气象学基础第一章

1、考纲要求：大气圈结构及气象要素的基本特征、大气静力学、大气动力学基础、大气中的辐射过程、大气热力学基础、大气静力稳定度、大气的热状况和大气中的水分等。主要针对大气科学基本的科学原理、理论和知识。第1章 大气概论第1节 大气的组成大气：包围在地球表面的整个空气层。原生大气：以氢、氦、氖等气态物质所组成的第一代原生大气次生大气：以二氧化碳、一氧化碳、水汽、甲烷为主的此生大气。现代大气：以氮氧为主1、 干洁大气1、干洁大气：不包含水汽和气溶胶等粒子的大气称为干洁大气。次要成分：氮、养、氩主要成分：少量二氧化碳、臭氧、各种氮养化物和其他一些惰性气体常定成份：氮、养、氩和微量的惰性气体可变成分：其他成分

2、（二氧化碳、臭氧、各种氮养化物）2、 干空气的密度是温度和气压的函数干洁大气可以作为理想气体，没有任何相变2、 二氧化碳1、 对地表有保温效应：它对太阳的短波辐射几乎的透明的，而对地表射向太空的长波辐射，特别是13-17微米波谱区，有强烈的吸收作用，使得地表辐射的热量大部分被截留在大气层内。2、 二氧化碳的增减对气候变化有重要影响、二氧化碳的大气底浓度值变化的两个特点（1） 有季节变换（2） 年平均二氧化碳浓度值逐年增大三、臭氧1、 臭氧的分布：5-10km开始增加，20-30km最大浓度出现，称为臭氧层，位于平流层。2、 臭氧的存在对地球上生物的重要意义：太阳辐射中的紫外线对生物体的组织有很

3、大的危害作用，臭氧吸收了绝大部分的紫外线，才使生物有机体免遭伤害，臭氧保护了地球上的生物。四、水汽：1、水汽的重要性，水汽对天气、气候变化的影响（2009年考点）水汽在大气中的含量虽少，但由于它在大气温度变化范围内可以进行相变，变成水滴或冰晶，因而它对大气中的物理过程起着重要的作用，是天气变化的主角，大气中的雾、云、雨、雪、雹、等天气现场都是水汽相变的重要产物。水汽在相变过程中要吸收或放出潜热，同时水汽又易吸收额放射长波辐射，所以大气中的水汽含量的多少能直接影响地面和空气的温度，进行天气的变化。5、 大气气溶胶粒子（气溶胶）1、 大气气溶胶：是指悬浮在空气中的液体和固体粒子。它包括水滴、冰晶、

4、悬浮着的固体灰尘微粒、烟粒、微生物、植物的孢子和花粉以及各种凝结核和带电粒子等。2、 来源：人工源（煤炭石油燃烧和工业活动）、自然源（森林火灾、火山爆发、土壤微粒和岩石的分化）3、第二节 大气的结构一、大气的上界1、地球大气圈顶部没有截然的界限，而是逐步过渡到星际空间的。2、大气物理上界：把极光现象出现的最大高度1200km定为大气上界3、根据大气的密度接近星际空间的密度来确定，把大气上界定为2000-3000km二、大气的质量1、大气密度和大气的质量随高度减少都是服从指数规律2、海平面-5.5km 50% 8km 63% 18.4km 90% 36km 99% 3、 大气的垂直分层 1、 根

5、据大气本身的物理或化学性质，可将大气分成若干层（4个）大气的成份结构 均匀层和非均匀层大气的压力结构 气压层和外大气层（散逸层）大气的电离结构 电离层和磁层大气的温度结构 根据大气温度垂直分布的特点（垂直温度梯度的方向） 对流层 平流层 中间层 热层和散逸层（外层）2、 垂直温度梯度（气温垂直递减率） 简称（气温直减率）描绘大气温度在垂直方向上的变化，它表示垂直方向上每变化100m高度，气温的变化值，并与温度随高度升高而降低为正值。 表达式：3、逆温层：表示气温随高度升高而升高，这种气层称为逆温层 等温层：表示气温随高度不变4、 五个层次的平均高度（1） 对流层：高纬度 8-9km （低纬 温

6、度高 气体膨胀 对流层顶高） 中纬度 10-12km 夏季上界大于冬季 低纬度 17-18km（2） 平流层：对流层顶至55km（3） 中间层：55km至85km（4） 热层85km至800km（5） 外层：热层以上5、 五个层次的主要特点（1） 对流层：第一，温度随高度的增加而降低。对流层空气直接吸收太阳辐射很少，主要吸收地面发射的红外辐射。低层大气受到地面加热，通过空气的对流和湍流运动，将热量输送到上层空气，所以对流层中，一般情况下，温度随高度的增加而降低。第2、 对流层大气具有强烈的对流运动和湍流运动。这是由于地面不均匀加热所引起的。（通过这种垂直混合作用，使得高层和低层的空气进行交换，

