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1、1大氣物理學大氣物理學2成績成績 平時成績:20%;期中成績:30%;期末成績:50%.3參考書目參考書目：1.美美 J、M 華萊士，華萊士，P.V.霍布斯著霍布斯著.大氣科學概觀大氣科學概觀.上?？茖W技術(shù)出版社，上?？茖W技術(shù)出版社，19812.許紹祖主編許紹祖主編.大氣物理學基礎(chǔ)大氣物理學基礎(chǔ).氣象出版社氣象出版社,19913.周秀驥等編著周秀驥等編著.高等大氣物理學高等大氣物理學.氣象出版社氣象出版社,19914.盛裴軒盛裴軒,毛節(jié)泰等毛節(jié)泰等.大氣物理學大氣物理學,北大出版社北大出版社,20034學科位置學科位置 按研究范疇大體可劃分為：按研究范疇大體可劃分為：自然科學自然科學：數(shù)、理、

2、化、天、：數(shù)、理、化、天、地地、生、工生、工 程程 與材料科學、與材料科學、信息科學、管理科學信息科學、管理科學 社會科學社會科學5地球科學地球科學 包括包括 大氣科學大氣科學、海洋科學、地理學、地、海洋科學、地理學、地質(zhì)學等質(zhì)學等大氣科學大氣科學 基礎(chǔ)學科基礎(chǔ)學科：大氣物理學、大氣化學、大氣動力學、天：大氣物理學、大氣化學、大氣動力學、天氣學、氣候?qū)W、大氣探測學氣學、氣候?qū)W、大氣探測學 應用學科應用學科：農(nóng)業(yè)氣象學、水文氣象、醫(yī)療氣象、污染：農(nóng)業(yè)氣象學、水文氣象、醫(yī)療氣象、污染氣象、人工影響天氣等氣象、人工影響天氣等6 大氣物理學大氣物理學一、定義一、定義 主要研究地球主要研究地球大氣現(xiàn)象與

3、過程大氣現(xiàn)象與過程的物理機制和規(guī)律。的物理機制和規(guī)律。大氣現(xiàn)象與過程：大氣中流體運動、光象、電象、大氣現(xiàn)象與過程：大氣中流體運動、光象、電象、熱現(xiàn)象、相變過程、輻射過程。熱現(xiàn)象、相變過程、輻射過程。二、分支二、分支 大氣動力學、大氣光學、大氣電學、大氣熱力學、大氣動力學、大氣光學、大氣電學、大氣熱力學、云降水學、大氣輻射學云降水學、大氣輻射學71）近代大氣物理學起始階段（）近代大氣物理學起始階段（18世紀中世紀中葉葉20世紀中葉）世紀中葉）大氣物理學發(fā)展簡史大氣物理學發(fā)展簡史1752，美國，美國Franklin第一第一次用風箏探明雷擊的本質(zhì)次用風箏探明雷擊的本質(zhì)就是電。就是電。1871，英國物

4、理學家，英國物理學家Rayleigh解釋了天空解釋了天空蘭色的蘭色的 現(xiàn)象現(xiàn)象81908，德國物理學家，德國物理學家G.Mie 解決了球形粒子的散射問題解決了球形粒子的散射問題1859-1901，這兩這兩位德國物理學家位德國物理學家開創(chuàng)了輻射定律開創(chuàng)了輻射定律Max Karl Ernst Ludwig Planck（1858-1947）德國物理學家，量子力學的開德國物理學家，量子力學的開創(chuàng)人創(chuàng)人G.R.Kirchhoff（1824-1887）德國物理學家德國物理學家92）大氣物理學高速發(fā)展階段（）大氣物理學高速發(fā)展階段（20世紀中葉以來）世紀中葉以來）具有重大實際應用問題的需要大大加速了大氣物

5、理學的發(fā)展。具有重大實際應用問題的需要大大加速了大氣物理學的發(fā)展。1）1946年，美國物理學家年，美國物理學家I.Langmuir,V.J.Schaefer發(fā)發(fā)現(xiàn)干冰可以催化云產(chǎn)生降水現(xiàn)干冰可以催化云產(chǎn)生降水2）需要掌握大氣環(huán)境演變規(guī)律，促使大氣邊界層與大需要掌握大氣環(huán)境演變規(guī)律，促使大氣邊界層與大氣湍流學科的發(fā)展氣湍流學科的發(fā)展3）衛(wèi)星、雷達等遙感技術(shù)的發(fā)展，推動了大氣輻射學衛(wèi)星、雷達等遙感技術(shù)的發(fā)展，推動了大氣輻射學的研究的研究10第一節(jié)第一節(jié) 宇宙、地球、大氣的宇宙、地球、大氣的 起源和演化起源和演化 1112第一節(jié)第一節(jié) 宇宙、地球、大氣的宇宙、地球、大氣的 起源和演化起源和演化 一、

6、宇宙的起源一、宇宙的起源大爆炸學說大爆炸學說按照Friedmann等人的理論，Russian American physicist George Gamow 和他的學生American physicists Ralph Alpher and Robert Herman（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。13他們的計算結(jié)論是：作為他們的計算結(jié)論是：作為“大爆炸大爆炸”過程的遺跡，過程的遺跡，目前宇宙中應普遍存在溫度約目前宇宙中應普遍存在溫度約5 5K K的背景黑體輻射。的背景黑體輻射。1989198

7、9年，美國宇航局專門為此發(fā)射了宇宙背景探年，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，該輻射的譜分布與測者衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)表明，該輻射的譜分布與2 2735735K K的黑體輻射完全相合，天空不同方向的相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。這種黑體性和普適性。這種“背景輻射背景輻射”的存在是的存在是“大爆炸大爆炸”模型最令人信服的證據(jù)之一。模型最令人信服的證據(jù)之一。n通過現(xiàn)代物理學理論，可以模擬宇宙在大爆炸后通過現(xiàn)代物理學理論，可以模擬宇宙在大爆炸后1 1 1010-43-43秒的狀態(tài)

