第一章大氣概述第一頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四緒論

大氣科學是研究地球大氣中各種物理和化學現象、過程(包括人類活動對它的影響)，這些現象和過程的演變規律，以及如何利用這些規律為人類服務的一門學科。第二頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四緒論一.大氣科學研究對象二.大氣科學研究內容三.大氣科學研究特點四.大氣科學的學科分支五.大氣科學發展概略六大氣科學發展中的重要事件第三頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四宇宙、地球、大氣的起源和演化

宇宙的起源大爆炸學說按照Friedmann等人的理論，RussianAmericanphysicistGeorgeGamow和他的學生AmericanphysicistsRalphAlpherandRobertHerman（1940s）認為過去必定存在一個有限的時刻，那時宇宙中的物質被壓縮為極高密度的狀態，這個時刻被稱為“大爆炸”，也就是宇宙起源的時刻。第四頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四他們的計算結論是：作為“大爆炸”過程的遺跡，目前宇宙中應普遍存在溫度約5K的背景黑體輻射。1989年，美國宇航局專門為此發射了宇宙背景探測者衛星觀測數據表明，該輻射的譜分布與2．735K的黑體輻射完全相合，天空不同方向的相對溫差小于十萬分之一。這就證明了背景輻射的黑體性和普適性。這種“背景輻射”的存在是“大爆炸”模型最令人信服的證據之一。通過現代物理學理論，可以模擬宇宙在大爆炸后110-43秒的狀態，但對于此時刻之前還沒有新的理論將萬有引力和廣義相對論二者之間結合起來。第五頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四膨脹理論上世紀70年代，美國科學家AlanGuth、PaulSteinhardt和美籍俄裔天文學家AndreasLinde提出從大爆炸后110-35秒開始的110-32秒內宇宙極速膨脹為原來的11050倍，然后減緩為近乎常速。認為宇宙處于開放與封閉系統的邊緣狀態?？山忉尨蟊▽W說不能解釋的宇宙常速膨脹和宇宙的均勻性等問題，被廣大理論天文學家認同。上世紀90年代以來，觀測天文學家對該理論有不同看法，認為宇宙應該是一個開放系統。第六頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四膨脹理論圖示：白點代表星系，膨脹后相互遠離第七頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四宇宙無限論：有限無界論：在17世紀，Galilei、Newton在經典力學體系的基礎上，建立了宇宙無限無邊的理論，即宇宙的體積是無限的，沒有空間邊界，無限的天體分布在無限的空間之中。1917年，AlbertEinstein在廣義相對論的基礎上，提出了有限無界的靜態宇宙模型。認為宇宙是有限無邊的，即宇宙空間的體積是有限，是一個彎曲的封閉體，這個彎曲的封閉體沒有邊界，類似一個球面，面積有限，但沿著球面運動總是遇不到“邊”。該理論拉開了現代宇宙學研究的序幕。第八頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四地球與宇宙

銀河系中心銀河系與河外星系第九頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四太陽系第十頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四地球形成50億年前，地球的輪廓已初步形成。最初是個火球。隨著地球逐步冷卻，較重的物質沉到中心，形成地核；較輕的物質浮在上面，冷卻后形成地殼。其結構見下圖第十一頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四地球構造圖第十二頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四三、大氣演化1、原始地球上無大氣、無海洋；火山爆發頻繁發生2、火山噴發形成原始大氣，主要由水汽、CO2、氮和硫或硫化物。沒有氧氣。大量水汽造成長時間降雨，持續了幾千年（推測），形成原始海洋，生命就在原始海洋的湯液中形成。第十三頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四3、生命的光合作用使大氣圈中出現了氧氣。從火山噴發出來的氮，由于其化學惰性及其在水中的低溶解度，大部分仍留在大氣中，成為現代大氣中的主要氣體成分；大氣中的氬，是地球固體部分放射性物質40K衰變時的副產品。第十四頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四第一代大氣：氫、氦、氖等氣體組成。稱為原始大氣階段。第二代大氣：氮、二氧化碳、甲烷、氨和水汽。稱為次生大氣階段?，F代大氣：氮和氧氣為主。稱為今日大氣階段。今天的大氣成分為什么是這樣？第十五頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四地球大氣的演化

地球大氣是怎樣長期演化來的，目前主要有兩種看法。一種看法認為今天的大氣就是從地球原始大氣演化而來的。另一種看法則認為，原始大氣已經不存在了，現在的大氣是由于地球內部火山活動所噴發出的物質演化成的。第十六頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四地質時期地球大氣成分的演變第十七頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四與左鄰右舍進行對比金星的大氣成分主要是碳酸氣，還有少量的氧、氮、碳、氖、氦、水汽，上部有原子狀態的氧?；鹦堑拇髿獬煞种饕嵌趸?，另外還有些氨(NH3)、氫、氧、水汽等物質。第十八頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四第十九頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四地球大氣的演化第一，現在的大氣成分是地球長期演化的結果，是和水圈、生物圈、巖石圈進行充分的物質循環的結果?？梢哉f，這幾個圈層是相互聯系，互相滲透的一個整體。第二，現在的大氣成分還在不斷的進行著循環過程之中，而且這個過程基本是平衡的，穩定的，在短時期內不是會有明顯變化的。第二十頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四地球的次生大氣和水圈生成原始大氣次生大氣氧化大氣46億年前，H2，O2，CH4，H2S火山爆發和固體吸附。主要成份是CO2、CH4、NH3和水汽。CO2至30億年前大約是現在大氣的10倍。強溫室效應使地表平均溫度可達300℃左右。隨著二氧化碳濃度下降，大氣溫度也下降。水汽可以凝成液體水，出現云、雨，并在地球表面積聚，演變成水圈。第二十一頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四大氣中氧的產生和生物圈的形成現在大氣與類地行星大氣的區別O2—生命O3—UVB現在大氣的形成是在和生物圈相互作用中形成的：光合作用生物圈形成第二十二頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四一.大氣科學的研究對象

