气象学-大气概述

大气概述大气的组成成分大气的垂直结构大气的物理性状大气与森林植被本章要点1大气的组成干洁空气气溶胶粒子水汽主要成分:浓度在百分之一以上，氮气、氧气和氩气。微量成分:浓度在百万分之一到百分之一，如二氧化碳、甲烷、氦、氖及氟等。痕量成分:浓度小于百万分之一，如氢气、臭氧、氧化亚氮、一氧化氮、二氧化氮、氨气、二氧化硫、一氧化碳等

1.1干洁空气喜马拉雅山南坡安迪斯山冰川美国冰川公园相对于1961-1990年平均值的差北半球积雪(IPCCAR4,2007)(IPCCAR4,2007)冻土层(IPCCAR4,2007)海冰面积相对于1961-1990年平均值的差(IPCCAR4,2007)全球平均温度（1）来源：燃烧、有机物分解、生物的呼吸作用（2）空间分布：大气中的CO2主要分布在大气层20km以下。地表CO2浓度：北半球>南半球，城市>农村。（3）时间分布：冬季>夏季，夜晚>白天，阴天>晴天。

1.1.1二氧化碳(carbondioxide,CO2)（4）气候效应CO2对太阳短波辐射吸收很少，但能吸收来自地面的长波辐射（特别是13~17µm波谱区），使得地表辐射的热量大部分被截留在大气层内，因而对地表有保温效应。这种效应称为“温室效应”。－19°C14°C温室效应工业化（1750年）以来，大气中温室气体明显增加。（2011年）大气中CO2的浓度已升至391ppmv。年100012001400160018002000280300320340360浓度(ppmv)CO2南极冰芯资料显示的近1000年大气CO2浓度大气CO2海洋陆地化石燃料释放毁林7.61.54.12.22.82000-2006CO2flux(PgCy-1)SinkSourceTime(y)LeQuéré,unpublished;Canadelletal.2007,PNAS全球碳收支的扰动(1850-2006)（1）来源主要是太阳紫外辐射作用形成有机物的氧化和雷雨闪电（2）形成：

O2+hυO+OO+O2+MO3+M1.1.2臭氧(ozone,O3)（3）空间分布同一季节，臭氧总量随纬度增加而增加。（春季最明显）（4）时间分布冬末春初最大，秋季最小。

随着纬度增加，臭氧总量的季节波动越明显。

（5）气候效应平流层中，臭氧吸收太阳紫外辐射，最强吸收带在0.22~0.32微米区，是平流层大气的主要热源，使平流层大气温度随高度增加而上升。此种温度结构抑制大气垂直运动，使平流层只有水平方向运动。不利于生命存在的短波紫外辐射（<0.29微米）基本被吸收。同时存在一个9.6微米的红外吸收带，引起温室效应。自20世纪70年代末，每年的9-10月份，南极平流层臭氧浓度在几个星期的时间内迅速地降低50%以上，臭氧层像是出现了一个洞，这种现象称之为南极臭氧洞。10月中下旬以后，臭氧洞逐渐消失，到12月臭氧浓度恢复正常。1979-2000，南极臭氧损耗日趋严重，臭氧洞面积变大FromNASA极地平流层云(PSC，温度低于195K时HNO3溶于水形成冰晶云)每年9月，阳光回到南极地区，太阳紫外辐射使得Cl从CFCs中分离出来，由于极夜刚过，那里的温度还很低，存在PSC，于是，迅速和强的臭氧损耗开始：异相化学反应理论动力学作用强的南极涡旋是臭氧洞形成的重要条件，风速极大的绕南极急流阻挡了极圈和中低纬度之间的物质交换，含高浓度臭氧的空气无法进入极圈内（臭氧的源在热带地区），这样极圈内的臭氧被严重地反应掉。到10月中下旬，太阳辐射使极圈内变暖，急流减速，极涡崩溃，中纬度高臭氧浓度空气进入极圈内，臭氧洞消失。FromNASA北极平流层臭氧损耗虽然没有达到臭氧洞的程度，但也存在严重损耗在北极，由于动力学的作用，北极圈内的温度相对较暖，通常高于195K，PSC不易形成，极地涡旋也容易破碎，臭氧损耗虽然严重，但还没有达到“臭氧洞”的程度，所以，我们通常只说北极臭氧损耗，而不说北极臭氧洞。CFC和预测的臭氧变化趋势上图：CFC随时间的变化趋势；下图：观测的和模拟预测的修养随时间的变化趋势，大约到2050年全球臭氧才能恢复到1980年之前的水平。Weatherhead

andAndersen(2006)（1）时空分布

低纬>高纬，沿海>内陆，夏季>冬季。空气中的水汽含量随高度的增高而减少。在1.5~2km高度上空气中水汽含量减为地面的一半，在5km高度上，减少为地面的1/10。1.2水汽(watervapor)（2）水汽对天气变化的影响含量虽少，但可在大气温度范围内进行相变，是天气变化的主要角色。水汽在相变中吸收和放出潜热；易吸收和放射长波辐射。