8、，但對于此時刻之前還沒有新的秒的狀態(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。理論將萬有引力和廣義相對論二者之間結(jié)合起來。14膨脹理論膨脹理論n上世紀上世紀7070年代，美國科學家年代，美國科學家Alan GuthAlan Guth、Paul Paul SteinhardtSteinhardt和美籍俄裔天文學家和美籍俄裔天文學家Andreas LindeAndreas Linde提出從大爆炸后提出從大爆炸后1 1 1010-35-35秒開始的秒開始的1 1 1010-32-32秒內(nèi)宇宙秒內(nèi)宇宙極速膨脹為原來的極速膨脹為原來的1 1 10105050倍，然后減緩為近

9、乎常倍，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)。速。認為宇宙處于開放與封閉系統(tǒng)的邊緣狀態(tài)。n可解釋大爆炸學說不能解釋的宇宙常速膨脹和可解釋大爆炸學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。宇宙的均勻性等問題，被廣大理論天文學家認同。n上世紀上世紀9090年代以來，觀測天文學家對該理論有年代以來，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)。不同看法，認為宇宙應該是一個開放系統(tǒng)。15膨脹理論圖示：白點代表星系，膨脹后相互遠離16宇宙無限論：宇宙無限論：有限無界論有限無界論：在在1717世紀，世紀，GalileiGalilei、Newto

10、n Newton 在經(jīng)典力學在經(jīng)典力學體系的基礎(chǔ)上，建立了宇宙無限無邊的理論，體系的基礎(chǔ)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。限的天體分布在無限的空間之中。1917年，年，Albert EinsteinAlbert Einstein在廣義相對論的基在廣義相對論的基礎(chǔ)上，提出了有限無界的靜態(tài)宇宙模型。認為礎(chǔ)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，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是一個彎曲的封閉體，這個彎曲的封閉

11、體沒有邊界，類似一個球面，面積有限，但沿著球面邊界，類似一個球面，面積有限，但沿著球面運動總是遇不到運動總是遇不到“邊邊”。該理論拉開了現(xiàn)代宇。該理論拉開了現(xiàn)代宇宙學研究的序幕。宙學研究的序幕。17二、地球與宇宙 銀河系中心銀河系與河外星系18太陽太陽系系192006年年08月月24日北京時間晚間日北京時間晚間9:30，第，第26屆國際天文學聯(lián)合會屆國際天文學聯(lián)合會IAU大會就有關(guān)行星新定義的決議草案進行了表決，通過新的行星定義。大會就有關(guān)行星新定義的決議草案進行了表決，通過新的行星定義。國際天文從而確認太陽系只有國際天文從而確認太陽系只有8顆行星，冥王星遭到徹底顆行星，冥王星遭到徹底“降級降

12、級”。冥王星被排除在行星行列之外，而將其列入冥王星被排除在行星行列之外，而將其列入“矮行星矮行星”?，F(xiàn)在太陽。現(xiàn)在太陽系的天體包括：八大行星，矮行星和小天體。系的天體包括：八大行星，矮行星和小天體。202122232425262728地球形成50億年前，地球的輪廓已初步形成。最初是億年前，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，到中心，形成地核；較輕的物質(zhì)浮在上面，冷卻后形成地殼。冷卻后形成地殼。293031323334第二節(jié)第二節(jié) 大氣組成大氣組成一、氣體成分一、氣體成分35第二節(jié)第二節(jié) 大

13、氣組成大氣組成一、氣體成分一、氣體成分90km以上大氣以上大氣1）空氣分子大部分都發(fā)生離解；）空氣分子大部分都發(fā)生離解；2）空氣成分隨高度的分布逐漸變成按分子量）空氣成分隨高度的分布逐漸變成按分子量（或原子量）大小排列。（或原子量）大小排列。從低層到高層依次為從低層到高層依次為N2、O、He、H36第二節(jié)第二節(jié) 大氣組成大氣組成一、氣體成分一、氣體成分90km以下干潔大氣均勻混合，稱為均勻?qū)右韵赂蓾嵈髿饩鶆蚧旌?，稱為均勻?qū)?）按濃度時空變化是否明顯來分，）按濃度時空變化是否明顯來分，分為：分為：定常成分：濃度的時空變化不明顯定常成分：濃度的時空變化不明顯 的的氣體成分。主要包括氣體成分。主要包

14、括N2、O2、惰性氣體惰性氣體可變成分：定義略。例如，水汽、可變成分：定義略。例如，水汽、CO2、O3、CH4等等37 2）按濃度）按濃度主要氣體：濃度主要氣體：濃度1%，包括，包括N2、O2、Ar微量氣體：微量氣體：1ppm1%，包括，包括CO2、CH4、Ne、He、Kr、水汽（水汽（2 ppm4%痕量氣體：痕量氣體：1ppm，包括（見表）包括（見表）38Table 1.1 U.S.Standard A tm osphere.Constituent gas Content(%by volum e)N itrogen(N2)78.084 O xygen(O2)20.948 A rgon(A r

15、)0.934 Carbon dioxide(CO2)0.333 N eon(N e)18.1810-4 H elium(H e)5.2410-4 M ethane(CH4)1.510-4 Krypton(Kr)1.1410-4 H ydrogen(H2)0.510-4 N itrous oxideb(N2O)0.2710-4 Carbon monoxideb(CO)0.1910-4 O zone(O3)0-1210-4 X enon(X e)0.08910-4 A mmoniab(N H3)0.00410-4 Sulfur dioxideb(SO 2)0.00110-4 N itrogen d

