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大气物理

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1 第二章 云雾降水形成的物理基础

1 云雾形成的一般宏微观机制

1.1 云雾的组成

云雾：三相水与空气的整体

云是由水滴、冰晶、水汽和空气共同构成的统一体。

水汽（先决条件）—云雾滴（维持的保证）

空气（存在环境）

水的密度：1；冰的密度：9/10；空气密度：1/800

下落—空气阻曳力 -> 飘浮

组成云体的单个云滴或冰晶通过凝结等过程产生，通过蒸发或降水等过程而消失，存在时间很短。云体或云系的持续存在是由新的云粒子的不断生成维持的。这一过程向着新粒子生成的区域传播，就是说新粒子生成的方向不一定沿着风向。单个云滴、冰晶或降水粒子运动速度是由环境空气流速和其自身的下落速度相加而得到的速度和决定的。

1.2 未饱和湿空气达到饱和的主要途径—相对湿度变化方程

1.2.1 复习：Clausius-Clapeyron方程

盛裴轩等编著，2003：《大气物理学》，北京大学出版社，p127

周文贤、章澄昌译，1983：《云物理简明教程》，气象出版社，P14 2 沈春康编著，1983：《大气热力学》，气象出版社，p111

相对湿度f >100%凝结、凝华水滴、冰晶。

1.2.2 相对湿度变化方程：

/feE

取对数微分：

lnlnlnfeE

dfdedEfeE

平水面饱和水汽压与温度的关系，可以用Clausius-Clapeyron方程表示（王李1.7式；Rogers&Yau 2.10式）：

2vvLEdEdTRT或2vvLdTdEERT

其中，E为饱和水汽压，T为绝对温度，Lv为水汽相变潜热（0℃：2.50×106 J/Kg），Rv为水汽比气体常数，其值为461.5 J/Kg.K。可得：

2vvLdTdfdefeRT

可见，增大相对温度有两个途径：增加水汽（de>0）和降温（dT<0）。一般说来，大气中形成自然云雾，主要通过空气上升运动绝热膨胀降温，另外夜间辐射冷却也可形成局地云雾，当然局地增加水汽含量的作用也不能忽略，尤其是维持某地区上空的连续降水，必须有水汽汇流不断输入补充。 3 1.3 云雾形成的常见宏微观过程

4

2 空气中的水汽

2.1 全球水分循环

海洋、大气和陆地的水，随时随地通过蒸发、水汽输送、降水、下渗和地表与地下径流等水文过程，进行着连续的大规模交换，称为水分循环。

自海洋表面蒸发的水分，上升凝结后直接降落海洋中，或自陆地表面蒸发的水分，上升凝结后也有一部分直接降落陆地上，这种水分循环就叫水分内循环，或称小循环。

当海洋上蒸发的水分，被气流带到陆地上空以雨雪形式降落到地面时，一部分通过蒸发或，一部分通过蒸发和蒸腾返回大气，一部分渗入地下形成土壤 5 水或潜水，另一部分形成径流汇入河流，最终仍注入海洋，这叫做水分的海陆循环，或称外循环。

降水、蒸发和径流在整个水分循环中，是最主要的环节。在全球水量平衡中，它们同样是最主要的因素。

水分循环的陆面过程是发生在陆地上的水文过程的总和。

水分循环的大气过程是指海洋和陆地上空的水汽输送和陆地不同区域上空的水分交换，主要包括水汽输送、水汽辐合与辐散、水汽收支与水分平衡。它是全球水分循环中最活跃的成分，大气中的全部水量每8天可更新一次。

