大氣物理性狀

在氣象學上，大氣的物理性狀主要以

氣象要素和空氣狀態(tài)方程來表征。第三節(jié)大氣物理性質(zhì)

一、大氣質(zhì)量二、氣象要素三、氣體狀態(tài)方程第三節(jié)大氣的物理性質(zhì)一、大氣的質(zhì)量

假定大氣是均質(zhì)的，以氣溫0℃時、45°N（或45°S）處、海平面上的大氣密度ρ0為標準（ρ0=1.293kg.m-3），則此時大氣厚度（Z0）經(jīng)理論計算約為8,000m。于是單位截面積的大氣柱中空氣的質(zhì)量為：m0=ρ0·Zo=1.293×8000=10344kg.m-2

假定條件下的大氣質(zhì)量：據(jù)此推算，地球表面大氣的總質(zhì)量大約有5.3×1015t。

第三節(jié)大氣物理性質(zhì)

一、大氣質(zhì)量

二、氣象要素三、氣體狀態(tài)方程主要氣象要素：氣象要素是指表示大氣屬性和大氣現(xiàn)象的物理量。按觀測手段的不同，分兩大類：目測：主要靠目力和分析判斷，定性或半定量地測定。如：云、能見度、天氣現(xiàn)象（雨、雪、冰雹、霧等）器測：利用儀表定量地測定。如：溫度、濕度、氣壓氣象要素，特別是其中的若干器測項目，是氣候?qū)W研究的基礎。二、氣象要素

定義：表示大氣狀態(tài)和特征的物理量和物理現(xiàn)象。

內(nèi)容：

日射、溫度、濕度、氣壓、風、云、降水、蒸發(fā)、能見度和天氣現(xiàn)象等。

天氣現(xiàn)象：

在大氣中或地面上產(chǎn)生的降水、水汽凝結(jié)物（云除外）、凍結(jié)物、干質(zhì)懸浮物和光、電的現(xiàn)象，也包括一些風的特征。

大風、颮

常見天氣現(xiàn)象：

雨、陣雨、毛毛雨

雪、陣雪、雨夾雪、陣性雨夾雪、霰、米雪、冰粒、冰雹、冰針

霧、輕霧、露、霜、雨淞、霧淞

吹雪、雪暴、龍卷、積雪、結(jié)冰

沙塵暴、揚沙、浮塵、煙幕、霾、塵卷風

雷暴、閃電、極光二、氣象要素：（一）氣壓1、定義：單位面積上受到的整個空氣柱的質(zhì)量，即空氣的壓力。實質(zhì)：氣壓的大小決定于整個空氣柱的質(zhì)量多少。大氣壓強存在事例：實驗一：馬德堡半球?qū)嶒灢怀闅鈺r，內(nèi)外氣壓相等，很容易開合半球。抽去里面的空氣后，可以近似看作氣壓為零，而球外是正常的大氣壓，然后用幾匹馬向兩邊拉球而拉不開，說明正常的大氣壓的壓力是很大的。實驗二：“瓶吞蛋”實驗。

在瓶內(nèi)點燃浸過酒精的棉花，然后用剝了皮的熟雞蛋堵住瓶口，雞蛋就會進入瓶內(nèi)。實驗三：“覆杯實驗”

如圖所示，將一個杯子灌滿水，取一紙片(或玻璃片、薄鐵片)蓋于杯口．然后用手扶著紙片將杯子緩慢倒置后，再放開扶紙片的手．水竟不落下來!如此說明空氣對紙片有壓力，即說明大氣壓強的存在．大氣壓強相當10m高水柱的壓強杯子里的水一般只有約0.1m高。三個試驗說明：大氣存在壓強－－－“瓶吞蛋”表明大氣豎直向下有壓強，“覆杯實驗”表明大氣向上有壓強。－－大氣向各個方向都有壓強。2、大氣壓強的大小：托里拆利實驗：

