2010大气科学基础第一章.ppt

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1、第一章 大气概述,1 地球系统 2 地球大气的成分 3 大气的重要性 4 主要气象要素 5 空气状态方程 6 大气垂直结构 7 气压场分布特征,5 主要气象要素,4.1 气温 4.2 气压 4.3 空气湿度 4.4 风 4.5 云 4.6 降水 4.7 水平能见度,4.1 气温(1),概念：表示空气冷热程度的物理量。 1、温标： 单位 符号 冰点 沸点 t 0 100 K T 273.15 373.15 F 32 212,4.1 气温(2),2、换算关系：,4.2 气压,1、单位：Pa，hPa，mmHg，atm，mb 2、换算关系： 标准大气压：在温度为0 ，纬度为45时，晴天海平面上的大气压

2、为一个标准大气压，其数值等于1013.25hPa。 1标准大气压=1013.25hPa =760 mmHg 1hPa=1mb=3/4 mmHg,问题：一般来说，地面上高气压的地区往往是晴天，低气压的地区往往是阴雨天，为什么？,1005.0,1002.5.5,1000.0,高,地面上高气压的地区往往以晴朗天气为主,3、气压与天气的关系(1),压强增大 体积减小 温度升高 凝结物消散,低,1005.0,1002.5,1000,3、气压与天气的关系(2),地面上低气压的地区往往以阴雨天气为主,压强减小 体积膨胀 温度降低 水汽凝结,问题：为何冬春季空气干燥，夏季天气闷热？ 大气湿度：表示大气中水汽含

3、量多少的物理量。 湿度参量： 1、混合比 2、比湿 3、水汽压 4、水汽密度 5、相对湿度 6、露点温度 难点是各个湿度参量之间的关系,4.3 空气湿度(1),1、混合比r 混合比r：湿空气中所含水汽质量和干空气质量之比，单位为g/g，g/kg。,饱和混合比rs,4.3 空气湿度(1),1、混合比r 混合比r：湿空气中所含水汽质量和干空气质量之比，单位为g/g，g/kg。 v-vapor （1） d-dry s-saturated,饱和混合比rs:饱和湿空气的混合比。,4.3 空气湿度(2),2、比湿q 比湿q：湿空气中所含水汽质量与湿空气总质量之比，单位为g/g，g/kg。 （2）,4.3

4、空气湿度(2),2、比湿q 比湿q：湿空气中所含水汽质量与湿空气总质量之比，单位为g/g，g/kg。 （3） 饱和比湿qs,上下同除md,4.3 空气湿度(3),3、水汽压e 水汽压e：空气中所含水汽的分压强，单位为Pa，hPa。 （4）,水汽摩尔分数,湿空气压强,换算关系：,换算关系：,e和P同时取Pa或hPa，则r取g/g,换算关系：,e和P同时取Pa或hPa，则q取g/g,4.3 空气湿度(3),饱和水汽压e s ：某一温度下，空气中的水汽达到饱和时所具有的水汽压，它表示了空气中水汽的最大容量，也叫最大水汽压。单位为hPa。 Magnus经验公式：,0时的饱和水汽压，大小为6.1078h

5、Pa,4.3 空气湿度(4),4、绝对湿度a：单位容积空气中所含的水汽的质量，即水汽的密度v，单位为gm-3 ， kgm-3 。 水汽比气体常数,e：Pa T：K v：kg/m3,4.3 空气湿度(5),5、相对湿度Uw：一定温度和压强下，水汽与饱和水汽的摩尔分数之比，常用百分比表示。,4.3 空气湿度(7),6、露点温度td ：在湿空气中水汽含量和气压不变的条件下，当气温降低到对水面而言空气达到饱和时的那个温度，简称露点。,4.3 习题,1、试列出表示空气湿度的六种参量，并简述其含义。 2、比较e和es、q和qs、t和td的区别。 3、试说明露点温度为什么可以表示空气中湿度的大小。 4、某湿

6、空气的气压为1026.8百帕，混合比为5.5克/千克，试求它的水汽压。,4.3 习题,5、已知某气块的温度为25 ，气压为1080百帕，相对湿度为65%，求该气块的水汽压、饱和水汽压、绝对湿度、比湿和露点温度的大小。 (100.7148=5.1860，lg3.3709=0.5277),4.4 风,风指空气相对于地面的水平运动 1、风向：16方位（地面） 360方位（高空）,4.4 风,2、风速：ms-1 ， kmh-1 ， mileh-1 1 ms-1 =3.6 kmh-1 ，1 mileh-1=1.85 kmh-1 风力等级表：012级,桑美为自1949年我国建国以来登陆中国大陆最强的台风，

