1.3大氣物理性狀解析

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。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(shí)、45°N（或45°S）處、海平面上的大氣密度ρ0為標(biāo)準(zhǔn)（ρ0=1.293kg.m-3），則此時(shí)大氣厚度（Z0）經(jīng)理論計(jì)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(dāng)于地球總質(zhì)量的百萬(wàn)分之0.86。大氣壓強(qiáng)p是恒量，約1.0×105Pa。大氣壓強(qiáng)可認(rèn)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(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的大氣密度；Z0為均質(zhì)大氣的高度，Z為對(duì)應(yīng)于要計(jì)算ρz的高度。

大氣密度的計(jì)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?dú)庀笠兀簹庀笠厥侵副硎敬髿鈱傩院痛髿猬F(xiàn)象的物理量。按觀測(cè)手段的不同，分兩大類(lèi)：目測(cè)：主要靠目力和分析判斷，定性或半定量地測(cè)定。如：云、能見(jiàn)度、天氣現(xiàn)象（雨、雪、冰雹、霧等）器測(cè)：利用儀表定量地測(cè)定。如：溫度、濕度、氣壓氣象要素，特別是其中的若干器測(cè)項(xiàng)目，是氣候?qū)W研究的基礎(chǔ)。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(fēng)、云、降水、蒸發(fā)、能見(jiàn)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(fēng)的特征。

大風(fēng)、颮

常見(jiàn)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(yáng)沙、浮塵、煙幕、霾、塵卷風(fēng)

雷暴、閃電、極光二、氣象要素：（一）氣壓1、定義：?jiǎn)挝幻娣e上受到的整個(gè)空氣柱的質(zhì)量，即空氣的壓力。實(shí)質(zhì)：氣壓的大小決定于整個(gè)空氣柱的質(zhì)量多少。大氣壓強(qiáng)存在事例：實(shí)驗(yàn)一：馬德堡半球?qū)嶒?yàn)實(shí)驗(yàn)二：“瓶吞蛋”實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)三：“覆杯實(shí)驗(yàn)”三個(gè)試驗(yàn)說(shuō)明：大氣存在壓強(qiáng)－－－“瓶吞蛋”表明大氣豎直向下有壓強(qiáng)，“覆杯實(shí)驗(yàn)”表明大氣向上有壓強(qiáng)。－－大氣向各個(gè)方向都有壓強(qiáng)。2、大氣壓強(qiáng)的大?。和欣锊鹄麑?shí)驗(yàn)：

托里拆利實(shí)驗(yàn)：2、大氣壓強(qiáng)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(zhǎng)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(lái)測(cè)大氣壓的大小。伽利略的學(xué)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(qiáng)

濕度越大大氣壓強(qiáng)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小．------------------------------------------------------------------1mol干空氣，1mol濕空氣（2）溫度與壓強(qiáng)：溫度越高大氣壓強(qiáng)越大嗎？

當(dāng)我們給盛有空氣的密閉容器加熱的時(shí)候，則其壓強(qiáng)當(dāng)然也會(huì)增大．而對(duì)大氣來(lái)說(shuō)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(yùn)動(dòng)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(lái)表示氣壓高低的單位。例如，氣壓為760mm，表示當(dāng)時(shí)的大氣壓強(qiáng)與760mm高的水銀柱所產(chǎn)生的壓強(qiáng)相等。4、氣壓?jiǎn)挝唬?/p>

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

（2）毫巴(mb)：

物理學(xué)上，壓強(qiáng)的單位是用“巴”表示的：每一平方厘米面積上受到一達(dá)因的力，稱(chēng)為一巴。在氣象上，嫌這個(gè)單位太小，取1,000,000達(dá)因/平方厘米為1巴，以巴的千分之一作為氣壓的單位，稱(chēng)為1毫巴。即：

1巴=1000毫巴（mb）

1毫巴=1000達(dá)因/厘米2

因此，1毫巴表示在1平方厘米面積上受到1000達(dá)因的力。例如，氣壓為1000mb，表示當(dāng)時(shí)大氣柱在每平方厘米面積上的力有1,000,000達(dá)因(1百萬(wàn))。

毫米與毫巴可以相互換算：根據(jù)壓強(qiáng)與水銀柱高度的關(guān)系式：

P(壓強(qiáng))=h(水銀柱高度)×d(水銀在0℃時(shí)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(dá)因故:1毫米=1.3596×980.6=1333.22達(dá)因/厘米2=1.33322毫巴=4/3毫巴

根據(jù)這個(gè)關(guān)系,氣壓為760毫米時(shí)相當(dāng)于1013.25毫巴，這個(gè)氣壓值稱(chēng)為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。760×1.33322＝1013.25毫巴或hpa4、氣壓?jiǎn)挝唬海?）hpa

