气象物理量

① 1, 什么是气象要素

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。

1. 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。

2. 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。

3. 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，可以由比湿（g）、绝对湿度（pv）、水气压（e）、露点、相对湿度等物理量表示。

4. 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。

5. 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。

6. 降水 : 指从云中降落的液态水和固态水，如雨、雪、冰雹等。

7. 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。

8. 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。

9. 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。

10. 能见度：人的正常视力所能看到的目标物的最大距离。

② 气象（气候）因素

潜水含水系统埋藏最浅，水位变化受气象因素影响最大。潜水位变化周期与大气降水变化周期明显一致。我国大部分地区属季风气候区，受东南季风影响，大体上每年4～7月，自南向北，进入雨季，降水显著增加，潜水位逐渐升高。雨季结束后，降雨减少，由于径流排泄，潜水水位逐渐降低，到翌年雨季来临前，水位降低到谷底，全年潜水水位动态表现为单峰、单谷型，季节性变化明显。南方地区，由于受秋雨季节的影响，潜水水位动态表现为双峰型。

潜水动态变化主要受气候周期的影响。气候变化周期，除了年际间的周期性变化外，还有多年性的周期变化，存在丰水年和枯水年长周期的交替现象。例如，周期为11年左右的太阳黑子变化，会影响丰水年和枯水年的交替变化，从而引起潜水位长周期的峰、谷变化。因此，研究地下水动态变化，需根据多年气象资料分析，从中找出不同保证率下的降水量分布对潜水补给量和水位变化的影响。

③ 在高空气象探测中,描述空气运动状态的物理量是风向和是

风速。大气的常量是温压湿风，其中温度、压强和湿度是大气自身的状态，是标量；而风则是描述空气运动的物理量，是矢量，包括风向和风速。
高空气象探测中，风向和风速是非常重要的物理量，它直接描述大气运动的方式方法，同时从侧面提供了大气的状态（高空中的风不是从高压吹向低压，而是和等压线平行的吹，所以根据风向和压强的连线，可以画出等压线）。同时，风速大小和防线可以判断大气运动是辐合还是辐散，对判断当地以及下游地区的晴雨预报有重要指示意义。

④ 气象学中的水汽通量的概念是什么表达式和物理意

物理量是指物理学中所描述的现象、物体或物质可定性区别和定量确定的属性。简称为量，如长度、质量、时间等。物理量有固定的名称、符号，有时符号带有确定的下标或其他说明性标记。物理量的符号必须用斜体表示，符号后不附加圆点。气象学中的水汽通量的概念是什么？表达式和物理意

⑤ 气象上垂直速度与散度的单位是什么

涡度、散度与垂直速度，是天气分析预报中经常使用的三个物理量。

垂直速度单位是pa/s，用公式（omega，P坐标的垂直速度）ω=﹣ρɡw可以把单位转为m/s；散度的单位是1/s。

散度：

1. 定义及表达式

散度是衡量速度场辐散、辐合强度的物理量，单位为1/s，辐散时为正，辐合时为负。

水平散度的表达式为：

⑥ 气象(气候)因素

自然地理因素包括地形、气象、水文及植被等方面。由于各地区自然地理条件不同，决定了一个地区地下水的形成条件和变化规律，使各地区的地下水具有独特的性质。下面着重介绍气象因素和水文因素对地下水的形成和变化的影响。

自然界中水循环的重要环节———蒸发、降水，都与大气的物理状态密切相关。气象要素包括气温、气压、风向、风力、湿度、蒸发和降水等这些决定大气物理状态的因素。这种大气的物理状态称为天气。而某一地区天气的多年平均状态(用气象要素的多年平均值来表示)称为该地区的气候。气象和气候因素对水资源的形成与分布具有重要影响。对地下水的形成而言，虽然变化缓慢的气候因素起着极为重要的影响作用，但变化迅速的气象要素，则对地下水发生着显著的影响。这其中以降水、蒸发及气温的影响最大。

1.气温

大气具有一定的温度称为气温。一切复杂的天气变化，主要是气温条件不同而引起的。气温的变化会直接影响地下水温度的变化，水温变化会使地下水中的气体成分发生变化。例如由于温度的增高，气体活跃性增大，一部分气体就要从水中逸出，从而减少地下水中气体成分的含量;水中气体含量的降低，又会引起地下水化学成分的变化。此外，由于热力增加，地下水蒸发作用加强，水量就减少，水的浓度增加。

2.湿度

大气中水汽的含量称为空气湿度。大气中水汽含量变化不定，占空气总量的0.01%～4%，其中70%分布在0～3.5km的高度内。

水汽具有重量，所以有压力，因此，表示空气中水汽含量多少可以用重量或压力表示。湿度分为绝对湿度和相对湿度两种。

绝对湿度:为某一地区某一时刻空气中水汽的含量。采用重量单位时，以1m³空气中所含水汽克数(g/m³)表示，表示符号为m;用压力单位时，为空气中所含水汽分压相当于水银柱高度的毫米数或以毫巴表示，表示符号为e。

空气中绝对湿度变化很大，主要受气温、地表面性质等因素的影响。在温暖地带和辽阔水面或潮湿土壤上空，绝对湿度较大。在气温低的地区，空气绝对湿度则很小。

空气中可容纳水汽的数量和温度有密切关系，温度越高，可容纳的水汽数量越多;反之越少。某一温度下，空气中所能容纳的最大水汽数量，称为该温度下的饱和水汽含量。同样也可用重量单位或压力单位表示，两种情况分别用符号M和E表示。不同温度下的饱和水汽含量，见表1－2。

