农林气象学1第一章引论.ppt

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1、气象学与气候学,第一章 引 论,气候,政治,气候与环境：国际政治第一焦点,哥本哈根，2009年12月7日-18日，联合国气候变化框架公约第15次缔约方会议暨京都议定书第五次缔约方会议,气候问题本应是超越主权的话题，与之相关的必须是全球意义上的绿色经济、绿色意识、绿色政治。,墨西哥的坎昆，2010年11月29日-12月10日联合国举办的气候变化大会,全球气候的变化不只是取决于二氧化碳浓度的升高，气候变化是非常复杂的综合性问题，有待于多学科联合研究。,第一节 气象学、气候型的研究对象、任务和简史,一、研究的对象和任务,1、基本概念,气象学：研究大气物理现象和物理过程的，探讨其演变规律和变化，并直接

2、或间接用于指导生产实践为人类服务的科学。,气候：研究某一地区多年间大气的一般状态及其变化特征;它既反映平均状况,也反映极端情况,是各种天气的综合状态。,天气：研究某一地区在瞬间或短时间内大气状态(气温、湿度了、压强等)和大气现象的综合过程（风、云、雾、降水等）。它是短期过程。,天气学,气候学,变化快、周期短、单独系统,变化慢、周期长、五个子系统（大气圈、水圈、冰雪圈、岩石圈、生物圈）共同作用,2、研究对象,3、研究任务,气象学、气候学与自然地理学、水文水资源、环境生态学和区域地理等有密切的依存关系，在教学中还应注意为这些有关后续课程奠定必要的基础。,澳门地球物理暨气象局,气象局除气象气候各项研

3、究，也负责地震和空气质量之监测。,二、气象学与气候学的发展简史,来源于生产实践（特别是农业和建筑）、服务于生产实践，随着社会生产的发展而发展,萌芽时期主要指16 世纪中叶以前,零星的、局部的气象观测,我国在这一时期：,春秋确定24节气,西汉时期发明的铜凤凰、相风铜鸟,殷代甲骨文有关于风云雨雪等文字记录,（一）萌芽时期（准备阶段）,发展初期包括16 世纪中叶到19世纪末,欧洲工业的发展物理学、化学、流体力学的快速发展；航海技术的进步、远距离商业、探险队等扩大视野地理学的兴起，为介于物理学与地理学的边缘学科气象学、气候学的发展奠定了基础。,这一时期主要研究成果有：海平面上风压关系律、气旋模式和结构

4、、大气中光电现象和云雨形成的初步解释、大气环流的若干现象解释。,1593 年意大利学者伽利略（Galileo）发明温度表，1643 年意大利学者托里拆利（Torricelli）发明气压表。,（二）发展初期,（三）发展时期,特点：在地面观测的同时，也进行高空观测，从定性描述阶段，进入到定量试验阶段，从认识自然，逐步向预测自然，控制和改造自然的方向发展。,1、早期,20世纪的前50年,（1）锋面学说（2）长波理论（3）降雨学说（4）创立了气候型的概念和几种气候分类法。,该时期重要进展,（1）开展大规模的观测试验,2.近期,20世纪50年代以后,电子计算机和新技术如雷达、激光、遥感及人造卫星等的使用

5、，大大地促进了气象学与气候学的发展。其主要表现如下：,（2）对大气物理现象进行数值模拟试验,（3）把大气作为一个整体进行研究,（4）气候学领域中的科学革命,体育方面：以风对径赛、帆船等比赛的影响,农业方面：种植制度的差异，植被不同纬度的分布,军事方面：草船借箭、拿破仑的滑铁卢战役,交通方面：陆 海 空,建筑方面：光照、辐射、规划,生活方面：衣食住行分析,一天浓雾满长江，远近难分水渺茫,骤雨飞蝗来战舰，孔明今日伏周郎,三、气象学与气候学的作用,行：古代的南船北马，沙漠之舟是骆驼;现代交通工具，“脚踏实地”的陆地工具，“提心吊胆”的航空交通等等。,衣：南北、东西气候的差异，形成服装气候,食：南稻北

