第一章 大氣概述課件

大氣科學概論劉紅年第一章大氣概述緒論

大氣科學是研究地球大氣中各種物理和化學現(xiàn)象、過程(包括人類活動對它的影響)，這些現(xiàn)象和過程的演變規(guī)律，以及如何利用這些規(guī)律為人類服務的一門學科。第一章大氣概述緒論一.大氣科學研究對象二.大氣科學研究內(nèi)容三.大氣科學研究特點四.大氣科學的學科分支五.大氣科學發(fā)展概略六大氣科學發(fā)展中的重要事件第一章大氣概述宇宙、地球、大氣的起源和演化

宇宙的起源大爆炸學說按照Friedmann等人的理論，RussianAmericanphysicistGeorgeGamow和他的學生AmericanphysicistsRalphAlpherandRobertHerman（1940s）認為過去必定存在一個有限的時刻，那時宇宙中的物質(zhì)被壓縮為極高密度的狀態(tài)，這個時刻被稱為“大爆炸”，也就是宇宙起源的時刻。第一章大氣概述他們的計算結(jié)論是：作為“大爆炸”過程的遺跡，目前宇宙中應普遍存在溫度約5K的背景黑體輻射。1989年，美國宇航局專門為此發(fā)射了宇宙背景探測者衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)表明，該輻射的譜分布與2．735K的黑體輻射完全相合，天空不同方向的相對溫差小于十萬分之一。這就證明了背景輻射的黑體性和普適性。這種“背景輻射”的存在是“大爆炸”模型最令人信服的證據(jù)之一。通過現(xiàn)代物理學理論，可以模擬宇宙在大爆炸后110-43秒的狀態(tài)，但對于此時刻之前還沒有新的理論將萬有引力和廣義相對論二者之間結(jié)合起來。第一章大氣概述膨脹理論上世紀70年代，美國科學家AlanGuth、PaulSteinhardt和美籍俄裔天文學家AndreasLinde提出從大爆炸后110-35秒開始的110-32秒內(nèi)宇宙極速膨脹為原來的11050倍，然后減緩為近乎常速。認為宇宙處于開放與封閉系統(tǒng)的邊緣狀態(tài)?？山忉尨蟊▽W說不能解釋的宇宙常速膨脹和宇宙的均勻性等問題，被廣大理論天文學家認同。上世紀90年代以來，觀測天文學家對該理論有不同看法，認為宇宙應該是一個開放系統(tǒng)。第一章大氣概述膨脹理論圖示：白點代表星系，膨脹后相互遠離第一章大氣概述宇宙無限論：有限無界論：在17世紀，Galilei、Newton在經(jīng)典力學體系的基礎上，建立了宇宙無限無邊的理論，即宇宙的體積是無限的，沒有空間邊界，無限的天體分布在無限的空間之中。1917年，AlbertEinstein在廣義相對論的基礎上，提出了有限無界的靜態(tài)宇宙模型。認為宇宙是有限無邊的，即宇宙空間的體積是有限，是一個彎曲的封閉體，這個彎曲的封閉體沒有邊界，類似一個球面，面積有限，但沿著球面運動總是遇不到“邊”。該理論拉開了現(xiàn)代宇宙學研究的序幕。第一章大氣概述地球與宇宙

銀河系中心銀河系與河外星系第一章大氣概述太陽系第一章大氣概述地球形成50億年前，地球的輪廓已初步形成。最初是個火球。隨著地球逐步冷卻，較重的物質(zhì)沉到中心，形成地核；較輕的物質(zhì)浮在上面，冷卻后形成地殼。其結(jié)構(gòu)見下圖第一章大氣概述地球構(gòu)造圖第一章大氣概述三、大氣演化1、原始地球上無大氣、無海洋；火山爆發(fā)頻繁發(fā)生2、火山噴發(fā)形成原始大氣，主要由水汽、CO2、氮和硫或硫化物。沒有氧氣。大量水汽造成長時間降雨，持續(xù)了幾千年（推測），形成原始海洋，生命就在原始海洋的湯液中形成。第一章大氣概述3、生命的光合作用使大氣圈中出現(xiàn)了氧氣。從火山噴發(fā)出來的氮，由于其化學惰性及其在水中的低溶解度，大部分仍留在大氣中，成為現(xiàn)代大氣中的主要氣體成分；大氣中的氬，是地球固體部分放射性物質(zhì)40K衰變時的副產(chǎn)品。第一章大氣概述第一代大氣：氫、氦、氖等氣體組成。稱為原始大氣階段。第二代大氣：氮、二氧化碳、甲烷、氨和水汽。稱為次生大氣階段?，F(xiàn)代大氣：氮和氧氣為主。稱為今日大氣階段。今天的大氣成分為什么是這樣？第一章大氣概述地球大氣的演化

地球大氣是怎樣長期演化來的，目前主要有兩種看法。一種看法認為今天的大氣就是從地球原始大氣演化而來的。另一種看法則認為，原始大氣已經(jīng)不存在了，現(xiàn)在的大氣是由于地球內(nèi)部火山活動所噴發(fā)出的物質(zhì)演化成的。第一章大氣概述地質(zhì)時期地球大氣成分的演變第一章大氣概述與左鄰右舍進行對比金星的大氣成分主要是碳酸氣，還有少量的氧、氮、碳、氖、氦、水汽，上部有原子狀態(tài)的氧。火星的大氣成分主要是二氧化碳，另外還有些氨(NH3)、氫、氧、水汽等物質(zhì)。第一章大氣概述第一章大氣概述地球大氣的演化第一，現(xiàn)在的大氣成分是地球長期演化的結(jié)果，是和水圈、生物圈、巖石圈進行充分的物質(zhì)循環(huán)的結(jié)果?？梢哉f，這幾個圈層是相互聯(lián)系，互相滲透的一個整體。第二，現(xiàn)在的大氣成分還在不斷的進行著循環(huán)過程之中，而且這個過程基本是平衡的，穩(wěn)定的，在短時期內(nèi)不是會有明顯變化的。第一章大氣概述地球的次生大氣和水圈生成原始大氣次生大氣氧化大氣46億年前，H2，O2，CH4，H2S火山爆發(fā)和固體吸附。主要成份是CO2、

CH4、NH3和水汽。CO2至30億年前大約是現(xiàn)在大氣的10倍。強溫室效應使地表平均溫度可達300℃左右。隨著二氧化碳濃度下降，大氣溫度也下降。水汽可以凝成液體水，出現(xiàn)云、雨，并在地球表面積聚，演變成水圈。第一章大氣概述大氣中氧的產(chǎn)生和生物圈的形成現(xiàn)在大氣與類地行星大氣的區(qū)別O2—生命O3—UVB現(xiàn)在大氣的形成是在和生物圈相互作用中形成的：光合作用生物圈形成第一章大氣概述一.大氣科學的研究對象