7、近地面的热量、水汽和气溶胶粒子能向高层输送，对水汽凝结现象，大气能见度等都有重大影响。）第3、 温度和湿度等气象要素水平分布不均。这是由于地面的海陆地形等不均匀性对大气的影响所致，主要表现在气团和锋的活动上。（2） 平流层第1、 气温最初随高度升高而不变或微升，大约在30km左右温度随高度是升高增加很快，到平流层顶，可以升到-3至17度。气温的这种分布主要是由于在平流层中，空气不再受下垫面的影响，该处臭氧的密度（浓度）大，吸收的紫外辐射能转化为分子的动能所致。第2、 气流比较稳定，空气的垂直混合显著减弱，特别是上半部分，几乎没有垂直气流。第3、 空气中的水汽含量很少，天空晴朗，很少有云出现。另

8、外空气中尘埃也很少，大气透明度较高，加之气流稳定，适宜航空飞行。（3） 中间层第一，中间层内的气温随高度升高而降低，其顶部温度可降到-113至-86度。这是由于大气对太阳辐射的吸收很少。第二，该层中垂直温度梯度很大，有相当强的垂直混合，气压和密度随高度升高而降低的程度远小于低层大气。第三，中间层的水汽极少，几乎没有云层出现。（4） 热层第一，温度随高度升高而迅速增加，小于0.17微米的紫外辐射几乎全部被该层的分子氧和原子氧吸收，加之气层内分子稀少，热量无法传递出去，热层内温度可达1000K以上第二，这层的温度与太阳活动有关，活动强，温度增加快，500KM温度可达2000K 活动弱，500km也

9、有500k第三、在高纬度地区晴朗的夜晚，在热层中可出现瑰丽的极光（5）外层第一，空气极度稀薄，温度随高度很少变化第二、由于地球引力很小，空气分子运动的平均自由程很大，一些高速运动的空气质点不断地向星际空间逃逸，所以又称散逸层6、对流层是气象学研究的重点层虽然厚度不及1%，但是由于地球引力左右，对流层集中了大约3/4的大气质量，90%以上的水汽，以及几乎全部的气溶胶粒子。、对流层受地表影响最大，层内对流旺盛，大气中主要的天气现象，如云、雾、降水等都发生在这一层。7、 对流层细分上层 6-11km 高云中层 2-6km 中云 上部摩擦层 低云下层 近地面层 50-100m 贴地气层（近地层）（底层

10、） 2米（1） 下层：0-2km 称为摩擦层，又称行星边界层在2km高度上的平均温度为5度，这层气流受地面摩擦作用很大，空气湍流很强，通过湍流运动把地面的热量和水汽往高处输送，并把高层大气的动量往下输送。（2） 近地面层：该层气象要素有明显的日变化（3） 贴地气层： 气温变化剧烈地受地表热量收支的影响，在垂直方向上的起来交换很弱，气温垂直梯度十分巨大（一般大气0.65的100倍）。 贴地层的逆温（近地层的逆温）该层的空气昼夜温度变化很大，常常可相差30度以上，而气温垂直梯度的符号白天和夜间往往相反，白天气温随高度升高而减小，夜间温度随高度升级而增加。这层的气温特性，受下垫面的性质影响很大，尤其

11、对农作物生长发育的影响，更有重要的意义。 （4） 自由大气：行星边界层以上的大气层称为自由大气（5） 中层：在6km高度上平均温度-13.5度。这层气流受下垫面影响很小，气流运动常常可以指示整个对流层气流运动的大致趋势。该层是天气演变的主要场所，强烈对流云系和降水多在此层中生成。（6） 上层：气温常年都在0度以下，水汽含量很少，高云和积雨云的顶部一般出现在此层，都是由冰晶和过冷却水滴组成。（7） 人们可以看到积雨云的顶部被平衍成砧状的情况对流层顶（过渡层，气温不变）对对流层的对流运动有阻挡作用，从而使下层输送上来的水汽、气溶胶粒子等集聚在下方，并使该处大气的浑浊度增加。4、 高层大气1、 高层

12、大气：平流层以上的大气称为高层大气5、 大气的水平结构1、 气团分类，地理分类（1） 南北极气体：形成在终年冰雪覆盖的南北极地区，这种气团具有气温低，水汽少、气层稳定等特点。（2） 极地气团：形成在广大的中纬度地区。形成在温带上的称为极地大陆气体，水汽少，气温低。极地海洋气体， 其在冬季时会比极地大陆气团较暖较湿。（3） 热带气体：形成于广大的热带和副热带地区。形成在陆地上的称为热带大陆气团，高温，干燥。热带海洋气体，暖而湿。（4） 赤道气团:形成在赤道附近洋面上，具有湿热特点。2、 气体分类，热力分类（1） 冷气团：气团向着比它暖的地面移动。这种气团所经过的地面变冷（2） 暖气团：对相邻两气

13、团来说，温度较低为冷气团，为暖气团（3） 气团的变性：冷暖气团不是固定不变的，而是相对比较而存在的。当气团移到新的下垫面时，它的性质会逐渐发生变化，而失去原有的特性。在新的物理过程中获得新的性质。3、 锋区：在两种不同性质的气团之间，存在一个过渡地带，在过渡地带中，气象要素发生激烈的变化，此过渡带称为锋区长度：几百公里几千公里宽度：近地层 几十公里 高层 200-400公里 此水平范围远比大氛围气团 小 因此称为锋面锋面与地面有一个很小的夹角 几分到1度锋面与水平面的交线称为锋线 锋面和锋线 简称为锋4、 冷暖锋冷锋：向暖气团方向移动的锋暖锋：准静止锋：冷暖气团势力相当，锋面很少移动的锋。第三