大氣科學的研究對象主要是覆蓋整個地球的大氣圈。大氣圈,特別是地球表層的低層大氣和地球的水圈、巖石圈和生物圈是人類賴以生存的主要環境。第二十三頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四1、地球大氣的一般特征(如大氣的組成、范圍、結構等)；2、大氣現象發生、發展的能量來源、性質及其轉化；3、解釋大氣現象，研究其發生、發展的規律；4、如何利用這些現象預測、控制和改造自然(如人工影響天氣、大氣環境預測和控制等)。二.大氣科學的研究內容第二十四頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四三.研究特點研究大氣科學不能僅限于大氣圈。地球(環境)系統是由巖石圈、水圈(含冰雪圈)、大氣圈和生物圈組成的一個綜合系統大自然是大氣科學研究的實驗基地國際合作是推動大氣科學發展的必要途徑第二十五頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四四.大氣科學的學科分支氣象學大氣探測學大氣科學大氣物理學天氣學大氣動力學氣候學大氣化學應用氣象學人工影響天氣第二十六頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四大氣探測大氣探測是研究探測地球大氣中各種現象的方法和手段的學科。按探測范圍和探測手段劃分，又分為地面氣象觀測、高空氣象觀測、大氣遙感、氣象雷達、氣象衛星等低一級的分支。第二十七頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四天氣學天氣學是研究大氣中各種天氣現象發生、發展規律以及如何應用這些規律來制作天氣預報的學科。研究內容主要包括天氣現象、天氣系統、天氣分析和預報等第二十八頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四動力氣象動力氣象是應用物理學和流體力學定律及數學方法，研究大氣運動的動力和熱力過程及其相互關系的學科，是大氣科學的理論基礎。第二十九頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四氣候學氣候學是研究氣候的特征、形成和演變以及氣候與人類活動相互關系的學科。研究內容主是包括氣候特征、氣候分類、氣候區劃、氣候成因、氣候變化、氣候與人類活動的關系、氣候預報和應用氣候等。第三十頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四大氣物理學大氣物理學是研究大氣的物理現象、物理過程及其演變規律的學科。研究內容主要包括云和降水物理學、大氣光學、大氣電學、大氣聲學、大氣輻射學、大氣邊界層物理學和高層大氣物理學等。第三十一頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四大氣化學大氣化學是研究大氣組成和大氣化學過程的學科。研究內容主要包括大氣的化學組成及演變、大氣微量氣體及其循環、大氣氣溶膠、大氣放射性物質和降水化學等。第三十二頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四人工影響天氣人工影響天氣是研究如何通過影響云和降水的微物理過程來使某些大氣現象、大氣過程發生改變的技術和方法。如人工降水、人工防雹、人工消霧、抑制雷電等。第三十三頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四應用氣象學應用氣象學是將氣象方面的有關原理、方法和成果應用于生物、農業、森林、水文、建筑、航海、航空、軍事、醫療、空氣污染等方面，同各個專業學科相結合而形成的邊緣性學科。第三十四頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四五、大氣科學發展概略1.

50年代以前，大氣科學的研究還處于定性、半定性階段2.大氣科學的發展進入了告訴發展階段，主要表現在以下兩個方面：

l

不斷采用新的探測技術，使大氣科學進入宏觀愈宏、微觀愈微的階段

l

計算機的使用

第三十五頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四六大氣科學發展中的重要事件公元前340年，Aristotle的書“Meteorogica”總結了當時的天氣、氣候知識。16世紀發明了溫度計(GalileoGalilei

)1643年發明了氣壓計(Galileo'sdiscipleEvangelistaTorricelli,

)17世紀發明了濕度計1843年電傳的發明使天氣圖成為可能。1920年發現了氣團（Airmasses）和鋒面（Fronts）1940年開始高空氣球觀測1950年計算機的發展帶動了數值方法的發展1960年TIROS-I天氣衛星發射第三十六頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四七中國氣象事業發展歷程1928年竺可揁先生開創了中國現代氣象事業始建于延安時期(1945)

---解放戰爭軍委氣象局(1949)

---抗美援朝中央氣象局(1953)---轉建；“兩大服務”國家氣象局(1982)---

經濟建設中國氣象局(1993)

---

小康社會第三十七頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四第一章大氣概述

地球大氣圈?，F在的地球大氣已經歷了原始大氣，次生大氣和現代大氣三個演化階段。最早的原始大氣形成于46億年以前第三十八頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四第1節地球系統由巖石圈、水圈、大氣圈和生物圈共同構成一個綜合體，稱之為“地球系統”

,80年代初期誕生了一個新興科學——地球系統科學第三十九頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四 地球系統的圈層結構、 物質組成及其基本性質1.巖石圈2.水圈(冰雪圈)3.生物圈4.大氣圈

第四十頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四固體地球分層一般把地殼和上地幔合稱為巖石圈1.巖石圈

地球包括地殼、地幔和地核。地殼厚度不一，平均厚度約17公里。上層為花崗巖層，下層為玄武巖層。地殼巖石的年齡絕大多數小于20多億年。地殼中八種主要元素（氧、硅、鋁、鐵、鈣、鈉、鉀、鎂）的含量占地殼總量的97.13％，其中氧元素的含量占地殼總量的49.13％，硅元素的含量占地殼總量的26％。第四十一頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四土壤－巖石圈中對人類和動植物以及其它生命最有意義的部分土壤是地球陸地能夠為作物提供生長發育具有肥力的疏松表層，是生物，特別是植物和微生物生活的重要環境，是地表與大氣進行物質和能量交換的重要場所。土壤肥力是土壤的主要特征，是土壤提供植物生長發育所需要的水分、養分和協調土壤中水、肥、氣、熱等生活條件的能力。

各種大小不同的土粒含量的百分組成或搭配的比例，稱為土壤質地，也叫土壤機械組成。

植物生長必需的五個生態因子中，除光能外，熱量、空氣、水分和營養成分都與土壤有關。水分和營養成分主要由土壤供給，土壤的通氣狀況和溫度變化直接影響到植物生長發育。第四十二頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四2.水圈水體：天然或人工聚集的水成為水體。水圈：地球表層水體的總稱。 水圈中的水以三相存在，分布于地表、地下和大氣中。 水圈中的水的總體積是13.86億立方公里。 水圈中的淡水占2.53%。水的更新：如果一個獨立的、水量固定的水體與外界進行水的交換，則 稱該水體在進行更新。通過水的更新過程，水圈的各個部分相 互交換，聯系在一起，構成地球環境水循環的主要過程。第四十三頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四水的循環第四十四頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四深海環流全球溫鹽環流構成的輸送帶千年尺度第四十五頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四水汽含量隨高度減少，1.5~2km高度水汽減少為地面一半。水汽含量與地理緯度、海岸分布、地形高度、地面類型、季節以及天氣條件有關。大氣中的水以三種相態存在。第四十六頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四生物圈和巖石圈中的水

