气象要素 百科内容来自于: 百度百科

表明大气物理状态、物理现象的各项要素。主要有:气温、气压、风、湿度、云、降水以及各种天气现象。扩大气象要素的概念,则它还可包括日射特性、大气电特性等大气物理特性;还有自由大气中的气象要素的说法。气象要原则上还可以包括无法测定,但可求算的、各基本要素的函数,如相当温度、位温和空气密度等。

概述

气象要素(meteorological element)
表明一定地点和特定时刻天气状况的大气变量或现象, 如温、压、湿、风、降水等。
表明大气物理状态、物理现象以及某些对大气物理过程和物理状态有显著影响的物理量。主要有:气温、气压、风、湿度、云、降水、蒸发、能见度、辐射、日照以及各种天气现象
气压 : 大气的压力,它是在任何表面的单位面积上,空气分子运动所产的压力。
气温 : 大气的温度,,表示大气冷热程度的量。它是空气分子运动的平均动能。
大气湿度(简称湿度): 它是表示空气中水汽含量或潮湿的程度,可以由
气象要素 气象要素
比湿(g)、绝对湿度(pv)、水气压(e)、露点、相对湿度等物理量表示。
风 : 空气相对于地面的运动。气象上常指空气的水平运动,并用风向、风速来表示。
云 : 悬浮在空气中的大量水滴和冰晶组成的可见聚合体。在常规气象观测中要测定云状、云高和云量
降水 : 指从云中降落的液态水和固态水,如雨、雪、冰雹等。
蒸发 : 液体表面的气化现象。气象上指水由液体变成气体的过程。
辐射 : 能量或物质微粒从辐射体向空间各方向发送过程。气象上通常称太阳辐射为短波辐射,地球表面辐射和大气辐射为长波辐射
日照 : 表示太阳照射时间的量。气象上通常提供的是观测到的实照时数。
能见度:人的正常视力所能看到的目标物的最大距离。

简介

人们经常和各种气象要素打交道。气象要素指的是什么呢
气象要素 气象要素
?原来,为了对地球大气进行科学研究,人们就必须寻找能够表征大气的物理现象和过程的一些物理量,并综合研究它们的基本特征和变化状况,这些表征大气基本特征及变化规律的物理量就称为气象要素。
世界各地的气象台站所观测记载的主要气象要素有气温、气压、风、云、降水能见度空气湿度等在这些主要的气象要素中,有的表示大气的性质,如气压、气温和湿度;有的表示空气的运动状况,如风向、风速;有的本身就是大气中发生的一些现象,如云、雾、雨、雪、雷电等。
它们各自的定义是:
气温:表示大气冷热程度的物理量
气压:单位面积上大气柱的重量
风:空气在水平方向上的运动
云:悬浮在空中的大量微小水滴或冰晶
降水:从云中降落到地面上的液态固态
能见度:人的正常视力所能看到的目标物的最大距离
空气湿度:表示空气中水汽含量的多少。
当然,气象要素还远不止这些,以上仅是最主要的气象要素而已。一般地说,气象要素选择得愈多,就能愈客观地表达出大气的各种状况。

分类

气压

大气的压强,它是在任何表面的单位面积上,空气分子运动所产生
气象要素 气象要素
的压力。气压的大小同高度、温度、密度等有关,一般随高度增高按指数律递减。在气象上,通常用测量高度以上单位截面积的铅直大气柱的重量来表示。常用单位有毫巴(mb)、毫米水银柱高度(mm·Hg)、(Pa)、百帕(hPa)、千帕(kPa),其间换算关系是:1mm·Hg埄4/3mb,1mb=100Pa=1hPa=0.1kPa。国际单位制通用单位为帕。测量气压的仪器常用的有:水银气压表空盒气压表气压计(见地面气象观测仪器)。1013.25百帕的气量。按云底的高度和云状等的不同,把云压,称为标准大气压,它相当于在重力加速度为9.80665米/秒2,温度为0℃时,760毫米铅直水银柱的压强。