7、其登陆时近中心最大风速达到了60m/s。严重影响了中国东部沿岸地区，造成了25亿美元的损失。,4.4 风,3、问题：台风是如何命名的？,2010年生成的部分台风,1001 号7-13 Omais 奥麦斯 美国漫游（Palauan语）1002 号7-14 Conson 康森 越南古迹1003 号8-1 Chanthu 灿都 柬埔寨一种花1004 号8-2 Dianmu 电母 中国神话中的雷电之神1005 号8-3 Mindule 蒲公英 朝鲜一种小黄花1006 号8-4 Shizishan 狮子山 中国香港香港山名1007 号8-5 Kompasu 圆规 日本圆规星座1008 号8-6 Namt

8、heun 南川 老挝河1009 号8-7 Malouy 玛瑙 澳门一种宝石1010 号8-8 Meranti 莫兰蒂 马来西亚一种树,4.4 习题,1、风向、风速如何表示？,4.5 云(1),悬浮在大气中的小水滴或冰晶微粒，或两者混合的可见聚合体，有时也包含一些较大的雨滴、冰晶或雪粒，它底部不接触地面，有一定的厚度。 云的观测包括云状、云量、云高。,4.5 云(2),大气上升运动形式和规模不同，形成的云也有所差异，可分为积状云、层状云、波状云等。,4.5 云(3),云的分类：三族十属二十九类 高云（6000米） ：卷云、卷层云、卷积云 中云（20006000米） ：高层云、高积云 低云（ 20

9、00米） ：积云、积雨云、层积云、层云、雨层云,游丝天外飞，久睛便可期,日晕三更雨，月晕午时风,鱼鳞天，不雨也风颠,天上灰布悬，雨丝定连绵,4.4 复习题,1、云如何分类？,4.6 降水,指从云中降落到地面的液态或固态水。 降水通常用降水的形态、降水的性质、降水量、降水强度来表示。 按外形可分为：雨、毛毛雨、雪、霰、米雪、冰粒、冰雹、冰针等。 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、流失而积聚到水平面上的水层深度，它以mm为单位。,冰 针,4.7 水平能见度,指视力正常的人，在当时的天气条件下，能从天空背景中看到和辨认出目标物（黑色，大小适度）的最大水平距离

10、。 单位为km，是判断大气浑浊程度的物理量。雾、沙尘和气溶胶粒子均可使能见度降低。,2010年11月19日早上7时，四川省气象台发布大雾橙色预警，成都双流机场路附近重雾弥漫，据目测能见度20米。,受持续沙尘污染的影响，北京的空气质量从日开始轻度污染，9日攀升到最严重的五级重度污染，导致北京市进入月以来，还只有两个“蓝天”。,4.7 复习题,1、什么是水平能见度？,第一章 大气概述,1 地球系统 2 地球大气的成分 3 大气的重要性 4 主要气象要素 5 空气状态方程 6 大气垂直结构 7 气压场分布特征,5 空气状态方程,一、理想气体状态方程 二、干空气状态方程 三、水汽状态方程 四、湿空气状

11、态方程,四、湿空气状态方程,虚温的目的和意义：引入虚温的目的是将大气中所含水汽对比气体常数的影响包含到温度中去，其意义在于同一压强下干空气密度等于湿空气密度时干空气所应具有的温度。,5 习题,1、某湿空气的气压为1000百帕，温度为27.0，水汽压为20百帕，试求此气块的干空气密度和水汽密度。 2、如果一块30 的空气的比湿为19.6克/千克，求它的虚温；如果湿空气的总压强是1014百帕，求它的密度是多少？,第一章 大气概述,1 地球系统 2 地球大气的成分 3 大气的重要性 4 主要气象要素 5 空气状态方程 6 大气垂直结构 7 气压场分布特征,认识大气层,天有多高？,严格地说，大气层的上

