第三节大气的物理性状

1、第三节 有关大气的物理性状 一、主要气象要素二、空气状态方程一、主要气象要素 把表示大气现象和大气属性的物理量，称为气象要素。 气压、温度、湿度（表示空气的性质） 风向、风力（空气的运动状况） 云量、能见度（表征物理现象） 降水量、日照、辐射等1、气压 （ P）v定义：在静止大气中，任意高度的气压值是从观测高度到大气上界，单位面积上垂直空气柱的重量即为大气的压强，表示为： A为面积，M为质量，g为重力加速度v单位 毫米水银柱高度（mmHg mm）、百帕（hpa）AMgPv气压单位换算： 1hpa0.75mm34mmv标准大气压： 当选定纬度（）45，温度为0时，海平面上气压值 P。1013.2

2、5hpa，760 mmHg 称为1个大气压。 地面气压：9701040hpa 极大值：1083.8hpa 极小值：低于935hpav测量仪器：水银气压表。水银气压表2、气温（T） 表示空气冷热程度的物理量。 气温的单位： （1）摄氏温标（） （2）绝对温标（K ） T=t+273.15t+273 （3）华氏温标（ ）较少英语国家使用 （美国） (4) 气温的测定 大气中的温度一般以百叶箱中干球温度为代表。 百叶箱 干湿球温度计百叶箱的作用及干湿温度计的原理： 百叶箱：安装温、湿度仪器用的防护设备。 作用：是防止太阳对仪器的直接辐射和地面对仪器的反射辐射，保护仪器免受强风、雨、雪等的影响，并使仪

3、器感应部分有适当的通风，能真实地感应外界空气温度和湿度的变化。由于百叶箱的高度在地面以上1.52.0米之间，因此最高、最低气温是指近地面处的空气温度。 干湿球温度计：是一种测定气温、气湿的一种仪器。它由两支相同的普通温度计组成，一支用于测定气温，称干球温度计；另一支在球部用蒸馏水浸湿的纱布包住，纱布下端浸入蒸馏水中，称湿球温度计。 干湿温度计的原理: 干湿温度计的干球探头直接露在空气中，湿球温度探头用湿纱布包裹着，其测湿原理就是，在一定风速下，湿球外边的湿纱布的水分蒸发带走湿球温度计探头上的热量，使其温度低于环境空气的温度；而干球温度计测量出来的就是环境空气的实际温度，此时，湿球与干球之间的温

4、度差与环境的相对湿度有一个相应的关系，但该关系是非线性的。用公式表达起来相当复杂。这两者之间的关系会受好多因素的影响如：风速，温度计本身的精度，大气压力，干湿球温度计的球泡表面积大小，纱布材质等等。 根据测出的干球温度和湿球温度,查“湿空气线图”，可以得知此状态下空气的温度、湿度、比热、比焓、比容、水蒸气分压、热量、显热、潜热等资料。例如：干球18度，湿球15度时，其度差3度之纵栏与湿球15度之横栏交叉68度就是表示湿气为68%。3、湿度 表示空气潮湿程度或水汽含量多少的物理量。 （1）水汽压（e）、饱和水汽压（E） （2）相对湿度（f） （3）饱和差（d） （4）比湿（q）和水汽混合比（r）

5、 （5）露点温度（td） （1）水汽压e和饱和水汽压E： 水汽压：大气中的水汽所产生的那部分压力称水汽压（e）。单位：用hPa表示。 饱和水汽压：在温度一定情况下，单位体积空气中的水汽量有一定限度，如果水汽含量达到此限度，空气就呈饱和状态，这时的空气，称饱和空气。饱和空气的水汽压（E）称饱和水汽压，也叫最大水汽压，因为超过这个限度，水汽就要开始凝结。实验和理论都可证明，饱和水汽压随温度的升高而增大。在不同的温度条件下，饱和水汽压的数值是不同的。（2）相对湿度：f 相对湿度（f）就是空气中的实际水汽压与同温度下的饱和水汽压的比值（用百分数表示），即 feE100% 物理意义：相对湿度直接反映空气

