第八章大氣和海洋Chapter8TheAtmosphereandtheOceans第一節(jié)氣壓帶和風(fēng)帶及季節(jié)變化

(PressureBelts,WindBandandSeasonalChanges)

一、地球大氣的成分(Compositionoftheair)1、組成(composition)：

地球大氣由多種氣體組成，并摻有一些懸浮的固體和液體微粒。在85km以下的各種氣體成分中，一般可分為兩類。一類稱為定常成分，這些氣體主要是氮(N2)、氧(O2)、氬(Ar)和一些微量惰性氣體如氖(Ne)、氪(Kr)、氙(Xe)及氦(He)等；另一類稱可變成分，包括水汽(H2O)、二氧化碳(CO2)、臭氧(O3)和一些碳、硫、氮的化合物。2、干潔大氣(dryair)：

通常把除水汽以外的純凈大氣稱為干潔大氣，簡稱干空氣。其中氮、氧、氬三種氣體就占了空氣容積的99.66%。其他的及其微少。氧氣占地球大氣質(zhì)量的23%，除了游離存在的氧氣以外，氧還以硅酸鹽、氧化物和水等化合物形式存在，在高空則還有臭氧及原子氧。

臭氧(ozone)主要分布在(10~40)km高度處，近地面含量很少，極大值在(20-25)km附近。具有強烈吸收太陽紫外輻射(0.2μm-0.3μm)的能力，對氣候變化和人類生活會帶來巨大影響。

大氣的高層，主要成分仍為氮和氧，其他氣體的含量減少。

大氣中二氧化碳(carbondioxide)只占整個大氣容積的萬分之三，多集中在20km以下。二氧化碳能強烈地吸收地球表面發(fā)出的長波輻射并放出長波輻射?！皽厥倚?yīng)”將引起嚴重的氣候問題。3、含有水汽的空氣稱為濕空氣(wetair)。

大氣中水汽僅占地球總水量的0.001%。大氣中水汽的主要來源是水面，特別是海洋表面的蒸發(fā)。二、大氣垂直分層

(Verticalstructureoftheatmosphere)

1、對流層(troposphere)：

高度—地面到對流層頂溫度隨高度增加而降低鉛直混合強；氣象要素水平分布不均勻。溫度平均遞減率6.5K/km,最低-50~-70度。集中了大氣質(zhì)量的3/4和幾乎全部水汽。主要天氣現(xiàn)象和過程都發(fā)生在這一層。當(dāng)溫度平均遞減率2K/km的最低高度，規(guī)定為對流層頂層,其高度隨季節(jié)和緯度而變化。低緯15－20km，極地和溫帶8－12km。

2、平流層(stratosphere)：

對流層頂?shù)?0km左右。溫度低層無變化，上部隨高度增加明顯增高。上界溫達0攝氏度，最高溫可達7攝氏度。幾乎無天氣現(xiàn)象，由于塵埃很少，大氣透明度很高。（臭氧）

3、中間層(mesosphere)：

平流層頂?shù)?0－85km。溫度隨高度增加降低，到層頂降到-90oC。是大氣最冷的部分。水汽極少，但高緯黃昏前后偶爾存在夜光云。強烈鉛直運動。

暖層、熱成層(thermosphere)：

中層頂?shù)?00km。溫度隨高度而增加。小于0.17μm紫外線幾乎全被該層吸收。溫度達1000k以上。溫度日變化顯著，還受太陽活動影響。高緯度出現(xiàn)極光現(xiàn)象。

4、散逸層(ionosphere)：800km以上。

三、氣象要素(Weatherelements)：

1、氣溫(temperature)：表示大氣冷熱程度的物理量，實質(zhì)是空氣分子平均動能的體現(xiàn)。

溫標(biāo)(thermometricscale)：攝氏和開氏；地面氣溫指離地面1.5m百葉箱測溫。

分布：受太陽輻射、海陸分布、陸地表面特征和地面地形、環(huán)流作用等影響。

2、氣壓(atmosphericpressure)：

觀測高度到大氣上界單位面積上的鉛直空氣柱的重量。(Atmosphericpressureistheforcewithwhichacolumnofoverlyingairpressesonanareaoftheearth'ssurface.)

