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1、大气科学导论,何金海 智协飞 周顺武 卢楚翰南京信息工程大学大气科学学院大气科学系,课程内容,第一章 概 述第二章 大气的基本知识第三章 关于大气运动的基本规律第四章 气旋与反气旋第五章 关于气团和锋的介绍第六章 关于天气预报的基本方法和技术第七章 海气相互作用的产物厄尔尼诺第八章 气候变化,地球大气的演化,地球自从它形成以来，大约46亿年。其大气的演变可分为三个阶段：原生大气，次生大气、现代大气。原始大气的形成和星系的形成过程密切相关。原始大气出现约46亿年，比原始人类出现（几百万年）早3个数量级，比人类有文字记载的历史（数千年）早6个数量级。因此只能在现有的科学知识加上推理来研究大气演变。
2、科学家们从不同的角度提出了不同大气演化模式。,原生大气,原生大气的成分是以氢和少量的氦为主。但原生大气存在不太久（大约数千万年）。当太阳作为年青恒星经历喷发大量物质流的阶段，强大的太阳风把原始大气从地球上吹走，刮向茫茫太空。,次生大气,次生大气主要来自地球内部，由火山喷发产生。按现代火山喷发的成分，主要是水汽（79%）、二氧化碳（12%）、甲烷，还有一些氨和硫的化合物。次生大气中没有氧，即使有也不能保留。因为当时地面温度很高，地壳中有很多铁，氧将很快和铁反应形成氧化铁。,现代大气,现代大气的主要成份是N2、O2、H2O、CO2，O3等。其中，自由氧的出现是现代大气形成的重要标志。氧的出现与生命
3、的出现和演化有着重要关系。因此，氧气的起源成为人们最为关心的问题。,氧的起源,早期的大气中没有氧分子，氧元素存在于H2O和CO2中。氧可以通过两种可能机制而产生：一是通过光解反应从H2O和CO2分解而来；另一种是生物的光合作用。,第二章 大气科学的基本知识,第一节 大气的组成第二节 大气的基本物理性质第三节 大气的垂直结构,第一节 大气的组成,干洁大气（即干空气）Clean Air 水汽 Moisture 悬浮在大气中的固液态杂质 Impurity,地球大气由三个部分组成:,大气的成份主要是氮（N2，占78%)，氧（O2，占21%)。还有少量的 H2O，CO2，O3，CH4，N2O 以及惰性气
4、体Ar，He，Ke，.如果只考虑大气中数量最多的气体，N2,O2,那么这二种成分的比值一直到80公里还是不变的，称为均匀混合层。大气中变化最大的气体是H2O和O3。,大气的成分,低层大气的主要成分,一 干洁大气,干洁大气的定义：除去水汽及其他悬浮在大气中的固、液体质粒以外的整个混合气体。,干洁大气的成分变化：,090 km:主要成分和含量比例基本保持不变。,90km以上:氮稍有减少，氧稍有增多，氩和二氧化碳明显减少，其中氧分子和氮分子开始离解。,各种成分介绍：,氮气（N2)：,存在方式：以蛋白质的形式存在于有机体中。,作用：是有机体的基本组成部分，也是合成氮肥的基本原料。,氧气（O2）：,是人
5、类和动植物维持生命活动的极为重要的气体；积极参加大气中的许多化学过程；对有机物质的燃烧、腐败和分解起着重要的作用。,臭氧（O3）：,时空变化：,时间变化：最大值出现在春季，最小值出现在夏季。,空间变化：,水平：由赤道向两极增加。,垂直：,5560km，含量极少。2025km，达最大值，形成臭氧层；1215km以上，含量增加特别显著；从10km向上，逐渐增加；近地面，含量很少；,大气中的可变化成分O3,主要存在于大气平流层，可以吸收太阳的紫外辐射，对地面生命有保护作用。对流层臭氧对人体有害。平流层臭氧的形成是太阳紫外辐射造成的氧分子分解成氧原子，氧原子与氧分子反应生成臭氧。,这幅图显示的是臭氧洞