地球系統的生物圈和巖石圈的土壤中含有少量的水，其中，生物圈的水量約為1120立方公里，小于這總水量的0.0001%。兩部分水一般不作為水圈的組成部分。生物圈和巖石圈土壤中的水量雖少，但對動植物的生存和各種生物過程是至關重要的。第四十七頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四冰雪圈冰雪圈的5個組成部分：

海冰、大陸冰原、季節性雪蓋、永動土和高山冰川。前兩者是最重要部分。相對于液態和氣態的水而言，冰和雪具有相對的穩定性。冰雪圈覆蓋全球海洋的7％，多年冰覆蓋陸地表面的11％，但其覆蓋范圍可變。冰雪圈的分布范圍對地球表面溫度非常敏感。 水的冰點恰好位于地球表面最高和最低溫度之間約一半之處。冰、雪和凍土分為常年（多年）性和季節性。 季節性冰、雪和凍土產生的季節影響和年際影響非常顯著。 因常年性冰、雪和凍土的分布穩定少變，在十到百年尺度以上，可以產生比較固定的影 響過程和影響趨勢。冰雪圈的重要性 穩定的對太陽輻射的高反射率，影響地表能量收支。 極地大氣－冰－開放海洋的能量交換過程。 約占總水量的2％，占有地球上近80％的淡水資源。（海平面）第四十八頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四3.生物圈生物圈是地球上所有動物、植物和微生物等生物有機體及其活動空間的總稱。生物圈占據了包括大氣圈對流層下部、幾乎整個水圈以及巖石圈表層的薄層范圍。其核心部分，即地表面以上100米至水面200以下米之間，集中了絕大部分生物。迄今為止，生物圈是地球環境特有的組成部分。生物圈的兩個重要部分：植被和海洋浮游生物生物圈產生的“泵”的作用：以生物過程推動能量、水、物質、動量的輸送第四十九頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四植被－生物圈中最重要的組成部分，同各圈存在緊密聯系通過植物生長過程，土壤、植被和大氣緊密結合在一起，進行物質和能量的交換。植物在生長過程中把太陽能轉化為化學能，并吸收大氣中CO2，固定在植物體內。植物是人類和動物生存的主要食物供應者和能量供應者。植被的分布對地面反射率和粗糙度產生極大影響，進而影響地氣系統的輻射平衡和動量傳地。第五十頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四4.大氣圈

地球被大氣包裹著。大氣本身的可壓縮性、太陽輻射、地球的形狀與重力、地球的公轉與自轉、地球表面的海陸分布與地形起伏、地球的演化和地球上的各種生態系統，是形成地球大氣特定成分、特定結構和特定運動狀態的主要自然條件。人類活動及其對生態系統所起的作用，是影響地球組成、結構和運動的人為條件。第五十一頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四第2節地球大氣的成分1.干潔大氣不含水汽和懸浮顆粒物的大氣為干潔大氣，簡稱干空氣主要成分--濃度在百分之一以上,如N2，O2，Ar。微量成分--濃度在1ppm~1%之間,如CO2，H2O，CH4，He等。痕量成分—濃度在1ppm以下,CO,NH3,O3SO2,NO,H2

第五十二頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四按生命時間分類定常成分：壽命在100年以上，如N2，O2，和惰性氣體?？勺兂煞郑簤勖趲啄甑绞畮啄?，如CO2，H2，CH4

等?？熳兂煞郑簤勖?年以下。如H2O，……...第五十三頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四3.大氣顆粒物大氣顆粒物是懸浮在大氣中的各種固體和液體微粒，統稱為大氣氣溶膠粒子。氣溶膠有自然源和人為源。氣溶膠對云霧、降水、輻射傳輸、大氣能見度、大氣光學、大氣污染以及氣候變化等有很大影響。2.water第五十四頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四概念:懸浮于大氣中的固液態顆粒物.分類:(依據有效直徑D的大小)(1)愛根核<0.2um(2)大核0.2-2.0um(3)巨核>2.0um作用:(1)有利于水汽的凝結;(2)維護大氣輻射平衡;(3)影響大氣能見度。

第五十五頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四氣溶膠的來源第五十六頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四1.3大氣科學研究的重要性一.大氣與生存環境1.大氣是人類最重要的資源2.大氣污染對地球環境的影響溫室效應與全球氣候變暖臭氧層的破壞酸雨城市空氣污染第五十七頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四(1)溫室效應

由于大氣對來自太陽的短波輻射及來自地面的長波輻射具有選擇吸收性，致使地表溫度升高的現象,稱為溫室效應。第五十八頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四

第五十九頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四溫室效應所造成的危害全球增暖;全球冰雪圈層急劇減小;海平面上升,海岸線變遷;氣候帶的向高緯度帶移動;對農作物的生長、水資源及能源的開發有較大的影響；生物帶的變遷等。第六十頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四（2）酸雨

概念：酸雨是指酸性的降水（嚴格應稱為酸沉降）。通常，將pH值低于5.6的降水稱為酸雨。

pH值降低1就相當于酸度增加10倍。影響：（1）使河流、湖泊及土壤酸化；（2）生態系統受害；（3）腐蝕建筑材料、金屬結構和油漆；（4）其中的汞、鎘等重金屬對人類的健康危害很大等。第六十一頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四

第六十二頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四（3）臭氧層破壞臭氧的作用：(1).對太陽的0.2um-0.3um波段紫外線輻射有強烈的吸收作用；(2).對平流曾大氣加熱，并對平流層的溫度場、環流場起重要作用。臭氧的分布：主要分布在10-40KM，近地面分布較少，極大值在20-25KM處。

第六十三頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四第六十四頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四二天氣與氣候

1.天氣與氣候的概念天氣描述的是一個特定時間與一個特定地點的大氣狀態和大氣現象。氣候是指在影響天氣的各因子(太陽輻射、下墊面性質、大氣環流和人類活動等)長期相互作用下所產生的天氣綜合,

通常由某一時段的平均值以及距平均值的離差（距平值）表征，主要反映一個地區的冷、暖、干、濕等基本特征。第六十五頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四

我國南方地區致洪暴雨包括長江中下游（含江淮流域）的梅雨鋒暴雨、華南前汛期暴雨以及臺風暴雨等，由這類暴雨引發的洪澇災害是我國重要的氣象災害。

二十世紀五十年代以來長江流域（包括江淮地區）的歷次大水（如1954、1969、1975、1991、1993、1994、1995、1996、1998、2003年）都是由這類致洪暴雨造成的，給國家造成巨大損失。2.氣象災害第六十六頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四

