1.3大氣物理性狀解析

在氣象學上，大氣的物理性狀主要以

氣象要素和空氣狀態(tài)方程來表征。第三節(jié)大氣物理性質(zhì)

一、大氣質(zhì)量二、氣象要素三、氣體狀態(tài)方程第三節(jié)大氣的物理性質(zhì)一、大氣的質(zhì)量

假定大氣是均質(zhì)的，以氣溫0℃時、45°N（或45°S）處、海平面上的大氣密度ρ0為標準（ρ0=1.293kg.m-3），則此時大氣厚度（Z0）經(jīng)理論計算約為8,000m。于是單位截面積的大氣柱中空氣的質(zhì)量為：m0=ρ0·Zo=1.293×8000=10344kg.m-2假定條件下的大氣質(zhì)量：據(jù)此推算，地球表面大氣的總質(zhì)量大約有5×1015t。

地球大氣圈氣體的總質(zhì)量約為5.136×10^21克，相當于地球總質(zhì)量的百萬分之0.86。大氣壓強p是恒量，約1.0×105Pa。大氣壓強可認為是大氣的重量產(chǎn)生的，1m2地面所受的大氣壓力大小即為其上氣柱的重力，約1.0×105N，由G=mg可得其質(zhì)量m=G/g=1.0×104kg。地球的表面積S=4πR2，大氣層的總質(zhì)量M=mS=4πR2m=4×3.14×(6.4×106)2×1.0×104kg≈5×10^18kg。ρz為Z高度處的大氣密度；ρ0為標準狀態(tài)下的大氣密度；Z0為均質(zhì)大氣的高度，Z為對應于要計算ρz的高度。

大氣密度的計算公式：（2-1）

第三節(jié)大氣物理性質(zhì)

一、大氣質(zhì)量

二、氣象要素三、氣體狀態(tài)方程主要氣象要素：氣象要素是指表示大氣屬性和大氣現(xiàn)象的物理量。按觀測手段的不同，分兩大類：目測：主要靠目力和分析判斷，定性或半定量地測定。如：云、能見度、天氣現(xiàn)象（雨、雪、冰雹、霧等）器測：利用儀表定量地測定。如：溫度、濕度、氣壓氣象要素，特別是其中的若干器測項目，是氣候?qū)W研究的基礎。二、氣象要素定義：表示大氣狀態(tài)和特征的物理量和物理現(xiàn)象。內(nèi)容：

日射、溫度、濕度、氣壓、風、云、降水、蒸發(fā)、能見度和天氣現(xiàn)象等。天氣現(xiàn)象：在大氣中或地面上產(chǎn)生的降水、水汽凝結(jié)物（云除外）、凍結(jié)物、干質(zhì)懸浮物和光、電的現(xiàn)象，也包括一些風的特征。

大風、颮

常見天氣現(xiàn)象：

雨、陣雨、毛毛雨雪、陣雪、雨夾雪、陣性雨夾雪、霰、米雪、冰粒、冰雹、冰針霧、輕霧、露、霜、雨淞、霧淞吹雪、雪暴、龍卷、積雪、結(jié)冰

沙塵暴、揚沙、浮塵、煙幕、霾、塵卷風

雷暴、閃電、極光二、氣象要素：（一）氣壓1、定義：單位面積上受到的整個空氣柱的質(zhì)量，即空氣的壓力。實質(zhì)：氣壓的大小決定于整個空氣柱的質(zhì)量多少。大氣壓強存在事例：實驗一：馬德堡半球?qū)嶒瀸嶒灦骸捌客痰啊睂嶒?。實驗三：“覆杯實驗”三個試驗說明：大氣存在壓強－－－“瓶吞蛋”表明大氣豎直向下有壓強，“覆杯實驗”表明大氣向上有壓強。－－大氣向各個方向都有壓強。2、大氣壓強的大小：托里拆利實驗：

托里拆利實驗：2、大氣壓強的大小：由于P氣=P水=ρ水gh水，而ρ水太小，需h水很大，玻璃管的長度有限，改用增大ρ液，減小h液的方法，取ρ液很大的液體——水銀來測大氣壓的大小。伽利略的學生托里拆利1644年

