§5-1大氣層概述一、低層大氣的組成

大氣：1200km——用熱氣球探測，上界2000～3000km（衛(wèi)星探測）大氣圈：低層大氣：55km以下，含50％以上大氣物質(zhì)的質(zhì)量。包括干潔空氣、水汽和雜質(zhì)三部分。1.干潔空氣主要組分:

N2:78.09%；O2:20.95%；Ar：0.93%次要組分:CO2NeHeXeKeO3不變氣體組分：N2

、O2

、Ar可變氣體組分：H2O、CO2、O3等①CO2：0.03％，對太陽短波輻射吸收能力很弱，對地表的長波輻射吸收能力很強，同時能發(fā)射長波輻射。對地面和大氣保持一定的溫度起重要作用?！皽厥倚?yīng)”②O3：0.000002％，12—35km臭氧層，吸收波長短于0.29μm的紫外線部分。臭氧：高空O2---→O---→O3含量10-6％，隨高度分布不均勻。保護動植物免受紫外線傷害。2.水蒸氣含量不穩(wěn)定。變化范圍0～4％之間。可導(dǎo)致云、霧、雨、雪、雹等天氣變化。強烈吸收地面輻射，又向周圍氣體和地面放射長波輻射，水的相變化又能吸收和放出熱量，對氣溫和地面溫度有一定影響。例：海邊日夜溫差小，而干旱地區(qū)溫差大。海洋性氣候。3.雜質(zhì)（大部分是大氣污染物）大氣氣溶膠粒子：有自然界產(chǎn)生的，有人類活動產(chǎn)生的。自然界產(chǎn)生：大風(fēng)揚塵、火山灰、海鹽粒子、植物花粉等。人類活動產(chǎn)生：煙塵、工業(yè)粉塵、交通運輸產(chǎn)生揚塵等。固態(tài)雜質(zhì)：煙塵、工業(yè)粉塵、大風(fēng)揚塵、火山灰、海鹽粒子、植物花粉等。液態(tài)雜質(zhì)：水汽凝結(jié)物（云、霧滴、水滴等）二、描述大氣的物理量氣象要素：對大氣狀態(tài)和大氣物理現(xiàn)象給予“定量”或“定性”的描述的物理量，通過觀測獲得。1.氣溫：離地面1.5m高度的百葉箱中觀測的空氣溫度。2.氣壓：大氣作用在單位面積上的作用力，N/m2(Pa)、mmHg，atm等，巴bar，毫巴mbar1atm＝760mmHg＝101325Pa＝1013.25mbar3.氣濕：空氣濕度。絕對濕度、水蒸氣分壓力、相對濕度、飽和蒸汽壓。4.風(fēng)：空氣質(zhì)點的水平運動稱為風(fēng)，矢量（風(fēng)向，風(fēng)速）?？諝赓|(zhì)點的鉛直運動稱為升、降氣流。風(fēng)向：風(fēng)的來向，16方位、8方位注：我國習(xí)慣：東西為基本方位（西北、東北）先說單方位再說復(fù)方位（西西北、北東北）國外習(xí)慣：北南為基本方位（NE,SE）先說單方位再說復(fù)方位（NNE,ENE）報告時用英文為Northeast而中文翻譯為東北風(fēng)頻：吹某一風(fēng)向的風(fēng)的次數(shù)，占總的觀測統(tǒng)計次數(shù)的百分比，稱該風(fēng)向的風(fēng)頻。風(fēng)頻最大的風(fēng)向為主導(dǎo)風(fēng)向。下風(fēng)向受污染的概率最大。靜風(fēng)（風(fēng)速小于0.5m/s)風(fēng)頻：有近距離污染的可能。風(fēng)向玫瑰圖風(fēng)速：空氣在水平方向上移動的距離與所需時間的比值。m/s，Km/s風(fēng)向、風(fēng)速：測定指安裝于距地面10m高度上的測風(fēng)儀所觀測到的一定時間內(nèi)的平均值。我國氣象中指某時的風(fēng)向。風(fēng)速是正點前10min的平均風(fēng)向、風(fēng)速。風(fēng)力；風(fēng)級：風(fēng)速≈3.02F２/3(km/h)風(fēng)級（0～12級）。F為風(fēng)的等級。5.云：云是大氣中的水汽凝結(jié)現(xiàn)象。云高指云底距地面的高度。分高云（5000m以上）、中云（2500～5000m）和低云（2500m以下）三類。云狀：有國際云圖，由專門氣象人員去觀測。卷云（線）,積云（塊）,層云（面）,雨層云(無定形)。我國將視野能見的天空分為10等分，其中云遮蔽了幾分，云量狀況是幾。eg：碧空無云，云量＝0；陰天，云量＝10國外將天空分為8等分，云遮蔽幾分則云量就是幾。國外云量×1.25＝我國云量我國云量記錄，規(guī)范為總云量/低云量，其中總云量指所有的云遮蔽天空的分數(shù)，低云量指低云遮蔽天空的分數(shù)。eg：8/3表示：10等分低云遮3份，總云8份。在大氣環(huán)境影響預(yù)測中用云高、云量等確定“大氣穩(wěn)定度”。6.能見度：在當(dāng)時的天氣條件下，正常人的眼睛所能看見目標的最大水平距離。反映了大氣的渾濁程度，大氣中雜質(zhì)的多少。級別：10級（0~9）三、大氣層的結(jié)構(gòu)1.大氣溫度的垂直分布根據(jù)大氣溫度在垂直于下墊面（地球表面情況）方向上的分布狀況分五層：對流層；平流層；中間層；熱成層；散逸層