14、节 气象要素气象要素：表示大气中物理现象和物理变化过程的物理量。比如气温、气压、湿度、风向、风速、能见度、降水量、云量、辐射等。气象要素表征大气的宏观物理状态，是大气科学研究的基础。1、 气温：表示空气冷暖程度的物理量。2、 气压：大气的压强，是指与大气相接触的面上，空气分子作用在每个单位面积上的力，这个力是由空气分子对该面碰撞而引起的。3、 湿度：是表示空气中水汽含量的多少货空气干湿程度的物理量。由于研究的角度不同，采用不同的湿度参量。1、 水汽压：大气中水汽所产生的分压强。饱和空气的水汽压就是饱和水汽压，它是温度的函数，温度越高，饱和水汽压越大，可查表获得。马格努斯（Magnus）经验公式

15、2、 绝对湿度（a）水汽密度（公式看书）单位容积空气中所含的水汽质量，也就是水汽密度，单位用千克/立方米。它能直接表示空气中水汽的绝对含量，但不能直接测量，通常由水汽压的数值计算得到。3、 比湿：（公式看书）是水汽质量与同一题记中空气的总质量的比值4、 混合比（r）（公式看书）是水汽质量与同一容积中干空气质量的比值。它单位与比湿相同5、 相对湿度（f）是空气中实际水汽压与当时气温下的宝盒水汽压的比值。6、 饱和差（d）在某一温度下，饱和水汽压与实际水汽压之差7、 露点温度（露点）在空气中水汽含量和气压不变的条件下，当气温降低到使空气达到饱和时的那个温度称为露点温度。简称露点，单位与温度相同。4

16、、 风空气的水平运动称为风。它 是一个矢量，既有大小，又有方向。风向是指来向地面观测中 正北 为0度或360度 顺时针方向风的阵性：空气运动时，总是带有湍流性的，运动中夹有大小不同的涡旋，相邻空气块的运动速度和路径很不一致。因此在固定的空间位置桑，表现出风向不稳定和风速的变化，这种现象称为风的阵性。5、 云云是悬浮在大气中的水滴或冰晶或两种混合物的聚合体，底部不接触地面，并具有一定厚度。云的观测 云状 三族十属二十九中 云量 观测点的天空被云遮蔽的成数云高 云底距离地面的垂直距离高云（卷云Ci，卷层云Cs，卷积云Cc ）中云（高层云As，高积云Ac）低云（积云Cu，积雨云Cb，层积云Sc，层云

17、St，雨层云Ns）6、 降水从云中降落到地面的液态或固态水称为降水。降水通常用降水的形态、降水的性质、降水量或降水强度来表示。降水量：是指从天空降落到地面上的液态或固态（经融化后）的降水未经蒸发、渗透、流失而积聚在水平面上的水层深度，通常用雨量器测定，单位是毫米。（翻斗式遥感雨量计和虹吸雨量计）7、 蒸发气象学中把液态水变为水汽称为蒸发。在一段时间内，水分经蒸发而逸入空气中的量，称为蒸发量8、 日照可照时数：从日出到日没的总时数。可根据本地的纬度和季节用公式计算出来。日照时速：因为云雾等天气现象的存在，阻挡了太阳直射光线，每天太阳直射光线，实际照射地面的时数。（暗筒式和聚焦式两种日照仪），单位

18、小时九、水平能见度是指视力正常的人，在当时天气条件下，能够从天空背景中看到和辨认目标物的最大水平距离，单位千米。第4节 大气的基本性质1、 大气的基本物理性质连续性 流动性 粘滞性 可压缩性2、 大气的分压定律混合气体的总压强P等于各气体分压强之和，这个定律称为混合气体的分压定律，大气是混合气体 也符合分压定律。3、 气体状态及状态变化定律波意耳-马略特定律盖吕萨克定律查理定律4、 理想气体的状态方程普适气体常数、通用气体常数单位质量气体的气体常数、比气体常熟R5、 干空气的状态方程六、水汽的状态方程7、 湿空气的状态方程和虚温引出虚温的目的：为了考虑大气中所含水汽对比气体常熟的影响，也就是对空气密度的影响包含到温度去，这样我们可以再湿空气状态方程中引用干空气的比气体常熟，为实际应用带来方便虚温的物理意义：在相同的气压条件下，假定干空气密度和湿空气密度相等时，干空气具有的温度。也就是说，湿空气因为有水汽的存在，它比同温同压下的干空气密度小，如果在压强不变的条件下，升高干空气温度，以代替水汽对干空气密度的影响，使干空气密度与湿空气密度相等，这个升高后的干空气温度称为虚温。第5节 、大气污染与气象条件1、 大气污染的形成1、 自然因素（森林火灾、火山爆发）2、 人为因素（工业废气排放，生活燃烧