气象学基础第一章

考纲要求：大气圈结构及气象要素的基本特征、大气静力学、大气动力学基础、大气中的辐射过程、大气热力学基础、大气静力稳定度、大气的热状况和大气中的水分等。主要针对大气科学基本的科学原理、理论和知识。第一章大气概论第一节大气的组成大气：包围在地球表面的整个空气层。原生大气：以氢、氦、氖等气态物质所组成的第一代原生大气次生大气：以二氧化碳、一氧化碳、水汽、甲烷为主的此生大气。现代大气：以氮氧为主~~一、干洁大气1、干洁大气：不包含水汽和气溶胶等粒子的大气称为干洁大气。次要成分：氮、养、氩主要成分：少量二氧化碳、臭氧、各种氮养化物和其他一些惰性气体常定成份：氮、养、氩和微量的惰性气体可变成分：其他成分（二氧化碳、臭氧、各种氮养化物）2、干空气的密度是温度和气压的函数干洁大气可以作为理想气体，没有任何相变二、二氧化碳1、对地表有保温效应：它对太阳的短波辐射几乎的透明的，而对地表射向太空的长波辐射，特别是13-17微米波谱区，有强烈的吸收作用，使得地表辐射的热量大部分被截留在大气层内。2、二氧化碳的增减对气候变化有重要影响、二氧化碳的大气底浓度值变化的两个特点（1）有季节变换（2）年平均二氧化碳浓度值逐年增大三、臭氧1、臭氧的分布：5-10km开始增加，20-30km最大浓度出现，称为臭氧层，位于平流层。2、臭氧的存在对地球上生物的重要意义：太阳辐射中的紫外线对生物体的组织有很大的危害作用，臭氧吸收了绝大部分的紫外线，才使生物有机体免遭伤害，臭氧保护了地球上的生物。四、水汽：1、水汽的重要性，水汽对天气、气候变化的影响（2009年考点）水汽在大气中的含量虽少，但由于它在大气温度变化范围内可以进行相变，变成水滴或冰晶，因而它对大气中的物理过程起着重要的作用，是天气变化的主角，大气中的雾、云、雨、雪、雹、等天气现场都是水汽相变的重要产物。水汽在相变过程中要吸收或放出潜热，同时水汽又易吸收额放射长波辐射，所以大气中的水汽含量的多少能直接影响地面和空气的温度，进行天气的变化。五、大气气溶胶粒子（气溶胶）1、大气气溶胶：是指悬浮在空气中的液体和固体粒子。它包括水滴、冰晶、悬浮着的固体灰尘微粒、烟粒、微生物、植物的孢子和花粉以及各种凝结核和带电粒子等。2、来源：人工源（煤炭石油燃烧和工业活动）、自然源（森林火灾、火山爆发、土壤微粒和岩石的分化）3、第二节大气的结构一、大气的上界1、地球大气圈顶部没有截然的界限，而是逐步过渡到星际空间的。2、大气物理上界：把极光现象出现的最大高度1200km定为大气上界3、根据大气的密度接近星际空间的密度来确定，把大气上界定为2000-3000km二、大气的质量1、大气密度和大气的质量随高度减少都是服从指数规律2、海平面-5.5km50%8km63%18.4km90%36km99%三、大气的垂直分层1、根据大气本身的物理或化学性质，可将大气分成若干层（4个）大气的成份结构均匀层和非均匀层大气的压力结构气压层和外大气层（散逸层）大气的电离结构电离层和磁层大气的温度结构根据大气温度垂直分布的特点（垂直温度梯度的方向）对流层平流层中间层热层和散逸层（外层）2、垂直温度梯度（气温垂直递减率）简称（气温直减率）描绘大气温度在垂直方向上的变化，它表示垂直方向上每变化100m高度，气温的变化值，并与温度随高度升高而降低为正值。表达式：3、逆温层：0表示气温随高度升高而升高，这种气层称为逆温层等温层：0表示气温随高度不变4、五个层次的平均高度（1）对流层：高纬度8-9km（低纬温度高气体膨胀对流层顶高）中纬度10-12km夏季上界大于冬季低纬度17-18km（2）平流层：对流层顶至55km（3）中间层：55km至85km（4）热层85km至800km（5）外层：热层以上5、五个层次的主要特点（1）对流层：第一，温度随高度的增加而降低。对流层空气直接吸收太阳辐射很少，主要吸收地面发射的红外辐射。低层大气受到地面加热，通过空气的对流和湍流运动，将热量输送到上层空气，所以对流层中，一般情况下，温度随高度的增加而降低。