16、ioxideb(N O2)0.00110-4 Water vaporb(H2O)0-0.0410-4 N itric O xideb(N O)0.000510-4 H ydrogen Sulfideb(H2S)0.0000510-4 N itric acid vapor Traces b Concentration near the earths surface.39大氣的組成餅圖一些概念40干潔大氣：不含水汽和懸浮顆粒物的大氣干潔大氣：不含水汽和懸浮顆粒物的大氣平均分子量：平均分子量：90km以下，空氣平均分子量以下，空氣平均分子量為為28.966，不隨高度變化，不隨高度變化空氣密度：空氣密

17、度：標準狀態(tài)（標準狀態(tài)（p=1013.25hPa,t=0）下，干空下，干空氣密度為氣密度為1.29kg/m3414、重要氣體成分的作用1）主要氣體）主要氣體氮、氧氮、氧 對生命活動有重要意義，但對天氣、對生命活動有重要意義，但對天氣、百萬年尺度的氣候變化沒有什么作用。百萬年尺度的氣候變化沒有什么作用。2）微量、痕量氣體）微量、痕量氣體水汽、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，影響在全球能量平衡中起重要作用，影響 地面和空氣溫度；地面和空氣溫度；是地球系統(tǒng)的水循環(huán)中起重要角色。是地球系統(tǒng)的水循環(huán)中起重要角色。4243地表上的水 全球年水

18、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 fuels(also some loss of biomass)46Fig.1-4,p.747Fig.1-3,p.6484

19、950Source:OSTP51復習大氣物理行星大氣地球大氣的演化現(xiàn)代大氣的組成52大氣污染5354DMS(aq)DMS(gas)CCN增加云對陽光的反照率進入地球表面的輻射減少影響浮游生物產(chǎn)生DMS的過程SONSS24溫度下降海-氣輸送化學氧化555657585960歷年的南極臭氧6162紫外輻射的波段、人體健康影響和臭氧層的吸收作用紫外輻射的波段、人體健康影響和臭氧層的吸收作用紫外輻射區(qū)紫外輻射區(qū)波長范圍波長范圍/nm人體健康影響人體健康影響O3層吸收情況層吸收情況UV-A315400促進維生素促進維生素D的的合成合成基本不吸收基本不吸收UV-B280315損害蛋白質(zhì)和損害蛋白質(zhì)和DNA吸

20、收大約吸收大約90UV-C200280可致蛋白質(zhì)和可致蛋白質(zhì)和DNA破壞，造成破壞，造成嚴重傷害作用嚴重傷害作用全部吸收全部吸收636465666768697071727374757677全球年總降水量=500000 km3 3全球年總蒸發(fā)量=500000 km3 3陸地年總降水量=110000 km3 3陸地年總蒸發(fā)量=70000 km3 3 余40000 km3 3 78三、大氣氣溶膠粒子三、大氣氣溶膠粒子1 1、定義：定義：尺度范圍：尺度范圍：1 1nm-100mnm-100m 大氣中分散、懸浮有液體或固體微粒時的氣體和懸浮物的總體系稱為大氣氣大氣氣溶膠溶膠。而其中的懸浮物就稱為氣溶膠粒

21、子。792、分類、分類 1）云降水學分類（按半徑分類）云降水學分類（按半徑分類）2）大氣環(huán)境學分類）大氣環(huán)境學分類 愛根核：半徑在0.01到0.1微米之間。大核：半徑在0.1到1微米之間。巨核：半徑大于1微米。TSP、降塵、降塵、PM10、PM2.5、塵粒、粉塵、塵粒、粉塵、灰霾、等?；姻?、等。803、大氣氣溶膠粒子的源和匯大氣氣溶膠粒子的源和匯 1）源）源 據(jù)估計，全球氣溶膠質(zhì)粒主要是自然界產(chǎn)生的，人工來源僅為自然來源的五分之一。包括海水飛沫（見下圖）、氣粒轉(zhuǎn)換、風揚沙塵、火山爆發(fā)81822）匯）匯 即即氣溶膠粒子被移出大氣的過氣溶膠粒子被移出大氣的過程。程。按是否有水質(zhì)粒參與，分為干移出、

22、按是否有水質(zhì)粒參與，分為干移出、濕移出。濕移出。83干移出過程：指質(zhì)粒在干的狀況下移出大氣的過程。包括重力下沉、附粘移出。濕移出過程：指質(zhì)粒受雨雪或云霧滴等影響而下沉到下墊面移出大氣的過程。包括凝長下沉、碰并下沉。844、大氣氣溶膠粒子在大氣過程中的作用大氣氣溶膠粒子在大氣過程中的作用 1）在云霧降水中的作用在云霧降水中的作用；可作為水汽凝結(jié)和凝華以及水滴凍結(jié)的核可作為水汽凝結(jié)和凝華以及水滴凍結(jié)的核 心，即部分大氣氣溶膠粒子可作為心，即部分大氣氣溶膠粒子可作為CCN（cloud condensation nuclei)或或IN(ice nuclei)2）對大氣輻射過程的影響對大氣輻射過程的影響

23、；吸收和散射太陽輻射，影響大氣溫度的垂吸收和散射太陽輻射，影響大氣溫度的垂直分布。直分布。853）對大氣光學特性的影響對大氣光學特性的影響；對太陽光的散射和吸收，會影響大氣能見度，對太陽光的散射和吸收，會影響大氣能見度，還會影響天空顏色。一些光學現(xiàn)象的出現(xiàn)，也與它還會影響天空顏色。一些光學現(xiàn)象的出現(xiàn)，也與它們的作用有關(guān)。們的作用有關(guān)。864）對大氣電學特性的影響對大氣電學特性的影響 氣溶膠粒子捕獲小離子而成為大離子，由氣溶膠粒子捕獲小離子而成為大離子，由于大離子遷移率小，故大氣電場中的傳導電流減于大離子遷移率小，故大氣電場中的傳導電流減小小+-晴天大氣地面正離子負離子875）在大氣化學過程中的

