大气科学

大气科学

　　在地球表层有大气圈、水圈、岩石圈、冰雪圈、生物圈五大部分，组成了一个综合的系统。研究发生在大气圈中各种现象的演变规律，并利用这些规律服务于人类的科学称为大气科学。由于大气圈中发生的各种现象不仅种类繁多，而且在时间和空间尺度上不受限制，还因地表的水圈、岩石圈、冰雪圈、生物圈的影响，其复杂性和不确定性是自然界最为突出的，因此，大气科学的研究必然具有观测点高度分散（全球范围），观测方法高度协调统一（以利比较），观测资料高度集中（迅速交换集中），国际间高度合作（任何一个地区、一个国家都无法孤军作战，反过来世界气象工作也少不了任何一个地区或一个国家的真诚合作）的特点。

　　大气科学在它的发展进程中已逐渐形成了若干分支，比较成熟的有大气探测学、大气物理学、天气动力学、气候学、农业气象学等。

　　包围在地球外部的一层气体总称为大气或大气圈。大气圈以地球的水陆表面为其下界，称为大气层的下垫面。地球大气在重力场的作用下，保持在地球的外表面上，其密度随高度升高呈指数递减，越向上越稀薄。大气上界约在1000─2000公里高度。大气的总质量为5.14E8千克，约为地球质量的百万分之一。大气质量的一半位于500hPa 以下，平均约为5.5公里，大气质量的99％位于30公里以下，所以大气圈只是地球的一层簿壳，而天气变化仅发生在大气底层十几公里范围内。

　　大气分层：按大气温度的垂直结构，可把大气圈分为对流层、平流层、中层和热层。

　　对流层：地面以上大气的最低层称为对流层，对流层顶的气压约为200hPa，对流层顶的高度夏季高于冬季，在赤道附近约17─18公里，中纬度平均约10─12公里，高纬度为8─ 9公里。对流层对整个大气圈而言只是很浅薄的一层，但它集中了大气质量的80％以上，几乎全部水汽、云和降水，主要天气现象和过程如寒潮、台风、雷雨、闪电等都发生在这一层。对流层的主要特征是：

　　1)温度随高度升高而降低。因为大气不能吸收太阳短波辐射，但地面能吸收太阳辐射而升温并放出长波辐射，大气主要通过吸收地面的长波辐射和通过对流、湍流等方式从地面吸收热量才能升温，因而越接近地面的大气得到的热量越多，造成对流层的气温随高度升高而降低。

　　2)有强烈的垂直混合。低层空气由于从地面得到热量使之受热上升，高层冷空气下沉，从而造成对流层内存在强烈的垂直混合作用。热带地面温度高，垂直混合能到很高高度，对流层顶高度高；极地地面温度低，垂直混合作用弱，对流层顶高度低。

　　3)气象要素水平分布不均匀。由于各地纬度和地表性质的差异，地面上空空气在水平方向上具有不同物理属性，压、温、湿等要素水平分布不均匀，从而产生各种天气过程和天气变化。

　　平流层：对流层顶向上到50公里左右为平流层。平流层顶的气压约1hPa。平流层下部温度随高度变化很小，平流层上部因为存在臭氧层(22─35公里处)，臭氧吸收太阳紫外辐射使大气温度增加，这种下部冷上部热的逆温结构使平流层大气稳定，对流很弱，空气大多作水平运动，大气污染物如核爆残留碎片，火山喷发的火山灰等，能在平流层内滞留很长时间。平流层中水汽和尘埃很少，也没有对流层中的云和天气现象。

　　中层：平流层顶到85公里左右称为中层。中层顶气压约0.01hPa。中层大气中温度随高度递减，水汽极少，有相当强的垂直混合，60公里以上大气分子开始电离，电离层的底就在中层内。

　　(4)热层：中层顶以上的大气称为热层。这一层温度又随高度升高而增加。这是由于热层的分子氧和原子氧能吸收0.17微米的太阳紫外辐射和太阳微粒辐射。但由于热层很难有对流运动，大气的热量主要靠热传导，而且由于分子稀少，热传导率很小，造成巨大温度梯度和昼夜温差，白天太阳活动期温度高达2000°k，夜间太阳宁静期仅500°k。热层空气处于高度的电离状态。热层上部由于空气稀薄，大气粒子很少互相碰撞，高速运动的空气质点可能克服地球引力，向星际空间逃逸，又称逸散层。

大气边界层：
　　在对流层下部靠近地面的1.2─1.5公里范围内的薄层大气称为大气边界层或行星边界层。因为贴近地面，空气运动受到地面摩擦作用影响，又称摩擦层。

　　大气边界层内根据空气受下垫面影响不同又可分为：(1)紧贴地表面小于1厘米的气层，为粘性副层。此层以分子作用为主。(2)50─100米以下气层(包括粘性副层)称为近地面层。这一层大气受下垫面不均匀影响，有明显的湍流特征。(3)近地面层以上至1─ 1.5公里为上部摩擦层。一层除了下垫面的湍流粘性力外，还有气压梯度力和科里奥利力的作用，三力量级相当。

自由大气层：
　　大气边界层以上，地面摩擦影响减小到可以忽略不计，只受气压梯度力和科里奥利力的影响，称为自由大气层。
气象要素：

　　表示大气宏观物理状态的物理量称为气象要素，它是大气科学研究的基础。在气象站测定的气象要素多达数十种，其中主要的有：

　　气温：表示大气冷暖程度的物理量，常用摄氏温标t或华氏温标F或绝对温标T表示。它们之间的换算关系为：
　　　　　　　　T=273.15+t
　　　　　　　　t=5/9(F-32)
　　　　　　　　F=9/5t+32
　　气压：表示从观测高度到大气上界，在单位面积上垂直空气柱的总重量，常用单位百帕，即每平方厘米面积上受到一千达因力的压强值。

　　湿度：表示空气中水汽含量多寡的物理量，有绝对湿度、相对湿度、露点、比湿等。

　　风：表示空气水平运动的物理量，包括风向、风速，是个二维矢量。

　　关于各气象要素的涵义，测定方法等详见气象观测部分。