1、第一章 大 氣 由于引力作用而環(huán)繞行星的氣體圈層叫做行星大氣。 地球大氣又簡稱大氣(atmosphere)，地球上的整個(gè)空氣層稱為大氣圈。 干潔大氣大氣中的水汽氣溶膠粒子 一. 大氣的組成1 大氣的組成和垂直結(jié)構(gòu) 1.干潔大氣除去水汽和氣溶膠粒子的混合空氣。表1.干潔大氣的主要成分氣體 容積含量（%） 分子量 臨界溫度()臨界大氣壓N278.08428.106 -147.233.5O220.946 32.000-118.9 49.7Ar0.93439.944-122.0 43.0CO20.03844.01031.0 73.0O30310-4 48.000-5.0 92.3干潔大氣特點(diǎn) 氣體的組

2、成成分比較穩(wěn)定 干潔大氣是永久氣體 在氣象學(xué)中，通常將干潔空氣作為“單一”氣體來處理，其分子量為28.966。 大氣中幾種主要?dú)怏w簡介 （1）氮?dú)猓╪itrogen, N2） 大氣中含量最大的氣體成份，影響大氣的密度、氣壓。 氮是生物體的重要組成元素，是肥料三要素之一。 在氣象學(xué)中并沒有特殊的作用。 （2）氧氣（oxygen, O2 ）各種生命活動(dòng)不可缺少的物質(zhì)能吸收太陽輻射中的紫外線(ultraviolet, UV)，使到達(dá)地面的紫外線減少，同時(shí)影響高層大氣的溫度 （3）臭氧(ozone, O3 )生消原因：氧氣分子在太陽紫外輻射的作用下形成。 O2 O+O O+O2 O3 O3+O O2+

3、O2紫外線紫外線紫外線臭氧的時(shí)空分布規(guī)律空間變化特點(diǎn)： 10km以下含量很少，2025km濃度最大，稱為臭氧層（ozone layer)緯度變化特點(diǎn)： 從赤道向兩極增加時(shí)間變化特點(diǎn)： 隨季節(jié)而變化，春季最大，夏季最小 臭氧的作用能強(qiáng)烈地吸收太陽輻射中的紫外線B、C波段，保護(hù)了地球上的生命。對(duì)高層大氣有“加熱”作用，使10至50km高度的氣層溫度增高。臭氧洞(ozone hole） 產(chǎn)生原因：人類活動(dòng)釋放的大量含氯氟烴（CFC），對(duì)臭氧層有破壞作用。 CFC在高層帶電粒子的作用下會(huì)離解出氯離子Cl- ，而Cl-在以下過程中可起催化作用：O3+O O2+O2紫外線Cl- 80年代初，在南極大陸發(fā)現(xiàn)

4、了臭氧含量明顯減少的大片區(qū)域，稱為臭氧洞。臭氧層破壞所造成的后果 由于缺少臭氧層的屏障作用，大量對(duì)人類和其它生物有害的太陽紫外線可以到達(dá)地面，對(duì)生物產(chǎn)生嚴(yán)重的傷害。 對(duì)人的傷害：皮膚癌、眼癌、青光眼、白內(nèi)障等疾病的患病率大幅度上升。據(jù)估計(jì)，紫外線透過率每增加10%，這幾種疾病的患病率可增加20至60%。 這種情況對(duì)喜歡日光浴（sunbath）的西方國家影響尤為明顯。（4）二氧化碳（carbon dioxide, CO2 ）植物進(jìn)行光合作用、制造有機(jī)物質(zhì)的重要原料 能吸收地面與大氣的紅外輻射(infrared, IR)，對(duì)地面具有保溫作用。 二氧化碳的作用 溫室效應(yīng)：大氣吸收地面長波輻射，同時(shí)也