12、部是没有明显上界的，通常可根据某些物理现象出现的最大高度来确定大气的上界，如把极光出现的最大的高度定为大气上界，也就是1200KM左右，若把大气密度接近于星际气体密度的地方定为大气上界，这时大气上界约在20003000KM之间。,加拿大育空地区的极光,6 大气垂直结构,6.1 成分结构：均匀层、非均匀层 6.2 压力结构：气压层、外大气层（逸散层） 6.3 电离结构：电离层（D、E、F）、磁层 6.4 温度结构：对流层、平流层、中层、 热层、外层,6.1 成分结构,地面,湍流混合为主 均匀层,100km,地面,湍流混合为主 均匀层,100km,分子扩散与湍流混合相当 湍流层顶,6.1 成分结构

13、,地面,湍流混合为主 均匀层,100km,分子扩散与湍流混合相当 湍流层顶,高空,以分子扩散为主 非均匀层,6.1 成分结构,地面,湍流混合为主 均匀层,100km,分子扩散与湍流混合相当 湍流层顶,高空,以分子扩散为主 非均匀层,干洁大气、水汽、气溶胶,6.1 成分结构,地面,湍流混合为主 均匀层,100km,分子扩散与湍流混合相当 湍流层顶,高空,以分子扩散为主 非均匀层,干洁大气、水汽、气溶胶,H 轻 He O N2 重,6.1 成分结构,6.2 压力结构： 气压层（500km),6.3 电离结构： a、电离层（高层大气中被电离的区域，约为地表60km到5001000km ，可分为D、E

14、、F层） 白天D、E、F层同时存在，F层可分为F1、F2层，夜间D、E层消失，而F层减弱，但仍存在。 b、磁层：5001000km以上 问题：为什么有时夜间能收到 的广播电台，白天却消失了？,60,90,100,300,无线电波的远距离传输是借助地面和电离层之间的多次反射而实现的，电离层对电磁波有吸收、反射和折射作用， D层反射能力弱，吸收能力较强，F2层对电波的反射能力最强。,6.4 温度结构,（1）气温垂直递减率：在垂直方向上每变化100米，气温的变化值，并以温度随高度的升高而降低为正值。 （/100m） 0 表示气温随高度的升高而降低；0表示气温随高度的升高而升高，这种气层称为逆温层；=

15、0表示气温随高度不变，这种气层称为等温层。 问题：在温高图上如何表示上述三种情况？,6.4 温度结构,0 表示气温随高度的升高而降低；0表示气温随高度的升高而升高，这种气层称为逆温层；=0表示气温随高度不变，这种气层称为等温层,0,=0,0,Z,T,6.4 温度结构,（2）温度垂直分层：对流层、平流层、中层、热层、外层,外层,85,50,30,外层,85,50,30,0,0,0,0,6.4 温度结构,（2）温度垂直分层：对流层、平流层、中层、热层、外层 （3）各层特征：,地 面,对流层：（1）夏季对流层的厚度大于冬季，层内对流旺盛，垂直混合强烈；（2）=0.65/100m ；,高纬8-9km

16、中纬10-12km 低纬17-18km,223K,地 面,对流层：（1）夏季对流层的厚度大于冬季，层内对流旺盛，垂直混合强烈；（2）=0.65/100m ；（3）垂直温度廓线也存在着明显的纬度和季节的变化。热带对流层顶高比极地要高得多，冷得多 。温度随纬度增高而递减，但递减的梯度冬半球比夏半球陡，约为夏半球的两倍。,高纬8-9km 中纬10-12km 低纬17-18km,223K,地 面,对流层：（1）夏季对流层的厚度大于冬季，层内对流旺盛，垂直混合强烈；（2）=0.65/100m ；（3）垂直温度廓线也存在着明显的纬度和季节的变化。热带对流层顶高比极地要高得多，冷得多 。温度随纬度增高而递减

17、，但递减的梯度冬半球比夏半球陡，约为夏半球的两倍。,高纬8-9km 中纬10-12km 低纬17-18km,平流层：（1）0 ；（2）垂直混合显著减少 ；（3）水汽、尘埃少，透明度较高,50km,270290K,223K,地 面,对流层：（1）夏季对流层的厚度大于冬季，层内对流旺盛，垂直混合强烈；（2）=0.65/100m ；（3）垂直温度廓线也存在着明显的纬度和季节的变化。热带对流层顶高比极地要高得多，冷得多 。温度随纬度增高而递减，但递减的梯度冬半球比夏半球陡，约为夏半球的两倍。,高纬8-9km 中纬10-12km 低纬17-18km,平流层：（1）0 ；（2）垂直混合显著减少 ；（3）水

