大气科学基础复习要点.docx

大气科学基础复习要点第一章 大气概述1. 大气是地球表面运输能量与水分的主要方式，厚度大约100km，尽管相对于地球很浅薄,但大气层里包含了相当大的质量:5.14 X 1015公斤。97%的大气是在地球表面30公里(18英里)以内。2. 大气的密度随着高度的上升而下降。3.大气组成：永久气体(固定比例在大气中) 99.999 %的大气质量氮气、氧气、氦、氖、氩氪、氪(),氙(氙)、氢可变气体：占很小的百分比,但影响大气的行为的气体，如水汽，二氧化碳，臭氧，甲烷，N2O，氟化物等。4.大气演变：原始大气 氢和氦； 次级大气 水汽，二氧化碳、和其它的由于火山喷发而从地球内部带出来的气体；最终CO2含量减小，O2含量上升，演变成现在的大气。5. 其它气体如氮气、氧气、水蒸气、二氧化碳、甲烷、氧化亚氮和臭氧对地球 生物圈的健康是极为重要的6. 氮气和氧气是大气的主要成分。整合上述两种气体大约占干大气的99%。7. 甲烷是一种很强烈的温室气体。自从1750年,大气中甲烷浓度已经上涨了超过140 %。8. 臭氧在提升温室效应过程中扮演了重要角色，大多数的臭氧(大约97 %)发现是集中在平流层海拔15至55公里以上的地球表面。臭氧能吸收太阳辐射中的紫外线。9.氟氯化合物能破坏大气中的臭氧 Cl+O3=ClO+O2 ClO+O=Cl+O2 O3+O=2O2 目前科学家已发现南极上方的臭氧空洞。10.水汽的重要作用;(1) 它通过相变潜热在地球上重新分配热能的能量交换. （2）水汽凝结降水,坠落到地球表面提供所需的新鲜水给植物和动物，形成 各种天气现象；（3）它通过温室效应帮助温暖地球大气层。11.气溶胶粒子对辐射的吸收和散射、云雾降水的形成、大气污染以及大气光学与电学现象的产生都具有重要的作用。气溶胶粒子的来源可分为人工源和自 然源两大类。12.大气的物理性质和化学性质无论在水平方向还是在垂直方向上都是不均匀 的。13.划分：按照大气的化学成分划分，大气垂直方向可分为均质层和非均质层。 按照大气的压力结构划分，大气垂直方向可分为气压层和逸散层。 按照大气的电离结构划分，大气可分为电离层和磁层。 按照温度变化划分，大气在垂直方向可分为：对流层、平流层、中间层、 热层及外层。14对流层（1）、对流层的厚度因纬度而有较大差异，低纬度地区约17-18km，中纬度地区约11-12km，高纬度地区约8-9km。（2）、集中了大气层大部分的质量和几乎全部的水汽（3）、温度随高度下降，平均每上升100米，气温约下降0.650C（4）、空气的对流运动明显，特别是夏季以及低纬度地区（5）、天气复杂多变。水汽蒸发、凝结而成云至雨造成不同的天气现象（6）、气象要素的水平分布不均匀。（受地形、海陆分布等各种性质的下垫面 影响）15.平流层（1）、从对流层顶到50-55km的高度范围是平流层（2）、气流运动相当稳定，且以水平运动为主（3）、除少数强对流云伸展到平流层外，很少有天气现象发生（4）、平流层底层（约9公里厚），温度不随高度变化，称为同温层）（5）、大气圈大部分的臭氧集中于平流层（6）、由于臭氧吸收太阳的紫外线辐射，平流层（20-50公里）的温度随高度 上升16中间层（1）、 从平流层顶到85km的高度范围是中间层（2）、气温随高度迅速下降（3）、垂直运动相当激烈，故称之为高空对流层（4）、因为水汽含量极少，几乎没有云层出现，但有时能看到一种薄而带银白 色的夜光云，有人认为它是由极细微的尘埃组成。17.热层（1）、热层大致处于中间层顶到600km高度的范围内（2）、气体在该层在太阳和宇宙辐射的作用下发生电离，形成密度很高的带电 粒子，所以热层又称为电离层。（3）、由于吸收太阳辐射的缘故，该层的温度随高度急剧升高（4）、在高纬度的晴朗夜空，可看到美丽的极光。这可能是由太阳发出的高速 带电粒子激发高空稀薄的空气分子或原子而发光（5）、电离层会反射无线电波18.散逸层（1）高强度的太阳电磁辐射、太阳宇宙线辐射（太阳耀斑爆发时向外发射的高 能粒子）和太阳风（由太阳日冕吹出的高能等离子体流）（2）几乎是真空的太空环境（3） 极端的温度环境（4）高速运动的尘埃、微流星体和流星体。它们具有极大的动能，1毫克的微流 星体可以穿透3毫米厚的铝板 第二章 气象要素的特征、变化和分布1.摄氏，华氏，开式温度的转换 Celsius = (Fahrenheit - 32) * 5/9Fahrenheit = Celsius * 9/5 + 32Kelvin=Celsius +273 2.