大气的热力过程与大气圈结构课件

第三章第三章大气污染气象学大气污染气象学第一节第一节大气圈结构及气象要素大气圈结构及气象要素第二节第二节大气的热力过程大气的热力过程第三节第三节大气的运动和风大气的运动和风第三章 大气污染气象学 第一节 大气圈结构及气象要1第一节第一节大气圈结构及气象要素大气圈结构及气象要素一、大气圈的垂直结构一、大气圈的垂直结构1、定定义义：自自然然地地理理学学将将受受地地心心引引力力而而随随地地球球旋旋转的转的大气层大气层，称为大气圈，称为大气圈大大气气圈圈和和宇宇宙宙空空间间之之间间很很难难确确切切划划分分，常常把把 大大 气气 圈圈 的的 上上 界界 定定 为为 1200-1400km。1400km以以外外，气气体体非非常常稀稀薄薄，就就是是宇宇宙宙空空间间了。了。2、大气结构的分类、大气结构的分类 大大气气的的化化学学成成分分和和物物理理性性质质在在垂垂直直方方向向上上有有着着显显著著的的差差异异，根根据据大大气气在在各各个个高高度度上上不不同同的特征可分为若干层次。的特征可分为若干层次。3种分类方法如下：种分类方法如下：第一节 大气圈结构及气象要素一、大气22、大气结构的分类、大气结构的分类（1）按压力特性按压力特性：气压层气压层和和外气压层（散逸层）外气压层（散逸层）（2）按分子组成按分子组成：均质层均质层和和非均质层。非均质层。均均质质层层：在在80-85km（中中间间层层）以以下下的的大大气气层层中中，以以湍湍流流扩扩散散为为主主，大大气气的的主主要要成成分分氮氮和和氧氧的组成比例几乎不变，称为均质大气层。的组成比例几乎不变，称为均质大气层。非非均均质质层层：在在均均质质层层以以上上的的大大气气层层中中，以以分分子子扩扩散散为为主主，气气体体组组成成随随高高度度变变化化而而变变化化。这这层层中较轻的气体成分有明显增加。中较轻的气体成分有明显增加。（3）大大气气的的热热状状况况：对对流流层层、平平流流层层、中中间间层、暖层（热成层）和散逸层层、暖层（热成层）和散逸层 2、大气结构的分类（1）按压力特性：气压层和外气压3大气的热力过程与大气圈结构课件4对流层对流层1、范围：、范围：是大气圈最低的一层。高度随纬度增是大气圈最低的一层。高度随纬度增加而降低，由于对流程度在热带比在寒带要强烈。加而降低，由于对流程度在热带比在寒带要强烈。热带热带16-17km，温带温带10-12km，两极附近两极附近8-9km。2、特征：、特征：（1）是天气变化复杂多变是天气变化复杂多变（2）气温随高度增加而降低气温随高度增加而降低（3）空气具有强烈的对流运动空气具有强烈的对流运动（4）温度和湿度的水平分布不均匀。）温度和湿度的水平分布不均匀。大气边界层或摩擦层：大气边界层或摩擦层：对流层的下层约对流层的下层约1-2km，其中从地面到其中从地面到100m左右的一层又称近地层，上下气温之差很大，可达左右的一层又称近地层，上下气温之差很大，可达1-2k。自由大气自由大气：在大气边界层以上的气流，几乎不受地面摩擦的影在大气边界层以上的气流，几乎不受地面摩擦的影响，称为自由大气。响，称为自由大气。对流层1、范围：是大气圈最低的一层。高度随纬度增加而降低，由5平流层平流层1、范围、范围：从对流层顶到：从对流层顶到50-55km高度。高度。对流层顶：在对流层到平流层间有一厚度为几百米到一对流层顶：在对流层到平流层间有一厚度为几百米到一千米的过渡层千米的过渡层2、特点、特点：分为两层，大气污染物停留时间长分为两层，大气污染物停留时间长（1）同温层同温层：从对流层顶到：从对流层顶到35-40km左右的一层，左右的一层，气温几乎不随高度变化，气温几乎不随高度变化，-55左右左右（2）逆温层逆温层。从这以上到平流层顶，气温随高度增高。从这以上到平流层顶，气温随高度增高而增高，到平流层顶达而增高，到平流层顶达-3左右，几乎没有空气对流左右，几乎没有空气对流运动。运动。臭氧层臭氧层：在：在20-25km高度臭氧的浓度达到最大值高度臭氧的浓度达到最大值平流层1、范围：从对流层顶到50-55km高度。6中间层中间层1、范围：、范围：从平流层顶到从平流层顶到85km高度的一层高度的一层2、特点：、特点：（1）气温随高度增高而降低，顶部气温达）气温随高度增高而降低，顶部气温达-83以下以下（2）空气具有强烈的对流运动，垂直混合明显。）