第三節(jié)大氣的物理性狀

1、第三節(jié) 有關(guān)大氣的物理性狀 一、主要氣象要素二、空氣狀態(tài)方程一、主要氣象要素 把表示大氣現(xiàn)象和大氣屬性的物理量，稱為氣象要素。 氣壓、溫度、濕度（表示空氣的性質(zhì)） 風(fēng)向、風(fēng)力（空氣的運動狀況） 云量、能見度（表征物理現(xiàn)象） 降水量、日照、輻射等1、氣壓 （ P）v定義：在靜止大氣中，任意高度的氣壓值是從觀測高度到大氣上界，單位面積上垂直空氣柱的重量即為大氣的壓強，表示為： A為面積，M為質(zhì)量，g為重力加速度v單位 毫米水銀柱高度（mmHg mm）、百帕（hpa）AMgPv氣壓單位換算： 1hpa0.75mm34mmv標(biāo)準(zhǔn)大氣壓： 當(dāng)選定緯度（）45，溫度為0時，海平面上氣壓值 P。1013.2

2、5hpa，760 mmHg 稱為1個大氣壓。 地面氣壓：9701040hpa 極大值：1083.8hpa 極小值：低于935hpav測量儀器：水銀氣壓表。水銀氣壓表2、氣溫（T） 表示空氣冷熱程度的物理量。 氣溫的單位： （1）攝氏溫標(biāo)（） （2）絕對溫標(biāo)（K ） T=t+273.15t+273 （3）華氏溫標(biāo)（ ）較少英語國家使用 （美國） (4) 氣溫的測定 大氣中的溫度一般以百葉箱中干球溫度為代表。 百葉箱 干濕球溫度計百葉箱的作用及干濕溫度計的原理： 百葉箱：安裝溫、濕度儀器用的防護(hù)設(shè)備。 作用：是防止太陽對儀器的直接輻射和地面對儀器的反射輻射，保護(hù)儀器免受強風(fēng)、雨、雪等的影響，并使儀

3、器感應(yīng)部分有適當(dāng)?shù)耐L(fēng)，能真實地感應(yīng)外界空氣溫度和濕度的變化。由于百葉箱的高度在地面以上1.52.0米之間，因此最高、最低氣溫是指近地面處的空氣溫度。 干濕球溫度計：是一種測定氣溫、氣濕的一種儀器。它由兩支相同的普通溫度計組成，一支用于測定氣溫，稱干球溫度計；另一支在球部用蒸餾水浸濕的紗布包住，紗布下端浸入蒸餾水中，稱濕球溫度計。 干濕溫度計的原理: 干濕溫度計的干球探頭直接露在空氣中，濕球溫度探頭用濕紗布包裹著，其測濕原理就是，在一定風(fēng)速下，濕球外邊的濕紗布的水分蒸發(fā)帶走濕球溫度計探頭上的熱量，使其溫度低于環(huán)境空氣的溫度；而干球溫度計測量出來的就是環(huán)境空氣的實際溫度，此時，濕球與干球之間的溫

4、度差與環(huán)境的相對濕度有一個相應(yīng)的關(guān)系，但該關(guān)系是非線性的。用公式表達(dá)起來相當(dāng)復(fù)雜。這兩者之間的關(guān)系會受好多因素的影響如：風(fēng)速，溫度計本身的精度，大氣壓力，干濕球溫度計的球泡表面積大小，紗布材質(zhì)等等。 根據(jù)測出的干球溫度和濕球溫度,查“濕空氣線圖”，可以得知此狀態(tài)下空氣的溫度、濕度、比熱、比焓、比容、水蒸氣分壓、熱量、顯熱、潛熱等資料。例如：干球18度，濕球15度時，其度差3度之縱欄與濕球15度之橫欄交叉68度就是表示濕氣為68%。3、濕度 表示空氣潮濕程度或水汽含量多少的物理量。 （1）水汽壓（e）、飽和水汽壓（E） （2）相對濕度（f） （3）飽和差（d） （4）比濕（q）和水汽混合比（r）

