第1章 大气的组成和结构

1、1/27中国民航大学中国民航大学 空管学院空管学院 第一章第一章 大气的组成和结构大气的组成和结构 中国民航大学 空管学院 2021/7/1 中国民航大学中国民航大学 韩博韩博 2/27中国民航大学中国民航大学 空管学院空管学院 第一节第一节 大气大气组成组成 第二节第二节 大气结构大气结构 第四节第四节 标准大气标准大气 第三节第三节 空气状态方程空气状态方程 3/27中国民航大学中国民航大学 空管学院空管学院 4/27中国民航大学中国民航大学 空管学院空管学院 5/27中国民航大学中国民航大学 空管学院空管学院 地球表面的外层是多种气体混合组成的空气，受地球重 力作用，围绕地球占有一定的空

2、间，称为地球大气，简称大大 气气 （Atmosphere）。 大气不停地运动，不断地变化，呈现出各种各样的天气天气 （Weather）现象。 大气的状态用气温、气压、湿度、风、云、降水、能见 度等气象要素气象要素 （Meteorological Element）表示。 地球大气 6/27中国民航大学中国民航大学 空管学院空管学院 1、干洁空气（、干洁空气（Dry Air） 除水汽、气溶胶以外的整个混合气体。主要为N2、O2。 2、水汽（、水汽（Water Vapor） 垂直和水平分布差异较大；大气中唯一能发生相变的成分， 来源于地面，含量变化。容积计约占05%。 3、气溶胶粒子（大气杂质）（、

3、气溶胶粒子（大气杂质）（Aerosols） 水汽水汽凝结物凝结物水滴和冰晶 悬浮的固体固体微粒微粒烟粒、盐粒、尘粒、各种凝结核以及带 电离子等。 第一节 大气组成 7/27中国民航大学中国民航大学 空管学院空管学院 1、干洁空气 N2占大气质量的78%，O2占大气质量的21%. 8/27中国民航大学中国民航大学 空管学院空管学院 1、干洁空气 臭氧（臭氧（O3） 主要分布于1050km高度的平流层大气中，极大值在 2035km之间。 O3可以强烈吸收太阳紫外线辐射（短波辐射）而增温，改 变大气温度的垂直分布，同时也使地球生物免受了过多紫外线 （Ultraviolet）的照射。 O3是对是对天气

4、影响较大的成分天气影响较大的成分 9/27中国民航大学中国民航大学 空管学院空管学院 干洁大气之不同纬度臭氧浓度平均垂直分布曲线 （a）4月月（b）10月月 10/27中国民航大学中国民航大学 空管学院空管学院 干洁大气之 CO2 CO2 Q 吸收地面受热后放出的长波辐射，对地球具有“温室效应” （Green House Effect）的作用。 Q 对天气影响较大的成分。对天气影响较大的成分。 Q 二氧化碳含量分布特点： 工业区多、农村少 同一地区冬季多、夏季少 夜间多、白天少 阴天多、晴天少 11/27中国民航大学中国民航大学 空管学院空管学院 水汽在大气中所占的比例很小，仅0.1% 3%，

5、却 是大气中最活跃的成分。水对于地球上生命的意义。 2、水汽 12/27中国民航大学中国民航大学 空管学院空管学院 2、水汽 13/27中国民航大学中国民航大学 空管学院空管学院 水汽的分布：水汽的分布： 大气中的水汽含量随高度的增加而逐渐减少减少。 水平地理分布不均。 约50%的水汽集中在约2km以下，约大于90% 的水汽集中在5km以下；99%的水汽集中在对流层。 水汽是成云致雨的物质基础，故大多数复杂天 气均出现在中低空，高空晴朗。 2、水汽 14/27中国民航大学中国民航大学 空管学院空管学院 水汽之对天气的影响： 水汽对天气的影响：水汽对天气的影响： Q 水汽相变产生云、雾、露、霜、

6、雨、雪、雹等 天气现象。 Q 相变过程中放出或吸收热量，影响地面和空气 的温度。 Q 水汽与气温及天气变化关系密切：大气运动中 的水汽通过状态变化传输热量。 15/27中国民航大学中国民航大学 空管学院空管学院 （1）定义）定义 气溶胶气溶胶 (Aerosols) 质粒质粒指悬浮在大气中的固体微粒和水汽凝结物。 （2）对天气的影响：）对天气的影响： Q固体杂质可充当水汽的凝结核，在云、雾、降水等的形成过 程中起着重要的作用。 Q在一定的天气条件下，气溶胶粒子常聚集在一起，形成霾、 风沙浮尘等视程障碍现象，使大气透明度变差； Q吸收、散射和反射地面和太阳辐射，影响大气温度； 3、大气气溶胶3、大