气温

大气的温度,表示大气冷热程度的量。它是空气分子运动的平均动能。习
气象要素 气象要素
惯上以摄氏温度(t℃)表示,也有用华氏温度(t′°F)表示的,理论研究工作中则常用绝对温度(TK)表示。其间换算关系是:t℃=5/9(t′°F-32);t℃=TK-273.15。地面大气温度一般指地面以上1.25~2米之间的大气温度。测量气温的仪器有温度表和温度计。

大气湿度

简称湿度。表示空气中水汽含量或潮湿的程度。

混合比(γ)

湿空气中,水汽质量(mv)与干空气质量(mv)之比,γ=mv/md,以克/克
气象要素 气象要素
或克/千克为单位。饱和湿空气的混合比称饱和混合比。

比湿(q)

湿空气中,水汽质量(mv)和湿空气质量(mv+md)之比,即q=mv/(mv+md),以克/克或克/千克为单位。

绝对湿度(ρv)

又名水汽密度,湿空气中。水汽质量(mv)与该湿空气体积(V)之比,即ρv=mv/V,单位是克/厘米3或克/米3。

水汽压(e)

湿空气中水汽的分压。在总压强(即气压)为p、混合比为γ的湿空
气象要素 气象要素
内,水汽压为在总压强为p、温度为T时,纯水的平水面和纯冰的平冰面的饱和水汽压分别为:其中γw、γi分别是纯冰或纯冰平面附近的湿空气的饱和混合比。水汽压的单位和气压的单位相同。

露点或霜点

在不改变气压和混合比的情况下,把纯水(或纯冰)平面附近的空气冷却到饱和时的温度。

相对湿度

空气中的实际水汽压与同温度下饱和水汽压的百分比。测量湿度的仪器种类很多,有干湿球温度表毛发湿度表毛发湿度计通风干湿表手摇干湿表等。由于大气中的水汽主要来自下垫面,如江、河、湖、海水面的蒸发、植被蒸散等,在无云天气,大气的湿度一般自沿海向内陆、自低空向高空递减。

饱和差

空气在某温度下的饱和水汽压与当时实际水汽压的差值。其单位和气压
气象要素 气象要素
的单位相同。 能见度 见大气能见度。

降水

指从云中降落的液态水和固态水,如雨、雪、冰雹等。降水观测包括降水量和降水强度:前者指降到地面尚未蒸发、渗透或流失的降水物在地平面上所积聚的水层深度,以毫米为单位;后者指单位时间内的降水量,常用的单位是毫米/10分钟、毫米/时、毫米/天。测量降水的仪器有雨量器雨量计等。中国气象部门规定:24小时内雨量不到10毫米的雨为小雨;10.0~24.9毫米为中雨;25.0~49.9毫米为大雨;达50毫米或50毫米以上为暴雨。

蒸发

液体表面的气化现象。气象上指水由液态变成气态的过程。在一定时段内,水由液态变成气态的量称为蒸发量,常用蒸发掉的水层深度表示,以毫米为单位。一般情况下,温度越高、空气湿度越小、风速越大或气压越低,蒸发越强。测定蒸发可在水面进行,但困难较多。气象台(站)上一般使用小型蒸发皿进行观测:在一定口径、一定深度的金属圆筒内放入一定量的净水,隔24小时后测定因蒸发而减少的水量,即为一天的蒸发量。

