01大气概述修改12

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1、1大气物理学大气物理学张泽锋张泽锋025-气象楼气象楼12232成绩成绩 平时成绩: 20%;期中成绩: 30%;期末成绩: 50%.3参考书目参考书目：1.美美 J、M 华莱士，华莱士，P.V.霍布斯著霍布斯著.大气科学概观大气科学概观.上海科学技术出版社，上海科学技术出版社，19812. 许绍祖主编许绍祖主编. 大气物理学基础大气物理学基础. 气象出版社气象出版社, 19913. 周秀骥等编著周秀骥等编著. 高等大气物理学高等大气物理学.气象出版社气象出版社,19914. 盛裴轩盛裴轩,毛节泰等毛节泰等. 大气物理学大气物理学, 北大出版社北大出版社, 20034学科位置学科位置 按研究范

2、畴大体可划分为：按研究范畴大体可划分为： 自然科学自然科学：数、理、化、天、：数、理、化、天、 地地、生、工生、工 程程 与材料科学、与材料科学、 信息科学、管理科学信息科学、管理科学 社会科学社会科学5地球科学地球科学 包括包括 大气科学大气科学 、海洋科学、地理学、地、海洋科学、地理学、地质学等质学等大气科学大气科学 基础学科基础学科：大气物理学、大气化学、大气动力学、天：大气物理学、大气化学、大气动力学、天气学、气候学、大气探测学气学、气候学、大气探测学 应用学科应用学科：农业气象学、水文气象、医疗气象、污染：农业气象学、水文气象、医疗气象、污染气象、人工影响天气等气象、人工影响天气等6

3、 大气物理学大气物理学一、定义一、定义 主要研究地球主要研究地球大气现象与过程大气现象与过程的物理机制和规律。的物理机制和规律。 大气现象与过程：大气中流体运动、光象、电象、大气现象与过程：大气中流体运动、光象、电象、热现象、相变过程、辐射过程。热现象、相变过程、辐射过程。二、分支二、分支 大气动力学、大气光学、大气电学、大气热力学、大气动力学、大气光学、大气电学、大气热力学、云降水学、大气辐射学云降水学、大气辐射学71）近代大气物理学起始阶段（）近代大气物理学起始阶段（18世纪中世纪中叶叶20世纪中叶）世纪中叶）大气物理学发展简史大气物理学发展简史1752，美国，美国Franklin第一第一

4、次用风筝探明雷击的本质次用风筝探明雷击的本质就是电。就是电。1871，英国物理学家，英国物理学家Rayleigh解释了天空解释了天空兰色的兰色的 现象现象81908，德国物理学家，德国物理学家G.Mie 解决了球形粒子的散射问题解决了球形粒子的散射问题1859-1901，这两这两位德国物理学家位德国物理学家开创了辐射定律开创了辐射定律Max Karl Ernst Ludwig Planck （1858-1947）德国物理学家，量子力学的开德国物理学家，量子力学的开创人创人G.R.Kirchhoff （1824-1887） 德国物理学家德国物理学家92）大气物理学高速发展阶段（）大气物理学高速发

5、展阶段（20世纪中叶以来）世纪中叶以来）具有重大实际应用问题的需要大大加速了大气物理学的发展。具有重大实际应用问题的需要大大加速了大气物理学的发展。1）1946年，美国物理学家年，美国物理学家I.Langmuir, V.J.Schaefer发发现干冰可以催化云产生降水现干冰可以催化云产生降水2）需要掌握大气环境演变规律，促使大气边界层与大需要掌握大气环境演变规律，促使大气边界层与大气湍流学科的发展气湍流学科的发展3）卫星、雷达等遥感技术的发展，推动了大气辐射学卫星、雷达等遥感技术的发展，推动了大气辐射学的研究的研究10第一节第一节 宇宙、地球、大气的宇宙、地球、大气的 起源和演化起源和演化 1

6、112第一节第一节 宇宙、地球、大气的宇宙、地球、大气的 起源和演化起源和演化 一、宇宙的起源一、宇宙的起源大爆炸学说大爆炸学说按照Friedmann等人的理论，Russian American physicist George Gamow 和他的学生American physicists Ralph Alpher and Robert Herman （1940s）认为过去必定存在一个有限的时刻，那时宇宙中的物质被压缩为极高密度的状态，这个时刻被称为“大爆炸”，也就是宇宙起源的时刻。13他们的计算结论是：作为他们的计算结论是：作为“大爆炸大爆炸”过程的遗迹，过程的遗迹，目前宇宙中应普遍存在温度

