物理化学 第1章 大气基本特征

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1、1.1 大气的成分1.2 大气的垂直结构1.3 大气的状态方程1.4 大气的静力学方程及其应用1.5 基本气象要素思考题第1章 大气的基本特征气象学与气候学第1章 大气的基本特征目前，地球低空大气是由多种气体混合组成的气体及浮悬的固、 液态杂质组成。l干洁空气：不含水汽（水滴/冰晶）和其它固体杂质的大气。l主要成分氮、氧和氩，亦称永久成分（Permanent Gases），占 99.96；l次要成分包括二氧化碳及氢、氖、氦、氪、氡及臭氧等稀有气体 ，亦称可变成分（Variable Gases ）。1.1 大气的成分1.1.1 干空气表11大气的气体组成成分 永久成分可变成分第1章 大气的基本特

2、征l臭氧： 含量：很低、易变； 来源：高层大气由太阳紫外线产生光化学作用，使氧分子分解 为氧原子，再与氧分子结合而成；低层大气通过有机物氧化、雷暴闪电及光化学反应等作用形成。 分布：近地面很少，从10km向上逐渐增加，到20km25km达到最 大值，形成所谓的臭氧层（Ozone layer）,再向上由逐渐减少，至 55km60km已微不足道。水平方向上，由赤道向两极逐渐增加，季节上，春季最大、夏季最小。 作用：高层吸收紫外线，使大气升温；近地面则对生物有害。1.1 大气的成分1.1.1 干空气臭氧垂直分布臭氧层对流层臭氧平流层臭氧形成机制对流层臭氧形成机制第1章 大气的基本特征l二氧化碳等温室

3、气体：指二氧化碳、甲烷、一氧化二氮及水汽等。其中CO2是最主要的温 室气体，主要来自火山喷发、有机物的燃烧、腐烂及动植物的呼 吸等。l温室效应：太阳（短波）辐射通过大气层到达地面并被其吸收，地面（长波）辐射则几乎全部被大气所吸收，大气向外太空和地面发出长波 辐射，后者称为大气逆辐射，使地面升温。1.1 大气的成分1.1.1 干空气太阳辐射地面辐射大气辐射大气地 面l水汽：在自然界的温度和压力下唯一能发生相变的成分。 来源：地球表面（海洋）水分的蒸发，然后随上升气流向上输送 。 含量：变化较大（04%），水汽垂直分布范围只在1020km 以下。 特点：具有固、气、液三态，常温下发生相变的唯一大气

4、成分， 相变过程中吸收和放出潜热能，同时能强烈吸收和放出长波辐射 ，对地面和空气温度影响极大。是云、雾、霜、雨和雪等常见天 气现象产生的先决条件。 分布：夏季多于冬季；低纬度多于高纬度、海面多于陆面； 随高度增加而减少，主要分布于23km以内。第1章 大气的基本特征1.1 大气的成分1.1.2 水 汽Clouds天气现象海洋过程海气相互作用 定义：悬浮在空气中的固体或液体微粒，主要包括尘埃、烟粒、 细菌、病毒、花粉和微小盐粒等，亦称为气溶胶（aerosol）粒子。 来源和分布：火山喷发、风、海浪飞溅、生物过程、流星燃烧及 人类活动（如燃烧物质排放至空气中的大量烟粒等）。它们多集 中于大气的底层

5、； 特点：大多成为水汽凝结核，对云、雾的形成起重要作用。同时 固体微粒能散射、漫射和吸收一部分太阳辐射，也能减少地面长 波辐射的外逸，对地面和空气温度有一定影响，并会使大气的能 见度变坏。 第1章 大气的基本特征1.1 大气的成分1.1.3大气杂质粒子包括一氧化碳、氨、二氧化硫、硫化氢及臭氧等。来自工业、交 通运输业。含量虽微，但使气候环境污染，对人类有害。第1章 大气的基本特征1.1 大气的成分1.1.4 大气污染物质大气总质量约5.31015t，其中50集中在5.5km高度内，36km以上只占大气总质量的1。大气圈上界与星际空间之间很难用一个“分界面”把它们截然分开。通常以大气中极光是出现