1662年,往A處灌汞，B處有何變化？AB3、影響氣壓因素（1）濕度與大氣壓強

濕度越大大氣壓強越大嗎？濕衣服干衣服濕空氣干空氣大氣壓隨空氣濕度的增大而減?。?-----------------------------------------------------------------1mol干空氣，1mol濕空氣（2）溫度與壓強：溫度越高大氣壓強越大嗎？

當我們給盛有空氣的密閉容器加熱的時候，則其壓強當然也會增大．而對大氣來說情況就不同了．（3）為什么海拔越高。氣壓越低呢？影響氣壓的因素：海拔、空氣濕度、溫度、大氣的運動狀態(tài)等因素。

ABC1000hPa650hPa500hPa0km4km5km5.5km溫度相同ABC1000hPa650hPa500hPa0km4km5km5.5kmA：變冷；B:溫度不變；C:變暖4、氣壓的單位：（1）毫米(mm)：是用水銀柱高度來表示氣壓高低的單位。例如，氣壓為760mm，表示當時的大氣壓強與760mm高的水銀柱所產(chǎn)生的壓強相等。4、氣壓單位：

（1）毫米(mm)（2）毫巴(mb)：用單位面積上所受水銀柱壓力大小來表示氣壓高低的單位。（物理學中的單位）（3）hpa

（2）毫巴(mb)：

物理學上，壓強的單位是用“巴”表示的：每一平方厘米面積上受到一達因的力，稱為一巴。在氣象上，嫌這個單位太小，取1,000,000達因/平方厘米為1巴，以巴的千分之一作為氣壓的單位，稱為1毫巴。即：

1巴=1000毫巴（mb）

1毫巴=1000達因/厘米2

因此，1毫巴表示在1平方厘米面積上受到1000達因的力。例如，氣壓為1000mb，表示當時大氣柱在每平方厘米面積上的力有1,000,000達因(1百萬)。

毫米與毫巴可以相互換算：根據(jù)壓強與水銀柱高度的關系式：

P(壓強)=h(水銀柱高度)×d(水銀在0℃時的密度)氣壓為水銀柱高度1毫米=0.1厘米×13.596克重/厘米3=1.3596克重/厘米2

在緯度45°的海平面上,1克重=980.6達因故:1毫米=1.3596×980.6=1333.22達因/厘米2=1.33322毫巴=4/3毫巴

根據(jù)這個關系,氣壓為760毫米時相當于1013.25毫巴，這個氣壓值稱為一個標準大氣壓。760×1.33322＝1013.25毫巴或hpa4、氣壓單位：（3）hpa

百帕即為100個“帕”（國際代號Pa），與以前用的“毫巴”完全等值。帕的全稱為“帕斯卡”。帕斯卡（Blaise

Pascal,1623-1662）是17世紀法國著名的數(shù)學家、物理學家，流體力學的創(chuàng)始人，同時還是哲學家、散文家。他提出的密閉流體能傳遞壓強的定律被命名為“帕斯卡定律”。為了紀念這位對物理學、流體力學有突出貢獻的科學家，1973年國際標準組織決定，用帕斯卡的名字來命名國際標準氣壓的單位。

5、標準大氣壓：大氣是均質(zhì)的，以氣溫0℃時、45°N（或45°S）處、所測得的水銀柱高度為760MM的大氣壓強，為一個標準大氣壓，即1013.25mb或hpa二、氣象要素（一）氣壓1、氣壓定義2、壓強的大小3、影響氣壓因素4、氣壓單位5、標準大氣壓第三節(jié)大氣物理性質(zhì)

