第01章 大氣概況

第一章大氣概況§概述GO§1大氣的組成GO§2大氣的垂直結(jié)構(gòu)GO§3大氣狀態(tài)方程GO

SatelliteImageofEarth

Meteorologistsfinditusefultolookatweatheronaverylargescale.Becausegeostationaryweathersatellitescanonlymakeimagesofrelativelysmallportionsoftheearth'ssurface,severalimageswerecombinedtoformthispictureofNorthandSouthAmerica.

概述

幾個重要的專業(yè)術(shù)語大氣（Atmosphere）：包圍地球表面的整個大氣層。天氣(Weather)：指一定區(qū)域在較短時間內(nèi)各種氣象要素的綜合表現(xiàn)。天氣表示大氣運(yùn)動的瞬時狀態(tài)。氣候(Climate)：指某一區(qū)域天氣的多年平均特征，其中包括各種氣象要素的多年平均及極值。氣候表示長時間的統(tǒng)計(jì)平均結(jié)果.

§1大氣的組成

大氣：主要由多種氣體、水汽和懸浮的大氣微粒構(gòu)成。干空氣（DryAir）:大氣中除水汽和大氣微粒以外的整個混合氣體氮(78.09%)、氧(20.95%）、氬（0.93%）。二氧化碳（0.03％）、稀有氣體：氫、氖、氦、氪、氙、氡、臭氧等。主要成分次要成分

大氣是可壓縮氣體，大氣密度隨高度增加而迅速減少。觀測表明，10公里以內(nèi)集中了75%的大氣質(zhì)量，35公里以下則達(dá)99%，近地面空氣標(biāo)準(zhǔn)密度為1.293千克/立方米。影響天氣和氣候變化的主要大氣成分為二氧化碳、臭氧和水汽。干潔空氣注意1.二氧化碳（CarbonDioxide）:平均含量0.03%,若達(dá)到0.2-0.6％，就對人體有害。二氧化碳能強(qiáng)烈地吸收和放射長波輻射，對地面和大氣的溫度分布有重要影響，類似溫室效應(yīng)(GreenhouseEffect)，直接影響氣候變遷。含量：陸地多于海洋，城市多于農(nóng)村，低處多于高處，夏季多于冬季，室內(nèi)多于室外。2.臭氧（Ozone）：主要存在于20-40公里氣層中，又稱臭氧層（Ozonosphere）。臭氧是吸收太陽紫外線的唯一大氣成分，若沒有臭氧層，人類和動物、植物將受到紫外線的傷害。大氣中的易變成分OzoneLayerHole

TheozoneholeovertheSouthPoleisapparentinthisfalse-colorimagetakenbyasatelliteinOctober1999.Lowlevelsofozoneareshowninblue.Ozoneisagasthatblocksharmfulultravioletsunlight.Industrialchemicalsreleasedintotheatmospherehavecausedozonetobreakdown,openingholesintheozonelayerthattendtoconcentrateatthepoles.LaunchingOzoneBalloon,ntarctica

EarthscientistslaunchaballoonfromtheroofofabuildingatMcMurdoresearchbaseinAntarctica.TheballoonwillbeusedtostudyEarth’sozonelayer.3.水汽（Vapor）：含水汽的空氣叫做濕空氣（WetAir）?？諝庵械乃侩S緯度、時間、地點(diǎn)而變化。

濕空氣在同一氣壓和溫度下，只有干空氣密度的62.2％。大氣中水汽含量范圍在0～4％，具有固、氣、液三態(tài)，是常溫下發(fā)生相變的唯一大氣成分，它也是造成云、雨、雪、霧等現(xiàn)象的主要物質(zhì)條件。水汽能強(qiáng)烈地吸收和放出長波輻射，并在相變過程中吸收和放出潛熱能，對地面和空氣的溫度影響很大。大氣中的易變成分

4.大氣微粒(Aerosol)：懸浮在空氣中的固體或液體微粒，主要包括塵埃、煙粒、細(xì)菌、病毒、花粉和微小鹽粒等。它們主要集中在大氣的低層，影響能見度，能吸收部分輻射，并對太陽輻射具有散射作用。在水汽相變過程中，大氣微?？梢宰鳛槟Y(jié)核（CondensationNucleus)。大氣中的易變成分§2大氣的垂直結(jié)構(gòu)根據(jù)氣溫、水汽的垂直分布、大氣擾動和電離現(xiàn)象等要素的變化規(guī)律，可以將大氣分為五個層次。（P5）1.對流層（Troposphere）：下界為地面，上界隨緯度和季節(jié)變化，平均厚度10-12公里。通常在高緯為6-8Km，中緯度10-12Km，低緯度17-18Km。夏季對流層的厚度比冬季高。對流層集中了大氣質(zhì)量的80％和全部水汽，與人類關(guān)系最為密切，大氣中幾乎所有的物理和化學(xué)過程都發(fā)生在該層。對流層具有三個主要特征。DivisionsoftheAtmosphere