6、麦，南桔北苹,住：各地不同的建筑风格,“马纬度”,？,16世纪初，欧洲一些国家曾组织船队装运马匹运往美洲大陆，因为美洲大陆在被发现前，那里没有马。从欧洲航行到美洲，要越过辽阔的大西洋，当船队沿着北纬30附近的大西洋航行时，时常会遇到一点风都没有的海域，在那里大海像死一般的寂静。这时靠风推动的帆船只得停在那里，有时一停就十天半个月，马匹因吃不到清草、淡水而病倒、死亡，成批成批地扔到海里。这种情况在南纬30附近的海面也曾发生过。于是，人们给这些区域起了一个比较古怪的名字：“马纬度”。那时的海员们一听到这个名字，都会面有惧色。无论是航海探险家麦哲伦还是贩运马匹的商人，当时他们并不知道为什么地球上有些

7、地方老是吹东南风，而有的地方又总是连一丝风都没有？,第二节 气候系统概述,太阳辐射是这个系统的能源。在太阳辐射的作用下，气候系统内部产生一系列的复杂过程，这些过程在不同时间和不同空间尺度上有着密切的相互作用，各个组成部分之间，通过物质交换和能量交换，紧密地结合成一个复杂的、有机联系的气候系统。,气候系统是一个包括大气圈、水圈、陆地表面、冰雪圈和生物圈在内的，能够决定气候形成、气候分布和气候变化的统一的物理系统。,气候系统的五个子系统,一、大气圈概述,（一）大气的组成,地球大气由多种气体混合组成。主要由干洁大气（即干空气）、水汽、气溶胶微粒三部分组成.,基本定常成分:各成分之间大致保持固定比例，

8、主要由氮、氧、氩、微量惰性气体,在85km以下的一般可分为两类:,另一类是可变部分:随时间、地点变化，主要是水汽、二氧化碳、臭氧、气溶胶等。其中水汽的变化幅度最大；二氧化碳和臭氧比例虽小，但含量会影响气候和地球系统中生物的安全；气溶胶粒子的变化对环境和人类健康有影响。,大约在85公里以下的大气层，对流、湍流盛行，大气湍流扩散作用远大于分子扩散作用，这层大气的组分比例相同，称均质层。匀质层内干洁空气的平均分子量约28.96。,干洁大气,除去水汽及气溶胶微粒以外的整个混合气体。氮气、氧气、氩气占空气容积的99.96%,各成分总体状况：,干洁大气的成分（高度25km以下）,氮气（N2）：,存在方式：

9、以蛋白质的形式存在于有机体中。,作用：是有机体的基本组成部分；也是合成氮肥的基本原料；可冲淡氧气,氧气（O2）：,是人类和动植物维持生命活动的极为重要的气体 积极参加大气中的许多化学过程；对有机物质的燃烧、腐败和分解起着重要的作用,含量平均不到百万分之一,分布：在1055km的气层中，2025km处含量达最大值，形成臭氧层。在水平方向上一般是由赤道向两极增加。最大值出现在春季，最小值出现在夏季。,臭氧（O3）,来源：天然臭氧主要来源于太阳短波辐射的光化学作用。氧分子在紫外线作用下分解为氧原子，再和其它氧分子结合而形成；低层大气中的臭氧主要通过有机物氧化和闪电作用形成，低层大气中臭氧的含量少且不

10、稳定。,作用：它能强烈吸收紫外辐射对于紫外线的短波区（UV-C、0.200.28m具有明显的杀菌能力）能全部吸收、中波区（UV-B、0.280.32m具有红斑作用-晒伤、抗佝偻作用）绝大部分吸收、长波区（UV-A、0.320.40m具有色素沉着作用）则完全不吸收，到达地面的UV主要是UV-A和小部分UV-B（大于0.29m），保护地球生物免受灾害；少许的紫外线能杀灭一些病菌、促进人体对钙的吸收、加快植物细胞壁和纤维素的合成等作用。对高层大气有明显的增温作用，使平流层形成暖区（是平流层和对流层的温室气体）。,光红斑是UV对皮肤照射引起的炎症反应。消退后皮肤可出现色素沉着。此外UV引起的光毒性皮炎

