基础水文气象讲义2014.5.4.doc

第一章 气象学基础知识 第一节 大气概况 一、大气的组成 围绕地球称为大气天气从现象上来讲，绝大部分是大气中水分变化的结果大气各种气体和微粒包括干洁空气水气尘埃。干洁空气是指大气中除去水汽、液体和固体微粒以外的整个混合气体，简称干空气。它的主要成分是氮、氧、氩、二氧化碳等，其容积含量占全部干洁空气的99.99%以上其余还有少量的氢、氖、氪、氙、臭氧等。水汽在大气中含量很少，但变化很大，其变化范围在0-4%之间，水汽绝大部分集中在低层，有一半的水汽集中在2公里以下，四分之三的水汽集中在4公里以下，10-12公里高度以下的水汽约占全部水汽总量的99%。 大气中的水汽来源于下垫面，包括水面、潮湿物体表面、植物叶面的蒸发。由于大气温度远低于水面的沸点，因而水在大气中有相变效应。水汽含量在大气中变化很大，是天气变化的主要角色，云、雾、雨、雪、霜、露等都是水汽的各种形态。水汽能强烈地吸收地表发出的长波辐射，也能放出长波辐射，水汽的蒸发和凝结又能吸收和放出潜热，这都直接影响到地面和空气的温度，影响到大气的运动和变化。 尘埃是指来源于火山爆发、尘沙飞扬、物质燃烧的颗粒、流星燃烧所产生的细小微粒和海水飞溅扬入大气后而被蒸发的盐粒，还有细菌、微生物、植物的孢子花粉等它们多集中于大气的底层。 大气中杂质、微粒，聚集在一起，直接影响大气的能见度。但它能充当水汽凝结的核心，加速大气中成云致雨的过程；它能吸收部分太阳辐射，又能削弱太阳直接辐射和阻挡地面长波辐射，对地面和大气的温度变化产生一定的影响。整个地球大气层按其成分、温度、密度等物理性质在垂直方向上的变化，世界气象组织把它分为五层，自下而上依次是：对流层、平流层、中间层、暖层和散逸层。按大气的化学成分来划分在90公里高度以下组成大气的各种成分相对比例不随高度而变化一层叫做均质层在90公里高度以上，组成大气的各种成分的相对比例，是随高度的升高而发生变化的，比较轻的气体如氧原子、氦原子、氢原子等不是均匀的混合层叫做非均质层。 按大气电离的状态来划分，可分为非电离层和电离层。在海平面以上60公里以内的大气，基本上没有被电离处于中性状态，所以这一层叫非电离层。在60公里以上至1000公里的高度，这一层大气在太阳紫外线的作用下，大气成分开始电离，形成大量的正、负离子和自由电子，所以这一层叫做电离层，这一层对于无线电波的传播有着重要的作用。,就使得绝大部分的大气质量集中于大气底层，越往高空，空气越稀薄。根据实测,大气质量的大约75% 集中在10公里以下，99%集中在35公里以下。 2.1 对流层对流层是大气的最下层。它的高度因纬度和季节而异。就纬度而言，低纬度平均为17～18公里；中纬度平均为10～12公里；高纬度仅8～9公里。就季节而言，对流层上界的高度，夏季大于冬季其主要特征如下： ①气温随高度的增加而递减，平均每升高100米，气温降低0.65。其原因是太阳辐射首先主要加热地面，再由地面把热量传给大气，因而愈近地面的空气受热愈多，气温愈高，远离地面则气温逐渐降低。空气有强烈的对流运动。地面性质不同，因而受热不均。暖的地方空气受热膨胀而上升，冷的地方空气冷缩而下降，从而产生空气对流运动。对流运动使高层和低层空气得以交换，促进热量和水分传输，对成云致雨有重要作用。天气的复杂多变。对流层集中了75%大气质量和90%的水汽，因此伴随强烈的对流运动，产生水相变化，形成云、雨、雪等复杂的天气现象。 平流层 自对流层顶向上55公里高度，为平流层。其主要特征：温度随高度增加由等温分布变逆温分布。平流层的下层随高度增加气温变化很小。大约在20公里以上，气温又随高度增加而显著升高，出现逆温层。这是因为20～25公里高度处，臭氧含量最多。臭氧能吸收大量太阳紫外线，从而使气温升高。垂直气流显著减弱。平流层中空气以水平运动为主，空气垂直混合明显减弱，整个平流层比较平稳。水汽、尘埃含量极少。由于水汽、尘埃含量少，对流层中的天气现象在这一层很少见。平流层天气晴朗，大气透明度好。 ,都是表征大气状态的物理量或物理现象,统称为气象要素。 一、风 空气的流动现象。地面气象观测中测量的是空气相对于地面的水平运动，用风向和风速表示。 风向是指风来的方向。地面风向用16方位表示，每相邻方位的角度差为22.5°。以0°表示正北，90°表示正东，180°表示正南，270°表示正西（见表1.1）。 风速是单位时间内空气移动的水平距离。单位常用m/s、knot (海里，又称“节”) 和km/h表示，其换算关系如下： 1m/s=3.6km/h；1knot=1.85km/h; 1km/h=0.28m/s; 1knot=0.5m/s。 在工程建筑荷载V0 = Kn VZ ; （1-1） 其中V0为海面10m