(重點掌握對流層、平流層的特點)三、大氣層的結(jié)構(gòu)對流層平流層中間層外逸層臭氧熱成層（1）對流層：

平均高度12km，上界面高度是變化的，夏季>冬季，赤道高17-18km，溫帶10-12km，兩極8-9km。氣溫隨高度的升高而降低，高度增加100m，氣溫降低0.65℃。強烈的對流運動?？諝饷芏茸畲螅辛巳靠諝赓|(zhì)量的3/4。氣象要素水平分布不均勻，復(fù)雜天氣現(xiàn)象。（2）平流層：對流層頂～55km分兩層：對流層頂?shù)?0～35km，氣溫不隨高度變化，同溫層；同溫層頂?shù)狡搅鲗禹敚瑲鉁仉S高度的升高而上升，逆溫層（暖層）沒有強烈的對流運動，氣流平穩(wěn)。大氣透明度良好。（3）中間層：55～88km之間高度升高，氣溫下降，高度增加1km，則氣溫降低1℃?？諝鈴娏覍α鬟\動，垂直混合明顯，稱高空對流層。（4）熱成層：85～800km。高度升高，氣溫迅速上升，300km處，氣溫達1000℃以上。在強烈的太陽紫外線和宇宙射線作用下，處在高度的電離狀態(tài)，有電離層之稱，具有反射無線電波的能力。（5）散逸層：熱成層頂以上的大氣層。氣溫極高，空氣稀薄，大氣粒子運動速度很高。2.大氣壓力和密度的垂直分布對一個地點，氣壓總是隨著高度的增加而降低，近地層，高度升高100m，氣壓降低1240Pa，高層小于該值。（1）大氣壓力的垂直分布（2）大氣密度的垂直分布

