大气性状及其现象是用基本要素——气温、气压、湿度、风、云况、能见度、降水情况、辐射、日照以及各种天气现象等来描述的，这些因子称为气象要素。气象要素随时间和空间而变化，其观测记录是天气预报、气候分析以及与大气科学有关的科学研究的基础资料。本节内容简单介绍最常用的温、压、湿、风等四个主要气象要素。

表示空气冷热程度的物理量称为空气温度，简称气温。热力学知识告诉我们，气体温度T（绝对温度）是分子平均动能的量度，也是分子运动快慢的量度。气温越高，空气分子不规则运动的平均动能越大，分子不规则运动的速度也越大。

度量温度高低的标尺（即单位）称为温标，常用的温标有3种:

（1）我国采用的摄氏温标，用℃表示。由它表示的温度为摄氏温度，常用符号t表示。摄氏温标以标准气压（1　013.25hPa）下纯水的冰点为零点（0℃），沸点为100度（100℃），其间分为100等分，每一等分即为1℃。

（2）国际通用的绝对温标，以K表示。它所表示的温度称为绝对温度，以符号T表示。这是理论研究上常用的温标，该温标的零度（称为绝对零度）规定它等于摄氏-273.16℃。因此，绝对温标与摄氏温标之间的关系为T＝273.16＋t≈273＋t。

（3）美国和英国常用的华氏温标，用℉表示。这种温标将水的沸点定为212℉，水的冰点定为32℉，并将这两点之间均分为180等分，每1等分表示1℉。华氏温标与摄氏温标之间的关系为℉＝9/5℃＋32。

气温随时间和空间都有很大的变化。它不仅有日变化，而且有季节变化。如早晨气温低，中午气温高；北半球夏季气温高，冬季气温低。除了周期性变化外，气温还有非周期性变化。这种非周期性变化直接与大气运动有关，如寒潮爆发时气温降低。

气温的非周期性变化有时可引起灾害。2012年冬季，全国平均气温较常年偏低，11月后出现7次明显降温过程，华北、东北以及青海、新疆等地频繁遭遇降温、降雪袭击，造成农业设施受损严重，牲畜觅食困难。上述地区因低温雪灾造成损坏房屋数量、直接经济损失均占到全国总损失的8成以上。其中，11月中旬，黑龙江鹤岗市出现历史同期最大深度积雪；12月20～24日，北京、河北、内蒙古、山东等多地出现有气象记录以来的最低温度。2013年7～8月，南方地区出现1951年以来最强的高温热浪天气。江南、江淮、江汉及重庆8省（市）平均高温日数达31.6天（日最高气温≥35.0℃），较常年平均的15.1天多出一倍以上，为1951年以来最多；南方8省平均最高气温34.3℃为1951年以来最高；中东部地区有477站次日最高气温突破历史极值，为历史同期最多。

托里拆利（E.Torricelli）实验证明，大气有压力，并且每一物体受到的大气压力等于压在物体上的空气柱重量。气象上的气压是指大气的压强，静止大气中某地的气压是该地单位面积上大气柱的重量。平均而言，海平面高度上的气压差不多相当于10m高水柱产生的压强，当空气有垂直加速运动时，气压值与单位面积上空气柱的重量之间有一定差异，但一般空气的垂直加速度很小，可将其看作静止大气。气压是各向同性的，因此，置于大气中的物体不会被如此强的大气压力撕碎。

气压的国际单位是帕斯卡（Pa），1Pa等于1m²面积上受到1牛顿的压力。气象上通常用百帕（hPa）来表示气压，还常用标准大气压（atm）作为气压单位。1hPa＝100Pa，1atm＝1 013.25hPa。

气压的空间分布称为气压场。垂直方向上，气压随高度近似于呈指数递减，即P＝p₀e^-z/h。P是某地某高度的气压，z为海拔高度，p₀是海平面气压，一般取1 013hPa，h是标高，即均质大气层顶的高度，一般为8km。均质大气是指空气密度不随高度变化的大气，并不考虑水汽的影响和重力加速度随高度变化的影响。

气压比四周高的地区为高压区，其中气压最高的地方称为高压中心；而气压比四周低的地区为低压区，气压最低处称为低压中心。气象上，用一个画有等压线的等高面图和一组画有等高线的等压面图来反映气压的三维分布。天气预报所用的地面天气图就是海拔高度为零的等高面图，高空天气图就是一组气压值不同的等压面图。气象上常用的气压与高度的对应关系如下:

气压不仅与高度有关，而且与空间位置和时间有关。一般在高纬度地区气压高，而低纬度地区气压低。气压既有周期性变化，也有非周期性变化。气压的日变化有12小时的周期，即一天内存在两个最高值和最低值，且呈现为不对称的两个半日波（图1.11）。白天最高值出现在当地时间9～10时，大约出现在地面最低气温后3～4小时；最低气压出现在15～16时，落后于地面最高气温2～3小时，这种变化是大气的冷却和增暖造成的。夜间的最高值出现在21～22时，最低值出现在3～4时，振幅比日间的变化小，这可能是大气本身的自由振动造成的。气压的年变化中，温度和海陆分布的影响极为显著。一般情况下冬季大陆上气压高，夏季海洋上气压高。就气压的年变化幅度而言，大陆大于海洋，中高纬度地区大于低纬地区。