5、向宇宙和地面發(fā)射輻射，對(duì)地面起保暖增溫作用。CO2的生成：生物呼吸、有機(jī)物的分解、燃燒、火山爆發(fā)、巖石風(fēng)化、海洋釋放等。 CO2的消失：植物光合作用(photosynthesis)、沉積、海洋吸收等。大氣中二氧化碳的循環(huán) (Cycle of carbon dioxide in the atmosphere)碳的循環(huán)大氣中二氧化碳的變化規(guī)律 CO2的日變化(diurnal variation) 白天午后達(dá)最低值，日出前后達(dá)最高值 CO2的年變化(annual variation) 夏季少，秋季達(dá)最低值；冬季多，春季達(dá)最高值。CO2的長期變化(long-term change) 由于人類活動(dòng)，大氣

6、中CO2濃度不斷升高。在十七世紀(jì)工業(yè)革命前，全球平均大約為280ppm，2006年底創(chuàng)新高381.2ppm，比前一年上升了0.53%；2007年底，383ppm，比前一年增加0.5% ；2008年底，385.2ppm；2009年底，386.8ppm。 大氣中CO2濃度的年變化 夏威夷1992年至2001年平均二氧化碳濃度的年變化曲線大氣中CO2濃度的變化 由于CO2是具有對(duì)地球保溫的溫室效應(yīng)(greenhouse effect)，因此其濃度升高將導(dǎo)致全球變暖。根據(jù)用各種氣候數(shù)學(xué)模型進(jìn)行的模擬計(jì)算， CO2倍增（相對(duì)于工業(yè)革命前的270至280ppm）將使全球平均氣溫上升1.5到4.5，平均估計(jì)

7、值大約為3 。未來的100年內(nèi)全球平均氣溫可能上升1.4到5.8 。這樣大幅度的氣溫變化必然會(huì)引發(fā)一系列重大的環(huán)境變化。大氣中CO2濃度增加對(duì)全球環(huán)境的影響 1000年以來CO2濃度和北半球平均氣溫曲線 氣溫為估計(jì)值（深藍(lán)色）或觀測值（淺藍(lán)色）與19601990年基準(zhǔn)值之差氣候變暖的后果影響全球水分平衡，引發(fā)極端氣候現(xiàn)象頻繁發(fā)生； 如寒潮、熱浪、暴雨、龍卷風(fēng)等影響生物的生態(tài)適應(yīng)性；影響農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)；冰雪消融，海平面上升 全球變暖將使北極、格陵蘭島、南極和高山上的積雪融化，導(dǎo)致海平面上升。據(jù)計(jì)算，如果全球冰雪全部消融，全球海平面將上升約69m！ 未來的100年內(nèi)全球海平面將比目前上升9到8

8、8厘米，給許多國家?guī)頌?zāi)難性后果。 全球變暖將使海平面上升氣候變暖使海平面上升的最新證據(jù) 2002年1月31日，南極東岸已有1.2萬年的拉森陸緣冰B冰架再次開始分裂，35天后，這個(gè)冰架崩成了幾千個(gè)冰山，圍成一個(gè)象羽毛的形狀，在南極洲邊緣的威德爾海上漂流。分裂出的冰塊面積為3250平方公里、厚220米、重7200億噸。這個(gè)面積超過了塞浦路斯一個(gè)國家的總面積，是新加坡的9倍。 美國國立冰雪數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)顯示，自1974年以來，南極半島周圍已經(jīng)有7塊面積總計(jì)1.35萬平方公里的冰架脫落。 水汽的特點(diǎn)是唯一能在自然條件下發(fā)生相變(phase transformation)的物質(zhì)，因此它是天氣變化的最重要