5、 （5）露點溫度（td） （1）水汽壓e和飽和水汽壓E： 水汽壓：大氣中的水汽所產(chǎn)生的那部分壓力稱水汽壓（e）。單位：用hPa表示。 飽和水汽壓：在溫度一定情況下，單位體積空氣中的水汽量有一定限度，如果水汽含量達(dá)到此限度，空氣就呈飽和狀態(tài)，這時的空氣，稱飽和空氣。飽和空氣的水汽壓（E）稱飽和水汽壓，也叫最大水汽壓，因為超過這個限度，水汽就要開始凝結(jié)。實驗和理論都可證明，飽和水汽壓隨溫度的升高而增大。在不同的溫度條件下，飽和水汽壓的數(shù)值是不同的。（2）相對濕度：f 相對濕度（f）就是空氣中的實際水汽壓與同溫度下的飽和水汽壓的比值（用百分?jǐn)?shù)表示），即 feE100% 物理意義：相對濕度直接反映空氣

6、距離飽和的程度。 當(dāng)其接近100時，表明當(dāng)時空氣接近于飽和。當(dāng)水汽壓不變時，氣溫升高，飽和水汽壓增大，相對濕度會減小。 （3）飽和差：d 在一定溫度下，飽和水汽壓與實際空氣中水汽壓之差稱飽和差（d）。 即 d=E-e， 物理意義：d表示實際空氣距離飽和的程度。 (4)比濕：q 定義：在一團(tuán)濕空氣中，水汽的質(zhì)量與該團(tuán)空氣總質(zhì)量（水汽質(zhì)量加上干空氣質(zhì)量）的比值，稱比濕（q）。 單位: g/g 表示每一克濕空氣中含有多少克的水汽。 g/kg 表示每千克質(zhì)量濕空氣中所含水汽質(zhì)量的克數(shù)。 式中，mw為該團(tuán)濕空氣中水汽的質(zhì)量；md為該團(tuán)濕空氣中干空氣的質(zhì)量。據(jù)此公式和氣體狀態(tài)方程可導(dǎo)出: 注意式中氣壓（P

7、）和水汽壓（e）須采用相同單位（hPa），q的單位是g/g 由上式知，對于某一團(tuán)空氣而言，只要其中水汽質(zhì)量和干空氣質(zhì)量保持不變，不論發(fā)生膨脹或壓縮，體積如何變化，其比濕都保持不變。因此在討論空氣的垂直運動時，通常用比濕來表示空氣的濕度。 eper622.0622.0（5）水汽混合比 一團(tuán)濕空氣中，水汽質(zhì)量與干空氣質(zhì)量的比值稱水汽混合比（）即：（單位：g/g） 據(jù)其定義和氣體狀態(tài)方程可導(dǎo)出： 物理意義：表示空氣中水汽含量的多寡。（6）露點：Td 在空氣中水汽含量不變，氣壓一定下，使空氣 冷卻達(dá)到飽和時的溫度，稱露點溫度，簡稱露點（Td）。 單位：與氣溫相同為。 在氣壓一定時，露點的高低只與空氣中

8、的水汽含量有關(guān)，水汽含量愈多，露點愈高，所以露點也是反映空氣中水汽含量的物理量。在實際大氣中，空氣經(jīng)常處于未飽和狀態(tài)，露點溫度常比氣溫低（TdT）。因此，根據(jù)T和Td的差值，可以大致判斷空氣距離飽和的程度。 4、降水量v降水從天空降落到地面的液態(tài)和固態(tài)水,包括雨，毛毛雨、雪、雨夾雪、霰、冰粒和冰雹等。v降水量降水落至地面（呈液態(tài)），未經(jīng)蒸發(fā)、滲透、流失而在水平面上積聚的深度。單位：mm24h、mm/1h 降水量是表征某地氣候干濕狀態(tài)的重要要素，雪深和雪壓還反映當(dāng)?shù)氐暮涑潭取?測量降水量的儀器：雨量器和雨量計兩種雨量器：是用于測量一段時間內(nèi)累積降水量的儀器。常見的雨量器外殼是金屬圓筒，分上下兩