7、气气溶胶 16/27中国民航大学中国民航大学 空管学院空管学院 3、大气气溶胶3、大气气溶胶 17/27中国民航大学中国民航大学 空管学院空管学院 1、大气垂直分层依据、大气垂直分层依据 2、大气分层及各层特征、大气分层及各层特征 第二节 大气结构 18/27中国民航大学中国民航大学 空管学院空管学院 T 为温度变化量 Z 为高度变化量 一、大气垂直分层的依据气温垂直递减率 气温垂直递减率的定义：气温垂直递减率的定义： T Z 东 X Z 天 Z 北 Y T T+T Z Z+Z 19/27中国民航大学中国民航大学 空管学院空管学院 一、大气垂直分层的依据气温垂直递减率 气温垂直递减率气温垂直递

8、减率 等温层 逆温层 普遍分布 TTT ZZZ 20/27中国民航大学中国民航大学 空管学院空管学院 一、大气垂直分层的依据气温垂直递减率 已知某地的地面气温为已知某地的地面气温为T0 (C)， 可大致推算该地可大致推算该地Z (m) 高度上的气温高度上的气温 TZ (C) : TZ = T0 Z 在对流层对流层中，平均取 = 0.65 C/100 m，则 TZ = T0 0.65 Z 100 或 TZ = T0 0. 0065Z T0 Z 天 TZ Z 北 Y 气温垂直递减率的应用 21/27中国民航大学中国民航大学 空管学院空管学院 一、大气垂直分层的依据气温垂直递减率 气温垂直递减率的应

9、用 已知某地的已知某地的Z1 (ft)高度上气温为高度上气温为 T1 (C)，可大致推算该地，可大致推算该地Z2 (ft) 高度高度 上的气温上的气温T2 (C) : T2 = T1 (Z2 Z1) 在对流层对流层中，平均取 = 2 C/1, 000 ft，则 T2 = T1 2 Z2 Z1 1, 000 T1 东 X Z 天 T2 Z2 北 Y Z1 Z2-Z1 22/27中国民航大学中国民航大学 空管学院空管学院 大气层状结构： Q 对流层（Troposphere） Q 平流层/同温层（Stratosphere） Q 中间层（Mesosphere） Q 暖层/电离层（Thermospher

10、e） Q 外逸层（Exosphere） 二、大气垂直分层结构 23/27中国民航大学中国民航大学 空管学院空管学院 80 90km 50 60km 8 9km 10 12km ATMOSPHERIC LEVELS Troposphere Stratosphere Mesosphere Tropopause Thermosphere Exosphere 大气的分层大气的分层 暖暖 层层 散散 逸逸 层层 对对 流流 层层 平平 流流 层层 中中 间间 层层 对对 流流 层层 顶顶 17 18km 1 600 km 垂直分层的高度 24/27中国民航大学中国民航大学 空管学院空管学院 1、对流层、

11、对流层 对流层是紧贴地面的一层，它受地面的影 响最大。因为地面附近的空气受热上升，而位于上面的冷空气 下沉，发生对流运动，故得名对流层。 对流层顶高度：对流层顶高度： 平均说来，低纬度对流层顶高、高纬度对流层顶低。同一地 区，对流层顶高度夏季高于冬季。 二、大气垂直分层结构 25/27中国民航大学中国民航大学 空管学院空管学院 对流层集中了约75%的大气质量和90%以上的水汽。 对流层大气热量的直接来源主要是空气吸收地面发出的长 波辐射，靠近地面的空气受热后热量再向高处传递。 对流层中，水汽和二氧化碳对大气温度变化的影响最大。 1 对流层 26/27中国民航大学中国民航大学 空管学院空管学院

12、对流层三大重要特征： 对流层的三个主要特点：对流层的三个主要特点： Q 气温随着高度的增高而降低气温随着高度的增高而降低 Q 具有强烈的对流和湍流运动具有强烈的对流和湍流运动 Q 各气象要素水平分布不均匀各气象要素水平分布不均匀 因为大气不能吸收太阳短波辐射，但地因为大气不能吸收太阳短波辐射，但地 面能吸收太阳辐射而升温并放出长波辐面能吸收太阳辐射而升温并放出长波辐 射，大气主要通过吸收地面的长波辐射射，大气主要通过吸收地面的长波辐射 和通过对流、湍流等方式和通过对流、湍流等方式 从地面吸收热从地面吸收热 量才能升温，因而越接近地面的大气得量才能升温，因而越接近地面的大气得 到的热量越多，造成

13、对流层的气温随高到的热量越多，造成对流层的气温随高 度升高而降低。度升高而降低。 低层空气由于从地面得到热量使之受热上升，低层空气由于从地面得到热量使之受热上升， 高层冷空气下沉，从而造成对流层内存在强高层冷空气下沉，从而造成对流层内存在强 烈的垂直混合作用。热带地面温度高，垂直烈的垂直混合作用。热带地面温度高，垂直 混合能到很高高度，对流层顶高度高；极地混合能到很高高度，对流层顶高度高；极地 地面温度低，垂直混合作用弱，对流层顶高地面温度低，垂直混合作用弱，对流层顶高 度低。度低。 气象要素水平分布不均匀。气象要素水平分布不均匀。 由于各地纬度和地表性质的差异，地由于各地纬度和地表性质的差异