百帕即為100個(gè)“帕”（國(guó)際代號(hào)Pa），與以前用的“毫巴”完全等值。帕的全稱(chēng)為“帕斯卡”。帕斯卡（Blaise

Pascal,1623-1662）是17世紀(jì)法國(guó)著名的數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家，流體力學(xué)的創(chuàng)始人，同時(shí)還是哲學(xué)家、散文家。他提出的密閉流體能傳遞壓強(qiáng)的定律被命名為“帕斯卡定律”。為了紀(jì)念這位對(duì)物理學(xué)、流體力學(xué)有突出貢獻(xiàn)的科學(xué)家，1973年國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織決定，用帕斯卡的名字來(lái)命名國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)氣壓的單位。

5、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓：大氣是均質(zhì)的，以氣溫0℃時(shí)、45°N（或45°S）處、所測(cè)得的水銀柱高度為760MM的大氣壓強(qiáng)，為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，即1013.25mb或hpa二、氣象要素（一）氣壓1、氣壓定義2、壓強(qiáng)的大小3、影響氣壓因素4、氣壓?jiǎn)挝?、標(biāo)準(zhǔn)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(fēng)濕度能見(jiàn)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(jì)的讀數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)。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(biāo)我國(guó)規(guī)定:以氣壓為1013.25時(shí)純水的冰點(diǎn)為00C，沸點(diǎn)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(biāo)（oC）（2）絕對(duì)溫標(biāo)（K）：開(kāi)爾文、開(kāi)一度的間隔與攝氏度相同，但其零度稱(chēng)為“絕對(duì)零度”（任何物質(zhì)系統(tǒng)達(dá)此溫度時(shí)，能量變?yōu)樽钚。?，?273.15oCT=t+273.15≈t+273理論計(jì)算中常用（3）華氏溫標(biāo)（oF）目前某些說(shuō)英語(yǔ)的國(guó)家有人使用一個(gè)大氣壓下，水的冰點(diǎn)32oF，沸點(diǎn)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(cè)得63.0oC1967年挪威在南極極點(diǎn)附近記錄到-94.5oC

相差近160oC我國(guó)極值：1965年7月新疆吐魯番民航機(jī)場(chǎng)48.9oC1969年2月13日黑龍江漠河–52.3oC

相差超過(guò)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(duì)濕度露點(diǎn)溫度飽和差比濕混合比絕對(duì)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(guān)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(chēng)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(qiáng)。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(shí)驗(yàn)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(dá)到此限度，空氣就成飽和狀態(tài)，這時(shí)的空氣稱(chēng)飽和空氣。飽和空氣的水汽壓稱(chēng)為飽和水汽壓（E），也叫最大水氣壓，因?yàn)槌^(guò)這個(gè)限度，水氣就要凝結(jié)?？諝庵械乃渴怯邢薜?，當(dāng)水汽含量達(dá)到極限時(shí)，此時(shí)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(gè)溫度對(duì)應(yīng)一個(gè)飽和水汽壓的值。水汽含量沒(méi)有達(dá)到極限的空氣稱(chēng)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(yàn)公式）定義：飽和濕空氣中水汽的分壓強(qiáng)。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(guò)冷卻水和冰共存高空水汽凝結(jié)人工降水原理

3、相對(duì)濕度（f）定義：空氣的實(shí)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(wèn)題：一天中什么時(shí)候相對(duì)濕度最大？

4、比濕（q）、混合比（S）、絕對(duì)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(duì)于某一空氣團(tuán)而言，在它發(fā)生膨脹或壓縮的時(shí)候，其中水汽質(zhì)量和總質(zhì)量并不會(huì)發(fā)生變化。也就是說(shuō)，某團(tuán)空氣的體積發(fā)生變化時(shí)，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(guò)程中，通常用比濕來(lái)表示該空氣團(tuán)的濕度。

4、比濕（q）、混合比（S）、絕對(duì)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(duì)濕度（水汽密度）：?jiǎn)挝惑w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(shí)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(diǎn)溫度（Td

）定義：

對(duì)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(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)的溫度。EeTTTdeE（T,e）反映空氣中水汽含量的多少，水汽含量

露點(diǎn)溫度Td

夏天的露水，冬天的霜，說(shuō)明什么？水汽含量多，露點(diǎn)溫度就高，水汽含量少，露點(diǎn)溫度就低。所以根據(jù)露點(diǎn)溫度的高低就可以判斷出空氣中的水分多少。說(shuō)明夏天的水汽含量多。6、露點(diǎn)：空氣中的水汽含量不變，在一定壓力下，若要使空氣達(dá)到飽和，只有降溫。降到實(shí)際水汽壓e與飽和水汽壓E相等，此時(shí)的溫度稱(chēng)為露點(diǎn)。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(duì)濕度、相對(duì)濕度、飽和水汽壓、比濕、露點(diǎn)。表示空氣距離飽和的程度的濕度有：相對(duì)濕度f(wàn)、飽和差d和露點(diǎn)Td二、氣象要素----（四）風(fēng)：