5.5km以下，大氣質(zhì)量占1/2；30km以下，大氣質(zhì)量為99％。3.大氣成分的垂直分布大氣中任一高度上各種氣體組分的比例主要取決于分子擴散和湍流擴散兩種物理過程的強者。分子擴散：湍流擴散：100km湍流擴散為主，氣體成分均勻（勻和層）分子擴散為主，較輕氣體（非勻和層）轉(zhuǎn)換高度（湍流層頂）說明：100km以下，以湍流擴散為主，勻和層100km以上，以分子擴散為主，非勻和層100km以下：N2、O2500km：O、H2、He1000km：H2、He5.2大氣邊界層的溫度場大氣邊界層：受下墊面影響的低層大氣，其厚度約為1～2km，稱為大氣邊界層或行星邊界層。下墊面以上100m左右的一層大氣稱為近地層或摩擦邊界層。中間一層（近地層到大氣邊界層頂）的一層稱為過渡區(qū)。過渡層100m近地層1-2Km大氣邊界層一、氣溫的垂直分布1.氣溫層結(jié)氣溫沿鉛直高度的變化，稱氣溫層結(jié)或?qū)咏Y(jié)。氣溫隨高度變化快慢這一特征可用氣溫垂直遞減率來表示。氣溫垂直遞減率的數(shù)學(xué)定義式,γ＝-dT/dz；它系指單位(通常取100m)高差氣溫變化速率的負值。如果氣溫隨高度增高而降低，γ為正值，如果氣溫隨高度增高而增高，γ為負值。1243溫度高度看懂此圖，會解釋1：正常層結(jié)2：中性層接3：逆溫層結(jié)4：等溫層結(jié)二、干絕熱直減率a.問題的提出ｐ’，ｖ’Ｔ’ｐ’＋ｄｐ’，ｖ’＋ｄｖ’Ｔ’＋ｄＴ’氣塊氣塊ＺＺ＋ｄＺ二、干絕熱直減率a.問題的提出一個質(zhì)量恒定的空氣塊，從地面絕熱上升時，將因周圍氣壓的減小而膨脹，一部分內(nèi)能用于反抗外壓力膨脹，而做了功，因而它的溫度將逐漸下降；上升：Q=△u＋w令Q=0→－△u＝w，△u下降內(nèi)能減少，t下降，干空氣的絕熱溫度下降其中：Q—加入熱量；△u—內(nèi)能；w—功反之，當(dāng)一個質(zhì)量恒定的空氣塊從高空絕熱下降時，由于外界氣壓逐漸增大，外壓力對氣塊做壓縮功，并轉(zhuǎn)化為它的內(nèi)能，因而它的溫度將逐漸上升。下降：Q=△u＋（－w）令Q=0→△u＝w，△u升高，t升高。這種性質(zhì)可用干絕熱直減率γd表示。定義：干空氣在絕熱升降過程中，每升降單位距離（通常取100m），氣溫變化速率的負值，稱為干空氣溫度絕熱垂直遞減率，簡稱干絕熱直減率（γd）。2.計算γd：數(shù)值推導(dǎo)前提條件：準靜力條件（假設(shè)空氣塊的氣壓P’與周圍大氣壓力相等）（P’＝P，當(dāng)某氣塊到達某一高度時，氣塊本身的壓力與大氣壓力很快就會達到平衡）氣塊作絕熱上升，應(yīng)符合絕熱過程方程式（5-7）由于準靜力條件P’=P，P’+dP‘=P+dP，則：（5-8）將靜力學(xué)方程（5-3）（dρ＝－ρgdz）和狀態(tài)方程P＝ρRT帶入（5-8），并考慮T’/T接近1，得：

（5-9）干空氣溫度：絕熱垂直遞減率的定義式。取g＝9.81m/s2，Cp＝1004J/（kg·K）Cp—空氣的定壓比熱.表示：在作絕熱上升（或下降）運動時，干空氣每上升（或降低）100m，氣溫約降低或升高1K3.對于濕空氣：①未飽和濕空氣在絕熱升降過程中，如果終態(tài)未達到飽和狀態(tài)，則遵循上述規(guī)律。

升濕空氣（未飽和）---→終態(tài)（未飽和）降②上升過程中，當(dāng)達到凝結(jié)高度時（即濕空氣中有凝結(jié)水產(chǎn)生），由于水汽凝結(jié)釋放出一些熱能，因此，在濕空氣上升到凝結(jié)高度，繼續(xù)作絕熱上升運動，則每升高100m，氣溫下降小于1℃。③飽和濕空氣下降分兩種情況：A：如含有水滴，由于水滴蒸發(fā)消耗熱量，故下降100m，氣溫升高小于1℃；B：如不含水滴則等于1℃。一空氣塊受到外力的作用，獲得了初始運動速度后，氣塊可能發(fā)生三種情況：(1)當(dāng)外力去除后，氣塊逐漸減速并有返回原來高度的趨勢，稱這種大氣是穩(wěn)定的；

(2)當(dāng)外力去除后，氣塊加速上升或下降，稱這種大氣是不穩(wěn)定的；(3)當(dāng)外力去除后，氣塊被外力推到哪就停到哪，或做等速直線運動，稱這種大氣是中性的。三、大氣靜力穩(wěn)定度及其判據(jù)大氣穩(wěn)定度的判據(jù)假設(shè)：初態(tài)T’=T，P’=P，ρ’=ρ末態(tài)：T’﹥T，P’=P，ρ’﹤ρ

對氣塊：F-G=ma，ρgV-mg=ma對于靜止氣塊F=G=ρ’gV=mg∴V=mg/ρ’g∴ρgm/ρ’-mg=maF=ρgVG=mg氣塊T’，P’，ρ‘環(huán)境T，P，ρ當(dāng)γ-γd>0，氣塊加速運動，大氣不穩(wěn)定；當(dāng)γ-γd<0，氣塊減速運動，大氣穩(wěn)定；當(dāng)γ-γd=0，大氣為中性。

