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第三节大气的基本物理性质一、主要的气象要素（meteorological elements）气象要素：定性或定量描述大气物理现象和大气状态特征的物理量。
它们包括太阳辐射、温度、湿度、气压、云、降水、蒸发、能见度和各种天气现象等。
其中以温度、气压、湿度和风最为重要。
气象要素表征着大气的宏观物理状态，是大气科学研究的基础。
（一）气压(air pressure)1、气压的定义气压：大气压强的简称，从观测高度到大气上界，单位面积上垂直空气柱的重量。
气压常用的单位是百帕（hpa），或以水银柱高度的毫米（mm）数、厘米（cm）数表示。
一个标准大气压：国际上规定，温度为0℃，纬度为450的海平面上，760mm水银所具有的压强称为一个标准大气压。
2、气压单位的换算p＝(s×h×ρHg×g)/s＝0.76×1.35951×104(kg/m3)×9.80665(m/s2)＝101325(N/m2)g＝9.80665(1-0.00259cos2φ)(1+Z/R)-2在国际单位制中，压强的单位是帕斯卡（Pa）。
1帕斯卡＝1牛顿/平方米，所以，1个标准大气压＝101325N/m2＝101325Pa＝1013.25hpa≈1000hpa气象学上以前曾用毫巴作为气压的单位，1mb＝1000达因/平方厘米，因1帕斯卡＝10达因/平方厘米，所以1mb＝100帕斯卡＝1百帕（hpa），1牛顿＝105达因1mb＝1hpa 一个标准大气压＝760mmHg＝1000hpa 1mmHg＝4/3hpa 可以由式mg/4лR2容易地计算出地球表面的平均气压。
式中的m为大气的总质量5.13×1018Kg，g为平均重力加速度9.8m/s2，R为地球的平均半径，地球表面上的平均气压为：105pa＝1000mb＝1000hpa。
3、测定气压的仪器气压表（动槽式、定槽式）、气压计、空盒气压表等。
有关大气的物理性状在气象学上，大气的物理性状主要以气象要素和空气状态方程来表征。
一、主要气象要素气象要素是指表示大气属性和大气现象的物理量，如气温、气压、湿度、风向、风速、云量、降水量、能见度等等。
（一）气温在必然的容积内，必然质量的空气，其温度的高低只与气体分子运动的平均动能有关。
即这一动能与绝对温度T 成正比。
因此，空气冷热的程度，实质上是空气分子平均动能的表现。
当空气取得热量时，其分子运动的平均速度增大，平均动能增加，气温也就升高。
反之当空气失去热量时，其分子运动平均速度减小，平均动能随之减少，气温也就降低。
气温的单位：目前我国规定用摄氏度（°C ）温标，以气压为时纯水的冰点为零度（0°C ），沸点为100度（100°C ）。
理论研究常常利用绝对温标以K 表示，这种温标中1度的距离和摄氏度相同，但其零度称为“绝对零度”，规定为等于摄氏°C 。
因此水的冰点为，沸点为。
两种温标之间的换算关系如下：27315.273+≈+=t t T大气中的温度一般以百叶箱中干球温度为代表。
（二）气压气压指大气的压强。
它是空气的分子运动与地球重力场综合作用的结果。
若以P 代表气压，F 代表面积A 上所经受的力，则：AF P = 若M 为任何面积A 上的大气质量，在地球重力场中，g 为重力加速度，则那个面积A 上大气柱的重力和该面上所经受的压力为：AMg P Mg F == 即静止大气中任意高度上的气压值等于其单位面积上所经受的大气柱的重量。
当空气有垂直加速运动时，气压值与单位面积上经受的大气柱重量就有必然的差值，但在一般情形下，空气的垂直运动加速度是很小的，这种不同能够忽略不计。
一般情形下气压值是用水银气压表测量的。
设水银柱的高度为h ，水银密度为ρ，水银柱截面积为S ，则水银柱的重量W=ρgh ·S 。
