第三單元大氣和氣候第1頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第一節(jié)大氣的組成和垂直分層第2頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一、大氣的組成（一）干潔空氣大氣中除固體雜質(zhì)和水汽之外的全部混合氣體，稱為干潔空氣。氮和氧容積占99.04％，加上氬，三者合占99.97％，其他氣體僅占0.03%。干潔空氣中大多數(shù)氣體的臨界溫度低于自然情況下大氣中可能出現(xiàn)的最低溫度，CO2的臨界溫度雖然較高，但它所對(duì)應(yīng)的壓力卻大大超過其實(shí)際分壓力。因此，干潔空氣中的所有成分都呈氣體狀態(tài)。第3頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（二）水汽水汽主要來源于海洋、江河湖沼和土壤，以及潮濕物體表面的蒸發(fā)和植物的蒸騰。大氣中的水汽含量極不固定，隨時(shí)間、地點(diǎn)、條件而不同。其所占容積變化范圍為0—4％。觀測(cè)結(jié)果表明，在1.5—2km高度，水汽含量只及地面的1/2；在5km高度，只相當(dāng)于地面的1/10，再往上更少。水汽含量雖然不多，但它在大氣溫度變化范圍內(nèi)可以發(fā)生汽態(tài)、液態(tài)和固態(tài)三相轉(zhuǎn)化，人們常見的云、霧、雨、雪等天氣現(xiàn)象，都是水汽相變的表現(xiàn)。此外，水汽還善于吸收和放射長(zhǎng)波輻射，顯著影響大氣和地表的溫度。第4頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（三）固體雜質(zhì)懸浮在大氣中的固體雜質(zhì)主要有煙粒、塵埃、鹽粒等，它們的半徑一般為10-2—10-8cm，多集中于低層大氣中。煙粒主要來源于生產(chǎn)、生活方面的燃燒；塵埃主要來自經(jīng)風(fēng)的吹揚(yáng)進(jìn)入大氣的地表松散微粒，以及火山爆發(fā)后產(chǎn)生的火山灰、流星燃燒的灰燼；鹽粒則主要是由海洋波浪飛濺進(jìn)入大氣的水滴被蒸發(fā)后形成的，固體雜質(zhì)的含量陸地上空多于海洋上空，城市多于鄉(xiāng)村，冬季多于夏季，白天多于夜晚，愈近地面愈多。固體雜質(zhì)是大氣中水汽凝結(jié)的必要條件；能吸收部分太陽輻射，又可阻擋地面長(zhǎng)波輻射，對(duì)大氣和地表溫度有一定影響；其含量多少，還直接影響到大氣能見度的好壞。第5頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（四）1、由于煤、石油等礦物燃料的使用越來越多，人類社會(huì)每年排放的二氧化碳總量在過去三十年里增加了一倍，再加上大量砍伐森林，減少了綠色植物通過光合作用吸收二氧化碳的能力，大氣中二氧化碳的濃度在過去三十年里增長(zhǎng)了12％。2、氯氟烴是一種人工合成的化合物，主要用于制冷劑、火箭推進(jìn)劑等，到了80年代中期為止，全球氯氟烴的年消費(fèi)量已達(dá)到100萬噸。3、由于煤、石油等礦物燃料的使用越來越多，排入空氣中的硫、氮等氧化物不斷增加。大氣組成的這種變化，會(huì)產(chǎn)生什么影響?第6頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一成云致雨的必要條件主要成分次要成分水汽固體雜質(zhì)生物體的基本成分維持生物活動(dòng)的必要物質(zhì)植物光合作用的原料；對(duì)地面保溫吸收紫外線，使地球上的生物免遭過量紫外線的傷害成云致雨的必要條件；對(duì)地面保溫大氣組成主要作用干潔空氣O3N2O2CO2大氣各成分的作用第7頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二

大氣的垂直分層第8頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1、地球大氣共分哪幾層?

2、在不同緯度，對(duì)流層高度是否一樣?為什么?

3、對(duì)流層和平流層的氣溫如何隨高度而變化?原因是什么?

4、對(duì)流層和平流層中，大氣運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)是什么?

5、對(duì)流層和平流層大氣與人類有何關(guān)系?

