大氣科學基礎復習要點

大氣科學根底復習要點大氣概述大氣是地球外表運輸能量與水分的主要方式，厚度大約100km，盡管相對于地球很淺薄,但大氣層里包含了相當大的質量:5.14X10^15公斤。97%的大氣是在地球外表30公里(18英里)以內。大氣的密度隨著高度的上升而下降。3.大氣組成：永久氣體(固定比例在大氣中)99.999%的大氣質量氮氣、氧氣、氦、氖、氬氪、氪(),氙(氙)、氫可變氣體：占很小的百分比,但影響大氣的行為的氣體，如水汽，二氧化碳，臭氧，甲烷，N2O，氟化物等。4.大氣演變：原始大氣氫和氦；次級大氣水汽，二氧化碳、和其它的由于火山噴發(fā)而從地球內部帶出來的氣體；最終CO2含量減小，O2含量上升，演變成現(xiàn)在的大氣。5.其它氣體如氮氣、氧氣、水蒸氣、二氧化碳、甲烷、氧化亞氮和臭氧對地球生物圈的健康是極為重要的.6.氮氣和氧氣是大氣的主要成分。整合上述兩種氣體大約占干大氣的99%。7.甲烷是一種很強烈的溫室氣體。自從1750年,大氣中甲烷濃度已經(jīng)上漲了超過140%。8.臭氧在提升溫室效應過程中扮演了重要角色，大多數(shù)的臭氧(大約97%)發(fā)現(xiàn)是集中在平流層海拔15至55公里以上的地球外表。臭氧能吸收太陽輻射中的紫外線。9.氟氯化合物能破壞大氣中的臭氧Cl+O3=ClO+O2ClO+O=Cl+O2O3+O=2O2目前科學家已發(fā)現(xiàn)南極上方的臭氧空洞。10.水汽的重要作用;(1)它通過相變潛熱在地球上重新分配熱能的能量交換.〔2〕水汽凝結降水,墜落到地球外表提供所需的新鮮水給植物和動物，形成各種天氣現(xiàn)象；〔3〕它通過溫室效應幫助溫暖地球大氣層。11.氣溶膠粒子對輻射的吸收和散射、云霧降水的形成、大氣污染以及大氣光學與電學現(xiàn)象的產(chǎn)生都具有重要的作用。氣溶膠粒子的來源可分為人工源和自然源兩大類。12.大氣的物理性質和化學性質無論在水平方向還是在垂直方向上都是不均勻的。13.劃分：按照大氣的化學成分劃分，大氣垂直方向可分為均質層和非均質層。按照大氣的壓力結構劃分，大氣垂直方向可分為氣壓層和逸散層。按照大氣的電離結構劃分，大氣可分為電離層和磁層。按照溫度變化劃分，大氣在垂直方向可分為：對流層、平流層、中間層、熱層及外層。14．對流層〔1〕、對流層的厚度因緯度而有較大差異，低緯度地區(qū)約17-18km，中緯度地區(qū)約11-12km，高緯度地區(qū)約8-9km?！?〕、集中了大氣層大局部的(75%)質量和幾乎全部的水汽〔3〕、溫度隨高度下降，平均每上升100米，氣溫約下降0.650C〔4〕、空氣的對流運動明顯，特別是夏季以及低緯度地區(qū)〔5〕、天氣復雜多變。水汽蒸發(fā)、凝結而成云至雨造成不同的天氣現(xiàn)象〔6〕、氣象要素的水平分布不均勻?！彩艿匦?、海陸分布等各種性質的下墊面影響〕15.平流層〔1〕、從對流層頂?shù)?0-55km的高度范圍是平流層〔2〕、氣流運動相當穩(wěn)定，且以水平運動為主〔3〕、除少數(shù)強對流云伸展到平流層外，很少有天氣現(xiàn)象發(fā)生〔4〕、平流層底層〔約9公里厚〕，溫度不隨高度變化，稱為同溫層〕〔5〕、大氣圈大局部的臭氧集中于平流層〔6〕、由于臭氧吸收太陽的紫外線輻射，平流層〔20-50公里〕的溫度隨高度上升(逆溫層定義:隨高度升高而溫度升高)16．