因此，大氣靜力穩(wěn)定度可以用氣溫直減率與干絕熱直減率之差來判斷，即γ-γd大于、小于和等于零為大氣靜力穩(wěn)定度的判據(jù)。對于γ和γd的物理意義應(yīng)具有較確切認識。

γd是以質(zhì)量恒定的一塊空氣團為對象在干絕熱條件下垂直上升而導(dǎo)出的氣溫垂直遞減率，是一個由氣態(tài)方程給定的確定值。γ則是氣溫的環(huán)境層結(jié),是在太陽、地球的熱量幅射和其他氣象因素作用下形成的實際環(huán)境狀況。干絕熱直減率與大氣溫度直減率的區(qū)別方面類別對象運動狀態(tài)溫差取值對象時間地面以上大氣層靜止大氣不同層間的氣溫差理論上應(yīng)是同時刻不同高度的溫差變數(shù)。各層、各地一天中也不同干空氣絕熱過程運動著的氣塊同一氣塊不同高度的溫差氣塊本身不同時刻不同高度的溫差常數(shù)。1℃/100m用層結(jié)曲線（大氣溫度隨高度變化曲線）和狀態(tài)曲線（即上升空氣塊的溫度隨高度的變化曲線）的分布來判斷大氣穩(wěn)定度。課堂討論：如下圖所示，分別判斷大氣處于何種狀態(tài)，穩(wěn)定還是不穩(wěn)定？

四、位溫

1、定義：未飽和的空氣塊絕熱地移動到標準氣壓100000Pa處所具有的溫度，稱為這一未飽和空氣的位溫。記作θ。位溫是一種假想的溫度，為了比較不同氣壓情況下氣塊之間的溫度，而定義了一種不受運動狀態(tài)影響的溫度，即位溫。位溫是一個保守量。目的：用位溫梯度來判斷大氣靜力穩(wěn)定度100000Pa與變化過程無關(guān)五.氣溫層結(jié)與煙流形狀煙流形狀估計大氣穩(wěn)定度（氣溫層結(jié)）1.波浪型（翻卷型）2.錐型：3.平展型：4.爬升型（屋脊型）5.漫煙型（熏煙型）6.受限型類型發(fā)生條件發(fā)生時機煙流特點地面污染情況波浪型>0，煙流位于不穩(wěn)定大氣中多發(fā)生在太陽光較強、晴朗的白天，此時熱力流為主，風(fēng)速較小煙流上下波動地面最大濃度落地點距離煙囪較近，濃度較大錐型≈0，中性多發(fā)生在多云或陰天的白天，強風(fēng)的夜晚圓錐型，煙流軸線近乎水平，擴散能力較波浪型差地面最大濃度較波浪型遠，濃度較波浪型小，范圍較大平展型<－1，煙流位于逆溫層晴朗的夜晚和早上，（逆溫沒破壞以前）扇型，鉛直方向厚度較小，擴散能力很差高煙囪近距離不會造成污染，遠處濃度低，污染范圍較大。爬升型<0多發(fā)生在日落前后（0.5～1h）煙流不向下擴散，只向上擴散，此種煙流持續(xù)時間較短對地面產(chǎn)生污染較小類型發(fā)生條件發(fā)生時機煙流特點地面污染情況漫煙型>0日出后，地面增溫，近地層空氣被加熱，逆溫自地面向上破壞，當(dāng)破壞到煙流中時發(fā)生（8～11點）大氣污染物向下方擴散，煙流持續(xù)時間短約0.5h造成短時間的地面高濃度受限型上下逆溫層之間的不穩(wěn)定大氣中晴朗天氣，微風(fēng)的早上，夏天較多見。煙流被限制在狹小的空間中地面不受污染。六、逆溫1.發(fā)生背景太陽輻射短波，地面在吸收太陽輻射后，也向外輻射，但主要是長波輻射。大氣吸收短波輻射能力弱，而吸收長波能力極強。被太陽輻射加熱的地面，靠熱傳導(dǎo)把貼近地表層加熱，然而，通過湍流作用把熱量向上傳遞。近地層氣溫隨著地面溫度的增加而增加，而且是自下而上被