24、作用。在大氣化學過程中的作用。氣溶膠粒子在大氣的許多化學過程中氣溶膠粒子在大氣的許多化學過程中起作用。起作用。88第三節(jié)第三節(jié) 大氣的垂直結(jié)構(gòu)大氣的垂直結(jié)構(gòu)大氣上界：大氣上界：物理現(xiàn)象上界為物理現(xiàn)象上界為 1200km(極光極光出現(xiàn)高度）；出現(xiàn)高度）；大氣密度上界為大氣密度上界為20003000km(接近于星際氣體密度接近于星際氣體密度1個個/cm3的高度）的高度）分層標準：分層標準：（1）按溫度隨高度的變化）按溫度隨高度的變化（2）按大氣成分是否混合均勻（或稱按空）按大氣成分是否混合均勻（或稱按空氣平均分子量隨高度變化）分：氣平均分子量隨高度變化）分：均勻?qū)印⒎蔷鶆驅(qū)泳鶆驅(qū)?、非均勻?qū)?9（3

25、）按電離狀況分（4）按O3濃度分：臭氧層（1050km)非臭氧層（5）按地磁場對帶電粒子運動作用明顯與否分一、一、按溫度隨高度的變化按溫度隨高度的變化 分為對流層、平流層、中層、熱分為對流層、平流層、中層、熱層、外層層、外層90911、對流層（12km以下）l在赤道地區(qū)對流層頂?shù)母叨燃s在赤道地區(qū)對流層頂?shù)母叨燃s18千米，中緯度千米，中緯度地區(qū)約地區(qū)約12千米，極地地區(qū)約千米，極地地區(qū)約8千米。夏季的對千米。夏季的對流層厚度大于冬季。流層厚度大于冬季。l以南京為例，夏季的對流層厚度達17公里，而冬季只有11公里，冬夏厚度之差達6公里之多。特點：特點：921)、溫度隨高度的增加而降低，氣溫遞減、溫

26、度隨高度的增加而降低，氣溫遞減率率為為6.5/kmTz 定義定義氣溫遞減率氣溫遞減率：高度每升高單位高高度每升高單位高 度氣溫降低的度數(shù)。度氣溫降低的度數(shù)。2)、對流層中的垂直運動顯著。、對流層中的垂直運動顯著。3)、集中了80%的大氣質(zhì)量和幾乎全部水汽934)、云霧降水均發(fā)生在此層、云霧降水均發(fā)生在此層5)、受地表影響最強烈，空氣屬性的、受地表影響最強烈，空氣屬性的水平分布很不均勻水平分布很不均勻942、平流層（平流層（12km55km)1)2525kmkm以下溫度遞減率接近零，以下溫度遞減率接近零，2525kmkm以以上溫度隨高度明顯增加上溫度隨高度明顯增加2)平流層氣流運動主要以水平運動

27、為主平流層氣流運動主要以水平運動為主.3)水汽極少，顆粒物極少，能見度極好。水汽極少，顆粒物極少，能見度極好。4）大氣污染物進入平流層后能長期存在）大氣污染物進入平流層后能長期存在953、中層（中層（85 km)1）層內(nèi)溫度隨高度增加而下降2）空氣的垂直對流運動強,故又稱之為高空對流層或上對流層。964、熱層（550km)1)溫度隨高度增加而上升2)高度電離。高度電離。3）帶電粒子運動受地球磁場的作用明顯。975、外層（外層（大氣上界）大氣上界）2 2）大氣成分可以散逸到星際空間。）大氣成分可以散逸到星際空間。1）隨高度升高氣溫增加不顯著）隨高度升高氣溫增加不顯著98二、按電離狀況分二、按電離

28、狀況分 地殼和大氣中的放射性物質(zhì)主要對低層大地殼和大氣中的放射性物質(zhì)主要對低層大氣的電離起作用，而它們的作用較弱，而宇宙氣的電離起作用，而它們的作用較弱，而宇宙線和太陽紫外線輻射對高層大氣起作用，且作線和太陽紫外線輻射對高層大氣起作用，且作用較強。因此，大氣中離子濃度低層低，高層用較強。因此，大氣中離子濃度低層低，高層高，據(jù)此分為高，據(jù)此分為中性層（中性層（60km以下以下)電離層（電離層（60km以上）以上）99三、按地磁場對帶電粒子運動作用明顯與否分1、非磁層（、非磁層（500km以下）以下）由于空氣較稠密，帶電粒子的運動主由于空氣較稠密，帶電粒子的運動主要受粒子間的碰撞支配要受粒子間的碰

29、撞支配2、磁層（、磁層（500km以上）以上）本層內(nèi)存在大量帶電粒子，空氣又稀本層內(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子的運動主要受地磁場控制100 第四節(jié)第四節(jié) 主要氣象要素主要氣象要素氣象要素：表征大氣狀態(tài)和現(xiàn)象的物理氣象要素：表征大氣狀態(tài)和現(xiàn)象的物理量。例如，氣溫、空氣濕度、氣壓、風量。例如，氣溫、空氣濕度、氣壓、風一、氣溫一、氣溫1、定義：表示空氣冷熱程度的物理量、定義：表示空氣冷熱程度的物理量2、溫標、溫標攝氏溫標攝氏溫標華氏溫標華氏溫標絕對溫標絕對溫標單位單位FK常用符號常用符號tFT101關(guān)系關(guān)系：2