1994年17號臺風造成浙江1126人死亡臺風近十年平均造成我國每年高達246億元直接經濟損失和570人死亡。2004年云娜臺風2002年0216號臺風（森拉克）于9月7日登陸時中心附近最大風力有12級第六十七頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四颶風“卡特里娜”給美國港口城市新奧爾良

帶來毀滅性襲擊遇難總人數1000多人，評估報告顯示“卡特里娜”颶風導致2005年下半年美國經濟增長率將降低1個百分點，救災和重建颶風災區費用可能高達1500億美元。布什總統說，“卡特里娜”是美國歷史上最嚴重的自然災害之一，恢復工作可能需要持續幾年時間。第六十八頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四干旱缺水

目前，全國1100個大中城市有600多個存在干旱缺水問題，缺水比較嚴重的城市有110個。全國每年因城市缺水影響產值達2000億至3000億元。干旱分布圖第六十九頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四高溫熱浪

2004年夏季高溫熱浪襲卷歐亞，各國死亡人數驚人，其中，意大利34071人，法國超10000人，印度1045人。我國南方也遭遇持續高溫熱浪侵襲，中暑人數大增，城市頻繁拉閘限電。2000年北京市最高氣溫42.2℃，破百年紀錄。第七十頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四雷電災害我國每年因雷擊造成死亡人數超過300人。雷閃頻次雷暴日數第七十一頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四氣象災害造成的國民經濟的損失約占國民經濟生產總值的3-6%。第七十二頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四第七十三頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四

地球大氣的密度、溫度、壓力、成分和電磁特性等都隨高度發生變化，具有多層次的變化特征。大氣的密度和壓力一般按照指數率隨高度變化；溫度、成分和電磁特性等隨高度的變化分別具有不同特征，可按照各自特征分成若干層次。1.6大氣的垂直結構第七十四頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四大氣狀態方程的研究1662年，愛爾蘭人RobertBoyle的Boyle定律：VP-11787年，法國人A.Charles的Charles定律：VT同時代，Gay-Bussac定律：PT合并前三定律，可得聯合氣體定律：加上Avogadro定律：Vn

可得到理想氣體定律：

VnTP-1

PV=nRT§1.4空氣狀態方程第七十五頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四理想氣體的微觀假設(對單個分子的力學性質的假設)分子當作質點，不占體積；

（因為分子的線度<<分子間的平均距離）分子之間除碰撞的瞬間外，無相互作用力。（忽略重力）彈性碰撞（動能不變）服從牛頓力學

分子數目太多，無法解這么多的聯立方程。即使能解也無用，因為碰撞太頻繁，運動情況瞬息萬變，必須用統計的方法來研究。第七十六頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四理想氣體的壓強與溫度

一般氣體分子熱運動的概念：分子的密度31019個分子/cm3=3千億個億；分子之間有一定的間隙，有一定的作用力（弱）；分子熱運動的平均速度約v=500m/s；分子的平均碰撞次數約z=1010次/秒。理想氣體的分子既沒有體積也沒有分子間引力。高壓時，V實際>V理想無相變第七十七頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四適用范圍理想氣體分子無體積：高壓時，V實際>V理想。理想氣體分子間無作用力：冷卻不會凝聚，無三態變化。因此，適用范圍是常溫下。第七十八頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四一、理想氣體的狀態方程

對于質量為m、摩爾質量為M、氣壓為P、體積為V及溫度為T的理想氣體，其狀態方程的表達式為

（3.1）

其中R*=8.31J/mol·K，稱為普適氣體常數。（3.1）還可表示為（3.2）

n表示氣體的摩爾數。

1第七十九頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四

（3.3）

（3.4）（3.5）

式中稱為比氣體常數。氣體成分不同，則M不同，因而比氣體常數R也不相同；為氣體的比容；為氣體的密度。

第八十頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四二、干空氣狀態方程干空氣可以認為是由許多理想氣體所組成的混合氣體,對每一種氣體而言,都滿足狀態方程.因此,由道爾頓分壓定律知：（1）每一種氣體所占的體積為V；（2）每一種氣體成份都符合狀態方程；（3）混合氣體的總壓強等于各自分壓強之合。

因此，對于每一氣體成份有

I=1、2···n

（3.6）將n種氣體的成份相加得到

或

(3.7)

第八十一頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四干空氣的平均摩爾質量為

(3.8)則(3.7)改寫為

(3.9)

稱為干空氣的比氣體常數。故干空氣的狀態方程可寫為

第八十二頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四三、濕空氣狀態方程

水汽壓(e)是空氣中所含水汽的分壓力。大氣是混合氣體，在常溫、常壓下可近似看作為理想氣體。根據道爾頓氣體定律(理想氣體情況下，整個混合氣體的壓力等于各氣體分壓力之和)，可把大氣壓力看成由干空氣和水汽壓力之和，即p=pd+e，其中pd表示干空氣氣壓。e的單位與氣壓p一樣，也用hpa表示。

第八十三頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四

設濕空氣團的氣壓為p,溫度為T,體積為V,質量為m,其中干空氣的分壓力為pd,密度為d,質量為md,水汽的分壓為e,密度為v,濕空氣密度為（3.11）利用干空氣狀態方程及水汽狀態方程

第八十四頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四可將(3.11)式寫為

(3.12)

其中，Rv=461J.kg-1.K-1為水汽的比氣體常數,并將Rv=1.608Rd代入得

（3.13)第八十五頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四

由于e<<p,將上式展開,并略去高階小項,得到氣象上常用的濕空氣狀態方程

(3.14)其中,Tv=T(1+0.378e/p)稱為虛溫,其并非實際的溫度.如寫成則第八十六頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四例：試比較在同溫、同壓下，干空氣密度、水汽密度及濕空氣密度的大小。

解：在干空氣、水汽及濕空氣同溫、同壓條件下，其各自的狀態方程表示為

(1)

(2)

(3)用（2）/（1），并簡單變化得

第八十七頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四即在同溫、同壓下

同樣，（1）/（3）得但，所以，盡管，但程度不大。依據以上分析有第八十八頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四1.5主要氣象要素

大氣性狀及其現象(天氣和氣候)是用基本要素——氣溫、氣壓、濕度、風、云況(云狀和云量)、能見度、降水情況(降水類型和降水量)、輻射、日照以及各種天氣現象等來描述的，這些因子稱為氣象要素。氣象要素隨時間和空間而變化，其觀測記錄是天氣預報、氣候分析以及與大氣科學有關的科學研究的基礎資料。本節僅介紹最常用的溫、壓、濕、風四個主要氣象要素。第八十九頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四1.5.1氣溫

