大气物理学复习纲要

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大气物理学

第一章 大气概述

1、了解地球大气的演化

包围地球的气壳称为地球大气，就是人们所说的空气。现在的大气是由原始大气经历一系列复杂变化才形成的。

时间：原始大气出现于距今约46亿年年以前，比人类出现的时间约早三个量级（人类出现距今数百万年），比人类最初出现文字记载的时间约早六个量级（文字出现距今数千年）。

地球大气的演化经历了原始大气、次生大气和现在大气三代。

原始大气：（46亿年前）地球形成初期的原始大气应是以宇宙中最丰富的轻物质H2,He和CO为主。由于太阳风和地球升温的作用，使原始大气逐渐上升到宇宙空间膨胀并逃逸散失。估计在45亿年前或更晚些时候，地球上是没有大气的。

次生大气：（45-20亿年前）地球逐渐冷却以后，由于造山运动、火山喷发和从地幔中释放出地壳内原来吸咐的气体，形成了次生大气，其主要成分是CO2、CH4、NH3和H2O等。火山喷发物中含有大量的水汽及少量CO2,氮硫化合物等，其中水汽沉降为地表水，即海洋和湖泊。此时CO2浓度达到现在的10倍，CO2和水汽产生温室效应而使地球表面温度逐渐升高到300C左右。在此高温下，大量CO2气体又通过化学反应生成碳酸盐累积在地壳中，降低了大气中的CO2含量。

现在大气：以N2和O2为主。出现生命之前，地球上大气中游离态氧极少，少量氧气也是由太阳辐射裂解水汽产生。后来，地球上氧气主要是由植物光合作用产生的，生物圈的作用使地球大气进一步演化。此后，臭氧层浓度增加，促进了生命诞生以及氧气释放。

2、掌握地球大气的成分及其重要性（干洁大气、水汽、气溶胶）。

大约在85公里以下的大气层，对流、湍流盛行，大气湍流扩散作用远大于分子扩散作用，这层大气的组分比例相同，称匀和层(曾称均质层)。匀和层内干洁空气的平均分子量约28.96。约110公里以上的大气层，分子扩散作用超过湍流扩散作用，称非匀和层，这层大气的组分经重力分离后,轻的在上、重的在下，干洁空气的平均分子量随高度的增加而减小。85～110公里是从湍流混合为主过渡到分子扩散为主的过渡带，称湍流层顶。湍流层顶附近湍流扩散和分子扩散具有同样重要性，大气成分具有从匀和层向非匀和层过渡的特点。匀和层大气成分基本不变的气体成分：主要成分氮、氧、氩占大气总体积的99.96％。其余气体均是微量。在85公里以下，氮、氧等主要气体各自所占的体积比在各高度上基本相同。可变的气体成分主要有二气化碳、水汽、臭氧等。这些气体含量虽少，它们对大气物理状况的影响却很大。

匀和层大气成分：大气中除了氧、氮等气体外，还悬浮着水滴（如云滴、雾滴）、冰晶和固体微粒(如尘埃、孢子、花粉等)。大气中的悬浮物常称为气溶胶质粒。没有水汽和悬浮物的空气，称干洁空气。

①二氧化碳。在11～20公里以下，二氧化碳的分布比较均匀，相对含量基本不变。由于工业的发

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展、化石燃料（如：煤、石油、天然气）燃量的增加、森林覆盖面积的减少，二氧化碳在大气中的含量有增加的趋势。其中，人类对CO2增加发挥着重要作用。

② 臭氧。主要分布在10～50公里之间，尤其集中在20～30公里范围内。臭氧强烈吸收太阳紫外辐射(0.2~0.29um)，保护地球上的生命免受过量紫外辐射的伤害，并使平流层大气的温度较快地随高度增加。大气低层的臭氧含量少，其主要来源是平流层湍流和大气光化学反应。高空的臭氧主要由光化作用形成。大气中的臭氧总量很少，其分布随纬度和时间而异，主要在赤道上空形成，通过大气环流向高纬输送。