6、的高度确定为大气的上界，约为1200km；若以接近于星际的气体密度的高度来估计大气的上界。按照人造卫星探测资料推算，这个上界大约在20003000km高度上。根据气温垂直分布等，大气分为：对流层、平流层、中间层、热层和散逸层。第1章 大气的基本特征1.2 大气的垂直结构 定义：从地面至约12km高的大气层。其下垫面为地面，上界高度 随纬度和季节而变。集中了大气质量的80和全部水汽，云、雾、雨、雪等也都发生于其中。 主要特征：（1）气温t随高度z增加而下降，气温直减率= dt/dz = 0.65C/100m；（2）具有强烈的对流运动和湍流运动；（3）气象要素在水平方向上分布很不均匀，形成气团和锋

7、；（4）垂直方向分为摩擦层或行星边界层（厚1km2km）和自由大气 （1km 2km以上）。 第1章 大气的基本特征1.2.1 对流层1.2 大气的垂直结构大气层垂直结构对流层平流层中间层热层对流层结构自由大气行星边界层 定义：自对流层顶到大约55Km左右的大气层； 特点：气温随高度递增（最初变化较慢，到2025Km气温突增，主要是臭氧吸收太阳紫外线）。 空气的垂直运动比较弱，主要是水平运动，故气层稳定。水汽含量少。第1章 大气的基本特征1.2.2 平流层1.2 大气的垂直结构定义：自平流层顶到85Km左右的大气层;特点： 温度随高度迅速下降（原因主要是无臭氧吸收太阳紫外线，另外，波长更短的太

8、阳紫外线被高空大气分子吸收，形成电离层 ）； 有强烈垂直运动，有高空对流层之称（由于温度随高度增加而下降，大气垂直不稳定）； 大约在65Km处是电离层，白天强，夜间弱。第1章 大气的基本特征1.2.3 中间层1.2 大气的垂直结构 定义： 亦称热成层或暖层，位于中间层顶以上85800Km。 特点：气温随高度迅速增加，波长小于0.175m 的太阳紫外辐射被该层中的原子氧等吸收所致；空气高度电离，故亦称电离层。电离层的电离程度有差别，比 较强的为E层（100120Km）和F层（200240Km)，能反射无线电波。第1章 大气的基本特征1.2.4 热层1.2 大气的垂直结构定义：在大气热层以上的大气

9、，是地球大气的最高层，位于 800Km以上。特点：气温也随高度变化不大，由于温度高，空气粒子运动速度很大，又因距地心较远，地心引力较小，所以这一层的主要特点是大 气粒子经常散逸至星际空间。逸散层的顶部即地球大气层的上界，其高度难以精确确定，通 常以极光出现的最大高度为准，约为1000km1200km第1章 大气的基本特征1.2.4逸散层1.2 大气的垂直结构第1章 大气的基本特征1.3.1 理想气体状态方程1.3 大气的状态方程 1mol理想气体：PV/T = P0V0/T0 = R*其中，R*=8.31 J mol1K1，称为普适气体常数。初始状态（标准状态）po=101325Pavo=22

10、.4103m3To=273K任意状态 p v T1mol理想气体其中，R=R*/，R称为比气体常数；=M/V为气体密度。 M（ g）理想气体：摩尔数 n=M /，为摩尔质量，故 PV/T = nR*或第1章 大气的基本特征1.3.2 干空气状态方程1.3 大气的状态方程 干空气比气体常数： 或 其中， 为干空气密度(kg/m3)， 为干空气比容(m3/kg) 干空气状态方程： 第1章 大气的基本特征1.3.3 湿空气状态方程1.3 大气的状态方程水汽 e,mw,w干空气 Pd,md,d湿空气: P,V,T,m,湿空气密度=水汽密度+干空气密度利用干空气和水汽状态方程及道尔顿分压定律：第1章 大

11、气的基本特征1.3.3 湿空气状态方程1.3 大气的状态方程或称为虚温其中由于，TVT，故湿空气密度小于干空气密度，于是当暖湿空气与干冷空气相遇时，暖湿空气总是被抬升而冷却、水汽饱和、成云 致雨。课堂讨论一 匀质大气高度：当气温为0C、纬度为45 时，海平面大气压P0为101325Pa，空气密 度0为1.293kg/m3。假定大气均匀，密度 均为0，则此时大气为匀质大气，其高度 Z0由下式确定： 大气质量：单位截面积匀质大气柱质量m0为：m0=0Z0=10344kg/m2将m0乘以地球表面积，则得地球大气总质量，约为5x1015tP0P0匀质 大气实际 大气0Z0课堂讨论二 大气密度：实际大气