2.2 空气中水分的来源

云雾降水水汽聚集：

热力：蒸发 动力：输送

蒸发：主要是江河湖海面的蒸发；云雾滴本身的蒸发促使云雾消散

全球水份循环

海陆：陆上各纬度降水大于蒸发

纬度：1)赤道辐合带、高纬副极地低压带和锋面使降水大于蒸发；2)10-40°蒸发大于降水蒸发主要来自副热带洋面

南半球副热带洋面宽广蒸发大

陆上蒸发对于一些远离海岸或盛行风上风方地区的局地降水有重要作用

2.3 空中水分变化

大气中物质守恒方程：

AdA=Sdt

其中S为源汇项，此处简化认为只包括水在相变中产生或消耗的水分（转化率：b）。比湿q（Kg/Kg）与湿空气密度ρ（Kg/m3）的乘积为水汽密度（绝对温度：Kg/m3）。并利用平均 6 算法可得水汽密度变化方程：

xyzqquqvqwqqqKKKbtxyzxxyyzz

22()()()()zqqquvqwquvqwqKbtxyxyzzz

其中K为湍流交换系数（m2/s），在一简化精度要求下可不考虑水平方向的扩散，因为水平输入>>水平扩散。

输送 增多

平流项（快速运载 水平辐合项>>水平扩散

密度对流项 垂直辐合项

垂直湍流扩散项 蒸发项（相变增多）

总的看来，引起水汽密度变化的有两方面的原因：一是空气运动在水平和垂直方向上的输送（包括湍流输送）；二是水物质的相变。

3 空中水汽的输送

3.1 湍流扩散

分子扩散和湍流扩散

湍流扩散是分子扩散的几百—几万倍

设水汽质量密度梯度为qz，则净面通量[ML-2T-1]：qEz

K：湍流运动学交换系数，量纲[L2T-1]

Kr：湍流动力学交换系数，量纲[ML-1T-1]气流输送

湍流扩散比分子扩散有效，但仍比较慢

水平输送；垂直输送

先垂直向上输送，再水平输送更有效 7 另一很有效的间接输送方式：成云后被气流带向远方，沿途蒸发

4 水汽在空气中的增加过程

有悬浮水成物的空气中，水汽增多主要有两个途径：水成物蒸发（源汇项）和水汽的辐合

4.1 比湿变化方程

由水汽密度方程移项可得：

22zdqqKbdtz

这就是比湿变化方程。可见，比湿的变化主要是由乱流扩散随高度变化以及空中水成物的蒸发率所控制，而空气的辐合不改变比湿，即对单位质量空气中水汽质量而言，并无变化。

应该指出，要形成云雨，必须使水汽密度有较大增加，因为它与饱合水汽压直接相关。而辐合过程正好影响水汽密度，所以辐合过程，虽然不能使比湿增加，但对云雨的形成仍有十分重要的意义。

另一方面，比湿变化方程，虽未反映辐合过程对云雨的影响，但如果比湿增大，也是有利于成云致雨的。但它在成云中是次要因子，一般对形成碎云起作用。

4.2 水汽辐合区

4.2.1 气候性水汽辐合区：

年总水汽通量的垂直积分和水平散度 8 000000000011PPPPquQqudzdPqudPggqvQqvdzdPqvdPgg

QQQQQxyxy

正散度区：水汽辐散区，水汽向外扩散，云雨较少

北半球正散度区，即水汽辐散区多位于20-40°N左右，与副高带有关。但我国长江中下游位于副高带，但为水汽辐合区（季风）。

水汽辐合区：多位于赤道区附近以及40-60°N，分别与赤道辐合带和极锋有关。

4.2.2 天气性水汽辐合区

日、时水汽通量资料积分到500hPa

相对前者，有移动性

湿平流区

热力辐合区

气流阻障区

气旋性涡度增强区

中空热力抽吸区

中高空动力抽吸区

气流的垂直辐合区

5 空气中的降温过程

除了增加水汽，使空气达到饱和的另一条途径是降温。大气降温不仅可促 9 进云的形成，而且是形成云的直接原因。下面主要介绍气块上升膨胀降温，同时简介其它降温作用。

5.1 上升膨胀冷却

由于地球重力作用，大气对地面产生压力，并形成气压随高度增加而递减的大气质量分布。当空气在大气中产生垂直运动时，空气将产生膨胀或压缩。对上升的气块来说，它将因膨胀作功而冷却，干空气块的温度变化遵从干绝热过程方程

