1.3大气物理性状解析

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。第三节大气物理性质

一、大气质量二、气象要素三、气体状态方程第三节大气的物理性质一、大气的质量

假定大气是均质的，以气温0℃时、45°N（或45°S）处、海平面上的大气密度ρ0为标准（ρ0=1.293kg.m-3），则此时大气厚度（Z0）经理论计算约为8,000m。于是单位截面积的大气柱中空气的质量为：m0=ρ0·Zo=1.293×8000=10344kg.m-2假定条件下的大气质量：据此推算，地球表面大气的总质量大约有5×1015t。

地球大气圈气体的总质量约为5.136×10^21克，相当于地球总质量的百万分之0.86。大气压强p是恒量，约1.0×105Pa。大气压强可认为是大气的重量产生的，1m2地面所受的大气压力大小即为其上气柱的重力，约1.0×105N，由G=mg可得其质量m=G/g=1.0×104kg。地球的表面积S=4πR2，大气层的总质量M=mS=4πR2m=4×3.14×(6.4×106)2×1.0×104kg≈5×10^18kg。ρz为Z高度处的大气密度；ρ0为标准状态下的大气密度；Z0为均质大气的高度，Z为对应于要计算ρz的高度。

大气密度的计算公式：（2-1）

第三节大气物理性质

一、大气质量

二、气象要素三、气体状态方程主要气象要素：气象要素是指表示大气属性和大气现象的物理量。按观测手段的不同，分两大类：目测：主要靠目力和分析判断，定性或半定量地测定。如：云、能见度、天气现象（雨、雪、冰雹、雾等）器测：利用仪表定量地测定。如：温度、湿度、气压气象要素，特别是其中的若干器测项目，是气候学研究的基础。二、气象要素定义：表示大气状态和特征的物理量和物理现象。内容：

日射、温度、湿度、气压、风、云、降水、蒸发、能见度和天气现象等。天气现象：在大气中或地面上产生的降水、水汽凝结物（云除外）、冻结物、干质悬浮物和光、电的现象，也包括一些风的特征。

大风、飑

常见天气现象：

雨、阵雨、毛毛雨雪、阵雪、雨夹雪、阵性雨夹雪、霰、米雪、冰粒、冰雹、冰针雾、轻雾、露、霜、雨淞、雾淞吹雪、雪暴、龙卷、积雪、结冰

沙尘暴、扬沙、浮尘、烟幕、霾、尘卷风

雷暴、闪电、极光二、气象要素：（一）气压1、定义：单位面积上受到的整个空气柱的质量，即空气的压力。实质：气压的大小决定于整个空气柱的质量多少。大气压强存在事例：实验一：马德堡半球实验实验二：“瓶吞蛋”实验。实验三：“覆杯实验”三个试验说明：大气存在压强－－－“瓶吞蛋”表明大气竖直向下有压强，“覆杯实验”表明大气向上有压强。－－大气向各个方向都有压强。2、大气压强的大小：托里拆利实验：

托里拆利实验：2、大气压强的大小：由于P气=P水=ρ水gh水，而ρ水太小，需h水很大，玻璃管的长度有限，改用增大ρ液，减小h液的方法，取ρ液很大的液体——水银来测大气压的大小。伽利略的学生托里拆利1644年

1662年,往A处灌汞，B处有何变化？AB3、影响气压因素（1）湿度与大气压强

湿度越大大气压强越大吗？湿衣服干衣服湿空气干空气大气压随空气湿度的增大而减小．------------------------------------------------------------------1mol干空气，1mol湿空气（2）温度与压强：温度越高大气压强越大吗？

当我们给盛有空气的密闭容器加热的时候，则其压强当然也会增大．而对大气来说情况就不同了．（3）为什么海拔越高。气压越低呢？影响气压的因素：海拔、空气湿度、温度、大气的运动状态等因素。

ABC1000hPa650hPa500hPa0km4km5km5.5km温度相同ABC1000hPa650hPa500hPa0km4km5km5.5kmA：变冷；B:温度不变；C:变暖4、气压的单位：（1）毫米(mm)：是用水银柱高度来表示气压高低的单位。例如，气压为760mm，表示当时的大气压强与760mm高的水银柱所产生的压强相等。4、气压单位：