12、密度是随高度z增加而减小，其变化关系为其中，K为比例系数将上式垂直积分至大气层上界（ ），应等于单位单位截面积匀质大气柱质量，即K=1/Z0积分得：zdzd 大气密度：结论：实际大气密度随高度z增加而指数减小，即第1章 大气的基本特征1.4.1 大气静力学方程1.4 大气静力学方程及其应用大气运动是准水平的，垂直方向上大气通常处于静力平衡状态， 这种垂直静力平衡关系，称为大气静力方程，其反映了气压与高度之 间的变化关系。z1z2P1P2F1F2W空气块受力分析垂直力平衡：z1大气压力：z2大气压力：气块重力：代入后得：静力方程：第1章 大气的基本特征1.4.2单位气压高度差1.4 大气静力学方

13、程及其应用定义：垂直气压梯度的倒数，用h表示。表示每改变单位压所对应高度差，即性质：根据大气静力方程，得根据大气状态方程，得根据热力学与摄氏温标关系，得当P=1000hPa，t=0C时，冷热h1h2h1h3h4h3第1章 大气的基本特征1.4.3 压高公式1.4 大气静力学方程及其应用定义：两点垂直高度与对应气压及其垂直平均气温之关系。P1P2z1z2推导：静力方程：状态方程：消去：以Tm换T后积分得：压 高公式（Tm垂直平均气温）第1章 大气的基本特征1.4.4 位势高度(差）1.4 大气静力学方程及其应用重力位势差d：在地球重力场中，将单位质量物体从高度z移到高度 z+dz时克服重力所做的

14、功，称为重力位势差d ，即位势高度差dH定义：将重力位势差d除以9.8，称为位势高度差dH ，单位为位势米(gpm)，即位势高度差dH计算：P1P2ab第1章 大气的基本特征1.5.1 气温1.5 基本气象要素l概念：表示空气冷热的程度的物理量，实质上反映空气分子平均 内能的大小。l特征：当空气获得热量时，其分子运动的平均速度增大，平均动 能增加，气温也就升高。反之当空气失去热量时，其分子运动平 均速度减小，平均动能随之减少，气温也就降低。l表示法：用摄氏度（）温标，以气压1013.3hPa时纯水的冰点为 0，沸点为100，其间100等份中的1份即为1。理论研究上常 用绝对温标，以K表示，其一

15、度间隔和摄氏度相同，但“绝对零度” ，为273.15。两者关系：T（K）=t（ ）+273.15t+273第一章 引论l概念：指大气的压强，由空气的分子热运动与地球重力场综合作 用的结果。l表示法：静止大气中任意高度上的气压值等于其单位面积上所承 受的大气柱的重量，即l特征：当气温升高、高度增加、空气流失（辐散）时，空气密度 减小，故气压降低；反之亦然；l气压单位：标准单位帕（Pa），气象上为百帕（hPa），即100帕 （Pa），其它毫巴(mb)、毫米水银柱(mmHg)等。Pz1.5.2 气压1.5 基本气象要素 等高面图 高度一定的水平面上的等压线分布图。 等压线是同高度的水平面上气压相等的点的连线。 海平面气压分布图即为高度为零的等高面图。 等压线间隔：我国2.5hpa，国外4hpa。亚洲地面天气分析图 空间气压相同的点所构成的曲面。 等高线是某一特定等压面（850hPa、700hPa、500hPa等）上高度相等的点的连线，其高值区和低值区分别表示等压面凸区和凹区。 等压面上凸和下凹区域分别相当于等高度面上的高压区和低压区。 等高线间隔为60位势米(gpm)HL 等高面图等压面示意图 PA=PA+PAAPB=PBPC=PCPCCPA=PB=PC PAPBPC为什么等压面图上高值（低值） 区相当于等高度面上的高压区（ 低压）区？ 海平面气压场的基本型式