第三章-大氣圈與氣候系統(tǒng)第一節(jié) 大氣的組成和熱能

第三章大氣圈與氣候系統(tǒng)重點及難點大氣熱能性質(zhì)大氣運動形式及特點各種氣候類型的判斷大氣的組成和熱能大氣水分和降水大氣運動和天氣系統(tǒng)氣候的形成氣候變化第一節(jié)大氣的組成和熱能一、大氣的成分（一）干潔空氣通常把除水汽、液體和固體雜質(zhì)外的整個混合氣體稱為干潔空氣。簡稱干空氣。它是地球大氣的主體，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。氮：78%，化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定；氧：21%二氧化碳：20KM以下，由有機物燃燒、生物呼吸等產(chǎn)生；臭氧：10-40KM，臭氧層（20-25KM），臭氧空洞；（二）水汽大氣中水汽是一種可變氣體，含量不僅隨時間和地點變化。1分布特點：垂直方向：主要集中于大氣底部；水平方向：海洋上空多于陸地，鄉(xiāng)村多于城市；2作用可造成云、霧等一系列天氣現(xiàn)象；影響氣溫；保溫作用；（三）固、液體雜質(zhì)：大氣懸浮固體雜質(zhì)和液體微粒，也可稱為氣溶膠粒子。

1大的水溶性氣溶膠粒子最易使水氣凝結(jié)，是成云致雨的重要條件。

2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。它影響太陽輻射、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。

3時間分布：白天多于晚上，冬季多于夏季。大氣中二氧化碳濃度的增加讀圖大氣中二氧化碳濃度變化趨勢與氣溫變化趨勢有什么共同特征？

（四）1、由于煤、石油等礦物燃料的使用越來越多，人類社會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、火箭推進劑等，到了80年代中期為止，全球氯氟烴的年消費量已達(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。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的必要物質(zhì)植物光合作用的原料；對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大氣各成分的作用大氣的結(jié)構(gòu)（一）大氣質(zhì)量

1·大氣上界

A在理論上，當(dāng)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(dá)星際空間，不存在完全沒有空氣分子的地方。

B氣象學(xué)家認(rèn)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(guān)，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。

C物理學(xué)家、化學(xué)家則從大氣物理、化學(xué)特征出發(fā)，認(rèn)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已超過重力，大氣密度接近星際氣體密度。所以在高層大氣物理學(xué)中，常把大氣上界定在3000km。2·大氣質(zhì)量大氣高度雖然不易確定，大氣質(zhì)量卻可以從理論上求得。假定大氣是均質(zhì)的，則大氣高度約為8000m，整個大氣柱的質(zhì)量為

m＝pH

＝1.125×10－3×8×105

＝1013.3g/cm2p為標(biāo)準(zhǔn)情況下（T＝0度，氣壓為1013.25hPa）大氣密度。

大氣密度按指數(shù)規(guī)律減小，大氣質(zhì)量也如此。（二）大氣壓力

1·氣壓：觀測高度到大氣上界單位面積上（橫截面積1cm2）鉛直空氣柱的重量。

A單位：Pa(國際單位制）；hPa(氣象學(xué));B測量儀器：水銀氣壓表和空盒氣壓計

C周期變化：地面的氣壓值在980～1040hPa之間變動，平均為1013hPa。日變化：一晝夜有兩個最高值（9~10時，21~22時）和兩個最低值（3~4時，15~16時）。熱帶的日變化比溫帶明顯。年變化：赤道地區(qū)氣壓年變化不大，高緯地區(qū)較大；大陸和海洋也有顯著差別，大陸冬季氣壓高，夏季最低，而海洋相反。

D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(guān)，且變化幅度大。2·氣壓的垂直分布?xì)鈮捍笮∪Q于所在水平面的大氣質(zhì)量，隨高度的上升，大氣柱質(zhì)量減少，所以氣壓隨高度升高而降低。

在氣壓相同條件下，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，氣壓愈高單位氣壓高度差愈小，氣壓垂直梯度愈大。

氣壓隨高度的實際變化與氣溫和氣壓條件有關(guān)（三）大氣分層

按照分子組成，大氣可分為兩個大層次，即均質(zhì)層和非均質(zhì)層。(85KM)按照大氣化學(xué)和大氣物理性質(zhì)，大氣可分為光化層和離子層。在氣象學(xué)中，根據(jù)溫度和大氣運動狀況將大氣圈分為五層。

1、地球大氣共分哪幾層?

2、在不同緯度，對流層高度是否一樣?為什么?

3、對流層和平流層的氣溫如何隨高度而變化?原因是什么?

4、對流層和平流層中，大氣運動的特點是什么?

5、對流層和平流層大氣與人類有何關(guān)系?