辐射

气象上常测定以下几种辐射:①太阳辐射,又称日射,指太阳放射的辐
气象要素 气象要素
射;②地球辐射,指由地球(包括大气)放射的辐射;③地表辐射,指由地球表面放射的辐射;④大气辐射,指地球大气放射的辐射;⑤全辐射,指太阳辐射与地球辐射之和;⑥太阳直接辐射,指来自太阳圆面的立体角内投向与该立体角轴线相垂直的面上的太阳辐射;⑦天空辐射(或太阳漫射辐射),指地平面上接收到的来自2π立体角(除去日面所张之立体角)范围内的向下的散射和反射的太阳辐射;⑧太阳总辐射,指水平面接受的,来自2π立体角范围内的太阳直接辐射与散射辐射之和;⑨反射的太阳辐射,指从地表所反射的太阳辐射以及从地表与观测点之间的空气层向上空漫射的太阳辐射之和;⑩净辐射,指向下和向上(太阳和地球)辐射之差,即一切辐射的净通量;?净太阳辐射,指向下和向上的太阳辐射之差;?净地球辐射,指向下大气辐射和向上地球辐射的差值。气象上,通常称太阳辐射为短波辐射,地球表面辐射和大气辐射为长波辐射。单位面积接收、通过或放射的辐射能,其单位一般用卡/(厘米2·分),也有用瓦特/米2和焦耳/(米2·秒)的。在地面气象观测中,通常测量的是太阳总辐射。测量各种辐射分量的仪器有:绝对日射表、天空辐射表、直接日射表、净辐射仪等。

日照

表示太阳照射时间的量。有可照时间和实照时间两种,分别以可照时数和实照时数表示,均以小时为单位。可照时数是一天内可能的太阳光照时数。也即一天内太阳中心从东方地平线升起,直到进入西方地平线之下的全部时间,完全由该地的纬度和日期决定。实照时数(即日照时数)是太阳直射光线不受地物障碍及云、雾、烟、尘遮蔽时实际照射地面的时数(由纬度、日期、天气、地形等所决定),可用日照计测定。日照百分率(实照时数与可照时数的百分比),可用来比较不同季节不同纬度的日照情况。测定日照的常用仪器有暗筒式和聚焦式日照计,也有用光电日照计的。

天气现象

天象

发生在大气中的降水现象、地面凝结(凝华)和冻结现象、视程障碍现象、大气光象、大气电象和大气的其他物理现象的总称。降水现象有雨、雪、霰、米雪、冰粒、冰雹等;地面凝结(凝华)和冻结现象有露、霜、雾凇雨凇等;视程障碍现象有雾、轻雾、沙尘暴、扬沙、浮尘、烟幕、霾、吹雪等;大气光象有虹、、华等;大气电象有雷暴、天电、极光等。此外还有大风、飑、龙卷、尘暴、积雪、结冰等现象。在地面气象观测中,各种天气现象均用一定的专门符号表示。天气现象常能表明大气的状态特征。

地面的运动

空气相对于地面的运动,气象上常指空气的水平运动,并用风向、风速(或风级)表示。风向指风的来向,一般用16个方位或360°来表示。以360°表示时,由北起按顺时针方向量度。风速指的是单位时间内空气的行程,常以米/秒、公里/时、海里/时表示。1805年,英国人F·蒲福根据风对地面(或海面)物体的影响,提出风力等级表,几经修改后得表1。目测风时,根据风力等级表中各级风的特征,即可估计出相应的风速。测定风向的仪器有风标风向器;测定风速的仪器有风杯风速计、热线风速计等。此外,还有气象气球等。

可见聚合体

悬浮在空中由大量水滴和(或)冰晶组成的可见聚合体。在常规气象观测中要测定云状、云高和云量。云状指云的外貌,由目测决定。云高指云底离地面的铅直距离,一般用气球、云幕灯激光测云仪测定。云量指云遮蔽天空的份数,一般采用目测法估计确定。中国规定:气象部门观测时,将天空划分为10份,碧空无云,云量为0;云蔽天空1/10,云量为1;云蔽天空2/10,云量为2;依次类推。高云、中云和低云共同遮蔽天空的份数,称为总云量;低云或直展云或两者共蔽天空的份数,称低云量。按云底的高度和云状等的不同,把云分成四族、十属。