空气具有强烈的对流运动，垂直混合明显。中间层71、暖层范围：、暖层范围：从中间层顶到从中间层顶到800km2、特点：、特点：（1）强烈的太阳紫外线和宇宙射线的作用，温度随）强烈的太阳紫外线和宇宙射线的作用，温度随高度上升而增高。高度上升而增高。（2）空气处于高度电离状态，存在大量的离子和电）空气处于高度电离状态，存在大量的离子和电子，又称电离层。子，又称电离层。1、散逸层范围散逸层范围：暖层以上，大气的外层。：暖层以上，大气的外层。2、特点：、特点：气温很高，空气极为稀薄，空气粒子的运气温很高，空气极为稀薄，空气粒子的运动速度很高，可以摆脱地球引力而散逸到太空中。动速度很高，可以摆脱地球引力而散逸到太空中。暖层和散逸层暖层和散逸层1、暖层范围：从中间层顶到800km暖层和散逸层8二、气二、气象象要要素素气象要素气象要素：表示大气状态的物理量和物理现象。表示大气状态的物理量和物理现象。主要有气温、气压、气湿、风向、风速、云况、主要有气温、气压、气湿、风向、风速、云况、能见度等。能见度等。1、气温：、气温：地面气温指距地面地面气温指距地面1.5m高度在百叶箱中观高度在百叶箱中观测到的空气温度。测到的空气温度。2、气压：、气压：大气的压强。气象学上常用的单位百帕大气的压强。气象学上常用的单位百帕（hPa）。）。与其他气压单位的关系是：与其他气压单位的关系是：1atm=101325Pa=1013.25hPa=760mmHg3、气湿：气湿：空气的湿度。表示方法：绝对湿度、水汽空气的湿度。表示方法：绝对湿度、水汽压力、相对湿度、饱和气压、露点等。压力、相对湿度、饱和气压、露点等。二、气 象 要 素气象要素：表示大气状态的物理量和物理现象。93、气湿气湿3.1绝对湿度绝对湿度在在1m3湿空气中含有的水汽质量湿空气中含有的水汽质量kg,称为湿空称为湿空气的绝对湿度。由理想状态方程可得：气的绝对湿度。由理想状态方程可得：3、气湿3.1 绝对湿度103、气湿气湿3.2相对湿度相对湿度空气的绝对湿度与同温度下饱和空气的绝对湿空气的绝对湿度与同温度下饱和空气的绝对湿度之百分比度之百分比。3、气湿113、气湿气湿3.3含湿量含湿量湿空气中湿空气中1kg干空气所包含的水汽质量（干空气所包含的水汽质量（kg）。）。气象中也称为比湿气象中也称为比湿 3、气湿3.3 含湿量123、气湿气湿在工程常将湿空气的含湿量定义为在工程常将湿空气的含湿量定义为1标准立方米干标准立方米干空气所包括的水汽质量（空气所包括的水汽质量（kg),其单位为其单位为kg水汽水汽/m3N干空干空气气3.4水汽体积分数水汽体积分数对于理想气体来说，混合气体中某一气体的体积分数等对于理想气体来说，混合气体中某一气体的体积分数等于其摩尔分数，说以水汽的体积分数可表示为：于其摩尔分数，说以水汽的体积分数可表示为：p:67例3-13、气湿 在工程常将湿空气的含湿量定义为1标准133、气湿气湿3.5露点露点在一定的气压下，空气达到饱和状态时的温度，在一定的气压下，空气达到饱和状态时的温度，称为空气的露点。称为空气的露点。3、气湿14二、气二、气象象要要素素4.风向和风速：风向和风速：风：风：水平方向上的空气运动，风是一个矢量，有大小和方向。水平方向上的空气运动，风是一个矢量，有大小和方向。升降气流升降气流：垂直方向的空气运动垂直方向的空气运动风向：风向：是指风的来向。可以用方位或角度表示。是指风的来向。可以用方位或角度表示。8或或16个方位个方位风速：风速：是单位时间内空气在水平方向运动的距离。单位是单位时间内空气在水平方向运动的距离。单位m/s或或km/s。通常气象台所测定的风向、风速都是一定时间通常气象台所测定的风向、风速都是一定时间2min或或10min内内的平均值。的平均值。风力：风力：大小来估计风速。根据将风力分为大小来估计风速。根据将风力分为13个等级。风速和风个等级。风速和风力等级（力等级（F）之间的关系：之间的关系：二、气 象 要 素 4.