1、第三章 大氣圈與氣候系統(tǒng),大氣的組成和熱能 大氣的水分和降水 大氣運動和天氣系統(tǒng) 氣候的形成 氣候變化,大氣圈與氣候系統(tǒng),連續(xù)包圍地球的氣態(tài)物質稱為大氣，大氣是自然環(huán)境的重要組成部分和最活躍的因素，在地理環(huán)境和能量轉化中充當著十分重要的角色，大氣層中天氣系統(tǒng)的生成與消亡，以及發(fā)展和運動，是全球氣候的基礎。 大氣層保護著生物免受輻射，還為動植物維持生命提供著需要。,第一節(jié) 大氣的組成和熱能,一、大氣的成分 地球大氣是多種物質的混合物，由干潔空氣、水汽、懸浮塵粒或雜質組成。 定常成分：N2 O2 Ar 和微量惰性氣體 Ne Kr Xe He 等 可變成分（氣體在大氣中的比例隨時間地點而變）：水汽

2、二氧化碳 臭氧 碳、硫、氮的化合物等,（一） 干潔空氣的成分及其性質,通常把除水汽、液體和固體雜質外的整個混合氣體稱為干潔空氣。簡稱干空氣。它是地球大氣得主體，主要成分是氮、氧、氬、二氧化碳等，此外還有少量氫、氖、氪、氙、臭氧等稀有氣體。,1 氮和氧 N 2約占大氣容積的78。常溫下，N 2的化學性質不活潑，不能被植物直接利用只能通過植物的根瘤菌，部分固定于土壤中。N 2對太陽輻射遠紫外區(qū)0.030.13 具有選擇性吸收。02占地球大氣質量的23，按體積比占21。除了游離態(tài)外，氧還以硅酸鹽、氧化物、水等化合物形式存在。,2 二氧化碳 只占大氣容積的0.03，多集中在20km高度以下，主要由有機

3、物燃燒、腐爛和生物呼吸過程產(chǎn)生。二氧化碳對太陽短波吸收很少，但能強烈吸收地表長波輻射，致使從地表輻射的熱量不易散失到太空。對地球有保溫作用，但近年來隨著工業(yè)的發(fā)展和人口的增長，全球二氧化碳含量逐年增加，改變了大氣熱平衡，導致地面和低層大氣平均溫度升高，引起嚴重的氣候問題。,3 臭氧 主要分布在1040km的高度處，極大值在2025km附近，稱為臭氧層。臭氧雖在大氣中的含量很少，但具有強烈吸收紫外線的能力。研究表明，人們大量使用氮肥以及作冷凍劑和除臭劑使用的碳氟化合物（氟利昂）所造成的污染是平流層的臭氧遭到破壞。臭氧層的破壞能引起一系列不利于人類的氣候生物效應，因而受到廣泛關注。,（二）水汽,（

4、三） 固、液體雜質,大氣懸浮固體雜質和液體微粒，也可稱為氣溶膠粒子。除由水汽變成的水滴和冰晶外，主要是大氣塵埃和其他雜質。 大的水溶性氣溶膠粒子最易使水氣凝結，是成云致雨的重要條件。氣溶膠粒子能吸收部分太陽輻射并散射輻射，從而改變大氣透明度。它對太陽輻射的影響和增大散射輻射、大氣長波逆輻射，都有可能破壞地球的輻射平衡。,二、大氣的結構,（一）大氣質量 1、 大氣上界 大氣按其物理性質來說是不均勻的，特別是在鉛直方向變化急劇。在很高的高度上空氣十分稀薄，氣體分子之間的距離很大。在理論上，當壓力為零或接近于零的高度為大氣頂層，但這種高度不可能出現(xiàn)。因為在很高的高度漸漸到達星際空間，不存在完全沒有空