1、定義：空氣的水平運(yùn)動(dòng)。

2、風(fēng)速：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)走過(guò)的距離（m/s）

3、風(fēng)向：風(fēng)的來(lái)向。

4、表示方法：地面：16方位表示高空：360°表示風(fēng)向符號(hào)的意義：風(fēng)桿上的林橫道叫做風(fēng)尾。風(fēng)桿上畫(huà)有風(fēng)尾的一方，即指示風(fēng)向。第一道風(fēng)尾為4米/秒，即風(fēng)力為2級(jí)。一個(gè)風(fēng)旗，表示風(fēng)力為8級(jí)。風(fēng)尾和風(fēng)旗均放在風(fēng)桿的左側(cè)。北風(fēng)八級(jí)

東南風(fēng)級(jí)12級(jí)

西南風(fēng)5級(jí)

★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(gòu)成的可見(jiàn)集合體。云是氣塊上升過(guò)程絕熱冷卻降溫，使水汽達(dá)到飽和或過(guò)飽和發(fā)生凝結(jié)而成?！粼频某梢颍簩?duì)流運(yùn)動(dòng)——主要形成積狀云；系統(tǒng)性上升運(yùn)動(dòng)——主要形成層狀云；波狀運(yùn)動(dòng)——主要形成波狀云；地形作用——比較復(fù)雜，可以形成各種云。◆云的分類(lèi)：按國(guó)際分類(lèi)法，根據(jù)云的形成高度，結(jié)合云的形態(tài)特征、結(jié)構(gòu)、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(wú)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(jiàn)度：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。（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(fēng)濕度能見(jiàn)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(yùn)動(dòng)自由即：空氣比水更有流動(dòng)性、膨脹性和可壓縮性。三、氣體狀態(tài)方程：

從物理學(xué)的角度，通常用質(zhì)量、體積、溫度和壓強(qiáng)來(lái)表征大氣的物理狀態(tài)，這四個(gè)參量之間是相互聯(lián)系，相互影響、相互制約的。對(duì)于一定質(zhì)量的空氣，其體積、溫度和壓強(qiáng)之間存在一定的函數(shù)關(guān)系，例如，一個(gè)小空氣塊做上升運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(qiáng)減小，同時(shí)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(gè)參量之間的關(guān)系，就可以得到空氣狀態(tài)變化的基本規(guī)律，概括這四個(gè)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(qiáng)之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式稱(chēng)為氣體的狀態(tài)方程。兩個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)----兩個(gè)基本的定律：1、波意耳實(shí)驗(yàn)：在溫度一定下：V與P成反比P=K1/VK1為常數(shù)AB2、查理氏實(shí)驗(yàn)在氣壓一定時(shí)，體積的變化決定于溫度：V=K2T在標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)一步而言，是反映空氣在發(fā)生變化時(shí)各要素之間相互關(guān)系的方程。空氣狀態(tài)常用ρ、V、P、T來(lái)表示，

ρ=M/V，對(duì)于一定質(zhì)量的空氣而言（M一定），它的V、P、T有密切關(guān)系，概括這些量的關(guān)系，就可以得到空氣狀態(tài)變化的基本規(guī)律—狀態(tài)方程。基本公式，推導(dǎo)1、理想氣體的狀態(tài)方程大量實(shí)驗(yàn)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(yán)格符合這個(gè)方程的氣體，稱(chēng)理想氣體。實(shí)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(dāng)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(gè)該氣體分子）（1mol的任何氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下體積是一樣的）。標(biāo)準(zhǔn)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(gè)值對(duì)1mol任何氣體都適用，叫普適氣體常數(shù)。對(duì)于質(zhì)量為M克的理想氣體設(shè)1mol氣體的質(zhì)量為μ（分子量）、體積為V1，標(biāo)準(zhǔn)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(mén)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(gè)量之間的關(guān)系。在氣象學(xué)中，常用單位體積的空氣塊作為研究對(duì)象PV=Mμ·R*TP=MVR*μTR=R*μρ=MVP=ρRTR—比氣體常數(shù)可見(jiàn)：T一定時(shí)，P與ρ成正比；ρ一定時(shí)，P與T成正比。分子運(yùn)動(dòng)論：氣壓大小決定于器壁單位面積上單位時(shí)間內(nèi)受到的碰撞次數(shù)及每次碰撞的平均動(dòng)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(dòng)能大，P大。這種形式在氣象上應(yīng)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(chēng)為濕空氣。P=ρ’R’T，P—濕空氣的總壓強(qiáng)，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