《大氣基本特征》課件

大氣基本特征大氣是地球環(huán)境的重要組成部分。它包含多種氣體成分,形成復(fù)雜的層次結(jié)構(gòu),并具有許多獨特的理化特性。了解大氣的基本特征有助于我們更好地認(rèn)識地球生態(tài)系統(tǒng)。課程簡介課程目標(biāo)讓學(xué)生全面了解大氣的基本特征,包括溫度、壓強、密度、折射等,為后續(xù)學(xué)習(xí)大氣科學(xué)奠定基礎(chǔ)。課程內(nèi)容從大氣層結(jié)構(gòu)、溫度分布、水在大氣中的形式等基礎(chǔ)知識講起,逐步深入探討大氣的物理特征。教學(xué)方法采用理論講授、多媒體演示、實踐操作相結(jié)合的方式,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。大氣層結(jié)構(gòu)大氣層層次結(jié)構(gòu)地球大氣層由對流層、平流層、中間層、熱層和外層構(gòu)成,每一層都有其獨特的特點和作用。溫度變化特點由下而上,氣溫先降后升再降,這種特點反映了各大氣層的溫度結(jié)構(gòu)和變化規(guī)律。相對高度分布對流層占整個大氣層的75%,是最重要的一層,其上層平流層、中間層等各層占比較小。大氣溫度大氣溫度特點自地面向上逐漸降低，存在明顯垂直分層溫度變化原因太陽輻射加熱地表，地表通過熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射將熱量傳輸給大氣影響因素緯度、季節(jié)、地形、云量等大氣溫度的垂直分布體現(xiàn)了大氣的多層結(jié)構(gòu)。溫度隨高度的變化對大氣動力過程和天氣變化有重要影響。了解大氣溫度特點有助于更好地理解和預(yù)測天氣。大氣壓強101.3K標(biāo)準(zhǔn)大氣壓海平面標(biāo)準(zhǔn)大氣壓為101.3千帕斯卡1%高度對壓強影響每上升100米,大氣壓下降約1%10%高空大氣壓在5,500米高度,大氣壓僅為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的10%5000大氣壓跨度從海平面到5,500米高度,大氣壓下降約5000帕斯卡大氣密度大氣密度是指大氣中單位體積內(nèi)的質(zhì)量。大氣密度隨高度的增加而減小。在地球表面附近,大氣密度約為1.225千克/立方米。這是由于重力的作用,下層空氣壓縮而上層空氣稀疏造成的。大氣密度的變化直接影響了空氣的浮力和氣壓的分布。大氣折射大氣折射是光線在穿過大氣層時受到折射的現(xiàn)象。這是由于空氣密度隨高度變化而導(dǎo)致的光線折射角度變化。光線在穿過大氣層時會先經(jīng)歷一段折射進入后然后逐步折向地面,使遠處物體看起來略有提升。這種折射現(xiàn)象會導(dǎo)致天空出現(xiàn)扭曲或幻影效果。氣體組成主要成分大氣中主要成分為氮氣(78.08%)和氧氣(20.95%)。其他成分還包括氬氣(0.93%)、二氧化碳(0.04%)和微量的氫氣、氦氣等。溫室氣體二氧化碳、甲烷、一氧化二氮等溫室氣體占大氣微量成分,但對地球氣候有重要影響。人類活動導(dǎo)致的溫室氣體排放是導(dǎo)致全球變暖的主要原因。稀有氣體氬氣、氮氣等稀有氣體雖然含量很低,但在工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。它們的存在使大氣具有獨特的化學(xué)特性。水在大氣中的形式水在大氣中存在于氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)三種形式。水汽是無色無味的氣體形式,通過蒸發(fā)從地表進入大氣。凝結(jié)成液滴和冰晶則形成云層和雨雪。大氣中的水分還可以以霧、露和霜的形式存在,影響人們的生活和活動。