dpdRTdPdTCP

Rd为干空气的比气体常数，Cpd为干空气的定压比热。由于dP<0，故dT<0，通常表示成气块温度随高度的变化率的负值，称为干绝热递减率，γd=-dT/dz，一般近似表示成

dpd=g/C=9.8K/km

由于空气的水汽混合比较小，干饱和湿空气的绝热变化过程可以相当精确在用干绝热方程表示，但它与干空气不同之处在于：在上升过程中由于气块温度不断降低，而且干绝热减温率比气块露点温度递减率=-dT/dz1.7K/km要快得多，因而使气块的温度露点差逐渐减小，以致最终使气块达到饱和。当气块达到饱和时，常产生凝结现象。把气块开始出现凝结现象的距地高度定义为凝结高度zc。

在凝结高度以上，气块继续按绝热过程上升时，将伴随产生水汽凝结物并释放潜热，使气块变温率低于γd，称为湿绝热减温率γm，γm随气块所处的气压和温度而变化，低层潮湿空气中γm~5K/Km，对流层中部约6K/Km，再向上因水汽含量迅速减小γm逐渐增大，趋于γd值。 10 上升膨胀降温成云的例子主要有：热对流、沿锋面爬升、气流沿地形抬升、辐合上升等

5.2 乱流降温

湍流运动所产生的各种物理量通量使大气属性重新分布。例如比湿的高度分布将变得均匀化，温度层结趋向于干绝热递减率（中性），这种过程在合适的条件下将导致乱流层上部降温增湿，这种过程有利于云雾在逆温层底（乱流层顶）形成。与此相反，气层的下部将变得暖而干。

5.3 平流降温

气流把空气输送至温度较低的区域产生平流冷却，它决定于风矢量和水平温度梯度的夹角（TV）。

5.4 辐射降温

空气中主要辐射体水汽、CO2、和O3产生长波辐射冷却，自由大气中长波辐射冷却率可达1-3K/天，而吸收太阳辐射的加热率仅约为0.6K/天，所以即使白天，含有较多水汽的空气仍为净辐射冷却。如辐射雾的形成。辐射冷却虽然在成云中不起主要作用，但会改变云的结构。云体是良好的辐射体和吸收体，其顶部因辐射冷却而降温，云底则吸收云下逆辐射而增温，结果使云内层结趋向不稳定，利于对流运动的发生。

5.5 相变降温

当未饱和空气等压地移经散布云雾滴或雪花的空间，或流经水面、雪面时，

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大气物理

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南京信息工程大学试卷 2012－2013学年 第 二 学期 大气物理学 课程试卷(A卷) 本试卷共 3 页； 考试时间 120 分钟； 任课教师 杨素英；安俊琳 出卷时间 2013年4月

院 专业 年级 班 学号 姓名 得分 注意： 1、所有答案以写在答题纸上为准。 2、本页与答题页均需要填写班级、学号、姓名

一、选择题（每小题 2 分，共 40分）

1、夏季控制我国南方的副热带高压是暖高压，属于（）；冬季控制我国北方的蒙古高压是冷高压，属于（）。

A、浅薄系统，浅薄系统 B、深厚系统，浅薄系统

C、深厚系统，深厚系统 D、浅薄系统，深厚系统

2、判断整层气层静力学稳定度时，上干下湿的气层属于（），下干上湿的气层属于（）。

A、对流性不稳定，对流性稳定 B、对流性稳定，对流性不稳定

C、对流性不稳定，对流性不稳定 D、不能判断

3、通常长波辐射与短波辐射的分界线为 。

A、0.1μm B、2μm C、10μm D、4μm

4、如果一个黑体吸收的辐射能大于其放射的辐射能，则该黑体的温度将 。 A、下降 B、上升 C、没有变化 5、大气静力学方程也近似适用于 。 A、静止大气 B、一般运动的大气 C、强对流运动大气 6、大气对辐射的吸收具有选择性，吸收长波辐射的主要气体是 ，其次是 和 。 A、 水汽、氧气、氮气 B、 臭氧、水汽、二氧化碳 C、 氧气、水汽、臭氧 D、 水汽、二氧化碳、臭氧