6、。1986年，南极的臭氧量仅是30年前的一半。1988年，曾发现北半球上空臭氧层已比20年前要薄3%。这种变化足以使皮肤癌的病例增加。,臭氧能够吸收紫外线，减少生物直接遭受紫外线的照射，陆地上的生物便能在此一保护伞下，顺利的生长与繁殖。,臭氧的作用：,对紫外线有着极其重要的调控制作用。,对高层大气有明显的增温作用。,二氧化碳（CO2）：,来源：生物的呼吸、化石燃料的燃烧、有机物质的燃烧和分解、火山喷发作用等。时空变化：时间变化：a)白天、晴天、夏季时的浓度小于黑夜、阴天、冬季。b)工业革命前小于工业革命后。空间变化：水平：城市大于农村,垂直：020km，含量最高；20km以上，含量显著减少。,
7、大气中的可变化成分CO2,占大气总质量的0.037%。通过动植物呼吸，有机物腐朽分解、火山喷发、化石燃料燃烧进入大气。它的消耗是植物光合作用以及与地表的岩石发生化学反应。CaSiO3+CO2 CaCO3+SiO2；CO2+H2O+CH2O+O2在大气中的停留时间大约是15 year。,CO2的作用：,绿色植物进行光合作用不可缺少的原料。,强烈吸收长波辐射（地面辐射、大气辐射），使地面保持较高的温度，产生“温室效应”。,温室效应模式图,Greenhouse effect,二、水汽 Moisture,来源：,主要来自江、河、湖、海、潮湿陆面的水分蒸发以及植物表面的蒸腾。,大气中的可变化成分水汽,占
8、大气总质量的0.25%，浓度随高度迅速减少，主要存在于近地面3公里以下的层次，水汽在大气中的平均停留时间为10天。,水汽在大气中的平均停留时间,如上图所示，大气中的水量是13个单位，每年全球的降水量是423个单位。,时间：夏季多于冬季,空间：一般低纬多于高纬，下层多于上层。,时空变化：,在天气气候变化中扮演了重要角色。能强烈吸收地面放射的长波辐射并向地面和周围大气放出长波辐射，对大气起着“温室效应”。,作用：,水汽,在大气中悬浮着的各种固体和液体微粒（包括气溶胶粒子和大气污染物质两大部分）。,三、大气中的杂质 Impurity,气溶胶粒子：Aerosol,定义：大气中沉降速率极小、尺度在10-
9、4m到100m 之间的固态和液态微粒。分类：液体质粒、固体质粒 固体质粒的来源：有机质数量较少，大多为植物花粉、微生物和细菌等；无机质数量较多，主要来源于：尘粒、烟粒、海洋中浪花飞溅的盐粒，流星飞逝后留下的灰烬，火山尘埃等。,显微镜下的气溶胶颗粒图像,大气中的可变化成分气溶胶,液态或固态微粒在空气中的悬浮体系。它们能作为水滴和冰晶的凝结核,太阳辐射的吸收体和散射体,并参与各种化学循环,是大气的重要组成部分。其来源包括：1.被风扬起的细沙和微尘;2.海水溅沫蒸发而成的颗粒;3.火山喷发;4.森林或其它生物体燃烧的烟尘;5.人类燃烧矿物燃料排放的烟尘;6.矿物燃料燃烧过程中排放的SO2在大气中氧化
10、后形成的硫酸盐粒子;7.燃烧石油和天然气等排放的NOx，CO,CH等在大气中经过光化学反应形成的硝酸盐粒子;8.其它大气化学过程形成的气溶胶粒子气溶胶散射降低太阳辐射，导致地面变冷,吸收太阳辐射，使空气温度增高，但也削弱了到达地面的太阳辐射；缓冲地面辐射冷却，部分补偿地面因长波有效辐射而失去的热量；降低大气透明度，影响大气能见度；充当水汽凝结核，对云、雾及降水的形成有重要意义。,气溶胶的作用,大气中的污染物质：Pollutant,定义：,由于人类活动或自然过程，使局部、甚至全球范围的大气成分发生对生物界有害的变化。,分布：,空间,垂直：主要集中在3km以下的低层大气中。,水平：城市多，农村少；