大氣的垂直分層對流層平流層對流旺盛近地面，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)云雨雪較常見氣溫初穩(wěn)后升熱只因?qū)又谐粞醵嗨搅鲃犹鞖夂酶呖诊w行很適合上冷下熱高空對流電離層高層大氣電離層能反射無線電波，對無線電通訊有重要作用

由于地球引力作用，大氣密度隨高度的增加逐漸減小，到大氣上界，逐漸過渡為星際氣體密度。從地面到高空，不僅大氣的密度、成分不同，大氣的溫度也存在著明顯的變化?？梢赃@么認(rèn)為：地球大氣在垂直方向上形成三個相對的暖層和兩個相對的冷層。

世界氣象組織（WMO）根據(jù)氣溫從地面到高空垂直方向的分布，將整個大氣分成對流層、平流層以及中間層、暖層和散逸層。大氣中溫度、密度以及物質(zhì)成分的分層結(jié)構(gòu)1、對流層的厚度及特征

A）厚度：本層厚度最薄，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；二是具有強烈的對流運動；因為地面受熱不均。三是天氣現(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。

2、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增高。因為平流層上層含有大量的臭氧，臭氧能大量地吸收太陽紫處線而增溫；（2）氣流以水平運動為主，逆溫的存在，對流不易產(chǎn)生。（3）水汽、塵埃含量少，天氣晴朗，能見度好。3、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。因為臭氧的含量下降。（2）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。（3）在80km處白天出現(xiàn)一個電離層。電離層對電波傳播的影響與人類活動密切相關(guān)，如無線電通訊、廣播、無線電導(dǎo)航、雷達(dá)定位等。4、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，空氣密度只占空氣總質(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。5.散逸層（外層）：暖層頂之上，因大氣十分稀薄，離地面遠(yuǎn)，受地球引力場約束微弱，一些高速運動的空氣質(zhì)點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。（四）標(biāo)準(zhǔn)大氣人們根據(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(biāo)準(zhǔn)大氣”或“參考大氣”。標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)量為28.964kg/mol，且處于靜力學(xué)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(xué)方程和狀態(tài)方程求積分，就得到壓力（1013hPa）和密度值（1.225kg/m3）。

三、大氣的熱能--輻射能量交換（一）太陽輻射

1太陽輻射-短波輻射；地面輻射-長波輻射（1）太陽輻射能主要集中在哪兩個部分？（2）太陽輻射為什么屬于短波輻射？可見光區(qū)和紅外區(qū)。太陽溫度高，輻射中最強部分為可見光部分，波長短。太陽輻射——短波輻射地面輻射——長波輻射太陽光譜輻射自然界的各種物體，向外輻射的波長與其溫度成反比，一般溫度愈高其最強輻射的波長愈短，溫度愈低輻射的波長愈長。太陽的光球表面溫度約6000K，太陽輻射中約有一半的能量分布在0.4～0.76微米的可見光區(qū)，其余一半大多在近紅外區(qū)，少量在紫外區(qū),波長較短。地面輻射能主要集中在4～80微米的波長范圍內(nèi)，對流層中大氣的輻射能主要集中在3～120微米的波長范圍內(nèi)，都是不能直接看見的紅外輻射，長波輻射2太陽常數(shù):在日地平均距離上，大氣頂界垂直于太陽光線的單位面積上每分鐘接收的太陽輻射（1361W/m2)8.24J/（cm2.min)3大氣對太陽輻射的削弱（吸收、散射和反射）讀教材圖3-5，你會得出什么結(jié)論？大氣對太陽輻射的削弱作用包括大氣對太陽輻射的吸收、散射和反射。

A.大氣的吸收：能吸收太陽輻射的物質(zhì)包括臭氧、氧、水汽、二氧化碳、云、雨滴、氣溶膠粒子等，它們選擇性吸收太陽輻射，主要削弱紫外線和紅外線?！按髿獯啊薄孛孑椛浣^大部分（75—95％）被大氣吸收，只有波長8.4—12?的部分，可穿過大氣層逃逸到宇宙空間，所以稱此波段為“大氣窗”。B.散射作用:太陽輻射通過大氣時遇到空氣分子、塵粒、云滴等質(zhì)點時，都要發(fā)生散射。但散射并不象吸收那樣把輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，而只是改變輻射方向，使太陽輻射以質(zhì)點為中心向四面八方傳播開來。經(jīng)過散射之后，有一部分太陽輻射就到不了地面。雨后天晴，天空呈青藍(lán)色就是因為輻射中青藍(lán)色波長較短，容易被大氣散射的緣故。

？晴空時，天空蔚藍(lán)色；陰天時，天空灰白色。C反射作用太陽輻射穿過大氣時，被大氣中的云層和較大塵埃將其一部分反射到宇宙空間去，從而削弱到達(dá)地面的太陽輻射，這稱為大氣反射。云層愈厚反射愈強，

太陽輻射在大氣中的減弱A大氣的云層和塵埃對太陽輻射的反射。

B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%。C大氣渾濁度越大，對太陽輻射的削弱也越大。4總輻射的空間變化一般是緯度愈高，總輻射愈?。痪暥扔?，總輻射愈大。因為赤道附近多云，總輻射最大值并不出現(xiàn)在赤道，而是出現(xiàn)在20°N附近。