大氣中水的三態(tài)轉(zhuǎn)變1氣體態(tài)水蒸汽形式存在于大氣中2液體態(tài)水汽冷凝形成液態(tài)水3固體態(tài)液態(tài)水結(jié)冰形成冰晶或雪大氣中的水不僅以氣體態(tài)的水蒸汽形式存在,還會根據(jù)溫度和壓力的變化在液體和固體狀態(tài)間發(fā)生轉(zhuǎn)變。這種三態(tài)轉(zhuǎn)變是極為動態(tài)和復(fù)雜的過程,對大氣環(huán)境和天氣形成有著重要影響。大氣中水的分布水汽云層降水大氣中水分主要以水汽的形式存在,占總量的50%左右。另外,大約40%的水分分散在各種云層中,而剩余10%左右的水分以降水的形式存在。這種水分分布情況關(guān)乎著地球的水循環(huán)和氣候變化。大氣濕度相對濕度反映空氣中水汽飽和程度的指標(biāo)，空氣中水汽壓與飽和水汽壓的比值。絕對濕度單位體積空氣中水汽的實際質(zhì)量，與溫度和壓力有關(guān)。露點溫度當(dāng)空氣冷卻到此溫度時，空氣中的水汽就會開始凝結(jié)。大氣濕度反映了空氣中水汽的狀態(tài)和含量,是重要的氣象要素,對天氣、氣候以及許多自然過程有很大影響。準(zhǔn)確測量和掌握大氣濕度情況對氣象預(yù)報、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等都很關(guān)鍵。大氣熱量收支平衡太陽輻射大氣層接受來自太陽的短波輻射,為地球提供熱量來源。地表吸收地表吸收部分太陽輻射,并重新以長波形式向大氣輻射。大氣熱交換云層和大氣成分會吸收一部分的長波輻射,并重新向地面和外層空間輻射。熱量循環(huán)大氣通過輻射、對流和導(dǎo)熱過程,實現(xiàn)熱量的收支平衡。大氣熱量傳輸熱量輻射太陽輻射將熱量傳播到地球大氣層,地球表面也會向外輻射熱量。熱量對流大氣中溫度梯度會導(dǎo)致熱量在垂直方向上的對流傳輸。熱量傳導(dǎo)大氣中的熱量在水平方向上通過分子運動在氣體間傳導(dǎo)。溫室效應(yīng)1溫室氣體吸收和反射熱量溫室氣體像玻璃溫室一樣,吸收地球表面反射的熱量,并將熱量部分再次反射回地球表面,導(dǎo)致地球整體溫度上升。2主要溫室氣體及其來源主要溫室氣體包括二氧化碳、甲烷、氧化亞氮等,主要來自人類活動如化石燃料燃燒、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等。3溫室效應(yīng)對氣候的影響溫室效應(yīng)導(dǎo)致全球氣溫上升,引發(fā)極端氣候事件、海平面上升、冰川融化等一系列嚴(yán)重后果。大氣環(huán)流大氣環(huán)流指大氣中空氣的整體移動和循環(huán)。它由水平環(huán)流和垂直環(huán)流兩部分組成。水平環(huán)流主要包括大氣環(huán)流中的基本模式和各種尺度的風(fēng)系，如常見的東北信風(fēng)、西風(fēng)帶等。垂直環(huán)流則主要體現(xiàn)在對流和輻合等熱力作用引起的上升和下沉運動。大氣環(huán)流的形成與分布受到地球自轉(zhuǎn)、地表坡度、海陸熱力差異等因素的影響。它主導(dǎo)著氣壓場、溫度場和水汽場的整體格局，從而決定了各地的天氣和氣候。大氣環(huán)流模式1全球性環(huán)流模式地球大氣環(huán)流系統(tǒng)包括三大類型的環(huán)流模式:hadley環(huán)流、ferrel環(huán)流和極地環(huán)流。這些環(huán)流模式?jīng)Q定了全球范圍內(nèi)的風(fēng)系和氣壓分布。2區(qū)域性環(huán)流模式在特定地域還存在季風(fēng)環(huán)流、山谷風(fēng)等區(qū)域性大氣環(huán)流模式,它們受當(dāng)?shù)氐乩項l件的影響而形成。3垂直環(huán)流模式大氣環(huán)流還包括對流層內(nèi)的對流環(huán)流和平流層內(nèi)的極地渦旋等垂直環(huán)流模式,它們在大氣熱量交換和物質(zhì)輸送中起重要作用。