30、73.15Tt 9325Ft3、觀測、觀測地面氣溫指離地地面氣溫指離地1.5m（我國）高處百葉我國）高處百葉箱里的氣溫箱里的氣溫102103104105世界上的極端氣溫世界上的極端氣溫106氣溫的日變化氣溫的日變化主要受地表日夜溫差的影響，而地表溫度的日變化和入太陽輻射以及出地球能量兩者差值有關(guān)。107二、氣壓二、氣壓1、定義：大氣壓力、定義：大氣壓力2、單位：國際單位、單位：國際單位 帕（帕（Pa)氣象上常用氣象上常用 百帕（百帕（hPa）標準大氣壓標準大氣壓 =1013.25 hPa3、測量：、測量：108109110111112113114Vertical Pressure Distri

31、bution115三、空氣濕度三、空氣濕度1、定義：表示空氣中水汽含量多少或潮濕、定義：表示空氣中水汽含量多少或潮濕程度的物理量。程度的物理量。2、水汽達飽和、水汽達飽和3、濕度參量、濕度參量(p19)由水汽和平面純水（或由水汽和平面純水（或純水）組成的系統(tǒng)，在某溫純水）組成的系統(tǒng)，在某溫度下達到兩相平衡時，稱為度下達到兩相平衡時，稱為水汽達飽和。水汽達飽和。有很多個有很多個116Observations of vapor pressure as a function of temperature1171）水汽混合比）水汽混合比rvdmrm單位：單位：kg/kg2)比濕比濕 q單位：單位：kg

32、/kg()vvdmqmmq于于r的關(guān)系：的關(guān)系：1rqr1183)絕對濕度（水汽密度絕對濕度（水汽密度)vvvmV單位：單位：kg/m3V為濕空氣體積為濕空氣體積4）水汽壓）水汽壓e：濕空氣中水汽的分壓強。單位濕空氣中水汽的分壓強。單位 為為hPa相對于純水相對于純水(冰）平面的飽和水汽壓冰）平面的飽和水汽壓 E w（Ei），），僅是溫度的函數(shù)，隨溫度升高而增大僅是溫度的函數(shù)，隨溫度升高而增大119飽和水汽壓計算公式（飽和水汽壓計算公式（p21）5）相對濕度）相對濕度 f100%efE6）露點）露點 td、霜點霜點 tf濕空氣在水汽含量不變的情況下，等壓降溫至相對于純濕空氣在水汽含量不變的情況

33、下，等壓降溫至相對于純水水平面達飽和時的溫度，稱為露點；等壓降溫至相對于平面達飽和時的溫度，稱為露點；等壓降溫至相對于純純冰冰平面達飽和時的溫度稱為霜點。平面達飽和時的溫度稱為霜點。()wdEte()ifEte120四、風四、風1、風的概念、風的概念1）空氣相對運動形成風）空氣相對運動形成風大氣科學中的風以地面為參照大氣科學中的風以地面為參照物，分水平風、垂直風物，分水平風、垂直風2）風是矢量，水平風是二維矢量）風是矢量，水平風是二維矢量3）水平風有兩種描述方法：分量法、）水平風有兩種描述方法：分量法、方向大小法方向大小法1212、風向、風向1）指風的來向）指風的來向2）表示方法：用）表示方法

34、：用16個地理方位個地理方位用方位角用方位角3、風速、風速表示方法表示方法1）單位時間里空氣所經(jīng)過的距離。）單位時間里空氣所經(jīng)過的距離。單位：單位：m/s、mile/h1221232)風級風級1.熱帶低壓熱帶低壓(中心附近最大風力中心附近最大風力67級級)2.熱帶風暴熱帶風暴(89級級)3.強熱帶風暴強熱帶風暴(1011級級)4.臺風臺風(12級級)。例如，熱帶氣旋用風級劃分為：例如，熱帶氣旋用風級劃分為：124125126127128第五節(jié)第五節(jié) 空氣狀態(tài)方程空氣狀態(tài)方程 一、理想氣體狀態(tài)方程一、理想氣體狀態(tài)方程1mPVR TM、2、地球上自然狀態(tài)下的空氣可、地球上自然狀態(tài)下的空氣可看作理想

35、氣體看作理想氣體129二、干空氣狀態(tài)方程二、干空氣狀態(tài)方程1、方程推導、方程推導設(shè)體積為設(shè)體積為V、溫度為溫度為T的干空氣中，含有的干空氣中，含有 n 種氣體成分，其中第種氣體成分，其中第i種種 成分的狀態(tài)方成分的狀態(tài)方程為：程為：,1,1iiimPVR T inM（）對以上對以上n個式子求和，有個式子求和，有1302iiimVPR TM （）考慮到考慮到iPPimm并令并令iimMmM，則有，則有3mV PR TM（）13190km以下，以下，28.966/Mg mol令令*1138.3128728.966 10dRRJ kgKMRd稱為干空氣比氣體常數(shù)稱為干空氣比氣體常數(shù)（3）式可化為）式

36、可化為4dddPRT（）1322、比氣體常數(shù)、比氣體常數(shù)*11287dRRJ kgKM*1138.3146118 10vvRRJ kgKM1.6085vdRR （）133三、濕空氣狀態(tài)方程三、濕空氣狀態(tài)方程1、方程推導、方程推導干空氣和水汽狀態(tài)方程分別為干空氣和水汽狀態(tài)方程分別為4dddPRT（）6vveRT（）把（把（5）代入上式（）代入上式（6），有），有1.6087vdeR T（）134（4）+（7）得）得(1.608)ddvdPeRT 即即(0.608)vdPR T1 0.608)vdR T（8）135（7）/（8），得），得1.608910.608vveP（）考慮到考慮到1v（9）式