百叶箱原理：百叶箱里的温度计是安装地表以上近似1.5米的地方。温度计含有酒精,顶部是用来确定每日最低温度。用水银温度计的低日最高气温来确定。3.影响局地气温变化的因子：太阳辐射加热（受太阳入射，海陆分布，洋流，海拔等因素影响），冷暖平流，凝结 蒸发潜热，云覆盖。补充：空气的温度平流空气平流运动传热过程引起局地气温变化称为温度平流，如果风向与水平温度梯度的交角小于900暖平流，如果风向与水平温度梯度的交角大于900冷平流4.气温的日变化l 白天温度高、夜晚温度低，最高气温通常出现在午后，最低气温通常出现在凌晨。l 海洋上日变化小l 沙漠地区日变化大“早穿棉，午穿纱，抱着火炉吃西瓜”l 晴天昼夜温差大l 多云天气昼夜温差小5夜间降温 夜晚是温暖湿润干燥由于释放潜热从凝结和红外变暖6.综合因素较大的温度梯度很可能没有风7.气温的季节变化l 夏天温度高、冬天温度低l 海洋上温度的季节变化小l 陆地上温度的季节变化大l 纬度越高，气温年较差越大8.气温的空间变化l 热带地区温度高，中高纬度地区温度低l 夏季海洋比陆地温度低，冬季海洋比陆地温度高l 海洋上温度分布相对均匀l 由于下垫面的不均匀，形成了许多的冷暖中心（如：西伯利亚、格陵兰等 是冷中心；澳大利亚、非洲等地形成暖中心）l 山脉南麓气温高，北麓气温低9. 冬季气温分布特点l 等温线密集l 等温线南凸，冷空气势力大l 海洋相对于陆地显的温暖l 西伯利亚和格凌兰是冷中心，澳大利亚是暖中心10.夏季气温分布特点l 等温线稀疏l 等温线北凸，暖空气势力大l 陆地相对于海洋温度高l 沙漠地区出现高温中心11.等温线分布要点l 同一水平面上温度相等的点的连线称为等温线l 等温线密集，温度随空间变化大；等温线稀疏，温度的空间变化小l 等温线向高纬度地区突出，说明暖空气势力大；等温线向低纬度地区突出，说明冷空气势力大12. 在气象工作中通用的气压单位有毫米和毫巴两种 （1）毫米(mm)：是用水银柱高度来表示气压高低的单位。（2）毫巴(mb)/百帕(hPa)：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。13. 气压跟天气有密切的关系。一般地说，地面上高气压的地区往往是晴天，地面上低气压的地区往往是阴雨天。在同一水平面上，如果气压分布不均匀，空气就要从高气压地区向低气压地区流动。因此某地区的气压高，该地区的空气就在水平方向上向周围地区流出。高气压地区上方的空气就要下降。由于大气压随高度的减小而增大，所以高处空气下降时，它所受到的压强增大，它的体积减小，温度升高，空气中的凝结物就蒸发消散。所以，高气压中心地区不利于云雨的形成，常常是晴天。如果某地区的气压低，周围地区的空气就在水平方向上向该地区流入，结果使该地区的空气上升，上升的空气因所受的压强减小而膨胀，温度降低，空气中的水汽凝结，所以，低气压中心地区常常是阴雨天。14.自由大气的大尺度运动是准地转运动，亦即是地转偏向力和气压梯度力的平衡。15.在北半球，地转偏向力与风向垂直，且偏向右侧。因此，在北半球，低气压对应着逆时针的气旋运动；高气压对应着顺时针的反气旋运动16.边界层摩擦作用使气旋区辐合上升，反气旋区辐散下沉17.影响大气压变化的因子（1）高度。随着海拔高度的上升，气压下降（主要是因为空气密度的下降与温度的下降。（2）温度/密度。p=rRT状态方程18.全球气压分布特征l 全球气压带的分布特征是由太阳辐射、地球自转效应、海陆分布等因子决定的。l 总体而言，可分为四大气压带，即：极地高压带(Polar High)、副极地低压带(Subpolar Low)、副热带高压带(Subtropical High)、赤道低压带(Equatorial Low)l 由于由于海陆分布的差异，上述的气压带并不随纬度均匀分布，在海平面气压图上表现为永久性和季节性的大气活动中心19. 地球自转作用三圈环流的形成赤道地区受热上升的气流，流向极地；在地球自转偏向力的作用下，逐步变为偏西气流，阻滞了空气的北上，在300附近积聚下沉；下沉到达地面后一支回流 赤道，形成了Hadley环流圈；另一支继续北上，与极地下沉的南流气流在600附近汇合上升；上升到高空一支南流形成中纬度Ferrel环流圈；一支北流形成极地环流圈。与三圈环流相对应，是所谓的“三风四带”，即：极地东风(Polar Easterlies) 中纬度西风(Westerlies)低纬度信风(Trades) 极地高压带(Polar High) 副极地低压带(Subpolar Low)副热带高压带(Subtropical High) 赤道低压带(Equatorial Low)20.