气压的非周期变化，将产生不同的天气和气候异常现象，如在冬季，我国北方气压变低之后，经常出现阴雨天气，而后有寒潮的到来。如果一个高压经常停留在一个地方，该地就要干旱了。

空气湿度是表示大气中水汽含量多少的物理量。表征湿度的方法有很多种:

（1）绝对湿度:绝对湿度是单位体积空气中所含水汽的质量，其单位是kg/m³。

（2）相对湿度:相对湿度表征空气距离饱和的程度。一般用单位体积中水汽压与同温度下饱和水汽压之比的百分率（f）表示。

在一定温度下，单位体积空气中所含水汽是有一定限度的，若该体积空气中所含水汽超过了这个限度，该体积空气称为饱和空气，并且水汽就会凝结而产生降水。水汽压（e）是空气中所含水汽分压力，饱和水汽压（E）即为饱和空气的水汽压，则f＝e/E。若某体积空气的f＝100%，表示该体积空气已达到饱和了，就可能产生降水。E是温度的函数，一般随着温度的升高而迅速增大。所以，在绝对湿度不变的情况下，一天当中中午的相对湿度比早上和晚上低（图1.11）。相对湿度也可用比湿（q）来表示，其含义是某体积中水汽的质量与该体积空气的总质量之比，单位是g/kg。

图1.11　青岛市自动气象站记录的大气温度、相对湿度和气压的变化

（3）露点温度:在气压一定时，使某体积空气中的水汽冷却到饱和时的温度称为露点温度，简称露点。一般用T_d表示。在气压不变的前提下，露点温度越低，说明该体积空气中水汽含量越少；相反，露点越高，则该体积空气中水汽含量越多。需要注意的是，虽然露点的单位是温度，但其数值只与湿空气的含水量有关，而与温度无关，因此将它作为一个湿度参量，这是露点的一个重要特点。

湿度随空间与时间而变化。湿度不仅有季、月的周期性变化，而且也有非周期性的变化，非周期性变化与云和降水有关。如在我国长江流域，每年6月份到7月中旬湿度都很大，这是梅雨季节，而梅雨季节过后的伏旱时期，通常在7月中旬到8月中旬，湿度较小。

一般年平均相对湿度大于80%的地区被认为是“潮湿地区”，而小于50%的地区被视为“干燥地区”。人们日常生活的各个方面都具有与当地气候环境相适应的特征。如生活在西双版纳地区的人，为了减少或避免地表潮湿气体和蚊虫叮咬的困扰，住在高腿小竹楼里。而生活在我国西北干燥地区的人，为了适应空气湿度小、风大、沙尘暴多等恶劣气候环境，一般住在窑洞里面。

气温和湿度是决定人们感觉舒适的两个重要气象要素。人们常说的天气闷热，就是气温在30℃以上，相对湿度大于70%时人们的感觉。相对湿度大时，人的皮肤蒸发量小，有利于皮肤保湿。空气比较干燥时，人的呼吸道黏膜易受刺激而觉不适。适宜的相对湿度是提高人们生活质量，倡导“绿色”安康的重要内容。对人体健康有利的室内相对湿度是45%～65%。手术室内的相对湿度要求50%～60%，此时细菌的衰亡率最大。

天气预报和日常生活中所说的风是指空气相对于地面的水平运动，它是一个水平矢量，有风向与风速之分。我国在汉朝时就已经使用测风旌和相风乌来测定风向和风速。

风向是指风的来向，如北方吹来的风叫北风，南来的风称南风等。气象上一般用16个方位或度数来表示。以度数表示时，由北起按顺时针方向量度，北风为0°，东风为90°，南风为180°，西风为270°（图1.12）。

风速是指单位时间内空气相对于地面移动的水平距离。风速单位常用m/s或km/h，航海上用每小时多少海里（n mile/h）表示。三者的关系是1m/s＝3.6km/h，1nmile/h＝1.85km/h。风速大小也可用风力等级来表示，发布天气预报时，大都用的是风力等级。1805年，英国海军将领蒲福（F.Beaufort）根据风对地面（或海面）物体的影响，提出风力等级表，共13个等级，如表1.5所示。

实际上，空气相对于地面的运动是三维的，除水平运动外，还有垂直运动。实际大气中经常会见到风向、风速在水平和（或）垂直方向上的突然变化，这样的现象称为风切变。风切变特别是低空的风切变，是导致飞行事故的大敌，是飞机起飞和着陆阶段的一个重要的危险因素。风向、风速在水平（垂直）方向上的切变称为水平（垂直）风切变，另外还有垂直风的切变（气流的上升和下沉运动在水平方向上的变化，图1.13）。一般认为，垂直风切变和水平风切变分别达到2.6m/s和0.1m/s以上会对飞行构成危害。垂直风的切变造成危害的程度取决于垂直风速本身的大小，强下冲气流造成的危害最大。1985年，在美国达拉斯—福斯机场，一架飞机因风切变坠毁，造成137人死亡。2009年3月23日，联邦快递80号班机在日本成田国际机场降落时，遇上风切变坠毁，2名驾驶员遇难。

产生风切变的原因主要有两个，一方面是大气运动本身的变化所造成的；另一方面是地理、环境因素所造成的。减轻和避免风切变危害的主要途径有:进行飞行员培训和飞行操作程序设置，在机场安装风切变探测和报警系统，在飞机上装载风切变探测、告警、回避系统等。

1.3.1 主要气象要素

1.3.1　主要气象要素