37、近似為）式近似為1101.608veP （）136把（把（10）代入（）代入（8），有），有0.6081)1.608dePR TP（1 0.378)11deR TP（）1 0.378)mdeRRP（若令若令則（則（11）式化為）式化為12mpR T（）1371 0.378)veTTP（若令若令則（則（11）式化為）式化為13dvpR T（）（11）（13）為濕空氣狀態(tài)方程的三種形式）為濕空氣狀態(tài)方程的三種形式，其中最常用的為公式（，其中最常用的為公式（13）2、虛溫、虛溫138 是關(guān)于溫度、水汽壓和壓強的函數(shù)。為了是關(guān)于溫度、水汽壓和壓強的函數(shù)。為了能在濕空氣狀態(tài)方程中使用能在濕空氣狀態(tài)方程中

38、使用 ，并且使其與，并且使其與干空氣狀態(tài)方程具有類似的簡單形式所引入的干空氣狀態(tài)方程具有類似的簡單形式所引入的參量。定義式為參量。定義式為dR1 0.378)veTTP（139四、常用的濕度參量間關(guān)系四、常用的濕度參量間關(guān)系1re、與一塊體積為一塊體積為V、溫度為溫度為T的濕空氣中，的濕空氣中，水汽和干空氣狀態(tài)方程分別為水汽和干空氣狀態(tài)方程分別為6vveRT（）4ddP eRT（1）（6）/（14），得），得140vvddRepeR1.608vdmm1.608r0.62215erp e即 （）2qe、和 一塊體積為一塊體積為V、溫度為溫度為T的濕空氣中，的濕空氣中，水汽和濕空氣狀態(tài)方程分別為水

39、汽和濕空氣狀態(tài)方程分別為1416vveRT（）1 0.378)11depR TP（）（6）/（11），有），有11 0.378vvdReepRpvvdRR1.608vmm1.608q1420.62216ep即 q （）1431）水汽混合比）水汽混合比rvdmrm2)比濕比濕 q()vvdmqmm3)絕對濕度（水汽密度絕對濕度（水汽密度)vvmV4）水汽壓）水汽壓e：5）相對濕度）相對濕度 f100%efE6）露點）露點 td、霜點霜點 tf()wdEte()ifEte6vveRT（）144q于于r的關(guān)系：的關(guān)系：1rqr1re、與0.62215erp e即 （）2qe、和0.62216ep即

40、q （）6vveRT（）1454dddPRT（）*1138.3128728.966 10dRRJ kgKMRd稱為干空氣稱為干空氣比氣體常數(shù)比氣體常數(shù)6vveRT（）*1138.3146118 10vvRRJ kgKM1.6085vdRR （）14612mpR T（）1 0.378)mdeRRP（13dvpR T（）1 0.378)veTTP（147第五節(jié)第五節(jié) 大氣靜力學方程大氣靜力學方程 一、方程推導一、方程推導假定大氣處于靜力平衡假定大氣處于靜力平衡狀態(tài)，即大氣相對于地狀態(tài)，即大氣相對于地面靜止，達到力的平衡。面靜止，達到力的平衡。任取一塊截面積為任取一塊截面積為1m2，厚度為厚度為dz

41、的鉛直氣柱，的鉛直氣柱，對它進行受力分析對它進行受力分析148應有 G+(p+dp)=p即 gdz+p+dp=p整理得 dp=-gdz （1.5.1)dpgdz 或 （1.5.2)（1.5.1）稱為大氣靜力學方程的微分形式）稱為大氣靜力學方程的微分形式（1.5.2）稱為大氣靜力學方程的導數(shù)形式）稱為大氣靜力學方程的導數(shù)形式149 當大氣靜止或只做勻速垂直運動時，大氣靜當大氣靜止或只做勻速垂直運動時，大氣靜力學方程精確成立。力學方程精確成立。當大氣有弱的垂直加速度時，大氣靜力學當大氣有弱的垂直加速度時，大氣靜力學方程近似成立。方程近似成立。二、適用條件二、適用條件 大氣運動具有準水平性，即任意時

42、刻大氣運動具有準水平性，即任意時刻大部分空間范圍的大氣以水平運動為主。大部分空間范圍的大氣以水平運動為主。垂直加速度一般小于垂直加速度一般小于0.1cm/s2,比重力加速度比重力加速度至少小至少小4個數(shù)量級。個數(shù)量級。150 大氣靜力學方程不僅適用于靜止大氣，而大氣靜力學方程不僅適用于靜止大氣，而且也適用于一般大氣，不適用于有強垂直運動且也適用于一般大氣，不適用于有強垂直運動的大氣（見圖）的大氣（見圖）151152三、應用三、應用1、用來定義平衡氣壓（大氣靜力學氣壓）、用來定義平衡氣壓（大氣靜力學氣壓）對（對（1.5.2）式兩邊積分）式兩邊積分，12:;zzz12:p pp得得21211.5.

43、3zzppgdz （）220zp 特 殊 地，當時，則111.5.4zpg d z （）153 即以某高度即以某高度z1上的平衡氣壓等于從該高上的平衡氣壓等于從該高度直到大氣上界的單位截面鉛直氣柱的重量。度直到大氣上界的單位截面鉛直氣柱的重量。2、求氣壓階、求氣壓階hp (p31)1）定義：垂直氣柱中每減小單位氣壓所對）定義：垂直氣柱中每減小單位氣壓所對應的幾何高度增加量應的幾何高度增加量(10.378)121.5.5dpeR Tdzphdpgpg）計算式：（）3）影響因子）影響因子;pTh，,pph1543、計算氣壓標高、計算氣壓標高Hp1）定義）定義標高分氣壓標高和密度標高，這里只介紹前者