（1）毫米(mm)（2）毫巴(mb)：用单位面积上所受水银柱压力大小来表示气压高低的单位。（物理学中的单位）（3）hpa

（2）毫巴(mb)：

物理学上，压强的单位是用“巴”表示的：每一平方厘米面积上受到一达因的力，称为一巴。在气象上，嫌这个单位太小，取1,000,000达因/平方厘米为1巴，以巴的千分之一作为气压的单位，称为1毫巴。即：

1巴=1000毫巴（mb）

1毫巴=1000达因/厘米2

因此，1毫巴表示在1平方厘米面积上受到1000达因的力。例如，气压为1000mb，表示当时大气柱在每平方厘米面积上的力有1,000,000达因(1百万)。

毫米与毫巴可以相互换算：根据压强与水银柱高度的关系式：

P(压强)=h(水银柱高度)×d(水银在0℃时的密度)气压为水银柱高度1毫米=0.1厘米×13.596克重/厘米3=1.3596克重/厘米2

在纬度45°的海平面上,1克重=980.6达因故:1毫米=1.3596×980.6=1333.22达因/厘米2=1.33322毫巴=4/3毫巴

根据这个关系,气压为760毫米时相当于1013.25毫巴，这个气压值称为一个标准大气压。760×1.33322＝1013.25毫巴或hpa4、气压单位：（3）hpa

百帕即为100个“帕”（国际代号Pa），与以前用的“毫巴”完全等值。帕的全称为“帕斯卡”。帕斯卡（Blaise

Pascal,1623-1662）是17世纪法国著名的数学家、物理学家，流体力学的创始人，同时还是哲学家、散文家。他提出的密闭流体能传递压强的定律被命名为“帕斯卡定律”。为了纪念这位对物理学、流体力学有突出贡献的科学家，1973年国际标准组织决定，用帕斯卡的名字来命名国际标准气压的单位。

5、标准大气压：大气是均质的，以气温0℃时、45°N（或45°S）处、所测得的水银柱高度为760MM的大气压强，为一个标准大气压，即1013.25mb或hpa二、气象要素（一）气压1、气压定义2、压强的大小3、影响气压因素4、气压单位5、标准大气压第三节大气物理性质

一、大气质量二、气象要素三、气体状态方程气压气温风湿度能见度云二、气象要素-----(二)气温定义：大气的冷热程度的物理量大气温度以百叶箱中的干湿温度计的读数为标准。大气中的温度一般以百叶箱中干球温度为代表，距地面1.5m高处气温的单位：摄氏温标我国规定:以气压为1013.25时纯水的冰点为00C，沸点温度为1000C，其间等分100等份，每一份为10C。气温的单位（1）摄氏度温标（oC）（2）绝对温标（K）：开尔文、开一度的间隔与摄氏度相同，但其零度称为“绝对零度”（任何物质系统达此温度时，能量变为最小），为-273.15oCT=t+273.15≈t+273理论计算中常用（3）华氏温标（oF）目前某些说英语的国家有人使用一个大气压下，水的冰点32oF，沸点212oF，其间分成180等分tF

=9/5t+32t=5/9（tF

-32）

世界温度极值：1936年在索马里测得63.0oC1967年挪威在南极极点附近记录到-94.5oC

相差近160oC我国极值：1965年7月新疆吐鲁番民航机场48.9oC1969年2月13日黑龙江漠河–52.3oC

相差超过100oC二、气象要素--（三）空气湿度

空气湿度：空气中水汽含量的多少或潮湿程度。湿度参量：表征空气中水汽含量的多少和潮湿程度的物理量。湿度参量水汽压、饱和水汽压相对湿度露点温度饱和差比湿混合比绝对湿度湿度：表示大气中水汽量多少的物理量。大气湿度状况与云、雾、降水等关系密切