大氣科學的研究對象主要是覆蓋整個地球的大氣圈。大氣圈,特別是地球表層的低層大氣和地球的水圈、巖石圈和生物圈是人類賴以生存的主要環(huán)境。第一章大氣概述

1、地球大氣的一般特征(如大氣的組成、范圍、結(jié)構(gòu)等)；2、大氣現(xiàn)象發(fā)生、發(fā)展的能量來源、性質(zhì)及其轉(zhuǎn)化；3、解釋大氣現(xiàn)象，研究其發(fā)生、發(fā)展的規(guī)律；4、如何利用這些現(xiàn)象預測、控制和改造自然(如人工影響天氣、大氣環(huán)境預測和控制等)。二.大氣科學的研究內(nèi)容第一章大氣概述三.研究特點研究大氣科學不能僅限于大氣圈。地球(環(huán)境)系統(tǒng)是由巖石圈、水圈(含冰雪圈)、大氣圈和生物圈組成的一個綜合系統(tǒng)大自然是大氣科學研究的實驗基地國際合作是推動大氣科學發(fā)展的必要途徑第一章大氣概述四.大氣科學的學科分支氣象學大氣探測學大氣科學大氣物理學天氣學大氣動力學氣候?qū)W大氣化學應用氣象學人工影響天氣第一章大氣概述大氣探測大氣探測是研究探測地球大氣中各種現(xiàn)象的方法和手段的學科。按探測范圍和探測手段劃分，又分為地面氣象觀測、高空氣象觀測、大氣遙感、氣象雷達、氣象衛(wèi)星等低一級的分支。第一章大氣概述天氣學天氣學是研究大氣中各種天氣現(xiàn)象發(fā)生、發(fā)展規(guī)律以及如何應用這些規(guī)律來制作天氣預報的學科。研究內(nèi)容主要包括天氣現(xiàn)象、天氣系統(tǒng)、天氣分析和預報等第一章大氣概述動力氣象動力氣象是應用物理學和流體力學定律及數(shù)學方法，研究大氣運動的動力和熱力過程及其相互關(guān)系的學科，是大氣科學的理論基礎。第一章大氣概述氣候?qū)W氣候?qū)W是研究氣候的特征、形成和演變以及氣候與人類活動相互關(guān)系的學科。研究內(nèi)容主是包括氣候特征、氣候分類、氣候區(qū)劃、氣候成因、氣候變化、氣候與人類活動的關(guān)系、氣候預報和應用氣候等。第一章大氣概述大氣物理學大氣物理學是研究大氣的物理現(xiàn)象、物理過程及其演變規(guī)律的學科。研究內(nèi)容主要包括云和降水物理學、大氣光學、大氣電學、大氣聲學、大氣輻射學、大氣邊界層物理學和高層大氣物理學等。第一章大氣概述大氣化學大氣化學是研究大氣組成和大氣化學過程的學科。研究內(nèi)容主要包括大氣的化學組成及演變、大氣微量氣體及其循環(huán)、大氣氣溶膠、大氣放射性物質(zhì)和降水化學等。第一章大氣概述人工影響天氣人工影響天氣是研究如何通過影響云和降水的微物理過程來使某些大氣現(xiàn)象、大氣過程發(fā)生改變的技術(shù)和方法。如人工降水、人工防雹、人工消霧、抑制雷電等。

第一章大氣概述應用氣象學應用氣象學是將氣象方面的有關(guān)原理、方法和成果應用于生物、農(nóng)業(yè)、森林、水文、建筑、航海、航空、軍事、醫(yī)療、空氣污染等方面，同各個專業(yè)學科相結(jié)合而形成的邊緣性學科。第一章大氣概述五、大氣科學發(fā)展概略1.

50年代以前，大氣科學的研究還處于定性、半定性階段2.大氣科學的發(fā)展進入了告訴發(fā)展階段，主要表現(xiàn)在以下兩個方面：

l

不斷采用新的探測技術(shù)，使大氣科學進入宏觀愈宏、微觀愈微的階段

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計算機的使用

第一章大氣概述六大氣科學發(fā)展中的重要事件公元前340年，Aristotle的書“Meteorogica”總結(jié)了當時的天氣、氣候知識。16世紀發(fā)明了溫度計(GalileoGalilei

)1643年發(fā)明了氣壓計(Galileo'sdiscipleEvangelistaTorricelli,

)17世紀發(fā)明了濕度計1843年電傳的發(fā)明使天氣圖成為可能。1920年發(fā)現(xiàn)了氣團（Airmasses）和鋒面（Fronts）1940年開始高空氣球觀測1950年計算機的發(fā)展帶動了數(shù)值方法的發(fā)展1960年TIROS-I天氣衛(wèi)星發(fā)射第一章大氣概述七中國氣象事業(yè)發(fā)展歷程1928年竺可揁先生開創(chuàng)了中國現(xiàn)代氣象事業(yè)始建于延安時期(1945)

---解放戰(zhàn)爭軍委氣象局(1949)

---抗美援朝中央氣象局(1953)---轉(zhuǎn)建；“兩大服務”國家氣象局(1982)---

經(jīng)濟建設中國氣象局(1993)

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小康社會第一章大氣概述第一章大氣概述

地球大氣圈?，F(xiàn)在的地球大氣已經(jīng)歷了原始大氣，次生大氣和現(xiàn)代大氣三個演化階段。最早的原始大氣形成于46億年以前第一章大氣概述第1節(jié)地球系統(tǒng)由巖石圈、水圈、大氣圈和生物圈共同構(gòu)成一個綜合體，稱之為“地球系統(tǒng)”

,80年代初期誕生了一個新興科學——地球系統(tǒng)科學第一章大氣概述

地球系統(tǒng)的圈層結(jié)構(gòu)、 物質(zhì)組成及其基本性質(zhì)1.巖石圈2.水圈(冰雪圈)3.生物圈4.大氣圈

第一章大氣概述固體地球分層一般把地殼和上地幔合稱為巖石圈1.巖石圈

地球包括地殼、地幔和地核。地殼厚度不一，平均厚度約17公里。上層為花崗巖層，下層為玄武巖層。地殼巖石的年齡絕大多數(shù)小于20多億年。地殼中八種主要元素（氧、硅、鋁、鐵、鈣、鈉、鉀、鎂）的含量占地殼總量的97.13％，其中氧元素的含量占地殼總量的49.13％，硅元素的含量占地殼總量的26％。第一章大氣概述土壤－巖石圈中對人類和動植物以及其它生命最有意義的部分土壤是地球陸地能夠為作物提供生長發(fā)育具有肥力的疏松表層，是生物，特別是植物和微生物生活的重要環(huán)境，是地表與大氣進行物質(zhì)和能量交換的重要場所。土壤肥力是土壤的主要特征，是土壤提供植物生長發(fā)育所需要的水分、養(yǎng)分和協(xié)調(diào)土壤中水、肥、氣、熱等生活條件的能力。

各種大小不同的土粒含量的百分組成或搭配的比例，稱為土壤質(zhì)地，也叫土壤機械組成。

植物生長必需的五個生態(tài)因子中，除光能外，熱量、空氣、水分和營養(yǎng)成分都與土壤有關(guān)。水分和營養(yǎng)成分主要由土壤供給，土壤的通氣狀況和溫度變化直接影響到植物生長發(fā)育。第一章大氣概述2.水圈水體：天然或人工聚集的水成為水體。水圈：地球表層水體的總稱。 水圈中的水以三相存在，分布于地表、地下和大氣中。 水圈中的水的總體積是13.86億立方公里。 水圈中的淡水占2.53%。水的更新：如果一個獨立的、水量固定的水體與外界進行水的交換，則 稱該水體在進行更新。通過水的更新過程，水圈的各個部分相 互交換，聯(lián)系在一起，構(gòu)成地球環(huán)境水循環(huán)的主要過程。第一章大氣概述水的循環(huán)第一章大氣概述深海環(huán)流全球溫鹽環(huán)流構(gòu)成的輸送帶千年尺度第一章大氣概述水汽含量隨高度減少，1.5~2km高度水汽減少為地面一半。水汽含量與地理緯度、海岸分布、地形高度、地面類型、季節(jié)以及天氣條件有關(guān)。大氣中的水以三種相態(tài)存在。第一章大氣概述生物圈和巖石圈中的水