6、讀圖，說明電離層與人類的關(guān)系。分組閱讀討論第9頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一大氣的垂直分層對(duì)流層平流層對(duì)流旺盛近地面，緯度不同厚度變；高度增來溫度減，只因熱源是地面；天氣復(fù)雜且多變，風(fēng)云雨雪較常見氣溫初穩(wěn)后升熱只因?qū)又谐粞醵嗨搅鲃?dòng)天氣好高空飛行很適合上冷下熱高空對(duì)流電離層高層大氣電離層能反射無線電波，對(duì)無線電通訊有重要作用第10頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2、對(duì)流層的厚度及特征

A）厚度：本層厚度最簿，并隨緯度、季節(jié)而不同，在高緯地區(qū)平均：8~9km,中緯地區(qū)平均：10~12km,低緯地區(qū)平均17~18km，夏季大于冬季。B）特征：一是溫度隨高度的升高而降低；因?yàn)樵搶拥臒崃縼碜杂诘孛娴拈L(zhǎng)波輻射，平均氣溫遞減率為0.65oC/100m；二是具有強(qiáng)烈的對(duì)流運(yùn)動(dòng)；因?yàn)榈孛媸軣岵痪Ｈ翘鞖猬F(xiàn)象復(fù)雜多變；幾乎所有的水汽、云、雨、雷、電等現(xiàn)象都發(fā)生在此層。第11頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3、平流層的特征（1）氣溫隨高度升高的分布下層：其上界離地面約35~40km，為同溫層上層：其上界離地面約50~60km，為逆溫層，即氣溫隨高度的升高而降低。因?yàn)槠搅鲗由蠈雍写罅康某粞?，臭能大量地吸收太陽紫處線而增溫；（2）氣流以水平運(yùn)動(dòng)為主，逆溫的存在，對(duì)流不易產(chǎn)生。（3）水汽、塵埃含量少，天氣晴朗，能見度好。第12頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4、中間層的特征高度：平流層頂至85km處。（1）溫度隨高度的升高而迅速下降。因?yàn)槌粞醯暮肯陆怠＃?）空氣以垂直運(yùn)動(dòng)為主。但由于空氣稀薄，所出現(xiàn)的天氣現(xiàn)象已不如對(duì)流層復(fù)雜。（3）在80km處白天出現(xiàn)一個(gè)電離層。第13頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一5、暖層的特征高度：中間層至800km處特征：（1）空氣質(zhì)量小，空氣稀薄，空氣密度只角空氣總質(zhì)量的0.5%，在120km高空，空氣密度小至聲音都難于傳播。（2）溫度隨高度升高而升高。因?yàn)樗胁ㄩL(zhǎng)小于0.175um的太陽紫外輻射都被暖層氣體所吸收，頂層溫度可達(dá)1000度。（3）空氣處于高度電離狀態(tài)。（4）能反射無線電波（5）出現(xiàn)極光現(xiàn)象。第14頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一6.散逸層（外層）暖層頂之上，因大氣十分稀薄，離地面遠(yuǎn)，受地球引力場(chǎng)約束微弱，一些高速運(yùn)動(dòng)的空氣質(zhì)點(diǎn)就能散逸到星際空間，所以本層稱為散逸層。根據(jù)宇宙火箭探測(cè)資料，地球大氣層之外，還有一層極其稀薄的電離氣體，可伸展到22000公里高度，稱為地冕。這可能就是地球大氣層向宇宙空間的過渡區(qū)域。第15頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一從大氣與地表自然環(huán)境之間關(guān)系來說，對(duì)流層具有特別重要的意義。下面將主要討論對(duì)流層范圍內(nèi)的基本情況。第16頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三大氣的熱力狀況第17頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一地球表面處于大氣圈、水圈和巖石圈的交互作用之中，進(jìn)行著各種形式的運(yùn)動(dòng)過程，包括簡(jiǎn)單的機(jī)械運(yùn)動(dòng)和復(fù)雜的生命過程，其中大多數(shù)過程的能量直接或間接來自太陽輻射。太陽輻射透過地球的大氣“外衣”到達(dá)地表，經(jīng)過一系列能量轉(zhuǎn)換之后，形成對(duì)地球生命有深刻影響的大氣熱力狀況。地球上的氣溫條件是各種生物繁殖和演化的重要條件，也是決定地球上能量和物質(zhì)輸送、轉(zhuǎn)化的重要因素。氣溫的空間變化是各地理要素地域分異的根本原因之一。第18頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1、輻射的基本知識(shí)（1）物體對(duì)輻射的吸收、反射和透射