7、约目前宇宙中应普遍存在温度约5 5K K的背景黑体辐射。的背景黑体辐射。19891989年，美国宇航局专门为此发射了宇宙背景探年，美国宇航局专门为此发射了宇宙背景探测者卫星观测数据表明，该辐射的谱分布与测者卫星观测数据表明，该辐射的谱分布与2 2735735K K的黑体辐射完全相合，天空不同方向的相对的黑体辐射完全相合，天空不同方向的相对温差小于十万分之一。这就证明了背景辐射的黑温差小于十万分之一。这就证明了背景辐射的黑体性和普适性。这种体性和普适性。这种“背景辐射背景辐射”的存在是的存在是“大大爆炸爆炸”模型最令人信服的证据之一。模型最令人信服的证据之一。n通过现代物理学理论，可以模拟宇宙在

8、大爆炸后通过现代物理学理论，可以模拟宇宙在大爆炸后1 1 1010-43-43秒的状态，但对于此时刻之前还没有新的秒的状态，但对于此时刻之前还没有新的理论将万有引力和广义相对论二者之间结合起来。理论将万有引力和广义相对论二者之间结合起来。14膨胀理论膨胀理论n上世纪上世纪7070年代，美国科学家年代，美国科学家Alan GuthAlan Guth、Paul Paul SteinhardtSteinhardt和美籍俄裔天文学家和美籍俄裔天文学家Andreas LindeAndreas Linde提出从大爆炸后提出从大爆炸后1 1 1010-35-35秒开始的秒开始的1 1 1010-32-32秒

9、内宇秒内宇宙极速膨胀为原来的宙极速膨胀为原来的1 1 10105050倍，然后减缓为近乎倍，然后减缓为近乎常速。认为宇宙处于开放与封闭系统的边缘状态。常速。认为宇宙处于开放与封闭系统的边缘状态。n可解释大爆炸学说不能解释的宇宙常速膨胀和可解释大爆炸学说不能解释的宇宙常速膨胀和宇宙的均匀性等问题，被广大理论天文学家认同。宇宙的均匀性等问题，被广大理论天文学家认同。n上世纪上世纪9090年代以来，观测天文学家对该理论有年代以来，观测天文学家对该理论有不同看法，认为宇宙应该是一个开放系统。不同看法，认为宇宙应该是一个开放系统。15膨胀理论图示：白点代表星系，膨胀后相互远离16宇宙无限论：宇宙无限论：

10、有限无界论有限无界论：在在1717世纪，世纪，GalileiGalilei、Newton Newton 在经典力学在经典力学体系的基础上，建立了宇宙无限无边的理论，体系的基础上，建立了宇宙无限无边的理论，即宇宙的体积是无限的，没有空间边界，无即宇宙的体积是无限的，没有空间边界，无限的天体分布在无限的空间之中。限的天体分布在无限的空间之中。1917年，年，Albert EinsteinAlbert Einstein在广义相对论的基在广义相对论的基础上，提出了有限无界的静态宇宙模型。认为础上，提出了有限无界的静态宇宙模型。认为宇宙是有限无边的，即宇宙空间的体积是有限，宇宙是有限无边的，即宇宙空间的

11、体积是有限，是一个弯曲的封闭体，这个弯曲的封闭体没有是一个弯曲的封闭体，这个弯曲的封闭体没有边界，类似一个球面，面积有限，但沿着球面边界，类似一个球面，面积有限，但沿着球面运动总是遇不到运动总是遇不到“边边”。该理论拉开了现代宇。该理论拉开了现代宇宙学研究的序幕。宙学研究的序幕。17二、地球与宇宙 银河系中心银河系与河外星系18太阳太阳系系192006年年08月月24日北京时间晚间日北京时间晚间9:30，第，第26届国际天文学联合会届国际天文学联合会IAU大会就有关行星新定义的决议草案进行了表决，通过新的行星定义。大会就有关行星新定义的决议草案进行了表决，通过新的行星定义。国际天文从而确认太阳

12、系只有国际天文从而确认太阳系只有8颗行星，冥王星遭到彻底颗行星，冥王星遭到彻底“降级降级”。冥王星被排除在行星行列之外，而将其列入冥王星被排除在行星行列之外，而将其列入“矮行星矮行星”。现在太阳。现在太阳系的天体包括：八大行星，矮行星和小天体。系的天体包括：八大行星，矮行星和小天体。202122232425262728地球形成50亿年前，地球的轮廓已初步形成。最初是亿年前，地球的轮廓已初步形成。最初是个火球。随着地球逐步冷却，较重的物质沉个火球。随着地球逐步冷却，较重的物质沉到中心，形成地核；较轻的物质浮在上面，到中心，形成地核；较轻的物质浮在上面，冷却后形成地壳。冷却后形成地壳。293031