所以大气中水汽含量的多少能直接影响地面和空气的温度，影响天气及天气系统的变化和发展。

大气中悬浮的多种固体和液体微粒，0.001～100微米固体微粒：是悬浮在大气中的烟粒、盐粒、花粉、微生物、细菌、病菌、孢子和尘埃等。液体微粒：是悬浮在大气中的水滴、过冷水滴和冰晶等水汽凝结物。1.3气溶胶（1）时空分布

城市>农村，内陆>沿海，冬季>夏季。

（2）气候效应水汽凝结核，成云制雨重要条件

吸收和散射太阳、大气和地面辐射，改变地球辐射平衡改变大气能见度和空气质量（1）分类尘粒以固体或液体微小颗粒形式，存在于气体介质中的分散体。包括：飘尘、降尘。气体污染物主要有SO2、NO2、

CO、CO2

和O3等。1.4大气污染物（2）环境问题温室效应与气候变化臭氧层的破坏酸雨（PH<5.6）美国田纳西州的大雾山城市空气污染：光化学烟雾、煤烟型烟雾、可吸入颗粒物（pm10、pm5、pm2.5）这张拼版照片显示的是北京同一地点不同时间景观2013年1月9日8时（上图）；2013年1月12日8时左右（下图）。新华社发（王跃岭摄）北京极重污染空气监测爆表

部分地区PM2.5超9002013-01-1308:37来源：新京报

安静吸气量：4-7L/分，剧烈运动：100L/分以上，普通的运动状态：60-70L/分美国国家职业安全与健康研究院(NIOSH)粉尘类呼吸防护新标准42CFR84，滤料可分为三个等级：N系列：防护非油性悬浮颗粒无时限。

R系列：防护非油性悬浮颗粒及汗油性悬浮颗粒时限八小时。

P系列：防护非油性悬浮颗粒及汗油性悬浮颗粒无时限。过滤效能划分出了3个水平：95%，99%，99.97%，分别为N95，N99，N100,R95，R99，R100,P95，P99，P100。P100的防护等级最高。国标（GB2626-2006），按国标来说KN90为最基本的一个等级，KN95和N95的等级基本相当。

北京市环境保护检测中心2大气的垂直结构高层大气平流层对流层云团或悬浮微粒印度洋2.1对流层其底界为地面，上界为对流层顶，随纬度和季节而变化。低纬平均为17-18km;

中纬为10-12km;

高纬为8-9km。1.气温随高度的升高而降低。

气温垂直递减率(γ)：在垂直方向每变化100m气温的变化值。以温度随高度的升高而降低为正值，即：

γ>0:表示气温随高度升高而降低；

γ<0:表示气温随高度升高而升高，种气层称为逆温层

γ=0:表示气温随高度不变，这种气层称为等温层

2.空气具有强烈的对流运动。3.温度湿度水平分布不均匀。按照气流和天气的特点，还可把对流层分为下层、中层、上层和对流层顶等。

从对流层顶到55km左右的大气层，称为平流层，由于臭氧浓度高又称为臭氧层。

1.气温随高度的升高而升高；

2.气流比较稳定；

3.空气中水汽含量很少，天空晴朗，很少有

云出现。2.2平流层2.3中间层

平流层顶到85km

1.气温随高度的升高而迅速下降，顶部温度可达-83℃—-113℃。

2.空气垂直运动再次出现。3.几乎没有臭氧，二氧化碳、水汽稀少，无云层。

2.4热层

从中间层顶到800km1.随高度的增高，气温迅速升高

2.空气处于高度电离状态

2.5散逸层最高层，大气圈与星际空间过渡带1.气温升高

2.受地球引力小气象要素：表示大气属性和大气现象的物理量，如气温、气压、湿度、风向、风速、云量、降水量等。空气状态方程：3大气的物理性状气象要素：表示大气属性和大气现象的物理量，如气温、气压、湿度、风向、风速、云量、降水量等。