托里拆利實驗：2、大氣壓強的大?。河捎赑氣=P水=ρ水gh水，而ρ水太小，需h水很大，玻璃管的長度有限，改用增大ρ液，減小h液的方法，取ρ液很大的液體——水銀來測大氣壓的大小。伽利略的學生托里拆利1644年

1662年,往A處灌汞，B處有何變化？AB3、影響氣壓因素（1）濕度與大氣壓強

濕度越大大氣壓強越大嗎？濕衣服干衣服濕空氣干空氣大氣壓隨空氣濕度的增大而減小．大氣處于地球周圍的一個開放空間，干空氣的分子量是28.966，而水汽的分子量是18.016，故干空氣分子要比水汽分子重。在相同狀況下，干空氣的密度也比水汽的密度大。------------------------------------------------------------------1mol干空氣，1mol濕空氣（2）溫度與壓強：溫度越高大氣壓強越大嗎？

當我們給盛有空氣的密閉容器加熱的時候，則其壓強當然也會增大．而對大氣來說情況就不同了．（3）為什么海拔越高。氣壓越低呢？影響氣壓的因素：海拔、空氣濕度、溫度、大氣的運動狀態(tài)等因素。

ABC1000hPa650hPa500hPa0km4km5km5.5km溫度相同ABC1000hPa650hPa500hPa0km4km5km5.5kmA：變冷；B:溫度不變；C:變暖4、氣壓的單位：（1）毫米(mm)：是用水銀柱高度來表示氣壓高低的單位。例如，氣壓為760mm，表示當時的大氣壓強與760mm高的水銀柱所產(chǎn)生的壓強相等。4、氣壓單位：

（1）毫米(mm)（2）毫巴(mb)：用單位面積上所受水銀柱壓力大小來表示氣壓高低的單位。（物理學中的單位）（3）hpa

（2）毫巴(mb)：

物理學上，壓強的單位是用“巴”表示的：每一平方厘米面積上受到一達因的力，稱為一巴。在氣象上，嫌這個單位太小，取1,000,000達因/平方厘米為1巴，以巴的千分之一作為氣壓的單位，稱為1毫巴。即：

1巴=1000毫巴（mb）

1毫巴=1000達因/厘米2

因此，1毫巴表示在1平方厘米面積上受到1000達因的力。例如，氣壓為1000mb，表示當時大氣柱在每平方厘米面積上的力有1,000,000達因。

毫米水銀柱與毫巴可以相互換算：根據(jù)壓強與水銀柱高度的關系式：

P(壓強)=h(水銀柱高度)×d(水銀在0℃時的密度)氣壓為水銀柱高度1毫米=0.1厘米×13.596克重/厘米3=1.3596克重/厘米2

5、標準大氣壓：大氣是均質(zhì)的，以氣溫0℃時、45°N（或45°S）處、所測得的水銀柱高度為760MM的大氣壓強，為一個標準大氣壓，即1013.25mb或hpa測氣壓儀器水銀氣壓表氣壓計二、氣象要素（一）氣壓1、氣壓定義2、壓強的大小3、影響氣壓因素4、氣壓單位5、標準大氣壓第三節(jié)大氣物理性質(zhì)

一、大氣質(zhì)量二、氣象要素三、氣體狀態(tài)方程氣壓氣溫風濕度能見度云二、氣象要素-----(二)氣溫定義：大氣的冷熱程度的物理量大氣溫度以百葉箱中的干濕溫度計的讀數(shù)為標準。大氣中的溫度一般以百葉箱中干球溫度為代表，距地面1.5m高處氣溫的單位：攝氏溫標我國規(guī)定:以氣壓為1013.25時純水的冰點為00C，沸點溫度為1000C，其間等分100等份，每一份為10C。氣溫的單位（1）攝氏度溫標（oC）（2）絕對溫標（K）：開爾文、開一度的間隔與攝氏度相同，但其零度稱為“絕對零度”（任何物質(zhì)系統(tǒng)達此溫度時，能量變?yōu)樽钚。?，?273.15oCT=t+273.15≈t+273理論計算中常用（3）華氏溫標（oF）目前某些說英語的國家有人使用一個大氣壓下，水的冰點32oF，沸點212oF，其間分成180等分tF=9/5t+32t=5/9（tF-32）

