大气一般不能用以上三种模式即均质、等温和多元大气中的一种来描述。通常，对流层大气近似为多元大气，平流层底部近似为等温大气，而其上部为温度递增率较小的多元大气。因此，有必要根据探测数据和理论计算，来制定一种与实际大气垂直分布的平均状况比较接近的描述，称为标准大气。

第一章大气概述定义（WMO的定义）

所谓标准大气，就是能够粗略地反映出周年、中纬度状况的，得到国际上承认的，假定的大气温度、压力和密度的垂直分布。它的典型用途是作为压力高度计校准、飞机