風(fēng)的形成1熱量差異由于地表吸收和反射熱量的不同,會產(chǎn)生不同溫度區(qū)域,從而造成氣壓差。2氣流流動高壓區(qū)向低壓區(qū)流動,形成水平氣流運動,這就是風(fēng)的基本形成過程。3其他因素影響科里奧利效應(yīng)、地形等因素也會影響風(fēng)的流向和速度,形成不同的風(fēng)型。風(fēng)向與風(fēng)速0°風(fēng)向根據(jù)風(fēng)吹的方向確定風(fēng)向。以指北針為參考，通常分為16個基本風(fēng)向。50km/h風(fēng)速風(fēng)速是描述風(fēng)力強弱的指標(biāo)，常用公里/小時為單位。12Beaufort蒲福風(fēng)級依據(jù)風(fēng)速大小分為12個等級，用于定性描述風(fēng)力強弱。1.6m/s平均風(fēng)速根據(jù)各地多年平均資料計算得出的常年平均風(fēng)速。天氣系統(tǒng)各類天氣系統(tǒng)大氣中存在著各種不同的天氣系統(tǒng),包括對流性天氣系統(tǒng)、鋒面天氣系統(tǒng)和高空天氣系統(tǒng)等。這些天氣系統(tǒng)影響著不同地區(qū)的天氣變化。天氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)天氣系統(tǒng)通常由氣團、氣壓帶和鋒面等要素組成,這些要素相互作用形成復(fù)雜的天氣過程。了解天氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有助于更好地預(yù)測天氣變化。天氣系統(tǒng)動力天氣系統(tǒng)的形成和發(fā)展受到太陽輻射、地球自轉(zhuǎn)、地形等多種因素的驅(qū)動。這些動力因素促使天氣系統(tǒng)不斷演變,從而影響著區(qū)域性的天氣狀況。對流性天氣系統(tǒng)對流云系對流性天氣系統(tǒng)通常由對流云系組成，如積雨云、雷暴云等,這些云體形態(tài)各異,表現(xiàn)出強烈的垂直對流運動。強對流活動在這類天氣系統(tǒng)中,強烈的上升氣流和下沉氣流交替出現(xiàn),帶來短時強降水、雷電、龍卷風(fēng)等劇烈天氣。對流系統(tǒng)形成強烈的日照加熱或鋒面抬升等因素,引發(fā)地表熱量和濕氣大量向上輸送,最終形成對流性天氣系統(tǒng)。鋒面天氣系統(tǒng)鋒面概念鋒面是指冷暖氣團交界的區(qū)域,是天氣系統(tǒng)的重要組成部分。冷暖氣團之間存在氣溫、濕度和風(fēng)向的顯著差異,會引發(fā)各種天氣變化。鋒面類型主要有冷鋒、暖鋒和靜止鋒三種類型。不同鋒面系統(tǒng)帶來的天氣變化各不相同,需要仔細觀測和分析。鋒面天氣特征鋒面會引起地面氣壓變化、云量增加、降水和溫度波動等天氣現(xiàn)象。了解這些特征有助于準(zhǔn)確預(yù)報天氣變化。鋒面天氣預(yù)報通過監(jiān)測和分析鋒面位置、強度、移動方向等,可以預(yù)測未來天氣變化趨勢,為天氣預(yù)報提供依據(jù)。高空天氣系統(tǒng)高空急流高空急流是高層大氣中的快速氣流,可影響天氣系統(tǒng)的發(fā)展。平流層平流層是大氣層的一部分,位于對流層之上,具有特殊的溫度特征。對流層頂對流層頂是對流層與平流層的分界面,標(biāo)志著大氣環(huán)境發(fā)生變化。高壓系統(tǒng)高氣壓系統(tǒng)通常帶來晴朗干燥的天氣,是重要的天氣系統(tǒng)類型。天氣預(yù)報基本要素氣溫氣溫是最基本的天氣要素，可以反映大氣熱量狀況。通過溫度感應(yīng)儀器測量空氣溫度.降水水在大氣中的變化狀態(tài)反映了天氣變化情況。測量降雨量、降雪量等可了解天氣動態(tài).風(fēng)向風(fēng)速風(fēng)是大氣運動的反映。通過測量風(fēng)向和風(fēng)速可了解大氣運動特征和方向.