水汽压（e）和饱和水汽压(E)大气压力是大气中各种气体压力的总和。

水汽和其他气体一样，也有压力。大气中的水汽所产生的那部分压力称水汽压。（e）空气湿度参量

1、水汽压（e）反映空气中水汽含量的多少水汽含量

水汽压e

定义：空气中水汽的分压强。单位：百帕(hPa)1百帕(hPa)=100帕斯卡(Pa)饱和空气：饱和水汽压（E）：实验和理论都可以证明，饱和水汽压随温度的升高而增大。在不同的温度条件下，单位体积空气中的水汽量是不同的，所以饱和水汽压的数值是不同的。在温度一定情况下，单位体积空气中的水汽量有一定限度。如果水汽含量达到此限度，空气就成饱和状态，这时的空气称饱和空气。饱和空气的水汽压称为饱和水汽压（E），也叫最大水气压，因为超过这个限度，水气就要凝结。空气中的水汽含量是有限的，当水汽含量达到极限时，此时的空气为饱和空气。饱和空气中水汽所产生的压力即为饱和水汽压。水汽压为E注意：每一个温度对应一个饱和水汽压的值。水汽含量没有达到极限的空气称为未饱和湿空气，其水汽压为e

2、

饱和水汽压（E）反映空气的最大水汽容纳能力.饱和水汽压取决于温度（马格奴斯半经验公式）定义：饱和湿空气中水汽的分压强。影响因子：EET

温度

T

E

根据影响因子讨论水汽凝结高空有过冷却水和冰共存高空水汽凝结人工降水原理

3、相对湿度（f）定义：空气的实际水汽压与同温度下的饱和水汽压的百分比值。反映空气的潮湿程度，表示空气距饱和的程度温度不变，E不变：水汽含量

e

f

水汽含量不变，e不变：温度

E

f

问题：一天中什么时候相对湿度最大？

4、比湿（q）、混合比（S）、绝对湿度（a）比湿：湿空气中水汽的质量与湿空气总质量的比值。

=0.622e/P

根据状态方程推到=0.622e/P对于某一空气团而言，在它发生膨胀或压缩的时候，其中水汽质量和总质量并不会发生变化。也就是说，某团空气的体积发生变化时，它的比湿是不变的，这就是比湿的保守性。由于比湿有这样的特性，因此在讨论空气绝热升降过程中，通常用比湿来表示该空气团的湿度。

4、比湿（q）、混合比（S）、绝对湿度（a）比湿：湿空气中水汽的质量与湿空气总质量的比值。

=0.622e/P

混合比：湿空气中水汽的质量与湿空气中干空气质量的比值。m水汽m干空气S＝————比湿和混合比具有保守性绝对湿度（水汽密度）：单位体积湿空气中水汽的质量。a＝———m水汽V

5、饱和差（d

）定义：同一温度下饱和水汽压与实际水汽压之差。d=E-e

反映空气的潮湿程度。影响因子：温度不变，E不变：水汽含量

e

d

水汽含量不变，e不变：温度

E

d

水汽含量、温度

6、露点温度（Td

）定义：

对于含有水汽的湿空气，在不改变气压和水汽含量的情况下，降低温度而使空气达到饱和状态时的温度。EeTTTdeE（T,e）反映空气中水汽含量的多少，水汽含量

露点温度Td

夏天的露水，冬天的霜，说明什么？水汽含量多，露点温度就高，水汽含量少，露点温度就低。所以根据露点温度的高低就可以判断出空气中的水分多少。说明夏天的水汽含量多。6、露点：空气中的水汽含量不变，在一定压力下，若要使空气达到饱和，只有降温。降到实际水汽压e与饱和水汽压E相等，此时的温度称为露点。例如：T＝30°，e=31.7mb,E=42.5mb要把温度降到：T=25,e=31.7mb,E=31.7mb湿度总结：表示空气中水汽含量的湿度有：水汽压、绝对湿度、相对湿度、饱和水汽压、比湿、露点。表示空气距离饱和的程度的湿度有：相对湿度f、饱和差d和露点Td二、气象要素----（四）风：

1、定义：空气的水平运动。

2、风速：单位时间内走过的距离（m/s）

3、风向：风的来向。

4、表示方法：地面：16方位表示高空：360°表示风向符号的意义：风杆上的林横道叫做风尾。风杆上画有风尾的一方，即指示风向。第一道风尾为4米/秒，即风力为2级。一个风旗，表示风力为8级。风尾和风旗均放在风杆的左侧。北风八级