14、，地 面上空空气在水平方向上具有不同物面上空空气在水平方向上具有不同物 理属性，温、压、湿等要素水平分布理属性，温、压、湿等要素水平分布 不均匀，从而产生各种天气过程和天不均匀，从而产生各种天气过程和天 气变化。气变化。 27/27中国民航大学中国民航大学 空管学院空管学院 多数天气发生在对流层中，多数天气发生在对流层中， 包括云、降水和风，特别是包括云、降水和风，特别是 引起对流云发展的垂直气流。引起对流云发展的垂直气流。 1 对流层 28/27中国民航大学中国民航大学 空管学院空管学院 Q对流层下层对流层下层（离地面1500m高度以下）又名摩擦层摩擦层，空气运动受地形扰 动和地表摩擦作用最

15、大，气流混乱。 Q中层中层（摩擦层顶到6000m高度）空气运动受地表影响较小，气流相对平 稳，可代表对流层气流的基本趋势，云和降水大多生成于这一层。 Q上层上层（从6000m到对流层顶）受地表影响更小，水汽含量很少，气温通 常在0以下，各种云多由冰晶或过冷水滴组成。 Q1500m高度以上的大气因为几乎不受受地表摩擦作用的影响-自由大气自由大气。 对流层中按气流和天气现象分布的特点，可分为上中下三个层次：对流层中按气流和天气现象分布的特点，可分为上中下三个层次： 1 对流层 29/27中国民航大学中国民航大学 空管学院空管学院 在对流层的顶部直到55km， 气流运动相当平衡，而且主要 以水平运动

16、为主，故称为平流平流 层层。 平流层顶的气压约1hPa。 平流层下部温度随高度变化很 小，平流层上部因为存在臭氧 层，臭氧吸收太阳紫外辐射使 大气温度增加。 2、平流层 30/27中国民航大学中国民航大学 空管学院空管学院 平流层的重要特征： Q大气很稳定，空气的垂直运 动很微弱，多为平流运动。 Q水汽和杂质含量很少，几乎 没有对流层中所出现的各种天 气现象。 Q大气透明度高，天气晴朗， 飞行气象条件好。 31/27中国民航大学中国民航大学 空管学院空管学院 平流层的重要特征： Q 气温随高度的升高而升高。 Q 水平风速大：冬季极地有时出现80米/秒以上的强风。 Q 大气层结稳定，垂直运动受到

17、抑制。 Q 空气阻力小，颠簸极少。 Q 大气密度小，对飞机的空气动力性能有影响；天空黯淡。 Q 高空主导环流： 夏季以极地为高压中心的东风环流中高纬度盛行东风； 冬季以极地为低压中心中高纬度盛行西风。 32/27中国民航大学中国民航大学 空管学院空管学院 平流层对飞行的影响 Q有利方面：气流平稳、空气干洁、能见度好、飞 行阻力小，有利于大型飞机飞行。 Q不利方面：发动机效率降低，飞机对操纵的反映 迟缓。 33/27中国民航大学中国民航大学 空管学院空管学院 3、中间层、热层、外逸层 中间层中间层在5085km高度， 是大气中最冷的部分。水汽 极少，虽然不稳定，但是没 有什么天气现象。 热层（电

18、离层）热层（电离层）在 85km800km以上，太阳辐 射中的强紫外辐射造成了热 层的高温。虽然温度是最高， 但是大气极其稀薄。 34/27中国民航大学中国民航大学 空管学院空管学院 暖层顶以上的大气统称为外逸层外逸层，又叫外层。 它是大气的最高层，高度离地表800km以上，厚 度可达20003000km。 外逸层中温度很高，空气十分稀薄，受地球引力 场的约束很弱，一些高速运动着的空气分子可以挣脱 地球的引力和其它分子的阻力散逸到宇宙空间。 3、中间层、热层、外逸层、中间层、热层、外逸层 35/27中国民航大学中国民航大学 空管学院空管学院 第四节 标准大气 Q标准大气标准大气是铅直方向上，温

19、度、气压和密度按一种假定的 规律分布的模式大气，是根据实测资料，用简化方式近似的 表示大气温度、压力和密度的平均分布。 Q制作目的：出于比较飞机性能和设计大气数据仪表的需要。 Q在设计飞行器、飞行器的设备和仪表时，在订正飞行试验 数据时，都要以预先规定好的，随高度固定分布的大气物理 状态为根据，这样才能得到可以相互比较的仪表示度、飞行 试验数据和空气动力数据。 36/27中国民航大学中国民航大学 空管学院空管学院 由国际民航组织（ICAO）统一采用的32公里以下标准大气 的主要数据是： 1、干洁大气，垂直方向上成份（各种气体的比例）不改变，平 均分子量为28.9644； 2、具有理想气体的性质（服从方程pV=nRT）； 3、标准海平面的重力加速度为g0=9.80665m/s2； 标准大气主要特性： 37/27中国民航大学中国民航大学 空管学院空管学院 4、在平均海平面上，气温为T0=15C=288.16K ； 气压为P0=1013.25hPa =760mmHg=1个大气压=1013.25mb； 空气密度为0=1.225kg/m3； 5、 处于流体