《08,2,干洁空气.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《08,2,干洁空气.ppt（57页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、,第二节 气候系统概述,大气圈 水圈 陆地表面 冰雪圈 生物圈,五个子系统,是主体部分，也最可变,下垫面,一、大气圈概述,（一）大气的组成,多种气体混合、液态和固态杂质,N2：78.08% O2：20.95% Ar：0.93%,99.96% (体积),干洁空气,干无水汽，洁无杂质 是除水汽、液体和固体杂质外的整个混合气体。 它们的临界温度（在一定临界压力下，使气体开始变为液体的温度）远远低于大气的一般温度，要发生液化很难，它们在自然界的温度和压力下总呈气体状态。 标准状况下，密度约为1293g/m3 分子量：90km以下， =78.08%28.016+20.95%32.000+ 0.93%39
2、.944+ =28.97,O2 N2,来源,垂直分布,向上：更少 5km：1/10 1.52km：1/2 地面：1,作用：重要； 相变，水分循环,水汽,臭氧 (O3),形成：O2O+O O+O2 O3,垂直 分布,55km：极少 2030km： 最大值， 臭氧层 1215km以上： 增加显著 10km：始增 近地面：很少,原因,作用：1，影响大气 温度的垂直分布 2，对生物有 机体有保护作用,CO2、CH4、N2O等：,温室气体 温室效应,污染气体,大气气溶胶粒子,液体微粒 固体微粒 凝结核、温度、能见度,（二）大气的结构,05.5km：50%的大气质量 011km：75%的大气质量 3610
3、00km：1%的大气质量 P11：图12，密度 严格地说，不存在大气圈的上界 大气高度：两种划法 1、物理现象：极光，1200km， 大气的物理上界 2、大气密度：20003000km,大气的垂直分层,散逸层（外层） 热层（热成层、暖层） 中间层 平流层 对流层,据物理性质和垂直运动等分层：,1、对流层,重点 主要特征： (1) 气温随高度增加而降低 表现， 原因 气温直减率/气温垂直梯度： = dT/dZ = 0.650C/100m (2) 垂直对流运动（对流层因此而得名） 强度、厚度随纬度和季节变化 厚度：低纬 1718km 中纬 1012km 高纬 8 9km 厚度不及1%，而质量占3/
4、4、全部水汽 (3)气象要素水平分布不均匀,行星边界层： （摩擦层、 扰动层）,：012km，摩擦、热力，日变化,自由大气：以上，地表摩擦作用可忽略不计,对流层,平流层,对流层顶：,：过渡层，气温,2、平流层 对流层顶55km (1)气温最初不变或微升， 30km以上显著升高 （P11图12），臭氧层 (2)水汽极少，云很难生 成；火山尘,3、中间层 平流层顶85km (1)气温迅速下降，几乎无臭氧 (2)强烈的对流运动（上对流层） (3)白天有一电离层，D层（P11图12）,4、热层/热成层/暖层：密度极小 (1)气温迅速升高 (2)电离层：E、F（F1、F2） 电离层具有反射无线 电波的能
5、力 (3)极光 顶部：不明显,5、散逸层/外层 过渡层 （1）温度高，变化小 （2）大气粒子常散逸至 星际空间,（一）水圈 海洋，面积71% 反射率比陆面小 到达地表的太阳辐射能，80%为海洋表面吸收 活动层：海240米，陆10米 大气:海洋活动层:陆地活动层 质量：110.40.55 热容量：168.50.45 是一个巨大的能量贮存库 100m深的表层海水，占气候系统总热量的95.6%,二、水圈、陆面、冰雪圈和生物圈概述,（二）陆面（岩石圈） 海拔、地形、地表物质 （三）冰雪圈 海平面高度 具很大反射率 （四）生物圈 对气候变化很敏感，反过来又影响气候,第三节 有关大气的物理性状,在气象学上