11、和光变应性皮炎。UV-B作用于眼睛，可引起急性角膜结膜炎，UV-A会诱发白内障；而在低剂量长时间的UV作用，可提高机体对传染病的抵抗力和降低死亡率。,臭氧洞：在南极（2006年9月26日，美国宇航局宣布的最新值2950万km）、“臭氧空洞”是指臭氧含量减少。,二氧化碳（CO2）：,大气中CO2含量很少，其平均含量约占大气容积的003，工业化前260ppm,截至2004年底，世界气象组织公布的数据370ppm.,分布：随高度，主要集中于大气底部20km的气层内,20km以上明显减少。随时间，白天、夏季、晴天比夜晚、冬季、阴天少 随空间，城市、矿区多（可达到0.05%），农村少（低于0.02%），

12、大陆比海洋多。,来源：有机物的腐烂分解、燃料的燃烧、生物的呼吸作用等等,作用：绿色植物光合作用的原料；强烈吸收长波辐射，影响大气和地面的温度，产生“温室效应”；与自然界的碳循环有关;,成人每天消耗氧气0.75kg,排出二氧化碳0.9kg；1公顷的森林吸收1吨的二氧化碳，放出0.73吨的氧气；满足人们需求的条件是：10m的森林，50m的草地。,2009年9月公布的一份涵盖185个国家和地区的二氧化碳排放指数报告，澳大利亚和美国的年人均碳排放量排在报告的前两位，分别是20.58吨和19.58吨。中国排在第44位，每年人均碳排放为4.6吨。4.6吨也许只是一个抽象的数字。一棵树一年的光合作用吸收的二

13、氧化碳是18.3千克；这就意味着人均4.6吨的二氧化碳排放量，需要每个人拥有260来棵树，才能抵消如此庞大的碳排放。,碳排放计算器,温室效应模式图,长江源格拉丹冬雪山,北极冰盖加速消融2,北极冰盖加速消融,全球变暖10大惊人后果：更多的森林大火、毁掉文明古迹、“回弹”的群山、运行更快的卫星、改变动物基因图谱、冻土解冻令地表不平、湖泊消失、极地植物异常繁荣、动物向更高地势迁徙、过敏症加剧。,图瓦卢,南太平洋岛国图瓦卢，由九个环状珊瑚小岛构成，总面积只有 26 km2，最高海拔 4.5 m，总人口 1.1 万人。专家预言，如果地球环境继续恶化，在五十年之内，图瓦卢九个小岛将全部没入海中。图瓦卢人民

14、成了名符其实的“环境难民”，从 2002 年起正式举国迁往新西兰。下一个会轮到谁呢？基里巴斯、库克群岛、瑙鲁和西萨摩亚，以及马尔代夫等由珊瑚礁构成的低地岛国，也面临着同图瓦卢一样的威胁。,全球第一个因海平面上升而迁国的国家,图瓦卢,图瓦卢,甲烷从北极跑出来啦,甲烷（CH4)是在湖泊、沼泽、水田中的生物体腐败后被细菌分解生成的，天然气、工业废水、生活污水和垃圾也是甲烷的产生源。稳定，在大气中可驻留近百年。北半球的沼泽地是主要排放源之一。,失控气候将导致全球在未来70年进入无冰期,、水汽,来源：,主要来自江、河、湖、海、潮湿陆面的水分蒸发以及植物表面的蒸腾。,含量0.024，可变化因素,随时间的变

15、化：夏季多于冬季,随空间的变化：一般低纬多于高纬，下层多于上层。,时空变化：,作用：,在天气气候变化中扮演了重要角色。,能强烈吸收地面放射的长波辐射并向地面和周围大气放出长波辐射，对大气起着“温室效应”。,随高度的变化：主要集中在低层大气中，2km处仅有近地层的一半，5km处仅为地面的1/10。,大气中水汽的含量间接影响植物的生长。“干生虫、湿生病”,在大气中悬浮着的各种固体和液体微粒,、固体杂质,分类：液体质粒、固体质粒,固体质粒的来源：,有机质数量较少，大多为植物花粉、微生物和细菌等,无机质数量较多，主要来源于：尘粒、烟粒、海洋中浪花飞溅的盐粒，流星飞逝后留下的灰烬，火山尘埃等。,作用：,

