中山大地球科學(xué)概論課件第3章 大氣圈

第三章大氣圈大氣是指包圍在地球表面并有一定厚度的連續(xù)不斷的氣態(tài)物質(zhì)。它不僅是維持生物因中生命所必需的，而且參與地球表面的各種過(guò)程，如水循環(huán)、化學(xué)和物理風(fēng)化、陸地上和海洋中的光合作用及腐敗作用等，各種波動(dòng)、流動(dòng)和海洋化學(xué)也都與大氣活動(dòng)有關(guān)。

大氣圈是地球表層系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)；大氣圈是一個(gè)獨(dú)特的氣體混合物（組成）；大氣圈具有有序的結(jié)構(gòu)；大氣圈是地球表層的保護(hù)膜（功能）；人類(lèi)活動(dòng)正在改變著大氣圈的特征；協(xié)調(diào)人類(lèi)與大氣圈的關(guān)系是我們義不容辭的責(zé)任。提要一、大氣組成大氣的組成，在120公里以下的高空中，大氣的主要組成為：氮分子占78.00%（N2）和氧分子（O2）占20.25%的均勻混合體，其次為0.93%的氬（Ar）與0.03%的二氧化碳（CO2）。再其次的組成元素（按含量的遞減而排列）為氖、氦、氪、氙、氫、氯、甲烷、氧化亞氮、臭氧、二氧化硫、二氧化氮、氨、一氧化氮及碘。1、干潔大氣定義不含水汽和氣溶膠的整個(gè)混合大氣特點(diǎn)主要成份是氮、氧、氬和二氧化碳90公里以下主要成份和含量比例基本不變?cè)谧匀粭l件下常維持氣體狀態(tài)平均分子量28.9963平均密度1.293kg/m31、干潔大氣氮?dú)獾膽?yīng)用化工原料防止氧化醫(yī)學(xué)應(yīng)用防腐保鮮1、干潔大氣氧氣的作用動(dòng)、植在呼吸或在氧化作用中得到熱能以維持生命在有機(jī)物的燃燒、腐化和分解中起重要作用助燃特點(diǎn)可廣泛應(yīng)用于冶金、化工和航空航天工業(yè)1、干潔大氣二氧化碳來(lái)源于生物呼吸、物質(zhì)燃燒、火山噴發(fā)等具有使地面和空氣增溫的溫室效應(yīng)自工業(yè)革命以來(lái)濃度急劇增加且有繼續(xù)上升趨勢(shì)1、干潔大氣臭氧太陽(yáng)紫外輻射和閃電產(chǎn)生的氧原子與氧分子化合而生在大氣中含量極少，是干潔大氣中的可變氣體是大氣中能有效吸收太陽(yáng)紫外輻射的唯一氣體對(duì)高層大氣具有增溫作用氟里昂既是溫室氣體又會(huì)破壞臭氧層二氧化碳的濃度全球二氧化碳的濃度全球溫度變化2、水汽水循環(huán)的有關(guān)事實(shí)地球上全年總降水量約為大氣中水汽總量的39倍自然界的水分循環(huán)處于某種穩(wěn)定的狀態(tài)地球上三種相態(tài)的水總量是常定的海洋的水位基本不變河流多年徑流量很少變化有關(guān)海洋、陸地的水循環(huán)數(shù)據(jù)海洋：蒸發(fā)量1240、降水量1140、河水流入量100陸地：蒸發(fā)量540、降水量850、河水流出量3103、氣溶膠粒子定義大氣中懸浮著的各種固態(tài)和液態(tài)微粒特點(diǎn)具有很寬的粒子尺度范圍有自然過(guò)程、人為過(guò)程兩種來(lái)源3、氣溶膠粒子在氣象上的作用是形成云、霧、降水的重要條件是影響大氣能見(jiàn)度、空氣質(zhì)量的重要因子可以吸收和散射太陽(yáng)、大氣、地面輻射，改變地球的輻射平衡有些氣溶膠粒子是大氣的污染物有些氣溶膠粒子具有溫室效應(yīng)成云致雨的必要條件過(guò)量則會(huì)污染空氣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(guò)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大氣各成分的作用二、大氣的垂直分層大氣的垂直分層對(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(lái)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(jiàn)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(wú)線電波，對(duì)無(wú)線電通訊有重要作用大氣圈垂直結(jié)構(gòu)

