第一章 大气概述

1. 第一章大气概述 第一节 　大气的组成 第二节大气的结构 第三节 　主要气象要素

2. 第一节 大气的组成 一、干洁空气 1 概念：大气中除水汽、液体和固体杂质外的整个混合气体。 2 成分：主要成分是氮、氧、氩、二氧化碳等，此外还有少量的氢、 　　　　　氖、氪、氙、臭氧等稀有气体 。 3 特点：(1)组成干洁空气的各种成分总是维持，(2)干洁空气的平均分子量是28.996，(3)在垂直高度90km以下干洁空气的主要成分所占比例不变 4 干洁空气中几种有影响的气体 （1）臭氧:含量少，20-25km最多；影响气温垂直分布，保护生物 （2）二氧化碳：集中于大气底部20公里，因时间和空间而不同(夏季较 　　　　　　　 少，冬季较多；城市较多，农村较少)强烈吸收长波辐 射,影响大气和地面温度；但含量过高影响会响人类健 　　　　　　　 康。

3. 二、水汽 来源：江、河、湖、海及潮湿物体表面的水分蒸发. 分布：集中在大气底层，一般随高度的增高而减少;且因纬度、地势高　 　　　 低以及海陆的不同而有差异：低纬＞高纬、夏季＞冬季、湿润地 区＞干旱地区 作用：是大气唯一能发生相变的气体，产生天气现象； 　　　 对地面和空气温度产生影响； 　　　 在水平和垂直方向上进行物质与能量的交换。 三、大气中的固体杂质和液体微粒 1.固体杂质 　定义：悬浮于大气中的烟粒、尘埃、盐粒等。 来源：物质燃烧的烟粒、海水飞溅扬入大气后而被蒸发的盐粒，被风吹 起的土壤微粒及火山喷发的烟尘，流星燃烧所产生的细小微粒和 宇宙尘埃,还有细菌、微生物、植物的孢子花粉等 。

4. 含量分布：多集中在大气的底层，随时间、地区和天气含量分布：多集中在大气的底层，随时间、地区和天气 条件而变化（陆上多于海上,城市多于乡村， 冬季多于夏季 ） 作用:(1)吸收一部分太阳辐射和阻挡地面放热，对地面 和空气温度有一定影响； (2)使大气能见度变坏 ； (3)充当水汽凝结的核心，对云、雨的形成起重要 　　　　作用。 2.液体微粒 定义：悬浮大气中的水滴、过冷水滴和冰晶等水汽凝结 物。 作用：它们常聚集在一起，以云、雾等形式出现，使能 见度变坏，还能减弱太阳辐射和地面辐射。

5. 四、大气污染 定义：由于工业、交通运输业的发展，在废气不加以回收利用的情况下，空 　　　气中增加了许多新的成分，这就是所说的大气污染。 大气污染物:如下表 防止措施：建立监测网，进行污染预报；通过集尘器和清洗器在排气前清除　 　　　　　污染物质；发展无烟囱工厂的闭合工艺过程以及合理布局工业 　　　　　等。造林绿化也是保护环境，净化空气，防止大气污染的重要措 　　　　　施。

6. 第二节 大气的结构 一、大气的高度 严格地说，不存在大气圈的上界。 大气圈的垂直范围通常有两种划法： （一）着眼于大气中出现的某些物理现象。大气中极光是出现高度最高 的物理现象，因此，可以把大气的上界定为1200公里。 　 （二）着眼于大气密度，用接近于星际的气体密度的高度来估计大气 的上界。按照人造卫星探测资料推算，这个上界大约在2000— 3000公里高度上。

7. 二、大气的垂直分层 观测证明，大气在垂直方向上的物理性质是有显著差 异的。根据温度、成分、电荷等物理性质，同时考虑到 大气的垂直运动等情况，可将大气分为五层 ：对流层、 平流层、中间层、暖层、散逸层(图1-1)。 （一）对流层 对流层是地球大气中最低的一层，其底界是地面。 云、雾、雨、雪等主要大气现象都出现在此层。因而， 对流层是对人类生产、生活影响最大的一个层次，也是 气象学研究的重点层次。