16、吸收太阳辐射，使空气温度增高，但也削弱了到达地面的太阳辐射；,缓冲地面辐射冷却，部分补偿地面因长波有效辐射而失去的热量；,降低大气透明度，影响大气能见度；,充当水汽凝结核，对云、雾及降水的形成有重要意义,、大气中的污染物：,定义：,由于自然过程和人类活动的结果，直接或间接地把大气成分之外的一些物质和能量输入大气中，其数量和强度超出了大气的净化能力，造成伤害生物、影响人类健康的现象。,分布：,空间,垂直：主要集中在3km以下的低层大气中。,水平：城市多，农村少；陆地多，海洋少；,时间：冬季多，夏季少；清晨和夜间多，午后少,火山爆发、风吹扬沙和沙尘暴、雷击森林失火等。,来源：,自然过程形成,人为过

17、程造成,工业和交通上煤炭、石油、天然气的使用，农业上化肥、农药的喷施，生活上制冷采暖的排放与泄漏等。,不仅直接污染大气，而且又污染地表及地下水、土壤和生物体，它严重地污染了环境，危害人民健康，影响到农、牧、林业的发展，而且也影响了天气和气候的演变。,危害：,大气环境问题,1、人类大量燃烧煤、石油等矿物能源和滥伐森林加剧温室效应；,2、人类大量使用含氟的制冷剂等氯氟烃类物质破坏臭氧层，产生臭氧层空洞；,3、燃烧煤石油等矿物能源和使用各类交通工具排放的含硫、含氮等酸性气体产生酸雨,4、汽车尾气中的碳氢化合物和氮氧化合物在阳光紫外线作用下，发生光化学反应，产生光化学烟雾。,危害,典型的污染型：伦敦烟

18、雾型（1952年12月）、洛杉矶光化学烟雾(40年代的污染事件)。,大气污染补充说明：大气无国界，大气被污染是全球性的问题，为了把人类居住的星球建成一个环境良好的世界，1992年6月在巴西里约热内卢召开的有100多个国家参加的环境和发展会议上，各国政府首脑讨论并签署了国际“气候框架”和“保护生物多样性”等公约。,洛杉矶光化学烟雾,伦敦烟雾污染事件,京都议定书：1997年12月160个国家和地区代表在东京签署，限制发达国家6种（二氧化碳、甲烷、氧化亚氮、氢氟碳化物、全氟化碳、六氟化硫）温室气体的排放量。规定2008-2012年排放量在1999年的基础上削减5.2，其中美国削减7、欧盟8、日本6、

19、加拿大6、东欧各国5-8。由于温室气体减排牵涉巨大的经济利益，执行过程困难重重。2001年3月美国拒绝执行，直到2005年生效。,三大环境问题,温室效应、酸雨、臭氧层空洞,哥本哈根世界气候大会全称联合国气候变化框架公约第15次缔约方会议暨京都议定书第5次缔约方会议，于2009年12月718日在丹麦首都哥本哈根召开。来自192个国家的谈判代表召开峰会，商讨京都议定书一期承诺到期后的后续方案，即2012年至2020年的全球减排协议。,2010年联合国气候大会自11月29日在墨西哥坎昆开幕。近190个国家的政府代表仍在围绕京都议定书第二承诺期存废、资金提供、技术转让、减少毁林和森林退化等主要议题进行

20、艰难的谈判。,酸雨：pH5.6时的降水。大气降水本是中性的，而酸雨最低时可达1.5。90以上是H2SO4和HNO3.酸雨称为“空中死神”,大气污染的防治：工业布局与减排、煤烟型污染的防治、减少交通污染、合理使用农药化肥、绿色植被的覆盖,1公顷的阔叶林每年吸尘3264吨；1公顷的柳杉林每年可吸收二氧化硫720千克；很多树木可以产生杀菌素，起到直接杀菌的作用。,罐装“济州岛空气”在汉城热卖,罐装“济州岛空气”在汉城热卖,设想当我们需要买洁净空气时,全球变暖是气候危机的核心，进入20世纪80年代，全球气温与过去100年相比明显上升，并对全球生态造成重大影响。由此引发越来越多的极端灾害，诸如高温、干旱