表示空氣冷熱程度的物理量稱為空氣溫度(簡稱氣溫)。氣體溫度T(絕對溫度)是分子平均動能的量度，也是分子運動快慢的量度。氣溫越高，空氣分子不規則運動的平均動能越大，分子不規則運動的速度也越大。

第九十頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四溫標⑴我國采用的攝氏溫標，用℃或C表示，由它表示的溫度為攝氏溫度，常用符號t表示。攝氏溫標以標準氣壓(1013.25hPa)下純水的冰點為零點(0℃)，沸點為100度(100℃)，其間分為100等分，每1等分即為1℃。

第九十一頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四⑵國際通用的絕對溫標，以K表示，它所表示的溫度稱為絕對溫度，以符號T表示。這是理論研究上常用的溫標，該溫標的零度(稱為絕對零度)規定它等于攝氏-273.16℃。因此，絕對溫標與攝氏溫標間的轉換關系為T=273.16+t≈273+t

第九十二頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四

⑶歐美國家常用的華氏溫標，用表示。這種溫標將水的沸點定為212，水的冰點定為32，并將這兩點之間分成180等分，每1等分表示1℃。華氏溫標與攝氏溫標之間的關系為F=9/5℃+32(4)觀測地面氣溫指離地1.5m（我國）高處百葉箱里的氣溫第九十三頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四1.5.2氣壓氣象上的氣壓是指大氣的壓強，靜止大氣中某地的氣壓是該地單位面積上大氣柱的重量。當空氣有垂直加速運動時，氣壓值與單位面積上空氣柱的重量之間有一定差異，但一般空氣的垂直加速很小，可將其看作靜止大氣。第九十四頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四第九十五頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四目前常用的氣壓單位有兩種。一種是國際單位帕斯卡(Pascal)，其縮寫為帕或Pa。1帕等于1平方米面積上受到1牛頓(N)的壓力，即1Pa=1N·m為方便起見，氣象上常采用百帕(hPa)來表示氣壓，1hPa=100Pa。另一種單位是毫米水銀柱高度(mmHg)。氣象上規定，溫度為0℃，緯度為45℃的海平面氣壓為1個標準大氣壓，

1(標準)大氣壓=760mmHg=1013.25hPa過去的氣象書籍中，經常用毫巴(mb)作為氣壓的單位，它與hPa和mmHg的關系是：

1mb=1hPa=3/4mmHg

第九十六頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四1.5.3空氣濕度

1、水汽壓和飽和水汽壓⑴水汽壓(e)⑵飽和水汽壓(E)達到相態平衡時空氣中所含的水汽稱為飽和水汽，其水汽壓E稱為飽和水汽壓。飽和水汽壓E表示在一定溫度下空氣中水汽的最大容量，其值隨溫度的升高而增大。第九十七頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四①克拉珀龍—克勞修斯(Clapeyron-Clausius)方程

2、E與溫度的關系是273K時的飽和水汽壓第九十八頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四

稱為瑪格努斯經驗公式。式中

a、b的取值為純水面a=7.5、b=237.30C，純冰面，a=9.5、b=265.50C。飽和水氣壓（E）僅是溫度的單直函數。②經驗公式第九十九頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四2、絕對濕度(a)

絕對濕度是指單位體積空氣中所含的水汽質量(即水汽密度ρv)，單位為g/m3

。利用水汽狀態方程，可直接獲得絕對濕度的計算公式

第一百頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四3、混合比(r)和比濕(q)

⑴混合比(r)濕空氣塊中所含的水汽質量mv與該氣塊中干空氣質量md之比稱為混合比，其單位為g/g或g/kg。

(g/g)第一百零一頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四

濕空氣中所含有的水汽分質量mv與空氣總質量m之比,稱為比濕，用q表示（4.9）計算式

(g/g)(4.10)第一百零二頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四

4、相對濕度(f)

濕空氣中實際混合比與同溫度下飽和混合比的百分比，即

相對濕度的大小能直接表示空氣距離飽和的相對程度?？諝馔耆稍飼r，相對濕度為零。相對濕度越小，表示當時空氣越干燥。當相對濕度接近于100%時，表示空氣很潮濕，越接近于飽和。

第一百零三頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四

5、露點溫度(Td或td或τ)

濕空氣在水汽含量不變的情況下，等壓降溫至對水面而言達飽和時的溫度，稱為露點溫度，簡稱露點，用Td或td(或τ)表示。對冰面而言達飽和時的溫度稱為霜點。第一百零四頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四露點的單位是溫度(K或℃)，但是其數值只與濕空氣的含水量有關，而與溫度無關，因此將它作為一個濕度參量，這是露點的一個重要特點。根據定義，露點td所對應的飽和水汽壓E(td)等于濕空氣中實際水汽壓e，即

E(td)=e第一百零五頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四氣象工作中，經常用溫度露點差(t-td)來判斷空氣的飽和程度，也即相對濕度的大小(t-td)＞0，表示空氣未飽和，(t-td)=0時，空氣達飽和，(t-td)＜0時為過飽和。(t-td)的值愈大，說明空氣的相對濕度愈??；反之，則相對濕度愈大。第一百零六頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四

1.5.4風

它是一個水平矢量，有風向與風速之分。風向是指風的來向，一般用16個方位或度數來表示第一百零七頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四第一百零八頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四以度數表示時，由北起按順時針方向量度，如北風為0°，東風為90°，南風為180°，西風為270°。平均風向的計算?第一百零九頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四蒲福風力等級表

m·s

km·hr

風力等級名稱海面風浪海面浪高（m）海面和漁船征象陸地物征象相當于平地10m高處的風速一般最高0無風平穩--------海面平靜如鏡靜，煙直上0.0～0.2＜1

1軟風漣漪0.10.1微波如鱗，波峰無沫；漁船正好使舵煙能表示風向，但風向標不能轉動0.3～1.51～5

2清風微波0.20.3波小而短，較明顯，波峰呈現玻璃色，末破裂；漁船張帆，每小時可隨風移行1～2海里(約2～4公里)人面感覺有風，樹葉微響，風向標能轉動1.6～3.36～11

3微風微波0.61.0小波加大，波峰開始破裂，沫呈玻璃色偶有白沫波峰；漁船開始簸動，張帆時每小時可順風移行3～4海里(約6～7公里)樹葉及微枝搖動不息，旌旗展開3.4～5.412～19

