1.3 有关大气的物理性状

　　第三节 有关大气的物理性状

　　在气象学上，大气的物理性状主要以气象要素和空气状态方程来表征。

一、主要气象要素

　　气象要素是指表示大气属性和大气现象的物理量，如气温、气压、湿度、风向、风速、云量、降水量、能见度等等。

（一）气温

　　在一定的容积内，一定质量的空气，其温度的高低只与气体分子运动的平均动能有关。即这一动能与绝对温度T成正比。因此，空气冷热的程度，实质上是空气分子平均动能的表现。当空气获得热量时，其分子运动的平均速度增大，平均动能增加，气温也就升高。反之当空气失去热量时，其分子运动平均速度减小，平均动能随之减少，气温也就降低。

　　气温的单位：目前我国规定用摄氏度（℃）温标，以气压为1013.3hPa时纯水的冰点为零度（0℃），沸点为100度（100℃），其间等分100等份中的1份即为1℃。在理论研究上常用绝对温标，以K表示，这种温标中一度的间隔和摄氏度相同，但其零度称为“绝对零度”，规定为等于摄氏-273.15℃。因此水的冰点为273.15K，沸点为373.15K。两种温标之间的换算关系如下

　　T=t+273.15≈t+273   （1·2）

　　大气中的温度一般以百叶箱中干球温度为代表。

（二）气压

　　气压指大气的压强。它是空气的分子运动与地球重力场综合作用的结果。若以P代表气压，F代表面积A上所承受的力，则

　　若M为任何面积A上的大气质量，在地球重力场中，g为重力加速度，则这个面积A上大气柱的重量为

　　F=Mg                （1·4）

　　在静止大气中，面积A上大气柱的重量就是该面上所承受的力。将（1·3）式代入（1·4）式得

　　即静止大气中任意高度上的气压值等于其单位面积上所承受的大气柱的重量。当空气有垂直加速运动时，气压值与单位面积上承受的大气柱重量就有一定的差值，但在一般情况下，空气的垂直运动加速度是很小的，这种差别可以忽略不计。

　　一般情况下气压值是用水银气压表测量的。设水银柱的高度为h，水银密度为ρ，水银柱截面积为S，则水银柱的重量W=ρgh·S。由于水银柱底面积的压强和外界大气压强是一致的，从而所测大气压强为

　　所以气压单位曾经用毫米水银柱高度（mmHg）表示，现在通用百帕（hPa）来表示。1hPa等于1cm2面积上受到10-2牛顿（N）的压力时的压强值，即

1hPa=10-2N/cm2            （1·7）

　　当选定温度为0℃，纬度为45°的海平面作为标准时，海平面气压为1013.25hPa，相当于760mm的水银柱高度，曾经称此压强为1个大气压。

（三）湿度

　　表示大气中水汽量多少的物理量称大气湿度。大气湿度状况与云、雾、降水等关系密切。大气湿度常用下述物理量表示：

1.水汽压和饱和水汽压

　　大气压力是大气中各种气体压力的总和。水汽和其它气体一样，也有压力。大气中的水汽所产生的那部分压力称水汽压（e）。它的单位和气压一样，也用hPa表示。

　　在温度一定情况下，单位体积空气中的水汽量有一定限度，如果水汽含量达到此限度，空气就呈饱和状态，这时的空气，称饱和空气。饱和空气的水汽压（E）称饱和水汽压，也叫最大水汽压，因为超过这个限度，水汽就要开始凝结。实验和理论都可证明，饱和水汽压随温度的升高而增大。在不同的温度条件下，饱和水汽压的数值是不同的。