5時間變化日變化：日出---正午---午后；年變化：夏季>冬季6地面對太陽輻射的反射：到達(dá)地面的太陽輻射只有一部分被地面吸收，另一部分則被地面反射出去。地面對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%。（二）大氣能量及其保溫效應(yīng)大氣獲得能量的結(jié)構(gòu)：

1·對太陽輻射的直接吸收大氣中吸收太陽輻射的物質(zhì)主要是臭氧、水汽和液態(tài)水，對大氣而言，太陽輻射不是主要的直接熱源。

2·對地面輻射的吸收：主要熱源

3·潛熱輸送地－氣間能量交換主要是通過潛熱輸送完成的

4·感熱輸送

據(jù)估計，約有75—95％的地面長波輻射被大氣吸收，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、對流等方式傳遞到較高一層。這是對流層氣溫隨高度增加而降低的重要原因。

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波輻射而損失的熱量。這對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，地面長波輻射卻不容易散失到宇宙空間，從而對大氣起保溫作用，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)。太陽地面大氣大氣逆輻射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)流和洋流進行的。（三）地－氣系統(tǒng)的輻射平衡：某一時段內(nèi)物體能量收支的差額。全球輻射平衡圖解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波輻射，故輻射平衡為正；夜晚情況相反，輻射平衡為負(fù)。輻射平衡由正轉(zhuǎn)為負(fù)或由負(fù)轉(zhuǎn)為正的時刻，分別出現(xiàn)在日沒前與日出后一小時。在一年內(nèi)，北半球夏季的輻射平衡因收入的太陽輻射增多而加大；冬季則相反，甚至出現(xiàn)負(fù)值。這種年變化情況因緯度不同而不同，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大氣的熱力狀況大氣的熱力狀況大氣的熱力作用大氣對太陽的削弱作用大氣的保溫效應(yīng)太陽地面大氣大氣逆輻射全球的熱量平衡（四）氣溫：表示空氣冷熱程度的物理量，是空氣分子平均動能大小的表現(xiàn)，通常所說的氣溫，指1.5m高度出的空氣溫度。1氣溫的測定：溫度計-安置在百葉箱中2與氣溫有關(guān)的一些概念A(yù)極端氣溫（絕對氣溫）：歷年中給定時段（如某日、月、年）內(nèi)所出現(xiàn)的氣溫極端值?！獦O端最低氣溫和極端最高氣溫B界限溫度（臨界溫度）：對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有指示意義或界限（臨界）意義的氣溫。1）日平均氣溫0度春季日平均氣溫0度表示土壤解凍，積雪融化，田間耕作開始的氣溫。秋季則表示土壤開始凍結(jié)，田間耕作開始結(jié)束的時候。2）日平均氣溫5度春季與秋季日平均氣溫5度表示冬作物和大多數(shù)林木恢復(fù)與停止生長的溫度。5度以上的時期為作物生長期。3）日平均氣溫10度表示喜涼作物和某些多年生植物進入活躍生長及喜溫作物開始播種與生長的溫度。4）日平均氣溫15度表示喜溫作物適宜生長的溫度。5）日平均氣溫20度表示水稻安全齊穗所要求的溫度，或大秋作物灌漿開始的溫度。2）有效積溫：植物某一發(fā)育期或安全生育期內(nèi)有效溫度的總和。有效溫度指每天的活動溫度減去界限溫度的差值。例:界限溫度10度為準(zhǔn)，假如有三天的日平均氣溫分別為11度、10和13度，則這三天均為10度的活動溫度，其有效溫度分別為1、0和3度。C積溫：日平均氣溫高出某一界限溫度期間的氣溫累積總和，是衡量氣候熱量資源狀況的一個指標(biāo)，與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)關(guān)系密切。1）活動積溫：植物某一發(fā)育期或安全生育期內(nèi)活動溫度的總和。活動溫度指大于或等于某一界限溫度的溫度。如：以日平均溫度10度溫度為準(zhǔn)，若三天的日平均氣溫分別為11度、10度和13度，則三天的氣溫均是10度界限溫度的活動溫度。3影響氣溫的因素A輻射因素太陽輻射和地面輻射B下墊面的影響：海陸差異森林的影響（白天林內(nèi)氣溫低于裸地，夜晚相反）城市與鄉(xiāng)村4氣溫的周期性變化

A氣溫的日變化

1）變化特點：一日中氣溫的最高最低值。

2）氣溫日較差：最高最低氣溫之差。隨緯度增高而減?。幌募救蛰^差大于冬季；地面性質(zhì)；天氣狀況：陰天低于晴天

B氣溫的年變化

1）變化特點：除赤道地區(qū)附近外，大部分地區(qū)年內(nèi)月平均氣溫有月極端最高氣溫和月極端最低氣溫