海洋氣象學(xué)-第一次

海洋氣象學(xué)教學(xué)安排：總學(xué)時(shí)數(shù)：64本課程由多門學(xué)科組成，前沿科學(xué)發(fā)展較快。因此，凡涉及前沿科學(xué)的，或現(xiàn)階發(fā)展內(nèi)容較豐富的，與課本有所不同。而較成熟的理論知識(shí)，數(shù)學(xué)推導(dǎo)復(fù)雜，為便于掌握，按課本順序授課，基本無變動(dòng)。無期中考試。成績(jī)：平時(shí)作業(yè)占30%，期末考試70%。2023/2/47第一章大氣概論起源成分和結(jié)構(gòu)氣象要素濕空氣的狀態(tài)方程大氣的垂直分層氣溶膠粒子熱力學(xué)圖表上濕度量的計(jì)算太陽系：水金地火木土天海冥1.1地球大氣的起源原始大氣階段(45億年前)原始大氣的主要成分是氫和氦由于當(dāng)?shù)厍蛐纬梢院螅厍騼?nèi)部放射性物質(zhì)的衰變，進(jìn)而引起能量的轉(zhuǎn)換。這種轉(zhuǎn)換對(duì)于地球大氣的維持和消亡都是有作用的，再加上太陽風(fēng)（高能離子流）的強(qiáng)烈作用和地球剛形成時(shí)的引力較小，使得原始大氣很快就消失掉了。次生大氣階段(45~20億年前)地球生成以后，由于溫度的下降，地球表面發(fā)生冷凝現(xiàn)象，而地球內(nèi)部的高溫又促使火山頻繁活動(dòng)，火山爆發(fā)時(shí)所形成的揮發(fā)氣體，就逐漸代替了原始大氣，而成為次生大氣。水汽約80%、二氧化碳約10%、氮、硫化物及其他雜質(zhì)?，F(xiàn)代大氣(20億年前到現(xiàn)在)現(xiàn)代大氣組成成分水份火山爆發(fā)時(shí)，由于大氣中只能容納很少一部分水汽質(zhì)量，因此地球表面最早的火山活動(dòng)產(chǎn)生了云和雨，從而形成了地球表面上的水體。氧生成：2H2O2H2+O2(1) H2O+CO2{CH2O}+O2(2)早期的微生物對(duì)于氧氣的生成起到了決定性作用。消耗：動(dòng)植物的呼吸、腐爛；碳酸鹽生成。二氧化碳和水二氧化碳生成碳酸鹽，從大氣中移除。水由于在大氣中的溶解度很小，變成降水，幾乎完全從大氣中移走。氮火山噴發(fā)排到大氣中的氮,其中一小部分進(jìn)入地殼的硝酸鹽中，但由于氮具有化學(xué)惰性，在水中的溶解度又低,所以，大部分留在大氣中。硫、硫化物及惰性氣體排放到大氣中的硫及其硫化物經(jīng)云滴溶解降水清洗后,在地殼中形成硫酸鹽類。大氣中的惰性氣體如氬、氦等大部分是地球固體部分放射性物質(zhì)衰變產(chǎn)生的。現(xiàn)在的大氣成分是地球長期演化的結(jié)果，是和水圈、生物圈、巖石圈進(jìn)行充分的物質(zhì)循環(huán)的結(jié)果?，F(xiàn)在的大氣成分還處在不斷進(jìn)行著的循環(huán)過程之中，而且這個(gè)過程基本是平衡的，穩(wěn)定的，在短時(shí)期內(nèi)不是會(huì)有明顯變化的。1.2地球大氣的成分和結(jié)構(gòu)大氣質(zhì)量大氣成份干空氣狀態(tài)方程大氣成分隨高度的變化較輕成分的逃逸1.2.1大氣質(zhì)量由壓強(qiáng)的計(jì)算公式:得:從而可以計(jì)算出地球大氣的總質(zhì)量為:5.14×1018kg,大氣質(zhì)量的99%集中在高度低于30km的范圍內(nèi)。1.2.2大氣成分干潔大氣概念:通常把不含水汽、液體、固體雜質(zhì)的大氣稱為干潔大氣,也常稱為干空氣。對(duì)流層干空氣主要成份1.氧氣，占23%2.氮?dú)猓?5%3.隋性氣體，占1%4.CO2，0.03%干空氣組成及體積所占比例氧氣含量：23%來源：植物的光合作用。作用：豐富的氧氣是動(dòng)植物賴以生存、繁殖的必要條件。氧的主要來源是植物的光合作用，而有機(jī)物的呼吸和腐爛又會(huì)從大氣中奪去氧而放出二氧化碳，礦物質(zhì)燃料的燃燒也需要氧氣，并放出二氧化碳，這是光合作用的逆過程。氮?dú)夂浚?5%來源：火山噴發(fā)。作用：氮?dú)庵写髿庵泻孔疃嗟某煞?