地球系統(tǒng)的生物圈和巖石圈的土壤中含有少量的水，其中，生物圈的水量約為1120立方公里，小于這總水量的0.0001%。兩部分水一般不作為水圈的組成部分。生物圈和巖石圈土壤中的水量雖少，但對動植物的生存和各種生物過程是至關(guān)重要的。第一章大氣概述

冰雪圈冰雪圈的5個組成部分：

海冰、大陸冰原、季節(jié)性雪蓋、永動土和高山冰川。前兩者是最重要部分。相對于液態(tài)和氣態(tài)的水而言，冰和雪具有相對的穩(wěn)定性。冰雪圈覆蓋全球海洋的7％，多年冰覆蓋陸地表面的11％，但其覆蓋范圍可變。冰雪圈的分布范圍對地球表面溫度非常敏感。 水的冰點恰好位于地球表面最高和最低溫度之間約一半之處。冰、雪和凍土分為常年（多年）性和季節(jié)性。 季節(jié)性冰、雪和凍土產(chǎn)生的季節(jié)影響和年際影響非常顯著。 因常年性冰、雪和凍土的分布穩(wěn)定少變，在十到百年尺度以上，可以產(chǎn)生比較固定的影 響過程和影響趨勢。冰雪圈的重要性 穩(wěn)定的對太陽輻射的高反射率，影響地表能量收支。 極地大氣－冰－開放海洋的能量交換過程。 約占總水量的2％，占有地球上近80％的淡水資源。（海平面）第一章大氣概述3.生物圈生物圈是地球上所有動物、植物和微生物等生物有機體及其活動空間的總稱。生物圈占據(jù)了包括大氣圈對流層下部、幾乎整個水圈以及巖石圈表層的薄層范圍。其核心部分，即地表面以上100米至水面200以下米之間，集中了絕大部分生物。迄今為止，生物圈是地球環(huán)境特有的組成部分。生物圈的兩個重要部分：植被和海洋浮游生物生物圈產(chǎn)生的“泵”的作用：以生物過程推動能量、水、物質(zhì)、動量的輸送第一章大氣概述植被－生物圈中最重要的組成部分，同各圈存在緊密聯(lián)系通過植物生長過程，土壤、植被和大氣緊密結(jié)合在一起，進行物質(zhì)和能量的交換。植物在生長過程中把太陽能轉(zhuǎn)化為化學能，并吸收大氣中CO2，固定在植物體內(nèi)。植物是人類和動物生存的主要食物供應者和能量供應者。植被的分布對地面反射率和粗糙度產(chǎn)生極大影響，進而影響地氣系統(tǒng)的輻射平衡和動量傳地。第一章大氣概述4.大氣圈

地球被大氣包裹著。大氣本身的可壓縮性、太陽輻射、地球的形狀與重力、地球的公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)、地球表面的海陸分布與地形起伏、地球的演化和地球上的各種生態(tài)系統(tǒng)，是形成地球大氣特定成分、特定結(jié)構(gòu)和特定運動狀態(tài)的主要自然條件。人類活動及其對生態(tài)系統(tǒng)所起的作用，是影響地球組成、結(jié)構(gòu)和運動的人為條件。第一章大氣概述第2節(jié)地球大氣的成分1.干潔大氣不含水汽和懸浮顆粒物的大氣為干潔大氣，簡稱干空氣主要成分--濃度在百分之一以上,如N2，O2，Ar。微量成分--濃度在1ppm~1%之間,如CO2，H2O，CH4，He等。痕量成分—濃度在1ppm以下,CO,NH3,O3SO2,NO,H2

第一章大氣概述按生命時間分類定常成分：壽命在100年以上，如N2，O2，和惰性氣體?？勺兂煞郑簤勖趲啄甑绞畮啄?，如CO2，H2，CH4

等?？熳兂煞郑簤勖?年以下。如H2O，……...第一章大氣概述3.大氣顆粒物大氣顆粒物是懸浮在大氣中的各種固體和液體微粒，統(tǒng)稱為大氣氣溶膠粒子。氣溶膠有自然源和人為源。氣溶膠對云霧、降水、輻射傳輸、大氣能見度、大氣光學、大氣污染以及氣候變化等有很大影響。2.water第一章大氣概述概念:懸浮于大氣中的固液態(tài)顆粒物.分類:(依據(jù)有效直徑D的大小)(1)愛根核<0.2um(2)大核0.2-2.0um(3)巨核>2.0um作用:(1)有利于水汽的凝結(jié);(2)維護大氣輻射平衡;(3)影響大氣能見度。

第一章大氣概述氣溶膠的來源第一章大氣概述1.3大氣科學研究的重要性一.大氣與生存環(huán)境1.大氣是人類最重要的資源2.大氣污染對地球環(huán)境的影響溫室效應與全球氣候變暖臭氧層的破壞酸雨城市空氣污染第一章大氣概述(1)溫室效應

由于大氣對來自太陽的短波輻射及來自地面的長波輻射具有選擇吸收性，致使地表溫度升高的現(xiàn)象,稱為溫室效應。第一章大氣概述

第一章大氣概述溫室效應所造成的危害全球增暖;全球冰雪圈層急劇減小;海平面上升,海岸線變遷;氣候帶的向高緯度帶移動;對農(nóng)作物的生長、水資源及能源的開發(fā)有較大的影響；生物帶的變遷等。第一章大氣概述（2）酸雨

概念：酸雨是指酸性的降水（嚴格應稱為酸沉降）。通常，將pH值低于5.6的降水稱為酸雨。

pH值降低1就相當于酸度增加10倍。影響：（1）使河流、湖泊及土壤酸化；（2）生態(tài)系統(tǒng)受害；（3）腐蝕建筑材料、金屬結(jié)構(gòu)和油漆；（4）其中的汞、鎘等重金屬對人類的健康危害很大等。第一章大氣概述

第一章大氣概述（3）臭氧層破壞臭氧的作用：(1).對太陽的0.2um-0.3um波段紫外線輻射有強烈的吸收作用；(2).對平流曾大氣加熱，并對平流層的溫度場、環(huán)流場起重要作用。臭氧的分布：主要分布在10-40KM，近地面分布較少，極大值在20-25KM處。

第一章大氣概述第一章大氣概述二天氣與氣候

1.天氣與氣候的概念天氣描述的是一個特定時間與一個特定地點的大氣狀態(tài)和大氣現(xiàn)象。氣候是指在影響天氣的各因子(太陽輻射、下墊面性質(zhì)、大氣環(huán)流和人類活動等)長期相互作用下所產(chǎn)生的天氣綜合,

通常由某一時段的平均值以及距平均值的離差（距平值）表征，主要反映一個地區(qū)的冷、暖、干、濕等基本特征。第一章大氣概述

我國南方地區(qū)致洪暴雨包括長江中下游（含江淮流域）的梅雨鋒暴雨、華南前汛期暴雨以及臺風暴雨等，由這類暴雨引發(fā)的洪澇災害是我國重要的氣象災害。

二十世紀五十年代以來長江流域（包括江淮地區(qū)）的歷次大水（如1954、1969、1975、1991、1993、1994、1995、1996、1998、2003年）都是由這類致洪暴雨造成的，給國家造成巨大損失。2.氣象災害第一章大氣概述