卷云

云体具有纤维状结构,常呈白色,无暗影,有丝一般的光泽。个体分散的云,系冰晶构成,常呈丝缕状、马尾状、羽毛状、钩状、团簇状、片状或砧状等多种形态。

卷积云

云块很小,呈白色细波、小球或鱼鳞状的云块。无暗影,有柔丝般光泽,系冰晶构成。当布满天空时,称“鱼鳞天”。

卷层云

云体均匀成层,呈绢丝状透明云幕,有时云体不显,仅使天空呈乳白色,系冰晶构成。隔云可见日月轮廓,地物有影,常伴有晕。

高积云

云块轮廓分明,常呈扁圆形、瓦块形、宽鳞片形的白色或灰白色云块。往往成群、成行、或呈波状排列。大多由过冷水滴构成,可伴有冰晶或非过冷水滴。高积云分透光和蔽光两种,太阳光或月光透过薄的高积云时,常出现华。

高层云

云体均匀成层,呈灰白色或灰色,有时微带蓝色,云底往往有条纹结构。系小水滴或小水滴和冰晶(上层)构成。隔高层云只能肯定日月位置,难以辨认日月轮廓。高层云也分透光和蔽光两种。
层积云
成层或成条排列的波状松散大云块,常呈灰色或灰白色,多由小水滴构成。层积云分透光和蔽光两种,在云块较薄处太阳的位置可辨认。
层云
云体均匀成层,呈灰色或灰白色,云底很低,但不接触地面,有时也称“高雾”。主要由小水滴构成。
雨层云
能产生降水的低而均匀的云层,云体厚而浓密,由小水滴或小水滴和冰晶(上层)构成,呈暗灰色,布满天空常伴有连续性降水
积云
一个平底直展云。顶部呈一个或几个凸起状,云体边界分明,云块孤立而分散于天空。积云分淡积云和铅直发展旺盛的浓积云两种,多由水滴构成。
积雨云 
铅直发展极盛,云体庞大高耸,云顶有丝缕状冰晶结构,有时顶部常呈铁砧状。系水滴和冰晶(上层)构成。云底阴暗混乱,起伏明显,有时有悬球状结构。

输送量

关于气象要素输送量的一般公式

当空气以速度u作水平运动时,也就意味着垂直于气流的单位横截面内的空气在单位时间内移动了距离u。如果速度以m/s为单位,这也就表示横截面为1m2的空气在1秒钟内穿过的体积是u立方米。这就是关于空气运动速度(风速)的另外一种理解方式。在这种理解下,风速最大的高空急流附近,自然就是空气在单位时间穿过的空间体积最大的地方。由于空气是气体物质,我们把这理解为物质运动最快的地方,自然也是的准确的。
可是我们当分析“空气的输送量最大的地方”时,需要明确输送量不单单与空气的速度有关,还与当地的空气密度有关。而空气的输送量是风速和空气的密度的乘积表示的。由于空气的密度随高度迅速降低,于是空气流速最大的高空急流部位,不见得就是气象要素的输送量(流量、通量)最大的部位。
显然,气象要素(物理量)x在空气中的密度如果是ρx(即单位空气体积内该气象要素的数量),那么空气以风速u运动时,就在单位时间,通过单位截面积携带了ρxu这么多的该物理量,它也就是物理量x的通量Tx,我们也称为输送量。即一般有Tx=ρxu⑴
对流层中,风速u一般是随高度而增加的,在对流层顶附近风速达到最大值。但是物理量的密度(如空气密度),如果随高度是减小的,那么物理量的最大输送量的所在的高度就可能与高空急流不重合。下面我们就用实际资料对不同的气象要素的水平输送量在不同上的分布情况做初步分析。

