气象学 第一章.ppt

第一章大气 本章主要内容 1大气的组成干洁空气水汽固体杂质和液体微粒 2大气的分层对流层平流层中间层热成层外层 3大气的基本物理性质主要的气象要素状态方程本章重点 结束 一 干洁空气 定义大气中除水汽和杂质外的整个混合气体主要成份N2 78 08 O2 20 95 Kr 0 93 CO2 0 03 Ne He Kr Xe H2 O3共占0 01 几种成份的作用N2O2O3CO2 预定位置 N2的作用 冲淡氧 使氧化作用不致过于激烈某些植物通过菌根的作用 直接将大气中的氮改造为植物体内不可缺少的养料 预定位置 O2的作用 生命所需有机物的燃烧 腐烂 分解影响大气中进行的各种化学反应过程 预定位置 O3的作用 来源 主要是在太阳紫外线作用下 氧分子分解为氧原子再与另外的氧分子结合面而成 有机物的氧化 雷雨闪电分布 近地面含量极少 从10公里开始逐渐增加 12 15公里以上含量增加特别明显 20 25公里高度达最大值 再往上含量逐渐减少 到55 60公里上就极少了 为什么 作用大量吸收太阳紫外线 使臭氧层增暖 影响大气温度的垂直分布使地面上的生物免受过多紫外线伤害 预定位置 CO2的作用 来源 有要化合物氧化作用的产物分布 集中在20公里以下 白天 晴天 夏季少 夜晚 阴天 冬季多 城市多 农村少 大陆上多 海洋上少作用 光合作用的主要原料强烈地吸收和放出长波辐射 对大气和地面的温度有一定的影响 温室效应 预定位置 二 水汽 来源 水面及潮湿陆面的蒸发及植物的蒸腾分布 随高度的增加 水汽含量减少 集中在2 3公里以下的低层空气里 5公里只有地面的1 10含量 0 1 4 容积百分比 随时空变化大作用 产生一系列天气现象 如云 雾 雨 雪等强烈地吸收和放出长波辐射 水相变化伴随着巨大的潜热转换 从而影响空气和地面的温度分布 预定位置 三 杂质 固体和液体 来源 主要是地面上的各种活动 风 工业排放等 分布 大气低层 含量随时间 地点和高度而异 城市多于农村 陆地多于海洋 冬季多于夏季作用使大气能见度变差大气中水汽凝结的核心吸收一部份太阳辐射和阻挡地面放热 对地面和空气的温度产生一定的影响 预定位置 一 对流层 高度 平均为11公里 低纬度为17 18公里 中纬度为10 12公里 高纬度为8 9公里特征 随高度的增加 气温降低 平均0 65 百米 空气具有强烈的对流运动空气的温湿度水平分布不均匀分层 下层 中层 上层 对流层顶 预定位置 二 平流层 范围 平均为11 55公里特征随着高度的增加 温度升高 臭氧的影响 由底部的 48 5 升到顶部的 21 铅直混合作用微弱 平流现象成为不同纬度间热量交换的重要方式水汽含量极少 基本上没有云雨现象 预定位置 三 中间层 范围 平均为55 85公里特征在55 60公里内随高度增加温度升高 60 85公里内随高度增加温度降低 平均由0 降至 100 在80公里以上空气非常稀薄 在太阳紫外线和宇宙线的作用下 大气物质开始电离 通常又把这层称为电离层 由于电子浓度的不同 电离层对电磁波反射的效果不同 以分为电离层D E F层 中间层的上部 就是D层所在的高度 预定位置 四 热成层 范围平均为85 800公里 120公里以上声波难以传播 特征温度随高度的增加迅速升高 100 120 140 160公里处的温度分别达 63 82 207 302 200公里以上空气处于高度的电离状态 预定位置 五 外层 散逸层 空气处于电离状态 这层的大气物质具有向星际空间散逸的特性 成为整个大气和星际空间的过渡地带 这层的热状况取决于许多因素 如太阳紫外辐射和微粒流 星际气体和地球大气的碰撞等 其中微粒流起主导作用 预定位置 一 主要的气象要素 气压 P 温度湿度风 预定位置 气压 定义 