世界溫度極值：1936年在索馬里測得63.0oC1967年挪威在南極極點附近記錄到-94.5oC

相差近160oC我國極值：1965年7月新疆吐魯番民航機場48.9oC1969年2月13日黑龍江漠河–52.3oC

相差超過100oC二、氣象要素--（三）空氣濕度

空氣濕度：空氣中水汽含量的多少或潮濕程度。濕度參量：表征空氣中水汽含量的多少和潮濕程度的物理量。濕度參量水汽壓、飽和水汽壓相對濕度露點溫度飽和差比濕混合比絕對濕度空氣濕度參量

1、水汽壓（e）反映空氣中水汽含量的多少水汽含量水汽壓e

定義：空氣中水汽的分壓強。單位：百帕(hPa)1百帕(hPa)=100帕斯卡(Pa)空氣中的水汽含量是有限的，當水汽含量達到極限時，此時的空氣為飽和空氣。飽和空氣中水汽所產(chǎn)生的壓力即為飽和水汽壓。水汽壓為E注意：每一個溫度對應一個飽和水汽壓的值。水汽含量沒有達到極限的空氣稱為未飽和濕空氣，其水汽壓為e2、飽和水汽壓（E）反映空氣的最大水汽容納能力飽和水汽壓取決于溫度（馬格奴斯半經(jīng)驗公式）定義：飽和濕空氣中水汽的分壓強。影響因子：EET

溫度

TE

蒸發(fā)面性質(zhì)

E過冷卻水＞E冰蒸發(fā)面形狀

E凸面＞E平面＞E凹面

液體含鹽度含鹽度

E3、相對濕度（f）定義：空氣的實際水汽壓與同溫度下的飽和水汽壓的百分比值。反映空氣的潮濕程度，表示空氣距飽和的程度

溫度不變，E不變：水汽含量

ef水汽含量不變，e不變：溫度

Ef4、比濕（q）、混合比（S）、絕對濕度（a）比濕：濕空氣中水汽的質(zhì)量與濕空氣總質(zhì)量的比值。

=0.622e/P

混合比：濕空氣中水汽的質(zhì)量與濕空氣中干空氣質(zhì)量的比值。m水汽m干空氣S＝————比濕和混合比具有保守性絕對濕度（水汽密度）：單位體積濕空氣中水汽的質(zhì)量。a＝———m水汽V根據(jù)狀態(tài)方程推到=0.622e/P

對于某一空氣團而言，在它發(fā)生膨脹或壓縮的時候，其中水汽質(zhì)量和總質(zhì)量并不會發(fā)生變化。也就是說，某團空氣的體積發(fā)生變化時，它的比濕是不變的，這就是比濕的保守性。由于比濕有這樣的特性，因此在討論空氣絕熱升降過程中，通常用比濕來表示該空氣團的濕度。5、飽和差（d

）定義：同一溫度下飽和水汽壓與實際水汽壓之差。d=E-e

反映空氣的潮濕程度。

影響因子：

溫度不變，E不變：水汽含量

ed水汽含量不變，e不變：溫度

Ed水汽含量、溫度6、露點溫度（Td

）定義：

對于含有水汽的濕空氣，在不改變氣壓和水汽含量的情況下，降低溫度而使空氣達到飽和狀態(tài)時的溫度。EeTTTdeE（T,e）反映空氣中水汽含量的多少，水汽含量露點溫度Td6、露點：空氣中的水汽含量不變，在一定壓力下，若要使空氣達到飽和，只有降溫。降到實際水汽壓e與飽和水汽壓E相等，此時的溫度稱為露點。例如：T＝30°，e=31.7mb,E=42.5mb要把溫度降到：T=25,e=31.7mb,E=31.7mb

