2章 大气的结构和状态

一般用T来表示。
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(一) 气温的定义

气温的单位


通常以摄氏（℃）和华氏（℉）两种温度单位 表示，我国采用摄氏度数为单位。 在理论研究方面，多数采用绝对温度（或称开 氏温度），以（° A）或（° K）表示。
A＝C＋273.16 K＝C＋273.16

温度单位换算如下：
5 C ( F 32 ) 9

在气象和工程中还常用 标准大气压（atm）作 为压力单位，即 1atm = 1013.25 hPa。
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(二) 气压的变化

气压随高度呈指数递减
p p0e

z / h
p p010
z /18400
P是某高度的气压 z为高度 p0是海平面气压，一般1013hPa， h是标高，即均质大气层顶的高度，一般为8km 上式反映了压力与高度的关系，称压高公式。

对流层与平流层之间的界面称对流层顶 （tropopause）。
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三、中间层（mesosphere）

从平流层顶到 85km 高度为中间层。 特点：


温度随高度升高迅速降低

因为没有臭氧吸收太阳紫外辐射，而氮、氧能吸收 的太阳短波辐射又大部分被上层的大气吸收了。 所以该层又称为高空对流层。


对流层温度变化的最大特点是：


就是说在这一层中，每升高 1. 0 km，温度就降低 6.5℃ 如在广州夏季地面气温约30℃，在它上空3.0km处 空气温度约10℃
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一、对流层（troposphere）

对流层是大气运动最活跃的一层，“tropo”是希 腊语，其意思是“混乱”，这就是说，这一层空 气运动是丰富多采。


比如，冬季我国兰州上空经常可观侧到低层逆温层， 使得该城市污染物不易扩散出去，因此，兰州市冬 季空气质量要比其他季节差。
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因为逆温而无法散去的污染物
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(二) 气温的变化
1.

形成逆温层有以下几种原因： 辐射逆温
因地面强烈辐射而形成的逆温称为辐射逆温。
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地球大气温度的垂直变化
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第三节 大气的垂直结构

由于大气温度变化在不同高度其变化规律 不同，因此，气象学家就依据大气温度变 化的规律把大气层划分成不同的层次。

对流层 平流层 中间层 热层
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一、对流层（troposphere）
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9 F C 32 5
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(二) 气温的变化
1、气温的垂直变化与逆温层 在对流层中，大气温度随高度 是递减的

它一般应用大气干绝热温度递减 率与实际大气温度递减率来表征。

实际对流层大气温度的垂直变 化一般用温度的垂直递减率γ 来表征

T z
对流层内干空气气温的平均递减 率大约为-6.5℃/km，即气块每 升高1km，气温就下降6.5℃。

存在强烈的垂直对流

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三、中间层（mesosphere）

大气的温度在平流层先是不变，后随高度增加到 50km，在50km处温度最高。 然而，在这高度以上，随高度气温下降，约在80~90 km处，温度达到最低。


平流层与中间层的界面称平流层顶 （stratopause） 中间层的顶端称中间层顶（mesopause）。 在大气科学一般把平流层到 80 km处的大气又称 为中层大气（middle atmosphere）。
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鬃积雨云(CL9) ——由于云上部有稳定层阻挡，云顶已扩展成砧状。
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(二) 气温的变化

逆温层的存在会使大气能量积累，一旦有冷空 气吹来，就会破坏逆温层，从而使所积累的能 量释放出来，形成很剧烈的天气，甚至产生风 暴，其破坏力相当大，会带来很大的灾害。 此外，低层逆温层的存在也会抑制湍流扩散， 使得逆温层下的空气中烟尘和污染物不能扩散 出去，从而加重污染。


由干对流层连接高山、海洋、陆面，并且，在这一层 高层空气冷，低层空气暖，暖空气上升，冷空气下沉， 从而形成对流运动，并且由于冷、暖水平分布不均， 从而形成各种尺度的大气运动，如低气压、锋面和台 风等，带来各种天气现象。 由于海洋和陆面受热后会向大气加热，并向大气蒸发 水蒸汽，蒸发的水蒸汽受高山的抬升，并在抬升过程 中凝结，从而形成降水。
3.
锋面逆温
锋面是冷暖空气的交界面，暖空气因密度小而位于冷空气之上，温度的铅 直分布表现出同一数值的等温线位臵在暖空气中要比冷空气中高，当等温 线穿过锋面时，便发生转折。当冷暖空气的温差较大时，就可形成锋面逆 温。 锋面逆温由于锋面从地面向冷空气上方倾斜，故只能在冷空气一侧的上空 才能观测到，而且距地面锋线愈近，逆温层的高度愈低。 2013-4-19 36
第二章 大气的结构和状态
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4节，4学时
第三节 大气的垂直结构 第四节 大气的状态参数及其变化
第五节 全球大气的纬向平均温度与风的垂直分布
第六节 大气中基本状态参数之间的关系
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第三节 大气的垂直结构
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地球大气层的温度、压力和湿度是表示大 气状态的重要物理量。 它们不仅在水平方向有很大变化，而且随 高度也有一定规律的变化。