风向和风速：15 风向指的是风的风向指的是风的来向来向 风力指的是风的风力指的是风的强弱强弱 风向指的是风的来向 风力指的是风的强弱16风级和符号风级和符号名称名称风速（米风速（米/秒）秒）*陆地物象陆地物象海面波浪海面波浪浪浪高（米）高（米）0无风无风0.0-0.2烟直上烟直上平静平静0.01软风软风0.3-1.5烟示风向烟示风向微波峰无飞沫微波峰无飞沫0.12轻风轻风1.6-3.3感觉有风感觉有风小波峰未破碎小波峰未破碎0.23微风微风3.4-5.4旌旗展开旌旗展开小波峰顶破裂小波峰顶破裂0.64和风和风5.5-7.9吹起尘土吹起尘土小浪白沫波峰小浪白沫波峰1.05劲风劲风8.0-10.7小树摇摆小树摇摆中浪折沫峰群中浪折沫峰群2.06强风强风10.8-13.8电线有声电线有声大浪到个飞沫大浪到个飞沫3.07疾风疾风13.9-17.1步行困难步行困难破峰白沫成条破峰白沫成条4.08大风大风17.2-20.7折毁树枝折毁树枝浪长高有浪花浪长高有浪花5.59烈风烈风20.8-24.4小损房屋小损房屋浪峰倒卷浪峰倒卷7.010狂风狂风24.5-28.4拔起树木拔起树木海浪翻滚咆哮海浪翻滚咆哮9.011暴风暴风28.5-32.6损毁普遍损毁普遍波峰全呈飞沫波峰全呈飞沫11.512飓风飓风32.7-摧毁巨大摧毁巨大海浪滔天海浪滔天14.0 风级和符号 名称 风速（米/秒）*陆地物象 海面波17风风向杆向杆风尾风尾每一道风每一道风尾代表尾代表风力风力2级级风杆与风风杆与风尾一起指尾一起指示风向示风向北风北风5-6级级风向杆风尾每一道风风杆与风北风5-6级18风力最大为风力最大为12级，四道级，四道风尾表示风尾表示7-8级风，级风，912级风用级风用符号符号表示表示风力最大为19表示风力表示风力912级级表示风力20西东南北东南风7-8级西东南北西北风5-6级西东南北东南风7-8级西东南北西北风5-6级215、云云 5.1 定义定义 是由漂浮在空中的水气凝结物，由大量小水滴或小冰是由漂浮在空中的水气凝结物，由大量小水滴或小冰晶或两者的混合物构成的。云层使气温随高度的变化减少晶或两者的混合物构成的。云层使气温随高度的变化减少5.2 云量云量 指云遮蔽天空的成数。我国将天空指云遮蔽天空的成数。我国将天空10等分，云遮蔽了几分，云等分，云遮蔽了几分，云量就是几。国外将天空量就是几。国外将天空8等分。两者之间换算：国外云量等分。两者之间换算：国外云量1.25=我国云量我国云量 总云量：所有云遮蔽天空的成数。低云量：低云遮总云量：所有云遮蔽天空的成数。低云量：低云遮蔽天空的成数。蔽天空的成数。5.3 云高：云高：云距地面的高度云距地面的高度 （1）高云：）高云：5000m以上，冰晶构成，透明以上，冰晶构成，透明 （2）中云：）中云：2500-5000m水滴或小冰晶水滴或小冰晶 灰白色灰白色 （3）低云：云底高度）低云：云底高度2500m以下以下 黑黑 乌云密布乌云密布二、气二、气象象要要素素5、云 二、气 象 要 素226、能见度、能见度在当时的天气条件下，视力正常的人能够从天空背在当时的天气条件下，视力正常的人能够从天空背景中看到或辨认出的目标物的最大水平距离。单位用景中看到或辨认出的目标物的最大水平距离。单位用m或或km表示。表示。能见度的观测值通常为能见度的观测值通常为10级，级，P:69表表3-1能见度级能见度级9大于大于50000米（米（100里）里）千里眼千里眼10倍倍二、气二、气象象要要素素 6、能见度 二、气 象 要 素23第二节第二节大气的热力过程大气的热力过程一、太阳、大气和地面的热交换一、太阳、大气和地面的热交换太阳是主要热源，表面温度为太阳是主要热源，表面温度为6000K,电磁波向外辐电磁波向外辐射能量。射能量。热交换过程：热交换过程：首先，太阳短波辐射加热了地球表面，首先，太阳短波辐射加热了地球表面，然后地面的长波辐射加热了大气。然后地面的长波辐射加热了大气。见下页图见下页图低层大气的增热与冷却：低层大气的增热与冷却：是太阳、地面与大气进行热是太阳、地面与大气进行热量交换的结果。但低层大气的增热主要来源于地面的量交换的结果。但低层大气的增热主要来源于地面的长波辐射，近地层的大气温度随地表温度的增加而增长波辐射，近地层的大气温度随地表温度的增加而增加加(大气自下而上被加热大气自下而上被加热)；随地表温度的降低而降低；随地表温度的降低而降低(大气自下而上被冷却大气自下而上被冷却)。