③ 水汽。最为活跃，地球上生命对水的依赖和水的三相改变，使水汽不同于其他微量气体而具有重要性。

④ 其他成分。随着工业的发展和化石燃料耗量的增多，污染性气体（例如二氧化硫、二氧化氮、一氧化氮、一氧化二氮、硫化氢、氨、一氧化碳等）将日渐增多。

⑤气溶胶质粒：匀和层内除气体成分外，悬浮着大量气溶胶质粒，其主要来源是地面。气溶胶的含量和分布随时间、地点、天气条件而变。大气气溶胶质粒的总浓度一般是低空多、高空少，陆地多、海上少，城市多、乡村少。它们使能见度变坏，影响辐射传输，有的能起凝结核的作用。

非匀和层大气成分：110公里以上的大气,各成分的铅直分布是按分子量（或原子量）的大小由下而上排列的。由此高度向上，原子氧逐渐增加，再向上依次为原子氧层、原子氦层（距地表1000～2400公里）和原子氢层（2400公里以上）。

3、掌握主要的气象要素和空气状态方程。

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 、日照、辐射、蒸发等。

① 气温：空气冷的程度，实质上是空气分子平均动能的表现。当空气获得热量时，其分子运动的平均速度增大，平均动能增加，气温也就升高。气温的单位我国一般采用摄氏度。

② 气压：指大气的压强（P）。是空气的分子运动与地球重力场综合作用的结果。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。气压值一般采用水银气压表测量。单位为百帕（hPa）。(海拔越高，气压越低；冬季要比夏季气压高；高纬度气压低)

水汽压：大气中水汽的分压强称为水汽压，常以e表示。假设湿空气中水汽的摩尔分数为：

VVdVnnn，式中/,/VVVdddnmMnmM,分别是水汽和干空气的摩尔数，MV是水汽的摩尔质量。则水汽的分压强应为：

VeP

③ 湿度：表示大气中水汽量多少的物理量。与云、降水等关系密切。大气湿度通常用下述物理量表示：A. 水汽压（e）和饱和水汽压; B. 相对湿度; C. 饱和差; D. 混合比与比湿; E. 露点.

其中，比湿为水汽与湿空气的质量比：VdVmqmm

3 混合比为水汽与干空气的质量比：Vdmrm，那么r与q有对应关系：1rqr

相对湿度：在一定温度和压强下，水汽和饱和水汽的摩尔分数之比称为水面的相对湿度：

,,,()()[]()VVWPTPTPTVSVSsPeUPeT

④ 降水：指从天空降落到地面的液态或固态水，包括雨、雪、冰雹等。降水量以毫米为单位。

⑤ 风：空气的水平运动。风是向量，有数值大小（风速）和方向（风向）。

⑥ 云量：云是悬浮在大气中的小水滴、冰晶微粒或二者混合物的可见聚合群体，底部不接触地面（接触地面则为雾），且有一定厚度。

⑦ 能见度：指视力正常的人在当时天气条件下，能够从天空背景中看到和辨出目标物的最大水平距离。单位用米或千米表示。

⑧蒸发：液体表面的气化现象。气象上指水由液体变成气体的过程。

⑨辐射：能量或物质微粒从辐射体向空间各方向发送的过程。气象上通常称太阳辐射为短波辐射，地球表面辐射和大气辐射为长波辐射。

⑩日照：表示太阳照射的时间的量，气象上通常提供的是观测到的实照时数。

空气状态方程：

干空气状态方程：空气可以看成是有多种化学成分的混合理想气体。根据道尔顿分压定律，混合理想气体的压强等于组成混合气体的各成分的分压强之和：

12....iPPPP

混合理想气体的状态方程：

湿空气的状态方程：水汽和干空气组成的混合理想气体称为湿空气，

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4、掌握大气静力学方程及其物理意义。

大气压力：是指单位面积上直至大气上界整个空气柱的重量。

大气在垂直方向上受到重力和垂直气压梯度力的作用并达到平衡时，称为大气处于流体静力平衡状态。

大气静力学方程反映在重力作用下，大气处于流体静力平衡时气压随高度的变化规律。

大气静力学基本方程的物理意义就是在相对于地面呈静止状态的大气中，单位质量空气所受到的重力与垂直气压梯度力处于平衡。所以大气静力学基本方程又称大气静力平衡方程，简称静压方程。其方程式是：dp/dz=-ρg（ρ表示空气密度）分析静力学方程可得到以下几点结论：