9. 1.界限：底层是下地垫面，上层随纬度和季节而不同1.界限：底层是下地垫面，上层随纬度和季节而不同 • 低纬度地区平均为17-18公里，中纬度地区为10-12公里，高纬度地区为8-9公里 • 任何纬度尤其是中纬度的对流层厚度，夏季较大，冬季较小 • 同大气的总厚度比较起来，对流层是非常薄的，不及整个大气厚度的1％。但是，由于地球引力的作用，这一层却集中了整个大气3／4的质量和几乎全部的水汽。 2.主要的特征: (1)气温随高度的升高而降低：由于对流层主要是从地面得到热量，因此温度随高度增加而降低。 气温铅直梯度：对流层中气温随高度而降低的数值，在不同地区、不 同季节、不同高度是不一致的，平均而言，每上升100米， 气温 下降约0.65℃。这称为气温直减率，也叫气温铅直梯度。通常以y 表示：y=-dT/dZ=0.65℃/100m .(1-1)

10. (2)铅直对流运动：由于地表面的不均匀加热，产生铅直对流(2)铅直对流运动：由于地表面的不均匀加热，产生铅直对流 运动。空气通过对流和湍流运动，高、低层的空气进 行交换，使近地面的热量、水汽、杂质等易于向上输 　　　 送，对成云致雨有重要作用。 (3)气象要素水平分布不均匀：由于对流层受地表的影响最 大，而地表的性质差异也是很大的，因此在对流层 　　 　中，温度、湿度的水平分布是不均匀的，特别是冷、 暖气团交绥的地带，即所谓锋区，往往有严重的天气 现象发生，如寒潮、梅雨、暴雨、大风、冰雹等。

11. 3.对流层的分层 按气流和天气现象分布的特点又可分为下层、中层和上层。 (1)下层：下层又称扰动层或摩擦层。其范围一般是自地面到2公里高度。 　 特点：气温有明显的日变化；湍流交换作用特别强盛；由于本层的水汽、 尘粒含量较多，因而低云、雾、霾、浮尘等出现频繁；随着高度的 增高，风速增大，风向偏转。 (2)中层：中层的底界即摩擦层顶，上界高度约为6公里。 它受地面影响比摩 擦层小得多，气流状况基本上可表征整个对流层空气运动的趋势。 大气中的云和降水大都产生在这一层内。 (3)上层：上层的范围是从6公里高度伸展到对流层的顶部。这—层受地面的 影响更小，气温常年都在0℃以下，水汽含量较少，各种云都由冰 晶和过冷水滴组成。在中纬度和热带地区，这—层中常出现风速等 于或大于30米／秒的强风带，即所谓的急流 。 此外，在对流层和平流层之间，有一个厚度为数百米到1—2公里的过渡 层，称为对流层顶。这一层的主要特征是:温度随高度增加而降低很 慢，或者几乎为等温。

12. (二)平流层 1.界限：自对流层顶到55公里左右 2.特点: 1)随着高度的增高，气温最初保持不变或微有上升，到25公里以上，气 温随高度增加而显著升高，在55公里高度上可达-3℃ (图1-1)； 2)气流比较平衡，空气的垂直混合作用显著减弱；多晴好天气，能见度高。 (三)中间层 　　自平流层顶到85公里左右为中间层。该层的特点是:气温随高度增高而迅速下降，并有相当强烈的垂直运动。该层的60-90公里高度上，有一个只在白天出现的电离层，叫做D层。 (四)暖层：中间层顶至800公里高度 　　　暖层有两个特点：(1)随着高度的增高，气温迅速升高空气就更稀薄。 (2)空气处于高度电离状态。从这一特征来说，暖层又可称为 　　　　　　　　　　　　 电离层。 (五)散逸层 800公里高度以上的大气层，统称为散逸层。这一层的气温随高度的增高而升 高。这一层的主要特征是大气质点经常散逸至星际空间。

13. 第三节 主要气象要素 气象要素：指表示大气中物理现象的物理量。如气压、温度、湿 度、风向、风力、云量、能见度、降水量、日照、辐 射等。 一、气温 • 表示空气冷热程度的物理量，称为气温。在一定的容积内，一定质量空气温度的高低与气体分子运动的平均动能多少有关，而气体分子运动的平均动能只与温度有关，且与绝对温度了成正比。因此，空气冷热的程度，实质上是空气分子平均动能。