自然地理學(xué)將受地心引力而隨地球旋轉(zhuǎn)的大氣層稱為大氣圈，具體地，大氣圈指地面到大約1200km高度處的大氣層。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?lái)自于地面的長(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)；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。四是氣象要素的水平分布不均勻。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?，臭氧能大量地吸收太?yáng)紫外線而增溫；（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(jiàn)度好。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?。?）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。5、暖層的特征(熱層)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?yàn)樗胁ㄩL(zhǎng)小于0.175um的太陽(yáng)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(wú)線電波（5）出現(xiàn)極光現(xiàn)象。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(guò)渡區(qū)域。從大氣與地表自然環(huán)境之間關(guān)系來(lái)說(shuō)，對(duì)流層具有特別重要的意義。以后，本課程將主要討論對(duì)流層范圍內(nèi)的基本情況。

三、主要?dú)庀笠貧庀笠兀褐副硎敬髿庵形锢頎顟B(tài)和物理現(xiàn)象的物理量。如氣壓、溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)力、云量、能見(jiàn)度、降水量、日照、輻射等。一、氣壓氣壓指大氣的壓強(qiáng)。它是空氣的分子運(yùn)動(dòng)與地球重力場(chǎng)綜合作用的結(jié)果。若以P代表氣壓，F(xiàn)代表面積A上所承受的力，則：P＝F/A

氣壓?jiǎn)挝唬?帕斯卡=1牛頓/平方米1Pa=1N/m21百帕=1毫巴=100帕斯卡1hPa=1mb=100Pa1大氣壓=101325帕斯卡1atm=101325Pa=1013.25mb

或hPa

=760mmHg稱為靜力方程。它表達(dá)了大氣在垂直方向上處于靜力平衡狀態(tài)時(shí)，氣壓變化和高度變化之間的定量關(guān)系。地面氣壓分布一般在940—1040mb之間，在臺(tái)風(fēng)中心可能低于900mb，在西伯利亞高壓中心可能高于1080mb。一月份實(shí)際海平面平均氣壓場(chǎng)七月份實(shí)際海平面平均氣壓場(chǎng)二、氣溫

表示空氣冷熱程度的物理量，稱為氣溫。在一定的容積內(nèi)，一定質(zhì)量空氣溫度的高低與氣體分子運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能多少有關(guān)，而氣體分子運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能只與溫度有關(guān)，且與絕對(duì)溫度成正比。因此，空氣冷熱的程度，實(shí)質(zhì)上是空氣分子平均動(dòng)能。

大小的表現(xiàn)：當(dāng)空氣獲得熱量時(shí)，它的分子運(yùn)動(dòng)的平均速度增大，隨之平均動(dòng)能增加，氣溫也就升高；反之當(dāng)空氣失去熱量時(shí)，它的分子運(yùn)動(dòng)平均速度減小，隨之平均動(dòng)能也減少，氣溫也就降低。

氣溫的單位：目前我國(guó)規(guī)定用攝氏(℃)溫標(biāo)。以氣壓為760mmHg時(shí)純水冰點(diǎn)為零度，沸點(diǎn)為100度，其間等分100等分即為1℃。在理論研究上常用絕對(duì)溫標(biāo)，以K表示，這種溫標(biāo)中一度的間隔和攝氏溫標(biāo)相同，但其零度規(guī)定為攝氏-273.16℃，稱為“絕對(duì)零度”，水的冰點(diǎn)為273.16K，沸點(diǎn)定為373.16K。

兩種溫標(biāo)之間的換算關(guān)系如下：

T=t+273.16大氣中的溫度一般指以百葉箱中測(cè)得的干球溫度。

三、濕度表示大氣中水汽量多少的物理量，稱為濕度。大氣的濕度狀況是決定云、霧、降水等天氣現(xiàn)象的重要因素。大氣濕度可用下述幾種方法表示：水汽壓和飽和水汽壓在溫度一定的情況下，單位體積空氣中能容納的水汽數(shù)量有一定的限度，如果水汽含量達(dá)到了這個(gè)限度，空氣就呈飽和狀態(tài)，這時(shí)的空氣，稱為飽和空氣。飽和空氣中的水汽壓，稱為飽和水汽壓(E).相對(duì)濕度所謂相對(duì)濕度(f)，就是空氣中的實(shí)際水汽壓e與同溫度下的飽和水汽壓E的比值(用百分?jǐn)?shù)來(lái)表示)，即：

f＝e/E×100%飽和差

在某一溫度下，飽和水汽壓與實(shí)際空氣中水汽壓之差稱為飽和差(d)：d=E-e，d表示實(shí)際空氣距離飽和的程度，在研究水面蒸發(fā)時(shí)常用到d，它可指出水分子的蒸發(fā)能力。露點(diǎn)