1994年17號臺風造成浙江1126人死亡臺風近十年平均造成我國每年高達246億元直接經(jīng)濟損失和570人死亡。2004年云娜臺風2002年0216號臺風（森拉克）于9月7日登陸時中心附近最大風力有12級第一章大氣概述颶風“卡特里娜”給美國港口城市新奧爾良

帶來毀滅性襲擊遇難總?cè)藬?shù)1000多人，評估報告顯示“卡特里娜”颶風導致2005年下半年美國經(jīng)濟增長率將降低1個百分點，救災和重建颶風災區(qū)費用可能高達1500億美元。布什總統(tǒng)說，“卡特里娜”是美國歷史上最嚴重的自然災害之一，恢復工作可能需要持續(xù)幾年時間。第一章大氣概述干旱缺水

目前，全國1100個大中城市有600多個存在干旱缺水問題，缺水比較嚴重的城市有110個。全國每年因城市缺水影響產(chǎn)值達2000億至3000億元。干旱分布圖第一章大氣概述高溫熱浪

2004年夏季高溫熱浪襲卷歐亞，各國死亡人數(shù)驚人，其中，意大利34071人，法國超10000人，印度1045人。我國南方也遭遇持續(xù)高溫熱浪侵襲，中暑人數(shù)大增，城市頻繁拉閘限電。2000年北京市最高氣溫42.2℃，破百年紀錄。第一章大氣概述雷電災害我國每年因雷擊造成死亡人數(shù)超過300人。雷閃頻次雷暴日數(shù)第一章大氣概述氣象災害造成的國民經(jīng)濟的損失約占國民經(jīng)濟生產(chǎn)總值的3-6%。第一章大氣概述第一章大氣概述

地球大氣的密度、溫度、壓力、成分和電磁特性等都隨高度發(fā)生變化，具有多層次的變化特征。大氣的密度和壓力一般按照指數(shù)率隨高度變化；溫度、成分和電磁特性等隨高度的變化分別具有不同特征，可按照各自特征分成若干層次。1.6大氣的垂直結(jié)構(gòu)第一章大氣概述大氣狀態(tài)方程的研究1662年，愛爾蘭人RobertBoyle的Boyle定律：VP-11787年，法國人A.Charles的Charles定律：VT同時代，Gay-Bussac定律：PT合并前三定律，可得聯(lián)合氣體定律：加上Avogadro定律：Vn

可得到理想氣體定律：

VnTP-1

PV=nRT§1.4空氣狀態(tài)方程第一章大氣概述理想氣體的微觀假設(對單個分子的力學性質(zhì)的假設)分子當作質(zhì)點，不占體積；

（因為分子的線度<<分子間的平均距離）分子之間除碰撞的瞬間外，無相互作用力。（忽略重力）彈性碰撞（動能不變）服從牛頓力學

分子數(shù)目太多，無法解這么多的聯(lián)立方程。即使能解也無用，因為碰撞太頻繁，運動情況瞬息萬變，必須用統(tǒng)計的方法來研究。第一章大氣概述理想氣體的壓強與溫度

一般氣體分子熱運動的概念：分子的密度3

1019

個分子/cm3=3千億個億；分子之間有一定的間隙，有一定的作用力（弱）；分子熱運動的平均速度約v=500m/s；分子的平均碰撞次數(shù)約z=1010

次/秒。理想氣體的分子既沒有體積也沒有分子間引力。高壓時，V實際>V理想無相變第一章大氣概述適用范圍理想氣體分子無體積：高壓時，V實際>V理想。理想氣體分子間無作用力：冷卻不會凝聚，無三態(tài)變化。因此，適用范圍是常溫下。第一章大氣概述一、理想氣體的狀態(tài)方程

對于質(zhì)量為m、摩爾質(zhì)量為M、氣壓為P、體積為V及溫度為T的理想氣體，其狀態(tài)方程的表達式為

（3.1）

其中R*=8.31J/mol·K，稱為普適氣體常數(shù)。（3.1）還可表示為（3.2）

n表示氣體的摩爾數(shù)。

第一章大氣概述

（3.3）

（3.4）（3.5）

式中稱為比氣體常數(shù)。氣體成分不同，則M不同，因而比氣體常數(shù)R也不相同；為氣體的比容；為氣體的密度。

第一章大氣概述二、干空氣狀態(tài)方程干空氣可以認為是由許多理想氣體所組成的混合氣體,對每一種氣體而言,都滿足狀態(tài)方程.因此,由道爾頓分壓定律知：（1）每一種氣體所占的體積為V；（2）每一種氣體成份都符合狀態(tài)方程；（3）混合氣體的總壓強等于各自分壓強之合。

因此，對于每一氣體成份有

I=1、2···n

（3.6）將n種氣體的成份相加得到

或

(3.7)

第一章大氣概述干空氣的平均摩爾質(zhì)量為

(3.8)則(3.7)改寫為

(3.9)

稱為干空氣的比氣體常數(shù)。故干空氣的狀態(tài)方程可寫為

第一章大氣概述三、濕空氣狀態(tài)方程

水汽壓(e)是空氣中所含水汽的分壓力。大氣是混合氣體，在常溫、常壓下可近似看作為理想氣體。根據(jù)道爾頓氣體定律(理想氣體情況下，整個混合氣體的壓力等于各氣體分壓力之和)，可把大氣壓力看成由干空氣和水汽壓力之和，即p=pd+e，其中pd表示干空氣氣壓。e的單位與氣壓p一樣，也用hpa表示。

第一章大氣概述

設濕空氣團的氣壓為p,溫度為T,體積為V,質(zhì)量為m,其中干空氣的分壓力為pd,密度為

d,質(zhì)量為md,水汽的分壓為e,密度為

v,濕空氣密度為（3.11）利用干空氣狀態(tài)方程及水汽狀態(tài)方程

第一章大氣概述可將(3.11)式寫為

(3.12)

其中，Rv=461J.kg-1.K-1為水汽的比氣體常數(shù),并將Rv=1.608Rd代入得

（3.13)第一章大氣概述

由于e<<p,將上式展開,并略去高階小項,得到氣象上常用的濕空氣狀態(tài)方程

(3.14)其中,Tv=T(1+0.378e/p)稱為虛溫,其并非實際的溫度.如寫成則第一章大氣概述例：試比較在同溫、同壓下，干空氣密度、水汽密度及濕空氣密度的大小。

解：在干空氣、水汽及濕空氣同溫、同壓條件下，其各自的狀態(tài)方程表示為

(1)

(2)

(3)用（2）/（1），并簡單變化得

第一章大氣概述即在同溫、同壓下

同樣，（1）/（3）得但，所以，盡管，但程度不大。依據(jù)以上分析有第一章大氣概述1.5主要氣象要素

大氣性狀及其現(xiàn)象(天氣和氣候)是用基本要素——氣溫、氣壓、濕度、風、云況(云狀和云量)、能見度、降水情況(降水類型和降水量)、輻射、日照以及各種天氣現(xiàn)象等來描述的，這些因子稱為氣象要素。氣象要素隨時間和空間而變化，其觀測記錄是天氣預報、氣候分析以及與大氣科學有關(guān)的科學研究的基礎資料。本節(jié)僅介紹最常用的溫、壓、濕、風四個主要氣象要素。第一章大氣概述1.5.1氣溫