14. 大小的表现：当空气获得热量时，它的分子运动的平均速度增大，随之平均动能增加，气温也就升高；反之当空气失去热量时，它的分子运动平均速度减小，随之平均动能也减少，气温也就降低。大小的表现：当空气获得热量时，它的分子运动的平均速度增大，随之平均动能增加，气温也就升高；反之当空气失去热量时，它的分子运动平均速度减小，随之平均动能也减少，气温也就降低。 • 　气温的单位：目前我国规定用摄氏(℃)温标。以气压为760mmHg时纯水冰点为零度，沸点为100度，其间等分100等分即为1℃。在理论研究上常用绝对温标，以K表示，这种温标中一度的间隔和摄氏温标相同，但其零度规定为摄氏-273.16℃，称为“绝对零度”，水的冰点为273.16K，沸点定为373.16K。

15. 两种温标之间的换算关系如下： T=t+273.16≈t+273 (1-2) • 大气中的温度一般以百叶箱中干球温度为代表。 二、气压 气压指大气的压强。它是空气的分子运动与地球重力场综合作用的结果。若以P代表气压，F代表面积A上所承受的力， 　则：P＝F/A

16. dP=-pgdz式称为静力方程。它表达了大气在垂直方向上处于静力平衡状态时，气压变化和高度变化之间的定量关系。dP=-pgdz式称为静力方程。它表达了大气在垂直方向上处于静力平衡状态时，气压变化和高度变化之间的定量关系。 • 地面气压分布一般在940—1040mb之间，在台风中心可能低于900mb，在西伯利亚高压中心可能高于1080mb。

17. 三、湿度 　　　表示大气中水汽量多少的物理量，称为湿度。大气的湿度状况是决定云、雾、降水等天气现象的重要因素。 　　　大气湿度可用下述几种方法表示：水汽压和饱和水汽压 • 在温度一定的情况下，单位体积空气中能容纳的水汽数量有一定的限度，如果水汽含量达到了这个限度，空气就呈饱和状态，这时的空气，称为饱和空气。饱和空气中的水汽压，称为饱和水汽压(E).

18. 相对湿度 　　 所谓相对湿度(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(用百分数来表示)，即： f＝e/F×100% • 饱和差 　　　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)：d=E—e，d表示实际空气距离饱和的程度，在研究水面蒸发时常用到d，它可指出水分子的蒸发能力。

19. 露点 在空气中水汽含量不变，在一定的气压条件下，使空气冷却到达饱和时的温度，称为露点温度，简称露点(Td)。它的单位与气温相同。 例如上海某日14时的气温为30℃，对应的饱和水汽压为42.5mb，当时的实际水汽压为31.7mb，很明显，这时的空气是未饱和的。如果实际水汽压不变，气压也不变，只有降低空气温度才能使空气达到饱和。而饱和水汽压为 31.7mb时的气温为25℃，故只有当温度由30℃降到25℃时，空气才由未饱和状态变为饱和状态。因此，上海该日14时的露点是25℃。

20. 　　气压一定时，露点的高低只与空气中的水汽含量有关，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(Td＜T)。只有空气达饱和时，露点温度才和气温相等(Td=T)。因此，根据T和Td的差值，还可大致判断空气距离饱和的程度。　　气压一定时，露点的高低只与空气中的水汽含量有关，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(Td＜T)。只有空气达饱和时，露点温度才和气温相等(Td=T)。因此，根据T和Td的差值，还可大致判断空气距离饱和的程度。 • 上述湿度的各种表示：绝对湿度、水汽压、比湿、露点基本上表示空气中水汽含量的多寡；而相对湿度、饱和差、温度露点差则表示空气距离饱和的程度。

21. 四、降水P17 五、风 • 空气的水平运动就叫风。风是一个表示气流运动的物理量。它和气压、气温、湿度等要素不同，不仅具有数值的大小(即风速)，还具有方向(即风向)。因此风是向量，它是天气预报的重要项目，又是天气预报的重要依据。 • 　 风向是指风的来向。地面风向用十六方位来表示。高空风向常用方位度数(共分360度)表示，以0度(或360度)表示正北，90度表示正东，180度表示正南，270度表示正西。在十六方位中每相邻方位间的角差为22.5度。 六、云量 七、能见度

22. 思考： 1、什么是干空气状态方程，解释各项物理意义。 2 、什么是气候系统，你是怎样认识它的。