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1、1/27 中国民航大学 空管学院 第一章 大气的组成和结构 中国民航大学 空管学院 * 2/27 中国民航大学 空管学院 第一节 大气组成 第二节 大气结构 第四节 标准大气 第三节 空气状态方程 3/27 中国民航大学 空管学院 4/27 中国民航大学 空管学院 5/27 中国民航大学 空管学院 地球表面的外层是多种气体混合组成的空气，受地球重 力作用，围绕地球占有一定的空间，称为地球大气，简称大 气 （Atmosphere）。 大气不停地运动，不断地变化，呈现出各种各样的天气 （Weather）现象。 大气的状态用气温、气压、湿度、风、云、降水、能见 度等气象要素 （Meteorologi
2、cal Element）表示。 地球大气 6/27 中国民航大学 空管学院 1、干洁空气（Dry Air） 除水汽、气溶胶以外的整个混合气体 2、水汽（Water Vapor） 垂直和水平分布差异较大；大气中唯一能发生相变的成分，来 源于地面，含量变化。容积计约占05%。 3、气溶胶粒子（大气杂质）（Aerosols） 水汽凝结物水滴和冰晶 悬浮的固体微粒烟粒、盐粒、尘粒、各种凝结核以及带电离子 等。 第一节 大气组成 7/27 中国民航大学 空管学院 1、干洁空气 O3：主要分布于1050km高度的平流层大气中，极大值在 2035km之间。 O3可以强烈吸收太阳紫外线辐射而增温，改变大气温
3、度的垂直分布，同时也使地球生物免受了过多紫外线（ Ultraviolet）的照射。对天气影响较大的成分 N2占大气质量的78%，O2占大气质量的21%. 8/27 中国民航大学 空管学院 干洁大气之不同纬度臭氧浓度平均垂直分布曲线 （a）4月（b）10月 9/27 中国民航大学 空管学院 干洁大气之 CO2 QCO2：吸收地面受热后放出的长波辐射，对地球具有“温室 效应”（Green House Effect）的作用。对天气影响较大的成 分 Q二氧化碳含量分布特点： Q工业区多、农村少 Q同一地区冬季多、夏季少 Q夜间多、白天少 Q阴天多、晴天少 10/27 中国民航大学 空管学院 水汽在大气
4、中所占的比例很小，仅0.1% 3%，却是大 气中最活跃的成分。水对于地球上生命的意义。 2、水汽 11/27 中国民航大学 空管学院 水汽的分布： 大气中的水汽含量随高度的增加而逐渐减少。 水平地理分布不均。 约50%的水汽集中在约2km以下，约大于90% 的水汽集中在5km以下；99%的水汽集中在对流层 。 水汽是成云致雨的物质基础，故大多数复杂天 气均出现在中低空，高空晴朗。 2、水汽 12/27 中国民航大学 空管学院 水汽之对天气的影响： 水汽对对天气的影响： Q 水汽相变产生云、雾、露、霜、雨、雪、雹等 天气现象。 Q 相变过程中放出或吸收热量，影响地面和空气 的温度。 Q 水汽与气
5、温及天气变化关系密切：大气运动中 的水汽通过状态变化传输热 量。 13/27 中国民航大学 空管学院 （1）定义义 气溶胶 (Aerosols) 质质粒：指悬浮在大气中的固体微粒和水汽 凝结物。 （2）对对天气的影响： Q固体杂质可充当水汽的凝结核，在云、雾、降水等的形 成过程中起着重要的作用。 Q在一定的天气条件下，气溶胶粒子常聚集在一起，形成 霾、风沙浮尘等视程障碍现象，使大气透明度变差； Q吸收、散射和反射地面和太阳辐射，影响大气温度； 3、大气气溶胶3、大气气溶胶 14/27 中国民航大学 空管学院 1 1、大气垂直分层依据、大气垂直分层依据 2 2、大气分层及各层特征、大气分层及各层
