02-2大气物理课件,

5、外层（~大气上界）
1）随高度升高气温增加不显著
2）大气成分可以散逸到星际空间。
（二）按电磁特性划分
地壳和大气中的放射性物质主要对低层大 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 用较强。因此，大气中离子浓度低层低，高层 高，据此分为
中性层（60km以下) 电离层（60km-- 500km（1000km）以上）
Pd d RdT ——（4） e v RvT 6） （
把（5）代入上式（6），有
e v 1.608RdT 7） （
（4）+（7）得
Pd e ( d 1.608v )RdT
即
P ( 0.608v ) RdT
v 1 0.608 ) Rd T ——（8） （
则（11）式化为
p RmT ——（ ） 12
若令
e Tv T 1 0.378 ) （ P
则（11）式化为
p RdTv ——（ ） 13
（11）~（13）为湿空气状态方程的三种形式
，其中最常用的为公式（13）
2、虚温
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 Rd ，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 参量。定义式为
nv
mv
Mv
, nd
md
Md
, 分别为水汽和干空气的摩尔数
M v是水汽的摩尔质量18g / mol， M d是干空气的摩尔质量28.96g / mol
则水汽的分压强应为： 其中P是空气总压强，令 则水汽摩尔分数可写为：
nv v mv nd nv mv Mv Mv m d
m 上下同÷ d
冰面亦同
6）露点 td、霜点
t
f
湿空气在水汽含量不变的情况下，等 压降温至相对于纯水平面达饱和时的温度， 称为露点； 此时：
e es (td )
等压降温至相对于纯冰平面达饱和时的温度称为霜点。
此时：
e esi (t f )
该过程q、r、e均不变
四、风 1、风的概念
1）空气相对运动形成风
大气科学中的风以地面为参照 物，分水平风、垂直风 2）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、 方向大小法
也可用公式计算得到计算公式见p21 公式(2.2.9a、2.2.9b)
5）相对湿度Uw:
一定温度和压强下,水汽和饱和水汽的摩尔分 数之比称为水面的相对湿度
v pv e r q Uw ( ) p ,T ( ) p ,T [ ] p ,T vs p vs es (T ) rs qs
（7）/（8），得
e v 1.608 ——（9） P 1 0.608 v

考虑到
v 1 ﹤
（9）式近似为 v e 1 ——（ ） 10 P 1.608
把（10）代入（8），有
e P 1 0.608 （ ) Rd T 1.608 P e 1 0.378 ) Rd T ——（ ） （ 11 P e 若令 Rm Rd 1 0.378 ) （ P
水平分布很不均匀
2、平流层（12km~55km)
1)、25km以下温度递减率接近零，25km以上温度 随高度明显增加（臭氧层吸收紫外辐射）
2)、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，能见度极好 4）、大气污染物进入平流层后能长期存在 5）、贝母云出现在该层.
3、中层（50~85 km)
（6）/（11），有
Rv v Rv mv e v 1 1.608 p 1 0.378 e Rd Rd m p
1.608 q
即
e q 0.622 p
（ ） 16
总结
理想气体状态方程
干空气状态方程
m PV RT M
Pd d RdT
e p 1 0.378 ) Rd T （ P
二、气压
1、定义：大气压力 2、单位：国际单位 帕（Pa) 气象上常用 百帕（hPa） 标准大气压 3、测量： =1013.25 hPa
三、空气湿度（P19）
1、空气湿度：表示空气中水汽含量多少或 潮湿程度的物理量。
湿空气：水汽和干空气的混合气体
设一定体积（V）空气中含的水汽 质量为mv克，干空气质量md ，则 水汽+干空气 可以定义以下湿度参量： 混合比r 、比湿q 湿空气
e
P
5）纯水汽的饱和水汽压
指一定温度下纯水汽与水（冰）处于相 态平衡时的水汽压，用es （ esi ）表示。 由水汽和平面纯水（或 纯水）组成的系统，在某温 度下达到两相平衡时，即达 到饱和状态。
相对于纯水(冰）平面的饱和水汽压 es ( esi）， 仅是温度的函数，随温度升高而增大 可查表得到（P20 表2.5）
e v P
M v M d 0.622
Md
，得
Md
r r v r 0.622 r
因此，水汽压e可写为
e v P r r p p r 0.622 r
也可变换为 r q
e
pe
e
p 0.378e
由于大气中通常e<60hPa,所以有时可简写成r q
i
m 并令平均摩尔质量 M n
m mi M i
，则有
m V P R T ——（3） M
90km以下，
M 28.966 g / mol
令
R 8.31 1 1 Rd 287 J kg K 3 M 28.966 10
Rd称为干空气比气体常数
*
（3）式可化为
第三章 大气的垂直结构和状态方程
分层标准： （1）按温度随高度的变化对流层、平流层、
中层、热层、外层
（2）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：
均匀层、非均匀层
（3）按不同高度大气的电磁特性分电离层和磁层
（4）按O3浓度分：
臭氧层（10~50km)
非臭氧层 （5）按大气的压力结构分为气压层和逸散层 （外大气层）
（一）按温度随高度的变化
分为对流层、平流层、中层、热层、外层
大气上界： 物理现象上界为 1200km( 极光出现高 度）； 大气密度上界为2000~3000km ( 接近 于星际气体密度1个/cm3的高度）
1、对流层（12km以下）