假設(shè)投射到物體上的總輻射為Qo，被吸收的為Qa，被反射的為Qr，透過的為Qd，則根據(jù)能量守恒原理：Qa+Qr+Qd=Qo

兩邊同除以Qo得：

Qa/Qo+Qr/Qo+Qd/Qo=1

即；a+r+d=1。物體的吸收率、反射率和透射率大小隨著輻射的波長(zhǎng)和物體的性質(zhì)而改變。黑體——能將所有波長(zhǎng)的輻射全部吸收掉的物體即a=1。第19頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（2）有關(guān)輻射的基本規(guī)律輻射能力強(qiáng)的物體，其吸收能力也強(qiáng)，黑體的吸收率最大，故它是最好的放射體；對(duì)于同一物體，如果在溫度為T時(shí)，它放射某一波長(zhǎng)的輻射，那么在同一溫度下，它也吸收同樣波長(zhǎng)的輻射；任何物體在向四周放射能量的同時(shí)，也吸收能量；高溫物體在單位面積上放射的能量比低溫物體多。斯蒂芬—波爾斯曼定律：E=δ.T4.δ=5.67×10-8W（m2.K4）、大氣上界太陽輻射：（可看作黑體輻射）太陽表面溫度高達(dá)6000K左右，是熾熱的氣態(tài)球體。第20頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一太陽輻射——短波輻射地面輻射——長(zhǎng)波輻射第21頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一大氣的熱力作用1、大氣對(duì)太陽輻射的削弱作用2、大氣的保溫效應(yīng)第22頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第23頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2太陽輻射太陽輻射光譜和太陽常數(shù)