东南风级12级

西南风5级

★二、气象要素---（五）云——指高悬于空中、由水汽凝结（凝华）而成的小水滴或小冰晶构成的可见集合体。云是气块上升过程绝热冷却降温，使水汽达到饱和或过饱和发生凝结而成。◆云的成因：对流运动——主要形成积状云；系统性上升运动——主要形成层状云；波状运动——主要形成波状云；地形作用——比较复杂，可以形成各种云。◆云的分类：按国际分类法，根据云的形成高度，结合云的形态特征、结构、成因，将云分为3族10属29种。★卫星云图云量：云遮蔽天空视野的成数，将地平以上全部天空划分为10份，被云所遮蔽的份数。无云：云量为0份遮空蔽日：云量为10份半空云：云量为5份二、气象要素----（六）能见度：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。（m,km）第三节大气物理性质

一、大气质量二、气象要素三、气体状态方程气压气温风湿度能见度云三、气体状态方程：瓶子能装半瓶水，为什么不能装半瓶空气？空气—分子间距大，引力小，运动自由即：空气比水更有流动性、膨胀性和可压缩性。三、气体状态方程：

从物理学的角度，通常用质量、体积、温度和压强来表征大气的物理状态，这四个参量之间是相互联系，相互影响、相互制约的。对于一定质量的空气，其体积、温度和压强之间存在一定的函数关系，例如，一个小空气块做上升运动时，随着高度的增大，其所受到的环境大气的压力减小，气块的体积发生膨胀，压强减小，同时由于体积膨胀做功，消耗内能，气块的温度降低。三、气体状态方程：分析这四个参量之间的关系，就可以得到空气状态变化的基本规律，概括这四个参量的变化规律，就可得到大气的主要物理性质。描述气体质量、体积、温度和压强之间关系的数学表达式称为气体的状态方程。两个简单的实验----两个基本的定律：1、波意耳实验：在温度一定下：V与P成反比P=K1/VK1为常数AB2、查理氏实验在气压一定时，体积的变化决定于温度：V=K2T在标准状态下：1mol的气体，体积等于22.4L三、空气状态方程反映空气状态的方程，进一步而言，是反映空气在发生变化时各要素之间相互关系的方程。空气状态常用ρ、V、P、T来表示，

ρ=M/V，对于一定质量的空气而言（M一定），它的V、P、T有密切关系，概括这些量的关系，就可以得到空气状态变化的基本规律—状态方程。基本公式，推导1、理想气体的状态方程大量实验证明，常温常压下，一定质量气体的P乘以V，再除以T，其商不变：P1V1/T1=P2V2/T2=···=PnVn/Tn，即PV/T=常量凡严格符合这个方程的气体，称理想气体。实际上并不存在。在常温常压下，干（洁）空气和未饱和的湿空气都十分接近理想气体，可把它们当作理想气体处理。下面求出“常量”：讨论一摩尔的气体(含有6.02×1023个该气体分子）（1mol的任何气体在标准状态下体积是一样的）。标准状态下：Po=1013.25hpa，To=273K，Vo=22.4升/摩尔=22.4L/molPVTPoVoTo==R＊R＊1.01325×105Pa×2.24×10-4m3/mol

273K==8.31441Pam3/mol·K≈8.31J/mol·K这个值对1mol任何气体都适用，叫普适气体常数。对于质量为M克的理想气体设1mol气体的质量为µ（分子量）、体积为V1，标准状态下，M克气体的体积为：V=M/µ·V1=M/µ·R*T/P或PV=M/µ·R*T这是通用的质量为M克的理想气体的状态方程，又叫门捷列夫—克拉珀珑方程。它表明气体在任何状态下P、V、T、M四个量之间的关系。在气象学中，常用单位体积的空气块作为研究对象PV=Mμ·R*TP=MVR*μTR=R*μρ=MVP=ρRTR—比气体常数可见：T一定时，P与ρ成正比；ρ一定时，P与T成正比。分子运动论：气压大小决定于器壁单位面积上单位时间内受到的碰撞次数及每次碰撞的平均动能大小。

ρ大，分子数量多，碰撞次数多，P大；

T高，分子平均动能大，P大。这种形式在气象上应用最广。2、干空气状态方程P=ρdRdTRd=R*/μ=8.31/28.97=0.287J/g·K3、湿空气状态方程含有水汽的空气称为湿空气。P=ρ’R’T，P—湿空气的总压强，ρ’—湿空气密度R’=R*/μ’，μ’—湿空气的分子量，因湿空气中水汽含量是变化的，所以μ’是变量，R’也是变