长波辐射长波辐射是地面与大气的重要的热交换方式，但不唯是地面与大气的重要的热交换方式，但不唯一。一。温差热传导、对流、潜热换热等温差热传导、对流、潜热换热等。第二节 大气的热力过程 一、太阳、大气和地面的热交换24太阳、大气和地面的热交换太阳、大气和地面的热交换太阳、大气和地面的热交换25二、气温的垂直变化二、气温的垂直变化1、大气的绝热过程与泊松方程、大气的绝热过程与泊松方程绝热过程：绝热过程：如果大气中某一空气块做垂直运动时与如果大气中某一空气块做垂直运动时与周围空气不发生热量交换，则这样的状态变化过程。周围空气不发生热量交换，则这样的状态变化过程。当空气块从地面绝热上升时，将其周围气压的减小而当空气块从地面绝热上升时，将其周围气压的减小而膨胀，一部分内能用于反抗外压力而做膨胀功，因而膨胀，一部分内能用于反抗外压力而做膨胀功，因而它的温度下降；反之，若空气块绝热下降，外压力对它的温度下降；反之，若空气块绝热下降，外压力对它做压缩功，因而它的温度将逐渐上升。它做压缩功，因而它的温度将逐渐上升。实际上，多数情况的大气过程都可以视为绝热实际上，多数情况的大气过程都可以视为绝热过程，它的气温变化完全是由外界压力变化引过程，它的气温变化完全是由外界压力变化引起的。起的。二、气温的垂直变化 1、大气的绝热过程与泊松26CP：干空气的定压比热：干空气的定压比热1005J(kgK)；R:干空气的气体常数干空气的气体常数,287J(kgK)，P气块压力，气块压力，hPaT气块温度气块温度K泊松方程泊松方程CP：干空气的定压比热1005 J(kg K)；27气温直减率气温直减率2、干绝热直减率干绝热直减率:干空气在绝热上升或下降单干空气在绝热上升或下降单位高度位高度（通常取通常取100米）的温度降低或升高的米）的温度降低或升高的数值，称为干空气温度绝热垂直递减率，简称数值，称为干空气温度绝热垂直递减率，简称干绝热直减率。定义式为：干绝热直减率。定义式为：其中，其中，Ti表示干空气块的温度，它不同于周围空气的温表示干空气块的温度，它不同于周围空气的温度度d：干空气。干空气。气温直减率 2、干绝热直减率:干空283、位温、位温一干空气块绝热升降到标准气压一干空气块绝热升降到标准气压1000hPa处的处的温度，称位温，用温度，称位温，用表示表示，且，且=常数常数气温直减率气温直减率3、位温 气温直减率294、气温的垂直分布、气温的垂直分布若气温随高度增加而递减，气温递减率是正值，反之，若气温随高度增加而递减，气温递减率是正值，反之，则为负值。则为负值。（2）、温度层结）、温度层结：气温沿垂直高度的分布，可用坐气温沿垂直高度的分布，可用坐标图上的曲线表示，这种曲线称气温沿高度分布曲线标图上的曲线表示，这种曲线称气温沿高度分布曲线或温度层结曲线或温度层结曲线（1）、气温直减率：）、气温直减率：气温随高度的变化特征可以用气温垂直递减率表示气温随高度的变化特征可以用气温垂直递减率表示 4、气温的垂直分布若气温随高度增加而递减，气温递减率30（2）、温度层结）、温度层结温度层结有四种类型：温度层结有四种类型：1、正常分布层结或递减层结正常分布层结或递减层结气温随高度增加而递减，即气温随高度增加而递减，即d2、中性层结中性层结气温直减率等于或近似等于干绝热直减率气温直减率等于或近似等于干绝热直减率=d3、等温层结等温层结气温不随高度变化，即气温不随高度变化，即=04、逆温逆温气温随高度增加而增加，即气温随高度增加而增加，即0，称气温逆转。，称气温逆转。（2）、温度层结 温度层结有四种类型：31（2）、温度层结）、温度层结P：73图图3-3（2）、温度层结 P：73 图3-332三、大气的稳定度三、大气的稳定度1、大气稳定度：、大气稳定度：指在垂直方向上大气稳定的程度，即是否易于发生对流指在垂直方向上大气稳定的程度，即是否易于发生对流。