6、特征 第二节 大气结构 15/27 中国民航大学 空管学院 T 为温度变化量 Z 为高度变化量 一、大气垂直分层的依据气温垂直递减率 气温垂直递减率的定义： 东 X Z天 Z 北 Y T T+T Z Z+Z 16/27 中国民航大学 空管学院 一、大气垂直分层的依据气温垂直递减率 气温垂直递减率 等温层 逆温层 普遍分布 TTT ZZZ 17/27 中国民航大学 空管学院 一、大气垂直分层的依据气温垂直递减率 已知某地的地面气温为为T0 (C)， 可大致推算该该地Z (m) 高度上的气温 TZ (C) : TZ = T0 Z 在对对流层层中，平均取 = 0.65 C/100 m，则 TZ =
7、T0 0.65 Z 100 或 TZ = T0 0. 0065Z T0 Z天 TZ Z 北 Y 气温垂直递减率的应用 18/27 中国民航大学 空管学院 一、大气垂直分层的依据气温垂直递减率 气温垂直递减率的应用 已知某地的Z1 (ft)高度上气温为 T1 (C)，可大致推算该地Z2 (ft) 高度 上的气温T2 (C) : T2 = T1 (Z2 Z1) 在对流层中，平均取 = 2 C/1, 000 ft，则 T2 = T1 2 Z2 Z1 1, 000 T1 东 X Z天 T2 Z2 北 Y Z1 Z2- Z1 19/27 中国民航大学 空管学院 大气层状结构： Q 对流层（Troposp
8、here） Q 平流层/同温层（Stratosphere） Q 中间层（Mesosphere） Q 暖层/电离层（Thermosphere） Q 外逸层（Exosphere） 二、大气垂直分层结构 20/27 中国民航大学 空管学院 80 90km 50 60km 8 9km 10 12km ATMOSPHERIC LEVELS Troposphere Stratosphere Mesosphere Tropopause Thermosphere Exosphere 大气的分层 暖 层 散 逸 层 对 流 层 平 流 层 中 间 层 对 流 层 顶 17 18km 1 600 km 垂直分层的
9、高度 21/27 中国民航大学 空管学院 1、对对流层层 对流层（TroposphereTroposphere）是紧贴地面的一层，它受地面的 影响最大。因为地面附近的空气受热上升，而位于上面的冷空 气下沉，发生对流运动，故得名对流层。 对对流层顶层顶 高度： 平均说来，低纬度对流层顶高、高纬度对流层顶低。 同一地区，对流层顶高度夏季高于冬季。 二、大气垂直分层结构 22/27 中国民航大学 空管学院 对流层集中了约75%的大气质量和90%以上的水汽。 对流层大气热量的直接来源主要是空气吸收地面发出的长 波辐射，靠近地面的空气受热后热量再向高处传递。 对流层中，水汽和二氧化碳对大气温度变化的影响
10、最大。 1 对流层 23/27 中国民航大学 空管学院 对流层三大重要特征： 对流层的三个主要特点： Q 气温随着高度的增高而降低 Q 具有强烈的对流和湍流运动 Q 各气象要素水平分布不均匀 因为大气不能吸收太阳短波辐射，但地 面能吸收太阳辐射而升温并放出长波辐 射，大气主要通过吸收地面的长波辐射 和通过对流、湍流等方式 从地面吸收热 量才能升温，因而越接近地面的大气得 到的热量越多，造成对流层的气温随高 度升高而降低。 低层空气由于从地面得到热量使之受热上升 ，高层冷空气下沉，从而造成对流层内存在 强烈的垂直混合作用。热带地面温度高，垂 直混合能到很高高度，对流层顶高度高；极 地地面温度低，