6、，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。按观测手段的不同，分两大类： 目测：主要靠目力和分析判断，定性或半定量地测定。如：云、能见度、天气现象（雨、雪、冰雹、雾等） 器测：利用仪表定量地测定。如：温度、湿度、气压 气象要素，特别是其中的若干器测项目，是气候学研究的基础。,（一）气温,大气的温度 在一定容积内，一定质量的空气，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成正比。,气温的单位,1、摄氏度温标（oC） 2、绝对温标（K）：开尔文、开 一度的间隔与摄氏度相同，但其零度称为“绝对零度”（任何
7、物质系统达此温度时，能量变为最小），为-273.15 oC T=t+273.15t+273 理论计算中常用,3、华氏温标（oF） 目前某些说英语的国家有人使用 一个大气压下，水的冰点32 oF，沸点212 oF，其间分成180等分 tF =9/5 t+32 t=5/9（ tF -32）,大气中的温度一般以百叶箱中干球温度为代表，距地面1.5m高处。,世界极值： 1936年在索马里测得63.0oC 1967年挪威在南极极点附近记录到-94.5oC 相差近160oC 我国极值： 1965年7月新疆吐鲁番民航机场 48.9oC 1969年2月13日黑龙江漠河 52.3oC 相差超过100oC,（二）
8、气压,大气的压强 P=F/A , F=Mg P=Mg/A 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,气压值可直接测出，一般用水银气压表。,根据水银柱的重量和大气压力相平衡的原理来测定气压。,真空,在一端封闭的玻璃管内装满水银，然后用手指堵住管口将其倒立于水银槽中，当松开手指后，水银柱就开始下降。当 降到一定高度后便停止下降，此时玻璃管顶部近似真空。所以，水银柱之所以不下降，是由于大气的压力支持了水银柱的重量。,真空,当大气压力作用于水银槽面 时，槽面将受到的压强，大 小不变地传递到管的A面上， 使其下面受到大气压强（向 上）而上面受到水银柱的压 强（向下）。当二者相等时
9、， 水银柱就不再下降，所以处 在静力平衡状态时的单位面 积上的水银柱重量就等于大 气的压强。,A面,真空,A面,设h、s 水银柱重量w=mg=vg =hs g P=w/s=hs g/s=h g 和g可看作常数，h是变量，所以气压单位 可用h表示。,气压的单位,1、毫米水银（汞）柱高度（mmHg） 2、毫巴（mb）： 1mmHg=1.33mb=4/3 mb 1mb=3/4 mmHg 3、百帕（hpa）： 1hpa=1mb 4、一个大气压：温度为0oC、纬度为45o的海平 面气压， 760mmHg=1013.25mb=1013.25hpa 现通用百帕，其余三个为应淘汰的非法定计量单位。 地面气压分
10、布：一般9401014hpa；台风中可能低于900hpa；在西伯利亚高压中心可能高于1080hpa。,（三）湿度,表示大气中水汽量多少的物理量。 大气中的水分在空间分布不均，含水汽多，则湿度大；含水汽少，则湿度小。 大气的湿度状况是决定云、雾、降水等天气现象的重要因素。,1、水汽压和饱和水汽压,大气中各种气体都产生压力，大气压力是它们的总和。水汽也有压力，大气中的水汽所产生的那部分压力叫水汽压（e），单位：hpa 当温度一定时，大气中水汽含量愈多，水汽压愈大；反之，水汽压愈小。 饱和空气 饱和水汽压（E）/最大水汽压 E随T的升高而增大,2、相对湿度 f=e/E 100% 反映空气距离饱和的程
11、度：f愈小，空气愈不饱和；f愈接近100%，空气愈接近饱和。 随气温而变化：e不变时， T升高，E增大，f减小 T降低，E减小，f增大,3、饱和差 d=E-e 单位：hpa 表示空气距离饱和的程度： d=0 饱和 d0 未饱和 d0 过饱和 在研究水面蒸发时常用,4、比湿 q=mw/(md+mw) g/g g/kg q=0.622 e/P e、P应采用相同的单位 空气垂直运动,5、水汽混合比（S/） S= mw/md =0.622 e/(P-e) g/g,6、露点,当空气中水汽含量不变且气压保持不变时，如气温不断降低，空气将逐渐接近饱和。 气温降低到使空气刚好达到饱和时的温度称为露点温度，简称