由于水银柱底面积的压强和外界大气压强是一致的，从而所测大气压强为：gh SS gh S W P ρρ=⋅== 1（hPa ）等于1（cm 2）面积上受到10-2（N ）压力时的压强值，即：22101cm N hPa -=被选定温度为0°C ，纬度为45°的海平面作为标准时，海平面气压为，相当于760mm 的水银柱高度，曾经称此压强为1个大气压。
第一章大气包围在地球表面的空气层称为地球大气，简称大气(atmosphere) 。
第一章大气大气的组成和大气污染大气的垂直结构退出大气的主要物理性质第一节第二节第三节第一节大气的组成和大气污染大气的组成大气污染一二一. 大气的组成1.干洁大气2.大气中的水汽3.气溶胶粒子干洁大气特点：•气体的组成成分比较稳定•干洁大气是永久气体在气象学中，通常将干洁空气作为“单一”气体来处理，其分子量为28.966。
干洁大气中几种主要气体简介）（1）氮气（nitrogen, N2•大气中含量最多的气体成份，影响大气的密度、气压。
•氮是生命体的重要组成元素，是肥料三要素之一。
•在气象学中并没有特殊的作用。
（2）氧气（oxygen, O）2•各种生命活动不可缺少的物质•能吸收太阳辐射中的紫外线(ultraviolet,UV)，使到达地面的紫外线减少，同时影响大气的温度②臭氧的时空分布规律•空间变化特点：10km以下含量很少，20～25km浓度最大，形成明显的臭氧层（ozone layer)。
•时间变化特点：随季节而变化，秋季最小，春季最大。
③臭氧的作用•能强烈地吸收太阳辐射中的紫外线保护了地球上的生命。
•对高层大气有“加热”作用，使10至50km高度的气层温度增高。
入射的短波辐射二氧化碳长波辐射保温效应示意图②大气中二氧化碳的变化规律•CO2的日变化(diurnal variation)：白天午后达最低值，日出前后达最高值夏季少，秋季达最低值;冬季多，春季达最高值。
由于人类活动，大气中CO2浓度不断升高。
•CO2的年变化(annual variation)：•CO2的长期变化(long-term change)：大气中CO浓度的年变化2夏威夷1992年至2001年平均二氧化碳浓度的年变化曲线大气中CO浓度的长期变化2大气中CO浓度的长期变化22.大气中的水汽(water vapour, moisture)（1）水汽的特点•是唯一能在自然条件下发生相变的物质，因此它是天气变化的最重要的角色。
第三节有关大气的物理性状
一、主要气象要素
气象要素是指表示大气属性和大气现象的物理量。
如：气温，气压，湿度，风向，云量，降水量，能见度等。
（一）气温
1.空气冷热的程度，实质上是空气分子平均动能的表现。
动能与绝对温度成正比。
2.气温的单位：
①目前我国规定用摄氏度（℃）温标
②在理论研究上常用绝对温标，以K表示。
③温度换算：
T= t + 273.15 ( t 为摄氏度，T为绝对温标。
）
（二）气压
1.气压是指大气的压强。
静止大气中任意高度上的气压值等于其单位面积上所承受的大气柱的重量。
2.一般情况下气压值是用水银气压表测量的。
大气压强为：
气压单位曾经用毫米水银柱高度（mmHg）表示，现在通用百帕（hPa）来表示。
3. 1个标准大气压：等于1013.25hPa，相当于760mmHg。
（三）湿度
大气湿度常用水汽压、饱和水汽压、相对湿度、饱和差、比湿、水汽混合比、露点等物理量来表示。
1.水汽压和饱和水汽压
（1）水汽压（e )——大气中的水汽所产生的那部分压力。
（2）饱和水汽压——饱和空气的水汽压（E）称为饱和水汽压，也叫最大水汽压。
规律：饱和水汽压随温度的升高而增大。
2.相对湿度
相对湿度（f）是空气中的实际水汽压与同温度下的饱和水汽压的比值
相对湿度直接反映空气距离饱和的程度，当其接近100％时，表明当时空气接近于饱和。
规律：当水汽压不变时，随着气温升高，饱和水汽压会增大，而相对湿度会减小。
