大氣的物理性狀

1、有關(guān)大氣的物理性狀在氣象學(xué)上，大氣的物理性狀主要以氣象要素和空氣狀態(tài)方程來(lái)表征。一、主要?dú)庀笠貧庀笠厥侵副硎敬髿鈱傩院痛髿猬F(xiàn)象的物理量，如氣溫、氣壓、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、云量、降水量、能見(jiàn)度等等。（一）氣溫在一定的容積內(nèi)，一定質(zhì)量的空氣，其溫度的高低只與氣體分子運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能有關(guān)。即這一動(dòng)能與絕對(duì)溫度T成正比。因此，空氣冷熱的程度，實(shí)質(zhì)上是空氣分子平均動(dòng)能的表現(xiàn)。當(dāng)空氣獲得熱量時(shí)，其分子運(yùn)動(dòng)的平均速度增大，平均動(dòng)能增加，氣溫也就升高。反之當(dāng)空氣失去熱量時(shí)，其分子運(yùn)動(dòng)平均速度減小，平均動(dòng)能隨之減少，氣溫也就降低。氣溫的單位：目前我國(guó)規(guī)定用攝氏度（°C）溫標(biāo)，以氣壓為1013.3hPa

2、時(shí)純水的冰點(diǎn)為零度（0°C），沸點(diǎn)為100度（100°C）。理論研究常用絕對(duì)溫標(biāo)以K表示，這種溫標(biāo)中1度的間隔和攝氏度相同，但其零度稱為“絕對(duì)零度”，規(guī)定為等于攝氏-273.15°C。因此水的冰點(diǎn)為273.15K，沸點(diǎn)為373.15K。兩種溫標(biāo)之間的換算關(guān)系如下：大氣中的溫度一般以百葉箱中干球溫度為代表。（二）氣壓氣壓指大氣的壓強(qiáng)。它是空氣的分子運(yùn)動(dòng)與地球重力場(chǎng)綜合作用的結(jié)果。若以P代表氣壓，F(xiàn)代表面積A上所承受的力，則：若M為任何面積A上的大氣質(zhì)量，在地球重力場(chǎng)中，g為重力加速度，則這個(gè)面積A上大氣柱的重力和該面上所承受的壓力為：即靜止大氣中任意高度上的氣壓值等

3、于其單位面積上所承受的大氣柱的重量。當(dāng)空氣有垂直加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣壓值與單位面積上承受的大氣柱重量就有一定的差值，但在一般情況下，空氣的垂直運(yùn)動(dòng)加速度是很小的，這種差別可以忽略不計(jì)。一般情況下氣壓值是用水銀氣壓表測(cè)量的。設(shè)水銀柱的高度為h，水銀密度為，水銀柱截面積為S，則水銀柱的重量W=gh·S。由于水銀柱底面積的壓強(qiáng)和外界大氣壓強(qiáng)是一致的，從而所測(cè)大氣壓強(qiáng)為：1（hPa）等于1（cm2）面積上受到10-2（N）壓力時(shí)的壓強(qiáng)值，即： 當(dāng)選定溫度為0°C，緯度為45°的海平面作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，海平面氣壓為1013.25hPa，相當(dāng)于760mm的水銀柱高度，曾經(jīng)稱此壓強(qiáng)為1個(gè)大

4、氣壓。（三）濕度 表示大氣中水汽量多少的物理量稱大氣濕度。大氣濕度狀況與云、霧、降水等關(guān)系密切。大氣濕度常用下述物理量表示： 1. 水汽壓e、飽和水汽壓E 大氣壓力是大氣中各種氣體壓力的總和。水汽和其它氣體一樣，也有壓力。大氣中的水汽所產(chǎn)生的那部分壓力稱水汽壓（e）。它的單位和氣壓一樣，也用hPa表示。 在溫度一定情況下，單位體積空氣中的水汽量有一定限度，如果水汽含量達(dá)到此限度，空氣就呈飽和狀態(tài)，這時(shí)的空氣稱飽和空氣。飽和空氣的水汽壓（E）稱飽和水汽壓，也叫最大水汽壓，因?yàn)槌^(guò)這個(gè)限度，水汽就要開(kāi)始凝結(jié)。實(shí)驗(yàn)和理論都可證明，飽和水汽壓隨溫度的升高而增大。在不同的溫度條件下，飽和水汽壓的數(shù)值是不

