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1、第二讲 大气,Like a fish in the ocean, man is confined to a very shallow layer of atmosphere.,主要参考书,华莱士、霍布斯著,王鹏飞等译,大气科学概观,上海科学技术出版社,1981. 徐绍祖主编:大气物理学基础,气象出版社,1993. 徐玉貌、刘红年、徐桂玉编著:大气科学概论,南京大学出版社,2000.,第二讲 大 气,大气的成分 大气的垂直结构 表征气体状态的物理量,大气现象 气体状态方程,干洁大气、水汽、气溶胶,除去水 分以外 的纯净 大气, 称为干 洁大气。,主要成分:N2,O2,Ar,CO2,浓度300pp
2、mv,微量成分:如CH4,浓度在120ppmv之间,痕量成分:O3,H2,氮氧化合物,硫化合物及认为污染物氟氯烃类化合物,浓度1ppmv,按照浓度分类,N2,O2,Ar占空气体积的99.966%,按照平均停留时间分类,基本不变成分:lifetime1000a,各成分间比例不变。有N2,O2,Ar及Ne,Kr等惰性气体。 可变成分:平均寿命为几年到十几年,比例随时间、地点变化。有CO2,CH4,H2,N2O等。 变化很快的气体成分, lifetime1a,如碳、硫、氮等的化合物。,占的体积比例为78%,占的体积比例为21%,(2)氧气(Oxygen, O2) 是维持人类和植物生存的重要气体 对有
3、机物燃烧、腐败和分解起着重要作用,大气中氧的来源,2H2O 2H2 +O2 H2O+ CO2 CH2O+O2,水的离解作用(光解作用):需要吸收紫外辐射。,光合作用:需要吸收可见光辐射。,地球大气的氧主要由后者产生:30亿年之前,只有水的离解作用产生很少量的氧气,臭氧更少,出现原始生命体,都在水下10m左右(?),这种生物可以释放氧气;6亿年前,O2浓度达到目前的百分之一,O3增加,植物、动物由海洋转为陆地;4亿年前,O2达到目前的十分之一,之后逐渐平衡。,氧气越来越多-紫外辐射越来越少-植物登陆,接触可见光多了-产生更多的氧 与此同时,动植物的呼吸和死亡-消耗氧气,排放二氧化碳-平衡,氧气的
4、光致离解作用,高层,光致离解作用随着高度下降而降低,而低层大气中氧气含量增加,40-50km高度上O3耗散的主要过程,平流层,O3在平流层吸收的部分太阳辐射能量,估计使得地面平均温度下降1-2度,对流层内的O3,占O3总量的10% 强氧化剂作用在许多大气污染过程中起重要作用,如SO2及氮氧化合物的转化,是酸雨和光化学烟雾的主要起因之一。 在红外波段9.6um有强吸收带,造成对流层大气的增温,从而和CO2、CH4一起属于温室气体。 地表附近的O3可危害生态环境。高浓度O3对呼吸系统有害。,平流层的湍流和扩散;对流层内的光化学作用;雷暴、闪电,大气O3总量有明显的地区变化,O3总量年平均值的全球分
5、布(19701977年卫星观测结果),主要分布于北半球6570度和南半球6065度;北半球O3总量大于南半球O3总量,赤道附近极小值,y?,大气O3总量有明显的季节变化,O3总量年平均值的全球分布(19701977年卫星观测结果),赤道两旁25度纬度范围内季节变化不太明显;春季在高纬度地区达极大值,春天,冬季平流层中的大量冰晶云储存了CL离子,到了春季CL离子释放,臭氧洞形成的另一个原因: 大气动力学因素。 4月-11月,南半球的冬春季节里,南极大陆受到一个稳定围绕极地的涡旋气流控制,从而阻止极地地区大气与中高纬大气的交换。 一方面使得极地大气温度受到极地影响不断降低,平流层温度低于-84度,
6、很多冰晶云,其中的CL离子促进O3分解; 另一方面,低纬度平流层内的O3无法进入极地地区。,近年来O3的变化,全球O3总量的变化比较复杂,总的说来有下降趋势。,中国近十多年O3总量变化的主要特征,大气O3不断在减少,平均年递减率随纬度增加而增大,在海口地区为0.077%/年,在漠河地区为0.75%/年,相差近10倍。 青藏高原夏季(69月)形成大气O3总量异常低值中心。,由于青藏高原独特的地形,在夏季盛行上升气流,带来高空辐散,二氧化碳(carbon dioxide),如果地球周围不被大气层包围的话,地球表面的等效温度大约是19。但实际观测到的地球表面温度约为15。远高于辐射平衡温度,这主要是
