第一章大气物理学
天气学原理-第一章
气压梯度力的讨论：
1.气压梯度力是由气压分布不均匀引起的。
2.气压压指G梯向 度 低力压Px的，x方垂yy向直z z指于向等–压1 线P的。方 向1 ，Px即i由 高Py
j
P z
k
3.气压梯度力的大小与气压梯度成正比，与空 气密度成反比，即等压线越密集，气压梯度 越大。 在同样的气压梯度下，高处的风就比低处 的风大，因为高空的密度小。
3.关于静力学方程，连续方程，热力学方程的方程式 和意义；速度散度的表达式和意义
4.大气运动系统的分类与尺度 5.地转风、梯度风、热成风的定义、表达式、意义 6.热成风与冷暖平流的关系 7.中纬度系统的温压场结构特点 8.地转偏差的定义 9.摩擦层中、自由大气中的地转偏差的概念、表达式和意义
0
1
p y
f u
0
1
p g z
39
大尺度运动系统的特征(中高纬):
1.准水平
ω→0
2.准静力平衡
3.准地转
地转偏向力与气压梯度力相平衡
4.自由大气
F→0
40
第4节 “P”坐标系中的基本方程组
P坐标系的运动方程
z坐标系：(x，y，z，t)来表示空间点的位置 p坐标系：(x，y，p，t)来表示空间点的位置
3、地转风风速大小与水平气压梯度成正比，等压线越密 集，地转风越大；与纬度成反比，相同的水平气压梯 度力，高纬风小，低纬风大。风速相同，在低纬的等 高线应比高纬的等高线分析得稀疏些。
4、
地转风散度为零
51
5、地转平衡只能看成是一种近似关系，绝对的地转 平衡并不存在。
李幼兰主编《空气动力学和维护技术基础》课件
1.1 大气的重要物理参数
2. 大气温度 【大气温度】大气层内空气的冷热程度，常用单位：摄氏温度（C）、 华氏温度（F）、热力学温度（K）
TC TF 32 5 / 9
TK TC 272.15
温度高低表征空气分子平均动能的大小。 大气层温度分布规律：在大约11km高度以下的大气层内，随高度
1.2 大气层的构造
2）由于空气电离释放热量，这一层温度很高，且随高度增加温度
上升；
3）由于空气密度极小，声波无法传播。 5. 散逸层：大气最外层
特点： 地心引力很小，大气分子不断向星际空间逃逸；
1.3 国际标准大气（ISA）
1.3.1 国际标准大气制定原因
实际大气层随地理位置、高度、季节、时间不同而不同，而人类 各种飞行活动与实验要比较，所以需要一个标准大气作为基准。
增加温度下降。
1.1 大气的重要物理参数
3. 大气压力 【大气压力】大气层内空气的压强，国际单位：Pa（N/m2）。
大气压强产生原因：1）空气重力；2）空
气分子不规则的热运动； 大气层压强分布规律：在大气层内，随高 度增加压强减小。
1.1 大气的重要物理参数
4. 黏性 【黏性】黏性是流体的固有属性，当流体内相邻两层之间流速不同， 或流体与物体间发生相对运动时，两流层接触面上或流体和物体接触 面上便发生相互牵扯的力，这种特性就是流体黏性。 【牛顿黏性定律】黏性切应力与两层流体间的相对速度成正比，与 两层流体间距离成反比，即：
度，还会改变飞机迎角；由下向上的垂直阵风使飞机相对气流速度突 然增大，迎角也突然增大；由上向下的垂直阵风使飞机相对气流速度 突然减小，迎角也突然减小；因此垂直阵风对飞机飞行性能影响比水 平阵风大。 遇到由下向上的垂直阵风时，飞机如是大迎角小速度飞行，应减小迎 角，增大速度；如是小迎角大速度飞行，可适当减小速度，增大迎角
大学大气物理知识点总结
大学大气物理知识点总结一、大气的组成地球的大气由多种气体组成，包括氮气、氧气、水蒸气、二氧化碳、氩气等。
其中，氮气占据了大气的78%，氧气占据了21%，水蒸气占据了0-4%，二氧化碳、氩气等稀有气体的含量很低。
这些气体通过物理和化学过程相互作用，形成了大气层的稳定结构。
大气中的水蒸气是影响天气和气候的重要因素之一。