1.当dz>0时，dp<0，说明随高度的增加气压是下降的。

2.任意高度处的气压等于从该高度向上到大气上界的单位截面积垂直气柱的重量。

3．因g随高度的变化很小，所以气压随高度的增加而降低的快慢主要取决于空气的密度。密度大的气层，气压随高度的增加降低得快，密度小的气层，气压随高度的增加而降低得慢。

5、掌握各种模式大气的压高公式及标准大气的定义。

压高公式：描述气压随高度变化规律的公式。利用压高公式可以计算出不同高度的气压值，可以分析天气系统垂直结构。

1） 均质大气的压高公式：所谓均质大气，即假定大气密度不随高度变化的大气。

对静力学方程积分：000ZPZPdPgdz 00zPgz（此即均质大气压高公式）

2） 等温大气的压高公式：气温不随高度变化的大气称为等温大气。

由0PdPgdzgdzRT

0gdzdPPRT 积分后：00lngzPzPRT

3） 多元大气压高公式：温度随高度线性递减的大气称为多元大气。当温度的垂直递减率为：

0=-rz,dTrTTdz时，z处的温度可以表示为那么静力学方程dP=-gdz可表示为0()dgdPdzPRTrz。积分后可得：000()zdTrzgPPTRr。此式即多元大气压高公式。 P(E+△Z)

P(Z) ρA△Zg △Z 如图所示，厚度为△z的气块，对其进行受力分析后得到：

()()APzAzgPzzA ………. ①

其中，A为气块的上下表面积

由①式得：()()PzzgPzz

假定：△z 0，则()()PzzPzzgdPgdz

这是静力学方程的主要形式。

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几种大气的气压随高度递减情况：

标准大气：假定某地区(如中纬度)垂直方向上气温、气压、湿度等近似平均分布的一种模式大气。

如1976年美国标准大气推广委员会所设定的标准大气为：①空气中无水汽；②86KM以下大气为均匀混合物，呈静力平衡和层状分布；③11KM下气温随高度降低，0.65度/100m；④11-20KM为等温大气。

拉普拉斯压高公式是对较大垂直范围内气压力随高度变化的规律，通常是在大气静力方程的基础上推导出来的气压高度公式。

由于推导时要用到密度或温度随高度分布的数据，这些数据在大气中是经常变化的。因此，只能在一定假定条件下求出一些典型的压高公式。等温大气中气压随高度递减的关系由公式表示。

Z2-Z1=18400(1+at)lg(p1 /p2)

或P2=P1 10-(Z2-Z1)/(18400(1+at))

式中，P1为Z1高度上的气压，P2为Z2高度上的气压，a=1/273，t为Z1到Z2间的空气柱平均温度。若把大气分成若干层，分别求出各层的平均温度，代入公式依次求出各层气压随高度的分布情况，将各层的结果累计起来，就得到整个气层的压高关系。所以等温大气压高公式能近似地用于实际大气。从上式可见，在等温大气中，气压是按指数规律随高度而降低的。此公式在气象上的主要用途是：根据不同高度上两点的气压值和它们之间的气柱的平均温度，求其间的高度差；还可以根据某一高度上的气压值和气柱的平均温度来推算另一高度上的气压值。

气象上应用的大气静力学方程：-dP=ρgdZ。方程说明：气压随高度递减的快慢取决于空气密度（ρ）和重力加速度（g）的变化。重力加速度（g）随高度的变化量一般很小，因而气压随高度递减的快慢主要决定于空气的密度。在密度大的气层里，气压随高递减得快，反之则递减得慢。