7、由于大气的存在使地球表面的平衡的温度升高了。大气对太阳的短波辐射是透明的,而对地球表面的长波辐射不太透明,其性质如同温室的玻璃一样。所以,一般把大气的这种保温作用又称为“温室效应”。把具有温室效应的气体统称为“温室气体”。大气中的主要温室气体不是大气的主要成分,而是水汽,CO2,CH4,N2O,CFCs。 自然界的温室气体使地球保持适当的温度(平均15),而适于人类和生物生存。但是当他们的浓度增加,将会使地球温度升高,改变气候及其他气象要素,特别是降水的重新分布。 温室气体浓度增加,使全球平均地表温度升高,严格地说,这是在自然温室气体浓度之上增加的“增强温室效应”,人们经常把”增强”二字省略,
8、但不应忘记。,The current concentration of CO2 is about 365 ppm (part per million), as compared to the pre-industrial concentration of about 285 ppm. This is an increase of about 28% This increase is primarily due to the burning of fossil fuels (also some loss of biomass),全球变暖的后果,云层中液态水含量增加,全球降水量重新分配,冰川和冻土
9、消融,海平面上升,干旱等,既危害自然生态系统的平衡,更威胁人类的食物供应和居住环境。,Snow cover and ice extent have decreased,Global average sea level has risen and ocean heat content has increased,地表上的水 全球年水量平衡,液态水体(江、河、湖、海)的蒸发、土壤水分的蒸发和陆地植物叶子的蒸腾,大气中的水汽含量在全球水含量的比例,大气中的水汽约为28万亿吨9526.6万亿吨。 全球平均气柱内的水汽总量为27kg/m2,水汽的空间分布,水汽绝大部分集中在对流层下部,随高度增加而急剧减
10、少,水汽实际上随地区和季节的差异有很大的变化。,1.52km以下,减少为地面的10%,4、大气气溶胶粒子(aerosol particle) 1、定义: 现在普遍采用最早由Donnan在第一次世界大战期间的研究工作中,把aero同sol相联而得的术语aerosol。 尺度范围:1nm-100m,大气中分散、悬浮,且沉降速率很小、尺度在1nm-100m 之间的固态和液态微粒,称为大气气溶胶粒子。,2、大气气溶胶粒子的源和汇,据估计,全球气溶胶质粒主要是自然界产生的,人工来源仅为自然来源的五分之一。 土壤岩石风化及火山喷发的尘埃 烟尘及工业粉尘 海水气泡 气-粒转化 微生物、孢子、花粉等有机物质点
11、 宇宙尘埃,1)源,海面波浪的气泡破裂时,能产生气溶胶粒子。如一个气泡破裂时,其气泡膜的破碎可产生许多小水滴,小水滴蒸发后,可产生较小的盐粒。气泡破裂产生的凹陷处,水会窜出成射流,并断裂成水滴。水滴蒸发,形成大盐核。,2)汇 即气溶胶粒子被移出大气的过程。 对流层大气中质粒的移出或消失可以通过 上层大气的泄漏,也可以在地面沉积。 按是否有水质粒参与,分为干沉降、湿沉降。,干沉降过程:指质粒在干的状况下移出大气的过程。包括重力下沉、附粘移出。 湿沉降过程:指质粒受雨雪或云雾滴等影响而下沉到下垫面移出大气的过程。包括凝长下沉、碰并下沉。,大气气溶胶粒子在大气过程中的作用,1)在云雾降水中的作用 可
12、作为水汽凝结和凝华以及水滴冻结的核心,即部分大气气溶胶粒子可作为CCN(cloud condensation nuclei)或IN (ice nuclei),2)对大气辐射过程的影响 吸收和散射太阳辐射,影响大气温度的垂直分布。,3)对大气光学特性的影响 对太阳光的散射和吸收,会影响大气能见度。 还会影响天空颜色。一些光学现象的出现,也与 它们的作用有关。 4)对大气电学特性的影响,天空的颜色、曙暮光等,通常将实际大气中的气溶胶粒子和大气污染物统称为大气杂质。,地球大气分层(t),外逸层,热层,中间层,平流层,对流层,大气边界层,飞机为什么理论上应该在平流层飞行?,1、对流层(12km以下),
13、在赤道地区对流层顶的高度约18千米,中纬度地区约12千米,极地地区约8千米。夏季的对流层厚度大于冬季。 以南京为例,夏季的对流层厚度达17公里,而冬季只有11公里,冬夏厚度之差达6公里之多。,Why?,1)、温度随高度的增加而降低,气温递减率为6.5/km,定义气温递减率:高度每升高单位高度气温降低的度数。,2)、对流层中的垂直运动显著。,3)、集中了80%的大气质量和几乎全部水汽。,对流层特点,4)、云雾降水均发生在此层,5)、受地表影响最强烈,空气属性的 水平分布很不均匀,2、平流层(12km55km),1) 25km以下温度递减率接近零,25km左右温 度随高度明显增加。每公里升温2C。