水蒸气的含量会随着温度、湿度等因素的变化而发生变化，从而影响大气的密度、压强等。
同时，水蒸气还会通过凝结和降水等过程，对大气运动和地球气候产生重要影响。
二、大气运动大气运动是指大气层内空气的运动和变化。
大气层内的运动主要是由于地球的自转和日照等自然因素的影响。
通过大气运动，大气能够输送热量、水汽等物质，在地球表面形成风、云、降水等现象，对地球气候和环境产生重要影响。
大气运动包括大尺度的环流和小尺度的局地风等。
大尺度的环流是指大气层内的大规模运动，包括赤道附近的热带风暴、北极附近的极地环流等。
而小尺度的局地风则是指在地表上的局部风速变化。
大气运动的规律是气象学和大气物理学研究的重要内容之一。
通过对大气运动规律的研究，可以更好地理解和预测天气、气候等现象，为人类生产和生活提供重要的依据。
三、大气层的特点大气层是地球表面以上的气体层，它具有一些独特的特点和结构。
大气层的结构可以分为对流层、平流层、中间层、热层和电离层等。
每个大气层都有不同的特点和功能，对地球的气候和环境产生着重要影响。
对流层是地球大气层的最底层，高度大约为8-18公里。
这一层的特点是温度随着高度的增加而减小，湿度变化较大，大气运动较为活跃。
对流层的地表风、云层、降水等现象都与地球的气候和环境密切相关。
平流层位于对流层之上，高度大约为18-50公里。
这一层的特点是温度随着高度的增加而增加，大气运动较为平稳，大气密度逐渐减小。
平流层对地球的外界辐射和宇宙射线等有一定的屏蔽作用，为地球的生物和人类活动提供了一定的保护。
中间层、热层和电离层则位于平流层之上，高度分别为50-80公里、80-550公里、550公里以上。
大气物理学基础知识
大气物理学基础知识大气物理学是一门研究地球大气现象的科学。
它主要研究大气的物理特性、活动、变化和影响因素等方面，并涉及气象学、物理学、化学和地质学等多个学科。
下面就大气物理学的基础知识进行一些探讨。
一、大气组成地球大气主要由氮(N2)和氧气(O2)组成，二者占据了大气中的绝大部分。
此外，其他成分还包括氢(H2)、氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氖(Kr)、氙(Xe)、气态水(H2O)和温室气体等，它们的存在对于大气物理学的研究具有重要意义。
二、大气结构大气的结构分为四层，自地球表面向上分别为对流层、平流层、中间层和热层。
对流层即人们所说的大气层，它从地球表面向上延伸约16公里，这一层的温度逐渐降低。
平流层位于对流层之上，这里温度逐渐升高，高度达到60千米以上。
中间层是连接平流层和热层的过渡层，这里的温度在-60到0℃之间。
热层位于大气层最高处，高度达到100千米以上，这里的温度非常高，甚至能够使气体变成离子。
三、大气运动大气系统的运动有大尺度和小尺度之分。
大尺度运动像气流和风一样，可以覆盖数百公里到几千公里的范围，与全球气候和天气有密切关系。
小尺度运动则主要研究雷暴、涡旋和涡流等现象，它们通常比大尺度运动时间和空间尺度更小。
四、大气辐射和温室效应大气中的辐射产生于太阳射线的入射和地球的自然热辐射。
对于太阳辐射，大气吸收了其中的紫外线、可见光和近红外线；对于自然热辐射，大气吸收了其中的远红外线。
大气中温室气体的存在可以吸收和辐射这些辐射，同时也使得地球表面的温度升高，形成了温室效应。
温室效应也是大气物理学研究的重要内容之一。
以上就是关于大气物理学的一些基础知识的介绍。
大气性质和大气活动对于我们的生活和工作都有着深刻的影响，因此了解大气物理学的基础知识也是必要的。
大气物理学课件完整PPT
d t x y z （1）大陆型：一年中气压最高值 出现在冬季，最低值出现在夏季，气压年变化值很大，并由低纬向高纬逐渐增大。
程
2、不同密度气团的移动
（二）辐散、辐合与垂直运动
u , v , w x y z
u 0 x u 0 x