13、323334第二节第二节 大气组成大气组成一、气体成分一、气体成分35第二节第二节 大气组成大气组成一、气体成分一、气体成分90km以上大气以上大气1）空气分子大部分都发生离解；）空气分子大部分都发生离解；2）空气成分随高度的分布逐渐变成按分子量）空气成分随高度的分布逐渐变成按分子量（或原子量）大小排列。（或原子量）大小排列。 从低层到高层依次为从低层到高层依次为N2 、O、 He、 H36第二节第二节 大气组成大气组成一、气体成分一、气体成分90km以下干洁大气均匀混合，称为均匀层以下干洁大气均匀混合，称为均匀层1）按浓度时空变化是否明显来分，）按浓度时空变化是否明显来分， 分为：分为：定常

14、成分：浓度的时空变化不明显定常成分：浓度的时空变化不明显 的的气体成分。主要包括气体成分。主要包括N2、O2、惰性气体惰性气体可变成分：定义略。例如，水汽、可变成分：定义略。例如，水汽、 CO2、O3、CH4等等37 2）按浓度）按浓度主要气体：浓度主要气体：浓度1%，包括，包括N2、O2、Ar微量气体：微量气体：1ppm1%，包括，包括CO2、CH4 、Ne 、 He、 Kr、 水汽（水汽（2 ppm4%痕量气体：痕量气体： 1ppm，包括（见表）包括（见表）3839大气的组成饼图一些概念40干洁大气：不含水汽和悬浮颗粒物的大气干洁大气：不含水汽和悬浮颗粒物的大气平均分子量：平均分子量：90

15、km以下，空气平均分子量以下，空气平均分子量为为28.966，不随高度变化，不随高度变化空气密度：空气密度： 标准状态（标准状态（p=1013.25hPa, t=0）下，干空下，干空气密度为气密度为1.29kg/m3414、重要气体成分的作用1）主要气体）主要气体氮、氧氮、氧 对生命活动有重要意义，但对天气、对生命活动有重要意义，但对天气、百万年尺度的气候变化没有什么作用。百万年尺度的气候变化没有什么作用。2）微量、痕量气体）微量、痕量气体水汽、水汽、CO2 、O3a)水汽水汽 是云和降水的源泉；是云和降水的源泉； 在全球能量平衡中起重要作用，影响在全球能量平衡中起重要作用，影响 地面和空气温

16、度；地面和空气温度； 是地球系统的水循环中起重要角色。是地球系统的水循环中起重要角色。4243地表上的水 全球年水量平衡44b)CO2c) O3 45The current concentration of CO2 is about 365 ppm (part per million), as compared to the pre-industrial concentration of about 285 ppm. This is an increase of about 28%.This increase is primarily due to the burning of fossil

17、fuels (also some loss of biomass)46Fig. 1-4, p. 747Fig. 1-3, p. 648Increase in catastrophic flood events49Global average sea level has risen and ocean heat content has increased50Increase in frequency and intensity of droughtsSource:OSTP51Snow cover and ice extent have decreased复习大气物理行星大气地球大气的演化现代大气

18、的组成52大气污染5354海-气输送化学氧化+ + + + +- - -+/-?+/-?+/-?+/-?555657585960历年的南极臭氧6162紫外辐射的波段、人体健康影响和臭氧层的吸收作用紫外辐射的波段、人体健康影响和臭氧层的吸收作用紫外辐射区紫外辐射区波长范围波长范围/nm人体健康影响人体健康影响O3层吸收情况层吸收情况UV-A315400促进维生素促进维生素D的的合成合成基本不吸收基本不吸收UV-B280315损害蛋白质和损害蛋白质和DNA吸收大约吸收大约90UV-C200280可致蛋白质和可致蛋白质和DNA破坏，造成破坏，造成严重伤害作用严重伤害作用全部吸收全部吸收6364656

19、66768697071727374757677全球年总降水量=500000 km3 3全球年总蒸发量=500000 km3 3陆地年总降水量=110000 km3 3陆地年总蒸发量= 70000 km3 3 余40000 km3 3 78三、大气气溶胶粒子三、大气气溶胶粒子1 1、定义：定义： 尺度范围：尺度范围：1 1nm-100mnm-100m 大气中分散、悬浮有液体或固体微粒时的气体和悬浮物的总体系称为大气气大气气溶胶溶胶。而其中的悬浮物就称为气溶胶粒子。792、分类、分类 1）云降水学分类（按半径分类）云降水学分类（按半径分类） 2）大气环境学分类）大气环境学分类 爱根核：半径在0.0