中間層〔1〕、從平流層頂?shù)?5km的高度范圍是中間層〔2〕、氣溫隨高度迅速下降〔3〕、垂直運動相當劇烈，故稱之為高空對流層〔4〕、因為水汽含量極少，幾乎沒有云層出現(xiàn)，但有時能看到一種薄而帶銀白色的夜光云，有人認為它是由極細微的塵埃組成。17.熱層〔1〕、熱層大致處于中間層頂?shù)?00km高度的范圍內〔2〕、氣體在該層在太陽和宇宙輻射的作用下發(fā)生電離，形成密度很高的帶電粒子，所以熱層又稱為電離層?！?〕、由于吸收太陽輻射的緣故，該層的溫度隨高度急劇升高〔4〕、在高緯度的晴朗夜空，可看到美麗的極光。這可能是由太陽發(fā)出的高速帶電粒子激發(fā)高空稀薄的空氣分子或原子而發(fā)光〔5〕、電離層會反射無線電波18.散逸層【例】“神舟七號〞在哪一層面上繞行？它面臨怎樣的空間環(huán)境？【解】“神七〞的軌道位于大氣層中的“熱層〞，有如下特點：〔1〕高強度的太陽電磁輻射、太陽宇宙線輻射〔太陽耀斑爆發(fā)時向外發(fā)射的高能粒子〕和太陽風〔由太陽日冕吹出的高能等離子體流〕〔2〕幾乎是真空的太空環(huán)境極端的溫度環(huán)境〔4〕高速運動的塵埃、微流星體和流星體。它們具有極大的動能，1毫克的微流星體可以穿透3毫米厚的鋁板第二章氣象要素的特征、變化和分布1.攝氏，華氏，開式溫度的轉換Celsius=(Fahrenheit-32)*5/9

Fahrenheit=Celsius*9/5+32Kelvin=Celsius+2732.百葉箱原理：百葉箱里的溫度計是安裝地表以上近似1.5米的地方。溫度計含有酒精,頂部是用來確定每日最低溫度。用水銀溫度計的低日最高氣溫來確定。3.影響局地氣溫變化的因子：太陽輻射加熱〔受太陽入射，海陸分布，洋流，海拔等因素影響〕，冷暖平流，凝結、蒸發(fā)潛熱，云覆蓋。補充：空氣的溫度平流——空氣平流運動傳熱過程引起局地氣溫變化稱為溫度平流，如果風向與水平溫度梯度的交角小于900→暖平流？，是否是熱脹冷縮的，假設是想到上下壓的形成過程感覺不符合。如果風向與水平溫度梯度的交角大于900→冷平流4.氣溫的日變化白天溫度高、夜晚溫度低，最高氣溫通常出現(xiàn)在午后，最低氣溫通常出現(xiàn)在凌晨。海洋上日變化小〔下墊面物質穩(wěn)定〕沙漠地區(qū)日變化大——“早穿棉，午穿紗，抱著火爐吃西瓜〞〔吸熱強，散熱也強〕早晴天夜無云晝夜溫差大多云天氣晝夜溫差小〔云的對輻射的反射造成增溫5．夜間降溫夜晚是溫暖濕潤枯燥——由于釋放潛熱從凝結和紅外變暖6.綜合因素？？？？？？這個圖不懂較大的溫度梯度很可能沒有風7.氣溫的季節(jié)變化夏天溫度高、冬天溫度低海洋上溫度的季節(jié)變化小陸地上溫度的季節(jié)變化大緯度越高，氣溫年較差越大(和太陽的輻射有關，年變化8.氣溫的空間變化熱帶地區(qū)溫度高，中高緯度地區(qū)溫度低夏季海洋比陸地溫度低，冬季海洋比陸地溫度高海洋上溫度分布相對均勻由于下墊面的不均勻，形成了許多的冷暖中心〔如：西伯利亞、格陵蘭等是冷中心；澳大利亞、非洲等地形成暖中心〕山脈南麓氣溫高，北麓氣溫低9.冬季氣溫分布特點〔以北半球為例〕等溫線密集等溫線南凸，冷空氣勢力大海洋相對于陸地顯的溫暖西伯利亞和格凌蘭是冷中心，澳大利亞是暖中心10.