空气的散度 辐散 辐合
立方体中的总散度等于三个偏导数之和 1ddtuxyvw z
( ) （3） 2、不同密度气团的移动
x y z t 气压梯度是一个空间矢量，它垂直于等压面，由高压指向低压，数值等于两等压面间的气压差（ΔP）除以其间的垂直距离（ΔN），可
用下式表示：
一、气压梯度（pressure gradient)
水平气压梯度力的大小为
当或
时
((u)(v)(w ))0 （4）
( t )z
g
dz
z t
对于地面，有
(p0 ) t
g
0
dz
t
[(u)(v)(w )] 连续方程
x y z t
代入
(
p0
)
g
dz
t
0 t
得到
( p 0) g( u v )d zg (u v )d zg (w )dz t 0 x y 0 x y 0 z
水平方向上的 速度辐散、辐 合
气压梯度力（ pressure gradient force) 气压梯度存在时，单位质量的空气所受的力叫气压梯度力，其大小与气压梯度成正比，与空气
密度成反比。
或 则在 时间内，流入这小立方体中总净质量为：
（三）引起局地气压变化的原因
方
二、水平气压梯度力的大小和方向 可以分为以下三种类型：
1duvw0 （9） 将（7）式代入（5）式，得到：
大气物理学：第一章 大气概述
英文名: Mars 火星基本参数： 公转轨道半径： 22794万 千米 (1.52 天文单位) 公转周期： 686.98 日 平均轨道速度： 24.13 千米/每秒 轨道偏心率： 0.093 轨道倾角： 1.8 度 行星赤道半径： 3398 千米 质量(地球质量＝1)： 0.1074 密度： 3.94 克/立方厘米 自转周期： 1.026 日 卫星数： 2 二氧化碳 95%，其余为氮、氩、一氧化碳，大气稀薄
无固体表面， 以轻物质为主
内行星： 类地行星
外行星： 类木行星、 冥王星
英文名: Mercury 水星基本参数: 轨道半长径: 5791万 千米 (0.38 天文单位) 公转周期: 87.70 天 平均轨道速度: 47.89 千米/每秒 轨道偏心率: 0.206 轨道倾角: 7.0 度 行星赤道半径: 2440 千米 质量(地球质量＝1): 0.0553 密度: 5.43 克/立方厘米 自转周期: 58.65 日 卫星数: 无 公转轨道: 距太阳 57,910,000 千米 (0.38 天文单位)
（2）地球大气演化
▪ 行星地球大气：由天体物理学理论推导出来的地球大气， 与实际地球大气相差甚远。实际地球大气以N2、O2为主。
▪ 地球大气是如何演化而来的？？？
（2）地球大气演化
大气物理学
必须把大气看成是地球组合系统的一部分 地球大气演化的三个阶段： 原始大气：地球形成初期，以H2，He和CO为主 次生大气：45~20亿年前，以CO2，CH4，NH3和H2O等
九大行星名字的来由
▪ 水星的英文名字Mercury来自罗马神墨丘利。符号是上面一个圆形下面一个交 叉的短垂线和一个半圆形(Unicode: ☿). 是墨丘利所拿魔杖的形状。在第5世纪， 水星实际上被认为成二个不同的行星，这是因为它时常交替地出现在太阳的两 侧。当它出现在傍晚时，它被叫做墨丘利；但是当它出现在早晨时，为了纪念 太阳神阿波罗，它被称为阿波罗。毕达哥拉斯后来指出他们实际上是相同的一 颗行星。中国古代则称水星为“辰星”。
大气物理1-4
地球形成 50亿年前，地球的轮廓已初步形成。最初是 个火球。随着地球逐步冷却，较重的物质沉 到中心，形成地核；较轻的物质浮在上面， 冷却后形成地壳。
20
三、大气演化
1、原始地球上无大气、无海洋； 火山爆发频繁发生
2、火山喷发形成原始大气，主要由水汽、 CO2、氮和硫或硫化物。没有氧气。 大量水汽造成长时间降雨，持续了几千
大气物理学
张泽锋 zhangzf01@
气象楼1223
1
Gra绩: 20%.