18、汽、尘埃少，透明度较高,中层：（1）0 且值大；（2）垂直混合强烈 ；（3）水汽极少。,50km,85km,270290K,223K,173183K,地 面,对流层：（1）夏季对流层的厚度大于冬季，层内对流旺盛，垂直混合强烈；（2）=0.65/100m ；（3）垂直温度廓线也存在着明显的纬度和季节的变化。热带对流层顶高比极地要高得多，冷得多 。温度随纬度增高而递减，但递减的梯度冬半球比夏半球陡，约为夏半球的两倍。,高纬8-9km 中纬10-12km 低纬17-18km,平流层：（1）0 ；（2）垂直混合显著减少 ；（3）水汽、尘埃少，透明度较高,中层：（1）0 且值大；（2）垂直混合强烈 ；（

19、3）水汽极少。,热层：（1）0 ；（2）温度受紫外辐射影响，与太阳活动有关。,50km,85km,250-500km,270290K,223K,173183K,5002000K,地 面,对流层：（1）夏季对流层的厚度大于冬季，层内对流旺盛，垂直混合强烈；（2）=0.65/100m ；（3）垂直温度廓线也存在着明显的纬度和季节的变化。热带对流层顶高比极地要高得多，冷得多 。温度随纬度增高而递减，但递减的梯度冬半球比夏半球陡，约为夏半球的两倍。,高纬8-9km 中纬10-12km 低纬17-18km,平流层：（1）0 ；（2）垂直混合显著减少 ；（3）水汽、尘埃少，透明度较高,星际空间,中层：（1

20、）0 且值大；（2）垂直混合强烈 ；（3）水汽极少。,外层：（1）空气极度稀薄 ；（2）温度高且随高度很少变化，大气大部分处于电离状态。,热层：（1）0 ；（2）温度受紫外辐射影响，与太阳活动有关。,50km,85km,250-500km,270290K,223K,173183K,5002000K,6 复习题,1、大气按温度结构如何垂直分层，试给出每层上下限的高度。 2、什么是气温垂直递减率？试写出它的表达式，并分别指出当0 、 0和=0时，气温随高度的分布情况（在温度高度图上画出示意图）。若某地海平面上的气温是25 ，位于16公里高度处的对流层顶的气温是-65 ，求此对流层内的平均气温垂直递

21、减率。,第一章 大气概述,1 地球系统 2 地球大气的成分 3 大气的重要性 4 空气状态方程 5 主要气象要素 6 大气垂直结构 7 气压场分布特征,7 气压场分布特征,7.1 气压垂直分布：H，P 7.2 气压空间分布： 7.3 气压场的基本型式,7.2气压空间分布,1、等高面图 等高面：海拔高度相同的各点组成的曲面。 2、等压面图 等压面：指空间气压相等各点组成的曲面。,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。,1、等高面图,气压 hPa 亚洲 : 10月 11日 北京时间 08:00,1、等高面图,2、

22、等压面图,位势500hPagpdm亚洲:10月11日北京时08:00,2、等压面图,等压面,等压面图,2、等压面图,用高度间隔相等的若干等高面去截某等压面P，将所得截线即等高线都投影到水平面上，便得P等压面上的许多等高线。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。,注：这里的高度为位势高度,7 气压场分布特征,7.1 气压垂直分布：H，P 7.2 气压空间分布： 7.3 气压场的基本型式,7.3 气压场的基本型式,1、低空气压水平分布类型 低压，高压，槽，脊，鞍 2、高空气压系统,（2）高压(反气旋):中心气压比四周高的一至若干条

23、闭合等压线构成的气压系统，与高压对应的空间等压面向上凸起，形如山丘。,2、高空气压系统,7 复习题,1、简述气压场的基本型式。,本章小结（1）,地球系统，行星大气的特征，地球大气演化的三阶段及现代大气中氧的来源。 大气成分浓度的表示方法，干洁大气的定义、组成成分和分类，对天气或气候有重要影响的一些大气组分的源和作用，气溶胶的定义和按尺度的分类。 大气污染和主要的环境问题，天气与气候的概念及不同点并会判别，尼尔尼诺和拉尼娜的概念,本章小结（2）,各气象要素的定义及表示方法，湿度参量的计算。 从理想气体状态方程出发，对湿空气状态方程进行推导，引入虚温的概念及意义，及相关计算。 大气按成分结构、压力结构、电离结构和温度结构进行分层，气温垂直递减率的概念，大气按温度结构分层及各层的基本特征。 *等高面图（地面天气图）、等压面图（高空天气图）的定义，气压场的基本型式。,