单 峰




日变化
双 峰


三 峰
大陆上最大值出现在冬季，最小值出现在夏季 海洋上最大值出现在夏季，最小值出现在冬季 高山上最大值出现在夏季，最小值出现在冬季
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年变化


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二、气温
(一) 气温的定义

气温是大气热力状况 （即空气冷热程度） 的数量度量。

目前，气象观测和记录 的气温，是指离地面一 定高度上（规定离地面 1.5m高），放在百叶 窗箱里的温度计测得的 空气温度。
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(二) 气温的变化

在大气中气温随高度的增加而升高的层次，称为 逆温层。

平流层就是一种逆温层； 在对流层，也可观测到高层的气温高于低层气温的逆 温层。 逆温层是非常稳定的层次，对流活动将受到抑制



逆温层的作用：抑制对流，聚集能量，加重污染


如平流层的存在就抑制积云云顶的发展，使得积云发展强盛时 会成砧状； 在对流层若存在逆温层，对流活动也会被抑制。

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二、平流层（stratosphere）


平流层没有山脉且不直接与陆面、海洋相接，在 这一层中几乎没有水汽凝结。因此，在这一层大 气运动不像在对流层大气运动那样复杂。 平流层中也有各种运动。


对流层激发的内波会垂直上传到平流层，由于上传的 内波的振幅是与密度成反比，因此，在对流层并不引 起人们注意的重力波到了平流层其振幅变成很大，成 为很重要的波动。 此外，还有行星波传到了平流层，其振幅也变很大， 也是很重要的一种波动。


在 100 km以上大气成分的比例是不相同

视频：大气层
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第四节 大气的状态参数及其变化
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描述大气基本状态的参数有4个：


温度 压力 湿度 风

又称气象要素

还有降水量、云量、云状等。
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一、气压
(一) 气压的定义

气压就是指大气的压强，任意高度上的气压 值等于单位面积上所承受的大气柱的重量。
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一、对流层（troposphere）

从地表面到10m高的贴近地表面的大气层， 由于在这一层中由湍流所产生的应力不依 赖于高度而改变，而近似于一个常数，故 这一层又称表面边界层，也有称接地边界 层。


在这一层大气不仅受到地面所引起的摩擦力的 作用，而且受地面的作用有明显的湍流运动。 由于烟尘、汽车尾气、气溶胶和灰沙容易在大 气边界层这一层扩散与输运，因此，研究边界 层的物理特性和污染物的扩散已成为大气科学 中一门分支学科，即大气环境学。
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二、平流层（stratosphere）

从对流层顶到 55km 高度为平流层。 特点



气流以水平运动为主 气温随高度的升高不变或微升 大气透明度良好
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二、平流层（stratosphere）

这一层温度在对流层顶上方至20km处几乎不 随高度变化； 在等温层上方，温度反而随高度增加，并且， 约到 50 km处，温度达到 270 K左右。


在晴朗无风或微风的夜晚，地面因辐射冷却而降温，与地面接近的气层冷 却降温最强烈，而上层的空气冷却降温缓慢，因此使低层大气产生逆温现 象。 辐射逆温一般日出后，逆温就逐渐消失了。
2.

下沉逆温
因整层空气下沉而形成的逆温称为下沉逆温。


当某气层产生下沉运动时，因气压逐渐增大，以及由于气层向水平方向扩 散，使气层厚度减小。若气层下沉过程是绝热过程，且气层内各部分空气 的相对位臵不变。这时空气层顶部下沉的距离比底部下沉的距离大，致使 其顶部绝热增温的幅度大于底部。因此，当气层下沉到某一高度时，气层 顶部的气温高于底部，而形成逆温。 下沉逆温多出现在高压控制的地区，其范围广，逆温层厚度大，逆温持续 时间长。