11、陆地多，海洋少；,时间：冬季多，夏季少；清晨和夜间多，午后少。,火山爆发、风吹扬沙和沙尘暴、雷击森林失火等。,来源：,自然过程形成,人为过程造成,工业和交通上煤炭、石油、天然气的使用，农业上化肥、农药的喷施，生活上制冷采暖的排放与泄漏等。,二次污染物：,分类：,一次污染物：,直接从污染源排出来的物质。,进入大气的一次污染物互相作用或与大气正常组分发生化学反应，以及在太阳辐射线的参与下引起光化学反应而产生的新的污染物。,32,危害,大气成分的性质,人类活动对大气成分的影响,从上面的讨论我们可以看到，地球大气势在不断演变的。工业革命（1860年）之前的演变可以认为是自然变化。工业革命之后，人类对大
12、气或环境的改变影响在加大，而且，这种影响是达到了无法忽略的程度。,人类活动对以下大气成分的改变影响显著,化石燃料和生物体的燃烧导致大气中CO2含量升高，煤的燃烧导致SO2含量升高。汽车等的大量使用导致大气中废气增加和气溶胶含量增加。人工固氮导致大气中氮的减少。人工制造的制冷剂CFCs的泄漏导致大气中CFCs含量增加，CFCs在大气平流层分解后产生的氯造成平流层O3减少。CO2等温室气体的增加导致气候变暖，温度升高后大气中水汽含量增加。,CO2含量的增加,甲烷（CH4）的增加,最近1000年的温度变化（最近150年温度升高很快）,最近130年的温度变化（最近30年温度升高很快）,自上个世纪70年
13、代末，平流层臭氧急剧减少,右图：南极臭氧洞在加强左图：在2000年臭氧洞的面积是有记录以来最大的一次，已经延伸到了南美大陆,第二节 大气的基本物理性质,在气象学上，大气的物理性状主要以气象要素和空气状态方程来表征。一、主要气象要素气象要素是指表示大气属性和大气现象的物理量，如气温、气压、湿度、风向、风速、云量、降水量、能见度等等。,气温,气压,湿度,降水,风,云量,能见度,主要气象要素,1、定义：表示大气冷热程度的物理量，反映一定条件下空气分子平均动能大小。通常指距地面1.5m高处百叶箱中的空气温度。2、单位：摄氏度（）温标；绝对温标，以K表示；华氏温标：，水的沸点为2123、单位换算：,一、
14、气温（Temperature）,百叶箱的设置条件：1.全为白色2.四周全为百叶 3.离地面1.5m4.窗扇向北（因为太阳东升西落，以避免开窗时温度计受到阳光直接照射，使得温度计的读数失真）,1、定义：单位面积上所承受到的整个空气柱的质量大气的压强。实质：气压的大小决定于整个空气柱质量的多少。2、标准大气压：在纬度为45的海平面上，温度为0时，所测得的水银柱高高为760mm的大气压强，为一个标准大气压（1atm1013.25Pa）。3、单位：1Pa=1N/m2，mb毫巴，Pa帕斯卡 1mb=100Pa=1hPa（百帕）；1atm101325Pa1013.25mb=760mmHg,二、气压（Pre
15、ssure）,水银气压计,气压的垂直分布 由于大气层的厚度随高度的增高而变薄，空气密度也随高度增高而迅速减小，所以，气压随高度增高而急剧减小。,1、定义：表示大气中水汽量多少的物理量称大气湿度。意义：大气湿度状况直接影响了云、雾、降水等天气现象的形成。,三、湿度（Humidity）,水汽压(e)及饱和水汽压(E),相对温度（f）,饱和差（d）,比湿（q）,水汽混合比（）,露点（Td）,湿度表示方法,水汽压（e）：水汽和其它气体一样也有压力，大气中水汽产生的那一部分压力。水汽含量，水汽压e。单位：hPa,水汽压及饱和水汽压,饱和水汽压（E）：温度一定，单位体积空气中的水汽含量是有一定限度，空气达