，氮的性質(zhì)很穩(wěn)定，有極少量的氮能被微生物固定在土壤和海洋里變成有機(jī)化合物。 空中電能把大氣中的氮高溫氧化成NO2，然后被雨水吸收且在土壤中成為硝酸鹽，并成為植物所需要的肥料。二氧化碳含量:0.03%來源：礦物燃燒、工業(yè)活動(dòng)；生物的呼吸、生物體的腐化；火山爆發(fā)。匯：植物的光合作用、海洋的溶解。作用：強(qiáng)烈吸收地球表面發(fā)出的長波輻射，同時(shí)放射長波輻射。濃度增加，可能改變大氣的熱量平衡，從而導(dǎo)致溫室效應(yīng)。如：假如氣溫升高1~2攝氏度，極地冰將溶化洋面升高幾米，天氣系統(tǒng)和洋流都會(huì)發(fā)生變化。臭氧產(chǎn)生：O2-->O+O O+O2+M-->O3+M含量：很少作用：臭氧對(duì)太陽紫外輻射有強(qiáng)烈吸收作用，這加熱了平流層大氣，對(duì)平流層的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)起著快定性作用，更為重要的是，臭氧層阻擋了強(qiáng)紫外輻射，保護(hù)了地球上的生命。水汽水汽主要來源于下墊面,即從水面、潮濕物體的表面、植物的葉面蒸發(fā)而來的。水汽上升凝結(jié)成云后，又轉(zhuǎn)變?yōu)橛?、雪，以降水的形式降落到陸地和海洋上。含量?.001%作用：水汽是天氣變化的主要角色，云霧雨雪霜露等都是水汽的各種形態(tài)。水汽還可以強(qiáng)烈的吸收地表發(fā)出的長波。蒸發(fā)和凝結(jié)會(huì)影響地面和空氣溫度。1.2.3干空氣狀態(tài)方程-克拉伯龍方程理想氣體假設(shè)：分子只是質(zhì)點(diǎn)，沒有體積；分子間沒有作用力。P--壓強(qiáng)，V--體積，m--質(zhì)量，R*--普適氣體常數(shù)，R*=8.143×103J/K，T--絕對(duì)溫度，μd--干空氣分子量。由于干空氣可以認(rèn)為是由幾種氣體組成的混合氣體，所以為混合氣體的平均分子量，對(duì)于干空氣其值為28.96g/mol。若干空氣中每一種氣體的比熱Ci為已知，則質(zhì)量為m的混合氣體溫升ΔT所需熱量為：由上式可求出干空氣的比熱C，其定壓比熱為Cpd=1004J/kgK，定容比熱Cvd=717J/kgK。比熱定義：?jiǎn)挝毁|(zhì)量的物質(zhì)溫度升高一度所需要吸收的熱量，單位為：J/kg?k。一般分為：Cp,Cv水C4.1868×103J/kg?k例水蒸氣Cp2.1×103J/kg?k1.2.5氫、氦氣體的逃逸氫和氦都是宇宙中最豐富的元素，但在地球大氣中，它們卻是微量成分，這是因?yàn)樵诼L的地球大氣的演化過程中，氫和氦逐漸逃逸出地球的結(jié)果。高層大氣中氫氣的平衡（水汽的離解、高能質(zhì)子）高層大氣中氫的逃逸是由于吸收了太陽輻射，其中一部分具有很高的動(dòng)能，某些速率較快的粒子就可以逃逸出大氣。1.3氣象要素概念:表示大氣中物理現(xiàn)象與物理過程的物理量.目測(cè):云、能見度、天氣現(xiàn)象等.器測(cè):溫度、氣壓、濕度、風(fēng)、降水量、日照、輻射等.氣象要素表征大氣的宏觀物理狀態(tài),是大氣科學(xué)研究的基礎(chǔ)。其中氣壓、氣溫、濕度最為重要。1.3.1氣溫氣溫:表示大氣冷暖程度的物理量。表示方法:攝氏溫標(biāo)℃、絕對(duì)溫標(biāo)K及華氏溫標(biāo)?F。三者之間的關(guān)系：概念：氣壓即大氣的壓強(qiáng)。它是由分子無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)宏觀上作用在物體表面單位面積上的壓力。在地球重力場(chǎng)中，某地的氣壓為從觀測(cè)高度到大氣上界面單位面積上垂直空氣柱的總重量。單位:帕斯卡,1Pa=1N/m2毫米汞柱。換算：1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓=760mmHg=101325Pa=1013.25hPa（百帕或稱毫巴）1.3.2氣