3.饱和差
在一定温度下，饱和水汽压与实际空气中水汽压之差称为饱和差（d）。
d = E-e
d表示实际空气距离饱和的程度，在研究水面蒸发是常用到d，它能反映水分子的蒸发能力。
规律：
饱和差越小，水面蒸发越慢，饱和差越大，水面蒸发越快。
4.比湿（q）
在一团湿空气中，水汽的质量与该团空气总质量的比值，称为比湿。
其单位是g/g，或者是g/kg。
规律：
对于某一团空气而言，只要其中的水汽质量和干空气质量保持不变，不论发生膨胀或压缩，体积如何变化，其比湿都保持不变。
5.水汽混合比（单位：g/g）
一团湿空气中，水汽质量与干空气质量的比值称为水汽混合比
6.露点
1.概念：在空气中水汽含量不变、气压一定的情况下，使空气冷却达到饱和时的温度，称为露点温度，简称露点（Td）。
3.在实际大气中，露点温度常比气温低（Td﹤T），根据T和Td的差值，可以大致判断空气距离饱和的程度。
规律：
在气压一定时，露点的高低只与空气中的水汽含量有关。
水汽含量愈少，露点愈低；水汽含量愈多，露点愈高。
（四）降水
1.降水的概念：
2.降水量——是指降水落到地面后（固态降水则需经融化后），未经蒸发渗透流失而在水平面上积聚的深度。
单位为毫米（mm）。
3.雪深——从积雪表面到地面的垂直深度，以厘米（cm）为单位。
4.雪压——是单位面积上的积雪重量，以g/cm2为单位。
（五）风
风向：指风的来向。
地面风向用16方位表示，高空风向常用方位度数表示，即以0°（或360°）表示正北，90°表示正东，180°表示正南，270°表示正西。
在16方位中，每相邻方位间的角差为22.5°。
16方位：(每个方位有22.5°的范围)
北（N），北东北（NNE），东北（NE），东东北（ENE），东（E），东东南（ESE），东南（SE），南东南（SSE），南（S），南西南（SSW），西南（SW），西西南（WSW），西（W），西西北（WNW），西北（NW），北西北（NNW）。
3.风速：
单位常用m/s、knot(海里/小时，又称”节“）和km/h表示。
风速的表示有时采用压力，称为风压。
（六）云量：将地平以上全部天空划分为10份，为云所遮蔽的份数即为云量。
（七）能见度：单位用米(m)或千米(km)表示。
二、空气状态方程
空气状态常用密度、体积（V）、压强（P）、温度（t或T）表示。
对一定质量的空气，其P、V、T之间存在函数关系。
（一）干空气状态方程
该值叫普适气体常数。
对于质量为M克，1摩尔气体的在标准状态下，其体积V等于
这是通用的质量为M的理想气体状态方程，又称做门捷列夫－克拉珀珑方程。
它表明气体在任何状态下，压强、体积、温度和质量4个量之间的关系。
在气象学中，常用单位体积的空气块作为研究对象，因此常将压强、体积、温度和质量4个量的关系变为压强、温度和密度3个量间的关系，即
式中R叫比气体常数，是对质量为1克的气体而言的，它的取值与气体的性质有关。
上式表明，在温度一定时，气体的压强与其密度成正比，在密度一定时，气体的压强与其绝对温度成正比。
干空气的比气体常数为：
干空气的状态方程为：
(二）湿空气状态方程与虚温
上式为湿空气状态方程的常见形式。
如果引进一个虚设的物理量——虚温
因此需温总要比湿空气的实际温度高。
引入需温后，湿空气的状态方程可以写成：
式中R是干空气的比气体常数。
为了书写方便，
比较湿空气和干空气的状态方程，在形式上是相似的，其区别在于把方程右边实际气温换成了虚温。
需温的意义：在同一压强下，干空气密度等于湿空气密度时，干空气应有的温度。
可见空气中水汽压e愈大，这一差值便愈大。
尤其是在夏季，e值较高，这时必须用湿空气状态方程，
但在高空，e值相对较小，这时便可以用干空气状态方程，而不致造成大的误差。
思考题：
1、气象学与气候学的研究对象和任务
2、气候系统的概念及内涵
3、对流层和平流层各有什么特点？。