第 1 页 共 3 页 第 2 页 共 3 页 7、在Ｔ－ｌｎＰ中，气块温度随高度的变化曲线称为 曲线，周围大气温度随高度的变化曲线称为 （）曲线（）。

A、层结 状态 B、状态 层结 C、层结 层结 8、晴朗的天空蔚蓝色的原因是 。 A、波长较长的辐射能比波长较短的更容易被散射 B、波长较短的辐射能比波长较长的更容易被散射 C、 不同波长的辐射能散射能力相同 D、 除蓝色以外，其他颜色的光被大气吸收 9、如果地球表面没有大气层，则地面温度与现在地面温度相比会 。 A、冷一些 B、暖一些 C、没有变化 10、起始温度相同的一饱和气块和一干空气块，均被抬升1公里后温度较高的是 。 A、干空气块 B、饱和气块 11、条件性不稳定是指大气层结对 是不稳定的，而对 是稳定的。 A、饱和气块 未饱和气块 B、未饱和气块 饱和气块 C、饱和气块 饱和气块 D、未饱和气块 未饱和气块 12、用能量法判定气层稳定度时，当上升气块的路径曲线始终在层结曲线的右边时，该气层为 ；而当上升气块的路径曲线始终在层结曲线的左边时，该气层为 。 A、绝对不稳定型 绝对稳定型 B、绝对稳定型 绝对不稳定型 C、潜在不稳定型 绝对稳定型 D、潜在不稳定型 绝对不稳定型 13、各向同性时，辐射通亮密度E和辐射率L之间的关系为 。 A、E= πL B、无法确定 C、L= πE 14、水汽主要集中在大气中的 。 A、平流层 B、热层 C、中层 D、对流层 15、平流层大气温度随高度递增是由于 的作用。 A、CO2 B、H2O C、O3 16、内含液态水的湿空气块从山顶下降，它的温度 。 A、先按γd 变化，再按γs 变化 B、先按γs 变化，再按γd变化 C、一直按γd 变化 D、一直按γs 变化 根据下列湿度参量，回答17-20题 A、相对湿度 B、混合比 C、露点 第 3 页 共 3 页 E、水汽压 F、绝对湿度 17、单位体积湿空气中含有的水汽质量称为 。 18、空气中水汽分子的分压强称为 。 19、等压降温达到饱和时空气所具有的温度称为 。 20、一定温度和压强下，水汽和饱和水汽摩尔分数值比称为 。 二、名词解释（每小题 4 分，共 32分）

大气物理学题库答案

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一、 选择题

1 2 3 4 5

B D E C D

6 7 8 9 10

A A C B A

11 12 13 14 15

A A C C D

16 17 18 19 20

B D A B C

21 22 23 24 25

A A A B C

26 27 28 29 30

B C B A A

31 32 33 34 35

D C C B A

36 37 38 39 40

B E B E A

41 42 43 44 45

C D A B D

46 47 48 29 50

C D C B B

51 52 53 54 55

D C B A B

56 57 58 59 60

D B A B A

61 62 63 64 65

D C E D D

66 67 68 69 70

A D C A B

71 72 73 74 75

A A D B C

76 77 78 79 80

B C B B A

81 82 83 84 85

C B B A A

86 87 88 89 90

B D A B A

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C D C A C

96 97 98 99 100 如文档对你有用，请下载支持！

D B C D B

101 102 103 104 105

C B A C A

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A B A D B

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A A A D C

116 117 118 119 120

B F E C A

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D C D B C

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B D C B A

131 132 133 134 135

B A C A D

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D A B C C

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C D B A A

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物理学中的空气压力和大气压力

物理学中的空气压力和大气压力

物理学中的空气压力和大气压力

物理学中的空气压力和大气压力是研究空气和大气运动过程中的重要参数，它们在自然界和科学研究中具有重要的意义。本文将深入探讨物理学中的空气压力和大气压力的概念、计算方法以及与其他物理量的关系。