21、、森林大火使人类和其他生物的生存受到威胁，严酷的现实不断向人类敲响警钟：“地球发烧了，病得不轻！”,地球变暖,“爱斯基摩”一词是由印第安人首先叫起来的，即“吃生肉的人”，也称因纽特人。狩猎是爱斯基摩人的传统生活方式。或者说，在北极地区狩猎是爱斯基摩人的“特权”。他们世世代代以狩猎为主。在格陵兰北部，他们在冬夏之交猎取海豹，68月以打鸟和捕鱼为主，9月猎捕驯鹿。而在阿拉斯加北端，全年以狩猎海豹为主，并在冬夏之交猎取驯鹿，45月捕鲸。,京都议定书签订现场,（二）大气的铅直结构,大气的底界是地球表面，又称下垫面，但其上界是模糊的，地球大气和星际空间气体之间是逐步过渡的，没有截然的分界面,根据温度、成

22、分、电离程度，同时考虑大气的垂直运动，可将大气分为五层。,根据大气中极光出现的最大高度，大气上界的高度为1,0001,200km。,另一种是以大气密度接近星际气体密度的高度作为标准，大气上界约在2,0003,000km高度处。,对流层,厚度（不及大气层的1%）,空间：随纬度增加，厚度降低,低纬地区：平均厚度为1718km；中纬地区：平均为1012km；高纬地区：平均为89km；,时间：夏季大于冬季,集中了3/4以上的大气质量和几乎所有的水汽，天气变化和天气现象最复杂,特点：,温度随高度升高而降低。（平均高度每升高100m，气温下降0.65。）,空气具有强烈的垂直运动和不规则的乱流运动,气象要素

23、的水平分布不均匀,对流层内的分层：,下层、中层、上层、对流层顶,下层（摩擦层或边界层）：0-2km,摩擦作用、对流运动和乱流运动最强烈；,在接近地面约3050m高度以下的气层称为近地气层，常有雾形成。2m以下为贴地层,中层：2-6km,空气运动以对流为主；,有中云和直展云出现，由云滴增大成雨滴的过程多在此层进行，因而是形成降水的重要气层。,上层：6km至对流层顶,受地面影响更小，气温常在0以下，水汽含量少，各种云均由冰晶或过冷却水滴组成。飞机飞行在此 气层常出现结冰现象。,在中、低纬度地带，常出现风速等于或大于30ms-1 的强风带，即所谓高空急流。,对流层顶：对流层与平流层之间1-2km的过

24、渡层,气温随高度变化很小，甚至成为等温状态。,由低层上升而至的水汽和尘埃等多聚集在这里，使 能见度恶化。,对流层顶的温度，赤道上空约为-83，极地约为-53,平流层：对流层顶55km,25km以下，气温保持不变；25km以上，气温随高度增加而显著升高。,空气运动以水平运动为主，无明显的垂直运动。,水汽和尘埃含量极少，晴朗少云，大气透明度好，气流比较平稳，适宜于飞机航行。,罕见的珠母云,中间层：平流层顶85km,热成层(热层、暖层、电离层)：中间层顶800km,空气质点在太阳紫外辐射和宇宙高能粒子作用下，产生电离现象。,高空对流层,散逸层：,这一层中的大气物质具有向星际空间散逸的特性，是大气圈与

25、星际空间的过渡地带。,极光：常常出现于纬度靠近地磁极地区上空大气中的彩色发光现象。一般是带状、孤状、幕状或放射状。这些形状有时稳定有时作连续性变化。极光是来自太阳活动区的带电高能粒子（可达10千电子伏）流使高层大气分子或原子激发或电离而产生的。由于地磁场的作用，这些高能粒子转向极区，故极光常见于高磁纬地区。在大约离磁极25-30的范围内常出现极光，这个区域称为极光区。,极光1,极光,带给我们的思考？,？,电影后天、2012,大气圈：是主体，也是气候系统中最容易变化的部分，水圈、陆地表面、冰雪圈、生物圈都可视为大气圈的下垫面。,水圈：包括海洋、湖泊、江河、地下水和地表上的一切液态水，海洋是水圈的

26、主体，占地球表面的70.8左右，约3.6108km2.海洋南北半球分布是不对称的，南半球面积远大于北半球。为大气提供86的水汽来源。,二、水圈、陆面、冰雪圈、生物圈概述,冰雪圈：指格陵兰和南极冰原、大陆冰川、海冰、永冻土、和地面季节性雪盖等。全球陆地约有10.6被冰雪覆盖。雪盖和海冰有很明显的季节变化，海冰的面积比陆冰大。冰雪覆盖增加反射率，影响地表与大气的热量交换。冰原和冰川变化的时间尺度很长，一般为数百年，甚至可达几百万年。,陆地表面：也称为岩石圈，在气候系统的所有组成部分中变化时间尺度是最长的。以海陆分布和山脉大地形的热力学和动力学的影响最大。对大气环流的形成起着重要的作用。,20世纪7