关于大气稳定度的理解有三种情况：关于大气稳定度的理解有三种情况：如果空气块受到外力的作用，产生了上升或下降的运动，当外力如果空气块受到外力的作用，产生了上升或下降的运动，当外力去除后发生三种情况：去除后发生三种情况：（1）气块减速并有返回原来高度的趋势，称这种）气块减速并有返回原来高度的趋势，称这种大气稳大气稳定的定的（2）气块加速上升或下降，称这种）气块加速上升或下降，称这种大气是不稳定的大气是不稳定的（3）气块被推倒某一高度后，即不减速也不加速，保持）气块被推倒某一高度后，即不减速也不加速，保持不动称这种不动称这种大气为中性的大气为中性的 三、大气的稳定度 1、大气稳定度：332、大气稳定度的判别、大气稳定度的判别4个条件：准静力学条件、理想气体状态方程、气块个条件：准静力学条件、理想气体状态方程、气块运动绝热运动绝热、气块与大气的起始温度相同、气块与大气的起始温度相同 2、大气稳定度的判别4个条件：准静342、大气稳定度的判别、大气稳定度的判别 2、大气稳定度的判别35四、逆温四、逆温n逆温层：逆温层：气温随高度增加而增加的气层称为逆气温随高度增加而增加的气层称为逆温层。在发生等温或逆温时，大气是稳定的，温层。在发生等温或逆温时，大气是稳定的，所以逆温层的存在阻碍了气流的运动，所以也所以逆温层的存在阻碍了气流的运动，所以也称为称为阻挡层阻挡层。许多大气污染事件多发生在有逆。许多大气污染事件多发生在有逆温及静风的气象条件下。温及静风的气象条件下。逆温类型：逆温类型：1、辐射逆温、辐射逆温2、下沉逆温、下沉逆温3、平流逆温、平流逆温4、湍流逆温、湍流逆温5、锋面逆温、锋面逆温 四、逆温逆温层：气温随高度增加而36四、逆温四、逆温逆温的存在可以阻碍空气垂直运动的发展，使逆温层逆温的存在可以阻碍空气垂直运动的发展，使逆温层下的烟雾、杂质不易穿过逆温层向上扩散，污染物无下的烟雾、杂质不易穿过逆温层向上扩散，污染物无路可走，只好路可走，只好“流毒人间流毒人间”。同时，有逆温时，一般。同时，有逆温时，一般风速都很小，污染物更不易扩散。因此，逆温层强度风速都很小，污染物更不易扩散。因此，逆温层强度越大，层次越厚，维持时间越长，其污染就越重。越大，层次越厚，维持时间越长，其污染就越重。专家研究指出，冬雾中的有毒物质和致病微生物是专家研究指出，冬雾中的有毒物质和致病微生物是浓雾和逆温危害人体健康的根本原因，酸、胺、酚、浓雾和逆温危害人体健康的根本原因，酸、胺、酚、苯等有毒物质及各种病原微生物滞留其中，积聚浓度苯等有毒物质及各种病原微生物滞留其中，积聚浓度达到一定程度，就会刺激人体的某些敏感部位，引起达到一定程度，就会刺激人体的某些敏感部位，引起气管炎、喉炎、结膜炎和一些过敏性疾病，对于年老气管炎、喉炎、结膜炎和一些过敏性疾病，对于年老体衰者，可能危及生命。专家建议，在空气污染严重体衰者，可能危及生命。专家建议，在空气污染严重的地区和城市，当浓雾出现时，应尽量减少外出；养的地区和城市，当浓雾出现时，应尽量减少外出；养成雾日出门戴口罩、手套及防护衣的习惯，以防有毒成雾日出门戴口罩、手套及防护衣的习惯，以防有毒物及致病微生物从口腔、皮肤侵入物及致病微生物从口腔、皮肤侵入.四、逆温 逆温的存在可以阻碍空37四、逆温四、逆温n科学家发现，世界上发生的重大污染事件，除了污科学家发现，世界上发生的重大污染事件，除了污染严重外，还与大气发生染严重外，还与大气发生“逆温逆温”现象有关。比如，现象有关。比如，美国洛杉矶被称为美国洛杉矶被称为“烟雾城烟雾城”，一是由于汽车排放的，一是由于汽车排放的尾气持多，再者就是该市上空每年约有三百天发生尾气持多，再者就是该市上空每年约有三百天发生“逆温逆温”。伦敦烟雾事件，除了燃煤污染严重外，也与。伦敦烟雾事件，除了燃煤污染严重外，也与“逆温逆温”有关。那几天伦敦处于冷高压控制之下，静有关。那几天伦敦处于冷高压控制之下，静风，近地面层空气温度低于高空气温；家庭取暖燃煤风，近地面层空气温度低于高空气温；家庭取暖燃煤猛增，加之工厂烟囱林立、黑烟滚滚，城市上空的烟猛增，加之工厂烟囱林立、黑烟滚滚，城市上空的烟雾越积越浓。结果，整个城市笼罩在一片浓烟之中，雾越积越浓。结果，整个城市笼罩在一片浓烟之中，酿成了一万多人死亡的酿成了一万多人死亡的“世纪悲剧世纪悲剧”。冬天里冬天里“逆温逆温”现象时有发生，在现象时有发生，在“逆温逆温”造成造成大雾茫茫或污染严重时，人们应减少晨练及室外活动大雾茫茫或污染严重时，人们应减少晨练及室外活动时间，尽力避免时间，尽力避免“逆温逆温”带来的危害。