第二、对流层大气具有强烈的对流运动和湍流运动。这是由于地面不均匀加热所引起的。（通过这种垂直混合作用，使得高层和低层的空气进行交换，近地面的热量、水汽和气溶胶粒子能向高层输送，对水汽凝结现象，大气能见度等都有重大影响。）第三、温度和湿度等气象要素水平分布不均。这是由于地面的海陆地形等不均匀性对大气的影响所致，主要表现在气团和锋的活动上。（2）平流层第一、气温最初随高度升高而不变或微升，大约在30km左右温度随高度是升高增加很快，到平流层顶，可以升到-3至17度。气温的这种分布主要是由于在平流层中，空气不再受下垫面的影响，该处臭氧的密度（浓度）大，吸收的紫外辐射能转化为分子的动能所致。第二、气流比较稳定，空气的垂直混合显著减弱，特别是上半部分，几乎没有垂直气流。第三、空气中的水汽含量很少，天空晴朗，很少有云出现。另外空气中尘埃也很少，大气透明度较高，加之气流稳定，适宜航空飞行。（3）中间层第一，中间层内的气温随高度升高而降低，其顶部温度可降到-113至-86度。这是由于大气对太阳辐射的吸收很少。第二，该层中垂直温度梯度很大，有相当强的垂直混合，气压和密度随高度升高而降低的程度远小于低层大气。第三，中间层的水汽极少，几乎没有云层出现。（4）热层第一，温度随高度升高而迅速增加，小于0.17微米的紫外辐射几乎全部被该层的分子氧和原子氧吸收，加之气层内分子稀少，热量无法传递出去，热层内温度可达1000K以上第二，这层的温度与太阳活动有关，活动强，温度增加快，500KM温度可达2000K活动弱，500km也有500k第三、在高纬度地区晴朗的夜晚，在热层中可出现瑰丽的极光（5）外层第一，空气极度稀薄，温度随高度很少变化第二、由于地球引力很小，空气分子运动的平均自由程很大，一些高速运动的空气质点不断地向星际空间逃逸，所以又称散逸层6、对流层是气象学研究的重点层虽然厚度不及1%，但是由于地球引力左右，对流层集中了大约3/4的大气质量，90%以上的水汽，以及几乎全部的气溶胶粒子。、对流层受地表影响最大，层内对流旺盛，大气中主要的天气现象，如云、雾、降水等都发生在这一层。7、对流层细分上层6-11km高云中层2-6km中云上部摩擦层低云下层近地面层50-100m贴地气层（近地层）（底层）2米（1）下层：0-2km称为摩擦层，又称行星边界层在2km高度上的平均温度为5度，这层气流受地面摩擦作用很大，空气湍流很强，通过湍流运动把地面的热量和水汽往高处输送，并把高层大气的动量往下输送。（2）近地面层：该层气象要素有明显的日变化（3）贴地气层：气温变化剧烈地受地表热量收支的影响，在垂直方向上的起来交换很弱，气温垂直梯度十分巨大（一般大气0.65的100倍）。贴地层的逆温（近地层的逆温）该层的空气昼夜温度变化很大，常常可相差30度以上，而气温垂直梯度的符号白天和夜间往往相反，白天气温随高度升高而减小，夜间温度随高度升级而增加。这层的气温特性，受下垫面的性质影响很大，尤其对农作物生长发育的影响，更有重要的意义。（4）自由大气：行星边界层以上的大气层称为自由大气（5）中层：在6km高度上平均温度-13.5度。这层气流受下垫面影响很小，气流运动常常可以指示整个对流层气流运动的大致趋势。该层是天气演变的主要场所，强烈对流云系和降水多在此层中生成。（6）上层：气温常年都在0度以下，水汽含量很少，高云和积雨云的顶部一般出现在此层，都是由冰晶和过冷却水滴组成。（7）人们可以看到积雨云的顶部被平衍成砧状的情况对流层顶（过渡层，气温不变）对对流层的对流运动有阻挡作用，从而使下层输送上来的水汽、气溶胶粒子等集聚在下方，并使该处大气的浑浊度增加。四、高层大气1、高层大气：平流层以上的大气称为高层大气五、大气的水平结构1、气团分类，地理分类（1）南北极气体：形成在终年冰雪覆盖的南北极地区，这种气团具有气温低，水汽少、气层稳定等特点。（2）极地气团：形成在广大的中纬度地区。