27、0年代以前的气候学传统气候学，主要研究气候要素平均状况及成因；80年代以后的气候学当代气候学，主要是研究预测气候变化，许多概念有了深刻的变化。,生物圈：指的是陆地上和海洋中的植物以及生存在大气、海洋和陆地的动物。生物对于大气和海洋的二氧化碳平衡、气溶胶的产生，以及其他气体成分和盐类有关的化学平衡都有很重要的作用。其变化的时间尺度有明显的差异；对气候的变化很敏感，而且反过来又影响气候。,第三节 有关大气的物理性状,在气象学中，大气的物理性状主要用气象要素和空气状态方程来表示。,定义：,表示大气状态和特征的物理量和物理现象。,主要气象要素：,日射、温度、湿度、气压、风、云、降水、蒸发、能见度和天气

28、现象等。,天气现象：,在大气中或地面上产生的降水、水汽凝结物（云除外）、冻结物、干质悬浮物和光、电的现象，也包括一些风的特征。,一、主要气象要素,1、温度：气温、地温、树温等单位：摄氏温标(t)、绝对温标(TK)、华氏温标(tF)换算关系是:t=5/9(0F-32)TK=t+273.15,2、气压：单位，hpa（国际单位）mmHg、mb、标准大气压：1013.25 hpa、760 mmHg 其间换算关系是：1mmHg=4/3mb，1mb=100Pa=1hPa=0.1kPa。国际单位为百帕,水汽压（e）：大气中水汽产生的那部分压力 饱和水汽压（E）：一定温度下水汽含量最大时水汽压,（1）水汽压与

29、饱和水汽压：,与气压单位相同,3、湿度：表示大气潮湿程度的物理量,（2）相对温度（f）,空气距离饱和的相对程度,相对湿度是空气中的实际水汽压e与同温度下的饱和水汽压E的比值（用百分数表示），即,同一温度下饱和水汽压与实际水汽压之差。,当温度不变时，即E不变：水汽含量、e、d当水汽含量不变时，即e不变：温度、E、d,相对湿度相同时，饱和差是否相同,（3）饱和差（d）,d=E-e,表示空气距离饱和的绝对程度,?,反映水分子的蒸发能力,（5）水汽混合比,一空气块中，含有水汽质量mv,干空气质量md，定义：,湿空气中水汽质量mv,与干空气质量md之比为混合比,（4）比湿,具有保守性,大气中的混合比和比

30、湿通常小于0.04，因此有qr,（6）露点温度Td,条件：气压和水汽压不变时降低温度,当空气中的水汽含量不变且气压一定时，降低温度使空气达到饱和(对于水面饱和时为露点温度Td，对于冰面饱和时温度为霜点温度Tf）时所具有的温度。与气温单位相同,如t=10,e=8.72 hPa,降低温度到5时（E=8.72hpa）则5是10的露点温度。,从天空降至地面的液态或固态水。降水量（mm）：降落到地面的水分，在不流失、不渗透、没有蒸发的条件下，在单位时间内单位面积上积水的深度。雪深（cm）、雪压(KN/m),4、降水,空气的水平运动称为风,S,风向指风的来向，以16个方位或 360方位角表示。风速以 ms

31、 或 km h 表示；根据风速的大小，可将风力划分为18级（0 17级）。,5、风,大气的动力因子,风是矢量，既有风向，又有风速,风向方位图,气象学上把人的正常视力所能看到的目标物的最大距离叫做能见度。能见度大小用m或km来度量。例如当时能看到目标物的最大距离是20km，超过20km的目标物就完全看不见了，当时的能见度就是20km。,无 云：云量为0成 遮空蔽日：云量为10成 半 空 云：云量为5成,6、云,单位“成”,7、能见度,二、空气的状态方程,空气状态常用密度（）、体积（V）、压强（P）、温度（T）表示,1、干空气的状态方程,理想气体状态方程,干空气的状态方程,普适气体常数,干空气的比气体常数,2、湿空气的状态方程与虚温,R为干空气的比气体常数，下表d略去,虚温，TvT,