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对流层

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(图)对流层对流层

对流层地球大气层靠近地面的一层。它同时是地球大气层里密度最高的一层,它蕴含了整个大气层约75%的质量,以及几乎所有的水蒸气气溶胶。对流层位于大气的最低层,集中了约75%的大气质量和90%以上的水气质量。其下界与地面相接,上界高度随地理纬度和季节而变化。在低纬度地区平均高度为17~18千米,在中纬度地区平均为10~12千米,极地平均为8~9千米;夏季高于冬季。

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含义编辑本段回目录

英语里的对流层一字“Troposphere”的字首,是由希腊语的“Tropos”(意即“旋转”或“混合”)引伸而来。正因对流层是大气层中湍流最多的一层,而同它亦是唯一一层会出现天气现象。固此,喷射客机大多会飞越此层用以避开影响飞行安全的气流。

概述编辑本段回目录

对流层对流层雷达

对流层中,气温随高度升高而降低,平均每上升100米,气温约降低0.65℃。由于受地表影响较大,气象要素(气温、湿度等)的水平分布不均匀。空气有规则的垂直运动和无规则的乱流混合都相当强烈。上下层水气、尘埃、热量发生交换混合。由于90%以上的水气集中在对流层中,所以等众多天气现象都发生在对流层。

对流层中从地面到 1~2 千米的一层受地面起伏、干湿、冷暖的影响很大,称为摩擦层(或大气边界层)。摩擦层以上受地面状况影响较小,称为自由大气。对流层与其上的平流层之间存在一过渡层,称为对流层顶,厚度约几百米到2千米 。 对流层顶附近气温随高度升高变 化的幅度发生突变,或随高度增加温度降低幅度变小,或随高度增加温度保持不变,或随高度增加温度略有增高。对垂直运动有很强的阻挡作用。

压力及气温结构编辑本段回目录

压力
大气层的压力会随高度升高而下降。这是因为位于地表上的空气会被其之上的所有空气压着,反之在高的地方,空气被少一点的空气压着,故之气压亦随之递减。气压随高度而改变是可以根据下列的流动动力学程式所计算:(图)对流层
这里:

g = 重力加速度
ρ = 密度
h = 高度
p = 压力
R = 气体常数
T = 温度
假设一个常温,压力会随高度以指数方式而下降:

气温
在对流层,高度每上升1公里,气温会平均下降摄氏6.49度。这种气温递减是因为绝热冷却的出现。当空气上升时,气压会下降而空气随之扩张。为了使空气扩张,需要有一定的功施予四周,故此气温会下降。(因热力学第一定律)

在中纬度地区气温会由海平面的大约+17℃下降至对流层顶的大约-52℃。而在极地(高纬度地区),由于对流层相对地薄,所以气温只会下降至-45℃,相反赤道地区(低纬度地区)气温可以下降到-75℃。

正因为对流层的上部冷下部热,所以对流运动特别显著。这正是中文“对流层”的名称由来。

对流层顶
对流层与其之上的平流层的边界,约离地面11公里附近的位置,称为对流层顶。但这个边界的高度会随季节及纬度而有所变化。一般来说,在赤道地区附近高17公里,而在极地附近则约高9公里,而平均高度则大概离地11公里左右。长途客机大多会在这个边界飞行。

要计算在对流层的气温因高度而转变,就需要认识平流层,因平流层界定了对流层的位置。在对流层,气温随高度而下降,反之在平流层,气温会随高度而上升。当气温递减率由正数(对流层)转到负数(平流层)的现象出现时,那正好表示了那里是对流层顶的区域了。

大气环流编辑本段回目录

大规模的大气环流,其基本结构大致上都维持不变。地球上的风带和湍流由三个对流环流(三圈环流)所推动:哈得莱(低纬度)环流、费雷尔(中纬度)环流、以及极地环流。这三个对流环流带领盛行风及由赤道传递热能到极地方向。