9、節(jié)，上節(jié)是一個口徑為20厘米的盛水漏斗，為防止雨水濺失，保持容器口面積和形狀，筒口用堅硬銅質(zhì)做成內(nèi)直外斜的刀刃狀；下節(jié)筒內(nèi)放一個儲水瓶用來收集雨水。測量時，將雨水倒入特制的雨量杯內(nèi)讀出降水量毫米數(shù)。降雪季節(jié)將儲水瓶取出，換上不帶漏斗的筒口，雪花可直接收集在雨量筒內(nèi)，待雪融化后再讀數(shù)，也可將雪稱出重量后根據(jù)筒口面積換算成毫米數(shù)。 5、風(fēng)v概念相對于地表的空氣的水平運動，是 一個向量既有大?。L(fēng)速），又有方向（風(fēng)向）。表示氣流運動的一個物理量。 （1）風(fēng)向指風(fēng)的來向。用方位或方位度來表示。 （2）風(fēng)速 單位時間內(nèi)空氣在水平方向上移動的距離。 單位: m/s，km/h。 地面風(fēng)用方位表示，高空風(fēng)則用

10、方位度表示。有16個方位，從正北0 開始按順時針方向，每隔22.5為一方位。風(fēng)向桿風(fēng)向的表示： 風(fēng)力情況由風(fēng)矢表示，由風(fēng)向稈和風(fēng)羽組成。 風(fēng)向稈: 指出風(fēng)的方向，有8個方位。 風(fēng)羽: 由3、4個短劃和三角表示大風(fēng)風(fēng)力，垂直在風(fēng)向桿末端右側(cè)（北半球 ） 1-2級： 1 豎杠 1 橫 3-4級： 1 豎杠 2 橫 5-6級： 1 豎杠 3 橫 7-8級： 1 豎杠 4 橫 8級以上：1 豎杠 1 三角 像個小旗子 風(fēng)的等級劃分：等級名稱風(fēng) 速陸 地 現(xiàn) 象海面狀態(tài)（m/s）（Km/h）0無風(fēng)00.2小于1靜，煙直上。平靜如鏡1軟風(fēng)0.31.515煙能表示風(fēng)向，但風(fēng)向標(biāo)不能轉(zhuǎn)動。微浪2軟風(fēng)1.63.

11、3611人面感覺有風(fēng)，樹葉有微響，風(fēng)向標(biāo)能轉(zhuǎn)動。小浪3微風(fēng)3.45.41219樹葉及微枝擺動不息，旗幟展開。小浪4和風(fēng)5.57.92028能吹起地面灰塵和紙張，樹的小枝微動。輕浪5清勁風(fēng)8.010.72938有葉的小樹枝搖擺，內(nèi)陸水面有小波。中浪6強風(fēng)10.813.83949大樹枝擺動，電線呼呼有聲，舉傘困難。大浪7疾風(fēng)13.917.15061全樹搖動，迎風(fēng)步行感覺不便。巨浪8大風(fēng)17.220.76274微枝折毀，人向前行感覺阻力甚大猛浪9烈風(fēng)20.824.47588建筑物有損壞（煙囪頂部及屋頂瓦片移動）狂濤10狂風(fēng)24.528.489102陸上少見，見時可使樹木拔起將建筑物損壞嚴(yán)重狂濤11暴