14、最高达到-3C。? 2) 平流层气流运动主要以水平运动为主。 3) 水汽极少,颗粒物极少,能见度极好。 4) 大气污染物进入平流层后能长期存在。,O3的作用,说明:对流层和平流层之间的气体混合是相当弱的。,4、热层(550km),1)温度随高度增加而上升。,2)高度电离。,3)带电粒子运动受地球磁场的作用明显。,强紫外辐射的光化学分解和电离反应造成了高温,分子稀薄,传导率小,所以温度梯度很大。最高温度趋于1000-2000k,昼夜温差极大,极光:一种辉煌瑰丽的大气光学现象。太阳发射的高速带电 粒子流使得高层稀薄大气分子或原子被激发,激发的粒子要 回到基态时发出可见光,就是极光。这种太阳的高速带
15、电粒 子流在地磁场的作用下趋于两极分布,所以极光常出现在高 纬度地区。,地球磁场是通过电流流动的发电机效应产生磁场的。 地球磁场是偶极型。磁铁的N极大体上对着南极产生的磁场。,地球大气的上界,把极光出现的最高高度作为大气上界。约1200km。 卫星探测。约2500-3000km。 磁层顶作为大气上界。,Actually,主要气象要素,气象要素:表征大气状态和现象的物理量。例如,气温、空气湿度、气压、风、能见度、降水等。,一、气温,1、定义:表示空气冷热程度的物理量,2、温标,关系:,3、观测,地面气温指离地1.5m(我国)高处百叶箱里的气温。土温指的是埋在地表、地表以下5cm、10cm、15c
16、m、20cm的温度计。,二、气压,1、定义:在任何表面的单位面积上空气分子运动所产生的压力。,2、单位:国际单位帕(Pa) 气象上常用百帕(hPa) 1标准大气压=1013.25hPa,3、测量:,静止大气中,任一高度上的气压值等于这一高度铅直向上直到大气上界的空气柱质量。,2、等压面图、等高面图,等压面是空间气压相等的各点所组成的面。由于同一高度,各地气压不相等,等压面在空间不是平面,而是象地形一样起伏不平。 在等压面图上,用等高线表示气压的空间分布。 等压面凸起的地方,表示在同一高度上,气压比四周高。在等压面图上,是一组闭合等高线构成的高值区。,等压面凹下,表示同一高度上,气压比四周低。在
17、等压面图上,是一组闭合等高线构成的低值区。,因此,在等压面图上,由等高线的分布可反映等压面的 起伏,表示气压的空间分布状况。,目前地面天气图,就是高度为零的等高面图,在地图上填上海平面气压值,绘制等压线,此外,地面天气图上还标有其他天气符号和等值线。,三、空气湿度,1、定义:表示空气中水汽含量多少或潮湿 程度的物理量。,2、水汽达饱和,3、湿度参量,由水汽和平面纯水(或纯冰)组成的系统,在某温度下达到两相平衡时,称为水汽达饱和。,有很多个,1)水汽混合比 r,单位:kg/kg,2)比湿 q,单位:kg/kg,q 与r 的关系:,3)绝对湿度(水汽密度),单位:kg/m3,V 为湿空气体积,4)
18、水汽压 e :湿空气中水汽的分压强。 单位为hPa,相对于纯水(冰)平面的饱和水汽压Ew(Ei),仅是 温度的函数,随温度升高而增大。,5)相对湿度 f,6)露点td、霜点tf,湿空气在水汽含量不变的情况下,等压降温至相对于纯水平面达饱和时的温度,称为露点;等压降温至相对于纯冰平面达饱和时的温度称为霜点。,四、风,1、风的概念,1)空气相对运动形成风,大气科学中的风以地面为参照物,分水平风、垂直风。,2)风是矢量,水平风是二维矢量,3)水平风有两种描述方法:分量法、方向大小法,2、风向,1)指风的来向,2)表示方法:用16个地理 方位用方位角,正北开始。,3、风速,表示方法,1)单位时间里空气
19、所经过的距离。 单位:m/s,2) 风级,热带低压(中心附近最大风力67级) 热带风暴(89级) 强热带风暴(1011级) 台风(12级)。,例如,热带气旋用风级划分为:,0 无风 0.0-0.2 烟直上 平静 0.0 1 软风 0.3-1.5 烟示风向 微波峰无飞沫 0.1 2 轻风 1.6-3.3 感觉有风 小波峰未破碎 0.2 3 微风 3.4-5.4 旌旗展开 小波峰顶破裂 0.6 4 和风 5.5-7.9 吹起尘土 小浪白沫波峰 1.0 5 劲风 8.0-10.7 小树摇摆 中浪折沫峰群 2.0 6 强风 10.8-13.8 电线有声 大浪到个飞沫 3.0 7 疾风 13.9-17.