表示空氣冷熱程度的物理量稱為空氣溫度(簡稱氣溫)。氣體溫度T(絕對溫度)是分子平均動能的量度，也是分子運動快慢的量度。氣溫越高，空氣分子不規(guī)則運動的平均動能越大，分子不規(guī)則運動的速度也越大。

第一章大氣概述溫標⑴我國采用的攝氏溫標，用℃或C表示，由它表示的溫度為攝氏溫度，常用符號t表示。攝氏溫標以標準氣壓(1013.25hPa)下純水的冰點為零點(0℃)，沸點為100度(100℃)，其間分為100等分，每1等分即為1℃。

第一章大氣概述⑵國際通用的絕對溫標，以K表示，它所表示的溫度稱為絕對溫度，以符號T表示。這是理論研究上常用的溫標，該溫標的零度(稱為絕對零度)規(guī)定它等于攝氏-273.16℃。因此，絕對溫標與攝氏溫標間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為T=273.16+t≈273+t

第一章大氣概述

⑶歐美國家常用的華氏溫標，用表示。這種溫標將水的沸點定為212，水的冰點定為32，并將這兩點之間分成180等分，每1等分表示1℃。華氏溫標與攝氏溫標之間的關(guān)系為F=9/5℃+32(4)觀測地面氣溫指離地1.5m（我國）高處百葉箱里的氣溫第一章大氣概述1.5.2氣壓氣象上的氣壓是指大氣的壓強，靜止大氣中某地的氣壓是該地單位面積上大氣柱的重量。當空氣有垂直加速運動時，氣壓值與單位面積上空氣柱的重量之間有一定差異，但一般空氣的垂直加速很小，可將其看作靜止大氣。第一章大氣概述第一章大氣概述目前常用的氣壓單位有兩種。一種是國際單位帕斯卡(Pascal)，其縮寫為帕或Pa。1帕等于1平方米面積上受到1牛頓(N)的壓力，即1Pa=1N·m為方便起見，氣象上常采用百帕(hPa)來表示氣壓，1hPa=100Pa。另一種單位是毫米水銀柱高度(mmHg)。氣象上規(guī)定，溫度為0℃，緯度為45℃的海平面氣壓為1個標準大氣壓，

1(標準)大氣壓=760mmHg=1013.25hPa過去的氣象書籍中，經(jīng)常用毫巴(mb)作為氣壓的單位，它與hPa和mmHg的關(guān)系是：

1mb=1hPa=3/4mmHg

第一章大氣概述1.5.3空氣濕度

1、水汽壓和飽和水汽壓⑴水汽壓(e)⑵飽和水汽壓(E)

達到相態(tài)平衡時空氣中所含的水汽稱為飽和水汽，其水汽壓E稱為飽和水汽壓。飽和水汽壓E表示在一定溫度下空氣中水汽的最大容量，其值隨溫度的升高而增大。第一章大氣概述①克拉珀龍—克勞修斯(Clapeyron-Clausius)方程

2、E與溫度的關(guān)系是273K時的飽和水汽壓第一章大氣概述

稱為瑪格努斯經(jīng)驗公式。式中

a、b的取值為純水面a=7.5、b=237.30C，純冰面，a=9.5、b=265.50C。飽和水氣壓（E）僅是溫度的單直函數(shù)。②經(jīng)驗公式第一章大氣概述2、絕對濕度(a)

絕對濕度是指單位體積空氣中所含的水汽質(zhì)量(即水汽密度ρv)，單位為g/m3

。利用水汽狀態(tài)方程，可直接獲得絕對濕度的計算公式

第一章大氣概述3、混合比(r)和比濕(q)

⑴混合比(r)濕空氣塊中所含的水汽質(zhì)量mv與該氣塊中干空氣質(zhì)量md之比稱為混合比，其單位為g/g或g/kg。

(g/g)第一章大氣概述

濕空氣中所含有的水汽分質(zhì)量mv與空氣總質(zhì)量m之比,稱為比濕，用q表示（4.9）計算式

(g/g)(4.10)第一章大氣概述4、相對濕度(f)

濕空氣中實際混合比與同溫度下飽和混合比的百分比，即

相對濕度的大小能直接表示空氣距離飽和的相對程度?？諝馔耆稍飼r，相對濕度為零。相對濕度越小，表示當時空氣越干燥。當相對濕度接近于100%時，表示空氣很潮濕，越接近于飽和。

第一章大氣概述5、露點溫度(Td或td或τ)

濕空氣在水汽含量不變的情況下，等壓降溫至對水面而言達飽和時的溫度，稱為露點溫度，簡稱露點，用Td或td(或τ)表示。對冰面而言達飽和時的溫度稱為霜點。第一章大氣概述露點的單位是溫度(K或℃)，但是其數(shù)值只與濕空氣的含水量有關(guān)，而與溫度無關(guān)，因此將它作為一個濕度參量，這是露點的一個重要特點。根據(jù)定義，露點td所對應的飽和水汽壓E(td)等于濕空氣中實際水汽壓e，即

E(td)=e第一章大氣概述氣象工作中，經(jīng)常用溫度露點差(t-td)來判斷空氣的飽和程度，也即相對濕度的大小(t-td)＞0，表示空氣未飽和，(t-td)=0時，空氣達飽和，(t-td)＜0時為過飽和。(t-td)的值愈大，說明空氣的相對濕度愈??；反之，則相對濕度愈大。第一章大氣概述

1.5.4風

它是一個水平矢量，有風向與風速之分。風向是指風的來向，一般用16個方位或度數(shù)來表示第一章大氣概述第一章大氣概述以度數(shù)表示時，由北起按順時針方向量度，如北風為0°，東風為90°，南風為180°，西風為270°。平均風向的計算?第一章大氣概述蒲福風力等級表

m·s

km·hr

風力等級名稱海面風浪海面浪高（m）海面和漁船征象陸地物征象相當于平地10m高處的風速一般最高0無風平穩(wěn)--------海面平靜如鏡靜，煙直上0.0～0.2＜1

1軟風漣漪0.10.1微波如鱗，波峰無沫；漁船正好使舵煙能表示風向，但風向標不能轉(zhuǎn)動0.3～1.51～5

2清風微波0.20.3波小而短，較明顯，波峰呈現(xiàn)玻璃色，末破裂；漁船張帆，每小時可隨風移行1～2海里(約2～4公里)人面感覺有風，樹葉微響，風向標能轉(zhuǎn)動1.6～3.36～11

3微風微波0.61.0小波加大，波峰開始破裂，沫呈玻璃色偶有白沫波峰；漁船開始簸動，張帆時每小時可順風移行3～4海里(約6～7公里)樹葉及微枝搖動不息，旌旗展開3.4～5.412～19

4和風輕波1.01.5小浪漸長，白沫波峰較多；漁船最適于作業(yè)，滿帆時船身側(cè)于一方能吹起地面灰塵和紙張，樹的小枝搖動5.5～7.920～28

5輕勁風中波2.02.5中浪，浪形較長，白沫波峰成群出現(xiàn)，偶有飛沫；漁船需收一部分帆有葉的小樹搖擺，內(nèi)陸的水面有小波8.0～10.729～38

