《大气概貌》PPT课件.ppt

Ch1 大气概貌,1.1 地球的起源及大气的演化 1.2 现代大气的组成 1.3 物理量的垂直分布 1.4 主要气象要素 1.5 空气状态方程,The Origin of the Earth and its Atmosphere,Earth was formed about 4.5 Billion years ago Formed through condensation and accretion of gases and other material in the cosmos Early Earth was hot - about 100 oC for the first 0.5 BY， and possibly no atmosphere in a short time after it was formed Present mass of modern atmosphere generated within the first quarter (first 1.25 BY) of Earths evolution.,Crab Nebula. Palomar Observatory, /photo/,The Three Atmospheres of Earth,First atmosphere: Composed of gases from the generating nebula principally H2, He Second atmosphere: First atmosphere minus gases boiled away to space plus gases emitted from volcanoes plus gases arriving from comets etc. Modern atmosphere: Resulting from the effects of life and the addition of oxygen,Setting the Composition of the 2nd Atmosphere - Volcanoes,Gases were expelled from the interior (same as today),CO2 (10%) CO SO2 H2S (a few percent) Cl2 N2 (a few percent) H2O (85%) H2 NH3 CH4,No oxygen!,1.1 地球大气的演化,地球形成初期的原始大气是以宇宙中最丰富的轻物质H2，He为主。,火山喷发形成次生大气，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。,1、原始大气,后来原始大气逐渐逃逸。估计在45亿年前或晚些时候，地球上无大气。,2、次生大气,生命的光合作用使大气圈中出现了氧气。,3、氧化大气,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。,1.2 现代大气组成,地球大气是由多种气体以及漂浮于其中的固态、液态等颗粒物质(大气气溶胶)组成的。,这里主要关注100km以下的均匀混合层，特别是对流层内空气的成分,一、低层大气组成,1、按平均停留时间来分，即该种成分的所有 分子更新一次所需要的时间，亦即“平均寿 命”，分为：,准定常成分：平均寿命大于1000年。主要包括N2、O2、惰性气体,可变成分：平均寿命为几年到十几年。例如， CO2、O3、CH4等,短寿命成分：平均寿命短于1年。例如，碳、硫、氮的化合物,2、按浓度（单位为体积混合比）来分，分为：,主要气体：浓度300ppmv，包括N2、O2、Ar、CO2,微量气体：1ppmv20ppmv，如CH4等,痕量气体： 1ppmv，重要的有O3、 H2、 氮氧化物、 硫化物等,大气的组成饼图,1）干洁大气：不含水汽和悬浮颗粒物的 大气称为干洁大气,二、有关概念及其它特征,2）相变特征：在地球大气温、压条件下，水汽是唯一能发生相变的气体成分 记,1.3 气压、密度、温度的垂直分布,其中，H为标高，大约为7-8km，密度随高度分布也服从随指数减小规律。,Vertical profiles of pressure, density and mean free path,温度的垂直结构,按温度随高度的变化 分为对流层、平流层、中层、热层、外层,1、对流层（12km以下）,在赤道地区对流层顶的高度约18千米，中纬度地区约12千米，极地地区约8千米。夏季的对流层厚度大于冬季。 以南京为例，夏季的对流层厚度达17公里，而冬季只有11公里，冬夏厚度之差达6公里之多。 特点：,1)温度随高度的增加而降低，气温递减率平均为 =6.5/km,定义气温递减率：每升高单位高 度气温降低的度数。,2) 对流层中的垂直运动显著。