20、1到0.1微米之间。大核：半径在0.1到1微米之间。巨核：半径大于1微米。TSP、降尘、降尘、PM10、PM2.5、尘粒、粉尘、尘粒、粉尘、灰霾、等。灰霾、等。803、大气气溶胶粒子的源和汇大气气溶胶粒子的源和汇 1）源）源 据估计，全球气溶胶质粒主要是自然界产生的，人工来源仅为自然来源的五分之一。 包括海水飞沫（见下图）、气粒转换、风扬沙尘、火山爆发81822）汇）汇 即即气溶胶粒子被移出大气的过气溶胶粒子被移出大气的过程。程。按是否有水质粒参与，分为干移出、按是否有水质粒参与，分为干移出、湿移出。湿移出。83干移出过程：指质粒在干的状况下移出大气的过程。包括重力下沉、附粘移出。湿移出过程：

21、指质粒受雨雪或云雾滴等影响而下沉到下垫面移出大气的过程。包括凝长下沉、碰并下沉。844、大气气溶胶粒子在大气过程中的作用大气气溶胶粒子在大气过程中的作用 1）在云雾降水中的作用在云雾降水中的作用； 可作为水汽凝结和凝华以及水滴冻结的核可作为水汽凝结和凝华以及水滴冻结的核 心，即部分大气气溶胶粒子可作为心，即部分大气气溶胶粒子可作为CCN（cloud condensation nuclei)或或IN (ice nuclei)2）对大气辐射过程的影响对大气辐射过程的影响； 吸收和散射太阳辐射，影响大气温度的垂吸收和散射太阳辐射，影响大气温度的垂直分布。直分布。 853）对大气光学特性的影响对大气光

22、学特性的影响； 对太阳光的散射和吸收，会影响大气能见度，对太阳光的散射和吸收，会影响大气能见度，还会影响天空颜色。一些光学现象的出现，也与它还会影响天空颜色。一些光学现象的出现，也与它们的作用有关。们的作用有关。864）对大气电学特性的影响对大气电学特性的影响 气溶胶粒子捕获小离子而成为大离子，由气溶胶粒子捕获小离子而成为大离子，由于大离子迁移率小，故大气电场中的传导电流减于大离子迁移率小，故大气电场中的传导电流减小小+ + + + + + + + + + + + + + +-晴天大气地面正离子负离子875）在大气化学过程中的作用。在大气化学过程中的作用。 气溶胶粒子在大气的许多化学过程中起气

23、溶胶粒子在大气的许多化学过程中起作用。作用。88第三节第三节 大气的垂直结构大气的垂直结构大气上界：大气上界： 物理现象上界为物理现象上界为 1200km( 极光极光出现高度）；出现高度）； 大气密度上界为大气密度上界为20003000km ( 接近于星际气体密度接近于星际气体密度1个个/cm3的高度）的高度）分层标准：分层标准： （1）按温度随高度的变化）按温度随高度的变化 （2）按大气成分是否混合均匀（或称按空）按大气成分是否混合均匀（或称按空气平均分子量随高度变化）分：气平均分子量随高度变化）分： 均匀层、非均匀层均匀层、非均匀层89（3）按电离状况分（4）按O3浓度分： 臭氧层（105

24、0km) 非臭氧层（5）按地磁场对带电粒子运动作用明显与否分一、一、按温度随高度的变化按温度随高度的变化 分为对流层、平流层、中层、热分为对流层、平流层、中层、热层、外层层、外层90911、对流层（12km以下）l在赤道地区对流层顶的高度约在赤道地区对流层顶的高度约18千米，中纬度千米，中纬度地区约地区约12千米，极地地区约千米，极地地区约8千米。夏季的对千米。夏季的对流层厚度大于冬季。流层厚度大于冬季。l以南京为例，夏季的对流层厚度达17公里，而冬季只有11公里，冬夏厚度之差达6公里之多。特点：特点：921)、温度随高度的增加而降低，气温递减、温度随高度的增加而降低，气温递减率率为为6.5/

25、km定义定义气温递减率气温递减率：高度每升高单位高高度每升高单位高 度气温降低的度数。度气温降低的度数。2)、对流层中的垂直运动显著。、对流层中的垂直运动显著。3)、集中了80%的大气质量和几乎全部水汽934)、云雾降水均发生在此层、云雾降水均发生在此层5)、受地表影响最强烈，空气属性的、受地表影响最强烈，空气属性的水平分布很不均匀水平分布很不均匀942、平流层（平流层（12km55km)1)25km以下温度递减率接近零，以下温度递减率接近零，25km以以上温度随高度明显增加上温度随高度明显增加2)平流层气流运动主要以水平运动为主平流层气流运动主要以水平运动为主.3)水汽极少，颗粒物极少，能见