12、露点（Td）。,如：某次观测时气温为21.20C，当时的实际水汽压e为12.8hpa， 21.20C对应的E为25.2hpa，故f=12.8/25.2=51%，未饱和。 若e、p不变，则只有降温才能使空气达到饱和。 而E为12.8hpa时的气温为10.60C，故只有当气温由21.20C降到10.60C时才能变为饱和，故此时Td= 10.60C t= 21.20C e= 12.8hpa E= 25.2hpa t= 10.60C E= 12.8hpa 故Td= 10.60C,气压一定时，Td的高低只与空气中的水汽含量有关，水汽含 量越大， Td越高，所以Td也是反映空气中水汽含量的物理量。,实际大
13、气中，空气常处于未饱和状态， Td常比T低，因此，根据二者差值可大致判断空气距离饱和的程度。,温度露点差（T- Td ）,愈大，空气愈不饱和,愈小，空气愈接近饱和,为0，空气饱和,上述几种表示湿度的方法各有优点。知道其中任何一个值，便可求出其他值。通常先用干湿球温度表读数算出e，或先用毛发计读数得到f，再换算出所选用的湿度。 空气中水汽含量的多寡：e、q、s、 Td 空气距离饱和的程度：f、d、T- Td,（四）降水,指从天空降落到地面的液态或固态水，包括雨、雪、雨夹雪、霰（xian）、冰粒、冰雹等。 降水量：mm 雪深：cm 雪压：雪深超过5cm时测，g/cm2 降水量是表征某地气候干湿状态
14、的重要要素；雪深、雪压还反映当地的寒冷程度。,降水量世界各地相差大： 世界“雨极”：乞拉朋齐：1861年 ： 20447mm 1960.81961.7 ： 26461.2mm 世界“旱极”：智利北部沙漠 18451936（91年）：0mm 华盛顿：年降雪量达1870cm,（五）风,空气的水平运动称为风。 它是天气预报的重要项目，又是重要依据。 风是一个表示气流运动的物理量，不仅具有数值的大小（风速），还具有方向（风向）。 气流在垂直方向的分量，叫垂直运动，不是风。,1、风向：,风的来向，如：南风，指从南面来的风，自南向北吹。 我国东部季风区，夏季多吹南风，冬季多刮北风，房 屋一般坐北朝南。,北
15、 N,ESE 东东南,E东,S 南,西W,SE 东南,SSE 南东南,SSW 南西南,SW 西南,WSW 西西南,北东北 NNE,东北 NE,ENE 东东北,北西北 NNW,西西北 WNW,西北 NW,地面：用16方位表示：,高空：用方位度数表示： N:0o/360o；E:90o； S:180o；W: 270o 在16方位中，每相邻的 方位间角差为22.5o（360o/16）。,2、风速 常用单位：m/s、 km/h 、 knot 风力资源最多：南极洲，一般17 18m/s， 可达75m/s以上 琼海县： 1973年4月，81m/s 日本室户岬：1961年4月，84.5m/s 华盛顿： 193
16、4年4月，103m/s,（六）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。底部不与地面接触。,云的观测包括云量、云状、云高等 云量指云遮蔽天空视野的成数。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。 如：天空无云，或云量不到1/20，云量为0 天空一半为云所覆盖，云量为5 云布满天空，云量为10 天空被云所遮，但在云层中有少量空隙， 而空隙总量不到天空的1/20，则云量 记为 10 欧美有的国家将天空划为8份,（七）能见度,单位：m、km 能见度是了解大气稳定度和垂直结构的根据之一，能见度不好的区域一般标志大气比较稳定或空中有逆温层；反之，是不稳定的。从而
17、可以鉴别气团、分析天气。 由于现代交通运输事业的发展，能见度已成为保证运输安全，特别是保证空中运输安全的一个极为重要的因素了。,二、空气状态方程,反映空气状态的方程，进一步而言，是反映空气在发生变化时各要素之间相互关系的方程。 空气状态常用、V、P、T来表示， =M/V，对于一定质量的空气而言（M一定），它的V、P、T有密切关系，概括这些量的关系，就可以得到空气状态变化的基本规律状态方程。 基本公式，推导,1、理想气体的状态方程,大量实验证明，常温常压下，一定质量气体的P乘以V，再除以T，其商不变： P1V1/T1=P2V2/T2=PnVn/Tn，即 PV/T=常量 凡严格符合这个方程的气体，