16、到此限度时为饱和湿空气，饱和湿空气中的水汽所产生的那部分压力，即最大水汽压。,饱和水汽压（E）saturation vapour pressure,反映空气的最大水汽容纳能力饱和水汽压取决于温度（马格奴斯半经验公式）,定义：饱和湿空气中水汽的分压强。,影响因子：,温度 T E,饱和差,饱和差（d）：在一定温度下，饱和水汽压（E）与实际空气水汽压（e）之差称饱和差（d）。即：d=E-e,意义：饱和差（d）表示实际空气距离饱和的程度。d越大，越不饱和；d=0，空气达饱和状态；d 0，说明不饱和；d0，过饱和。,饱和差（d）saturation deficit,定义：同一温度下饱和水汽压与实际水汽压
17、之差。,d=E-e，反映空气的潮湿程度。,影响因子：,温度不变，E不变：水汽含量 e d水汽含量不变，e不变：温度 E d,温度、水汽含量,相对湿度,相对湿度（f）：表示空气中的实有水汽压（e）与同温度下饱和水气压（E）的百分比。即：f=e/E 100%,意义：相对湿度（f）直接反映了空气距离饱和的程度。f 越大，越接近饱和，当达到f=100%时，空气就达饱和状态，此时水汽就要开始凝结。,相对湿度（f）relative humidity,定义：,空气的实际水汽压与同温度下的饱和水汽压的百分比值。,含义：反映空气的潮湿程度,温度不变，E不变：水汽含量，e，f水汽含量不变，e不变：温度，E，f,比
18、湿和水汽混合比,比湿（q）：在一团湿空气中，水汽的质量与该团空气总质量（水汽质量加上干空气质量）的比值，称比湿。即：q=m水/(m干+m水)，其单位是g/g。,水汽混合比（S）：相对湿一团湿空气中，水汽质量与干空气质量的比值称水汽混合比。S=m水/m干，其单位是g/g。,比湿（q）、混合比（S）、绝对湿度（a）,比湿(Specific humidity,q)：湿空气中水汽的质量与湿空气总质量的比值。,混合比(Mixing ratio,S)：湿空气中水汽的质量与湿空气中干空气质量的比值。,绝对湿度（水汽密度,Absolute humidity,a)：单位体积湿空气中水汽的质量。,露点,露点（Td
19、）：在空气中水汽含量不变，气压一定下，使空气冷却达到饱和时的温度，称为露点温度，简称露点。,含义：气压一定时，露点的高低只与空气中的水汽含量有关，水汽含量越多，露点越高，所以露点也是反映空气中水汽含量多少的物理量。在实际大气中，空气常处于不饱和状态，此时露点要比气温低，即露点温度差（Td-T）0。当Td=T时，空气饱和；当Td-T0时，空气不饱和；当Td-T0，空气过饱和。,露点温度(Td)dew-point temperature,定义：对于含有水汽的湿空气，在不改变气压和水汽含量的情况下，降低温度而使空气达到饱和状态时的温度。,反映空气中水汽含量的多少，水汽含量 露点温度Td,上述各种表示
20、湿度的物理量：水汽压、比湿、水汽混合比、露点基本上表示空气中水汽含量的多寡。而相对湿度、饱和差、温度露点差则表示空气距离饱和的程度。,各种表示湿度的物理量小结,四、降水(Precipitation),含义：降水是指从天空降落到地面的液态或固态水，包括雨、毛毛雨、雪、雨夹雪、霰、冰粒和冰雹等。降水量指降水落至地面后（固态降水则需经融化后），未经蒸发、渗透、流失而在水平面上积聚的深度，降水量以毫米（mm）为单位。在高纬度地区冬季降雪多，还需测量雪深（从积雪表面到地面的垂直深度，cm）和雪压。（单位面积上的积雪重量，g/cm2）。降水量是表征某地气候干湿状态的重要要素，雪深和雪压还反映当地的寒冷程度