6強風大浪3.04.0大浪開始形成，白沫波峰到處伸展，常有飛沫；漁船需加倍縮帆，捕漁時需小心從事大樹枝搖動，電線呼呼有聲，撐傘困難10.8～13.839～49

7疾風巨浪4.05.5海面堆疊，碎浪的白沫開始風吹成條；漁船留于港內(nèi)，在海者拋錨全樹搖動，迎風步行感覺困難13.9～17.150～61

8大風猛浪5.57.5浪長而較高，浪峰邊緣多破裂成飛舞浪花，風吹浪沫成明顯條紋；一切漁船返港折毀樹枝，迎風步行感覺阻力甚大17.2～20.762～74

9烈風猛浪7.010.0浪已高，浪沫沿風密布，浪峰開始有高聳、下塌、翻卷現(xiàn)象，浪花偶或減低視程建筑物有小損(煙囟頂蓋及平瓦移動)20.8～24.475～88

10狂風狂浪9.012.5浪很高，具有長而高懸的浪峰，所成大片浪沫沿風密集成白條紋，海浪翻滾，擊拍加強，視程減低陸上少見，見時可使樹木拔起，建筑物損壞較重24.5～28.489～102

11暴風暴濤11.516.0浪濤特高，足以暫時掩蔽浪后中小船只，全部海面為沿風伸展的長條白浪沫所掩蓋，濤峰邊緣到處破裂起泡沫，視程大減陸上很少見，有則地物必有廣泛損壞28.5～32.6103～11712颶風暴濤14.0--空中充滿浪花及飛沫，海面全白如沸，視程嚴重減弱陸上絕少見，摧毀力極大≥32.7≥118

第一章大氣概述m·s

km·hr

風力等級名稱海面風浪海面浪高（m）海面和漁船征象陸地物征象相當于平地10m高處的風速一般最高0無風平穩(wěn)--------海面平靜如鏡靜，煙直上0.0～0.2＜1

1軟風漣漪0.10.1微波如鱗，波峰無沫；漁船正好使舵煙能表示風向，但風向標不能轉(zhuǎn)動0.3～1.51～5

2清風微波0.20.3波小而短，較明顯，波峰呈現(xiàn)玻璃色，末破裂；漁船張帆，每小時可隨風移行1～2海里(約2～4公里)人面感覺有風，樹葉微響，風向標能轉(zhuǎn)動1.6～3.36～11

3微風微波0.61.0小波加大，波峰開始破裂，沫呈玻璃色偶有白沫波峰；漁船開始簸動，張帆時每小時可順風移行3～4海里(約6～7公里)樹葉及微枝搖動不息，旌旗展開3.4～5.412～19

第一章大氣概述4和風輕波1.01.5小浪漸長，白沫波峰較多；漁船最適于作業(yè)，滿帆時船身側(cè)于一方能吹起地面灰塵和紙張，樹的小枝搖動5.5～7.920～28

5輕勁風中波2.02.5中浪，浪形較長，白沫波峰成群出現(xiàn)，偶有飛沫；漁船需收一部分帆有葉的小樹搖擺，內(nèi)陸的水面有小波8.0～10.729～38

6強風大浪3.04.0大浪開始形成，白沫波峰到處伸展，常有飛沫；漁船需加倍縮帆，捕漁時需小心從事大樹枝搖動，電線呼呼有聲，撐傘困難10.8～13.839～49

第一章大氣概述7疾風巨浪4.05.5海面堆疊，碎浪的白沫開始風吹成條；漁船留于港內(nèi)，在海者拋錨全樹搖動，迎風步行感覺困難13.9～17.150～61

8大風猛浪5.57.5浪長而較高，浪峰邊緣多破裂成飛舞浪花，風吹浪沫成明顯條紋；一切漁船返港折毀樹枝，迎風步行感覺阻力甚大17.2～20.762～74

9烈風猛浪7.010.0浪已高，浪沫沿風密布，浪峰開始有高聳、下塌、翻卷現(xiàn)象，浪花偶或減低視程建筑物有小損(煙囟頂蓋及平瓦移動)20.8～24.475～88

第一章大氣概述

10狂風狂浪9.012.5浪很高，具有長而高懸的浪峰，所成大片浪沫沿風密集成白條紋，海浪翻滾，擊拍加強，視程減低陸上少見，見時可使樹木拔起，建筑物損壞較重24.5～28.489～102

11暴風暴濤11.516.0浪濤特高，足以暫時掩蔽浪后中小船只，全部海面為沿風伸展的長條白浪沫所掩蓋，濤峰邊緣到處破裂起泡沫，視程大減陸上很少見，有則地物必有廣泛損壞28.5～32.6103～11712颶風暴濤14.0--空中充滿浪花及飛沫，海面全白如沸，視程嚴重減弱陸上絕少見，摧毀力極大≥32.7≥118

第一章大氣概述1.6大氣的垂直結(jié)構(gòu)

通常有兩種方法：一種是根據(jù)大氣中出現(xiàn)的某些物理現(xiàn)象，以極光出現(xiàn)的最大高度——1200km作為大氣的上界。因為極光是太陽發(fā)出的高速帶電粒子使稀薄空氣分子或原子激發(fā)出來的光，它只出現(xiàn)在大氣中，星際空間無這種物理現(xiàn)象。另一種是根據(jù)大氣密度隨高度增加而減少的規(guī)律，以大氣密度接近星際氣體密度的高度定為大氣上界。按衛(wèi)星觀測資料推算，該高度約為2000～3000km。

第一章大氣概述一、大氣分層的依據(jù)1、按照大氣的溫度結(jié)構(gòu)分：對流層、平流層、中間層、暖層及散逸層；2、按照大氣的成分結(jié)構(gòu)分：均質(zhì)層和非均質(zhì)層；3、按照大氣的壓力結(jié)構(gòu)分：氣壓層和外大氣層；4、按照大氣的電離結(jié)構(gòu)分：電離層和磁層。第一章大氣概述按溫度的垂直分布，通常將大氣分成對流層、平流層、中層、熱層和外逸層等五層。

第一章大氣概述地球大氣按照溫度分層：中層平流層對流層8－10－18km50km500km熱層外逸層85km極地中緯度赤道第一章大氣概述第一章大氣概述1、對流層

對流層是地球大氣的最低層，其下邊界為地面或海面。對流層高度隨緯度、季節(jié)等因素而變，在低緯地區(qū)平均為17～18km，中緯地區(qū)平均為10～12km，極地平均為8～9km。就季節(jié)變化而言，夏季對流層高度大于冬季。第一章大氣概述四個主要特點

(1)氣溫隨高度增加而降低，其降低的數(shù)值隨地區(qū)、時間和所在高度等因素而變。平均而言，每上升100m約降低0.65℃，這個氣溫降低速率稱為(環(huán)境)氣溫遞減率，通常以γ表示，即平均值γ=0.65℃/(100m)。有時在某地區(qū)會出現(xiàn)氣溫不隨高度而變，甚至隨高度增大而升高(稱為逆溫)的情況。對流層頂?shù)臏囟仍诘途暤貐^(qū)平均約190K，高緯地區(qū)約為220K。第一章大氣概述二、氣溫鉛直遞減率（

）

>0

減溫層=0

等溫層<0逆溫層TZ第一章大氣概述(2)大氣密度和水汽隨高度迅速遞減，對流層幾乎集中了整個大氣質(zhì)量的3/4和水汽的90%。(3)有強烈的垂直運動。包括有規(guī)則的垂直對流運動和無規(guī)則的湍流運動，它們使空氣中的動量、水汽、熱量以及氣溶膠等得以混合與交換。