44、標高分氣壓標高和密度標高，這里只介紹前者 氣壓標高表示氣壓隨高度的變化氣壓標高表示氣壓隨高度的變化趨勢，定義式為趨勢，定義式為 (平面平行大氣的假設(shè)下平面平行大氣的假設(shè)下)1551ln()1.5.6pdpHdz（）2）計算式）計算式1lnpHdpdz pdpdz dvR Tg1.5.7dvR Tg（）vvTT與 成正比，若 不隨高度變化，p則H 也不隨高度變化。1563）等溫大氣的標高）等溫大氣的標高對（對（1.5.6）式變形后兩邊積分，得）式變形后兩邊積分，得21211exp()1.5.8zzpPPdzH（）對于等溫大氣，對于等溫大氣，Tv不隨高度變化，不隨高度變化，故故Hp也不隨高度變化，

45、所以也不隨高度變化，所以2121exp()1.5.9pzzPPH（）157 對于等溫大氣，對于等溫大氣，Hp在數(shù)量上等于氣壓在數(shù)量上等于氣壓減小到起始氣壓的減小到起始氣壓的1/e所需要的高度增量。所需要的高度增量。4、用來推導模式大氣的壓高公式、用來推導模式大氣的壓高公式壓高公式：表明氣壓與高度間關(guān)系的公式。壓高公式：表明氣壓與高度間關(guān)系的公式。模式大氣：是滿足一定假設(shè)條件的大氣。模式大氣：是滿足一定假設(shè)條件的大氣。1）等溫大氣）等溫大氣a)定義：虛溫或溫度不隨高度變化的大氣定義：虛溫或溫度不隨高度變化的大氣b)壓高公式壓高公式：2121exp()1.5.9pzzPPH（）1582121()e

46、xp1.5.10dvg zzPPR T（）把（把（1.5.7）代入，有）代入，有 在氣象觀測中，常用（在氣象觀測中，常用（1.5.10）求）求算等壓面位勢高度和海平面氣壓換算。算等壓面位勢高度和海平面氣壓換算。c)上界（上界（p=0 的高度）：無上界的高度）：無上界2）多元大氣）多元大氣a)定義：氣溫隨定義：氣溫隨高度線性變化的高度線性變化的大氣稱大氣稱 為多元為多元大氣。大氣。159b)壓高公式：設(shè)壓高公式：設(shè)0TTz，代入大氣靜力學方程中可，代入大氣靜力學方程中可推導出推導出000()1.5.11dgRTzppT（）c)上界：上界：0TH 1603）均質(zhì)大氣）均質(zhì)大氣a)定義：空氣密度不隨

47、高度變化的定義：空氣密度不隨高度變化的大氣稱為均質(zhì)大氣。大氣稱為均質(zhì)大氣。b)壓高公式壓高公式：0ppgz c)上界：上界：008dvpR THkmgg數(shù)值上等于低層大氣的標高。數(shù)值上等于低層大氣的標高。161卓奧友峰卓奧友峰 8201米米8000米是米是人類生存人類生存的極限的極限162163d)鉛直溫度遞減率鉛直溫度遞減率34.2/mdggK kmRRmpR Tz對兩邊關(guān)于 求導mmpTR TRzzzpp TgzTz 由均質(zhì)大氣壓高公式和狀態(tài)方程，由均質(zhì)大氣壓高公式和狀態(tài)方程，求得均質(zhì)大氣鉛直溫度遞減率為：求得均質(zhì)大氣鉛直溫度遞減率為：34.2/?K km164變形，得變形，得()1.5.

48、12mTgzTzR（）由（由（1.5.12）式發(fā)現(xiàn)，）式發(fā)現(xiàn)，,0,mTgzRz若則自動發(fā)生對流,0,mTgzRz若則不會自動發(fā)生對流所以所以 也稱為自由對也稱為自由對流鉛直溫度遞減率流鉛直溫度遞減率34.2/mdggK kmRR165四、標準大氣四、標準大氣1、定義（、定義（WMO的定義）的定義）所謂標準大氣，就是能夠粗略地反所謂標準大氣，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直分布。它的典型用途是作為壓力高度計校準、飛機性能計算、飛機

49、和火箭設(shè)計、校準、飛機性能計算、飛機和火箭設(shè)計、彈道制表和氣象制圖的基準。假定空氣服彈道制表和氣象制圖的基準。假定空氣服從使溫度、壓力和密度與位勢發(fā)生關(guān)系的從使溫度、壓力和密度與位勢發(fā)生關(guān)系的理想氣體定律和流體靜力學方程。在一個理想氣體定律和流體靜力學方程。在一個時期內(nèi)，只能規(guī)定一個標準大氣，這個標時期內(nèi)，只能規(guī)定一個標準大氣，這個標準大氣，除相隔多年做修正外，不允許經(jīng)準大氣，除相隔多年做修正外，不允許經(jīng)常變動。常變動。1662、美國、美國1976年標準大氣：年標準大氣：是對美國是對美國1962年標準大氣的修正，年標準大氣的修正，它表示了中等太陽活動期間，由地面到它表示了中等太陽活動期間，由地

50、面到1000km的理想化、靜態(tài)的中緯度平均的理想化、靜態(tài)的中緯度平均大氣結(jié)構(gòu)。大氣結(jié)構(gòu)。3、我國國家標準、我國國家標準：我國國家標準總局規(guī)定，在建立我國我國國家標準總局規(guī)定，在建立我國自己的標準大氣之前，可使用自己的標準大氣之前，可使用1976年美國年美國標準大氣，取其標準大氣，取其30 km以下部分作為國家以下部分作為國家標準。標準。167168169第六節(jié)第六節(jié) 氣壓場氣壓場氣壓場：氣壓的空間分布。氣壓的三維氣壓場：氣壓的空間分布。氣壓的三維空間分布稱為空間分布稱為空間氣壓場空間氣壓場；氣壓的水平；氣壓的水平分布稱為分布稱為水平氣壓場水平氣壓場。170一、基本概念一、基本概念1、等高面圖、