觀測儀器：水銀氣壓表和空盒氣壓計。

單位(unit)：Pa，氣象hPa，與mb相當(dāng)。

氣壓隨高度增加呈指數(shù)減小。水平分布由于地表非均一及動力、熱力影響，不呈簡單緯向分布。高低壓、高壓脊、低壓槽等

3、濕度(humidity)：大氣中水汽含量。

4、比濕(specifichumidity)：單位體積大氣中，水汽質(zhì)量與總大氣質(zhì)量。

5、水汽壓和飽和水汽壓(steampressureandsaturationsteampressure)：

由水汽引起的壓強稱水汽壓；

6、相對濕度(relativehumidity)：空氣中水汽壓與飽和水汽壓之比。

7、露點(dewpoint)：

濕空氣等壓降溫達飽和時的溫度。完全由水汽壓決定。

溫度露點差：氣溫與露點溫度的差，代表相對濕度。

8、風(fēng)(wind)：空氣相對地面作水平運動。風(fēng)向指來向，16方位。

風(fēng)速(windspeed):氣流前進速度m/s。風(fēng)力浦福風(fēng)力。

風(fēng)速計(anemometer)：、風(fēng)壓板、超聲。風(fēng)能的利用mills.mov[視頻文件]

風(fēng)的破壞[視頻文件]

四、氣壓帶和風(fēng)帶(Pressurebeltsandwindbands

)1）、氣壓帶(pressurebelts)：

熱帶低氣壓區(qū)(tropicallowerpressurezone)；副熱帶高壓區(qū)(subtropicalhighpressurezone)；

副極地低壓區(qū)(subpolarlowerpressurezone)；極地高壓區(qū)(Polarhighpressurezone)；極鋒；副熱帶鋒。2）、風(fēng)帶(windbands)：

東南、東北信風(fēng)(Tradewind)；西風(fēng)(Westerlies)；極地東風(fēng)(PolarEasterlies)。五、季風(fēng)環(huán)流(Monsooncirculation)

季風(fēng)環(huán)流(monsooncirculation)，垂直環(huán)流(verticalcirculation)

1、季風(fēng)是大范圍盛行風(fēng)向隨季節(jié)有顯著變化的風(fēng)系。主要是由于海陸溫度對比的季節(jié)性變化和地球上行星風(fēng)系的季節(jié)性南北移動所致。

2、季風(fēng)是兩種不同性質(zhì)氣流的交替，它具有以下特點：(1)盛行風(fēng)向隨著季節(jié)的變化而有很大的不同，甚至接近于相反方向；(2)兩種季節(jié)(冬季風(fēng)和夏季風(fēng))各有不同的源地，因而其氣團性質(zhì)有著本質(zhì)的差異；(3)能夠給天氣現(xiàn)象造成明顯不同的各種季節(jié)，例如雨季和旱季、冬夏明顯對比等。3、全球有三個季風(fēng)區(qū)，一個是印度季風(fēng)區(qū)，二是東亞季風(fēng)區(qū)，三是西非季風(fēng)區(qū)。東亞南亞是世界最著名的季風(fēng)氣候區(qū)，這里冬季盛行東北氣流(華北東北為西北氣流)，天氣寒冷、干燥、少雨；夏季盛行西南氣流(中國東部至日本盛行東南氣流)，天氣炎熱、濕潤、多雨。

4、季風(fēng)的形成和維持受各種因素的影響，主要有：

(1)海陸影響

(2)行星環(huán)流影響

(3)青藏高原大地形影響

除海陸分布影響行星風(fēng)帶的冷暖季節(jié)變化以及大地形影響外，南北半球氣流間的相互作用等，也直接影響季風(fēng)的形成及維持。第二節(jié)天氣系統(tǒng)(WeatherSystem)

一、大氣鋒面(Front)

1、氣團(airmass)：溫、濕度、穩(wěn)定度等相對比較均勻的大規(guī)?？諝饧瘓F。

2、鋒面(front)

1）暖鋒(warmfront)：暖氣團占主導(dǎo)地位

2）冷鋒(coldfront)：冷氣團占主導(dǎo)地位

3）靜止鋒(stationaryfront)：冷、暖氣團相當(dāng)。

4）錮囚鋒(occludedfront)：冷暖鋒面相遇形成。二、溫帶氣旋(Temperatezonecyclone)

波動階段(undulating

phase)；

成熟階段；

錮囚階段；

消亡階段三、爆發(fā)性氣旋(Cyclone)：四、熱帶氣旋(Tropicalcyclone)