6、距离饱和的程度。 当其接近100时，表明当时空气接近于饱和。当水汽压不变时，气温升高，饱和水汽压增大，相对湿度会减小。 （3）饱和差：d 在一定温度下，饱和水汽压与实际空气中水汽压之差称饱和差（d）。 即 d=E-e， 物理意义：d表示实际空气距离饱和的程度。 (4)比湿：q 定义：在一团湿空气中，水汽的质量与该团空气总质量（水汽质量加上干空气质量）的比值，称比湿（q）。 单位: g/g 表示每一克湿空气中含有多少克的水汽。 g/kg 表示每千克质量湿空气中所含水汽质量的克数。 式中，mw为该团湿空气中水汽的质量；md为该团湿空气中干空气的质量。据此公式和气体状态方程可导出: 注意式中气压（P

7、）和水汽压（e）须采用相同单位（hPa），q的单位是g/g 由上式知，对于某一团空气而言，只要其中水汽质量和干空气质量保持不变，不论发生膨胀或压缩，体积如何变化，其比湿都保持不变。因此在讨论空气的垂直运动时，通常用比湿来表示空气的湿度。 eper622.0622.0（5）水汽混合比 一团湿空气中，水汽质量与干空气质量的比值称水汽混合比（）即：（单位：g/g） 据其定义和气体状态方程可导出： 物理意义：表示空气中水汽含量的多寡。（6）露点：Td 在空气中水汽含量不变，气压一定下，使空气 冷却达到饱和时的温度，称露点温度，简称露点（Td）。 单位：与气温相同为。 在气压一定时，露点的高低只与空气中

8、的水汽含量有关，水汽含量愈多，露点愈高，所以露点也是反映空气中水汽含量的物理量。在实际大气中，空气经常处于未饱和状态，露点温度常比气温低（TdT）。因此，根据T和Td的差值，可以大致判断空气距离饱和的程度。 4、降水量v降水从天空降落到地面的液态和固态水,包括雨，毛毛雨、雪、雨夹雪、霰、冰粒和冰雹等。v降水量降水落至地面（呈液态），未经蒸发、渗透、流失而在水平面上积聚的深度。单位：mm24h、mm/1h 降水量是表征某地气候干湿状态的重要要素，雪深和雪压还反映当地的寒冷程度。 测量降水量的仪器：雨量器和雨量计两种雨量器：是用于测量一段时间内累积降水量的仪器。常见的雨量器外壳是金属圆筒，分上下两

9、节，上节是一个口径为20厘米的盛水漏斗，为防止雨水溅失，保持容器口面积和形状，筒口用坚硬铜质做成内直外斜的刀刃状；下节筒内放一个储水瓶用来收集雨水。测量时，将雨水倒入特制的雨量杯内读出降水量毫米数。降雪季节将储水瓶取出，换上不带漏斗的筒口，雪花可直接收集在雨量筒内，待雪融化后再读数，也可将雪称出重量后根据筒口面积换算成毫米数。 5、风v概念相对于地表的空气的水平运动，是 一个向量既有大小（风速），又有方向（风向）。表示气流运动的一个物理量。 （1）风向指风的来向。用方位或方位度来表示。 （2）风速 单位时间内空气在水平方向上移动的距离。 单位: m/s，km/h。 地面风用方位表示，高空风则用

10、方位度表示。有16个方位，从正北0 开始按顺时针方向，每隔22.5为一方位。风向杆风向的表示： 风力情况由风矢表示，由风向秆和风羽组成。 风向秆: 指出风的方向，有8个方位。 风羽: 由3、4个短划和三角表示大风风力，垂直在风向杆末端右侧（北半球 ） 1-2级： 1 竖杠 1 横 3-4级： 1 竖杠 2 横 5-6级： 1 竖杠 3 横 7-8级： 1 竖杠 4 横 8级以上：1 竖杠 1 三角 像个小旗子 风的等级划分：等级名称风 速陆 地 现 象海面状态（m/s）（Km/h）0无风00.2小于1静，烟直上。平静如镜1软风0.31.515烟能表示风向，但风向标不能转动。微浪2软风1.63.