4和風輕波1.01.5小浪漸長，白沫波峰較多；漁船最適于作業，滿帆時船身側于一方能吹起地面灰塵和紙張，樹的小枝搖動5.5～7.920～28

5輕勁風中波2.02.5中浪，浪形較長，白沫波峰成群出現，偶有飛沫；漁船需收一部分帆有葉的小樹搖擺，內陸的水面有小波8.0～10.729～38

6強風大浪3.04.0大浪開始形成，白沫波峰到處伸展，常有飛沫；漁船需加倍縮帆，捕漁時需小心從事大樹枝搖動，電線呼呼有聲，撐傘困難10.8～13.839～49

7疾風巨浪4.05.5海面堆疊，碎浪的白沫開始風吹成條；漁船留于港內，在海者拋錨全樹搖動，迎風步行感覺困難13.9～17.150～61

8大風猛浪5.57.5浪長而較高，浪峰邊緣多破裂成飛舞浪花，風吹浪沫成明顯條紋；一切漁船返港折毀樹枝，迎風步行感覺阻力甚大17.2～20.762～74

9烈風猛浪7.010.0浪已高，浪沫沿風密布，浪峰開始有高聳、下塌、翻卷現象，浪花偶或減低視程建筑物有小損(煙囟頂蓋及平瓦移動)20.8～24.475～88

10狂風狂浪9.012.5浪很高，具有長而高懸的浪峰，所成大片浪沫沿風密集成白條紋，海浪翻滾，擊拍加強，視程減低陸上少見，見時可使樹木拔起，建筑物損壞較重24.5～28.489～102

11暴風暴濤11.516.0浪濤特高，足以暫時掩蔽浪后中小船只，全部海面為沿風伸展的長條白浪沫所掩蓋，濤峰邊緣到處破裂起泡沫，視程大減陸上很少見，有則地物必有廣泛損壞28.5～32.6103～11712颶風暴濤14.0--空中充滿浪花及飛沫，海面全白如沸，視程嚴重減弱陸上絕少見，摧毀力極大≥32.7≥118

第一百一十頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四m·s

km·hr

風力等級名稱海面風浪海面浪高（m）海面和漁船征象陸地物征象相當于平地10m高處的風速一般最高0無風平穩--------海面平靜如鏡靜，煙直上0.0～0.2＜1

1軟風漣漪0.10.1微波如鱗，波峰無沫；漁船正好使舵煙能表示風向，但風向標不能轉動0.3～1.51～5

2清風微波0.20.3波小而短，較明顯，波峰呈現玻璃色，末破裂；漁船張帆，每小時可隨風移行1～2海里(約2～4公里)人面感覺有風，樹葉微響，風向標能轉動1.6～3.36～11

3微風微波0.61.0小波加大，波峰開始破裂，沫呈玻璃色偶有白沫波峰；漁船開始簸動，張帆時每小時可順風移行3～4海里(約6～7公里)樹葉及微枝搖動不息，旌旗展開3.4～5.412～19

第一百一十一頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四4和風輕波1.01.5小浪漸長，白沫波峰較多；漁船最適于作業，滿帆時船身側于一方能吹起地面灰塵和紙張，樹的小枝搖動5.5～7.920～28

5輕勁風中波2.02.5中浪，浪形較長，白沫波峰成群出現，偶有飛沫；漁船需收一部分帆有葉的小樹搖擺，內陸的水面有小波8.0～10.729～38

6強風大浪3.04.0大浪開始形成，白沫波峰到處伸展，常有飛沫；漁船需加倍縮帆，捕漁時需小心從事大樹枝搖動，電線呼呼有聲，撐傘困難10.8～13.839～49

第一百一十二頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四7疾風巨浪4.05.5海面堆疊，碎浪的白沫開始風吹成條；漁船留于港內，在海者拋錨全樹搖動，迎風步行感覺困難13.9～17.150～61

8大風猛浪5.57.5浪長而較高，浪峰邊緣多破裂成飛舞浪花，風吹浪沫成明顯條紋；一切漁船返港折毀樹枝，迎風步行感覺阻力甚大17.2～20.762～74

9烈風猛浪7.010.0浪已高，浪沫沿風密布，浪峰開始有高聳、下塌、翻卷現象，浪花偶或減低視程建筑物有小損(煙囟頂蓋及平瓦移動)20.8～24.475～88

第一百一十三頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四

10狂風狂浪9.012.5浪很高，具有長而高懸的浪峰，所成大片浪沫沿風密集成白條紋，海浪翻滾，擊拍加強，視程減低陸上少見，見時可使樹木拔起，建筑物損壞較重24.5～28.489～102

11暴風暴濤11.516.0浪濤特高，足以暫時掩蔽浪后中小船只，全部海面為沿風伸展的長條白浪沫所掩蓋，濤峰邊緣到處破裂起泡沫，視程大減陸上很少見，有則地物必有廣泛損壞28.5～32.6103～11712颶風暴濤14.0--空中充滿浪花及飛沫，海面全白如沸，視程嚴重減弱陸上絕少見，摧毀力極大≥32.7≥118

第一百一十四頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四1.6大氣的垂直結構

通常有兩種方法：一種是根據大氣中出現的某些物理現象，以極光出現的最大高度——1200km作為大氣的上界。因為極光是太陽發出的高速帶電粒子使稀薄空氣分子或原子激發出來的光，它只出現在大氣中，星際空間無這種物理現象。另一種是根據大氣密度隨高度增加而減少的規律，以大氣密度接近星際氣體密度的高度定為大氣上界。按衛星觀測資料推算，該高度約為2000～3000km。

第一百一十五頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四一、大氣分層的依據1、按照大氣的溫度結構分：對流層、平流層、中間層、暖層及散逸層；2、按照大氣的成分結構分：均質層和非均質層；3、按照大氣的壓力結構分：氣壓層和外大氣層；4、按照大氣的電離結構分：電離層和磁層。第一百一十六頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四按溫度的垂直分布，通常將大氣分成對流層、平流層、中層、熱層和外逸層等五層。

第一百一十七頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四地球大氣按照溫度分層：中層平流層對流層8－10－18km50km500km熱層外逸層85km極地中緯度赤道第一百一十八頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四第一百一十九頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四1、對流層

對流層是地球大氣的最低層，其下邊界為地面或海面。對流層高度隨緯度、季節等因素而變，在低緯地區平均為17～18km，中緯地區平均為10～12km，極地平均為8～9km。就季節變化而言，夏季對流層高度大于冬季。第一百二十頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四四個主要特點