第一章大氣概述(4)氣象要素的水平分布不均勻。由于對流層空氣受地表的影響最大，因此，海陸分布、地形起伏等差異使對流層中的溫度、濕度等氣象要素的分布不均勻。

對流層在國外還常稱它的“天氣層”。

第一章大氣概述2、平流層

自對流層頂向上至55km左右這一范圍稱為平流層最初20km以下，氣溫基本均勻(即隨高度基本不變)，從20km到55km，溫度很快上升，至平流層頂可達270～290K。這主要是由于臭氧吸收太陽輻射所致。臭氧層位于10～50km，在15～30km臭氧濃度最高，30km以上臭氧濃度雖然逐漸減少，但這里的紫外輻射很強烈，故溫度隨高度能迅速增高。

第一章大氣概述(2)層內(nèi)氣流平穩(wěn)、對流微弱，而且水汽極少，因此大多數(shù)為晴朗的天空，能見度很好。有時對流層中發(fā)展旺盛的的積雨云頂部(卷云)也可伸展到平流層下部，在高緯地區(qū)有時日出前、日落后，會出現(xiàn)貝母云(也稱珍珠云)。水汽和塵埃較少,大氣透明度較好.第一章大氣概述3、中層

自平流層頂部向上，氣溫又再次隨高度增加而迅速下降，至離地80～85km處達最低值(約為160～190K)，這一范圍的氣層稱為中層，或中間層。在中層，有相當強烈的垂直對流和湍流混合，故又稱為高空對流層，然而，由于水汽極少，只是在高緯地區(qū)的黃昏時刻，在該層頂部附近，有時會看到銀白色的夜光云。第一章大氣概述4、熱層中層頂(85km)以上是熱層，這一層沒有明顯的上界，而且與太陽活動情況有關(guān)，有人觀測到其高度約在250～500km。在這一層，由于氧原子和氮原子吸收大量的太陽短波輻射，而使氣溫再次升高，可達1000～2000K。在100km以上，大氣熱量的傳輸主要靠熱傳導，而非對流和湍流運動。第一章大氣概述由于熱層內(nèi)空氣稀薄，分子稀少，傳導率小，因此該層的氣溫能很快上升到幾百度。然而，由于大氣稀薄，分子間的碰撞機會極少，溫度只有動力學意義(溫度是分子、原子等運動速度的量度)。如果宇航員能從宇航倉內(nèi)伸出手來，他也不會感覺到“熱”，因為熱量還與分子的多少有關(guān)。熱層的溫度有很顯著的日變化，下午的溫度可比早晨溫度高300K，甚至更多。

第一章大氣概述1)溫度隨高度增加而上升2)高度電離。3）帶電粒子運動受地球磁場的作用明顯。第一章大氣概述第一章大氣概述第一章大氣概述第一章大氣概述第一章大氣概述第一章大氣概述5、外逸層

熱層頂以上是外逸層，它是大氣的最高層。在這層中氣溫很高，但隨高度的增加很少變化。由于氣溫高，粒子運動速度很大，而且這里的地心引力很小，因此，一些高速運動的空氣質(zhì)粒可能散逸到星際空間，這就是“外逸層”名稱的由來。根據(jù)衛(wèi)星觀測，可以推算出不同高度上的空氣密度，從而估計外逸層的高度。觀測表明，外逸層的高度可以從2000～3000km向外伸展到很遠，并逐漸與行星空間融合。第一章大氣概述第一章大氣概述1.6.2大氣組成隨高度的變化

根據(jù)大氣組成，可將大氣分為均勻?qū)雍头蔷鶆驅(qū)觾蓚€層次。從地面到80～100km(平均為90km)，大氣的氣體成分，隨高度基本不變，稱為均勻?qū)樱?0km以上的稀薄空氣成分則不均勻，稱其為不均勻?qū)?。大氣成分隨高度的變化是由分子擴散和湍流混合兩種物理過程作用共同決定的。

在這非均勻?qū)?，又可以按其組成的主要成分，將其分為四層：最低一層以最重要的氮氣分子(N２)為主要成分，其上一層以原子氧(O)為最多，第三層以氦原子(He)居多，最高一層由最輕的氫原子(H)組成。

第一章大氣概述1.6.3電離層

高空大氣中的氣體分子和原子在太陽短波輻射(紫外輻射和X射線)和微粒輻射(質(zhì)子、電子等)作用下會電離而形成離子和自由電子。這種電離現(xiàn)象發(fā)生在地面以上50～1000km之間，電離的正離子和負電子密度在80～400km范圍達最大，稱為電離層。第一章大氣概述電離層的電性結(jié)構(gòu)不均一，它由三個密度不同的層次構(gòu)成，自下而上依次稱為D、E、F層。由于電離需要太陽直接輻射，因此，白天和夜間的離子密度有所不同，尤其在D和E層，它們夜間消失，白天又形成。最高的上層在白天和黑夜都存在，因為F層大氣稀薄，電子、離子不會象低層密度較大的空氣那樣容易碰撞、中和，所以這一層的電子、離子密度變化幅度小。夜間雖變?nèi)酰匀淮嬖?。第一章大氣概述電離層對電磁波的傳播有重要影響，這是因為電離層對電磁波會發(fā)生吸收、反射和折射作用。無線電波可以借助于地面和電離層之間的多次反射而實現(xiàn)其遠距離傳輸，有時夜間能收到的電臺，第二天白天卻消失了，這是由于白天被上層反射的電波有一部分被D層吸收掉了，而夜間D層不存在。電離層的結(jié)構(gòu)與太陽活動有著密切的關(guān)系，當太陽發(fā)生各種爆發(fā)現(xiàn)象時，會增加射向地球的太陽輻射和粒子流，使電離層狀態(tài)發(fā)生劇烈變化。例如，當太陽出現(xiàn)耀斑時，會使D層的電離度突然增加，導致中、短波無線電信號突然衰減，甚至使通訊中斷。第一章大氣概述地球大氣按照電磁性質(zhì)分層：磁層電離層中性層60km500km1000km第一章大氣概述按地磁場對帶電粒子運動作用明顯與否分1、非磁層（500km以下）由于空氣較稠密，帶電粒子的運動主要受粒子間的碰撞支配2、磁層（500km以上）本層內(nèi)存在大量帶電粒子，空氣又稀薄，粒子間碰撞稀少，所以，帶電粒子的運動主要受地磁場控制第一章大氣概述1.6.4氣壓的高度分布

氣壓總是隨高度增加而減小

高度(km)海平面1.53.05.59121620.52431氣壓(hPa)1000850700500300200100503010氣壓隨高度變化的定量關(guān)系可以用靜力方程和壓高公式來描述。第一章大氣概述1、靜力方程

靜力平衡

觀測表明，除了少數(shù)情況（如雷暴、龍卷風等強對流天氣）外，氣塊的鉛直加速度通常不超過0.001ms-2，比g約小一萬倍，一般可以忽略這個加速度，而近似認為氣塊在鉛直方向的受力處于平衡狀態(tài)，稱此時大氣處于靜力平衡狀態(tài)。第一章大氣概述第一章大氣概述