2
参考书目：
1.[美] J、M 华莱士，P.V.霍布斯著.大气科学概观. 上海科学技术出版社，1981 2. 许绍祖主编. 大气物理学基础. 气象出版社, 1991 3. 周秀骥等编著. 高等大气物理学.气象出版社,1991 4. 盛裴轩,毛节泰等. 大气物理学, 北大出版社, 2003
通过现代物理学理论，可以模拟宇宙在大爆炸后 110-43秒的状态，但对于此时刻之前还没有新的 理论将万有引力和广义相对论二者之间结合起来。
12
膨胀理论
上世纪70年代，美国科学家Alan Guth、Paul Steinhardt和美籍俄裔天文学家Andreas Linde 提出从大爆炸后110-35秒开始的110-32秒内宇宙 极速膨胀为原来的11050倍，然后减缓为近乎常 速。认为宇宙处于开放与封闭系统的边缘状态。 可解释大爆炸学说不能解释的宇宙常速膨胀和 宇宙的均匀性等问题，被广大理论天文学家认同。 上世纪90年代以来，观测天文学家对该理论有 不同看法，认为宇宙应该是一个开放系统。
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膨胀理论图示：白点代表星系，膨胀后相互远离
14
宇宙无限论：
•在17世纪，Galilei、Newton 在经典力学 体系的基础上，建立了宇宙无限无边的理论， 即宇宙的体积是无限的，没有空间边界，无 限的天体分布在无限的空间之中。
《大气物理学I》教学大纲
大气物理学IAtmospheric Physics Ⅰ一、课程基本情况课程类别：学科基础课课程学分：3学分课程总学时：48学时，其中讲课：48学时课程性质：必修开课学期：第3学期先修课程：高等数学、大学物理。
适用专业：大气科学类专业教材：大气物理学，北京大学出版社，盛裴轩，毛节泰等，2003。
开课单位：大气物理学院大气物理系二、课程性质、教学目标和任务大气物理学是研究大气的物理现象、物理过程及其演变规律的大气科学的分支学科。
它既是大气科学的基础理论部分，又是环境科学的一个部分。
该课程的学习，使学生系统掌握大气物理学各方面的基础理论知识，为以后的动力气象学、云物理学及边界层气象学等专业课的学习奠定基础。
本课程主要讲述：大气中各种气体成分的性质、各种气象要素的定义与计算、大气的垂直分层；大气静力学；大气热力学的基本概念和基本定律、各种热力过程和温湿参量；大气层结稳定度；辐射的基本概念和基本定律、太阳短波辐射在大气中的传输、地球长波辐射在大气中的传输；大气光学现象等大气学科的基础知识。
三、教学内容和要求1. 地球大气的演化（1学时）（1）了解太阳系形成和行星大气成分；（2）理解地球大气的演化过程。
重点：大气演化过程及其主要成分考点：大气演化三个阶段及其特点2.大气成分与大气分层（4学时）（1）理解空气的主要成分；（2）掌握大气分层的方法，大气垂直结构、特点及大气质量计算方法；（3）了解大气的主要下垫面海洋的物理特性。
重点：大气的基本特点（干洁大气，湿空气），大气组成的两种分类方法（浓度、停留时间），一些主要气体成分的基本特征，二氧化碳及其气候效应，臭氧的特性、臭氧空洞概念及其形成原因；光化学污染，酸雨，气溶胶的概念、分类方法及其主要作用；按温度划分的大气各层特征，大气上界，臭氧加热原因。
3. 基本气象要素和空气状态方程（6学时）（1）掌握温湿变量的表示方法；（2）掌握状态方程（3）理解虚温、水汽和大气气溶胶的作用等概念。
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露点温度：使大气的相对湿度达到100%时的温度。
含有水蒸汽的空气比干空气密度小。
第一章大气物理学
1.1 大气的重要物理参数
音速
音速是小扰动在介质中的传播速度（米/秒）。
物体的振动在介质中引起的小扰动会以介质不断 被压缩、膨胀的形式向四周传播，形成介质疏密 交替变化的小扰动波。
第一章大气物理学
密度 温度 压力 粘性 压缩性 湿度 音速
第一章大气物理学
1.1 大气的重要物理参数
大气密度
单位体积内空气质量，
m 大气V密度随高度的增
加而减小。
第一章大气物理学
1.1 大气的重要物理参数
大气温度
温度高低表明空气分子不规则热运动平均速度 的大小。
在11km以下，随高度的增加气温下降，线性变 化。
空气动力学
第一章大气物理学
教学安排
➢ 开课学期 3 ➢ 总学时数 36学时 ➢ 适用专业 飞机维修专业（ME、AV） ➢ 首选教材 执照教材 ➢ 参考教材
➢ 简明空气动力学（内部教材） ➢ 空气与气体动力学引论 李凤蔚
西北工业大学出版社
第一章大气物理学
课程大纲说明
本课程与其它课程的联系
主要后续课程： 发动机原理、构造与系统； 飞机结构与系统
第一章大气物理学