18、称理想气体。 实际上并不存在。在常温常压下，干（洁）空气和未饱和的湿空气都十分接近理想气体，可把它们当作理想气体处理。,下面求出“常量”：,讨论一摩尔的气体 (含有6.021023个该气体分子）（1mol的 任何气体在标准状态下体积是一样的）。,标准状态下： Po=1013.25hpa，To=273K，Vo=22.4升/摩尔=22.4L/mol,PV T,PoVo To,=,=R,R,1.01325105Pa2.2410-4m3/mol,273K,=,=8.31441Pa m3/molK8.31J/molK,这个值对1mol任何气体都适用，叫普适气体常数。,对于质量为M克的理想气体,设1mol
19、气体的质量为（分子量）、体积为V1，标准状态下，M克气体的体积为： V=M/ V1=M/ R*T/P 或 PV=M/ R*T 这是通用的质量为M克的理想气体的状态方程，又叫门捷列夫克拉珀珑方程。 它表明气体在任何状态下P、V、T、M四个量之间的关系。,在气象学中，常用单位体积的空气块作为研究对象,PV=,M ,R*T,P=,M V,R* ,T,R=,R* ,=,M V,P= RT,R比气体常数,可见：T一定时，P与成正比； 一定时，P与T成正比。,分子运动论：气压大小决定于器壁单位面积上单位时间内受到 的碰撞次数及每次碰撞的平均动能大小。 大，分子数量多，碰撞次数多，P大； T高，分子平均动能
20、大，P大。,这种形式在气象上应用最广。,2、干空气状态方程,P= dRdT Rd=R*/ =8.31/28.97 =0.287 J/gK,3、湿空气状态方程,含有水汽的空气称为湿空气。,P= RT， P湿空气的总压强， 湿空气密度,R=R*/ ， 湿空气的分子量，因湿空气中水汽含量是变化 的，所以是变量，R也是变量，上式不能直接用。,因为P= RT，所以=P/RT,= w+ d=,e RwT,+,P-e RdT,Rw为水汽的比气体常数,Rw=R*/ w=8.31/18=0.4615 J/gK,Rw与Rd的换算关系：,Rw=,R* w,=,d R* w d,=1.608 Rd,=,e 1.608
21、RdT,+,P-e RdT,=,P RdT,(1-0.378,e P,),=,P RdT(1+0.378e/P),P= RdT(1+0.378e/P),为了让湿空气状态方程的形式与理想气体状态方程一致，引进一个假想的温度虚温（Tv） Tv=T(1+0.378e/P) P= RdTv 干、湿空气状态方程中都是Rd，可简记作R P= RT P= RTv,状态方程在气象上的重要作用,气象领域内有大量问题必须要用状态方程来描述、计算，在气象上再没有哪一种关系式比它更基本和重要了。 大气密度（）是一个在气象上非常重要的状态参量，但无法直接测量，它只能通过状态方程用容易观测的气压（P）和气温（T）计算出来
22、。,小结,主要讲述大气成分、大气结构和大气的物理性状。 气候系统包括大气圈、水圈、陆地表面、冰雪圈和生物圈五个子系统。 空气是各种气体的混合物，大气成分及其比例在90km以下基本上是不变的；水汽是大气中唯一可以发生相变的成分，是天气变化的主角，它随高度的升高而很快减少，大都集中在23km以下的气层中；水汽、臭氧、CO2和各种杂质，影响大气温度的分布和变化。,根据大气的物理性质和垂直运动，可在垂直方向上把大气分为五层，其中对流层集中了绝大部分空气质量和水汽，是天气变化最复杂的层次。 气象要素表征了大气的宏观物理状态，包括气温、气压、湿度等。 空气状态方程表明了定量气体的压力、体积、温度之间的关系。,复习思考题： 3、主要气象要素有哪些？物理意义是什么？分别用什么单位来表示？ 4、试从微观的分子运动论角度说明温度的实质。 5、状态方程在气象上的重要作用是什么？ 作业题： 3、已知10oC时，E为12.3hpa；18oC时，E为20.6hpa。某地上午8时气温为23oC，e为12.3hpa；次日8时气温为23oC，e为20.6hpa。求两天8时的Td ，用此说明Td的高低直接与什么因子有关。 4、比较干、湿空气状态方程说明: (1)在同温同压下，干、湿空气的密度谁大谁小？(2)在同压下，空气愈潮湿、温度愈高，其密度将会减小还是增大？,