第一章氣象氣候

§1-2氣候系統(tǒng)的概述

一、大氣圈的概述

(一)大氣的成分

(二)大氣的垂直結(jié)構(gòu)二、其它圈層的概述氣候系統(tǒng)２０世紀(jì)６０年代以來，隨著科學(xué)技術(shù)的飛躍發(fā)展，特別是系統(tǒng)科學(xué)的創(chuàng)立和發(fā)展，氣候的內(nèi)涵發(fā)生了深刻的變化。１９７４年，根據(jù)世界氣象組織（WMO）和國際科聯(lián)（ICSU）的全球大氣研究計劃聯(lián)合組織委員會的建議，在聯(lián)合國環(huán)境署（UNEP）的支持下，在瑞典的斯德哥爾摩召開了氣候物理基礎(chǔ)和氣候模擬國際會議，第一次明確提出了氣候系統(tǒng)概念（ClimaticSystem）。這次會議的總結(jié)報告（GRAPPublicationServesNO.16）指出：在了解地球氣候的形成和它的變化機制中，我們面對一個極其復(fù)雜的物理系統(tǒng)，這個系統(tǒng)不僅包含著我們比較熟悉的大氣行為，而且還包含我們了解不多的世界海洋、冰體和陸地表面各種各樣的變化。除了物理過程以外，還有復(fù)雜的化學(xué)、生物過程影響著氣候，也影響著地球上人類和其它有生命的世界，這些過程在各種不同的時間和空間尺度上有著復(fù)雜的相互作用，并構(gòu)成了一個耦合的氣候系統(tǒng)。

氣候系統(tǒng)是一個包括大氣圈、水圈、陸地表面、冰雪圈和生物圈在內(nèi)的，能夠決定氣候形成、氣候分布和氣候變化的統(tǒng)一的物理系統(tǒng)。

大氣圈這是包圍著地球的氣體外殼，是氣候系統(tǒng)中的主體部分，是最多變、最活躍的部分。據(jù)估計，整個對流層大氣的特征時間或熱力調(diào)整的時間量級為一個月，也就是說，大氣運動通過垂直和水平的熱量輸送去適應(yīng)給定的溫度分布大約需要一個月的時間。海洋圈它是由世界海洋和鄰近海域的含鹽海水所組成。海洋吸收了到達(dá)海面的大部分太陽輻射，又具有大的熱容量，因此是氣候系統(tǒng)的巨大能量庫。同時，海洋攜帶大量的熱量從赤道輸向極地，在維持地球高低緯度的能量平衡中起重要作用。平均而言，上層海洋與大氣或冰的相互作用尺度為幾個月到幾年，而深層海洋的熱力調(diào)整時間則為世紀(jì)尺度。冰雪圈它是由全球的冰體和積雪組成，其中包括大陸冰原、山地冰川，海冰和陸面雪蓋等。陸面雪蓋和海冰有明顯的季節(jié)變化，冰川和冰原變化緩慢，它們既是氣候變化的指示器，又對氣候長期變化產(chǎn)生反饋影響。陸面圈指的是大陸，包括山脈、表面巖石、沉積物、沙漠、戈壁、土壤、以及江河、湖泊和地表水等。其中江河、湖泊和地表水是水分循環(huán)的重要分量，在各種尺度的氣候變化中有重要作用；土壤是大氣微粒子的一個重要來源，并參與氣候和植被的相互作用，在氣候變化中有重要作用；陸面位置及高度變化很緩慢，在10a尺度以下的氣候變化中可忽略其影響。生物圈它包括在空氣、海洋和陸地生活的微生物、植物、動物，也包括了人類本身。生物圈的各部分變化特征時間有顯著不同，總的來說，是比較緩慢的。生物對氣候變化是敏感的，生物的生存也影響氣候。而人類活動對氣候變化的影響日趨顯著。氣候系統(tǒng)的屬性

熱力屬性：包括空氣、水、冰和陸地表面的溫度分布；動力屬性：包括風(fēng)、洋流及與之相聯(lián)系的垂直運動和冰體運動；水分屬性：包括空氣濕度、云量及云中含水量、降水量、土壤濕度、河湖水流、水域、冰雪等；靜力屬性：包括大氣和海水的密度和壓強、大氣的組成成分、大洋鹽度及氣候系統(tǒng)的幾何邊界和物理常數(shù)等；生物屬性：包括空中、陸地和海洋中的一切生物（含人類）活動。

這些屬性在一定的外因條件下，通過氣候系統(tǒng)內(nèi)部的物理程、化學(xué)過程和生物過程而相互聯(lián)系著、作用著，并在不同時間尺度內(nèi)變化著，形成不同時期的氣候特征。還應(yīng)該特別強調(diào)以下幾點：