1.气温(t)定义：表示空气冷热程度的物理量。摄氏温标（℃）华氏温标（℉）：℉=9/5t(℃)+32绝对温标（K）：T=273+t(℃)3.1气象要素2.气压（p）定义：地球表面单位面积上所受到的大气压力，称为气压。单位：帕斯卡(Pa)，毫巴(mb),毫米水银柱(mmHg)1mb=100Pa=1hPa=3/4mmHg3.湿度定义：表示大气中水汽含量多少的物理量。大气的湿度状况是决定云、雾、降水等天气现象的重要因素。

1)水汽压

（e）：指大气中所含水分的分压力。p=pd+e2）饱和水气汽压（E）定义：在一定温度和气压下,空气中水汽达到饱和时的水汽压力称为饱和水汽压。饱和水汽压与温度的关系可用马格奴斯（Magnus）公式表示：

水面：a=7.45b=235

冰面:a=9.5b=265E0是0℃时的饱和水汽压6.1hp。t为蒸发面的温度（℃）。

(1)饱和水汽压随温度升高而很快增大。(2)饱和水汽压除与温度有关外，还与蒸发面的物态、形状以及蒸发面的溶液浓度等有关。

a、同一温度下，饱和水汽压；冰面<水面；凹面<平面<凸面。

b、凸面曲率增加，饱和水汽压增大；

c、随着溶液浓度增大，饱和水汽压减小。纯水面>溶液

定义：在某一温度下，饱和水汽压与实际空气中水汽压之差称为饱和差。d=E-ed表示实际空气距离饱和的程度，在研究水面蒸发时常用到。当空气饱和时，d=0；

当未饱和时，d>0；当过饱和时，d<0。3）饱和差(d)定义：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：U=e/E*100U的大小直接反映空气距离饱和的程度。

当空气饱和时：U=100%当未饱和时：U<100%当过饱和时：U>100%4）相对湿度定义：单位容积湿空气中含有水汽质量，单位取g/m3。5）绝对湿度（a）定义：在一团湿空气中，水汽的质量与该团空气的总质量（水汽质量加干空气质量）的比值，称为比湿。g/gq=mw/(mw+md)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。由此公式和状态方程可得：q=0.622e/p注意：上式中气压（P）和水汽压（e）必须采用相同的单位）。6）比湿(q)

定义：在空气中水汽含量不变，在一定的气压条件下使空气冷却达到饱和时的温度，称为露点温度,简称露点。单位与气温相同。7）露点(td)实际气温（t）与露点（td）之差表示空气距离饱和的程度。值越大说明相对湿度越小。当t>td时，空气未饱和；

t<td时，空气过饱和；

t=td时，空气饱和干球温度表

湿球温度表

最高温度表

最低温度表

双金属片温度计风：空气的水平运动就叫风。风向：指风的来向。地面风向用16个方位表示；高空风向用方位度数（共分360º）表示，以0º（或360º）表示正北，90º表示正东，180º表示正南，270º表示正西。风速：单位时间内空气移动过的距离（m/s、km/h）4.风例如：南风4级

八级西南风

云：是悬浮在大气中的水滴或冰晶混合的聚合体。底部不接触地面，并有一定的厚度。云的观测包括：云状、云量和云高5.云方法：将地平以上全部天空划分为10份，被云遮蔽的份数即为云量。（欧美将天空划为8份，以云占天空八分之几的面积计作云量）例：碧空无云：云量为0

天空一半为云：云量为5

遮空蔽日：云量为10云量：云遮蔽天空视野的成数。6.蒸发蒸发：气象学中把液态水变为水汽称为蒸发。蒸发量：指在一定时段内，水分经蒸发而逸入空中的量，称为蒸发量。mm蒸发量用小型和E601型蒸发器测定。7.降水定义：从云中降落到地面的液态或固态水称为降水。表示方法：降水的形态、降水的性质、降水量和降水强度表示。测定仪器：降水量采用雨量器测定，单位mm降水量连续变化采用翻斗式遥测雨量计和虹吸式雨量计测定。定义：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出目标物的最

大水平距离。单位:km

8.水平能见度实际上人皮肤对冷或热的感觉主要和热量交换的情况有关。当热量由皮肤传递给周围环境，人就感觉周围冷，当热量由周围环境传递给皮肤，人就感觉周围热。气温与人的舒适度当然，热量传递的方向必须是从高温向低温。但人感觉热