1、一般說明：熱帶氣旋：颶風(fēng)、臺風(fēng)(typhoon)、熱帶風(fēng)暴、熱帶低壓

2、臺風(fēng)結(jié)構(gòu)：氣壓場；臺風(fēng)眼；云壁3、臺風(fēng)生成機制和發(fā)展過程，臺風(fēng)移動：

五、副熱帶高壓(Subtropicalhigh-pressure)六、熱帶輻合帶(Tropicalconvergencezone)七、中小尺度天氣系統(tǒng)(Mesoscaleweathersystem)

龍卷風(fēng)；雹線八、區(qū)域性天氣系統(tǒng)

(Weathersysteminlocalareas)

海陸風(fēng)(land-seabreeze)：

海風(fēng)(onshorebreeze)：白天，海向陸吹；陸風(fēng)(offshorebreeze)：黑天，從陸地吹向海洋焚風(fēng)(foehn)：山谷風(fēng)：白天吹谷風(fēng)（從山下向山上吹），夜晚吹山風(fēng)。

谷風(fēng)：山的斜坡加熱，氣流上升，周圍氣流從水平和下面補充，形成沿山坡向上吹的谷風(fēng)

山風(fēng)：夜晚降溫，氣流下沉，形成向下吹的山風(fēng)8.3海洋——大氣相互作用

一、氣候系統(tǒng)(ClimateSystem)1．氣候系統(tǒng)的組成(Makeupofclimatesystem)：

由五個主要分量構(gòu)成的綜合系統(tǒng)，這五個相互聯(lián)系和相互作用的分量是：大氣圈(atmosphere)、水圈(hydrosphere)、冰雪圈、巖石圈(lithosphere)和生物圈(biosphere)。

概念：既包括大氣和海洋等子系統(tǒng)內(nèi)部的各種過程，又反映了各個子系統(tǒng)間的相互作用。

＊天文因素（主要是太陽活動）是影響氣候系統(tǒng)的主要外部因素。

＊大氣運動及氣候的狀態(tài)和變化同太陽輻射(solarradiation)有重要的關(guān)系。

＊太陽輻射(solarradiation)為大氣和海洋的運動以至生物活動提供了最基本的能源。

＊太陽活動引起的太陽輻射的改變也必然對地球氣候及其變化發(fā)生重要影響。

．氣候系統(tǒng)的性質(zhì)(Characterofclimatesystem)：

1）各子系統(tǒng)是開放的非孤立系統(tǒng)。從能量角度看是非孤立系統(tǒng)，其內(nèi)部是串級系統(tǒng)；從物質(zhì)交換角度看則是準(zhǔn)孤立系統(tǒng)，內(nèi)部是一個準(zhǔn)封閉的串級系統(tǒng)。物理過程包括穿越邊界的能量、動量和物質(zhì)輸送，且生成了大量反饋機制。

2）各分量是非均勻的熱力學(xué)——動力學(xué)系統(tǒng)(energetic&dynamicsystem)。他們可以用化學(xué)組成，熱力學(xué)及力學(xué)狀態(tài)加以描述。

3）各不同分量的估計時間尺度在不同子系統(tǒng)之間變化很大，甚至在同一個子系統(tǒng)內(nèi)變化也很大。研究時可依序考慮內(nèi)部系統(tǒng)和外部系統(tǒng)。

4）氣候系統(tǒng)主要由兩個外強迫來制約全球行為。即太陽輻射和重力。太陽輻射是主要因子，提供了驅(qū)動氣候系統(tǒng)的幾乎所有能量。二、海洋在氣候系統(tǒng)中的地位

(Ocean'sImportanceInClimaticSystem)

海洋是地球氣候系統(tǒng)的最重要組成部分。具有如下性質(zhì)：

1）全球海洋吸收的Qs占進入大氣頂?shù)目俀s的70%左右。因此海洋，尤其是熱帶海洋，是大氣運動的重要能源。

2）海洋有著極大的熱容量(capacity)。相對大氣運動，海洋比較穩(wěn)定，運動和變化比較緩慢。

3）海洋是地球大氣系統(tǒng)總CO2最大的匯(pool)。

以上性質(zhì)，決定了海洋對大氣運動和氣候變化具有不可忽視的影響。1、海洋對大氣系統(tǒng)熱力平衡的影響(Ocean'seffcttoatmosphericenergeticbalance）