5、氣分子的地方。,氣象學家認為，只要發(fā)生在最大高度上的某種現(xiàn)象與地面氣候有關，便可定義這個高度為大氣上界。因此，過去曾把極光出現(xiàn)的最大高度（1200km）定為大氣上界。物理學家、化學家則從大氣物理、化學特征出發(fā)，認為大氣上界至少高于1200km，但不超過3200km，因為在這個高度上離心力以超過重力，大氣密度接近星際氣體密度。所以在高層大氣物理學中，常把大氣上界定在3000km。,2 大氣質量 大氣高度雖然不易確定，大氣質量卻可以從理論上求得。假定大氣是均質的，則大氣高度約為8000m，整個大氣柱的質量為 m0p0 H1.1251038105 1013.3g/cm2 p0為標準情況下（T0oC，

6、氣壓為 1013.25hPa）大氣密度。,（二） 大氣壓力,1 氣壓 定義從觀測高度到大氣上界上單位面積上（橫截面積1cm2）鉛直空氣柱的重量為大氣壓強，簡稱氣壓。 地面的氣壓值在9801040hPa之間變動，平均為1013hPa。氣壓有日變化和年變化，還有非周期變化。氣壓非周期變化常與大氣環(huán)流和和天氣系統(tǒng)有關，且變化幅度大。,2 氣壓的垂直分布 氣壓大小取決于所在水平面的大氣質量，隨高度的上升，大氣柱質量減少，所以氣壓隨高度升高而降低。其一般情況如圖所示：,氣壓隨高度的實際變化與氣溫和氣壓條件有關。再氣壓相同條件下，氣柱溫度愈高，單位氣壓高度差 愈大，氣壓垂直梯度愈??；在相同氣溫下，氣壓愈高

7、單 位氣壓高度差愈大，氣壓垂直梯度愈大。,三、大氣的分層,按照分子組成，大氣可分為兩層，即均質層和非均質層。 均質層為從地表至85km高度的大氣層，除水汽有較大變動外，其組成較均一。 85km高度以上為非均質層，其中又可分為氮層、原子氧層、氦層和氫層按大氣化學核物理性質，非均質層可分為光化層和離子層。光化層具有分子、原子和自由基組成的化學物質，其中包括約在20km高度處03濃度最大處的臭氧層。離子層包含大量離子。又反射無線電波能力。從下而上，又分為D、E、F1、F2和G層。,在氣象學中按照溫度和運動情況，將大氣圈分為五層,對流層 平流層 中間層 暖層 散逸層,大氣的垂直分布,（四）、標準大氣,

8、人們根據(jù)高空探測數(shù)據(jù)和理論，規(guī)定了一種特性隨高 度平均分布的大氣模式，稱為“標準大氣”或“參考大氣”。 標準大氣模式假定空氣是干燥的，在86km以下是均勻混 合物，平均摩爾質量為28.964kg/mol，且處于靜力學平 衡和水平成層分布。在給定溫度，高度廓線及邊界條件 后，通過對靜力學方程和狀態(tài)方程求積分，就得到壓力 和密度值。,三、大氣的熱能,地球氣候系統(tǒng)的能源主要是太陽輻射，它從根本決定地球、 大氣的熱狀況，從而支配其他的能量傳輸過程。地球氣候系統(tǒng)內部也進行著輻射能量交換。因此，需要研究太陽、地球及大氣的輻射能量交換和其他地氣系統(tǒng)的輻射平衡,（一） 太陽輻射,太陽是離地球最近的一個恒星，其

9、表面溫度約為6000K，內部溫度更高，所以太陽不停地向外輻射巨大的能量。太陽輻射能主要是波長在0.40.76 m的可見光，約為總能量的50；其次是波長大于0.76 m的紅外輻射，約占總輻射能的43；波長小于0.4 m的紫外輻射約占7。相對于地球來說，太陽輻射的波長較短，故稱太陽輻射為短波輻射。表示太陽輻射能強弱的物理量，即單位時間內垂直投射在單位面積上的太陽輻射能，稱為太陽輻射強度。 在日地平均距離（1.496108）上，大氣頂界垂直于太陽光線的單位面積上每分鐘接受的太陽輻射，稱為太陽常數(shù)。,大氣上界太陽輻射能量曲線及到達地表的典型能量曲線,太陽輻射經(jīng)過大氣削弱后到達地面有兩部分：一是直接輻射