11、3611人面感觉有风，树叶有微响，风向标能转动。小浪3微风3.45.41219树叶及微枝摆动不息，旗帜展开。小浪4和风5.57.92028能吹起地面灰尘和纸张，树的小枝微动。轻浪5清劲风8.010.72938有叶的小树枝摇摆，内陆水面有小波。中浪6强风10.813.83949大树枝摆动，电线呼呼有声，举伞困难。大浪7疾风13.917.15061全树摇动，迎风步行感觉不便。巨浪8大风17.220.76274微枝折毁，人向前行感觉阻力甚大猛浪9烈风20.824.47588建筑物有损坏（烟囱顶部及屋顶瓦片移动）狂涛10狂风24.528.489102陆上少见，见时可使树木拔起将建筑物损坏严重狂涛11暴

12、风28.532.6103117陆上很少，有则必有重大损毁非凡现象12飓风32.7118陆上绝少，其摧毁力极大非凡现象风的作用：用来发电，帮助植物散播花粉等。 6、云量 云：水汽凝结成的小水滴或冰晶悬浮在空中的聚合体，距地面有一定的高度的为云。 把天空分成10份，其遮盖的成份为云量。 晴、少云 3份 多云 37份 阴 7份 云量是表征云遮蔽天空视野的成数。例如，碧空无云，云量为0，天空一半为云所覆盖，则云量为5。 7、能见度 视力正常人在当时天气条件下，用目力所能辨出目标物的最大水平距离。 单位：米（m）或千米(km)。 物理意义：是反映大气透明度的一个指标。能见度划分标准：能见度划分标准： (

13、1)能见度20-30公里 能见度极好 视野清晰 (2)能见度15-25公里 能见度好 视野较清晰 (3)能见度10-20公里 能见度一般 (4)能见度5-15公里 能见度较差 视野不清晰 (5)能见度1-10公里 轻雾 能见度差 视野不清晰 (6)能见度0.3-1公里 大雾 能见度很差 (7)能见度小于0.3公里 重雾 能见度极差 (8)能见度小于0.1公里 浓雾 能见度极差 二、空气状态方程 空气状态方程: 空气的状态一般由P、 、T、V来表示，并且四个量之间有一定的关系，它们的关系式，就是状态方程。例如，一小团空气从地面上升时，随着高度的增大，其受到的压力减小，随之发生体积膨胀增大，因膨胀

14、时做功，消耗了内能，气温乃降低。表示空气状态的方程有干空气的状态方程 和湿空气状态方程两种。 干湿空气状态方程的物理意义在于用可测量的P T替代了不可测量的。 理想气体的状态方程： 根据大量的科学实验总结出，一切气体在压强不太大，温度不太低（远离绝对零度）的条件下，一定质量气体的压强和体积的乘积除以其绝对温度等于常数，即 上式是理想气体的状态方程。实际上，理想气体并不存在，但在通常大气温度和压强条件下，干空气和未饱和的湿空气都十分接近于理想气体。 在标准状态下（P0=1013.25hPa，T0=273K），1mol的气体，体积约等于22.4L，即V0=22.4L/mol 。因此， 该值对1mo

15、l任何气体都适用，所以叫普适气体常数。 对于质量为M克，1摩尔气体的质量是的理想气体，在标准状态下，其体积V等于1摩尔气体体积的倍 ，即 这是通用的质量为M的理想气体状态方程，又称做门捷列夫-克拉珀珑方程。它表明气体在任何状态下，压强、体积、温度和质量4个量之间的关系（计算时要注意单位的统一）。 在气象学中，常用单位体积的空气块作为研究对象，为此，常将（116）式中4个量的关系变为压强、温度和密度3个量间的关系，即 如前所述可以把干空气（不含水汽、液体和固体微粒的空气）视为分子量为28.97的单一成分的气体来处理，这样干空气的比气体常数Rd为 干空气的状态方程为 P=RdT 上式表明，在温度一定时气体的压强与其密度成正比，在密度一定时气体的压强与其绝对温度成正比。虚温：TV 虚温是在湿空气状态方程中引进的一个虚设的物理量，即 意义是在同一压强下，干空气密度等于湿空气密度时，干空气应有的温度，虚温不可直接测量。 虚温和实际温度之差T为： 可见空气中水汽压e愈大，这一差值便愈大。在低层大气，尤其是在夏季，e值较高，这时必须用湿空气状态方程，但在高空，e