20、1 步行困难 破峰白沫成条 4.0 8 大风 17.2-20.7 折毁树枝 浪长高有浪花 5.5 9 烈风 20.8-24.4 小损房屋 浪峰倒卷 7.0 10 狂风 24.5-28.4 拔起树木 海浪翻滚咆哮 9.0 11 暴风 28.5-32.6 损毁普遍 波峰全呈飞沫 12 飓风 32.7- 摧毁巨大 海浪滔天 14.0,五、能见度,气象上规定:标准视力的眼睛观察水平方向,以天空为背景的黑色(不反射光)目标物(视角在0.5-5之间),能从背景上辨认出来目标物轮廓的max距离,称为气象能见距离; 气象能见距离大小的程度,称为气象能见度。(由能见度距离来判断雾的分级。),从飞机上看地面目标物
21、时,其能见度属于斜视能见度,与气象能见度不同。,测量:,测量大气能见度一般可用目测的方法,也可以使用大气透射仪、激光能见度自动测量仪等测量仪器测量。,受气溶胶影响,大气中的常见现象,虹和霓 含七种色光的太阳光线,射入大气中的水滴(雨滴或雾滴),各种色光经历折射和反 射后,可在雨幕或雾幕上形成彩色光弧环。光环的彩色排序是内紫外红时,称为虹。(光线在水汽滴内经历了一次反射、一次折射) 在虹的外面,有时还出现较虹弱的彩色光环,彩色环的排序与虹相反即内红外紫,称为霓或副虹。(光线在水汽滴内经历了两次反射、一次折射) 虹和霓都要背对太阳而立才能观察到。在夏日的傍晚,西方放晴而东方天空有云 雨时,最易看到
22、虹和霓。,折射和反射,大气中的电学现象,晴天大气电场:在地表附近的电场强度约120V/m,总电流为1.8KA。,扰动天气(由天气过程、特别是对流天气过程)电场:,云电荷分布 预击穿过程 梯级先导,连接过程,回击过程,击间过程,直窜先导,继后回击,负地闪的物理过程,当E300kV/m时, 地闪先导常以多分叉的形式慢速向地面行进,并在地面形成两个或两个以上的接地点;增加了雷电防护的复杂性。 梯级先导的发展速度约为: 0.8-1.18105m/s。,高速摄像拍摄到的多接地点回击,枝状闪电,雷暴活动是维持地球-大气系统电平衡的重要方式。,片状闪电: 它看起来好象是在云面上有一片闪光。,球状闪电: 通常
23、都在雷暴天气之下发生; 它十分光亮,略呈圆球形,直径大约是20至50 cm。 通常它只会维持数秒,但也有维持了1-2分钟的纪录。 更神奇的是它可以在空气中独立而缓慢地移动。,http:/zh.wikipedia.org/wiki/Image:Mistifikatsia.gif,dB(Decibel,分贝) 是一个纯计数单位,本意是表示两个量的比值大小,没有单位。 dB的意义其实再简单不过了,就是把一个很大(后面跟一长串0的)或者很小(前面有一长串0的)的数比较简短地表示出来。如(此处以功率为例): X = 100000 = 105 X(dB) = 10*lg(X) dB= 10*lg(105) dB= 50 dB X = 0.000000000000001 = 10-15 X(dB) = 10*log(X) dB= 10*log(10-15) dB= -150 dB,气体状态方程:描述气体变化规律的方程,287J/(kg*K),小结 1、O3、CO2的时空分布特点、生消、作用?对现代社会有什么影响? 2、什么是大气?从温度随高度变化的角度讲,大气如何分层?对流层的特点? 3、温室效应、臭氧洞。,
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