測濕度的儀器測濕度的儀器濕度總結(jié)：表示空氣中水汽含量的濕度有：水汽壓、絕對濕度、相對濕度、飽和水汽壓、比濕、露點。表示空氣距離飽和的程度的濕度有：相對濕度f、飽和差d和露點Td二、氣象要素----（四）風：

1、定義：空氣的水平運動。

2、風速：單位時間內(nèi)走過的距離（m/s）

3、風向：風的來向。

4、表示方法：地面：16方位表示高空：360°表示風向符號的意義：風桿上的林橫道叫做風尾。風桿上畫有風尾的一方，即指示風向。第一道風尾為4米/秒，即風力為2級。一個風旗，表示風力為8級。風尾和風旗均放在風桿的左側(cè)。北風八級

東南風級12級

西南風5級

風桿風尾每一道尾羽代表風力2級風桿與風尾一起指示風向表示風力8級或8級以上西東南北西北風6級東南風7級西東南北

EL型電接風向風速儀

EL型電接風向風速儀是電感應器、指示器和記錄器三部分組成。

輕便三杯風向風速儀

功能：輕便三杯風向風速表用于測量風向和一分鐘時間內(nèi)的平均風速。組成：由風向儀、風速、手柄三部分組成。風向儀：包括風向指針、方位盤、制動小套管部件。

中國風力資源分布狀況圖

我國風能資源豐富的地區(qū)（1）三北(東北、華北、西北)地區(qū)包括東北三省、河北、內(nèi)蒙古、甘肅、寧夏和新疆等省(自治區(qū))近200公里寬的地帶。風功率密度在200～300W/m2以上。（2）東南沿海及附近島嶼包括山東、江蘇、上海、浙江、福建、廣東、廣西和海南等省(市)沿海近10公里寬的地帶，年風功率密度在200W/m2米以上。二、氣象要素---（五）云——指高懸于空中、由水汽凝結(jié)（凝華）而成的小水滴或小冰晶構(gòu)成的可見集合體。云是氣塊上升過程絕熱冷卻降溫，使水汽達到飽和或過飽和發(fā)生凝結(jié)而成?！粼频某梢颍簩α鬟\動——主要形成積狀云；系統(tǒng)性上升運動——主要形成層狀云；波狀運動——主要形成波狀云；地形作用——比較復雜，可以形成各種云?！粼频姆诸悾喊磭H分類法，根據(jù)云的形成高度，結(jié)合云的形態(tài)特征、結(jié)構(gòu)、成因，將云分為3族10屬29種?！镄l(wèi)星云圖云量：云遮蔽天空視野的成數(shù)，將地平以上全部天空劃分為10份，被云所遮蔽的份數(shù)。無云：云量為0份遮空蔽日：云量為10份半空云：云量為5份陰天，天空中云覆蓋面占天空的8/10以上多云，指天空中云覆蓋面占天空的4/10~8/10晴，當天空無云或云比較少時(云覆蓋面不到天空1/10)二、氣象要素----（六）能見度：視力正常的人在當時天氣條件下，能夠從天空背景中看到和辨出目標物的最大水平距離。（m,km）定義：自天空降落到地面的液態(tài)或固態(tài)水單位：mm測定:雨量計等級:降水強度及持續(xù)時間（暴雨:P>50mm）影響因素：緯度位置、海陸位置、地形狀況分布規(guī)律：總體從赤道向兩極遞減二、氣象要素---（七）降水

雨量器內(nèi)徑20cm口徑。分辨率0.1mm。兩段制觀測，即每日8時及20時各觀測一次。雨季增加觀測段次。每日8時至次日8時降水量為當日降水量器測法、雷達探測、衛(wèi)星云圖估算自記雨量計承雨器將雨量導入浮子室，浮子隨注入的雨水增加而上升，帶動自記筆在附有時鐘的轉(zhuǎn)筒上的記錄紙上連續(xù)記錄隨時間累積增加的雨量。當累積雨量達10mm時，自行進行虹吸，使自記筆立即垂直下落到記錄紙上縱坐標的零點，以后又開始記錄承雨器接受的雨水流入對稱的翻斗的一側(cè)，當接滿0.1mm雨量時，翻斗傾于一側(cè)把雨水全部潑掉，另一翻斗則處于進水狀態(tài)。每次翻轉(zhuǎn)將發(fā)出一個脈沖信號，由記錄設備記下這些信號并換算為雨量