空气和水汽的输送量的垂直分布的计算

这里我们用哈尔滨上海,广州,兰州成都乌鲁木齐拉萨共七个点的1982年8月(北京时间08时)的平均探空资料做一些分析。根据公式⑴我们计算出不同高度层上的空气水平(不计方向)输送量和水汽输送量,并且绘在图上以显示它们的垂直变化。而这七个站点也大致代表了地居中纬度的中国的东西南北中、靠近海洋、内陆、高原、盆地等不同情况。它们对理解这个总问题有代表性。计算中利用提供的月平均的地面、850、700、500、400、300、250、200、150、100、70、50、30hPa的13层上的高度、温度、湿度温度露点差)和风速资料作为原始数据。根据干空气的气体状态方程P=ρRT⑵
计算空气密度ρ。这里ρ是空气的密度,R是干空气的气体常数,R=0.287J/g.K(干空气)。于是得到ρ(千克/立方米)=(压力的百帕值)×0.3484/绝对温度值。用空气密度乘风速就得到空气质量在单位横截面、单位时间的通量。
对于水汽,它也应当用公式⑴计算,不过哪里的ρx表示水汽的密度。它应当是空气密度比湿的乘积。本研究中的比湿我们是根据各个高度上的压力值、温度露点差值,用热力学图表查出来的。

空气和水汽的最大输送层的分析

中国上空的空气输送量的一般垂直分布特征是它们在海拔10公里附近有一个最大的输送层。但是上海的最大输送层出现在离地面2公里附近,而广州的最大输送层出现在10-12公里以及地面以上2公里附近。中国上空的水汽的一般垂直分布特征是它们都在地面以上2公里附近有个最大输送层,再向高层,水汽输送量迅速减小。在地面附近,由于风速小,输送量也小。而12公里以上的平流层里水汽的输送量已经小到可以忽略的程度。
我们综合出风速最大层、空气输送量最大层和水汽输送量最大层的所在位置,统一列于表1中。
站名
哈尔滨
上海
广州
兰州
成都
乌鲁木齐
拉萨
风速最大位置(海拔,公里)
10-12
12-14,24
24
10-12
12-14,24
12-13
24
空气输送量最大层位置(公里)
海拔10,2
海拔2,12
海拔2,10-12
海拔9-11
海拔8-11
海拔11-12
海拔11和离地面2
水汽输送量最大层位置
离地面两公里附近
离地面两公里附近
离地面两公里附近
离地面两公里附近
离地面两公里附近
离地面两公里附近
离地面两公里附近
根据计算数据、表1说明,风所输送的空气量(质量)的最大值一般出现在风速最大层以下的1-2公里的高度上。个别情况它也会出现在距离地面2公里的低空。而水汽的最大输送量基本都出现在离地面2公里的高度附近(无论的海滨的上海,还是高原的拉萨、内陆的乌鲁木齐)。
这些结果是合理的,因为输送量是风速与密度的乘积值,而空气密度肯定是随高度而迅速减少的,所以输送量的最大高度比风速的最大高度要低。水汽更是集中在大气低层,所以水汽的最大输送层就更低。
总之,从一般的理论分析和这些站点的空气和水汽数据分析都表明大气里存在着一个对特定的气象要素的最大的输送层,这个最大输送层的位置与高空急流并不重合,一般是在更低地位置,对空气质量的输送,它大约比高空急流低1-2公里,但是也可能在地面以上2公里附近,而水汽的最大输送层一般在距离地面2公里的高度附近。

能量的输送量及其最大输送层的位置分析

风能
前面我们着重分析了空气质量和水汽质量的输送量和它们在垂直方向的最大输送层。把输送量的公式⑴再扩大到空气具有的能量等方面(风能动量、潜热能、热能位能)。风能输送量和它的最大层:动能是量与速度的平方的一半,对于单位质量的空气,它就是(1/2)×(风速)2,即。对于单位体积的动能,它自然应当是前者再乘以空气密度,即。把它作为公式⑴里的ρx,代入我们得到空气风能E的输送量TE公式,它的单位是单位时间、单位横截面的焦耳值(每平方米的瓦特数)。而它也就是风能计算中的著名的“风能密度”公式[4]。所以风能公式是公式⑴的特例。
根据这个分析,风能输送量最大层也就是动能输送量最大层。那么风能输送量在哪个高度上最大?根据这个公式看它固然有空气密度的因素,但是它与风速的立方成正比例,这说明风速的决定权更大一些,所以风能输送量的最大层在风速最大层(高空急流)和空气输送量最大层之间,而更靠近风速最大层(高空急流)。

