气象学多媒体讲义-第二章.doc

第二章 气温和湿度
气象要素――表征大气状态的物理量或物理现象，如气温、湿度、气压、风、云、能见度、雾、雷暴、雨、雪、冰雹等。
第一节 气温
一、气温的定义和单位
1、气温（Air Temperature）：表示空气冷热程度的物理量
2、三种常有温标之间的换算关系：
1) 三种温标对纯水冰点和沸点的定义：
冰点 沸点 等分
摄氏温标（℃） 0 100 100
华氏温标（℉） 32 212 180
绝对温标（K） 273 373 100
2）三种温标的换算关系
已知X℃，则对应的
华氏温标Y（℉）＝9•X/5＋32
绝对温标Z（K）＝273＋X
若已知Y℉，则对应的
摄氏温标X（℃）＝5×（Y－32）/9
绝对温标Z（K）＝273＋5×（Y－32）/9
二、太阳、地面、大气辐射
太阳辐射：一种短波辐射
地面辐射：一种长波辐射
大气辐射：波长与地面辐射波长几乎相同，也是长波辐射
大气逆辐射：大气辐射是向各个方向的，其中向地面的那一部分，因刚好与地面辐射方向相反，故称之～。
结论：太阳辐射是地球表面和大气唯一的能量来源，但大气受热的主要直接热源是地球表面的长波辐射。
三、空气的增热和冷却
1、气温的非绝热变化
实现气温非绝热变化的方式（物理过程）有：
1）辐射：长波辐射是地面和大气之间交换热量的主要方式。
2）对流与平流：
对流（Convection）——空气在垂直方向上有规则的升降运动，是上、下层空气热量传递的方式之一。
平流（Advection）——大范围空气的水平运动（风），同时伴有某种物理量的输送，是不同地区空气交换热量的主要方式。
3）水相变化：蒸发和凝结也可实现地面与大气、空气块与空气块之间交换热量。
4）乱流：又叫湍流（Turbulence），指空气微团的无规则运动。一般只发生在贴近地面1km以下的摩擦层内。乱流可使热量、水分和微尘在各个方向上分布趋于均匀
5）热传导：通常不予考虑。
2、气温的绝热变化
1）干绝热变化
a. 定义：干空气块或未饱和湿空气块在绝热上升或绝热下降过程中温度的变化
（因没有水汽的增加或减少，故没有凝结潜热的释放或吸收）
空气块绝热上升，体积膨胀，对外作功，消耗自身内能，气温下降
空气块绝热下降，外界压缩气块对气块作功，气块内能增加，气温升高
b. 干绝热直减率：以Υd表示，指在干绝热过程中，气块温度随高度的改变率。
据计算，Υd＝0.98K/100m≈1℃/100m
表明，干空气块或未饱和湿空气块每绝热上升100米，气温下降1℃，每绝热下降100米，气温上升1℃
c. 干绝热线（Υd线）：因Υd是常数，故Υd线是斜率不变的直线(见图2-2)
2）湿绝热变化
a. 定义：饱和湿空气块在绝热上升或绝热下降过程中温度的变化
(上升中水汽减少，有潜热释放补充内能；下降中水汽增加，要吸收潜热消耗内能，使气块始终处于饱和)
空气块绝热上升，体积膨胀，气温下降，便有水汽凝结释放潜热，潜热对气块的加热使上升冷却变缓慢
空气块绝热下降，外界压缩气块，气温升高，有水滴蒸发吸收潜热，使气块的下降增温作用减弱
b. 湿绝热直减率：以Υm表示，指在湿绝热过程中，气块温度随高度的改变率。
由分析可知，Υm<Υd，即Υm<1℃/100m
表明，饱和湿空气块每绝热上升100米，气温下降不足1℃，每绝热下降100米，气温上升不足1℃；Υm是变量，通常取0.5或0.6℃/100m。
c. 湿绝热线（Υm线）：Υm是变量，故Υm线是曲线，在温度高度图上，偏于Υd线的右方(见图2-2)。
干绝热线、湿绝热线――――状态曲线
四、气温的日、年变化
1、日变化
1) 日变化特点：一天中最高气温（Tmax）：陆地上在13～14时，海洋上在12时30分
最低气温（Tmin）：近日出前
2）气温日较差：Tmax－Tmin
3）影响日较差的因素：
下垫面性质：陆地日较差>海洋，沙漠最大
纬度：低纬日较差>高纬
季节：夏季日较差>冬季
天空状况：晴天日较差>阴天
海拔高度：低处日较差>高处
2、年变化
1）年变化特点：