Theatmospherecanbedividedintoaseriesoflayers,basedontheairtemperatureatdifferentaltitudes.Intwoofthelayers,thetroposphereandthemesosphere,airgetscolderasaltitudeincreases.Intheothertwolayers,thestratosphereandthethermosphere,airgetswarmerasaltitudeincreases.Thissecondpatterniscalledatemperatureinversion,andithindersthemixingofairthataccompaniesverticalaircurrents.Consequently,airinthetroposphereiswellmixed,butairinthestratosphereisnot.⑴氣溫隨高度而降低。平均幅度為0.65℃/100m。即γ＝0.65℃/100m稱γ為氣溫垂直遞減率。⑵具有強(qiáng)烈的對流和湍流運(yùn)動。是引起大氣上下層動量、熱量、能量和水汽等交換的主要方式。⑶氣象要素沿水平方向分布不均勻。如溫度、濕度等。對流層中三個主要特征在對流層中氣溫隨高度上升而降低。氣溫隨高度遞減的快慢可用氣溫的直遞減率γ表示：

式中：表示高度增加時，相應(yīng)的氣溫變化量。的單位通常取100m.負(fù)號表示氣溫隨高度增加而減小。通常γ＞0。當(dāng)γ=0時表示等溫。當(dāng)γ＜0時表示逆溫，既在某一氣層中，氣溫隨高度增加而增加。γ=0.65℃/100m對流層中氣溫的垂直分布根據(jù)大氣運(yùn)動的不同特征通常將對流層分為：摩擦層(FrictionLayer)：摩擦層又稱邊界層，從地面到1Km高度，其厚度夏季高于冬季，白天高于夜間。摩擦層高度是緯度和湍流粘性系數(shù)的函數(shù)。湍流輸送是該層的基本運(yùn)動特點(diǎn)。按摩擦力隨高度變化的特點(diǎn)，摩擦層可分成近地面層和上部摩擦層。自由大氣(FreeAtmosphere)：自由大氣的基本運(yùn)動形式是波動，地面摩擦作用減小，可忽略不計(jì)，這樣大氣的運(yùn)動顯得比較簡單和清楚。摩擦層與自由大氣近地面層：30~50m，一般不超過100m。風(fēng)向隨高度的改變不明顯；風(fēng)速隨高度的改變則主要與氣層是否穩(wěn)定有關(guān)。穩(wěn)定，差異明顯；不穩(wěn)定，差異不明。在近地面層內(nèi)，粘性摩擦力起主要作用，而氣壓梯度力和地轉(zhuǎn)偏向力可以忽略。近地面層(SurfaceLayer)對流層頂(Tropopause)厚度約為1-2Km，溫度隨高度呈等溫或逆溫狀態(tài)2.平流層（Stratosphere）：厚度：自對流層頂?shù)酱蠹s55Km左右；特點(diǎn)：①空氣的垂直運(yùn)動比較弱，主要是水平運(yùn)動。②水汽含量少。③氣溫隨高度遞增（最初等溫，到20-25Km氣溫突增，主要是臭氧吸收太陽紫外線）。④氣層穩(wěn)定利于飛機(jī)飛行。3.中間層（Mesosphere）：厚度：自平流層頂?shù)?5Km左右；特點(diǎn)：①溫度隨高度迅速下降（無臭氧，有強(qiáng)烈垂直運(yùn)動）。②大約在65Km處是電離層，白天強(qiáng)，夜間弱。4.

熱層（Thermosphere）：厚度：85-800Km。特點(diǎn)：①氣溫隨高度迅速增加。②空氣高度電離，又稱電離層。電離層的程度也有差別，比較強(qiáng)的為E層（100-120Km）和F層（200-240Km)，反射無線電波，對通信有重要意義。5.逸散層（Exosphere）:厚度800Km以上。特點(diǎn)：氣溫也隨高度增加，大氣質(zhì)點(diǎn)擺脫地球引力的束縛，向星際空間散逸。按著大氣的化學(xué)成分來劃分。這種劃分是以距海平面90公里的高度為界限的。均質(zhì)層:在90公里高度以下，大氣是均勻地混合的，組成大氣的各種成分相對比例不隨高度而變化，這一層稱均質(zhì)層。非均質(zhì)層:在90公里高度以上，組成大氣的各種成分的相對比例，是隨高度的升高而發(fā)生變化的，比較輕的氣體如氧原子、氦原子、氫原子等越來越多，大氣就不再是均勻的混合了，因此，把這一層叫做非均質(zhì)層。按著大氣被電離的狀態(tài)來劃分，可分為：非電離層：在海平面以上60公里以內(nèi)的大氣，基本上沒有被電離處于中性狀態(tài)，所以這一層叫非電離層。電離層(Ionosphere)：在60公里以上至1000公里的高度，這一層大氣在太陽紫外線的作用下，大氣成分開始電離，形成大量的正、負(fù)離子和自由電子，故這一層叫做電離層。大氣的垂直高度大氣上界(Aeropause)：大氣很難定出上界，一般以物理現(xiàn)象發(fā)生的最高高度為上界。極光發(fā)生在高緯度不同高度上，但最高達(dá)到1000-1200Km作為大氣的物理上界.但由衛(wèi)星探測的大氣上界為2000-3000Km

AuroraBorealis,orNorthernLights

Luminousdisplayscalledaurorasoftenoccurinphasewithsunspotcycles.Aurorastypicallyappearabovetheearth’spolarregionswhenchargedparticlesfromthesuninteractwithgasesintheearth’satmosphere.Excitedgasmoleculesgiveoffvisibleradiation,orlight,oftenintheredandgreenpartofthespectrum.ThisdisplayofmultipleauroralbandswasphotographedinFairbanks,