9、的角色。是自然界潛熱(latent heat)最大的物質(zhì)。能吸收地面與大氣的紅外輻射，和二氧化碳一樣對(duì)地面有保溫效應(yīng)。 2.大氣中的水汽(water vapour, moisture) 大氣中的水汽來源于地面的蒸發(fā)(evaporation)和植物蒸騰(transpiration) ，因凝結(jié)降水而返回地面。處在不斷的循環(huán)之中。含量變化規(guī)律：隨高度減少；與地理因素關(guān)系密切；隨時(shí)間變化大水汽的生消和分布 水的大循環(huán) 3.氣溶膠粒子(aerosol particle)氣溶膠粒子：懸浮在大氣層中沉降速率很小的固體、液體微粒。組成：有機(jī)物花粉、微生物、細(xì)菌 無機(jī)物灰燼、塵埃、小水滴等作用：作為凝結(jié)核(co

10、ndensation nucleus)，使水汽凝結(jié)成水滴、冰晶，影響云、降水的形成； 能吸收輻射，影響著地面與近地層的溫度變化。 二、大氣的垂直結(jié)構(gòu)(Vertical Structure of the Atmosphere) “九 重 天”“天高地厚”天有多高？天分九重？大氣上界(upper limit of the atmosphere)的確定 以物理現(xiàn)象出現(xiàn)的最高高度作為確定上界的標(biāo)準(zhǔn)：“極光”出現(xiàn)的最大高度為10001200km，因此可確定大氣上界為1200km 左右。 以空氣密度作為確定上界的標(biāo)準(zhǔn)：接近星際空間的氣體密度的高度約為20003000km。 垂直結(jié)構(gòu) 大氣在鉛直方向上的物理

11、性質(zhì)有不均勻的。根據(jù)大氣溫度的垂直分布特點(diǎn)，并考慮密度、電離狀況等因素，可將大氣分為五層。1.對(duì)流層(troposphere)2.平流層(stratosphere)3.中間層(mesosphere)4.熱 層(thermosphere)5.散逸層(exosphere)大氣層中的溫度分布和鉛直分層對(duì)流層平流層中間層熱 層散逸層 厚度變化空間：隨緯度增加，厚度降低。低緯地區(qū)：平均厚度為1718km；中緯地區(qū)：平均為1012km；高緯地區(qū)：平均為89km；時(shí)間：夏季大于冬季。1.對(duì)流層(troposphere) 對(duì)流層的主要特點(diǎn)：集中了80%以上的大氣質(zhì)量和幾乎全部的水汽 溫度隨高度的升高而降低，平

12、均每100m降低0.65 具有強(qiáng)烈的對(duì)流(convection)與亂流(turbulence)運(yùn)動(dòng) 氣象要素(meteorological element)的水平分布很不均勻 分層：下層、中層、上層、對(duì)流層頂。 下層（摩擦層或行星邊界層）：0-2km 摩擦作用、對(duì)流運(yùn)動(dòng)和亂流運(yùn)動(dòng)最強(qiáng)烈； 在接近地面約3050m高度以下的氣層稱為近地氣 層，常有霧形成。 中層：2-6km 空氣運(yùn)動(dòng)以對(duì)流為主； 有中云和直展云出現(xiàn)，由云滴增大成雨滴的過程 多在此層進(jìn)行，因而是形成降水的重要?dú)鈱印?上層：6km至對(duì)流層頂 受地面影響更小，氣溫常在0以下，水汽含量少，各種云均由冰晶或過冷卻水滴組成。飛機(jī)飛行在此氣層常

13、出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象。 在中、低緯度地帶，常出現(xiàn)風(fēng)速等于或大于30ms-1 的強(qiáng)風(fēng)帶，即所謂高空急流。 對(duì)流層頂：對(duì)流層與平流層之間1-2km的過渡層 氣溫隨高度變化很小，甚至成為等溫狀態(tài)。 由低層上升而至的水汽和塵埃等多聚集在這里，使 能見度惡化。2.平流層(stratosphere) 厚度從對(duì)流層頂向上，一直到55km左右為平流層。集中了大氣中的大部分臭氧，空氣密度很小。1.氣溫隨高度而升高；平流層頂氣溫可達(dá)-3 -17。 2.空氣以水平運(yùn)動(dòng)為主，氣流運(yùn)行平穩(wěn)，沒有強(qiáng)烈的對(duì)流3.水汽和塵埃很少，很少有云，透明度好。 平流層的主要特點(diǎn)：3.中間層(mesosphere) 從平流層頂向上，到85km左