太陽輻射光譜——太陽輻射中輻射按波長(zhǎng)的分布，稱為太陽輻射光譜。見書太陽輻射光譜圖。從圖中得出什么規(guī)律？波長(zhǎng)過短或過長(zhǎng)所負(fù)荷的輻射能量都很少；大氣上界太陽輻射光譜在0.1~5um的范圍；太陽輻射中99%的能量在0.15~4um的范圍，其中0.4~0.76um為可見光區(qū)，＞0.76um的為紅外區(qū)，＜0.4um為紫外區(qū)。太陽輻射能主要分布在可見光區(qū)和紅外光區(qū)，其中，可見光占太陽輻射總能量的50%，并以0.47um附近最強(qiáng)，紅外區(qū)占43%；紫外區(qū)的太陽輻射能很少，只占7%。太陽常數(shù)——在大氣上界，垂直于太陽光線的1cm2面積內(nèi)，1min內(nèi)獲得的太陽輻射能量，稱為太陽常數(shù)。1370W/m2。第24頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一太陽輻射在大氣中的減弱大氣的云層和塵埃地太陽輻射的反射。反射能力取決于云的厚薄，薄云反射率：10~20%；厚云反射率：90%。高層云反射率：25%；中層云：50%；低層云：65%。大氣渾濁度越大，對(duì)太陽輻射的削弱也越大。第25頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一到達(dá)地面的太陽輻射與大氣上界的情況不同。由于大氣圈對(duì)輻射有吸收、散射和反射等作用，太陽光譜中不同的波長(zhǎng)將受到不同程度的削弱。吸收作用主要削弱紫外和紅外部分，而對(duì)可見光部分則影響較少。散射和反射作用受云層厚度、水汽含量、大氣懸浮微粒的粒徑和含量的影響很大。第26頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一地面對(duì)太陽輻射的反射：到達(dá)地面的太陽輻射只有一部分被地面吸收，另一部他則被地面反射出去。地面對(duì)入射太陽輻射的反射取決于地面的反射率（r）。而r又取決于地面的性質(zhì)。一般地：陸地表面的r約為10%~30%，且隨著太陽高度的減小而增大，深色土比淺色土小，粗糙土比平滑土小；水面隨著太陽高度角和平靜度而變，太陽高度角愈小，其反射率愈大，波浪起伏的水面，其平均反射率為10%，對(duì)陸地稍小。第27頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一散射輻射影響散射輻射的因素：太陽高度角、透明度、云量A）太陽高度角大，入射輻射量多，散射輻也相應(yīng)地增強(qiáng)；B）透明度差，參與散射作用的質(zhì)點(diǎn)多，散射輻射也強(qiáng)；C）云量大，散射輻射大。（D）太陽光經(jīng)散射后到達(dá)地面的部分。第28頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第29頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一為何天空呈蔚藍(lán)色？——主要是空氣分子在選擇地對(duì)波長(zhǎng)青色、藍(lán)色光進(jìn)行散射。為何日出、日落時(shí)，太陽呈紅色？——因?yàn)樘柛叨冉遣煌?，太陽光通過大氣的厚度也不同，太陽高度越小，太陽光投射時(shí)所穿過的大氣質(zhì)量就大（垂直時(shí)，穿過的質(zhì)量數(shù)為1），日出、日落時(shí)，日光通過的大氣質(zhì)量數(shù)最大，尤其是低層大氣的水滴、灰塵等大質(zhì)點(diǎn)多，紅光、橙光散射增強(qiáng)，導(dǎo)致出現(xiàn)紅色“霞光”第30頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3大氣的保溫效應(yīng)1）、地面輻射是大氣的主要熱源，地面輻射絕大部分（約有75~95%）被大氣中的云、霧、水汽和二氧化碳等吸收，只有波長(zhǎng)為8.4~12um的部分，可穿過大氣層進(jìn)入宇宙空間，故稱此波段為“大氣窗”。第31頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2）、大氣輻射（1）大氣靠吸收（其吸收具有選擇性）地面長(zhǎng)波輻射而增溫。1）水汽：對(duì)地面長(zhǎng)波輻射的吸收最明顯，可吸收5~8.5um,18um~紅外區(qū)范圍的太陽光；2）二氧化碳：吸收波段有4.3um,14.7um,尤其是在14.7um為中心的吸收帶范圍很廣；太陽地面大氣大氣逆輻射第32頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一地面和大氣既吸收太陽輻射，又依據(jù)本身的溫度向外輻射。由于地面和大氣的溫度比太陽低得多，因而地面和大氣輻射的電磁波長(zhǎng)比太陽輻射波長(zhǎng)得多，其能量集中在3—120微米的紅外范圍內(nèi)。故習(xí)慣上稱太陽輻射為短波輻射，地面和大氣輻射為長(zhǎng)波輻射。第33頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一據(jù)估計(jì)，約有75—95％的地面長(zhǎng)波輻射被大氣吸收，用于大氣增溫，只有極少部分穿透大氣散失到宇宙空間。由此可見，地面是大氣第二熱源。氣溫變化必然受到地面性質(zhì)的影響。地面長(zhǎng)波輻射幾乎全被近地面40—50米厚的大氣層所吸收。低層空氣吸收的熱量又以輻射、對(duì)流等方式傳遞到較高一層。這是對(duì)流層氣溫隨高度增加而降低的重要原因。第34頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一地面輻射的方向是向上的，而大氣輻射方向既有向上的，也有向下的。向下的部分稱大氣逆輻射。逆輻射可減少地面因長(zhǎng)波輻射而損失的熱量。這對(duì)地球表面的熱量平衡具有重要意義。它使太陽短波輻射易于達(dá)到地面，地面長(zhǎng)波輻射卻不容易散失到宇宙空間，從而對(duì)大氣起保溫作用，使地面溫度變化不致過于劇烈。這種作用稱大氣花房效應(yīng)。第35頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一太陽地面大氣大氣逆輻射第36頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第37頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一大氣熱力作用的意義1、縮小了氣溫日較差2、提高了地球表面平均溫度第38頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4、全球的熱量平衡綜上所述，太陽短波輻射為大氣和地面所吸收，大氣和地面又依據(jù)本身的溫度向外發(fā)射長(zhǎng)波輻射，這樣就形成了整個(gè)地-氣系統(tǒng)與宇宙空間不斷地以輻射形式進(jìn)行能量交換。在地理環(huán)境內(nèi)部，地面與大氣也不斷以輻射和熱量輸送的形式交換能量。在某一時(shí)段內(nèi)物體能量收支的差值，稱為輻射平衡或輻射差額。當(dāng)物體收入的輻射多于支出時(shí)，輻射平衡為正，物體熱量盈余，溫度升高；反之，輻射平衡為負(fù)，物體熱量虧損，溫度將降低；若物體收入的輻射與支出相等，則輻射平衡為零，溫度無顯著變化。第39頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一熱量收支平衡3）大氣上界：100（收）=（支）34+60+61）地面：47+106（收）=（支）120+23+102）大氣：19+114+23+10（收）=（支）166第40頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一全球年平均輻射平衡為零，但局部地區(qū)卻并非如此。低緯地區(qū)輻射平衡為正，能量盈余；高緯地區(qū)輻射平衡為負(fù)，能量虧損；高緯地區(qū)虧損的部分由低緯地區(qū)盈余的部分補(bǔ)充，能量由低緯向高緯輸送主要是依靠全球性的大氣環(huán)流和洋流進(jìn)行的。第41頁(yè)，共44頁(yè)，2023年，2月20日，星期一輻射平衡有明顯的日變化與年變化。在一日內(nèi)，白天收入的太陽輻射超過支出的長(zhǎng)波輻射，故輻射平衡為正；夜晚情況相反，輻射平衡為負(fù)