一、大氣質(zhì)量二、氣象要素三、氣體狀態(tài)方程氣壓氣溫風濕度能見度云二、氣象要素-----(二)氣溫定義：大氣的冷熱程度的物理量大氣溫度以百葉箱中的干濕溫度計的讀數(shù)為標準。大氣中的溫度一般以百葉箱中干球溫度為代表，距地面1.5m高處氣溫的單位：攝氏溫標我國規(guī)定:以氣壓為1013.25時純水的冰點為00C，沸點溫度為1000C，其間等分100等份，每一份為10C。氣溫的單位（1）攝氏度溫標（oC）（2）絕對溫標（K）：開爾文、開一度的間隔與攝氏度相同，但其零度稱為“絕對零度”（任何物質(zhì)系統(tǒng)達此溫度時，能量變?yōu)樽钚。?，?273.15oCT=t+273.15≈t+273理論計算中常用（3）華氏溫標（oF）目前某些說英語的國家有人使用一個大氣壓下，水的冰點32oF，沸點212oF，其間分成180等分tF

=9/5t+32t=5/9（tF

-32）

世界溫度極值：1936年在索馬里測得63.0oC1967年挪威在南極極點附近記錄到-94.5oC

相差近160oC我國極值：1965年7月新疆吐魯番民航機場48.9oC1969年2月13日黑龍江漠河–52.3oC

相差超過100oC二、氣象要素--（三）空氣濕度

空氣濕度：空氣中水汽含量的多少或潮濕程度。濕度參量：表征空氣中水汽含量的多少和潮濕程度的物理量。濕度參量水汽壓、飽和水汽壓相對濕度露點溫度飽和差比濕混合比絕對濕度濕度：表示大氣中水汽量多少的物理量。大氣濕度狀況與云、霧、降水等關系密切

水汽壓（e）和飽和水汽壓(E)大氣壓力是大氣中各種氣體壓力的總和。

水汽和其他氣體一樣，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）空氣濕度參量

1、水汽壓（e）反映空氣中水汽含量的多少水汽含量

水汽壓e

定義：空氣中水汽的分壓強。單位：百帕(hPa)1百帕(hPa)=100帕斯卡(Pa)飽和空氣：飽和水汽壓（E）：實驗和理論都可以證明，飽和水汽壓隨溫度的升高而增大。在不同的溫度條件下，單位體積空氣中的水汽量是不同的，所以飽和水汽壓的數(shù)值是不同的。在溫度一定情況下，單位體積空氣中的水汽量有一定限度。如果水汽含量達到此限度，空氣就成飽和狀態(tài)，這時的空氣稱飽和空氣。飽和空氣的水汽壓稱為飽和水汽壓（E），也叫最大水氣壓，因為超過這個限度，水氣就要凝結(jié)?？諝庵械乃渴怯邢薜模斔窟_到極限時，此時的空氣為飽和空氣。飽和空氣中水汽所產(chǎn)生的壓力即為飽和水汽壓。水汽壓為E注意：每一個溫度對應一個飽和水汽壓的值。水汽含量沒有達到極限的空氣稱為未飽和濕空氣，其水汽壓為e

2、

飽和水汽壓（E）反映空氣的最大水汽容納能力.飽和水汽壓取決于溫度（馬格奴斯半經(jīng)驗公式）定義：飽和濕空氣中水汽的分壓強。影響因子：EET

溫度

T

E

根據(jù)影響因子討論水汽凝結(jié)高空有過冷卻水和冰共存高空水汽凝結(jié)人工降水原理

3、相對濕度（f）定義：空氣的實際水汽壓與同溫度下的飽和水汽壓的百分比值。反映空氣的潮濕程度，表示空氣距飽和的程度溫度不變，E不變：水汽含量

e

f

水汽含量不變，e不變：溫度

E

f

問題：一天中什么時候相對濕度最大？

4、比濕（q）、混合比（S）、絕對濕度（a）比濕：濕空氣中水汽的質(zhì)量與濕空氣總質(zhì)量的比值。

=0.622e/P

根據(jù)狀態(tài)方程推到=0.622e/P對于某一空氣團而言，在它發(fā)生膨脹或壓縮的時候，其中水汽質(zhì)量和總質(zhì)量并不會發(fā)生變化。也就是說，某團空氣的體積發(fā)生變化時，它的比濕是不變的，這就是比濕的保守性。由于比濕有這樣的特性，因此在討論空氣絕熱升降過程中，通常用比濕來表示該空氣團的濕度。