一年中月平均最高气温（Tmax）：北半球，陆地在7月，海洋在8月
南半球，陆地在1月，海洋在2月
最低气温（Tmin）：北半球，陆地在1月，海洋在2月
南半球，陆地在7月，海洋在8月
2）气温年较差：月平均Tmax－月平均Tmin
3）影响年较差的因素：
下垫面性质：陆地年较差>海洋，沙漠最大
纬度：高纬年较差>低纬，赤道最小
但赤道上气温有两高，在春分、秋分时，有两低，在冬至、夏至
海拔高度：低处年较差>高处
五、海平面平均气温的分布
海平面平均气温的分布特点
1、赤道附近气温最高，向两极逐渐降低，地表的最高气温带在10°N附近
2、等温线大致与纬圈平行，南半球表现明显
北半球差异较大：冬季，大陆等温线凹向赤道，海洋凸向极地，夏季相反。
墨西哥湾流对气温分布的影响：如60°N以北的挪威、瑞典1月气温比同纬度的亚洲及北美东岸高10℃～15℃
对气温分布有影响的高大地形：青藏高原、洛矶山、阿尔卑斯山等
3、地球上的冷极：北半球，冬季两个——西伯利亚、格陵兰；夏季——北极附近
南半球，南极附近，是全球气温最低的地方

第二节 湿度
一、湿度的定义和表示方法
1、水汽压（e）
大气中所含水汽引起的分压强，单位――百帕(hPa)或毫米水银柱高(mmHg)
空气中实际水汽含量越多，e值越大；实际水汽含量越少，e值越小。水汽压的大小直接表示了空气中水汽含量的多少。
饱和空气的水汽压称为饱和水汽压(E)，E是温度的函数，随温度的升高而增大
当e < E时，空气未饱和；当e = E时，空气正好达到饱和；当e >E时，空气过饱和。
2、相对湿度(Relative Humidity，用f表示) f=e×100%/E
f的大小，表示空气距离饱和的程度。当气温一定时
若e < E，即f < 100%，则空气未饱和，f值越小，空气距离饱和程度越远
若e = E，即f = 100%，表示空气饱和
若e > E，即f > 100%，则空气过饱和
3、露点(td)
空气中的水汽含量不变且气压一定时，降低气温，使末饱和空气刚好达到饱和时的温度称为露点温度(Dew-point Temperature)，简称露点。单位同气温。
水汽含量多，对应的td就高；水汽含量少，对应的td 就低。
常用气温与露点之差⊿t=t-td的大小大致判断空气距离饱和的程度：
若⊿t>O，空气未饱和，⊿t越大，距离饱和越远
若⊿t=O，即气温与露点相等，空气饱和。
若⊿t<O，空气过饱和，自然界中不常见
4、绝对湿度(a)
绝对湿度――单位容积空气中包含的水汽质量，单位g•cm-3或g·m-3。
实际上它代表水汽密度，反映空气中水汽的绝对含量。空气中的水汽含量越多，绝对湿度越大。
绝对湿度与水汽压成正比，两者间的关系为：
当气温t=16℃ (289K)时，a=e，a的单位g·m-3，e的单位mmHg
三、湿度的日、年变化
1、相对湿度的日、年变化
1）相对湿度的日变化
f的日变化主要决定于气温。
白天，t升高，e增大，但E以更快速度增大，f减小
夜间，t降低，e减小，但E以更快速度减小，f增大。
因此，f在一日中有一个最高值，出现在日出前，有一个最低值，出现在午后。
f日变化与气温日变化位相相反。
2) 相对湿度的年变化
季风区: f的极大值出现在夏季，极小值出现在冬季。
内陆全年干燥地区: f夏季小，冬季大。
2、绝对湿度的日、年变化
1）绝对湿度的日变化
在海洋、沿海及岛屿处，绝对湿度一日中有一个高值，出现在午后；一个低值，出现在清晨。
2) 绝对湿度的年变化
主要由气温的年变化决定。夏季出现a的最高值(北半球为7、8月，南半球为1、2月)；冬季出现a的最低值(北半球1、2月，南半球为7、8月)。
四、大气中水汽的凝结
使空气达到饱和主要有两种途径:
1）增加水汽含量
通过蒸发过程或暖湿平流实现。
在海洋上，海面蒸发量的大小取决于海面上空气的饱和差(Ew-e)和风速的大小。
2）冷却过程
不断降低气温至露点，使空气达到饱和。
大气中主要的冷却过程有绝热冷却、辐射冷却、平流冷却及乱流冷却等。
云、雨主要是空气上升中绝热冷却而产生的，平流雾则主要由平流冷却而形成。