⑴太陽輻射是氣候形成和變化的最主要的外部因子，也是氣候系統(tǒng)熱量的根本來源；⑵氣候系統(tǒng)的動力屬性與氣候系統(tǒng)內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)換密切相關(guān)，而大氣運動則是能量轉(zhuǎn)換的紐帶；⑶氣候系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行著復(fù)雜的物質(zhì)交換，最突出的表現(xiàn)是水分循環(huán)，而氣候系統(tǒng)的水分屬性與水分循環(huán)關(guān)系極為密切；⑷人類活動對氣候系統(tǒng)的屬性有越來越顯著的影響，它幾乎使氣候走上不歸路；⑸在氣候系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生的相互作用中，存在著大量的反饋過程，它們起著從內(nèi)部調(diào)節(jié)氣候系統(tǒng)的作用。其中有些反饋過程有使系統(tǒng)變化振幅加大的作用，稱之為正反饋。另一類反饋過程則有對系統(tǒng)變化的阻尼作用，稱之負(fù)反饋。反饋過程表明氣候系統(tǒng)各組成部分之間的耦合或相互補償作用?，F(xiàn)代氣候概念

氣候系統(tǒng)概念的建立是現(xiàn)代氣候?qū)W理論研究的一個極其重要的進(jìn)展，它為從整體上研究地球氣候及其形成和變化奠定了理論基礎(chǔ)。從科學(xué)的定義出發(fā)，氣候應(yīng)當(dāng)理解為在太陽輻射作用下，地球表層內(nèi)部各子系統(tǒng)之間，在一較長時段內(nèi)相互聯(lián)系、相互作用所達(dá)到的一種平衡（即變化很慢）狀態(tài)。因此，氣候的形成和變化不僅是大氣圈內(nèi)部的狀態(tài)和行為的反映，以及海陸分布、地形（地貌）、地面特征、冰雪覆蓋等對大氣圈的“單向”影響，而且是與大氣圈有明顯相互聯(lián)系、相互作用的海洋、冰雪、陸面、生物圈等所組成的復(fù)雜系統(tǒng)的總體行為。各子系統(tǒng)內(nèi)部及各子系統(tǒng)彼此之間長時間的各種物理、化學(xué)乃至生物過程的相互聯(lián)系和作用，形成了氣候及其各種時間尺度的變化。現(xiàn)代氣候?qū)W是把氣候看成是動態(tài)的，是不斷變化的?，F(xiàn)代氣候?qū)W的主要任務(wù)就是研究氣候變化。現(xiàn)代氣候?qū)W從概念上已經(jīng)不再是過去常常被作為氣象學(xué)或地理學(xué)的一個分支學(xué)科，而是大氣科學(xué)、海洋學(xué)、地球物理和地球化學(xué)、地理學(xué)、地質(zhì)學(xué)、冰川學(xué)、天文學(xué)、生物學(xué)以至軟科學(xué)、有關(guān)社會科學(xué)等眾多學(xué)科相互滲透共同研究的交叉科學(xué)。

現(xiàn)代氣候?qū)W要求對氣候系統(tǒng)進(jìn)行定量觀測和綜合分析，對氣候形成和變化的動態(tài)過程進(jìn)行理論研究。通過采用高新技術(shù)手段的國際性觀測試驗，數(shù)值模擬試驗等途徑，建立比較完善的、有堅實物理基礎(chǔ)的氣候模式，定量地研究氣候系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的相互聯(lián)系和作用并展現(xiàn)氣候變化過程，準(zhǔn)確理解氣候變化的機制，提高氣候預(yù)測的可信度。

現(xiàn)代氣象概念

氣象是地球自然環(huán)境巨系統(tǒng)中的一個系統(tǒng)，是天氣、氣候、氣候變化的集合。其中天氣是指在太陽輻射作用下，在較短時段內(nèi)地球大氣圈的狀態(tài)和行為；氣候是指在太陽輻射作用下，地球表層的大氣圈、海洋圈、冰雪圈、陸面圈、生物圈在一較長時段內(nèi)，相互聯(lián)系、相互作用的總體行為與狀態(tài)；氣候變化是指由于自然界的外源強迫或是由于氣候系統(tǒng)固有的內(nèi)部過程與人類活動的強迫相互聯(lián)系與作用，造成氣候要素在連續(xù)幾十年或更長時間的長期統(tǒng)計結(jié)果的任何系統(tǒng)性變化。