在空氣中水汽含量不變，在一定的氣壓條件下，使空氣冷卻到達(dá)飽和時(shí)的溫度，稱為露點(diǎn)溫度，簡(jiǎn)稱露點(diǎn)(Td)。它的單位與氣溫相同。

例如上海某日14時(shí)的氣溫為30℃，對(duì)應(yīng)的飽和水汽壓為42.5mb，當(dāng)時(shí)的實(shí)際水汽壓為31.7mb，很明顯，這時(shí)的空氣是未飽和的。如果實(shí)際水汽壓不變，氣壓也不變，只有降低空氣溫度才能使空氣達(dá)到飽和。而飽和水汽壓為31.7mb時(shí)的氣溫為25℃，故只有當(dāng)溫度由30℃降到25℃時(shí)，空氣才由未飽和狀態(tài)變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)。因此，上海該日14時(shí)的露點(diǎn)是25℃。氣壓一定時(shí)，露點(diǎn)的高低只與空氣中的水汽含量有關(guān)，水汽含量愈多，露點(diǎn)愈高，所以露點(diǎn)也是反映空氣中水汽含量的物理量。在實(shí)際大氣中，空氣經(jīng)常處于未飽和狀態(tài)，露點(diǎn)溫度常比氣溫低(Td＜T)。只有空氣達(dá)飽和時(shí)，露點(diǎn)溫度才和氣溫相等(Td=T)。因此，根據(jù)T和Td的差值，還可大致判斷空氣距離飽和的程度。

上述濕度的各種表示：絕對(duì)濕度、水汽壓、比濕、露點(diǎn)基本上表示空氣中水汽含量的多寡；而相對(duì)濕度、飽和差、溫度露點(diǎn)差則表示空氣距離飽和的程度。

四、降水是指從大氣中自動(dòng)降落到地面的雨雪霰雹的統(tǒng)稱。世界年降水量地圖五、風(fēng)

空氣的水平運(yùn)動(dòng)就叫風(fēng)。風(fēng)是一個(gè)表示氣流運(yùn)動(dòng)的物理量。它和氣壓、氣溫、濕度等要素不同，不僅具有數(shù)值的大小(即風(fēng)速)，還具有方向(即風(fēng)向)。因此風(fēng)是向量，它是天氣預(yù)報(bào)的重要項(xiàng)目，又是天氣預(yù)報(bào)的重要依據(jù)。風(fēng)向是指風(fēng)的來(lái)向。地面風(fēng)向用十六方位來(lái)表示。高空風(fēng)向常用方位度數(shù)(共分360度)表示，以0度(或360度)表示正北，90度表示正東，180度表示正南，270度表示正西。在十六方位中每相鄰方位間的角差為22.5度。六、云量七、能見(jiàn)度2023/4/8四、大氣的運(yùn)動(dòng)ABC受熱冷卻

冷卻冷熱不均引起的熱力環(huán)流ABC高低低高高低冷熱不均引起的熱力環(huán)流分析城市與郊區(qū)之間的熱力環(huán)流

城市熱島上升氣流市區(qū)郊區(qū)郊區(qū)由郊區(qū)流向市區(qū)由郊區(qū)流向市區(qū)什么叫氣壓梯度？水平氣壓梯度力是怎樣形成的？其方向是怎樣的？大氣的水平運(yùn)動(dòng)10101008100610041、水平氣壓梯度力:如果只受水平氣壓梯度力的影響風(fēng)向應(yīng)該怎樣在氣壓梯度力與地轉(zhuǎn)偏向力共同作用下形成的風(fēng)（北半球）10081006100410021000水平氣壓梯度力+地轉(zhuǎn)偏向力風(fēng)向平行于等壓線（高空風(fēng)）垂直于風(fēng)向只改變風(fēng)向，不改變大小2、高空中風(fēng)的形成：1010口訣：背風(fēng)而立，低壓在左，高壓在右地轉(zhuǎn)偏向力近地面大氣中的風(fēng)向（北半球）100810101006100410021000風(fēng)向水平地轉(zhuǎn)偏向力摩擦力水平氣壓梯度力氣壓梯度力+地轉(zhuǎn)偏向力+摩擦力風(fēng)向與等壓線成一夾角既影響風(fēng)向，又影響風(fēng)速。3、近地面風(fēng)的形成：與風(fēng)向相反摩擦力