5、同的。 2. 相對(duì)濕度f(wàn) 相對(duì)濕度（f）就是空氣中的實(shí)際水汽壓（e）與同溫度下的飽和水汽壓（E）的比值（用百分?jǐn)?shù)表示），即： 相對(duì)濕度直接反映空氣距離飽和的程度。當(dāng)其接近100時(shí)，表明當(dāng)時(shí)空氣接近于飽和。當(dāng)水汽壓不變時(shí)，氣溫升高，飽和水汽壓增大，相對(duì)濕度會(huì)減小。 3. 飽和差d 在一定溫度下，飽和水汽壓與實(shí)際空氣中水汽壓之差稱飽和差（d）。即d=E-e，d表示實(shí)際空氣距離飽和的程度。在研究水面蒸發(fā)時(shí)常用到d，它能反映水分子的蒸發(fā)能力。 4. 比濕q在一團(tuán)濕空氣中，水汽質(zhì)量mw與該團(tuán)空氣總質(zhì)量（水汽質(zhì)量mw+干空氣質(zhì)量md）的比值稱比濕（q、其單位是g/g），即表示每一克濕空氣中含有多少克的水汽

6、：據(jù)上式和氣體狀態(tài)方程可導(dǎo)出： 對(duì)于某一團(tuán)空氣而言，只要其中水汽質(zhì)量和干空氣質(zhì)量保持不變，不論發(fā)生膨脹或壓縮，體積如何變化，其比濕都保持不變。因此在討論空氣的垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)，通常用比濕來(lái)表示空氣的濕度。 5. 水汽混合比一團(tuán)濕空氣中，水汽質(zhì)量mw與干空氣質(zhì)量md的比值稱水汽混合比（、g/g）：據(jù)上式和氣體狀態(tài)方程可導(dǎo)出： 6. 露點(diǎn)Td在空氣中水汽含量不變，氣壓一定下，使空氣冷卻達(dá)到飽和時(shí)的溫度，稱露點(diǎn)溫度，簡(jiǎn)稱露點(diǎn)（Td）。其單位與氣溫相同。在氣壓一定時(shí)，露點(diǎn)的高低只與空氣中的水汽含量有關(guān)，水汽含量愈多，露點(diǎn)愈高，所以露點(diǎn)也是反映空氣中水汽含量的物理量。在實(shí)際大氣中，空氣經(jīng)常處于未飽和狀態(tài)，露點(diǎn)

7、溫度常比氣溫低（TdT）。因此，根據(jù)T和Td的差值，可以大致判斷空氣距離飽和的程度。 上述各種表示濕度的物理量：水汽壓、比濕、水汽混合比、露點(diǎn)基本上表示空氣中水汽含量的多寡。而相對(duì)濕度、飽和差、溫度露點(diǎn)差則表示空氣距離飽和的程度。（四）降水 降水是指從天空降落到地面的液態(tài)或固態(tài)水，包括雨、毛毛雨、雪、雨夾雪、霰、冰粒和冰雹等。降水量指降水落至地面后（固態(tài)降水則需經(jīng)融化后），未經(jīng)蒸發(fā)、滲透、流失而在水平面上積聚的深度，降水量以毫米（mm）為單位。在高緯度地區(qū)冬季降雪多，還需測(cè)量雪深和雪壓。雪深是從積雪表面到地面的垂直深度，以厘米為單位。當(dāng)雪深超過(guò)5cm時(shí)，則需觀測(cè)雪壓。雪壓是單位面積上的積雪重量

8、，以g/cm2為單位。 降水量是表征某地氣候干濕狀態(tài)的重要要素，雪深和雪壓還反映當(dāng)?shù)氐暮涑潭?。（五）風(fēng) 空氣的水平運(yùn)動(dòng)稱為風(fēng)。風(fēng)是一個(gè)表示氣流運(yùn)動(dòng)的物理量。它不僅有數(shù)值的大小（風(fēng)速），還具有方向（風(fēng)向）。因此風(fēng)是向量。 風(fēng)向是指風(fēng)的來(lái)向。地面風(fēng)向用16方位表示，高空風(fēng)向常用方位度數(shù)表示，即以0°（或360°）表示正北，90°表示正東，180°表示正南，270°表示正西。在16方位中，每相鄰方位間的角差為22.5°。 風(fēng)速單位常用m/s、knot（海里/小時(shí)，又稱“節(jié)”，）和 km/h表示，其換算關(guān)系如下： 風(fēng)速的表示有時(shí)采用壓力，稱

9、為風(fēng)壓。如果以V表示風(fēng)速（m/s），P為垂直于風(fēng)的來(lái)向，1m2面積上所受風(fēng)的壓力kg/m2，其關(guān)系式：（六）云量 云是懸浮在大氣中的小水滴、冰晶微?；蚨呋旌衔锏目梢?jiàn)聚合群體，底部不接觸地面（如接觸地面則為霧），且具有一定的厚度。云量是指云遮蔽天空視野的成數(shù)。將地平以上全部天空劃分為10份，為云所遮蔽的份數(shù)即為云量。例如，碧空無(wú)云，云量為0，天空一半為云所覆蓋，則云量為5。 （七）能見(jiàn)度 能見(jiàn)度指視力正常的人在當(dāng)時(shí)天氣條件下，能夠從天空背景中看到和辨出目標(biāo)物的最大水平距離。單位用米（m）或千米（km）表示。二、空氣狀態(tài)方程 空氣狀態(tài)常用密度（）、體積（V）、壓強(qiáng)（P）、溫度（t或T）表示，對(duì)一