因为对流运动显著,而且富含水汽和杂质,所以天气现象复杂多变。如雾、雨、雪等与水的相变有关的都集中在本层。

物质组成编辑本段回目录

对流层蕴含以下成份:
氮 (N2)
氧 (O2)
二氧化碳 (CO2)
甲烷 (CH4)
一氧化二氮 (N2O)
一氧化碳 (CO)
臭氧 (O3)
硫酸 (SO4)
二氧化氮 (NO2)
氢氧根 (OH-)

传播方式编辑本段回目录

对流层

对流层传播方式
不包括云和降水的影响

对流层中主要的传播方式或效应有:大气折射、波导传播、对流层散射、多径传播、大气吸收,以及水汽凝结体和其他大气微粒的吸收和散射。

对流层传播除可按传播方式分类外,也可按传播范围和频段分类。按传播范围分,有视距传播、超视距传播和地空传播等。地空传播也可归入视距传播。视距传播的基本方式是直射传播,但受对流层和地面的复杂影响。超视距对流层传播的常见方式是对流层散射,有时也可能是波导传播。按频段来分,有超短波传播、微波传播、毫米波与亚毫米波传播和光波传播等。超短波和较长的微波可作视距传播,也可作超视距传播。10吉赫以上频段的无线电波和光波,一般都只限于视距传播。

对流层传播研究的发展与通信的关系十分密切。第二次世界大战后,由于远距离、高质量的多路通信的需要,促成了对流层散射传播机制的发现。这一发现不仅导致了对流层散射通信的出现,而且导致了电离层散射通信和流星余迹通信的出现。卫星通信的出现及其进一步发展的需要,促进了地空传播方面特别是在10吉赫以上频段的研究。由于对流层传播与对流层特性紧密相关,对流层传播研究与对流层探测技术也互相促进。许多技术用于对流层折射率和云雾降水的宏观结构和微观结构的探测,促进了对流层传播研究;有关对流层结构与所产生的信号特性之间的联系方面的传播研究结果,也为有关无线电探测手段的产生和完善提供了探测基础。精密雷达都采用对流层传播方式,特别是视距传播方式。尤其在微波和更高频段,雷达与目标之间的对流层效应是突出的传播问题。微波和毫米波遥感也直接或间接地利用大气吸收和云雾衰减效应。

对流层对流层
仅包括云和降水的影响

现代对流层传播的研究,主要集中于10吉赫以上频段的电波传播问题、广播和移动通信中的传播问题以及多径效应等。毫米波在实用上具有突出的优点(见10 GHz 以上电波传播),因此对流层传播研究正向毫米波方向扩展。

对流层散射传播是对流层散射通信的技术基础。利用对流层散射传播机理设计的对流层散射传输系统,可以实现超视距传输;同时具有适中的传输容量、传输性能和可靠度,以及特别强的抗核爆能力。对流层散射传输系统因为有其特别属性,在多种多样的传输系统之中,特别是在各种无线传输系统之中,始终占据不可替代的特定位置。

中国在20世纪50年代开始对流层散射传播机理研究,上世纪,60年代开始研制和应用对流层散射通信系统。60年代末到70年代初,本人在从事对流层散射传输系统研制中,曾经与张明高院士合作。具体地说,是根据他关于对流层散射传播理论的研究成果,进行对流层散射传输系统总体设计。70年代初,张明高院士对国内外对流层散射传播的理论研究和实验结果进行了全面的分析和总结,提出了广义散射截面理论模型;并在此理论基础上,对各种传播特性做了系统的模式研究,提出了一套比较完整的适于我国条件的传输损耗统计预测模式,其后,一直用于国内对流层散射通信系统设计;并且被CCIR(国际无线电咨询委员会,现ITU R)采纳于CCIR238 3报告(超视距无线电中继系统所需传播数据)之中。80年代,CCIR颁布全球对流层散射数据库后,张明高院士据以进行了更为全面、深入的研究,从而提出了全球适用的对流层散射传输损耗统计预测方法,并得到世界各国同行专家公认,替代了国际上沿用20多年的美国NBS(国家标准局)同类方法,形成了CCIR238 6报告(地面超视距系统所需传播数据和预测方法),并且形成了CCIR617 1建议(超视距无线电中继系统设计所需传播预测技术与数据)。

资料编辑本段回目录

[1] 《对流层散射传播》 孙玉(中国工程院院士)

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