单位水平面积上所受的大气静压力 其大小等于单位水平面积上大气柱的重量单位 百帕 hPa 或mm汞柱水银柱的重力W为 W hsg而压强P为 P W s hg以 13 595克 立方厘米 在气温为0 纬度为45的海平面上 h 76厘米 在这种情况下与水银柱重力相等的气压称为标准气压 以P0表示 则P0 13595 1 0 76 9 80665 101325牛顿 平方米 1013 25百帕 760mm汞柱即1mm汞柱 1 33hPa或1hPa 0 75mm汞柱 预定位置 温度 定义 表示物体冷热程度的物理量单位 摄氏度 华氏度 F 开尔文K摄氏温标和华氏温标分别以纯水的冰点为0摄氏度和32华氏度 沸点 在标准气压下 为100摄氏度和212华氏度 两者的换算公式为 预定位置 湿度 定义 表示物体中水份含量多少的物理量表示方法水汽压 e 绝对湿度 a 比湿 q 混合比 M 露点 Td 相对湿度 R 饱和差 ew e 温度露点差 T Td 预定位置 水汽压 e 是大气压强的一部份 它的大小视水汽含量的多少而定 它的单位和气压单位相同饱和水汽压 ew 在一定温度下 空气中水汽达到最大含量时的水汽分压强 P一定时 随T升高ew增大纯水平水面上饱和水汽压与温度的关系可用马格纳斯经验公式表示 即 水面上 a 7 5 b 237 3冰面上 a 9 5 b 265 5ew还与蒸发面的物态 形状及蒸发面的溶液浓度等因子有关 当T一定时 ew冰ew溶液 预定位置 绝对湿度 a 定义 单位容积湿空气中所含水汽的质量单位 kg m3表达式 例 T 20 e 12hPa a 8 9 10 3kg m3 如果水汽压以mm汞柱为单位 当t 16 时 a e 所以在常温下往往以水汽压近似地代替绝对湿度 预定位置 比湿 q 定义 单位质量湿空气中所含水汽的质量单位 g g或g kg表达式 q mv ma 0 622e P g g 622e P g kg 例 已知P 1000hPa e 12hPa 求q 解 q 622 12 1000 7 5g kg 预定位置 混合比 M 定义 湿空气中水汽质量与干空气质量之比单位 同比湿表达式 M mv md 0 622e P e g g 622e P e g kg 由于比湿 混合比 是用水汽和湿空气 干空气 二者质量的比值来表示湿度的 当空气增暖或冷却而使容积改变时 虽然绝对湿度也随之改变 但只要在没有发生凝结的情况下 比湿是不会改变的 所以比湿具有保守的性质 它们在气象学上常用来判断气团的干湿性质和有关湿度的理论计算 预定位置 露点 温度 Td 在定压而无相变的情况下 湿空气达到饱和状态时的温度 露点高 表示水汽压大 露点低 则表示水汽压小 预定位置 相对湿度 R 定义 空气中的实际水汽压与同温下的饱和水汽压之百分比 表达式 R e ew 100 例如 T 20 e 12hPa 求R 解 由马格纳斯公式求出ew 23 4hPaR 12 0 23 4 100 51 注意 R的大小往往由T决定 预定位置 饱和差 ew e 定义 在某气温下的饱和水汽压和实际水汽压之差 用来表示空气达到饱和时所需要的水汽量 例如 e 12hPa时 在T 20 时饱和差为23 4 12 0 11 4hPa 而在T 15 时饱和差为17 0 12 0 5 0hPa 这表示在水汽压一定时 气温愈高 饱和差愈大 气温愈低 饱和差愈小 预定位置 温度露点差 T Td 表示当时的气温和露点之差 如当T 15 T Td 5 指出了Td 10 在10 时的饱和水汽压为12 3hPa 这就是当时的实际水汽压 如果当时的气温下降5 就是T Td 0 e ew 这时就达到饱和 因此对没有饱和的空气来说 露点总是低于气温的 预定位置 风 定义 空气的水平运动 包括风向和风速风向 就是风的来向 