21、。,五、风(Wind),定义：空气的水平运动称为风。风是一个表示气流运动的物理量。它不仅有数值的大小（风速），还具有方向（风向）。因此风是向量（矢量）。风向是指风的来向。地面风向用16 方位表示；在16 方位中，每相邻方位间的角差为22.5。,风标和风速计：左边是杯型风速计，右边是螺旋桨风向风速计，可同时测量风向和风速。,地面风向表示方法,五、风,高空风向常用方位度数表示；即以0(或360)表示正北，90表示正东，180表示正南，270表示正西。风速单位常用m/s、knot（海里/小时，又称“节”）和km/h 表示，其换算关系如下:1m/s=3.6km/h；1knot=1.852km/h1km
22、/h=0.28m/s；1knot=1/2m/s。,在地面天气图上，用下列图示来表示风，风尾长划风速为4米/秒，即风力为2级，短划风速为2米/秒。一个风旗，表示风力为8级。风尾和风旗均放在风杆的左侧。,西南风5级,东南风12级,天气图上风的表示方法,0级静风，风平浪静，烟往上冲。1级软风，烟示方向，斜指天空。2级轻风，人有感觉，树叶微动。3级微风，树叶摇动，旗展风中。4级和风，灰尘四起，纸片风送。5级清风，塘水起波，小树摇动。6级强风，举伞困难，电线嗡嗡。7级疾风，迎风难行，大树鞠躬。8级大风，折断树枝，江湖浪猛。9级烈风，屋顶受损，吹毁烟囱。,风力等级：,英国蒲福,六、云量(cloud amo
23、unt),云是悬浮在大气中的小水滴、冰晶微粒或二者混合物的可见聚合群体，底部不接触地面（如接触地面则为雾），且具有一定的厚度。云量是指云遮蔽天空视野的成数。将地平以上全部天空划分为10份，为云所遮蔽的份数即为云量。例如，碧空无云，云量为0，天空一半为云所覆盖，则云量为5。,高云（5000m以上）,中云（2500-5000m）,低云（2500m以下）,七、能见度（Visibility）,能见度指视力正常的人在当时天气条件下，能够从天空背景中看到和辨出目标物的最大水平距离。单位用米（m）或千米（km）表示。,空气状态方程,对一定质量的空气，其P、V、T之间存在函数关系。例如，一小团空气从地面上升时
24、，随着高度的增大，其受到的压力减小，随之发生体积膨胀增大，因膨胀时做功，消耗了内能，气温乃降低。这说明该过程中一个量变化了，其余的量也要随着变化，亦即空气状态发生了变化。如果三个量都不变，就称空气处于一定的状态中，因此，研究这些量的关系就可以得到空气状态变化的基本规律。,空气状态常用密度（）、体积（V）、压强（P）、温度（T）表示。,气象上常用的状态方程为：P=RT其中P为压强，为空气密度，R为比气体常数，T为空气的温度。对于一团干空气而言，Rd即干空气的比气体常数为Rd=0.287J/g.k。,状态方程式,湿空气的状态方程为：P=RdT（1+0.3e/p）P为湿空气压，e为水汽压。,从太空看
25、大气层,大气的密度和气压,在重力的作用下，大气分子主要集中在近地面，大气密度和气压随高度呈指数递减90%的大气质量或分子位于10公里以下标准大气压：76cm Hg=1013.25mb=1013.25hPa,第三节 大气圈的垂直结构,观测证明，大气在垂直方向上的物理性质是有显著差异的。根据温度、成分、电荷等物理性质，同时考虑到大气的垂直运动等情况，可将大气分为五层。大气科学研究重点：对流层，平流层,对流层（Troposphere,自地面到10km左右）,对流层的主要特点：,对流层是大气的最下层，它的下界为地面，集中3/4大气，90%水汽，云、雾、雨雪等主要大气现象都出现在此层，也是对人类生产、生