26、度极好。水汽极少，颗粒物极少，能见度极好。4）大气污染物进入平流层后能长期存在）大气污染物进入平流层后能长期存在953、中层（中层（85 km)1）层内温度随高度增加而下降2）空气的垂直对流运动强,故又称之为高空对流层或上对流层。964、热层（550km)1)温度随高度增加而上升2)高度电离。高度电离。 3）带电粒子运动受地球磁场的作用明显。975、外层（外层（大气上界）大气上界）2）大气成分可以散逸到星际空间。）大气成分可以散逸到星际空间。1）随高度升高气温增加不显著）随高度升高气温增加不显著98二、按电离状况分二、按电离状况分 地壳和大气中的放射性物质主要对低层大地壳和大气中的放射性物质主

27、要对低层大气的电离起作用，而它们的作用较弱，而宇宙气的电离起作用，而它们的作用较弱，而宇宙线和太阳紫外线辐射对高层大气起作用，且作线和太阳紫外线辐射对高层大气起作用，且作用较强。因此，大气中离子浓度低层低，高层用较强。因此，大气中离子浓度低层低，高层高，据此分为高，据此分为中性层（中性层（60km以下以下)电离层（电离层（60km以上）以上）99三、按地磁场对带电粒子运动作用明显与否分1、非磁层（、非磁层（500km以下）以下）由于空气较稠密，带电粒子的运动主由于空气较稠密，带电粒子的运动主要受粒子间的碰撞支配要受粒子间的碰撞支配2、磁层（、磁层（500km以上）以上）本层内存在大量带电粒子，

28、空气又稀本层内存在大量带电粒子，空气又稀薄，粒子间碰撞稀少，所以，带电粒薄，粒子间碰撞稀少，所以，带电粒子的运动主要受地磁场控制子的运动主要受地磁场控制100 第四节第四节 主要气象要素主要气象要素气象要素：表征大气状态和现象的物理气象要素：表征大气状态和现象的物理量。例如，气温、空气湿度、气压、风量。例如，气温、空气湿度、气压、风一、气温一、气温1、定义：表示空气冷热程度的物理量、定义：表示空气冷热程度的物理量2、温标、温标摄氏温标摄氏温标华氏温标华氏温标绝对温标绝对温标单位单位FK常用符号常用符号tFT101关系关系：3、观测、观测地面气温指离地地面气温指离地1.5m（我国）高处百叶我国）

29、高处百叶箱里的气温箱里的气温102103104105世界上的极端气温世界上的极端气温106气温的日变化气温的日变化主要受地表日夜温差的影响，而地表温度的日变化和入太阳辐射以及出地球能量两者差值有关。107二、气压二、气压1、定义：大气压力、定义：大气压力2、单位：国际单位、单位：国际单位 帕（帕（Pa) 气象上常用气象上常用 百帕（百帕（hPa） 标准大气压标准大气压 =1013.25 hPa3、测量：、测量：108109110111112113114Vertical Pressure Distribution115三、空气湿度三、空气湿度1、定义：表示空气中水汽含量多少或潮湿、定义：表示空气

30、中水汽含量多少或潮湿程度的物理量。程度的物理量。2、水汽达饱和、水汽达饱和3、湿度参量、湿度参量(p19) 由水汽和平面纯水（或由水汽和平面纯水（或纯水）组成的系统，在某温纯水）组成的系统，在某温度下达到两相平衡时，称为度下达到两相平衡时，称为水汽达饱和。水汽达饱和。有很多个有很多个116Observationsofvaporpressureasafunctionoftemperature1171）水汽混合比）水汽混合比r单位：单位：kg/kg2)比湿比湿 q单位：单位：kg/kgq于于r的关系：的关系：1183) 绝对湿度（水汽密度绝对湿度（水汽密度)单位：单位：kg/m3V为湿空气体积为湿

31、空气体积4）水汽压）水汽压e：湿空气中水汽的分压强。单位湿空气中水汽的分压强。单位 为为hPa相对于纯水相对于纯水(冰）平面的饱和水汽压冰）平面的饱和水汽压 E w（Ei ），），仅是温度的函数，随温度升高而增大仅是温度的函数，随温度升高而增大119饱和水汽压计算公式（饱和水汽压计算公式（p21）5）相对湿度）相对湿度 f6）露点）露点 td、霜点霜点 tf湿空气在水汽含量不变的情况下，等压降温至相对于纯湿空气在水汽含量不变的情况下，等压降温至相对于纯水水平面达饱和时的温度，称为露点；等压降温至相对于平面达饱和时的温度，称为露点；等压降温至相对于纯纯冰冰平面达饱和时的温度称为霜点。平面达饱和时

32、的温度称为霜点。120四、风四、风1、风的概念、风的概念1）空气相对运动形成风）空气相对运动形成风大气科学中的风以地面为参照大气科学中的风以地面为参照物，分水平风、垂直风物，分水平风、垂直风2）风是矢量，水平风是二维矢量）风是矢量，水平风是二维矢量3）水平风有两种描述方法：分量法、）水平风有两种描述方法：分量法、方向大小法方向大小法1212、风向、风向1）指风的来向）指风的来向2）表示方法：用）表示方法：用16个地理方位个地理方位用方位角用方位角3、风速、风速表示方法表示方法1）单位时间里空气所经过的距离。）单位时间里空气所经过的距离。 单位：单位： m/s、mile/h1221232) 风级