(1)氣溫隨高度增加而降低，其降低的數值隨地區、時間和所在高度等因素而變。平均而言，每上升100m約降低0.65℃，這個氣溫降低速率稱為(環境)氣溫遞減率，通常以γ表示，即平均值γ=0.65℃/(100m)。有時在某地區會出現氣溫不隨高度而變，甚至隨高度增大而升高(稱為逆溫)的情況。對流層頂的溫度在低緯地區平均約190K，高緯地區約為220K。第一百二十一頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四二、氣溫鉛直遞減率（）

>0

減溫層=0

等溫層<0逆溫層TZ第一百二十二頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四(2)大氣密度和水汽隨高度迅速遞減，對流層幾乎集中了整個大氣質量的3/4和水汽的90%。(3)有強烈的垂直運動。包括有規則的垂直對流運動和無規則的湍流運動，它們使空氣中的動量、水汽、熱量以及氣溶膠等得以混合與交換。

第一百二十三頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四(4)氣象要素的水平分布不均勻。由于對流層空氣受地表的影響最大，因此，海陸分布、地形起伏等差異使對流層中的溫度、濕度等氣象要素的分布不均勻。

對流層在國外還常稱它的“天氣層”。

第一百二十四頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四2、平流層

自對流層頂向上至55km左右這一范圍稱為平流層最初20km以下，氣溫基本均勻(即隨高度基本不變)，從20km到55km，溫度很快上升，至平流層頂可達270～290K。這主要是由于臭氧吸收太陽輻射所致。臭氧層位于10～50km，在15～30km臭氧濃度最高，30km以上臭氧濃度雖然逐漸減少，但這里的紫外輻射很強烈，故溫度隨高度能迅速增高。

第一百二十五頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四(2)層內氣流平穩、對流微弱，而且水汽極少，因此大多數為晴朗的天空，能見度很好。有時對流層中發展旺盛的的積雨云頂部(卷云)也可伸展到平流層下部，在高緯地區有時日出前、日落后，會出現貝母云(也稱珍珠云)。水汽和塵埃較少,大氣透明度較好.第一百二十六頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四3、中層

自平流層頂部向上，氣溫又再次隨高度增加而迅速下降，至離地80～85km處達最低值(約為160～190K)，這一范圍的氣層稱為中層，或中間層。在中層，有相當強烈的垂直對流和湍流混合，故又稱為高空對流層，然而，由于水汽極少，只是在高緯地區的黃昏時刻，在該層頂部附近，有時會看到銀白色的夜光云。第一百二十七頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四4、熱層中層頂(85km)以上是熱層，這一層沒有明顯的上界，而且與太陽活動情況有關，有人觀測到其高度約在250～500km。在這一層，由于氧原子和氮原子吸收大量的太陽短波輻射，而使氣溫再次升高，可達1000～2000K。在100km以上，大氣熱量的傳輸主要靠熱傳導，而非對流和湍流運動。第一百二十八頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四由于熱層內空氣稀薄，分子稀少，傳導率小，因此該層的氣溫能很快上升到幾百度。然而，由于大氣稀薄，分子間的碰撞機會極少，溫度只有動力學意義(溫度是分子、原子等運動速度的量度)。如果宇航員能從宇航倉內伸出手來，他也不會感覺到“熱”，因為熱量還與分子的多少有關。熱層的溫度有很顯著的日變化，下午的溫度可比早晨溫度高300K，甚至更多。

第一百二十九頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四1)溫度隨高度增加而上升2)高度電離。3）帶電粒子運動受地球磁場的作用明顯。第一百三十頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四第一百三十一頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四第一百三十二頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四第一百三十三頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四第一百三十四頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四第一百三十五頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四5、外逸層

熱層頂以上是外逸層，它是大氣的最高層。在這層中氣溫很高，但隨高度的增加很少變化。由于氣溫高，粒子運動速度很大，而且這里的地心引力很小，因此，一些高速運動的空氣質粒可能散逸到星際空間，這就是“外逸層”名稱的由來。根據衛星觀測，可以推算出不同高度上的空氣密度，從而估計外逸層的高度。觀測表明，外逸層的高度可以從2000～3000km向外伸展到很遠，并逐漸與行星空間融合。第一百三十六頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四第一百三十七頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四

1.6.2大氣組成隨高度的變化

根據大氣組成，可將大氣分為均勻層和非均勻層兩個層次。從地面到80～100km(平均為90km)，大氣的氣體成分，隨高度基本不變，稱為均勻層；90km以上的稀薄空氣成分則不均勻，稱其為不均勻層。大氣成分隨高度的變化是由分子擴散和湍流混合兩種物理過程作用共同決定的。

在這非均勻層，又可以按其組成的主要成分，將其分為四層：最低一層以最重要的氮氣分子(N２)為主要成分，其上一層以原子氧(O)為最多，第三層以氦原子(He)居多，最高一層由最輕的氫原子(H)組成。

第一百三十八頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四1.6.3電離層

高空大氣中的氣體分子和原子在太陽短波輻射(紫外輻射和X射線)和微粒輻射(質子、電子等)作用下會電離而形成離子和自由電子。這種電離現象發生在地面以上50～1000km之間，電離的正離子和負電子密度在80～400km范圍達最大，稱為電離層。第一百三十九頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四電離層的電性結構不均一，它由三個密度不同的層次構成，自下而上依次稱為D、E、F層。由于電離需要太陽直接輻射，因此，白天和夜間的離子密度有所不同，尤其在D和E層，它們夜間消失，白天又形成。最高的上層在白天和黑夜都存在，因為F層大氣稀薄，電子、離子不會象低層密度較大的空氣那樣容易碰撞、中和，所以這一層的電子、離子密度變化幅度小。夜間雖變弱，但仍然存在。第一百四十頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四電離層對電磁波的傳播有重要影響，這是因為電離層對電磁波會發生吸收、反射和折射作用。無線電波可以借助于地面和電離層之間的多次反射而實現其遠距離傳輸，有時夜間能收到的電臺，第二天白天卻消失了，這是由于白天被上層反射的電波有一部分被D層吸收掉了，而夜間D層不存在。電離層的結構與太陽活動有著密切的關系，當太陽發生各種爆發現象時，會增加射向地球的太陽輻射和粒子流，使電離層狀態發生劇烈變化。例如，當太陽出現耀斑時，會使D層的電離度突然增加，導致中、短波無線電信號突然衰減，甚至使通訊中斷。第一百四十一頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四地球大氣按照電磁性質分層：磁層電離層中性層60km500km1000km第一百四十二頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四按地磁場對帶電粒子運動作用明顯與否分1、非磁層（500km以下）由于空氣較稠密，帶電粒子的運動主要受粒子間的碰撞支配2、磁層（500km以上）本層內存在大量帶電粒子，空氣又稀薄，粒子間碰撞稀少，所以，帶電粒子的運動主要受地磁場控制第一百四十三頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四1.6.4氣壓的高度分布