气体动力学的研究对象和研究方法
气体动力学是研究可压缩流体，特别是气体在流 动过程中气体运动的基本规律以及气体与物体之 间相互作用的一门科学。
流体静力学
流体力学
可压缩流体力学
流体动力学
（气体动力学） 不可压缩流体力学
第一章大气物理学
➢ 空气流经飞机机身 ➢ 空气流过发动机的进气道 ➢ 空气流过桨叶（螺旋桨发动机） ➢ 燃气流过尾喷管等 力的作用 热量的交换 机械功的交换
可压缩~性
P
空气的可压缩性如何体现？ 在低速飞行时忽略空气可压缩性的影响（Ma<0.4） 在高速飞行时大气的可压缩性不可忽略（Ma>0.4）
第一章大气物理学
1.1 大气的重要物理参数
湿度
大气的潮湿程度，通常用相对湿度来表示。
相对湿度指大气中所含水蒸汽的量与同温度下大 气能含有的水蒸汽最大量之比。
课程的性质
机务专业一门重要专业基础课
第一章大气物理学
空气动力学基础（ME、AV）
第一章 大气物理学 第二章 空气动力学 第三章 飞行理论 第四章 飞机的稳定性和操纵性
第一章大气物理学
第一章 大气物理学
1.1 大气的重要物理参数 1.2 大气层的构造 1.3 国际标准大气（ISA） 1.4 气象对飞行活动的影响 1.5 大气状况对飞机机体腐蚀的影响
液体的粘性系数随温度的升高而降低 气体的粘性系数随温度的升高而增大
实际流体都是有粘性的，没有粘性的流体 称为理想流体。
第一章大气物理学
牛顿内摩擦定律
至于粘性系数与温度的关系已被大量的实验所证 明。
液体的粘性系数随温度的增加而下降 气体的粘性系数随温度而增加。
这种截然相反的结果可用液体的微观结构去阐明。 流体间摩擦的原因是分子间的内聚力、分子和壁面的
流体的粘性是指流体微团间发生相对滑移时产 生切向阻力的性质。
大气的粘性主要由于气体分子不规则运动造成 的。
第一章大气物理学
粘性 • 流体是不能承受剪切力的，即使在很小的剪
切力作用下，流体会连续不断的变形，但是 不同的流体在相同作用的剪切力下变形的速 度是不同的，也就是不同的流体抵抗剪切力 的能力不同，这种能力成为流体的粘性。
第一章大气物理学
燃气涡轮喷气发动机
第一章大气物理学
气轮机
第一章大气物理学
飞机加速通过音障
第一章大气物理学
➢ 质量守恒 ➢ 牛顿第二定律 ➢ 热力学第一定律 ➢ 热力学第二定律
研究方法分为：实验研究、理论研究和数值研究
第一章大气物理学
1.1 大气的重要物理参数
按体积计算，氮气78%，氧气21%
摄氏温度，华氏温度和绝对温度。
摄氏温度/oC 华氏温度/oF 绝对温度/oK
在标准大气压下，100
纯水的沸点
在标准大气压下，0
纯水的冰点
212
32
第一章大气物理学
373.15 273.15
1.1 大气的重要物理参数
பைடு நூலகம்
Tc
(TF
32)
5 9
Tk Tc 273 .15
Tc——摄氏温度 Tf——华氏温度 Tk——绝对温度
第一章大气物理学
1.1 大气的重要物理参数
温度升高， 气体粘度系 数增大。
温度升高， 液体粘度 系数减小。
气体
液体
粘度第系一章数大随气物温理度学变化情况
1.1 大气的重要物理参数
可压缩性
流体在压强或温度改变时，能改变其原来体积及密度的特 性。
流体的可压缩性用单位压强所引起的体积变化率表示。即 在相同压力变化量的作用下，密度（或体积）的变化量越 大的物质，可压缩性就越大。
附着力及分子不规则的热运动而引起的动量交换，使 部分机械能变为热能。这几种原因对液体与气体的影 响是不同的。 因为液体分子间距增大，内聚力显著下降。而液体分 子动量交换的增加又不足以补偿，故其粘性系数下降。 对于气体则恰恰相反，其分子热运动对粘滞性的影响 居主导地位，当温度增加时，分子热运动更为频繁， 故气体粘性系数随温度而增加。
第一章大气物理学
1.1 大气的重要物理参数
粘性力计算公式：
F( / y)• S
μ表示横向速度梯度为 1时，在流层单位接触 面积上产生的粘性力。 称为流体的粘度系数 （动力粘度系数），单 位是Pa·S。
第一章大气物理学
1.1 大气的重要物理参数
不同流体的粘性系数各不相同，同一流体 的粘性系数也与温度有关。
第一章大气物理学
1.1 大气的重要物理参数
大气压力
大气层内空气的压强， 即单位面积上承受的 空气的垂直作用力。 空气重力 空气分子的热运动
度量单位 标准大气压 101325Pa
大气压随高度增大而 减小。
第一章大气物理学
1.1 大气的重要物理参数
粘性
粘性是流体的固有属性之一。它与物体在介质 中的运动密切相关。
音速与传播介质的可压缩性有关。把音速的大 小看成是表示介质压缩性大小的一个指标。
在同一种介质中，音速的大小只随介质的温度 而变化，空气中的音速计算公式：
a2 p/ 1
a r R T 2 0 .1T ,(T 为 绝 对 温 度 )