风的表述l 空气的流动产生风l 气流由不同尺度的运动叠加而成，其中包括很多小尺度的湍流l 天气报告中是2min的平均风速l 风向以100为单位，以正北为基准，顺时针方向旋转。精度要求不高的情况下，也可以用16个方位来表示l 当风速低于0.25m/s时，称为静风l 风力的大小划分为12个等级21.影响风的因子（具体内容在大气动力学中） 气压梯度力风的形成 （梯度越大，风速越大） 科氏力引起风向的改变 （地转偏向力，北半球向右，南半球向左，赤道 为0，与风速成正比） 摩擦力风速22.准地转平衡 风的受力分析 受力分析 Net Force = PGF + G + f + Co 远离地面时f=0 Net Force = PGF + G + Co（假定气压梯度力在水平方向上的分力被重力平衡）23.局地风环流：由于局部地表受热不均匀造成的大气环流圈。主要有海陆风，山谷风与季风。24.天气分类 0%云覆盖晴 25%云覆盖少云 75%云覆盖多云 100%云覆盖阴25.云的形成 （1）发生在相对湿度达到100%时 （2）水转化为液态时要有凝结核 26.使相对湿度达到饱和的方法：降温，增湿（补充水汽） 27.成云降雨的两种方式 （1）热力对流，地表空气温度上升，使空气上升，凝结成云降雨 （2）周围空气的辐合，造成空气的动力上升，凝结成云降雨。 28.云的分类 按照云底高度将云分为高云，中云，低云3族 按照云的形态将云分为孤立的相互间不相联系的团块状积状云，表面不匀整的波状云以及均匀的云幕层状云三种类型： 层状云：雨层云、高层云、卷层云、卷云 波状云：层积云、层云、高积云、卷积云 积状云：淡积云、浓积云、积雨云29各种云的缩写。低云多由微小水滴组成，厚的或垂直发展旺盛的低云的下部由微小水滴组成而中上部是由微小水滴、过冷水滴和冰晶混合组成。低云的云底距地面高度较低，一般低于2500米，它是随季节、天气条件和不同经纬度而有变化。 中云是由微小水滴过冷水滴或者冰晶雪晶混合而 成。中云的云底高度一般在2500-5000米之间高层云在夏季多出现降雨，而在冬季多出现降雪。 高积云较薄时不会出现降水，但在高原地区的高积云出现雨（雪、幡）。高云是由微小的冰晶组成。云底高度一般在5000米以上，而高原地区较低。高云出现降水较少，冬季北方的卷层云密卷云有时也会降雪，偶尔也能观测到雪幡30.降水的分类（1）降雨 空气中成千上万的微小水滴碰撞在一起凝结成云降雨（2）雨夹雪，冻雨 一部分融化冰雹形式或雨滴回身雪花变成冰的雨（3）雪 当空气温度达到零度以下。当水凝固时的雪形成云,化做雪花落下。（4）冰雹 过冷却云不断上下运动时，液滴以不同的速度凝结在冰核周围，反复 多次后形成冰雹。31.降水量的测量 用雨量筒测量，拦截下落在特定区域的降水，最后取一大片范围内降水的平均值。32.大气能见度l 大气能见度(Visibility)是反映大气透明度的一个指标 。l 一般定义为具有正常视力的人在当时的天气条件下还能够看清楚目标轮廓的最大地面水平距离。还有一种定义为目标的最后一些特征已经消失的最小距离 。l 能见度是一个对航空、航海、陆上交通以及军事活动等都有重要影响的气象要素。在航空中，一般使用前者定义的能见度 。l 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。大气能见度和当时的天气情况密切相关。当出现降雨、雾、霾、沙尘暴等天气过程时，大气透明度较低，因此能见度较差 l 测量大气能见度一般可用目测的方法，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。目前，能见度的观测大都还是以人工目测为主，规范性、客观性相对较差 第三章 大气静力学1.静止大气中的力：重力（地心吸引力（万有引力）和惯性离心力的合力）重力 万有引力 惯性离心力2.静力学方程 对空气块受力分析 即得 得到的推论：（1）dz0时dpd 静力不稳定 =d 静力平衡 d 静力稳定11.条件不稳定l 实际大气中，除了贴地气层以外，d的干绝热不稳定是很少出现的。l 饱和湿空气由于凝结潜热的释放，使气块受到的浮力增加，即使在d的情况下，也可能出现不稳定。 S 静力不稳定对饱和湿空气而言 =S 静力平衡 S 静力稳定综合未饱和及饱和湿空气的静力稳定度判椐，有