氣壓總是隨高度增加而減小

高度(km)海平面1.53.05.59121620.52431氣壓(hPa)1000850700500300200100503010氣壓隨高度變化的定量關系可以用靜力方程和壓高公式來描述。第一百四十四頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四1、靜力方程

靜力平衡

觀測表明，除了少數情況（如雷暴、龍卷風等強對流天氣）外，氣塊的鉛直加速度通常不超過0.001ms-2，比g約小一萬倍，一般可以忽略這個加速度，而近似認為氣塊在鉛直方向的受力處于平衡狀態，稱此時大氣處于靜力平衡狀態。第一百四十五頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四第一百四十六頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四假設大氣處于靜力平衡狀態(即靜止狀態)，設高度z處的氣壓為p(方向指向上)，z+dz處的氣壓為p+dp(方向為向下)，則薄氣柱所受的凈壓力為

p-(p+dp)=-dp

作用于薄氣柱的另一個力是重力W，方向向下，其值為

W=gdm=ρgdz第一百四十七頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四在靜力平衡條件下，薄氣柱受的凈壓力應與重力相等

大氣靜力方程具有很高的精度(有強對流運動的區域除外)，在大氣科學中得到廣泛的應用

第一百四十八頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四物理意義：

反應了在靜力平衡條件下，氣壓與高度的分布關系，即氣壓隨高度的增高而降低，隨高度的降低而增大。

第一百四十九頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四

（1）dp與dz總是反號的，當dz>0時，dp<0，表示氣壓隨高度增加而減少；相反，當dz<0時，dp>0，表示氣壓隨高度減小而增大。

(2）氣壓隨高度升高而減小的快慢程度，主要取決于ρ和g，若g視為常量，則主要取決于ρ：ρ大，p遞減快；ρ小，遞減慢。由此推導：

A、高空ρ<低空ρ，高空遞減較低空慢些；

B、當p相同的情況下，暖區ρ<冷區ρ，暖區

p遞減較慢。

第一百五十頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四（3）在靜力平衡情況下，任意高度z處的氣壓，等于該高度單位位截面上所承受的鉛直氣柱的重量，這就是氣壓的靜力學意義。即

A、若海平面（z=0）處氣壓為p，則由上式得到：

B、任意單位截面上下界的氣壓差（p-p）等于該氣層的重量

第一百五十一頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四“氣壓階”它定義為鉛直氣柱中每改變單位氣壓(常指1hPa)所對應的高度變化，即

hp=-dz/dp=-1/ρg

hp=8000/p(1+αt)

式中α=1/273，t為氣層的平均溫度(℃)，p的單位為hPa。第一百五十二頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四不同氣溫和氣壓下的氣壓階值(m/hPa)

氣溫(℃)氣壓（hpa）-40-200204010006.77.48.08.69.350013.414.716.017.318.610067.273.680.086.492.8第一百五十三頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四

靜力學基本方程的表達式為

對于深厚氣層微分形式的靜力學方程不能直接應用，可以通過積分得到其積分表達式，這就是常用的壓高公式。

具體推導如下：

將大氣狀態方程代入靜力學基本方程得：2壓高公式第一百五十四頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四

（2.1）將（2.1）式兩邊從P1～P2；Z1～Z2積分得：

(2.2)若略去水汽的影響，則（2.2）可寫為

(2.3)(2.3)就是壓高公式的一般表達式。

為了便于實際應用，通常對大氣作某些特定假設，使積分能夠順利進行。對應于不同的大氣模型，便可以得到不同的壓高公式。

第一百五十五頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四(1)均質大氣壓高公式

均質大氣是指空氣密度不隨高度變化的大氣，并不考慮水汽的影響和重力g隨高度的變化。

p=p0-ρgz第一百五十六頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四均質大氣中氣壓隨高度呈線性遞減，而且遞減的速度很快。當z=p0/ρg時，p=0，這個高度就是均質大氣的上界，也稱為標高，通常以H表示，其表達式為

H=p0/ρg均質大氣的密度隨高度不變，可將ρ取為地面大氣密度ρ0，再利用干空氣狀態方程，上式可寫為

H=RdT0/g上式表明，均質大氣高度H是地面氣溫T0的函數。當T0=273K時，有H=RdT0/g≈8km。均質大氣的密度隨高度不變，但其溫度是隨高度遞減的第一百五十七頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四均質大氣層中氣溫直減率將干空氣狀態方程兩邊取自然對數得在上式兩邊對Z求偏導數

γ=-3.41℃/100m第一百五十八頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四物理含義：將大氣狀態方程兩邊取自然對數，再求偏導討論：（1）增質層，表示密度隨高度增加而增大。空氣將產生翻騰現象，被稱為自動對流梯度；

（2）均質層，表示密度隨高度分布均勻。（3）減質層，表示密度隨高度增加而減小。

第一百五十九頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四

均質大氣的重要特征：

（1）P隨Z呈線性遞減；（2）T隨Z呈線性遞減，直減率r=3.42/100m,是空氣產生自動對流的一個臨界值，r可作為判據；（3）隨Z不變。（4）氣層上限高度H僅是地面T的函數。

第一百六十頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四（2）等溫大氣壓高公式：

1、概念：氣溫不隨高度變化（γ=0,即T=常數)的大氣稱為等溫大氣

2、等溫大氣壓高公式：

利用（2.3）式由于

第一百六十一頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四代入（2.3）得：（2.10)若取Z1為海平面高度，即，則海平面氣壓Z2=Z,P2=P。

(2.11)

(2.11)就是等溫大氣壓高公式。表示氣壓隨高度按指數規律遞減。從（2.11）知，時，表示等溫大氣無明確上界。

第一百六十二頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四等溫大氣中，氣壓隨高度呈指數遞減。實際應用中，可將大氣分成若干層次，把各層看作等溫大氣。即以各層的平均溫度作為公式中的溫度t，計算出各層的高度差，累加后即可得整個氣層的厚度。若考慮水汽影響，則上式中的溫度(T或t)，用虛溫(Tv)替代。第一百六十三頁，共二百頁，編輯于2023年，星期四等溫大氣的主要特征歸納如下：

P隨高度按照指數規律遞減，遞減快慢與氣層溫度有關。氣層溫度隨高度不變，即氣層中ρ