海洋科学导论8气象

•气压随高度 的变化
• 2 静力学方程 • 假设大气相对于地面处于静止状态，则某 一点的气压值等于该点单位面积上所承受 铅直气柱的重量。见图4· 2，在大气柱中截 取面积为1cm2，厚度为△Z 的薄气柱。设 高度Z1 处的气压为P1，高度Z2 处的气压 为P2，空气密度为ρ，重力加速度为g。在 静力平衡条件下，Z1 面上的气压P1 和Z2 面上的气压P2 间的气压差应等于这两个高 度面间的薄气柱重量，即
• （二）气压的周期性变化
• 气压的非周期性变化
• 气压的非周期性变化是指气压变化不存在 固定周期的波动，它是气压系统移动和演 变的结果。通常在中高纬度地区气压系统 活动频繁，气团属性差异大，气压非周期 性变化远较低纬度明显。如以24h 气压的变 化量来比较，高纬度地区可达10hPa，低纬 度地区因气团属性比较接近，气压的非周 期变化量很小，一般只有1hPa。
• 二.风的成因 作用于空气的力
• 作用于空气的力除重力之外，尚有由于气 压分布不均而产生的气压梯度力，由于地 球自转而产生的地转偏向力，由于空气层 之间、空气与地面之间存在相对运动而产 生的摩擦力，由于空气作曲线运动时产生 的惯性离心力。
• （一）气压梯度力 • 气压梯度是一个向量，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（△P）除以其间的垂直 距离（△N），用下式表达：
• 二、大气成分对太阳辐射的吸 收 • 太阳辐射通过大气层到达地面 时，大气中的各种组分主要是 N2、O2、O3、水蒸气、CO2 和尘埃，能够吸收一定波长的 太阳辐射，或反射、散射—定 波长的辐射，见下图。
太阳辐射到达地面的各种过程
•三、地球与大 气的能量平衡
• 四、空气的增温和冷却 • 根据分子运动理论，空气的冷热程度只是一种现 象，它实质上是空气内能大小的表现。当空气获 得热量时，其内能增加，气温也就升高；反之， 空气失去热量时，内能减小，气温也就随之降低。 空气内能变化既可由空气与外界有热量交换而引 起；也可由外界压力的变化对空气作功，使空气 膨胀或压缩而引起。在前一种情况下，空气与外 界有热量交换，称为非绝热变化；在后一种情况 下，空气与外界没有热量交换，称为绝热变化。
1mmHg 1.33hPa
• 由此得到mmHg与hPa间的换算关系
4 1mmHg 1.33hPa hPa 3
3 1hPa 0.75mmHg mmHg 4
• 1hPa近似地相当于1cm静压水位。地面气 压值在980hPa～1040hPa之间变动，平均 1013hPa。随着高度增加，气压值按指数 减少，离地面10km处的气压值只有地面的 25%。
• 层中的个别空气块是否安于原在的层次，是否易 于发生垂直运动，即是否易于发生对流。假如有 一团空气受到对流冲击力的作用，产生了向上或 向下的运动，那末就可能出现三种情况： • 如果空气团受力移动后，逐渐减速，并有返回原 来高度的趋势，这时的气层，对于该空气团而言 是稳定的； • 如空气团一离开原位就逐渐加速运动，并有远离 起始高度的趋势，这时的气层，对于该空气团而 言是不稳定的； • 如空气团被推到某一高度后，既不加速也不减速， 这时的气层，对于该空气团而言是中性气层。
• （一）气温的非绝热变化 • 空气与外界交换热量有如下几种方式，即 传导、辐射、对流、湍流和蒸 • 发凝结（包括升华、凝华）。
• （二）气温的绝热变化
• 四、大气静力稳定度 • （一）大气稳定度的概念 • 许多天气现象的发生，都和大气稳定度有 密切关系。大气稳定度是指气 • 块受任意方向扰动后，返回或远离原平衡 位置的趋势和程度。它表示在大气
海洋与气象学
第二节 大气的结构
• 第二节 大气的气的结构 • 一、
• 一.大气的垂直范围 • 1.上界可达3000km; • 2. 99%集中在35km 以下； • 3.大气密度随高度增加 迅速递减。
• 二.大气的垂直分层 • 1. (一)对流层 • 在赤道附近为16-18km； 在中纬度地区为l0-12km， 两极附近为8-9km。夏季 较厚，冬季较薄。
•第一节 气温
• 一. 气温的定义和单位 • T=273+t • T=5/9(F-32)
T——绝对温标;t ——摄氏温 标；F——华氏温标。
• 大气热能的来源
• 一、太阳常数定义为：与光 传播方问垂直的平面上，每 单位面积接受到的光的总量。 按世界气象组织1981年公布 的数字，太阳常数的平均值 为1368W／m2。
• 测量气压的仪器通常有水银气压表和 空盒气压计两种。气压的单位曾经用 毫米（mm）水银柱高度来表示，但国 际单位制用帕斯卡（Pa）来表示,简称 帕，气象上常用百帕（hPa）。1百帕 是1平方厘米面积上受到1000达因力时 的压强值，即 • 1hPa=1000dyn· cm-2