第三節(jié)大氣物理性質(zhì)

一、大氣質(zhì)量二、氣象要素三、氣體狀態(tài)方程氣壓氣溫風濕度能見度云降水三、氣體狀態(tài)方程：瓶子能裝半瓶水，為什么不能裝半瓶空氣？空氣—分子間距大，引力小，運動自由即：空氣比水更有流動性、膨脹性和可壓縮性。三、氣體狀態(tài)方程：從物理學的角度，通常用質(zhì)量、體積、溫度和壓強來表征大氣的物理狀態(tài)，這四個參量之間是相互聯(lián)系，相互影響、相互制約的。對于一定質(zhì)量的空氣，其體積、溫度和壓強之間存在一定的函數(shù)關系，例如，一個小空氣塊做上升運動時，隨著高度的增大，其所受到的環(huán)境大氣的壓力減小，氣塊的體積發(fā)生膨脹，壓強減小，同時由于體積膨脹做功，消耗內(nèi)能，氣塊的溫度降低。三、氣體狀態(tài)方程：分析這四個參量之間的關系，就可以得到空氣狀態(tài)變化的基本規(guī)律，概括這四個參量的變化規(guī)律，就可得到大氣的主要物理性質(zhì)。描述氣體質(zhì)量、體積、溫度和壓強之間關系的數(shù)學表達式稱為氣體的狀態(tài)方程。兩個簡單的實驗----兩個基本的定律：1、波意耳實驗：在溫度一定下：V與P成反比P=K1/VK1為常數(shù)AB2、查理氏實驗在氣壓一定時，體積的變化決定于溫度：V=K2T在標準狀態(tài)下：1mol的氣體，體積等于22.4L三、空氣狀態(tài)方程反映空氣狀態(tài)的方程，進一步而言，是反映空氣在發(fā)生變化時各要素之間相互關系的方程。空氣狀態(tài)常用ρ、V、P、T來表示，

ρ=M/V，對于一定質(zhì)量的空氣而言（M一定），它的V、P、T有密切關系，概括這些量的關系，就可以得到空氣狀態(tài)變化的基本規(guī)律—狀態(tài)方程?；竟剑茖?、理想氣體的狀態(tài)方程大量實驗證明，常溫常壓下，一定質(zhì)量氣體的P乘以V，再除以T，其商不變：P1V1/T1=P2V2/T2=···=PnVn/Tn，即PV/T=常量凡嚴格符合這個方程的氣體，稱理想氣體。實際上并不存在。在常溫常壓下，干（潔）空氣和未飽和的濕空氣都十分接近理想氣體，可把它們當作理想氣體處理。下面求出“常量”：

討論一摩爾的氣體(含有6.02×1023個該氣體分子）（1mol的任何氣體在標準狀態(tài)下體積是一樣的）。標準狀態(tài)下：Po=1013.25hpa，To=273K，Vo=22.4升/摩爾=22.4L/molPVTPoVoTo==R＊R＊1.01325×105Pa×2.24×10-4m3/mol

273K==8.31441Pam3/mol·K≈8.31J/mol·K這個值對1mol任何氣體都適用，叫普適氣體常數(shù)。對于質(zhì)量為M克的理想氣體設1mol氣體的質(zhì)量為μ（分子量）、體積為V1，標準狀態(tài)下，M克氣體的體積為：V=M/μ·V1=M/μ·R*T/P或PV=M/μ·R*T這是通用的質(zhì)量為M克的理想氣體的狀態(tài)方程，又叫門捷列夫—克拉珀瓏方程。它表明氣體在任何狀態(tài)下P、V、T、M四個量之間的關系。在氣象學中，常用單位體積的空氣塊作為研究對象PV=Mμ·R*TP=MVR*μTR=R*μρ=MV