,3) 集中了80%的大气质量和几乎全部水汽,4) 云雾降水均发生在此层,5) 受地表影响最强烈，空气属性的 水平分布很不均匀,2、平流层（12km50km),1)25km以下温度递减率接近零，25km以上温度随高度明显增加,2)平流层气流运动主要以水平运动为主.,3)水汽极少，颗粒物极少，能见度极好。,4）大气污染物进入平流层后能长期存在,3、中层（85 km),1）层内温度随高度增加而下降,2）空气的垂直对流运动强,故又称之为高空对流层或上对流层。,4、热层（500km),1)温度随高度增加而上升,2)高度电离。,5、外层（大气上界）,2）大气成分可以散逸到星际空间。,1）随高度升高气温增加不显著,1.4 主要气象要素,气象要素：表征大气状态和现象的物理量。例如，气温、空气湿度、气压、风,一、气温,1、定义：表示空气冷热程度的物理量,2、温标,关系：,3、观测,地面气温指离地1.5m（我国）高处百叶箱里的气温,二、气压,1、定义：大气压力,2、单位：国际单位 帕（Pa) 气象上常用 百帕（hPa） 标准大气压 =1013.25 hPa,3、测量：,三、空气湿度,1、定义：表示空气中水汽含量多少或潮湿程度的物理量。,2. 相对于纯水(冰)平面的饱和水汽压 ( ): 由水汽和平面纯水（或纯冰）组成的系统，在某温度下达到两相平衡时，水汽所具有的分压强称为相对于纯水(冰)平面的饱和水汽压 。,仅是温度的函数，随温度升高而增大 在同一温度下，es(T)esi(T)（见下页表格及图）,饱和水汽压计算公式（后面）,3. 湿空气的饱和水汽压 : 严格地说, 不等于纯水汽的饱和水汽压.但由于二者的差别不大, 所以在研究大气时,常忽略二者的差异,用纯水汽的饱和水汽压代替湿空气的饱和水汽压 .（见22页第二自然段）,对平液面，49.9100范围内,对平冰面，100 0.0范围内,以上两式中T是热力学温度（K），T00=273.16K是水的三相点温度。,(2.2.10) 式中t是摄氏温度，a和b是常数，,Tetens经验公式,1）水汽混合比r,单位：kg/kg 或 g/kg,4、湿度参量,有很多个,相对于纯水(冰)平面的饱和混合比rs(rsi ):,3) 绝对湿度（水汽密度),单位：kg/m3或 g/m3,V为湿空气体积,2)比湿 q,q于r的关系：,单位：kg/kg 或 g/kg,qs(qsi ):,4）水汽压e：湿空气中水汽的分压强。单位 为hPa,湿空气在水汽含量不变的情况下，等压降温至相对于纯水平面达饱和时的温度，称为露点；等压降温至相对于纯冰平面达饱和时的温度称为霜点。,6）露点 Td、霜点 Tf (见下页图),5）相对湿度 UW (Ui),4. 湿度参量小节(见下页) 注意:涉及到水汽饱和时若不加以特别说明,通常指相对于纯水平面饱和,a.,b.,5.湿度参量间的关系,c.,d.,e.,实际大气中可认为,思考题 1、用绝对温标表示的人体平均温度大约为（ ）。 A、-236K； B、0K； C、100K； D、310K； E、372K 2、某气块等压降温时，下列湿度参量中随之增大的是 （ ）。 A、露点温度；B、相对湿度；C、混合比 3、两块气团的相对湿度分别为36%和78%， 其中含有较多水汽的是（ ）。 A、相对湿度为36%的气团； B、相对湿度为78%的气团； C、条件不足，无法确定,4、如果我们向一个密闭盒子里增加水汽分子， 而温度保持不变，那么下列哪些物理量会增加。 A、相对湿度 B、水汽压 C、露点 D、以上所有物理量 E、以上物理量中没有增加的。,四、风,1、风的概念,1）空气相对运动形成风,大气科学中的风以地面为参照物，分水平风、垂直风,2）风是矢量，水平风是二维矢量,2、风向,1）指风的来向,2）表示方法：用16个地理方位,或用方位角,3、风速,表示方法,1）单位时间里空气所经过的距离。 单位： m/s、mile/h,3）水平风有两种描述方法：分量法、方向大小法,2) 风级,热带低压(中心附近最大风力67级) 热带风暴(89级) 强热带风暴(1011级) 台风(12级)。,例如，热带气旋用风级划分为：,第五节 空气状态方程 一、理想气体状态方程,2、地球上自然状态下的空气可看作理想气体,二、干空气状态方程,1、方程推导,已知干空气质量为md, 体积为V、温度为T、气压为Pd，把它看成是均匀混合的单一成分，摩尔质量为Md,利用理想气体状态方程，可得干空气状态方程为,其中,100km以下，,令,Rd称为干空气比气体常数,干空气状态方程可表示为,气象上常用这种形式,2、比气体常数,一般地，对于空气中的任何一种成分，包括湿空气都可写出与干空气类似的状态方程，例如，湿空气的，,三、湿空气状态方程的其他形式,1、方程推导,所以，湿空气状态方程也可以表示为,若定义虚温,则湿空气状态方程也可表示为,虚温订正量为,是关于温度、水汽压和压强的函数。为了能在湿空气状态方程中使用 ，并且使其与干空气状态方程具有类似的简单形式所引入的参量。定义式为,小结： 湿空气状态方程的三种形式,练习:,1. 干洁大气中,某种气体的体积混合比是否等于这种气体所占总摩尔数份数,为什么