夏季氣溫分布特點等溫線稀疏等溫線北凸，暖空氣勢力大陸地相對于海洋溫度高沙漠地區(qū)出現(xiàn)高溫中心11.等溫線分布要點同一水平面上溫度相等的點的連線稱為等溫線等溫線密集，溫度隨空間變化大；等溫線稀疏，溫度的空間變化小等溫線向高緯度地區(qū)突出，說明暖空氣勢力大；等溫線向低緯度地區(qū)突出，說明冷空氣勢力大12.在氣象工作中通用的氣壓單位有毫米和毫巴兩種〔1〕毫米(mm)：是用水銀柱高度來表示氣壓上下的單位?！?〕毫巴(mb)/百帕(hPa)：用單位面積上所受水銀柱壓力大小來表示氣壓上下的單位。13.氣壓跟天氣有密切的關系。一般地說，地面上高氣壓的地區(qū)往往是晴天，地面上低氣壓〔注意說的是地面，只是方便理解〕的地區(qū)往往是陰雨天。在同一水平面上，如果氣壓分布不均勻，空氣就要從高氣壓地區(qū)向低氣壓地區(qū)流動。因此某地區(qū)的氣壓高，該地區(qū)的空氣就在水平方向上向周圍地區(qū)流出。高氣壓地區(qū)上方的空氣就要下降。由于大氣壓隨高度的減小而增大，所以高處空氣下降時，它所受到的壓強增大，它的體積減小，溫度升高，空氣中的凝結物就蒸發(fā)消散。所以，高氣壓中心地區(qū)不利于云雨的形成，常常是晴天。如果某地區(qū)的氣壓低，周圍地區(qū)的空氣就在水平方向上向該地區(qū)流入，結果使該地區(qū)的空氣上升，上升的空氣因所受的壓強減小而膨脹，溫度降低，空氣中的水汽凝結，所以，低氣壓中心地區(qū)常常是陰雨天。14.自由大氣的大尺度運動是準地轉運動，亦即是地轉偏向力和氣壓梯度力的平衡。15.在北半球，地轉偏向力與風向垂直，且偏向右側。因此，在北半球，低氣壓對應著逆時針的氣旋運動；高氣壓對應著順時針的反氣旋運動16.邊界層摩擦作用使氣旋區(qū)輻合上升，反氣旋區(qū)輻散下沉17.影響大氣壓變化的因子〔1〕高度隨著海拔高度的上升，氣壓下降〔主要是因為空氣密度的下降與溫度的下降?！?〕溫度/密度p=RT——狀態(tài)方程18.全球氣壓分布特征全球氣壓帶的分布特征是由太陽輻射、地球自轉效應、海陸分布等因子決定的。總體而言，可分為四大氣壓帶，即：極地高壓帶(PolarHigh)、副極地低壓帶(SubpolarLow)、副熱帶高壓帶(SubtropicalHigh)、赤道低壓帶(EquatorialLow)由于由于海陸分布的差異，上述的氣壓帶并不隨緯度均勻分布，在海平面氣壓圖上表現(xiàn)為永久性和季節(jié)性的大氣活動中心地球自轉作用——三圈環(huán)流的形成赤道地區(qū)受熱上升的氣流，流向極地；在地球自轉偏向力的作用下，逐步變?yōu)槠鳉饬?，阻滯了空氣的北上，?00附近積聚下沉；下沉到達地面后一支回流赤道，形成了Hadley環(huán)流圈；另一支繼續(xù)北上，與極地下沉的南流氣流在600附近集合上升；上升到高空一支南流形成中緯度Ferrel環(huán)流圈；一支北流形成極地環(huán)流圈。與三圈環(huán)流相對應，是所謂的“三風四帶〞，即：極地東風(PolarEasterlies)中緯度西風(Westerlies)低緯度信風(Trades)極地高壓帶(PolarHigh)副極地低壓帶(SubpolarLow)副熱帶高壓帶(SubtropicalHigh)赤道低壓帶(EquatorialLow)20.