• 而1Pa=1N· m-2，即1帕等于每平方米受力1 牛顿。百帕与过去曾使用的毫巴（mb）单 位相当。气象上曾规定，把温度为0℃时、 纬度为45度的海平面的气压作为标准大气 压，称为1个大气压。其值为760mm水银柱 高，或相当于1013.25hPa。在标准情况下， •
• 2.低压槽 • 简称槽，是低气压延伸出来的 狭长区域。在低压槽中，各等 压线弯曲最大处的连线称槽线。 气压值沿槽线向两边递增。槽 附近的空间等压面类似地形中 狭长的山谷，呈下凹形。
• 3.高气压 • 简称高压，由闭合等压线构 成，中心气压高，向四周逐 渐降低，空间等压面类似山 丘，呈上凸状。
• 当γ＜γd 时，大气处于稳定状 态； • 当பைடு நூலகம்=γd 时，大气处于中性平衡 状态； • γ＞γd 时，大气处于不稳定状 态。
• 综上所述，可以得出如下几点结论： • 1.γ愈大，大气愈不稳定；γ愈小，大气愈稳定。 如果γ很小，甚至等于零（等温）或小于零（逆 温），那将是对流发展的障碍。所以习惯上常将 逆温、等温以及γ很小的气层称为阻挡层。 • 2.当γ＜γm 时，不论空气是否达到饱和，大气总 是处于稳定状态的，因而称为绝对稳定；当γ＞γd 时则相反，因而称为绝对不稳定。 • 3.当γd＞γ＞γm 时，对于作垂直运动的饱和空气 来说，大气是处于不稳定状态的；对于作垂直运 动的未饱和空气来说，大气又是处于稳定状态的。 • 这种情况称为条件性不稳定状态。
• 上式是气象上应用的大气静力学方程。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。实践证明，静力学方程 虽是静止大气的理论方程，但除在有强烈 对流运动的局部地区外，其误差仅有1％， 因而得到广泛应用。将上式式变换
E E 0 10
at b t
• E0是0℃的饱和水汽压6.11hPa，t是摄氏温 度，a和b为常数。 • 对水面：a=7.5,b=237.3 • 对冰面：a=9.5,b=265.5 • 冰面饱和水汽压低于同温度下的水面饱和 水汽压，其差值在-12℃时最大。不同温度 下水面和冰面的饱和水汽压可查阅气象常 用表。
• 特点： • 1.气温随高度升高而递减，大 约每上升100 m，温度降低 0．6。C； • 2.在垂直方向上形成强烈的对 流；
• 3.大气总质量的3／4以上集 中在此层 ； • 4. 在l-2km以下，称摩擦层， 或边界层，亦称低层大气； 在1-2公里以上，称为自由大 气层；
• 二.平流层 • 从对流层顶到约50km的大气 层为平流层。
• 2.相对湿度 空气中的实际水 汽压e与同温度下的饱和水汽 压E之比，称相对湿度，用 百分数表示。其表示式为：
e f 100 % E
• 3.露点 对于一定质量的湿空气，若气压保 持不变，而令其冷却，则湿度参量保持不 变，但饱和水汽压E（t）却因温度的降低而 减小。当E（t）=e时，空气达到饱和。湿 空气等压降温达到饱和时的温度就是露点 温度Td。 • 露点完全由空气的水汽压决定，是等压冷 却过程的保守量。
• P2-P1=-△P=-ρg（Z2-Z1）=-ρg△Z • 式中负号表示随高度增高，气压降低。若 △Z 趋于无限小，则上式可写成 • -dP=ρgdZ • 上式是气象上应用的大气静力学方程。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。
• 4.高压脊 • 简称脊，是由高压延伸出来的狭长 区域，在脊中各等压线弯曲最大处 的连线叫脊线，其气压值沿脊线向 两边递减，脊附近空间等压面类似 地形中狭长山脊。
• 5.鞍形气压场 • 简称鞍，是两个高压和两个 低压交错分布的中间区域。 鞍形区空间的等压面形似马 鞍。
• 气压系统的空间结构 • 等压面和等高线的关 系
1 p G n
• （二）地转偏向力 • 空气是在转动着的地球上运动着，当运动 的空气质点依其惯性沿着水平气压梯度力 方向运动时，对于站在地球表面的观察者 看来，空气质点却受着一个使其偏离气压 梯度力方向的力的作用，这种因地球绕自 身轴转动而产生的非惯性力称为水平地转 偏向力或科里奥利力。
• 将状态方程
代入，得：
• 单位气压高度差（h）
等温大气压高方程：
•二 气压场
• （一）等压线和等压面 （图2-25）
• 气压场的基本型式 • 低空气压水平分布的类型，一般从 海平面图上等压线的分布特征来确 定：
• 1.低气压 • 简称低压，是由闭合等压线构成的 低气压区。气压值由中心向外逐渐 增高。空间等压面向下凹陷，形如 盆地。
• 由于地表的非均一性及动力、热力等因子 的影响，使实际大气压并不呈简单的纬向 分布。根据各地气象台观测到的海平面气 压值，在地图上用等压线勾画出高、低气 压的分布区域，就是水平气压场。图8-3是 一张示意图。气压场中一般可分为低气压、 高气压、低压槽、高压脊及鞍形等区域。