26、活影响最大的一个层次，也是大气科学研究的重点层次。,气温随着高度而降低，每升高100m平均降温0.65空气具有强烈的对流、乱流运动，大气污染主要发生在该层温度和湿度等气象要素水平分布不均匀,在对流层的最下层称为行星边界层或摩擦层。其范围一般是自地面到11.5km高度。在这层里大气受地面摩擦和热力的影响最大，湍流交换作用强，水汽和微尘含量较多，各种气象要素都有明显的日变化。行星边界层以上的大气层称为自由大气。在自由大气中，地球表面的摩擦作用可以忽略不计。在对流层的最上层，介于对流层和平流层之间，还有一个厚度为数百米到12km的过渡层，称为对流层顶。这一层的主要特征是：气温随高度的增加突然降低缓慢
27、，或者几乎不变，成为上下等温。,对流层(troposphere),平流层(stratosphere),对流层顶(tropopause),平流层顶(stratopause),大气边界层对流层下层11.5km，地面阻滞和摩擦 作用明显近地层地面以上50100m，上下气温之差可达12 自由大气大气边界层以上，地面摩擦可以忽略对流层顶介于对流层和平流层之间的过渡层,对流层,温度随高度升高而增加平流层这种气温分布特征是和它受地面温度影响很小，特别是存在着大量臭氧能够直接吸收太阳辐射有关。虽然30km以上臭氧的含量已逐渐减少，但这里紫外线辐射很强烈，故温度随高度增加得以迅速增高，造成显著的暖层。,平流层（
28、Stratosphere,自对流层顶到55km）,在25km高度上，有一个臭氧含量相对较高的层次，为臭氧层。由此向上、向下臭氧逐渐减少。,大部分的臭氧分布在地球表面上空10到50km处（平流层中）。其中距地表25km附近高空臭氧的浓度最大，称为臭氧层。,没有强烈的对流运动平流层内气流比较平稳，空气的垂直混合作用显著减弱，不利于空气对流运动发展。所以叫平流层。水汽、尘埃含量很少平流层中水汽含量极少，大多数时间天空是晴朗的。但有时在20-30km处可看到贝母云，它常出现在冬季极区。平流层中的微尘远较对流层中少，但是当火山猛烈爆发时，火山尘可到达平流层，影响能见度和气温。,平流层,火山灰进入大气层引
29、起全球气温下降“阳伞效应”（1991年皮纳图博火山年喷发时的火山灰高达40km）,气温随高度增加而迅速下降顶界温度可降至-83-113，几乎成为大气层中的最低温。其原因是这里没有臭氧吸收太阳紫外辐射，而氮和氧等气体所能吸收的波长更短的太阳辐射又大部分被更上层的大气吸收了。因此，此层的气温随高度是递减的。有相当强烈的垂直运动这种下暖上凉的气温垂直分布，有利于导致空气的垂直运动，又称“高空对流层”。,中间层（Mesosphere,平流层顶到85km）,水汽含量很少，又称为电离层 中间层内水汽含量更极少，几乎没有云层出现；在中间层的6090km高度上，有一个只有白天才出现的电离层，叫做D 层。,中间
30、层,温度随高度增加迅速上升 其增温程度与太阳活动有关，当太阳活动加强时，温度随高度增加很快升高。据探测在300km高度上，气温可达1000以上。空气处于高度电离状态 由于空气密度极少，暖层中的N2、O2、O等气体成分在强烈的太阳紫外线和宇宙射线的作用下，处于高度电离状态。又可称为电离层，正是由于高层大气电离层的存在，它们都能反射无线电波，对无线电通讯具有重要意义。,暖层（Thermosphere,从中间层顶到800km）,散逸层(外层)（800km高度以上的大气层）,整个大气层的最外一层，又称外层，是大气圈与星际空间的过渡地带，没有明显的边界。这一层中气温随高度增加很少变化。由于温度高，空气粒子运动速度很大，又因距地心较远，地心引力较小，所以这一层的主要特点是大气粒子经常散逸至星际空间，散逸层也由此而得名。本层是大气圈与星际空间的过渡地带。,思考题,一、基本概念：气象要素；饱和水气压；相对湿度；露点；一个大气压；能见度；臭氧层二、基本问题：1、大气的垂直结构2、对流层的主要特征3、飞机一般在什么高空中飞行？,