51、等高面圖等壓面：指空間氣壓相等各點組成的等壓面：指空間氣壓相等各點組成的 曲面，曲面，等高面：海拔高度相同的各點組成的曲面等高面：海拔高度相同的各點組成的曲面等高面上的等壓線：是等高面上氣壓相同等高面上的等壓線：是等高面上氣壓相同點的連線。是等壓面與等高面的交線。點的連線。是等壓面與等高面的交線。171書簽 氣壓氣壓 hPa 亞洲亞洲:10月月 11日日 北京時北京時間間 08:00 172目前地面天氣圖，就是高度為零的等高目前地面天氣圖，就是高度為零的等高面圖，在地圖上填上海平面氣壓值，繪面圖，在地圖上填上海平面氣壓值，繪制等壓線，此外，地面天氣圖上還標有制等壓線，此外，地面天氣圖上還標有其

52、他天氣符號和等值線。其他天氣符號和等值線。1732、等壓面圖、等壓面圖 用高度間隔相等的若干等高面去截用高度間隔相等的若干等高面去截某等壓面某等壓面P，將所得截線即等高線都投將所得截線即等高線都投影到水平面上，便得影到水平面上，便得P等壓面上的許多等壓面上的許多等高線。構(gòu)成等壓面圖的主體。等高線。構(gòu)成等壓面圖的主體。目前氣象臺繪制的高空天氣圖就目前氣象臺繪制的高空天氣圖就是一組等壓面圖。其上除等高線，還是一組等壓面圖。其上除等高線，還有其他等值線和天氣符號。有其他等值線和天氣符號。注：這里的高度為位勢高度注：這里的高度為位勢高度174175位勢位勢 500 hPa gpdm 亞洲亞洲:10月月

53、 11日日 北京時間北京時間 08:00 1763、位勢高度、位勢高度1）重力位勢）重力位勢把單位質(zhì)量的物體從海平面上（重力位把單位質(zhì)量的物體從海平面上（重力位勢為零）抬升（沿任意路徑）到勢為零）抬升（沿任意路徑）到Z高度高度時，外力克服重力所作的功。時，外力克服重力所作的功。01.6.1zgdz（）1772）位勢米）位勢米gpm 質(zhì)量為質(zhì)量為1千克的物體在標準重力加速度千克的物體在標準重力加速度g0下，上升下，上升1m所增加的勢能為所增加的勢能為1位勢米。位勢米。19.80665/1.6.2gpmJ kg（）3）位勢高度與幾何高度的關(guān)系）位勢高度與幾何高度的關(guān)系01.6.39.80665Zg

54、dzH（）1784）計算位勢高度的測高公式）計算位勢高度的測高公式已知兩個氣壓，求氣壓間的位勢高度已知兩個氣壓，求氣壓間的位勢高度對（對（1.6.3）兩邊微分，有）兩邊微分，有01.6.4gdHdzg（）把（把（1.6.4）和狀態(tài)方程代入大氣靜力）和狀態(tài)方程代入大氣靜力學方程中，有學方程中，有01.6.5vdpgdpdHT R（）179（1.6.5）可化為）可化為0ln1.6.6vdgTdpdHR（）（1.6.6）式兩邊積分，有）式兩邊積分，有21021ln()1.6.7pvpdgTdpHHR（）2112lnlnlnpvpvT dpTpp設(shè)則（則（1.6.7）式化為）式化為18012102ln

55、1.6.8d vRTpHHgp（）二、氣壓場的基本型式二、氣壓場的基本型式(1)低氣壓(簡稱低壓)，其等壓線閉合，中心氣壓低，向外逐漸增高?？臻g等壓面向下凹，形如盆地。181（2）高氣壓）高氣壓(簡稱高壓簡稱高壓)，其等壓線閉合，其等壓線閉合，中心氣壓高，向外逐漸減低?？臻g等壓面中心氣壓高，向外逐漸減低?？臻g等壓面向上凸形狀，形似山。向上凸形狀，形似山。182(3)低壓槽低壓槽(簡稱槽簡稱槽)。是低壓向外伸出的狹長部分，或一組。是低壓向外伸出的狹長部分，或一組未閉合的等壓線向氣壓較高的方突出的部分。在槽中，各未閉合的等壓線向氣壓較高的方突出的部分。在槽中，各等壓線彎曲最大處的連線叫槽線。氣壓沿

56、槽線最低，向兩等壓線彎曲最大處的連線叫槽線。氣壓沿槽線最低，向兩邊遞增。槽的尖端，可以指向各個方向，但在邊遞增。槽的尖端，可以指向各個方向，但在北半球中緯北半球中緯度地區(qū)大多指向南方度地區(qū)大多指向南方。因此，尖端指向北的稱為倒槽，指。因此，尖端指向北的稱為倒槽，指向東西的稱為橫槽，槽附近的空間等壓面類似山向東西的稱為橫槽，槽附近的空間等壓面類似山谷。谷。1834)高壓脊高壓脊(簡稱脊簡稱脊)是高壓向外伸出的狹長部分，是高壓向外伸出的狹長部分，或一組未閉合的等壓線向氣壓較低的方突出的或一組未閉合的等壓線向氣壓較低的方突出的部分。在脊中，各等壓線彎曲最大處的連線叫部分。在脊中，各等壓線彎曲最大處的連線叫脊線。氣壓沿脊線最高，向兩邊遞減。脊附近脊線。氣壓沿脊線最高，向兩邊遞減。脊附近的空間等壓面，類似山脊。的空間等壓面，類似山脊。184(5)鞍形氣壓區(qū)鞍形氣壓區(qū)(簡稱鞍部簡稱鞍部)，是兩個低壓與兩，是兩個低壓與兩個高壓交錯組成的中間區(qū)域，其附近空間個高壓交錯組成的中間區(qū)域，其附近空間等壓面形如馬鞍。等壓面形如馬鞍。