4、比濕（q）、混合比（S）、絕對濕度（a）比濕：濕空氣中水汽的質(zhì)量與濕空氣總質(zhì)量的比值。

=0.622e/P

混合比：濕空氣中水汽的質(zhì)量與濕空氣中干空氣質(zhì)量的比值。m水汽m干空氣S＝————比濕和混合比具有保守性絕對濕度（水汽密度）：單位體積濕空氣中水汽的質(zhì)量。a＝———m水汽V

5、飽和差（d

）定義：同一溫度下飽和水汽壓與實際水汽壓之差。d=E-e

反映空氣的潮濕程度。影響因子：溫度不變，E不變：水汽含量

e

d

水汽含量不變，e不變：溫度

E

d

水汽含量、溫度

6、露點溫度（Td

）定義：

對于含有水汽的濕空氣，在不改變氣壓和水汽含量的情況下，降低溫度而使空氣達到飽和狀態(tài)時的溫度。EeTTTdeE（T,e）反映空氣中水汽含量的多少，水汽含量

露點溫度Td

夏天的露水，冬天的霜，說明什么？水汽含量多，露點溫度就高，水汽含量少，露點溫度就低。所以根據(jù)露點溫度的高低就可以判斷出空氣中的水分多少。說明夏天的水汽含量多。6、露點：空氣中的水汽含量不變，在一定壓力下，若要使空氣達到飽和，只有降溫。降到實際水汽壓e與飽和水汽壓E相等，此時的溫度稱為露點。例如：T＝30°，e=31.7mb,E=42.5mb要把溫度降到：T=25,e=31.7mb,E=31.7mb濕度總結(jié)：表示空氣中水汽含量的濕度有：水汽壓、絕對濕度、相對濕度、飽和水汽壓、比濕、露點。表示空氣距離飽和的程度的濕度有：相對濕度f、飽和差d和露點Td二、氣象要素----（四）風：

1、定義：空氣的水平運動。

2、風速：單位時間內(nèi)走過的距離（m/s）

3、風向：風的來向。

4、表示方法：地面：16方位表示高空：360°表示風向符號的意義：風桿上的林橫道叫做風尾。風桿上畫有風尾的一方，即指示風向。第一道風尾為4米/秒，即風力為2級。一個風旗，表示風力為8級。風尾和風旗均放在風桿的左側(cè)。北風八級

東南風級12級

西南風5級

★二、氣象要素---（五）云——指高懸于空中、由水汽凝結(jié)（凝華）而成的小水滴或小冰晶構成的可見集合體。云是氣塊上升過程絕熱冷卻降溫，使水汽達到飽和或過飽和發(fā)生凝結(jié)而成?！粼频某梢颍簩α鬟\動——主要形成積狀云；系統(tǒng)性上升運動——主要形成層狀云；波狀運動——主要形成波狀云；地形作用——比較復雜，可以形成各種云。◆云的分類：按國際分類法，根據(jù)云的形成高度，結(jié)合云的形態(tài)特征、結(jié)構、成因，將云分為3族10屬29種。★衛(wèi)星云圖云量：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，被云所遮蔽的份數(shù)。無云：云量為0份遮空蔽日：云量為10份半空云：云量為5份二、氣象要素----（六）能見度：視力正常的人在當時天氣條件下，能夠從天空背景中看到和辨出目標物的最大水平距離。（m,km）第三節(jié)大氣物理性質(zhì)

一、大氣質(zhì)量二、氣象要素三、氣體狀態(tài)方程氣壓氣溫風濕度能見度云三、氣體狀態(tài)方程：瓶子能裝半瓶水，為什么不能裝半瓶空氣？空氣—分子間距大，引力小，運動自由即：空氣比水更有流動性、膨脹性和可壓縮性。三、氣體狀態(tài)方程：