風的表述空氣的流動產(chǎn)生風氣流由不同尺度的運動疊加而成，其中包括很多小尺度的湍流天氣報告中是2min的平均風速風向以100為單位，以正北為基準，順時針方向旋轉。精度要求不高的情況下，也可以用16個方位來表示當風速低于0.25m/s時，稱為靜風風力的大小劃分為12個等級21.影響風的因子〔具體內容在大氣動力學中〕氣壓梯度力——風的形成〔梯度越大，風速越大〕科氏力——引起風向的改變〔地轉偏向力，北半球向右，南半球向左，赤道為0，與風速成正比〕摩擦力——風速22.準地轉平衡風的受力分析受力分析NetForce=PGF+G+f+Co遠離地面時f=0NetForce=PGF+G+Co〔假定氣壓梯度力在水平方向上的分力被重力平衡〕23.局地風環(huán)流：由于局部地表受熱不均勻造成的大氣環(huán)流圈。主要有海陸風，山谷風與季風。24.天氣分類0%云覆蓋——晴25%云覆蓋——少云75%云覆蓋——多云100%云覆蓋——陰25.云的形成〔1〕發(fā)生在相對濕度到達100%時〔2〕水汽轉化為液態(tài)時要有凝結核26.使相對濕度到達飽和的方法：降溫〔最有效〕，增濕〔補充水汽〕27.成云降雨的兩種方式〔1〕熱力對流，地表空氣溫度上升，使空氣上升，凝結成云降雨〔2〕周圍空氣的輻合，〔怎么幅合〕造成空氣的動力上升，凝結成云降雨。28.云的分類按照云底高度將云分為高云，中云，低云3族按照云的形態(tài)將云分為孤立的相互間不相聯(lián)系的團塊狀積狀云，外表不勻整的波狀云以及均勻的云幕層狀云三種類型：層狀云：雨層云、高層云、卷層云、卷云波狀云：層積云、層云、高積云、卷積云積狀云：淡積云、濃積云、積雨云29各種云的縮寫。低云多由微小水滴組成，厚的或低云多由微小水滴組成，厚的或垂直開展旺盛的低云的下部由微小水滴組成而中上部是由微小水滴、過冷水滴和冰晶混合組成。低云的云底距地面高度較低，一般低于2500米，它是隨季節(jié)、天氣條件和不同經(jīng)緯度而有變化。中云是由微小水滴過冷水滴或者冰晶雪晶混合而成。中云的云底高度一般在2500-5000米之間高層云在夏季多出現(xiàn)降雨，而在冬季多出現(xiàn)降雪。高積云較薄時不會出現(xiàn)降水，但在高原地區(qū)的高積云出現(xiàn)雨〔雪、幡〕。高云是由微小的冰晶組成。云底高度一般在5000米以上，而高原地區(qū)較低。高云出現(xiàn)降水較少，冬季北方的卷層云密卷云有時也會降雪，偶爾也能觀測到雪幡30.降水的分類〔1〕降雨空氣中成千上萬的微小水滴碰撞在一起凝結成云降雨〔2〕雨夾雪，凍雨一局部融化冰雹形式或雨滴回身雪花變成冰的雨〔3〕雪當空氣溫度到達零度以下。當水凝固時的雪形成云,化做雪花落下?！?〕冰雹過冷卻云不斷上下運動時，液滴以不同的速度凝結在冰核周圍，反復屢次后形成冰雹。31.降水量的測量用雨量筒測量，攔截下落在特定區(qū)域的降水，最后取一大片范圍內降水的平均值。32.大氣能見度大氣能見度(Visibility)是反映大氣透明度的一個指標。一般定義為具有正常視力的人在當時的天氣條件下還能夠看清楚目標輪廓的最大地面水平距離。還有一種定義為目標的最后一些特征已經(jīng)消失的最小距離。