在赤道地区对流层顶的高度约18千米，中纬度地区 约12千米，极地地区约8千米。夏季的对流层厚度大 于冬季。
空气状态方程
实验室中的试验证明，任何一种物质 的压强、体积和温度，能用一个状态方程 把它们联系起来。 分子本身的体积和分子间的作用力都 可以忽略不计的气体，称为是理想气体。
m 1、PV nR T RT M

R﹡ 是摩尔气体常数，对任意理想气体而言， R是一定的，约为8.314J/(mol· K）。
（ ） 11
湿空气状态方程 （三种形式）
p RmT
p RdTv
（ ） 12
（ ） 13
虚温
e Tv T 1 0.378 ) T (1 0.608q) （ P
习题课
P29 第3、4题
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：
1)、温度随高度的增加而降低，平均气温 递减率Γ为6.5℃/km 定义 气温递减率Γ：高度每升高单位高
度气温降低的度数。
T z
2)、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 4)、云雾降水均发生在此层 5)、受地表影响最强烈，空气属性的
e Tv T 1 0.378 ) （ P 则 湿空气状态方程可写为： p Rd Tv
四、常用的湿度参量间关系
1 r与e 、
一块体积为V 、温度为T的湿空气中， 水汽和干空气状态方程分别为
e v RvT 6） （ P e d RdT ——（14）
（6）/（14），得
1）该层吸收太阳辐射少，温度随高度 增加而下降
2）温度结构有利于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 3）高纬地区该层出现夜光云
伊朗撒巴兰火山上空出现的夜光云
4、热层（~550km)
1)、吸收太阳紫外辐射，温度随高度增 加而上升，可达1000~2000K
2) 大气稀薄，高度电离 3）带电粒子运动受地球磁场的作用明显。 4）高纬地区该层有极光出现
Pd d RdT ——（4）
2、比气体常数
R 1 1 Rd 287 J kg K M
*
R 8.31 1 1 Rv 461J kg K 3 M v 18 10
*
Rv
Rd
1.608 5） （
三、湿空气状态方程
1、方程推导
干空气和水汽状态方程分别为
二 、主要气象要素
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 一、气温
1、定义：表示空气冷热程度的物理量
2、温标
绝对温标/开氏 温标
摄氏温标
单位 常用符号 ℃ t
华氏温标
°F F
K T
百度文库
关系：
T t 273.15
9 F t 32 5
3、观测 地面气温指离地1.5m（我国）高处百叶 箱里的气温
1）水汽混合比r
r
2)比湿 q
mv
md
单位：kg/kg或g/g
q
mv
(mv md )
单位：kg/kg或g/g
r q于r的关系： q 1 r
3) 绝对湿度（水汽密度)
v
v
mv
V
单位：kg/m3
V为湿空气体积 4）水汽压e：湿空气中水汽的分压强。单位 为hPa nv 假设湿空气中的水汽的摩尔分数为： v nd nv
2、风向
1）指风的来向
2）表示方法：用16个地理方位
用方位角
3、风速
表示方法 1）单位时间里空气所经过的距离。 单位： m/s、mile/h
2) 风级
例如，热带气旋用风级划分为： 热带低压(中心附近最大风力6—7级) 热带风暴(8—9级) 强热带风暴(10—11级) 台风(≥12级)。
第五节
磁层（500km~1000km以上）
电离层（60km-- 500km（1000km））:
在太阳电磁辐射和微粒辐射作用下 空气分子和原 子（N2,O2,O等）电离为正离子和自由电子，产生 磁场和电场
* 太阳活动对电离层有很大影响，影响 中短波的无 线电通信
磁层（500km以上）:
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，带电粒子的运动主要受地磁场 控制 * 磁层和辐射带保护生物免受太阳风风和宇宙射线 的影响
二、干空气状态方程
1、方程推导
设体积为V、温度为T的干空气中，含有 n 种气体成分，其中第i种 成分的状态方程为：
mi PV R T , i 1, n ——（） 1 i Mi
对以上n个式子求和，有
mi V P R T ——（2） i Mi

考虑到
P P mi m
v Rv mv e 1.608 1.608r p e d Rd md
即 e r 0.622 pe （15）
2、q和e
一块体积为V 、温度为T的湿空气中， 水汽和湿空气状态方程分别为
e v RvT 6） （
e p 1 0.378 ) Rd T ——（ ） （ 11 P