10、，二是經(jīng)大氣散射后到達地面的部分散射輻射，兩者之和即為太陽輻射總量，稱為總輻射。 有明顯的日變化和年變化 受云的影響（緯度變化）,到達地面的總輻射一部分被地面吸收轉變成熱能，一部分被反射。反射部分占輻射量的百分比，稱為反射率。反射率隨地面性質和狀態(tài)不同二者有很大差別,不同性質地面對太陽的反射率,（二） 大氣能量及其保溫效應,大氣本身對太陽輻射直接吸收很少，而水、陸植被等下墊面卻能吸收太陽輻射，并經(jīng)潛熱和感熱轉化供給大氣。大氣獲得能量的具體結構為： 1 對太陽輻射的直接吸收 大氣中吸收太陽輻射的物質主要是臭氧、水汽和液態(tài)水。 2 對地面輻射的吸收 地表吸收了到達大氣上界太陽輻射能的50，變成熱能

11、，溫度升高，而后以大于3 m的長波（紅外）向外輻射。這種輻射能量的7595被大氣吸收，只有少部分波長為8.512 m的輻射能通過“大氣窗”逸回宇宙空間。,3 潛熱輸送 海面和陸面的水分蒸發(fā)使地面熱量得以輸送到大氣層中。一方面水汽凝結成雨滴或雪時，放出潛熱給空氣；另一方面雨滴或雪降到地面不久又被蒸發(fā)，這個過程交替進行。全球表面年平均潛熱輸送約為2760MJ/m2,占輻射平衡的84，可見，地氣間能量交換主要是通過潛熱輸送完成的。 4 感熱輸送 大氣獲得熱能后依據(jù)本身溫度向外輻射，稱為大氣輻射。其中一部分外逸到宇宙空間，一部分向下投向地面，即為大氣逆輻射。大氣逆輻射的存在使地面實際損失略少于長波輻射

12、放出的能量，地面得以保持一定的溫暖程度。這種保溫作用，通常稱為“溫室效應”據(jù)計算，如果沒有大氣，地面平均溫度將是18oC，而不是現(xiàn)在的150C。,（三） 地氣系統(tǒng)的輻射平衡,輻射平衡有年變化和日變化。在一日內白天收入的太陽輻射超過支出的長波輻射，輻射平衡為正值，夜間為負值。正轉負和負轉正的時刻分別在日沒前與日出后1小時。在一年內，北半球夏季輻射平衡因太陽輻射增多而加大；冬季則相反，甚至出現(xiàn)負值。緯度愈高，輻射平衡保持正值的月份愈少。,不同緯度輻射差額的變化,四、氣溫,氣溫是大氣熱力狀況的數(shù)量量度?？諝庵蟹肿舆\動的平均動能與絕對溫度T成正比。 氣溫的周期性變化 日變化 年變化,氣溫的水平分布,氣

13、溫的垂直分布,第二節(jié) 大氣水分和降水,大氣濕度 蒸發(fā)和凝結 水汽的凝結現(xiàn)象 大氣降水,一、大氣的濕度,（一） 濕度的概念和表示方法 大氣從海洋、湖泊、河流以及潮濕土壤的蒸發(fā)或植物的蒸騰作用中獲得水分。水分進入大氣后，通過分子擴散和氣流的的傳遞而散布于大氣中，使之具有不同的潮濕度。常用多個濕度參量表示水氣含量。,1 水汽壓和飽和水汽壓 大氣壓力是大氣中各中氣體壓力的總和。大氣中水汽所產(chǎn)生的那部分壓力叫水汽壓（e）地面的水汽壓隨緯度的升高而減小。赤道平均26hPa，350N約為13hPa，650N約為4hPa極低附近約為12hPa。 水汽壓隨高度的變化經(jīng)驗公式 ez=e010 bz,不同溫度條件下