10、定質(zhì)量的空氣，其P、V、T之間存在函數(shù)關(guān)系。例如，一小團(tuán)空氣從地面上升時(shí)，隨著高度的增大，其受到的壓力減小，隨之發(fā)生體積膨脹增大，因膨脹時(shí)做功，消耗了內(nèi)能，氣溫降低；該過(guò)程中一個(gè)量變化了，其余的量也會(huì)隨著變化，最終導(dǎo)致空氣狀態(tài)發(fā)生了變化；如果P、V、T都不變，則空氣處于一定的穩(wěn)定狀態(tài)中。研究這些量的關(guān)系就可以得到空氣狀態(tài)變化的基本規(guī)律。（一）干空氣狀態(tài)方程根據(jù)大量的科學(xué)實(shí)驗(yàn)總結(jié)出，一切氣體在壓強(qiáng)不太大，溫度不太低（遠(yuǎn)離絕對(duì)零度）的條件下，一定質(zhì)量氣體的壓強(qiáng)和體積的乘積除以其絕對(duì)溫度等于常數(shù)，即上式是理想氣體的狀態(tài)方程,凡嚴(yán)格符合該方程的氣體，稱理想氣體。實(shí)際上，理想氣體并不存在，但在通常大氣溫

11、度和壓強(qiáng)條件下，干空氣、未飽和的濕空氣都十分接近理想氣體。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下： P0=1013.25 hPa（百帕）、T0=273 K，1mol氣體體積約等于22.4 L（V0=22.4 L/mol、1 m3=1000L）：該值對(duì)1mol任何氣體都適用，所以叫普適氣體常數(shù)。對(duì)于質(zhì)量為M g、1 mol氣體的質(zhì)量為的理想氣體，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，其體積V為1 mol氣體體積的M/倍，即通用質(zhì)量為M的理想氣體狀態(tài)方程門(mén)捷列夫-克拉珀瓏方程：它表明氣體在任何狀態(tài)下，壓強(qiáng)、體積、溫度和質(zhì)量4個(gè)量之間的關(guān)系（計(jì)算時(shí)要注意單位的統(tǒng)一）。在氣象學(xué)中，常用單位體積的空氣塊作為研究對(duì)象，為此，常將上式中4個(gè)量的關(guān)系變?yōu)閴簭?qiáng)

12、、溫度和密度3個(gè)量間的關(guān)系，即：式中R稱比氣體常數(shù)(對(duì)質(zhì)量為1克的氣體)，它的取值與氣體的性質(zhì)有關(guān)。 上式表明，在溫度一定時(shí)，氣體的壓強(qiáng)與其密度成正比，在密度一定時(shí)，氣體的壓強(qiáng)與其絕對(duì)溫度成正比。從分子運(yùn)動(dòng)論的觀點(diǎn)來(lái)看，這是容易理解的。氣體壓強(qiáng)的大小決定于器壁單位面積上單位時(shí)間內(nèi)受到的分子碰撞次數(shù)及每次碰撞的平均動(dòng)能，如分子平均動(dòng)能大且單位時(shí)間里碰撞次數(shù)多，故壓強(qiáng)也就大。如前所述可以把干空氣（不含水汽、液體和固體微粒的空氣）視為分子量為28.97的單一成分的氣體來(lái)處理，這樣干空氣的比氣體常數(shù)Rd為：干空氣的狀態(tài)方程為：（2） 濕空氣狀態(tài)方程與虛溫 1. 水汽的比氣體常數(shù)Rw在實(shí)際大氣中，尤其是

13、在近地面氣層中存在的總是含有水汽的濕空氣。在常溫常壓下，濕空氣仍然可以看成理想氣體。濕空氣狀態(tài)參量之間的關(guān)系，可用下式表示是濕空氣的分子量，是濕空氣的密度。由于濕空氣中水汽含量是變化的，、R是變量。如果以P表示濕空氣的總壓強(qiáng)，e表示其中水汽部分的壓強(qiáng)（即前述的水汽壓），則P-e是干空氣的壓強(qiáng)。w為水汽分子量=18g/mol.。則干空氣的密度（d）、水汽的密度（Pw）、水汽的比氣體常數(shù)（Rw）分別是： 2. 濕空氣的密度 因?yàn)闈窨諝馐歉煽諝夂退幕旌衔铮蕽窨諝獾拿芏仁歉煽諝饷芏萪與水汽密度w之和，即對(duì)上式進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，兩邊同乘（1+0.378e/P），并且e比P小得多，因此1-(0.378e/P)2近似等于1，因此：上式為濕空氣狀態(tài)方程的常見(jiàn)形式。 3. 虛溫Tv如果引進(jìn)一個(gè)虛設(shè)的物理量虛溫（Tv），即并且虛溫總比濕空氣的實(shí)際溫