动量输送量和它的最大层

它仅是风速的平方,所以其最大值出现的位置应当在空气输送量最大和风能最大层位置之间。

潜热能输送量和它的最大层

由于水汽的潜热与水汽的含量是正比例关系,所以潜热输送量最大层的位置应当与水汽的最大输送层完全一致,它们都在离地面2公里的高度附近。

热能输送量和它的最大层

单位质量的空气热能应当是绝对温度表示的气温T与空气的定容比热Cv的乘积值,即CvT。所以单位体积的热能等于空气密度ρ与CvT的乘积值,ρCvT。注意到关于气体的状态方程⑵,我们自然得到热能密度ρH,把这个热能密度乘以风速u就依公式⑴得到热能的输送量TH以Cv等于0.718J/g.K代入计算。热能输送量的单位应当是单位时间单位横截面输送的焦耳值。当压力以百帕表示,风速以米/秒表示时,TH=250.17pu(J/sec.m2)。热能输送量由空气密度与温度的乘积决定,而这两个量都是随高度减少的,所以其最大输送层的出现高度应当比空气质量的输送量最大的层要低一些。

能输送量和它的最大层

单位质量的空气的位能是地球的重力加速度g与它所在高度z的乘积。所以风对空气位能的输送量Tp=ρgzu。在对流层大气中,密度随高度是降低的,但是空气的高度和风速基本是随高度增加的。对七个站点的计算表明(数据和图从略)位能输送量的最大层基本与风速最大高度层是重合的。

其他气象要素的通量的垂直分布

根据前面的分析和公式⑴,只要知道某气象要素(如浮尘、污染物质)在各个高度上单位体积内的数值,就可以计算风对它在各个高度上的输送量。而根据我们已经分析的一些气象要素的情况看,这个输送量一般是具有一个或者两个最大值出现在对流层内。

小结和结束语

由于空气的流动,很多气象要素(能量、水汽等)也随空气以风速而一起流动。分析表明,空气在单位时间单位横截面对该气象要素的输送量在各个高度上是不同的。在对流层内一般存在着一个或者两个气象要素输送量最大的层次。计算各个气象要素的输送量的公式是⑴式。把这个公式用到某气象要素的各个层次上,我们就求得了该气象要素在各个层次上的输送量。风能计算中的风密度公式是这个公式的特例。
我们过去比较熟悉的高空急流仅表示哪里的空气在单位时间所穿过的体积是最大的。它并不表示哪里的单位横截面在单位时间流过的空气最多,而水汽的最大输送量却出现在距离地面2公里的高度附近,它不在高空也不在地面。
我们计算、分析了中国7个站点的空气通量、水汽通量等多个气象要素的垂直分布情况,
气象要素
最大层的位置
说明
位能输送量
基本与高空急流
(风速最大层)重合
大约在对流层顶附近
风能(动能)输送量
在高空急流和空气输送量最大层之间
离高空急流比较近,但是位置低一些
动量输送量
在风能输送量最大层和空气输送量最大层之间
比风能最大层低
空气(质量)输送量
一般在高空急流以下1-2公里处,也有的在地面以上2公里处
它与高空急流不重合,而是比它低。不同地点、不同时间其变化也比较大
热能输送量
一般在高空急流以下1-2公里处,也有的在地面以上2公里处
它比空气输送量的最大层要低。
不同地点、不同时间其变化也比较大
水汽输送量
在地面以上2公里处
水汽总是集中在大气低空
潜热输送量
在地面以上2公里处
与水汽输送量最大层的位置重合
过去我们主要从“高空急流”、“水汽输送量”等角度关注过输送量问题。本文则给出了输送量的通用计算公式即公式⑴,还揭露了不同气象要素都有最大输送层存在于不同高度的特点。但是对这个特点的物理意义本文没有展开讨论。从能量平衡和物质平衡等角度分析这些特点可能使我们对大气中的物质、能量循环有新的认识。
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