带来的危害。四、逆温 科学家发现，世界上发生的重大38四、逆温四、逆温逆温类型：逆温类型：1、辐射逆温、辐射逆温2、下沉逆温、下沉逆温3、平流逆温、平流逆温4、湍流逆温、湍流逆温5、锋面逆温、锋面逆温 四、逆温 逆温类型：391、辐射逆温、辐射逆温由于地面强烈辐射冷却形成的由于地面强烈辐射冷却形成的逆温逆温在晴朗无云或少云的夜间，风速较小在晴朗无云或少云的夜间，风速较小时，地面很快冷却，较高的气层冷却较慢，因而形成了自地面开始逐渐时，地面很快冷却，较高的气层冷却较慢，因而形成了自地面开始逐渐向上的逆温层。厚度向上的逆温层。厚度200-300 m 冬天强冬天强 1、辐射逆温由于地面强烈辐射冷402、下沉逆温、下沉逆温由于空气下沉受到压缩增温而形成的逆温称为下沉逆温。高空大气由于空气下沉受到压缩增温而形成的逆温称为下沉逆温。高空大气 2、下沉逆温由于空气下沉受到压缩增温而41定义：定义：由暖空气平流到冷地表面上形成的逆温。由暖空气平流到冷地表面上形成的逆温。成因成因：由于低层空气受地表面影响大、降温多，由于低层空气受地表面影响大、降温多，上层空气降温少而形成的。暖空气与地面之间上层空气降温少而形成的。暖空气与地面之间温差越大，逆温越强。温差越大，逆温越强。例：例：暖空气平流到低地、盆地内积聚的冷空气暖空气平流到低地、盆地内积聚的冷空气上面；沿海地区的暖空气流到陆地上都能形成上面；沿海地区的暖空气流到陆地上都能形成平流逆温平流逆温3、平流逆温、平流逆温定义：由暖空气平流到冷地表面上形成的逆温。424、湍流逆温、湍流逆温低层空气湍流混合形成的逆温称为湍流逆温。厚度不大，约几十米低层空气湍流混合形成的逆温称为湍流逆温。厚度不大，约几十米 4、湍流逆温低层空气湍流混合形成的435、锋面逆温锋面逆温在对流层中的冷空气与暖空气团相遇时，暖空气因密度小，爬到冷在对流层中的冷空气与暖空气团相遇时，暖空气因密度小，爬到冷空气上面去，形成一个倾斜的过度区，称为空气上面去，形成一个倾斜的过度区，称为锋面锋面。在锋面上，冷暖。在锋面上，冷暖空气的温差很大，出现空气的温差很大，出现锋面逆温锋面逆温 5、锋面逆温在对流层中的冷空气与暖空气团相遇44五、烟流形状与大气稳定度的关系形状五、烟流形状与大气稳定度的关系形状五种典型的烟流形状与特征五种典型的烟流形状与特征 五、烟流形状与大气稳定度的关系形状五种典型的45大气的热力过程与大气圈结构课件46大气的热力过程与大气圈结构课件47第三节第三节大气的运动和风大气的运动和风一、引起大气运动的作用力一、引起大气运动的作用力气压梯度力、重力、地转偏向力、摩擦力和惯性离心力。这些气压梯度力、重力、地转偏向力、摩擦力和惯性离心力。这些力的不同结合，形成了大气的运动。力的不同结合，形成了大气的运动。1、水平气压梯度力：、水平气压梯度力：单位质量的空气在气压场中受到的单位质量的空气在气压场中受到的作用力称为气压梯度力。可分为水平方向和垂直方向两个分量。作用力称为气压梯度力。可分为水平方向和垂直方向两个分量。垂直方向垂直方向由于有空气重量与之平衡，所以空气受到的作用不大。由于有空气重量与之平衡，所以空气受到的作用不大。水平气压梯度力虽小水平气压梯度力虽小，是大气运动的主要原因。有高压向低压运动。是大气运动的主要原因。有高压向低压运动。当当G=7*10-4N/kg,持续持续3h,可使风速由可使风速由0增加到增加到7.6m/s 第三节 大气的运动和风 一、引起大气运动的482、地转偏向力、地转偏向力特点：特点：1、伴随风速的产生而产生、伴随风速的产生而产生2、垂直于大气的运动方向、垂直于大气的运动方向3、只改变风向，不改变风速、只改变风向，不改变风速4、两极该力最大、两极该力最大,赤道为零赤道为零定义：定义：大气在转动的地球上运动时，由于地球转动而产生大气在转动的地球上运动时，由于地球转动而产生的使运动偏离气压梯度方向的力，称为地转偏向力。它只的使运动偏离气压梯度方向的力，称为地转偏向力。它只能改变大气运动的方向，不能改变运动的速度。风速、地能改变大气运动的方向，不能改变运动的速度。