2.相对湿度

　　相对湿度（f）就是空气中的实际水汽压与同温度下的饱和水汽压的比值（用百分数表示），即

　　相对湿度直接反映空气距离饱和的程度。当其接近100％时，表明当时空气接近于饱和。当水汽压不变时，气温升高，饱和水汽压增大，相对湿度会减小。

3.饱和差

　　在一定温度下，饱和水汽压与实际空气中水汽压之差称饱和差（d）。即d=E-e，d表示实际空气距离饱和的程度。在研究水面蒸发时常用到d，它能反映水分子的蒸发能力。

4.比湿

　　在一团湿空气中，水汽的质量与该团空气总质量（水汽质量加上干空气质量）的比值，称比湿（q）。其单位是g/g，即表示每一克湿空气中含有多少克的水汽。也有用每千克质量湿空气中所含水汽质量的克数表示的即g/kg。

　　式中，mw为该团湿空气中水汽的质量；md为该团湿空气中干空气的质量。据此公式和气体状态方程可导出

　　注意式中气压（P）和水汽压（e）须采用相同单位（hPa），q的单位是g/g。

　　由上式知，对于某一团空气而言，只要其中水汽质量和干空气质量保持不变，不论发生膨胀或压缩，体积如何变化，其比湿都保持不变。因此在讨论空气的垂直运动时，通常用比湿来表示空气的湿度。

5.水汽混合比

一团湿空气中，水汽质量与干空气质量的比值称水汽混合比（γ）即：（单位：g/g）

据其定义和气体状态方程可导出

6.露点

在空气中水汽含量不变，气压一定下，使空气冷却达到饱和时的温度，称露点温度，简称露点（Td）。其单位与气温相同。在气压一定时，露点的高低只与空气中的水汽含量有关，水汽含量愈多，露点愈高，所以露点也是反映空气中水汽含量的物理量。在实际大气中，空气经常处于未饱和状态，露点温度常比气温低（Td＜T）。因此，根据T和Td的差值，可以大致判断空气距离饱和的程度。

上述各种表示湿度的物理量：水汽压、比湿、水汽混合比、露点基本上表示空气中水汽含量的多寡。而相对湿度、饱和差、温度露点差则表示空气距离饱和的程度。

（四）降水

降水是指从天空降落到地面的液态或固态水，包括雨、毛毛雨、雪、雨夹雪、霰、冰粒和冰雹等。降水量指降水落至地面后（固态降水则需经融化后），未经蒸发、渗透、流失而在水平面上积聚的深度，降水量以毫米（mm）为单位。

在高纬度地区冬季降雪多，还需测量雪深和雪压。雪深是从积雪表面到地面的垂直深度，以厘米（cm）为单位。当雪深超过5cm时，则需观测雪压。雪压是单位面积上的积雪重量，以g/cm2为单位。

降水量是表征某地气候干湿状态的重要要素，雪深和雪压还反映当地的寒冷程度。

（五）风

空气的水平运动称为风。风是一个表示气流运动的物理量。它不仅有数值的大小（风速），还具有方向（风向）。因此风是向量。

风向是指风的来向。地面风向用16方位表示，高空风向常用方位度数表示，即以0°（或360°）表示正北，90°表示正东，180°表示正南，270°表示正西。在16方位中，每相邻方位间的角差为22.5°。

风速单位常用m/s、knot（海里/小时，又称“节”，）和 km/h表示，其换算关系如下

1m/s=3.6km/h   1knot=1.852km/h

1km/h=0.28m/s  1knot=1/2m/s

风速的表示有时采用压力，称为风压。如果以V表示风速（m/s），P为垂直于风的来向，1m2面积上所受风的压力kg/m2，其关系式

P=0.125V2 （1·13）

（六）云量

云是悬浮在大气中的小水滴、冰晶微粒或二者混合物的可见聚合群体，底部不接触地面（如接触地面则为雾），且具有一定的厚度。云量是指云遮蔽天空视野的成数。将地平以上全部天空划分为10份，为云所遮蔽的份数即为云量。例如，碧空无云，云量为0，天空一半为云所覆盖，则云量为5。 

（七）能见度

能见度指视力正常的人在当时天气条件下，能够从天空背景中看到和辨出目标物的最大水平距离。单位用米（m）或千米（km）表示。

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