33、风级1.热带低压热带低压(中心附近最大风力中心附近最大风力67级级)2.热带风暴热带风暴(89级级)3.强热带风暴强热带风暴(1011级级)4.台风台风(12级级)。例如，热带气旋用风级划分为：例如，热带气旋用风级划分为：124125126127128第五节第五节 空气状态方程空气状态方程129干空气状态方程干空气状态方程130干空气状态方程干空气状态方程1、方程推导、方程推导设体积为设体积为V、温度为温度为T的干空气中，含有的干空气中，含有 n 种气体成分，其中第种气体成分，其中第i种种 成分的状态方成分的状态方程为：程为：对以上对以上n个式子求和，有个式子求和，有131考虑到考虑到并令并令

34、，则有，则有13213390km以下，以下，令令Rd称为干空气比气体常数称为干空气比气体常数（3）式可化为）式可化为1342、比气体常数、比气体常数135三、湿空气状态方程三、湿空气状态方程1、方程推导、方程推导干空气和水汽状态方程分别为干空气和水汽状态方程分别为把（把（5）代入上式（）代入上式（6），有），有136（4）+（7）得）得即即137（7）/（8），得），得考虑到考虑到（9）式近似为）式近似为138把（把（10）代入（）代入（8），有），有若令若令则（则（11）式化为）式化为139若令若令则（则（11）式化为）式化为（11）（13）为湿空气状态方程的三种形式）为湿空气状态方程的三种

35、形式，其中最常用的为公式（，其中最常用的为公式（13）2、虚温、虚温140 是关于温度、水汽压和压强的函数。为了是关于温度、水汽压和压强的函数。为了能在湿空气状态方程中使用能在湿空气状态方程中使用 ，并且使其与，并且使其与干空气状态方程具有类似的简单形式所引入的干空气状态方程具有类似的简单形式所引入的参量。定义式为参量。定义式为141142四、常用的湿度参量间关系四、常用的湿度参量间关系一块体积为一块体积为V 、温度为温度为T的湿空气中，的湿空气中，水汽和干空气状态方程分别为水汽和干空气状态方程分别为（6）/（14），得），得143 一块体积为一块体积为V 、温度为温度为T的湿空气中，的湿空气

36、中，水汽和湿空气状态方程分别为水汽和湿空气状态方程分别为144（6）/（11），有），有1451461）水汽混合比）水汽混合比r2)比湿比湿 q3) 绝对湿度（水汽密度绝对湿度（水汽密度)4）水汽压）水汽压e：5）相对湿度）相对湿度 f6）露点）露点 td、霜点霜点 tf147q于于r的关系：的关系：148Rd称为干空气称为干空气比气体常数比气体常数149150第五节第五节 大气静力学方程大气静力学方程 一、方程推导一、方程推导假定大气处于静力平衡假定大气处于静力平衡状态，即大气相对于地状态，即大气相对于地面静止，达到力的平衡。面静止，达到力的平衡。任取一块截面积为任取一块截面积为1m2，厚度

37、为厚度为dz的铅直气柱，的铅直气柱，对它进行受力分析对它进行受力分析151（1.5.1）称为大气静力学方程的微分形式）称为大气静力学方程的微分形式（1.5.2）称为大气静力学方程的导数形式）称为大气静力学方程的导数形式152153154当大气静止或只做匀速垂直运动时，大气静当大气静止或只做匀速垂直运动时，大气静力学方程精确成立。力学方程精确成立。 当大气有弱的垂直加速度时，大气静力学当大气有弱的垂直加速度时，大气静力学方程近似成立。方程近似成立。二、适用条件二、适用条件 大气运动具有准水平性，即任意时刻大大气运动具有准水平性，即任意时刻大部分空间范围的大气以水平运动为主。垂直部分空间范围的大气

38、以水平运动为主。垂直加速度一般小于加速度一般小于0.1cm/s2,比重力加速度至少比重力加速度至少小小4个数量级。个数量级。155大气静力学方程不仅适用于静止大气，而大气静力学方程不仅适用于静止大气，而且也适用于一般大气，不适用于有强垂直运动且也适用于一般大气，不适用于有强垂直运动的大气（见图）的大气（见图）156157三、应用三、应用1、用来定义平衡气压（大气静力学气压）、用来定义平衡气压（大气静力学气压）对（对（1.5.1 ）式两边积分）式两边积分，即以某高度即以某高度z1上的平衡气压等于从该高上的平衡气压等于从该高度直到大气上界的单位截面铅直气柱的重量。度直到大气上界的单位截面铅直气柱的