风速、地球自转角速度、当地纬度球自转角速度、当地纬度 2、地转偏向力 特点：1、伴随风速的493、惯性离心力、惯性离心力特点：特点：（1）大气做曲线运动时，将受到惯性离心力的作用。）大气做曲线运动时，将受到惯性离心力的作用。（2）其方向与大气运动方向垂直，曲线路径的曲率）其方向与大气运动方向垂直，曲线路径的曲率中心指向外；中心指向外；（3）大小与大气运动的线速度的平方成正比，与曲）大小与大气运动的线速度的平方成正比，与曲率半径成反比。率半径成反比。实际上，大气运动的曲率半径一般很大，因此惯性离实际上，大气运动的曲率半径一般很大，因此惯性离心力通常很小。心力通常很小。3、惯性离心力 504、摩擦力、摩擦力摩擦力：摩擦力：运动速度不同的相邻大气层之间以及贴近运动速度不同的相邻大气层之间以及贴近地面运动的大气与地表之间，都会产生阻碍大气运地面运动的大气与地表之间，都会产生阻碍大气运动的阻力动的阻力.特点：特点：它的方向与大气运动方向相反，大小随它的方向与大气运动方向相反，大小随大气高度不同而变化。高度越高，作用越弱。大气高度不同而变化。高度越高，作用越弱。在在1-2km高度，摩擦力始终存在，称为摩擦高度，摩擦力始终存在，称为摩擦层，这以上的大气层称为自由大气层。层，这以上的大气层称为自由大气层。小结：小结：水平气压梯度力是引起大气运动的直接动力。其他三水平气压梯度力是引起大气运动的直接动力。其他三力的作用，则根据具体情况而定。力的作用，则根据具体情况而定。4、摩擦力摩擦力：运动速度不51二、大气边界层中风随高度的变化二、大气边界层中风随高度的变化1、变化规律、变化规律：由于摩擦力随高度增加而减小，由于摩擦力随高度增加而减小，当气压梯度力不随高度变化时，风速随高度增加而增当气压梯度力不随高度变化时，风速随高度增加而增大，风向与等压线的交角随高度增加而减小。理想的大，风向与等压线的交角随高度增加而减小。理想的大气边界层。风矢量变化比较整齐大气边界层。风矢量变化比较整齐P79图3-102、爱克曼螺旋线：、爱克曼螺旋线：在北半球在北半球,如果把边界层中不同如果把边界层中不同高度的风矢量用矢量图表示，并把它们投影到同一水高度的风矢量用矢量图表示，并把它们投影到同一水平面上，把风矢量顶点连起来，就得到一风矢量迹线，平面上，把风矢量顶点连起来，就得到一风矢量迹线，称为爱克曼螺旋线，从地面向高空望去，风向是顺时称为爱克曼螺旋线，从地面向高空望去，风向是顺时针变化的。当到了大气边界层顶时、风速和风向完全针变化的。当到了大气边界层顶时、风速和风向完全接近了地转风。接近了地转风。二、大气边界层中风随高度的变化 1、变化规律：522、爱克曼螺旋线、爱克曼螺旋线 2、爱克曼螺旋线53三、近地层中的风速廓线模式三、近地层中的风速廓线模式平均风速随高度的变化曲线称为风速廓线。其平均风速随高度的变化曲线称为风速廓线。其数学表达式为风速廓线模式。介绍两种根据湍流数学表达式为风速廓线模式。介绍两种根据湍流半经验理论推导出的两种。半经验理论推导出的两种。1、对数律风速廓线模式：、对数律风速廓线模式：应用范围应用范围：在近地层中性层结条件下精度较高，但在非中性层结：在近地层中性层结条件下精度较高，但在非中性层结条件下应用，将产生较大误差。条件下应用，将产生较大误差。三、近地层中的风速廓线模式 平均风速随高度的变化54三、近地层中的风速廓线模式三、近地层中的风速廓线模式P:80表表3-3参数参数m的变化取决于温度层结和地面粗的变化取决于温度层结和地面粗糙度，为糙度，为0m1的分数。层结越不稳定，的分数。层结越不稳定，m越小。越小。应用范围：应用范围：非中性层结，在非中性层结，在300-500米的中性条件米的中性条件应用较多。应用较多。2、指数律风速廓线模式指数律风速廓线模式三、近地层中的风速廓线模式P:80 表3-3参数m的变化取决55四、地方性风场四、地方性风场1、海陆风海陆风海风和陆风的总称。它发生在海陆交界地带，海风和陆风的总称。它发生在海陆交界地带，是以是以24小时为周期的一种大气局地环流。海陆风小时为周期的一种大气局地环流。海陆风是由于陆地和海洋的热力性质差异而引起的。是由于陆地和海洋的热力性质差异而引起的。