14、右為中間層。主要特點(diǎn)有：1.溫度隨高度而迅速降低。2.有強(qiáng)烈的垂直運(yùn)動(dòng)，故又稱為高空對(duì)流層 。4.熱層(thermosphere) 從中間層頂向上，到大約800km左右為熱層（又稱熱成層、暖層、電離層）。主要特點(diǎn)有：1.氣溫隨高度而升高；300km處氣溫可達(dá)1000，頂部可高達(dá)2000。2.空氣在強(qiáng)烈的太陽紫外線與宇宙射線作用下處于高度電離狀態(tài)，故又稱為電離層（ionosphere） 5.散逸層 ( exosphere) 熱成層以上為散逸層（又稱外層），是大氣圈與星際空間的過渡帶。主要特點(diǎn)有：2.空氣非常稀薄1.氣溫隨高度很少變化3.空氣質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度很快，可逃逸到星際空間 大氣中的污染物質(zhì)：

15、 定義： 由于人類活動(dòng)或自然過程，使局部、甚至全球范圍的大氣成分發(fā)生對(duì)生物界有害的變化。 分布： 空間上垂直:主要集中在3km以下的低層大氣中；水平:城市多，農(nóng)村少；陸地多，海洋少。 時(shí)間上：冬季多，夏季少；清晨和夜間多，午后少。 二、大氣污染(pollutant in the atmosphere) 火山爆發(fā)、風(fēng)吹揚(yáng)沙和沙塵暴、雷擊森林失火等。 來源： 自然過程形成。 人為過程造成。 工業(yè)和交通上煤炭、石油、天然氣的使用，農(nóng)業(yè)上化肥、農(nóng)藥的噴施，生活上制冷采暖的排放與泄漏等。 二次污染物： 分類： 一次污染物：直接從污染源排出來的物質(zhì)。 進(jìn)入大氣的一次污染物互相作用或與大氣正常組分發(fā)生化學(xué)反

16、應(yīng)，以及在太陽輻射線的參與下引起光化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的新的污染物。2.大氣污染的影響對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的危害農(nóng)作物減產(chǎn)、產(chǎn)品品質(zhì)下降、價(jià)值降低等。對(duì)全球氣候的影響酸雨(acid rain)： 大氣降水的pH值明顯低于正常值(5.6)的現(xiàn)象。2. 溫室效應(yīng)(greenhouse effect)3. 臭氧洞 (ozone hole) 酸雨的危害危害一：湖泊酸化危害二：土壤酸化 危害三：酸雨與森林衰退危害四：酸雨與建筑、文物 一.氣象要素 氣象要素（meteorological elements) 表示大氣狀態(tài)的物理量和物理現(xiàn)象。物理量：輻射、氣溫、空氣濕度、氣壓； 物理現(xiàn)象：云、雨、風(fēng)等等。天氣：一地短時(shí)間內(nèi)的大氣物理綜合狀況。氣候：一地長期大氣物理狀況的統(tǒng)計(jì)特征。 3 大氣的主要物理性質(zhì)二.大氣質(zhì)量及其垂直分布 在地球表面的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，空氣密度 0=1.293kg/m3，均質(zhì)大氣的厚度為Z0=7980m 而實(shí)際上，大氣密度隨高度按指數(shù)規(guī)律減小：理想氣體狀態(tài)方程 m克質(zhì)量的氣體： 其中：是分子量，R*=8310 (J/Kkmol) 為普適氣體常數(shù)(universal gas constant)三.大氣的狀態(tài)方程（equation of state) 理想氣體狀態(tài)方程公式兩