12、風(fēng)28.532.6103117陸上很少，有則必有重大損毀非凡現(xiàn)象12颶風(fēng)32.7118陸上絕少，其摧毀力極大非凡現(xiàn)象風(fēng)的作用：用來發(fā)電，幫助植物散播花粉等。 6、云量 云：水汽凝結(jié)成的小水滴或冰晶懸浮在空中的聚合體，距地面有一定的高度的為云。 把天空分成10份，其遮蓋的成份為云量。 晴、少云 3份 多云 37份 陰 7份 云量是表征云遮蔽天空視野的成數(shù)。例如，碧空無云，云量為0，天空一半為云所覆蓋，則云量為5。 7、能見度 視力正常人在當(dāng)時天氣條件下，用目力所能辨出目標(biāo)物的最大水平距離。 單位：米（m）或千米(km)。 物理意義：是反映大氣透明度的一個指標(biāo)。能見度劃分標(biāo)準(zhǔn)：能見度劃分標(biāo)準(zhǔn)： (

13、1)能見度20-30公里 能見度極好 視野清晰 (2)能見度15-25公里 能見度好 視野較清晰 (3)能見度10-20公里 能見度一般 (4)能見度5-15公里 能見度較差 視野不清晰 (5)能見度1-10公里 輕霧 能見度差 視野不清晰 (6)能見度0.3-1公里 大霧 能見度很差 (7)能見度小于0.3公里 重霧 能見度極差 (8)能見度小于0.1公里 濃霧 能見度極差 二、空氣狀態(tài)方程 空氣狀態(tài)方程: 空氣的狀態(tài)一般由P、 、T、V來表示，并且四個量之間有一定的關(guān)系，它們的關(guān)系式，就是狀態(tài)方程。例如，一小團(tuán)空氣從地面上升時，隨著高度的增大，其受到的壓力減小，隨之發(fā)生體積膨脹增大，因膨脹

14、時做功，消耗了內(nèi)能，氣溫乃降低。表示空氣狀態(tài)的方程有干空氣的狀態(tài)方程 和濕空氣狀態(tài)方程兩種。 干濕空氣狀態(tài)方程的物理意義在于用可測量的P T替代了不可測量的。 理想氣體的狀態(tài)方程： 根據(jù)大量的科學(xué)實驗總結(jié)出，一切氣體在壓強不太大，溫度不太低（遠(yuǎn)離絕對零度）的條件下，一定質(zhì)量氣體的壓強和體積的乘積除以其絕對溫度等于常數(shù)，即 上式是理想氣體的狀態(tài)方程。實際上，理想氣體并不存在，但在通常大氣溫度和壓強條件下，干空氣和未飽和的濕空氣都十分接近于理想氣體。 在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（P0=1013.25hPa，T0=273K），1mol的氣體，體積約等于22.4L，即V0=22.4L/mol 。因此， 該值對1mo

15、l任何氣體都適用，所以叫普適氣體常數(shù)。 對于質(zhì)量為M克，1摩爾氣體的質(zhì)量是的理想氣體，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，其體積V等于1摩爾氣體體積的倍 ，即 這是通用的質(zhì)量為M的理想氣體狀態(tài)方程，又稱做門捷列夫-克拉珀瓏方程。它表明氣體在任何狀態(tài)下，壓強、體積、溫度和質(zhì)量4個量之間的關(guān)系（計算時要注意單位的統(tǒng)一）。 在氣象學(xué)中，常用單位體積的空氣塊作為研究對象，為此，常將（116）式中4個量的關(guān)系變?yōu)閴簭姟囟群兔芏?個量間的關(guān)系，即 如前所述可以把干空氣（不含水汽、液體和固體微粒的空氣）視為分子量為28.97的單一成分的氣體來處理，這樣干空氣的比氣體常數(shù)Rd為 干空氣的狀態(tài)方程為 P=RdT 上式表明，在溫度一定時氣體的壓強與其密度成正比，在密度一定時氣體的壓強與其絕對溫度成正比。虛溫：TV 虛溫是在濕空氣狀態(tài)方程中引進(jìn)的一個虛設(shè)的物理量，即 意義是在同一壓強下，干空氣密度等于濕空氣密度時，干空氣應(yīng)有的溫度，虛溫不可直接測量。 虛溫和實際溫度之差T為： 可見空氣中水汽壓e愈大，這一差值便愈大。在低層大氣，尤其是在夏季，e值較高，這時必須用濕空氣狀態(tài)方程，但在高空，e