39、重量。1582、求气压阶、求气压阶hp (p31)1）定义：垂直气柱中每减小单位气压所对）定义：垂直气柱中每减小单位气压所对应的几何高度增加量应的几何高度增加量3）影响因子）影响因子1591601613、计算气压标高、计算气压标高Hp1）定义）定义:标高分气压标高和密度标高，这里只介绍前者标高分气压标高和密度标高，这里只介绍前者 气压标高表示气压随高度的变化趋气压标高表示气压随高度的变化趋势，定义式为势，定义式为 1622）计算式）计算式1633）等温大气的标高）等温大气的标高对（对（1.5.6）式变形后两边积分，得）式变形后两边积分，得对于等温大气，对于等温大气，Tv不随高度变化，不随高度变

40、化，故故Hp也不随高度变化，所以也不随高度变化，所以对于等温大气，对于等温大气，Hp在数量上等于气压在数量上等于气压减小到起始气压的减小到起始气压的1/e所需要的高度增量。所需要的高度增量。1644、用来推导模式大气的压高公式、用来推导模式大气的压高公式压高公式：表明气压与高度间关系的公式。压高公式：表明气压与高度间关系的公式。模式大气：是满足一定假设条件的大气。模式大气：是满足一定假设条件的大气。1651）等温大气）等温大气a) 定义：虚温或温度不随高度变化的大气定义：虚温或温度不随高度变化的大气b) 压高公式压高公式：把（把（1.5.7）代入，有）代入，有在气象观测中，常用（在气象观测中，

41、常用（1.5.10）求）求算等压面位势高度和海平面气压换算。算等压面位势高度和海平面气压换算。c) 上界（上界（p=0 的高度）：无上界的高度）：无上界1662）多元大气）多元大气a) 定义：气温随高度线性变化的大气称定义：气温随高度线性变化的大气称 为为多元大气。多元大气。b) 压高公式：设压高公式：设代入大气静力学方程中可推导出代入大气静力学方程中可推导出c) 上界：上界：1673）均质大气）均质大气a) 定义：空气密度不随高度变化的定义：空气密度不随高度变化的大气称为均质大气。大气称为均质大气。b) 压高公式压高公式：c) 上界：上界：数值上等于低层大气的标高。数值上等于低层大气的标高。

42、168d) 铅直温度递减率铅直温度递减率由均质大气压高公式和状态方程，由均质大气压高公式和状态方程，求得均质大气铅直温度递减率为：求得均质大气铅直温度递减率为：169变形，得变形，得由（由（1.5.12）式发现，）式发现，所以所以 也称为自由对也称为自由对流铅直温度递减率流铅直温度递减率170四、标准大气四、标准大气1、定义（、定义（WMO的定义）的定义） 所谓标准大气，就是能够粗略地反所谓标准大气，就是能够粗略地反映出周年、中纬度状况的，得到国际上承映出周年、中纬度状况的，得到国际上承认的，假定的大气温度、压力和密度的垂认的，假定的大气温度、压力和密度的垂直分布。它的典型用途是作为压力高度计

43、直分布。它的典型用途是作为压力高度计校准、飞机性能计算、飞机和火箭设计、校准、飞机性能计算、飞机和火箭设计、弹道制表和气象制图的基准。假定空气服弹道制表和气象制图的基准。假定空气服从使温度、压力和密度与位势发生关系的从使温度、压力和密度与位势发生关系的理想气体定律和流体静力学方程。在一个理想气体定律和流体静力学方程。在一个时期内，只能规定一个标准大气，这个标时期内，只能规定一个标准大气，这个标准大气，除相隔多年做修正外，不允许经准大气，除相隔多年做修正外，不允许经常变动。常变动。1712、美国、美国1976年标准大气：年标准大气：是对美国是对美国1962年标准大气的修正，年标准大气的修正，它表

44、示了中等太阳活动期间，由地面到它表示了中等太阳活动期间，由地面到1000km的理想化、静态的中纬度平均的理想化、静态的中纬度平均大气结构。大气结构。3、我国国家标准、我国国家标准：我国国家标准总局规定，在建立我国我国国家标准总局规定，在建立我国自己的标准大气之前，可使用自己的标准大气之前，可使用1976年美国年美国标准大气，取其标准大气，取其30 km以下部分作为国家以下部分作为国家标准。标准。172173174第六节第六节 气压场气压场气压场：气压的空间分布。气压的三维气压场：气压的空间分布。气压的三维空间分布称为空间分布称为空间气压场空间气压场；气压的水平；气压的水平分布称为分布称为水平气