气象上一般分成16个风向 即 E SEE SE SSE S SSW SW SWW W NWW NW NNW N NNE NE NEE风速 单位时间内空气所走过的距离 单位为m s 预定位置 二 状态方程 干空气的状态方程水汽的状态方程湿空气的状态方程状态方程的应用 预定位置 干空气的状态方程 理想气体的状态方程理想气体的气压P 摩尔体积V和热力学温度T之间的关系为PV T 常数 用R表示这个常数 于是 PV RT 这就是理想气体的状态方程 R为摩尔气体常数 在标准状态下 P0 101325 N m2 V0 22 41383 10 3 m3 mol T0 273 15K 所以R P0V0 T0 8 31441J mol 1 K 1对于一种摩尔质量为M的单位质量的理想气体 其状态方程为 PV RT M 干空气的状态方程在通常情况下 可以认为大气和理想气体相近似 因为干空气是一种混合气体 其平均摩尔质量为Md 28 966g mol 定义一摩尔的干空气的比气体常数为Rd Rd R Md 8 31441 28 966 287 04J kg K于是干空气的状态方程可写为 Pd dRdT由此可知 Pd一定 T d T d T一定 Pd d Pd d d一定 T Pd T Pd 按分子运动论原理 气压是与单位容积中的气体分子数目成正比 同时又与气体分子的平均动能成正比 说明密度大或空气分子的平均运动速度较大时 气压也较大 反之变反 又由于气压和气温都与气体分子平均动能成正比 所以在密度一定时 气温增高 则气压增大 在实际大气中 当气温有变化时 密度也必将有变化 气温增高使密度减小 气压也就减小 所以一般夏季气压较低 冬季气压较高 也就是这个缘故 由状态方程可求得标准情况下的干空气密度为 d Pd RdT 101325 287 273 1 293kg m3 预定位置 水汽的状态方程 在气态状况下 可以认为水汽和理想气体相近似 则水汽的状态方程可写成 e vRwTRw为水汽的比气体常数 水汽的摩尔质量Mv 18 016g mol 则水汽的比气体常数为 Rw R Mv 8 31441 103 18 016 461 5J kg k以Rd和Rw相比较 有Rd Rw 0 622或Rw Rd 1 608 比气体常数的物理意义是指在等压情况下 1克干空气或水汽的温度增高1度时膨胀所作的功 显然 因水汽相对分子质量比干空气为小 如果两者质量相同 水汽所作的功必大于干空气 预定位置 湿空气的状态方程 按混合气体的总压力等于各种气体分压力之和的道尔顿分压定律 湿空气就是干空气和水汽共存于同一体积和同一温度的统一体内 以P表示湿空气的压强 则P Pd e以 a表示湿空气的密度 则 a d v 由于有e P很小 故 与干空气状态方程相比较可知 如果干 湿空气的温度和气压相同时 湿空气的密度比干空气的密度为小 虚温的物理意义 在相同的气压条件下 假设干空气的密度和湿空气的密度相等时 干空气应具有的温度 显然虚温总是高于气温的 两者的差值在低温时小 在高温时较大 如P 1000hPa时 二者的差值在0 时为0 6 在20 时为2 6 因此 在气压相同的条件下 干湿空气的密度的差值在低温时较小 在高温时较大 预定位置 状态方程的应用举例 例1 证明绝对湿度a 2 17 10 1e Tkg m 3证 由绝对湿度的定义知 绝对湿度即为湿空气中的水汽密度 故A e RwT 100 461 5 e T 2 17 10 1e Tkg m 3 e为hPa 例2 证明比湿q 0 622e Pg g 1 622e Pg kg 1 例3 证明Tv T 1 0 61q 证 因为Tv T 1 0 378e P将q 0 622e P代入上式即得 Tv T 1 0 61q 预定位置 本章重点一