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大氣的垂直結構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)域在較短時間內各種氣象要素的綜合表現。天氣表示大氣運動的瞬時狀態(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計平均結果.

§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公里以內集中了75%的大氣質量，35公里以下則達99%，近地面空氣標準密度為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%,若達到0.2-0.6％，就對人體有害。二氧化碳能強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(GreenhouseEffect)，直接影響氣候變遷。含量：陸地多于海洋，城市多于農村，低處多于高處，夏季多于冬季，室內多于室外。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）。空氣中的水汽含量隨緯度、時間、地點而變化。

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、霧等現象的主要物質條件。水汽能強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核（CondensationNucleus)。大氣中的易變成分§2大氣的垂直結構根據氣溫、水汽的垂直分布、大氣擾動和電離現象等要素的變化規(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量的80％和全部水汽，與人類關系最為密切，大氣中幾乎所有的物理和化學過程都發(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具有強烈的對流和湍流運動。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，相應的氣溫變化量。的單位通常取100m.負號表示氣溫隨高度增加而減小。通常γ＞0。當γ=0時表示等溫。當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大氣運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的函數。湍流輸送是該層的基本運動特點。按摩擦力隨高度變化的特點，摩擦層可分成近地面層和上部摩擦層。自由大氣(FreeAtmosphere)：自由大氣的基本運動形式是波動，地面摩擦作用減小，可忽略不計，這樣大氣的運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。風向隨高度的改變不明顯；風速隨高度的改變則主要與氣層是否穩(wěn)定有關。穩(wěn)定，差異明顯；不穩(wěn)定，差異不明。在近地面層內，粘性摩擦力起主要作用，而氣壓梯度力和地轉偏向力可以忽略。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：自對流層頂到大約55Km左右；特點：①空氣的垂直運動比較弱，主要是水平運動。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)定利于飛機飛行。3.中間層（Mesosphere）：厚度：自平流層頂到85Km左右；特點：①溫度隨高度迅速下降（無臭氧，有強烈垂直運動）。②大約在65Km處是電離層，白天強，夜間弱。4.

熱層（Thermosphere）：厚度：85-800Km。特點：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：氣溫也隨高度增加，大氣質點擺脫地球引力的束縛，向星際空間散逸。按著大氣的化學成分來劃分。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，這一層稱均質層。非均質層: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,