一、空气压力的概念和计算方法

空气压力是指气体分子对单位面积上物体施加的压力。根据动理学理论，气体分子在运动过程中会不断碰撞物体表面，产生撞击力，从而施加压力。这种压力就是空气压力。

我们可以使用以下公式来计算空气压力：

P = F/A

其中，P代表压力，F代表作用在物体表面的力，A代表物体的面积。这个公式表明，空气压力与物体所受到的力和面积大小成正比。

二、大气压力的概念和计算方法

大气压力是指大气对地球表面的压力，也称为气压。大气压力是由大气通常处于静力平衡状态下的重力和压强共同作用而形成的。

大气压力是一个常数，通常用标准大气压力101325帕斯卡（Pa）表示。除了用帕斯卡表示外，大气压力还可以用毫米汞柱（mmHg）或者千帕（kPa）来表示。

三、空气压力与大气压力之间的关系 空气压力和大气压力有着密切的联系，但又存在一定的差异。

在地球上，大气压力是由地球引力作用在大气层分子之间形成的结果，是一种统计平均值。大气压力是不均匀的，在不同的高度和地点都存在着差异。随着海拔的升高，大气压力会逐渐减小。

而空气压力则是指气体分子直接作用于物体表面所施加的压力。在地面上，空气压力与大气压力的数值是相等的。

四、空气压力和大气压力的应用

空气压力和大气压力在科学研究和生活中具有广泛的应用。

在科学研究中，空气压力和大气压力是测量仪器的基本参数之一。它们与其他物理量的相互作用可以帮助我们了解气体运动规律、天气预报、风力的计算等。

在日常生活中，我们也经常接触到空气压力和大气压力的应用。例如，汽车轮胎的充气、气球的膨胀以及各种气密容器的设计都需要考虑到空气压力的因素。而天气预报中的高压和低压也是根据大气压力的变化来进行预测的。

大气压强[物理]

大气压强[物理]

§ 8-4大气压强 §8-7 飞机为什么能上天

［教学过程］

一、大气压强：

（一）大气压强的现象：

气体与液体一样，也具有流动性，空气也受到重力，大气对浸在它里面的物体也会产生压强，这个压强叫大气压；

马德堡半球实验是历史上证明大气压存在的著名实验，托里拆利实验是历史上第一次测定出大气压数值的实验．

（二）利用大气压解释现象

（1）大气压的单位有帕斯卡、毫米水银柱（mmHg）、标准大气压，它们的换算关系是：

1标准大气压＝760毫米水银柱＝51001.1帕

（2）大气压的变化随高度增加而减小（在海拔2 000米以内，我们可以近似地认为，每升高12米，大气压降低133帕（1毫米水银柱）．利用大气压随高度变化的规律，在无液气压计的刻度盘上标上高度就构成了高度计，它是航空、登山必不可少的仪器．）及大气压强受季节、天气的影响，通常情况下冬季气压较高，夏季气压较低。晴天气压比阴雨天高

（3）大气压的变化对沸点的影响：

大气压强与沸点的关系：实验表明，一切液体的沸点，都是气压减小时降低，气压增大时升高，同种液体的沸点不是固定不变的。说水的沸点是C100必须强调是在标准大气压下。气压不同时，水的沸点也不同。如在海拔8848米的珠穆朗玛峰顶，水的沸点是C72，而家用压力锅内水的沸点可达C120左右，所以使用压力锅不但饭熟得快，还可以节省燃料。

（3）气体压强与体积的关系：在温度不变的条件下，一定质量的气体，体积减小压强就增大，体积增大压强就减小。

（4）大气压的应用：活塞式抽水机、离心式水泵的工作原理．

离水式水泵的抽水高度称为扬程。它是采用“吸进来”、“甩出去”，的方法来抽水的。

第一级扬程称为“吸水扬程”，靠叶片旋转形成一个低压区，靠大气压把水压入低压区，而1标准大气压能支持10.336米高的水柱，所以吸水扬程的极限值是10.336米；

第二级扬程称为“压水扬程”，靠叶片旋转把水甩出去，水甩出去的速度越大，这一级扬程也越大。因此，离心式水泵的扬程是两级扬程之和，也就是它的抽水高度远远超过了10米。