在白天在白天,由于太阳辐射由于太阳辐射,陆地升温比海洋快陆地升温比海洋快,在海陆在海陆大气之间产生了大气之间产生了温度差、气压差温度差、气压差,使低空大气由海使低空大气由海洋流向陆地洋流向陆地,形成海风形成海风,高空大气从陆地流向海洋高空大气从陆地流向海洋,形形成反海风成反海风,他们同陆地上的上升气流和海洋上的下他们同陆地上的上升气流和海洋上的下降气流一起形成了了海陆风局地环流。降气流一起形成了了海陆风局地环流。在夜间，陆地降温快，形成了陆风与反陆风。在夜间，陆地降温快，形成了陆风与反陆风。四、地方性风场 1、海陆风561、海陆风海陆风1、海陆风57建在海边的工厂排出污染物时，必须考虑建在海边的工厂排出污染物时，必须考虑到海陆风的影响。污染物可能在夜间被吹到海到海陆风的影响。污染物可能在夜间被吹到海面上，在白天又随海风吹回来，或者进入海陆面上，在白天又随海风吹回来，或者进入海陆风局地环流中，是污染物不能得到充分的扩散风局地环流中，是污染物不能得到充分的扩散稀释。稀释。在大湖泊、江河的水陆交界地带也会在大湖泊、江河的水陆交界地带也会产生水陆风。活动范围和强度比海陆风产生水陆风。活动范围和强度比海陆风要小。要小。建在海边的工厂排出污染物时，必须考虑到海陆风的582、山谷风、山谷风是山风和谷风的总称是山风和谷风的总称。它发生在山区，是以。它发生在山区，是以24小时为小时为周期的一种大气局地环流。它主要是由于山坡和谷周期的一种大气局地环流。它主要是由于山坡和谷地由于受热不均而产生的。地由于受热不均而产生的。谷风：谷风：在白天山坡的大气比谷地上的同高度的大气的在白天山坡的大气比谷地上的同高度的大气的温度高，形成由谷地吹向山坡的风。高空，反谷风。温度高，形成由谷地吹向山坡的风。高空，反谷风。山风：山风：夜间，山坡的大气比谷地的大气冷却的快，形夜间，山坡的大气比谷地的大气冷却的快，形成由山坡滑到谷地的风。高空，反山风。成由山坡滑到谷地的风。高空，反山风。山风和谷风山风和谷风的方向是相反的。但比较稳定，在山风和的方向是相反的。但比较稳定，在山风和谷风的转换期，风向不稳定。如果污染物此时排入谷风的转换期，风向不稳定。如果污染物此时排入山谷中，由于风向的摆动，污染物不易扩散，可能山谷中，由于风向的摆动，污染物不易扩散，可能会造成污染。会造成污染。2、山谷风是山风和谷风的总称。它发生592、山谷风、山谷风 2、山谷风603、城市热岛环流、城市热岛环流定义：定义：城市热岛环流是由城乡温度差引起的局地风。城市热岛环流是由城乡温度差引起的局地风。原因：原因：（1）城市人口密集、工业集中，能耗水平高城市人口密集、工业集中，能耗水平高（2）城市覆盖物（水泥路面）热容量大）城市覆盖物（水泥路面）热容量大（3）烟雾和二氧化碳，使地面有效辐射减弱。）烟雾和二氧化碳，使地面有效辐射减弱。（4）城市居民生产、生活形成丰富的人工热源城市居民生产、生活形成丰富的人工热源城乡温度差使得城市温度经常比农村高（特别在夜间），气城乡温度差使得城市温度经常比农村高（特别在夜间），气压比农村低，形成从周围农村吹向城市的特殊的局地风，称压比农村低，形成从周围农村吹向城市的特殊的局地风，称为城市热岛环流或城市风。为城市热岛环流或城市风。危害：危害：若城市周围有较多产生污染物的工厂，就会使污染物在若城市周围有较多产生污染物的工厂，就会使污染物在夜间向市中心输送造成严重污染。夜间向市中心输送造成严重污染。日本：日本：2000年死于热浪的人数为年死于热浪的人数为267人，急救车出动人，急救车出动628次次 3、城市热岛环流定义：城市热岛环流是由城乡温61资料资料:市内呈现高温，存在热岛效应，城市好象市内呈现高温，存在热岛效应，城市好象一个温暖的岛屿。市区温度高，郊区温度低。我们一个温暖的岛屿。市区温度高，郊区温度低。我们称它为称它为热岛效应热岛效应。据观测，城市。据观测，城市热岛效应热岛效应一般一般可使市区的年平均温度比郊区高可使市区的年平均温度比郊区高0.5-1.0。热岛。热岛效应的形成，与城市上空污染物质的保温作用、地效应的形成，与城市上空污染物质的保温作用、地面蒸发耗热量的减少、风速小、减少热量水平输送、面蒸发耗热量的减少、风速小、减少热量水平输送、人为热量的释放和与生物体的热交换等因素有关。人为热量的释放和与生物体的热交换等因素有关。资料:市内呈现高温，存在热岛效应，城市好62