氣壓大氣壓力是決定天氣變化的重要因素。測量氣壓變化可預(yù)測短期天氣變化趨勢.天氣預(yù)報技術(shù)1數(shù)值天氣預(yù)報利用復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型和高性能計算機對大氣運動進行數(shù)值模擬,從而預(yù)測未來天氣。2衛(wèi)星遙感監(jiān)測利用環(huán)繞地球的氣象衛(wèi)星,實時監(jiān)測云系、氣壓、溫度等大氣要素,為天氣預(yù)報提供重要數(shù)據(jù)。3雷達探測技術(shù)通過地面、機載雷達探測大氣中的降水、風(fēng)向等信息,為短時間內(nèi)的天氣預(yù)報提供支持。4人工智能輔助利用機器學(xué)習(xí)模型對海量天氣數(shù)據(jù)進行分析,提高天氣預(yù)報的準(zhǔn)確性和可靠性。天氣預(yù)報應(yīng)用領(lǐng)域農(nóng)業(yè)和園藝精準(zhǔn)的天氣預(yù)報可以幫助農(nóng)民合理規(guī)劃種植時間、農(nóng)業(yè)作業(yè)以及灌溉。航空和航運航空公司和船舶公司需要實時掌握天氣變化情況以確保安全航行。交通管理針對雨雪天氣的交通管制和應(yīng)急預(yù)案制定離不開專業(yè)的天氣預(yù)報分析。能源供給風(fēng)電和太陽能發(fā)電效率取決于天氣條件，需要預(yù)測以優(yōu)化供給。天氣預(yù)報的發(fā)展趨勢數(shù)字模型與機器學(xué)習(xí)天氣預(yù)報技術(shù)正在向數(shù)字模擬和機器學(xué)習(xí)的方向發(fā)展,利用強大的計算能力和大數(shù)據(jù)分析提高預(yù)報精度。多源數(shù)據(jù)融合結(jié)合衛(wèi)星遙感、雷達探測、地面觀測等多種數(shù)據(jù)源,可以更全面地掌握天氣動態(tài)。預(yù)報場時間延長通過不斷完善的數(shù)值模式,預(yù)報范圍可以從幾天延長到一周甚至更長,為災(zāi)害預(yù)警和應(yīng)急管理提供更有效支撐。個性化服務(wù)利用大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù),天氣預(yù)報將向更加個性化、精準(zhǔn)化的方向發(fā)展,滿足不同用戶的需求。大氣污染工廠排放工廠在生產(chǎn)過程中排放的煙塵、廢氣等污染物是大氣污染的主要來源之一。機動車尾氣汽車、摩托車等機動車排放的有害氣體和顆粒物也是大氣污染的重點。電力生產(chǎn)電力行業(yè)燃燒化石燃料所釋放的各類污染物也是大氣污染的重要來源。生活污染居民生活過程中的燃料燃燒、垃圾焚燒等也會產(chǎn)生大氣污染。大氣污染監(jiān)測與治理1監(jiān)測通過先進的監(jiān)測設(shè)備,實時監(jiān)測大氣污染情況2分析對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行深入分析,識別污染源和成因3治理采取針對性的排放控制和污染治理措施4管控建立健全的大氣環(huán)境保護法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)體系大氣污染監(jiān)測包括對細顆粒物、重金屬、溫室氣體等的實時監(jiān)測,并對數(shù)據(jù)進行深入分析,以找出污染源頭。政府、企業(yè)和公眾共同參與,通過一系列的排放控制和治理措施,共同維護藍天白云。大氣環(huán)境保護的重要性健康保障良好的大氣環(huán)境直接關(guān)系到人類的身體健康和生活質(zhì)量。保護大氣環(huán)境有助于減少呼吸系統(tǒng)疾病的發(fā)生。生態(tài)平衡大氣作為連接陸地、海洋和生物圈的媒介,對生態(tài)系統(tǒng)