一、大氣圈的概述由于地球的引力作用，地球周圍聚集著一個氣體圈層，構(gòu)成了所謂大氣圈。大氣的分布是如此之廣，以致地球表面沒有任何地點不在大氣的籠罩之下；它又是如此之厚，以致地球表面沒有任何山峰能穿過大氣層，而且就以地球最高峰珠穆朗瑪峰的高度來和大氣層的厚度相比，也只能算是“滄海之一粟”。我們?nèi)祟惥蜕钤诖髿馊Φ撞康摹跋聣|面”上。大氣圈是人類地理環(huán)境的重要組成部分。大氣圈是自然環(huán)境的重要組成部分。厚厚的大氣，好像地球的外衣，保護(hù)著地球的“體溫”，使其變化不至過于劇烈。地面上的水蒸發(fā)成水汽進(jìn)入大氣；大氣中的水汽又凝結(jié)成雨、雪等降落地面，使得地球上的水循環(huán)不止。增溫、降溫、刮風(fēng)、下雨等大氣現(xiàn)象，在漫長的地質(zhì)年代里，不斷地雕塑著地球表面的形態(tài)?？梢姡髿鈱Φ厍虮砻娴脑S多自然現(xiàn)象都發(fā)生著重大的影響。大氣對生物界和人類的影響更為深刻，地球上一切生物的生命活動都離不開大氣?？梢哉f，地球上沒有大氣，就沒有生物界，沒有人類。人是完全靠空氣生存的，成年人平均每天約需１Kg糧食和2Kg水，但對空氣的需求就大得多，每天約13.6Kg（合10m3）。若三者都斷絕供應(yīng)，引起死亡的首先是空氣，要是空氣中混進(jìn)有毒害的物質(zhì)，則毒物隨空氣不斷地被吸入肺部，通過血液遍布全身，對人體健康直接產(chǎn)生危害。（一）大氣的成分：

1、大氣：

大氣的定義:大氣（空氣）從自然科學(xué)角度來看，空氣和大氣常常作為同義詞，二者沒有實質(zhì)性的差別。按國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）給大氣和空氣下的定義：大氣是指地球環(huán)境周圍所有空氣的總和。環(huán)境空氣是指暴露在人群、植物、動物和建筑物之外的室外空氣。但在研究近地層的空氣污染規(guī)律及對空氣質(zhì)量進(jìn)行評價時，為便于說明問題，有時兩個名詞分別使用。一般對于居住在室內(nèi)或特指某個地方（如車間、廠區(qū)等）供動植物生存的氣體習(xí)慣上稱為空氣。在大氣物理、大氣氣象、自然地理以及環(huán)境科學(xué)研究中，常常是以大區(qū)域或全球性的氣流作為研究對象，因此，就常用大氣一詞。特點：物質(zhì)有三態(tài)：

氣態(tài)：氮氣、氧氣、水汽等

液態(tài)：水、溶液滴

固態(tài)：冰晶、懸浮的雜質(zhì)

低層大氣（0-90km）：

干潔空氣、水汽、雜質(zhì)(固態(tài)、液態(tài)顆粒)

高層大氣（90km以上）：氧原子

(>100km)、氮原子

(>250km)

成分

2、干潔空氣

不包含水汽、液體和固體雜質(zhì)的大氣。含量占整個大氣的99.97%

主要成分：氮、氧、氬（三者的總含量占干空氣的99.97%）

次要成分：CO2、O3、Ne、Kr、Xe等（總量占干潔空氣的0.01%)

干潔空氣的分子量：28.97

現(xiàn)代大氣的主要成分為氮和氧。現(xiàn)在大氣中氮占總體積的78.09%，氧占20.95%，氬占0.93%，二氧化碳占0.03%，以及微量的氖、氦、氙、氪、臭氧、氡、氨、氫等。此外還有水汽和塵埃微粒等。現(xiàn)在大氣的主要組分比例

?氧(O2)

占整個大氣容積23.15％（五分之一以上）的氧，人們一直認(rèn)為，是綠色植物的光合作用，補足了大氣中因燃燒和生物呼吸作用消耗掉的氧。其實供應(yīng)大氣中氧的主要來源，是在海洋、湖泊等水體表面的浮游生物——藻類。

如：海洋中含有定量的氧，并同大氣中的氧保持大致的平衡，大氣的氧氣少了，海洋中的氧氣就進(jìn)來補充。

氧是一切生物生存和消失的基本保證，被人們稱為“有生命的氣體”。維持生命的氣體

氧

若人類生存空間的空氣被嚴(yán)重污染后，人們只能靠氧氣袋維持生命，氧對生命太重要了。?