14、水面上的飽和水汽壓/hPa,2 絕對濕度和相對濕度 單位容積空氣所含的水氣質量通常以g/cm3表示，稱為絕對濕度（a）或水汽密度。絕對濕度不能直接測定，但可間接算出。,a289e/T (g /m3) 式中，e為水汽壓（mm）；T為絕對溫度。大氣的實際水汽壓e與同溫度飽和水汽壓E之比，稱為相對濕度（f），用百分數(shù)表示。 fe /T100 由于E隨溫度而變，所以相對濕度取決于e和T，其中T往往起主導作用。當e一定時，溫度降低則相對濕度增大；溫度升高相對濕度減小。夜間多云、霧、霜、露，天氣轉冷時容易產(chǎn)生云等都是相對濕度增大的結果,3 露點溫度 一定質量的濕空氣，若氣壓保持不變，而令其冷卻，則飽和水汽

15、壓E隨溫度降低而減小。當 Ee時，空氣達到飽和。濕空氣等壓降溫達到飽和時的溫度就是露點溫度Td，簡稱露點。,（二）濕度的變化與分布,相對濕度能夠直接反映空氣距飽和的程度，在氣候資料分析中應用廣泛。 相對濕度日變化通常與氣溫日變化相反。 相對濕度分布隨距海遠近與緯度高低而有不同。,二、蒸發(fā)和凝結,蒸發(fā)面上出現(xiàn)蒸發(fā)還是凝結取決于實際水汽壓于飽和水汽壓的關系。當eE ，出現(xiàn)蒸發(fā)；eE，則出現(xiàn)凝結。飽和水汽壓和實際水汽壓都是不斷變化的通常飽和水汽壓變化更為明顯和迅速。,（一）蒸發(fā)及其影響因素 1 影響蒸發(fā)的因素 其影響因素主要包括蒸發(fā)面的溫度、性質、性狀、空氣濕度、風等。 2 蒸發(fā)量 實際工作中，一般

16、以水層厚度（mm）表示蒸發(fā)速度，稱為蒸發(fā)量。蒸發(fā)量的變化與氣溫變化一致，一日內，午后蒸發(fā)量最大；日出前蒸發(fā)量最小。一年內，夏季蒸發(fā)量大，冬季小。蒸發(fā)量的空間變化受氣溫、海陸分布、降水量等因素的影響。,北半球大陸各緯度平均蒸發(fā)量,（二）蒸發(fā)和凝結的條件,凝結是發(fā)生在f100%(eE)過飽和情況下的與蒸發(fā)相反的過程，在地面和大氣中均可以產(chǎn)生。大氣中的水汽發(fā)生凝結，需具備一定的條件，既要使水汽達到飽和或過飽和，還需有凝結核。 大氣降溫過程主要有四種：絕熱冷卻、輻射冷卻、平流冷卻以及混合冷卻 凝結核主要起的作用:一是對水汽的吸附作用；二是使形成的粒滴比單純水分子形成的粒滴大，有利于水汽繼續(xù)凝結。,三、

17、水汽的凝結現(xiàn)象,（一） 地表面的凝結現(xiàn)象 1 霜與露 日沒后，地面及近地面層空氣冷卻，溫度降低。當氣溫降到露點一下時，水汽即凝附于地面或地面物體上。如溫度在00C以上，水汽凝結為液態(tài)，稱為露；溫度在00C以下，水汽凝結為固態(tài)，稱為霜。霜常見于冬季，露見于其他季節(jié)，以夏季為最多。,2 霧淞和雨淞 霧淞是一種白色固體凝結物，由過冷霧滴附著于地面物體或樹枝迅速凍結而成，俗稱“樹掛”。多出現(xiàn)于寒冷而濕度高的天氣條件下。雨淞是形成在地面或地物的迎風面上的，透明的或毛玻璃狀的緊密冰層，俗稱“冰棱”。多半在溫度為 0 60C時，由過冷卻雨、毛毛雨接觸物體表面形成；或是經(jīng)過長期嚴寒后，雨滴降落在物體表面凍結而