表1－2 不同温度下的饱和水汽含量

绝对湿度只能说明某一时刻空气中水汽含量的多少，而不能说明空气中的水分是否达到饱和，因此，又有相对湿度的概念。

相对湿度:绝对湿度与饱和水汽含量之比为相对湿度(r)。即

普通水文地质学

尽管空气绝对湿度不变，当气温下降时，则相对湿度增加。当相对湿度达到100%时，说明空气中水汽已达到饱和状态。空气中水汽达到饱和时的气温称为露点。当气温低于露点以下时，多余的水汽就要凝结发生降水。

3.降水

当空气的温度低于露点时，空气中多余的水汽就要凝结，以液态或固态形式降落到地表称为降水。气象部门用雨量计测定降水量，以某一地区某一时期的降水总量平铺于地面得到水层高度的毫米数表示。如某地区年降水量为1000mm，即表示降落在该地区的水量平铺在该区水平面积上，该水层高度为1000mm。

降水是水循环的主要环节之一，一个地区降水量的大小，决定了该地区水资源的丰富程度，对地下水资源的形成具有重要影响。大气降水渗入地下，对地下水的补给最为普遍，它是地下水最重要的来源。大气降水补给作用的强弱主要取决于两个方面:一是大气降水(特别是降雨、降雪)的强度、延续时间;另一方面是当地的入渗条件，如包气带的岩性和厚度、地形、植被等。如单位时间内所降下的雨量(降雨强度)大，延续时间长，则可能补给的地下水量就多;当入渗条件好，如地表岩土透水性好，地形平坦，植被良好，则入渗作用就强，补给地下水就多。

不同类型的降雨对地下水的补给是不一样的。

暴雨:历时短而强度大。按气象部门的惯例，当日降雨量大于50mm或12h降雨量大于30mm的降雨称为暴雨。这种雨一般笼罩面积不大，降雨过程短，一般说来降雨大部分来不及渗入地下而变为地表径流流走，而且往往强烈冲刷地表，甚至改变地表原来的结构。但在平坦的裸露砂砾石层地区和植被覆盖较好的地区，仍然可有相当多的水渗入地下。

细雨:历时不久，雨量小，雨滴小。这种雨往往一边下，一边极易蒸发，对地下水补给的意义不大。

淫雨:历时久，强度小，笼罩面积大，在地表条件适当时，这种雨可以大量地补给地下水，对地下水的补给具有很大的意义。

暴淫雨:历时久，平均强度大，常常酿成地面的洪涝灾害，它对地下水的影响也是显著的，它常常破坏原有的地表结构，对矿坑和某些工程带来威胁。

在分析大气降水的补给作用时，不但要考虑绝对的降水量，还应考虑降水的性质(如延续时间、强度)，降水形式(液态、固态)和降水的类型等。在水文地质调查时，应收集降水的月平均、年平均及多年平均资料。

4.蒸发

水在常温下，由液态变为气态进入大气的过程称为蒸发。自然界的蒸发可以在水面、岩石土壤表面和植物的枝叶上进行。所以根据蒸发性质的不同，可分为水面蒸发、土面蒸发和叶面蒸发三种。蒸发量仍以水层厚度毫米数表示。

(1)水面蒸发

水面蒸发是指在一个地区，一定时间内地表水体表面水分的蒸发。其蒸发量的大小用水面蒸发皿来测定，其值以蒸发度表示，它表示一个地区蒸发能力的大小。

水面蒸发量的大小受许多因素影响，它与蒸发面的温度、空气饱和差、风速、气压等有关。蒸发面的温度越高，饱和差越大，风速越大，气压越低，则蒸发速度越快，蒸发量越大。

(2)土面蒸发

土面蒸发是指在一个地区，一定时间内土壤表面水分的蒸发。土面蒸发量除了气温、饱和差、风速、气压外，还与地下水的埋藏条件、土壤性质有关。一般当地下水埋藏较浅时，由于土壤毛细作用，将地下水吸至地表，蒸发量加大;埋藏较深，蒸发量就小。土壤颗粒越细，土壤层经常保持的水分就多，则蒸发量就大。

(3)叶面蒸发

叶面蒸发是指在一个地区，一定时间内某种植物叶面水分的蒸发，其蒸发过程称为蒸腾(蒸散)。

必须注意，气象部门提供的蒸发量，只能说明蒸发的相对强度(蒸发度)，它不代表实际的蒸发水量。

最后介绍气压与地下水的关系和潮湿系数的概念。

大气的质量施加于地面的压力称为气压，常用毫米水银柱高度表示。在标准状态下的气压为760mmHg高度，即约相当于10⁵Pa。

各地气压的差异引起空气流动，冷暖空气交锋，形成降雨。我国东部由于受季风的影响，故降雨大多集中于夏季，而冬季寒冷干燥。气压变化可影响地下水位升降，从而引起泉水流量变化。如气压下降，泉水流量有增高的现象。

潮湿系数(K_B)是指一个地区的年降水量(X)与年蒸发度(Z)(水面蒸发值)的比值。

普通水文地质学

潮湿系数的大小反映了一个地区水分的丰缺和气候的干湿特性。K_B越大，说明地区水量越丰富;反之，则蒸发越强烈，水分越缺乏。前者有利于地下水的形成，而后者不利于地下水的形成。地区的潮湿程度与潮湿系数的关系如下:

普通水文地质学

普通水文地质学

⑦ 气象学中的水汽通量的概念是什么表达式和物理意义都是什么

物理量是指物理学中所描述的现象、物体或物质可定性区别和定量确定的属性。简称为量，如长度、质量、时间等。物理量有固定的名称、符号，有时符号带有确定的下标或其他说明性标记。物理量的符号必须用斜体表示，符号后不附加圆点。

⑧ 气象要素的输送量

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
在对流层中，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。 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。它应当是空气密度与比湿的乘积。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。 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。 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）。 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。