（1）吸收Qs的70%的絕大部分（85%）儲存于海洋表層（混合層）中。這些能量將以潛熱(latentheat)、長波輻射(long-waveradiation)和感熱交換的形式輸送給大氣，驅(qū)動大氣的運動。（2）海洋環(huán)流在大氣系統(tǒng)能量輸送和平衡中的重要作用。30%的經(jīng)向能量輸送由海洋承擔(dān)。2、海洋對水汽循環(huán)的影響(Effectofoceantovaporcirculation)

大氣中水汽量的86%由海洋提供。尤其低緯度海洋，是大氣水汽的主要源地。

3、海洋對大氣運動的調(diào)諧作用（Effectofoceantoatmospheremovement）

海洋的運動和變化具有明顯的緩慢性和持續(xù)性。一是將大氣環(huán)流變化信息存于海洋中，再對大氣產(chǎn)生作用。二是海洋的熱慣性使海洋狀況的變化有滯后效應(yīng)。4、海洋對溫室效應(yīng)的緩解作用(Catabaticeffectofoceantogreenhouseeffect)

海洋環(huán)流減小了低緯大氣的增熱，使高緯大氣加熱，降水量亦相應(yīng)改變。而且大氣對某些因素變化的敏感性降低。減少大氣中二氧化碳含量。

三、海洋與大氣相互作用的基本特征

(CharactersofInteractionofOceanandAtmosphere)在相互制約的大氣——海洋系統(tǒng)中，海洋對大氣的作用主要是熱力的(energetic)，大氣對海洋的作用主要是動力的(dynamic)。

1．海洋對大氣的熱力作用（Energeticeffectfromoceantoatmosphere）：

海洋，特別是熱帶海洋，是驅(qū)動大氣系統(tǒng)運動的重要能量來源。提供熱量方式有潛熱(latentheat)和感熱兩種，主要是潛熱(latentheat)，要求水汽輻合上升，即相應(yīng)的大氣環(huán)流條件。

大洋環(huán)流(circulation)影響海洋熱含量的分布及向大氣的熱量輸送過程。是全球尺度特征。2．大氣對海洋的風(fēng)應(yīng)力強迫(Windforcefromatmospheretoocean)：

大洋環(huán)流與風(fēng)應(yīng)力強迫有密切關(guān)系。

3．海洋上混合層(UML,簡稱海洋混合層)(Mixinglayerofupperocean)：

對氣候和大氣環(huán)流變化，海洋混合層十分重要。混合層的輻合(Convergence)、輻散(Disvergence)過程通過Ekman抽吸效應(yīng)影響深層海洋環(huán)流；深層海洋環(huán)流通過改變混合層的狀況對大氣運動影響。

太陽輻射能(solarradiation)通過影響混合層而成為驅(qū)動整個海洋運動的重要原動力。四、ENSO及其對大氣環(huán)流的影響

(ENSOAndItsEffectToAtmosphericCirculation)

1．ENSO，El~Nino、南方濤動和La~Nina定義(DefinitionofENSO)：

ENSO是厄爾尼諾(El~Nino)和南方濤動（SouthernOscillation）的合稱，二者有非常好的相關(guān)關(guān)系。當(dāng)赤道東太平洋表層水溫（SST）正距平，南方濤動指數(shù)往往是負。

ENSO成為大尺度海氣相互作用以及氣候變化研究的中心課題。厄爾尼諾El~Nino：

圣誕前后，沿厄瓜多爾和秘魯沿岸，出現(xiàn)一弱的洋流，代替了通常對應(yīng)的冷水。近年指一種更大尺度的海洋異?，F(xiàn)象，整個赤道東太平洋表現(xiàn)振幅達幾攝氏度的增暖。與此相聯(lián)系，海洋和大氣環(huán)流發(fā)生很大的異常。

Ontheshelteredorleesideofthetropicallandmasses,underthetradewindofthePacific,theupwellingofdeepoceanicwaterisanearlyconstantprocess.Fromtimetotime,thisprocessfalters;thetradewindsstrengthen,andwarmtropicalsurfacewateraccumulatesonthewestsideofthePacific.Thiseventisfollowedbythewindlosingtheirdrivingforce;theupwellinglessens,andthemassofwarmwesternPacificwatermoveseastwardacrosstheoceantoaccumulatealongthecoastofAmericas.