18、成。,（二） 大氣中的凝結現(xiàn)象,1、霧 霧是漂浮在近地面層的乳白色微小水滴或冰晶。根據(jù)不同成因，霧可分為輻射霧、平流霧、蒸汽霧、上坡霧和鋒面霧。 2、云 云是高空水氣凝結現(xiàn)象?？諝鈱α?、鋒面抬升、地形抬升等作用使空氣上升到凝結高度，就會形成云。云有各式各樣的外貌特征。,根據(jù)云的形狀、云底高度及形成云的上升運動的特點可將云分為以下幾類,積狀云的形成,層狀云的形成,波狀云的形成,四、大氣降水,（一） 降水的形成 從云層中降落到地面的液態(tài)水或固態(tài)水，稱為降水。 降水是云中水滴或冰晶增大的結果。從雨滴到形成降水 需具備兩個基本條件： 一是雨滴下降速度超過氣流上升 速度；二是雨滴從云中降落到地面前不被完

19、全蒸發(fā)。降 水的形成，必須經(jīng)歷云滴增大為雨滴、雪花及其他降水 物的過程。云滴增長主要有兩個過程： 云滴的凝結（凝華）增長 云滴的沖并增長,1 云滴的凝結（凝華）增長 在云的發(fā)展階段，云體上升絕熱冷卻，或不斷有水汽輸 入，使云滴周圍的實際水汽壓大于其飽和水汽壓云滴就會 因水汽凝結或凝華而逐漸增大。當水滴和冰晶共存時在溫 度相同條件下，冰面水汽壓小于水面水汽壓，水滴將不斷 蒸發(fā)變小，而冰晶則不斷凝華增大這種過程稱為冰晶效 應。,2 云滴的沖并增長 云滴大小不同，相應具有不同的運動速度。云滴下降時，個體大的云滴落得快，個體小的慢，于是大云滴“追上”小云滴，碰撞合并成為更大的云滴。 沖并增長示意圖,（

20、二）降水的類型 根據(jù)降水形成原因（主要是氣流上升特點），可分為四個基本類型： 1 對流雨 暖季空氣濕度較大，近地面氣層強烈受熱，引起對流而形成的降水稱為對流雨。赤道全年以對流雨為主。我國西南夏季多對流雨。 2 地形雨 暖濕空氣前進途中遇到較高山地阻擋被迫抬升，絕熱冷卻，在達到凝結高度時便產(chǎn)生降水。因此，山的迎風坡常成為多雨中心；背風坡因水汽早已凝結降落，且下沉增溫，將發(fā)生焚風效應，降水很少，形成雨影區(qū)。,3 鋒面雨 兩種物理性質不同的氣團相遇，暖濕空氣沿交界面上升，絕熱冷卻，達到凝結高度便產(chǎn)生云雨。溫帶地區(qū)鋒面雨占主要地位。 4 臺風雨 臺風是產(chǎn)生在熱帶海洋上的一種空氣漩渦。臺風中有大量暖空氣上升，可產(chǎn)生強度極大的降水。,（三） 降水的時間變化 1 降水強度 單位時間內的降水量，稱為降水強度。氣象部門為確定一定時間內降水的數(shù)量特征，并用以預報未來降水數(shù)量變化趨勢，將降水強度劃分為若干等級：,2. 降水的日變化 一天內的降水變化，在很大程度受地方條件限制，可大致分為兩個類型： （1） 大陸型 特點是一天有兩個最大值，分別出現(xiàn)在午后和清晨；兩個最小值，分別出現(xiàn)在夜間和午前。 （2） 海洋型 特點是一天只有一個最大值