風(fēng)壓定律：背風(fēng)而立，低壓在左前，高壓在右后氣壓梯度力（高）（低）（北半球）風(fēng)向摩擦力地轉(zhuǎn)偏向力

（1）氣壓梯度力：風(fēng)向垂直等壓線，由高壓指向低壓

（2）氣壓梯度力+地轉(zhuǎn)偏向力風(fēng)向平行于等壓線

（3）氣壓梯度力+地轉(zhuǎn)偏向力+摩擦力風(fēng)向斜穿等壓線小結(jié)風(fēng)向：斜穿等壓線（低空風(fēng)）摩擦力對(duì)近地面風(fēng)的影響太陽(yáng)輻射能量源泉大氣運(yùn)動(dòng)各緯度加熱不均高低緯度間熱量差異根本原因引起空氣垂直運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生水平氣壓差異直接原因空氣水平運(yùn)動(dòng)（風(fēng)）水平氣壓梯度力原動(dòng)力小結(jié)：大氣運(yùn)動(dòng)原因單圈環(huán)流三圈環(huán)流氣壓帶和風(fēng)帶對(duì)比：世界年降水量地圖

五、天氣與氣候天氣是一定區(qū)域短時(shí)段內(nèi)的大氣狀態(tài)（如冷暖、風(fēng)雨、干濕、陰晴等）及其變化的總稱

如：今天天氣很好，風(fēng)和日麗，晴空萬(wàn)里昨天天氣很差，風(fēng)雨交加氣候是長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)氣象要素和天氣現(xiàn)象的平均或統(tǒng)計(jì)狀態(tài)，時(shí)間尺度為月、季、年、數(shù)年到數(shù)百年以上。氣候以冷、暖、干、濕這些特征來(lái)衡量，通常由某一時(shí)期的平均值和離差值表征例如，昆明四季如春；長(zhǎng)江流域的大部分地區(qū)，春、秋溫和，盛夏炎熱，冬季寒冷，我們就稱這里是“四季分明的溫帶氣候”；每年的7月下旬和8月上旬是北京的雨季等。

氣團(tuán)氣團(tuán)是指一定范圍內(nèi)，在水平方向上物理屬性（溫度、濕度、穩(wěn)定度等）相對(duì)比較均勻的大塊空氣。氣團(tuán)的分類(lèi)，若按形成的地理位置分，則有極地氣團(tuán)（又可分為極地大陸氣團(tuán)和極地海洋氣團(tuán)）、熱帶氣團(tuán)（又可分為熱帶海洋氣團(tuán)和熱帶大陸氣團(tuán)）。此外，還有中緯度氣團(tuán)，它們主要來(lái)自極地或熱帶的變性氣團(tuán)。若按熱力分類(lèi)，則可分為冷氣團(tuán)和暖氣團(tuán)。

鋒鋒是冷、暖氣團(tuán)間相交綏的狹窄的過(guò)渡地帶。鋒區(qū)是指冷、暖氣團(tuán)間狹窄的過(guò)渡地帶；鋒面與地面的交線稱為鋒線。鋒的類(lèi)型根據(jù)鋒兩側(cè)冷、暖氣團(tuán)移動(dòng)方向和結(jié)構(gòu)狀況，一般把鋒分為冷鋒、暖鋒、準(zhǔn)靜止鋒和錮囚鋒四種類(lèi)型。

冷鋒是冷氣團(tuán)推動(dòng)著鋒面向暖氣團(tuán)一側(cè)移動(dòng)的鋒。冷鋒又因移動(dòng)速度快慢不同，分為一型（慢速）冷鋒和二型（快速）冷鋒。

暖鋒是暖氣團(tuán)推動(dòng)著鋒面向冷氣團(tuán)一側(cè)移動(dòng)的鋒。

準(zhǔn)靜止鋒是冷、暖氣團(tuán)勢(shì)力相當(dāng)或有時(shí)冷氣團(tuán)占主導(dǎo)地位，有時(shí)暖