11、垂直混合作用弱，对流层顶 高度低。 气象要素水平分布不均匀。 由于各地纬度和地表性质的差异，地面 上空空气在水平方向上具有不同物理属 性，温、压、湿等要素水平分布不均匀 ，从而产生各种天气过程和天气变化。 24/27 中国民航大学 空管学院 多数天气发生在对流层中， 包括云、降水和风，特别是 引起对流云发展的垂直气流 。 1 对流层 25/27 中国民航大学 空管学院 Q对流层下层（离地面1500m高度以下）又名摩擦层，空气运动受地形扰 动和地表摩擦作用最大，气流混乱。 Q中层（摩擦层顶到6000m高度）空气运动受地表影响较小，气流相对平 稳，可代表对流层气流的基本趋势，云和降水大多生成于这一
12、层。 Q上层（从6000m到对流层顶）受地表影响更小，水汽含量很少，气温通 常在0以下，各种云多由冰晶或过冷水滴组成。 Q1500m高度以上的大气因为几乎不受受地表摩擦作用的影响-自由大气。 对流层中按气流和天气现象分布的特点，可分为上中下三个层次： 1 对流层 26/27 中国民航大学 空管学院 在对流层的顶部直到 55km，气流运动相当平衡，而 且主要以水平运动为主，故称 为平流层层（S Stratospheretratosphere）。 平流层顶的气压约1hPa 。平流层下部温度随高度变化 很小，平流层上部因为存在臭 氧层，臭氧吸收太阳紫外辐射 使大气温度增加。 2、平流层 27/27
13、中国民航大学 空管学院 平流层的重要特征： Q大气很稳定，空气的垂直运 动很微弱，多为平流运动。 Q水汽和杂质含量很少，几乎 没有对流层中所出现的各种天 气现象。 Q大气透明度高，天气晴朗， 飞行气象条件好。 28/27 中国民航大学 空管学院 平流层的重要特征： Q 气温随高度的升高而升高。 Q 水平风速大：冬季极地有时出现80米/秒以上的强风。 Q 大气层结稳定，垂直运动受到抑制。 Q 空气阻力小，颠簸极少。 Q 大气密度小，对飞机的空气动力性能有影响；天空黯淡 。 Q 高空主导环流： 夏季以极地为高压中心的东风环流中高纬度盛行东 风； 冬季以极地为低压中心中高纬度盛行西风。 29/27
14、中国民航大学 空管学院 平流层对飞行的影响 Q有利方面：气流平稳、空气干洁、能见度好、飞 行阻力小，有利于大型飞机飞行。 Q不利方面：发动机效率降低，飞机对操纵的反映 迟缓。 30/27 中国民航大学 空管学院 3、中间层 、热层 、外逸层 中间层间层 在5085km高度 ，是大气中最冷的部分。水 汽极少，虽然不稳定，但是 没有什么天气现象。 热层热层 （电电离层层）在 85km800km以上，太阳辐 射中的强紫外辐射造成了热 层的高温。虽然温度是最高 ，但是大气极其稀薄。 31/27 中国民航大学 空管学院 暖层顶以上的大气统称为外逸层层，又叫外层。 它是大气的最高层，高度离地表800km以
15、上，厚 度可达20003000km。 外逸层中温度很高，空气十分稀薄，受地球引力 场的约束很弱，一些高速运动着的空气分子可以挣 脱地球的引力和其它分子的阻力散逸到宇宙空间。 3、中间层、热层、外逸层 32/27 中国民航大学 空管学院 第四节 标准大气 Q标准大气是铅直方向上，温度、气压和密度按一种假定的 规律分布的模式大气，是根据实测资料，用简化方式近似的 表示大气温度、压力和密度的平均分布。 Q制作目的：出于比较飞机性能和设计大气数据仪表的需要 。 Q在设计飞行器、飞行器的设备和仪表时，在订正飞行试验 数据时，都要以预先规定好的，随高度固定分布的大气物理 状态为根据，这样才能得到可以相互比较的仪表示度、飞行 试验数据和空气动力数据。 33/27 中国民航大学 空管学院 由国际民航组织(ICAO)统一采用的32公里以下标准大气的主要数据是 ： 1、干洁大气，垂直方向上成份（各种气体的比例）不改变，平均分子 量为28.9644； 2、具有理想气体的性质（服从方程pV=nRT）； 3、标准海平面的重力加速度为g0=9.80665m/s2； 4、在平均海平面上，气温为T0=15C=288.16K ；气压为P0=1013.25hPa =7