假設大氣處于靜力平衡狀態(tài)(即靜止狀態(tài))，設高度z處的氣壓為p(方向指向上)，z+dz處的氣壓為p+dp(方向為向下)，則薄氣柱所受的凈壓力為

p-(p+dp)=-dp

作用于薄氣柱的另一個力是重力W，方向向下，其值為

W=gdm=ρgdz

第一章大氣概述

在靜力平衡條件下，薄氣柱受的凈壓力應與重力相等

大氣靜力方程具有很高的精度(有強對流運動的區(qū)域除外)，在大氣科學中得到廣泛的應用

第一章大氣概述物理意義：

反應了在靜力平衡條件下，氣壓與高度的分布關(guān)系，即氣壓隨高度的增高而降低，隨高度的降低而增大。

第一章大氣概述

（1）dp與dz總是反號的，當dz>0時，dp<0，表示氣壓隨高度增加而減少；相反，當dz<0時，dp>0，表示氣壓隨高度減小而增大。

(2）氣壓隨高度升高而減小的快慢程度，主要取決于ρ和g，若g視為常量，則主要取決于ρ：ρ大，p遞減快；ρ小，遞減慢。由此推導：

A、高空ρ<低空ρ，高空遞減較低空慢些；

B、當p相同的情況下，暖區(qū)ρ<冷區(qū)ρ，暖區(qū)

p遞減較慢。

第一章大氣概述（3）在靜力平衡情況下，任意高度z處的氣壓，等于該高度單位位截面上所承受的鉛直氣柱的重量，這就是氣壓的靜力學意義。即

A、若海平面（z=0）處氣壓為p，則由上式得到：

B、任意單位截面上下界的氣壓差（p-p）等于該氣層的重量

第一章大氣概述“氣壓階”它定義為鉛直氣柱中每改變單位氣壓(常指1hPa)所對應的高度變化，即

hp=-dz/dp=-1/ρg

hp=8000/p(1+αt)

式中α=1/273，t為氣層的平均溫度(℃)，p的單位為hPa。第一章大氣概述不同氣溫和氣壓下的氣壓階值(m/hPa)

氣溫(℃)氣壓（hpa）-40-200204010006.77.48.08.69.350013.414.716.017.318.610067.273.680.086.492.8第一章大氣概述

靜力學基本方程的表達式為

對于深厚氣層微分形式的靜力學方程不能直接應用，可以通過積分得到其積分表達式，這就是常用的壓高公式。

具體推導如下：

將大氣狀態(tài)方程代入靜力學基本方程得：2壓高公式第一章大氣概述

（2.1）將（2.1）式兩邊從P1～P2；Z1～Z2積分得：

(2.2)若略去水汽的影響，則（2.2）可寫為

(2.3)(2.3)就是壓高公式的一般表達式。

為了便于實際應用，通常對大氣作某些特定假設，使積分能夠順利進行。對應于不同的大氣模型，便可以得到不同的壓高公式。

第一章大氣概述(1)均質(zhì)大氣壓高公式

均質(zhì)大氣是指空氣密度不隨高度變化的大氣，并不考慮水汽的影響和重力g隨高度的變化。

p=p0-ρgz第一章大氣概述均質(zhì)大氣中氣壓隨高度呈線性遞減，而且遞減的速度很快。當z=p0/ρg時，p=0，這個高度就是均質(zhì)大氣的上界，也稱為標高，通常以H表示，其表達式為

H=p0/ρg均質(zhì)大氣的密度隨高度不變，可將ρ取為地面大氣密度ρ0，再利用干空氣狀態(tài)方程，上式可寫為

H=RdT0/g上式表明，均質(zhì)大氣高度H是地面氣溫T0的函數(shù)。當T0=273K時，有H=RdT0/g≈8km。均質(zhì)大氣的密度隨高度不變，但其溫度是隨高度遞減的第一章大氣概述均質(zhì)大氣層中氣溫直減率將干空氣狀態(tài)方程兩邊取自然對數(shù)得在上式兩邊對Z求偏導數(shù)

γ=-3.41℃/100m第一章大氣概述物理含義：將大氣狀態(tài)方程兩邊取自然對數(shù)，再求偏導討論：（1）增質(zhì)層，表示密度隨高度增加而增大?？諝鈱a(chǎn)生翻騰現(xiàn)象，被稱為自動對流梯度；

（2）均質(zhì)層，表示密度隨高度分布均勻。（3）減質(zhì)層，表示密度隨高度增加而減小。

第一章大氣概述

均質(zhì)大氣的重要特征：

（1）P隨Z呈線性遞減；（2）T隨Z呈線性遞減，直減率

r=3.42/100m,是空氣產(chǎn)生自動對流的一個臨界值，r可作為判據(jù)；（3）隨Z不變。（4）氣層上限高度H僅是地面T的函數(shù)。

第一章大氣概述（2）等溫大氣壓高公式：

1、概念：氣溫不隨高度變化（γ=0,即T=常數(shù))的大氣稱為等溫大氣

2、等溫大氣壓高公式：

利用（2.3）式由于

第一章大氣概述代入（2.3）得：（2.10)若取Z1為海平面高度，即，則海平面氣壓Z2=Z,P2=P。

(2.11)

(2.11)就是等溫大氣壓高公式。表示氣壓隨高度按指數(shù)規(guī)律遞減。從（2.11）知，時，表示等溫大氣無明確上界。

第一章大氣概述等溫大氣中，氣壓隨高度呈指數(shù)遞減。實際應用中，可將大氣分成若干層次，把各層看作等溫大氣。即以各層的平均溫度作為公式中的溫度t，計算出各層的高度差，累加后即可得整個氣層的厚度。若考慮水汽影響，則上式中的溫度(T或t)，用虛溫(Tv)替代。第一章大氣概述等溫大氣的主要特征歸納如下：

P隨高度按照指數(shù)規(guī)律遞減，遞減快慢與氣層溫度有關(guān)。氣層溫度隨高度不變，即氣層中ρ(z)≠const，呈指數(shù)規(guī)律遞減。氣層上限高度不確定，且趨于無大。

第一章大氣概述(3)多元大氣壓高公式

多元大氣就是氣溫等遞減大氣。在這種模式大氣中，氣溫是高度的線性函數(shù)。

T=T0-γz第一章大氣概述

多元大氣壓高度公式

第一章大氣概述

（2.13）(2.13)多元大氣的壓高公式。將上式稍加整理得

(2.14)多元大氣上界高度

由（2.14）知，當時，大氣上界為

第一章大氣概述多元大氣與等溫大氣、均質(zhì)大氣的關(guān)系

（1）多元大氣層與均質(zhì)大氣多元大氣壓高公式（2.14）

第一章大氣概述多元大氣層壓高公式分布特征歸納為：

（1）P隨Z呈指數(shù)規(guī)律遞減，遞減快慢與γ大小有關(guān)，γ越大，遞減快；反之，則慢。（2）T呈線性分布；（3）ρ隨z呈指數(shù)規(guī)律遞減；（4）多元大氣上限的高度是確定的有限值。（5）多元壓高公式是普遍式，γ=0，γ=γ，為其特例。

第一章大氣概述第一章大氣概述(4)標準大氣中氣壓隨高度的變化

實際大氣一般不能用以上三種模式即均質(zhì)、等溫和多元大氣中的一種來描述。通常，對流層大氣近似為多元大氣，平流層底部近似為等溫大氣，而其上部為溫度遞增率較小的多元大氣。因此，有必要根據(jù)探測數(shù)據(jù)和理論計算，來制定一種與實際大氣垂直分布的平均狀況比較接近的描述，稱為標準大氣。

第一章大氣概述定義（WMO的定義）

所謂標準大氣，就是能夠粗略地反映出周年、中緯度狀況的，得到國際上承認的，假定的大氣溫度、壓力和密度的垂直分布。它的典型用途是作為壓力高度計校準、飛機