從物理學的角度，通常用質(zhì)量、體積、溫度和壓強來表征大氣的物理狀態(tài)，這四個參量之間是相互聯(lián)系，相互影響、相互制約的。對于一定質(zhì)量的空氣，其體積、溫度和壓強之間存在一定的函數(shù)關系，例如，一個小空氣塊做上升運動時，隨著高度的增大，其所受到的環(huán)境大氣的壓力減小，氣塊的體積發(fā)生膨脹，壓強減小，同時由于體積膨脹做功，消耗內(nèi)能，氣塊的溫度降低。三、氣體狀態(tài)方程：分析這四個參量之間的關系，就可以得到空氣狀態(tài)變化的基本規(guī)律，概括這四個參量的變化規(guī)律，就可得到大氣的主要物理性質(zhì)。描述氣體質(zhì)量、體積、溫度和壓強之間關系的數(shù)學表達式稱為氣體的狀態(tài)方程。兩個簡單的實驗----兩個基本的定律：1、波意耳實驗：在溫度一定下：V與P成反比P=K1/VK1為常數(shù)AB2、查理氏實驗在氣壓一定時，體積的變化決定于溫度：V=K2T在標準狀態(tài)下：1mol的氣體，體積等于22.4L三、空氣狀態(tài)方程反映空氣狀態(tài)的方程，進一步而言，是反映空氣在發(fā)生變化時各要素之間相互關系的方程?？諝鉅顟B(tài)常用ρ、V、P、T來表示，

ρ=M/V，對于一定質(zhì)量的空氣而言（M一定），它的V、P、T有密切關系，概括這些量的關系，就可以得到空氣狀態(tài)變化的基本規(guī)律—狀態(tài)方程。基本公式，推導1、理想氣體的狀態(tài)方程大量實驗證明，常溫常壓下，一定質(zhì)量氣體的P乘以V，再除以T，其商不變：P1V1/T1=P2V2/T2=···=PnVn/Tn，即PV/T=常量凡嚴格符合這個方程的氣體，稱理想氣體。實際上并不存在。在常溫常壓下，干（潔）空氣和未飽和的濕空氣都十分接近理想氣體，可把它們當作理想氣體處理。下面求出“常量”：討論一摩爾的氣體(含有6.02×1023個該氣體分子）（1mol的任何氣體在標準狀態(tài)下體積是一樣的）。標準狀態(tài)下：Po=1013.25hpa，To=273K，Vo=22.4升/摩爾=22.4L/molPVTPoVoTo==R＊R＊1.01325×105Pa×2.24×10-4m3/mol

273K==8.31441Pam3/mol·K≈8.31J/mol·K這個值對1mol任何氣體都適用，叫普適氣體常數(shù)。對于質(zhì)量為M克的理想氣體設1mol氣體的質(zhì)量為μ（分子量）、體積為V1，標準狀態(tài)下，M克氣體的體積為：V=M/μ·V1=M/μ·R*T/P或PV=M/μ·R*T這是通用的質(zhì)量為M克的理想氣體的狀態(tài)方程，又叫門捷列夫—克拉珀瓏方程。它表明氣體在任何狀態(tài)下P、V、T、M四個量之間的關系。在氣象學中，常用單位體積的空氣塊作為研究對象PV=Mμ·R*TP=MVR*μTR=R*μρ=MVP=ρRTR—比氣體常數(shù)可見：T一定時，P與ρ成正比；ρ一定時，P與T成正比。分子運動論：氣壓大小決定于器壁單位面積上單位時間內(nèi)受到的碰撞次數(shù)及每次碰撞的平均動能大小。

ρ大，分子數(shù)量多，碰撞次數(shù)多，P大；

T高，分子平均動能大，P大。這種形式在氣象上應用最廣。2、干空氣狀態(tài)方程P=ρdRdTRd=R*/μ=8.31/28.97=0.287J/g·K3、濕空氣狀態(tài)方程含有水汽的空氣稱為濕空氣。P=ρ’R’T，P—濕空氣的總壓強，ρ’—濕空氣密度R’=R*/μ’，μ’—濕空氣的分子量，因濕空氣中水汽含量是變化的，所以μ’是變量，R’也是變