形成在温带上的称为极地大陆气体，水汽少，气温低。~~~~~~~极地海洋气体，其在冬季时会比极地大陆气团较暖较湿。（3）热带气体：形成于广大的热带和副热带地区。形成在陆地上的称为热带大陆气团，高温，干燥。~~~~~~热带海洋气体，暖而湿。（4）赤道气团:形成在赤道附近洋面上，具有湿热特点。2、气体分类，热力分类（1）冷气团：气团向着比它暖的地面移动。这种气团所经过的地面变冷（2）暖气团：~~~~~~~~~~~对相邻两气团来说，温度较低为冷气团，~~~~~为暖气团（3）气团的变性：冷暖气团不是固定不变的，而是相对比较而存在的。当气团移到新的下垫面时，它的性质会逐渐发生变化，而失去原有的特性。在新的物理过程中获得新的性质。3、锋区：在两种不同性质的气团之间，存在一个过渡地带，在过渡地带中，气象要素发生激烈的变化，此过渡带称为锋区长度：几百公里——几千公里宽度：近地层几十公里高层200-400公里此水平范围远比大氛围气团小因此称为锋面锋面与地面有一个很小的夹角几分到1度锋面与水平面的交线称为锋线锋面和锋线简称为锋4、冷暖锋冷锋：向暖气团方向移动的锋暖锋：~~~~~~~~~~~~~~~~~准静止锋：冷暖气团势力相当，锋面很少移动的锋。第三节气象要素气象要素：表示大气中物理现象和物理变化过程的物理量。比如气温、气压、湿度、风向、风速、能见度、降水量、云量、辐射等。气象要素表征大气的宏观物理状态，是大气科学研究的基础。一、气温：表示空气冷暖程度的物理量。二、气压：大气的压强，是指与大气相接触的面上，空气分子作用在每个单位面积上的力，这个力是由空气分子对该面碰撞而引起的。三、湿度：是表示空气中水汽含量的多少货空气干湿程度的物理量。由于研究的角度不同，采用不同的湿度参量。1、水汽压：大气中水汽所产生的分压强。饱和空气的水汽压就是饱和水汽压，它是温度的函数，温度越高，饱和水汽压越大，可查表获得。马格努斯（Magnus）经验公式tbatEE10*02、绝对湿度（a）水汽密度（公式看书）单位容积空气中所含的水汽质量，也就是水汽密度，单位用千克/立方米。它能直接表示空气中水汽的绝对含量，但不能直接测量，通常由水汽压的数值计算得到。v/289.0水汽密度Tea3、比湿：（公式看书）是水汽质量与同一题记中空气的总质量的比值peqqmmmdvvdvv/622q4、混合比（r）（公式看书）是水汽质量与同一容积中干空气质量的比值。它单位与比湿相同5、相对湿度（f）是空气中实际水汽压与当时气温下的宝盒水汽压的比值。6、饱和差（d）在某一温度下，饱和水汽压与实际水汽压之差7、露点温度（露点dt）在空气中水汽含量和气压不变的条件下，当气温降低到使空气达到饱和时的那个温度称为露点温度。简称露点，单位与温度相同。四、风空气的水平运动称为风。它是一个矢量，既有大小，又有方向。风向是指来向地面观测中正北为0度或360度顺时针方向风的阵性：空气运动时，总是带有湍流性的，运动中夹有大小不同的涡旋，相邻空气块的运动速度和路径很不一致。因此在固定的空间位置桑，表现出风向不稳定和风速的变化，这种现象称为风的阵性。五、云云是悬浮在大气中的水滴或冰晶或两种混合物的聚合体，底部不接触地面，并具有一定厚度。云的观测云状三族十属二十九中云量观测点的天空被云遮蔽的成数云高云底距离地面的垂直距离高云（卷云Ci，卷层云Cs，卷积云Cc）中云（高层云As，高积云Ac）低云（积云Cu，积雨云Cb，层积云Sc，层云St，雨层云Ns）六、降水从云中降落到地面的液态或固态水称为降水。降水通常用降水的形态、降水的性质、降水量或降水强度来表示。降水量：是指从天空降落到地面上的液态或固态（经融化后）的降水未经蒸发、渗透、流失而积聚在水平面上的水层深度，通常用雨量器测定，单位是毫米。（翻斗式遥感雨量计和虹吸雨量计）七、蒸发气象学中把液态水变为水汽称为蒸发。在一段时间内，水分经蒸发而逸入空气中的量，称为蒸发量八、日照可照时数：从日出到日没的总时数。可根据本地的纬度