氮(N2)

占整個大氣容積75.52％（3／4以上）的氮，早期來源于小行星與剛形成的地球碰撞產(chǎn)生的氣體中，近期研究發(fā)現(xiàn)雷電是制造天然優(yōu)質(zhì)的“氮肥廠”。

據(jù)測算，一場大雷雨能制造4－5萬噸優(yōu)質(zhì)氮肥，全年雷雨可制造氮肥1000萬噸以上。

氮能降低大氣氧濃度，緩減氧化作用，并為植物生長時不可缺少的養(yǎng)料。全球每年可從大氣中得到250萬噸氮。?

二氧化碳(CO2)

占空氣容積僅0.05％的二氧化碳，來源—地表火山噴發(fā)、燃料燃燒、動植物呼吸及有機物腐敗等，主要集中在20km以下大氣淺薄底層。含量—城市工業(yè)中心、火山周圍較高，農(nóng)村較少。

最大特點：對太陽輻射吸收很少，主要吸收和放射長波輻射。對大氣有增溫作用，被稱為“溫室氣體”，直接干擾氣溫垂直變化規(guī)律，間接影響氣候變化。

CO2含量增加導(dǎo)致氣候變暖，受到世界各國關(guān)注。在“聯(lián)合國氣候大會”（2000年荷蘭海牙”和“2001年德國波恩）上，用允許造林抵消發(fā)達(dá)國家溫室氣體減排指標(biāo)的妥協(xié)意見，使落實《京都議定書》成為可能。二氧化碳含量逐年遞增

工業(yè)革命以來，人類大量消耗礦物燃料，排出越來越多的co2

，使其呈逐年上升趨勢。?

臭氧(O3)

占空氣容積微不足道的臭氧，其微不足到的變化，對氣溫和氣候影響十分明顯。

來源—低層大氣有機物的氧化和雷電作用（少量）及高層大氣的太陽紫外線作用（大量）。12km－50km含地球大氣90％的量，被稱為“臭氧層”。原因9

最大特點：能大量吸收太陽紫外線增暖氣溫。直接影響氣溫垂直分布規(guī)律，但吸收高層大氣大量太陽紫外線使地表生物和人類免遭傷害。

臭氧受人類不自覺破壞已在極地上空等局部區(qū)域日趨變薄，并已行成空洞，使過多紫外線通過臭氧層空洞進(jìn)入低層大氣。導(dǎo)致人類眾多疾病（皮膚癌、白內(nèi)障、…）發(fā)生，危害人們健康。大氣臭氧濃度隨高度的變化（引自《大氣科學(xué)辭典）地球：誰破壞了我的

傘？

地球之上的臭氧層如同保護(hù)傘，由于人類不自覺的破壞，已形成多處破損，尤其南極上空臭氧層空洞十分明顯，連地球都發(fā)出了疑問？（諷刺）。臭氧空洞臭氧空洞

南極上空的臭氧層空洞（美國太空總署發(fā)表衛(wèi)星圖片）2002年比2001年（左圖）縮小近四成，并首次一分為二（右圖）。與冰蓋環(huán)流有關(guān)有科學(xué)家認(rèn)為，因污染造成臭氧層空洞并非真的縮小，而是與02年南極上空變暖有關(guān)。據(jù)2002年2月1日楊子晚報溫室效應(yīng)和全球變暖

?

大氣中的co2等氣體含量增加，使氣溫升高、氣侯變暖，早成為人們研究重點?！熬┒甲h定書”減少20%的

co2排放量，已成為世界力圖改變和緩和氣侯變暖的方式之一。

?