能見度是一個對航空、航海、陸上交通以及軍事活動等都有重要影響的氣象要素。在航空中，一般使用前者定義的能見度。影響能見度的因子主要有大氣透明度、燈光強度和視覺感閾。大氣能見度和當時的天氣情況密切相關。當出現(xiàn)降雨、霧、霾、沙塵暴等天氣過程時，大氣透明度較低，因此能見度較差測量大氣能見度一般可用目測的方法，也可以使用大氣透射儀、激光能見度自動測量儀等測量儀器測量。目前，能見度的觀測大都還是以人工目測為主，標準性、客觀性相對較差Area第三章大氣靜力學1.靜止大氣中的力：重力〔地心吸引力〔萬有引力〕和慣性離心力的合力〕重力萬有引力慣性離心力2.靜力學方程對空氣塊受力分析即得得到的推論：〔1〕dz>0時dp<0，說明氣壓隨高度是下降的〔2〕由于g隨高度的變化很小，所以氣壓隨高度下降的快慢主要取決于密度。大氣層低層密度大，氣壓隨高度下降快；大氣層高層密度小，氣壓隨高度下降的慢〔3〕將靜力學方程從任意高度z積分到大氣上界，得說明任意高度z處的氣壓等于從該高度到大氣上界的單位截面積所受的重力。3.為什么大尺度大氣滿足靜力平衡條件描述大氣水平方向的運動方程〔具體推導見ppt〕單位質量空氣的合力F為其中g=ga+Ce，那么有氣壓梯度為，那么氣壓梯度力為—就是氣壓梯度力在三個方向上的分力對于科氏力同樣可得到三個分力——綜上所述可得到總方程式然后我們從數(shù)量級方面對得到的方程進行簡化最終得到完整的大氣靜力學方程4.均質大氣的壓高公式即P=0處的高度稱為均質大氣的上界〔高度〕由上述壓高公式可以看出，在均質大氣中氣壓隨高度線性遞減均質大氣的垂直溫度梯度為5.等溫大氣的壓高公式積分后可得由上述公式可知，等溫大氣氣壓隨高度按指數(shù)遞減，當z→∞時氣壓為零6.多元大氣的壓高公式當溫度的垂直遞減率為時，z高度處的溫度可表示為這樣，靜力學方程可表示為P幾種大氣氣壓隨高度遞減情況比照H7.壓高公式的應用〔1〕、利用壓高公式可以計算出不同高度的氣壓值〔海平面氣壓訂正，測壓定高〕〔2〕、利用壓高公式分析天氣系統(tǒng)的垂直結構淺薄系統(tǒng)：冷高，暖低深厚系統(tǒng)：暖低，冷高a.氣旋向冷區(qū)傾斜，反氣旋向暖區(qū)傾斜b.低壓向冷區(qū)傾斜，高壓向暖區(qū)傾斜c.氣旋的散度分布是低層輻合高層輻散反氣旋的散度分布是低層輻散高層輻合8.位勢不穩(wěn)定層結是強對流天氣是否開展的重要條件。9.溫度對對流運動的影響：由右側公式可知假設氣塊比周圍空氣暖時，可獲得向上的加速度假設氣塊比周圍空氣冷時，可獲得向下的加速度假設氣塊與周圍空氣無溫差時，氣塊的垂直加速度為零10.靜力穩(wěn)定度氣塊在某一高度受到某種垂直沖擊力后上升到上升dz距離上式第二項表示氣塊垂直運動已產(chǎn)生時能否繼續(xù)開展。即其中前者為環(huán)境溫度垂直遞減率，后者為氣塊絕熱運動時的溫度遞減率當前者大于后者，垂直加速度的方向與氣塊位移方向相同，說明氣層層結不穩(wěn)定。當前者等于后者，氣塊作等速運動，氣層層結屬于中性平衡。當前者小于后者，垂直加速度的方向與氣塊位移方向相反，說明氣層層結穩(wěn)定。如果氣塊是干空氣，或者是未飽和的濕空氣γ>γd靜力不穩(wěn)定γ=γd靜力平衡γ>γd靜力穩(wěn)定11.條件不穩(wěn)定實際大氣中，除了貼地氣層以外，