45、压场水平气压场。175一、基本概念一、基本概念1、等高面图、等高面图等压面：指空间气压相等各点组成的等压面：指空间气压相等各点组成的 曲面，曲面，等高面：海拔高度相同的各点组成的曲面等高面：海拔高度相同的各点组成的曲面等高面上的等压线：是等高面上气压相同等高面上的等压线：是等高面上气压相同点的连线。是等压面与等高面的交线。点的连线。是等压面与等高面的交线。176书签 气气压 hPa 亚洲洲 : 10月月 11日日 北京北京时间 08:00177目前地面天气图，就是高度为零的等高目前地面天气图，就是高度为零的等高面图，在地图上填上海平面气压值，绘面图，在地图上填上海平面气压值，绘制等压线，此外，

46、地面天气图上还标有制等压线，此外，地面天气图上还标有其他天气符号和等值线。其他天气符号和等值线。1782、等压面图、等压面图用高度间隔相等的若干等高面去截用高度间隔相等的若干等高面去截某等压面某等压面P，将所得截线即等高线都投将所得截线即等高线都投影到水平面上，便得影到水平面上，便得P等压面上的许多等压面上的许多等高线。构成等压面图的主体。等高线。构成等压面图的主体。 目前气象台绘制的高空天气图就目前气象台绘制的高空天气图就是一组等压面图。其上除等高线，还是一组等压面图。其上除等高线，还有其他等值线和天气符号。有其他等值线和天气符号。注：这里的高度为位势高度注：这里的高度为位势高度179180

47、位势位势500500hPa gpdm 亚洲亚洲:10:10月月1111日日 北京时间北京时间08:0008:001813、位势高度、位势高度1）重力位势）重力位势把单位质量的物体从海平面上（重力位把单位质量的物体从海平面上（重力位势为零）抬升（沿任意路径）到势为零）抬升（沿任意路径）到Z高度时，高度时，外力克服重力所作的功。外力克服重力所作的功。1822）位势米）位势米gpm 质量为质量为1千克的物体在标准重力加速度千克的物体在标准重力加速度g0下，上升下，上升1m所增加的势能为所增加的势能为1位势米。位势米。3）位势高度与几何高度的关系）位势高度与几何高度的关系1834）计算位势高度的测高公

48、式）计算位势高度的测高公式已知两个气压，求气压间的位势高度已知两个气压，求气压间的位势高度对（对（1.6.3）两边微分，有）两边微分，有把（把（1.6.4）和状态方程代入大气静力）和状态方程代入大气静力学方程中，有学方程中，有184（1.6.5）可化为）可化为（1.6.6）式两边积分，有）式两边积分，有则（则（1.6.7）式化为）式化为185二、气压场的基本型式二、气压场的基本型式(1)低气压(简称低压)，其等压线闭合，中心气压低，向外逐渐增高。空间等压面向下凹，形如盆地。186（2）高气压）高气压(简称高压简称高压)，其等压线闭合，其等压线闭合，中心气压高，向外逐渐减低。空间等压面向中心气压

49、高，向外逐渐减低。空间等压面向上凸形状，形似山。上凸形状，形似山。187(3)低压槽低压槽(简称槽简称槽)。是低压向外伸出的狭长部分，或一。是低压向外伸出的狭长部分，或一组未闭合的等压线向气压较高的方突出的部分。在槽中，组未闭合的等压线向气压较高的方突出的部分。在槽中，各等压线弯曲最大处的连线叫槽线。气压沿槽线最低，向各等压线弯曲最大处的连线叫槽线。气压沿槽线最低，向两边递增。槽的尖端，可以指向各个方向，但在两边递增。槽的尖端，可以指向各个方向，但在北半球中北半球中纬度地区大多指向南方纬度地区大多指向南方。因此，尖端指向北的称为倒槽，。因此，尖端指向北的称为倒槽，指向东西的称为横槽，槽附近的空

50、间等压面类似山谷。指向东西的称为横槽，槽附近的空间等压面类似山谷。1884)高压脊高压脊(简称脊简称脊)是高压向外伸出的狭长部分，是高压向外伸出的狭长部分，或一组未闭合的等压线向气压较低的方突出的或一组未闭合的等压线向气压较低的方突出的部分。在脊中，各等压线弯曲最大处的连线叫部分。在脊中，各等压线弯曲最大处的连线叫脊线。气压沿脊线最高，向两边递减。脊附近脊线。气压沿脊线最高，向两边递减。脊附近的空间等压面，类似山脊。的空间等压面，类似山脊。189(5)鞍形气压区鞍形气压区(简称鞍部简称鞍部)，是两个低压与，是两个低压与两个高压交错组成的中间区域，其附近空间两个高压交错组成的中间区域，其附近空间等压面形如马鞍。等压面形如马鞍。