中國為確保co2減排20%的量，在“十五”其間計劃投入967億元用于co2和酸雨污染防治。（據(jù)金性春、2002）3、水汽

來源—海洋、江、河、湖泊等各種水體、土壤和潮濕物體表面蒸發(fā)和植物蒸騰。

含量—1.5km－2km為地表一半，5km高度僅為地表1／10，隨高度增加迅速減少。

主要特點：①有三相變化，是天氣變化中成

云致雨主要因素。

②能吸收、放射長波輻射增暖

氣溫。

③能量轉(zhuǎn)換和物質(zhì)循環(huán)的途徑海底潛水水汽來源——海洋

海洋—風(fēng)暴潮長江三峽—巫峽水汽來源—江、河

長江第一灣雅魯藏布江邊水汽來源—江、河廬山——蘆林湖水汽來源—湖泊黃果樹瀑布4、固態(tài)、液態(tài)粒子

①固態(tài)微粒

主要來源—海浪、風(fēng)沙、植物及生活生產(chǎn)垃圾。

最大特點：①能夠充當(dāng)水汽的凝結(jié)核。

②能吸收一部分太陽輻射和阻擋地表

放熱，減小氣溫變化振幅。

②液態(tài)粒子

來源—地表各種水體等。

主要特點：①常聚集成云、霧，降低大氣能見度。

②減弱太陽輻射、地面輻射，影響低

層大氣溫度。煙囪林立固態(tài)顆粒來源—

工廠、地表茅山的黃棕壤玉龍雪山

密林深處固態(tài)顆粒來源—

植物、大海（鹽粒）海洋挑戰(zhàn)者

露珠液體顆粒——水滴、過冷水滴小雪花大氣可分為：恒定組分：O2(20.95%)、N2(78.09%)、氬（0.93%）、惰性氣體。上述組分的比例在地球表面上任何地方幾乎是可以看作不變的?？勺兘M分：CO2、水蒸汽、O3這些組分在大氣中的含量是隨季節(jié)、氣象的變化以及人們的生產(chǎn)、生活活動的影響而發(fā)生變化。不定組分：

第一環(huán)境問題引起的：由自然界的火山爆發(fā)、森林火災(zāi)、海嘯、地震等暫時性災(zāi)難所引起的。污染物有塵埃、S、H2S、SOx、NOx等。第二環(huán)境問題引起的。5、大氣中主要成分的作用：成分容積含量(%)質(zhì)量含量(%)主要作用氧(O2)20.9423.151、一切生命呼吸必須的物質(zhì)2、參與有機物的燃燒腐敗分解、氮(N2)78.0975.521、緩解氧化,沖淡氧的濃度2、植物的良好肥料水(H2O)不定1、大氣中唯一具有三態(tài)的氣體,狀態(tài)轉(zhuǎn)化中有能量釋放或吸收2、吸收并釋放長波輻射臭氧(O3)0.0000011、吸收大量紫外線,影響氣溫的垂直分布2、阻擋紫外線,保護(hù)動植物二氧化碳(CO2)0.030.051、吸收地面輻射,增溫效應(yīng)2、參與植物的光合作用（二）大氣的垂直結(jié)構(gòu)

1、大氣的分布及大氣上界的確定分布：大氣總質(zhì)量為5.3×1015t,在0℃、760mmHg，50%的大集中在距地面5.5km以下的層次中，離地面36-1000km的大氣質(zhì)量僅占1%。

大氣上界：物理分析法確定

物理上界：有極光出現(xiàn)的最大高度（1200km)

密度上界：接近于星際的氣體密度的高度空氣質(zhì)點1個/cm3

電子濃度102-103/cm3（2000-3000km)大

氣

的

垂

直

結(jié)

構(gòu)

(二)大氣的垂直結(jié)構(gòu)

根據(jù)大氣中的溫度、水汽、成分、垂直運動分為五個層次。

特點：a氣溫隨著高度的升高而降低.因為該層的熱量來自于地面的長波輻射，平均氣溫遞減率為0.65oC/100m；b空氣具有強烈的對流、亂流運動.因為地面受熱不均。C天氣現(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。低緯度對流強而厚17-18km高緯度對流弱而薄8-9km中緯度對流層10~12km

夏季厚，冬季薄對流層：是大氣的最低層和最薄層（<1%大氣厚度），集中3/4的大氣質(zhì)量和90%的水汽，日常所見的大氣現(xiàn)象均發(fā)生于此層，也是對人類生活、生產(chǎn)最有影響的層次。歌訣：對流旺盛近地面，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?？諝鈱α鬟\動顯著。對流層上部冷下部熱，有利于空氣的對流運動。低緯度地區(qū)受熱多，對流旺盛，對流層所達(dá)高度就高；高緯度地區(qū)受熱少，對流層高度就低。垂直對流1垂直對流垂直對流2垂直對流平流層：對流層頂-55km

特點：

a、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升高。因為平流層上層含有大量的臭氧，臭能大量地吸收太陽紫處線而增溫；

b、氣流以水平運動為主，逆溫的存在，對流不易產(chǎn)生。

c、水汽、塵埃含量少，天氣晴朗，能見度好。歌訣:氣溫初穩(wěn)后升熱,

只因?qū)又谐粞醵?；水平流動天氣?

高空飛行很適合。中間層：平流層頂-85km特點：

a、溫度隨高度的升高而迅速下降。因為臭氧的含量下降。

b、空氣以垂直運動為主。但由于空氣稀薄，所出現(xiàn)的天氣現(xiàn)象已不如對流層復(fù)雜。

c、在80km處白天出現(xiàn)一個電離層。熱層(電離層)：中間層頂-800km

特點:（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。因為所有波長小于0.175um的太陽紫外輻射都被暖層氣