1、第三章 大气与气候,第三章 大气与气候,基本概念,大气：指围绕着地球的厚层气体。,大气圈：指大气所形成的连续圈层。,大气过程：指大气圈中存在的各种物理过程，如辐射过程、增温冷却过程、蒸发凝结过程等。,气象（天气现象）：指由大气过程所形成的风、云、雨、雪、雾、露、霜、冰等千变万化的物理现象。,天气：某地区短时间内大气过程和现象的综合。即短时间内风、云、降水、温度和气压等气象要素连续变化的综合现象。其特点是多变。,气候：指某地区多年间常见的和特有的大气过程和现象的综合。,第一节 大气的组成和热能,一、大气的组成,地球大气由多种物质混合组成，包括干洁空气、水汽、
2、悬浮尘粒和杂质等。,1、干洁空气（干空气）： 不包含水汽和固体杂质的整个混合气体；主要成分： N2、O2、Ar，占干空气容积的 99.97、占干 空气质量的 99.95；次要成分： CO2、O3、CO、CH4、H2S、SOx 等等。干空气中，以氮、氧、二氧化碳、臭氧最重要。,2、水汽：,大气中的水汽主要来自水面的蒸发、植物的蒸腾。集中分布在 3km 高度以内，是大气中唯一可以发生相变的大气组分。,3、杂质（气溶胶粒子）：指大气中悬浮着的各种固体杂质和液体微粒（如小水滴、小冰晶）。集中分布于
3、大气层底部。,4、大气污染：指由于人类活动的影响，使局部乃至全球范围的大气成分发生了对生物体有害的变化。进入大气中的有害气体和烟尘，称为大气污染物，主要有粉尘、烟尘、SOx、NOx、CO、CO2、H2S、HC等等。,二、大气的结构（一）大气质量1、大气上界气象学上，把极光出现的最大高度（1200千米）定为大气上界；物理学上，把大气上界定在3000千米2、大气质量,（二）大气压力1、气压：静止大气中任一高度单位面积上所承受的空气柱重量，叫大气压力，简称气压。 气压的测量单位是帕（Pa），气象学采用百帕（hPa）为单位，1 hPa 10-2 N
4、cm2 ； 当选定温度为 0 ，纬度为 45的海平面时，气压为 1013.25 hPa，称为一个标准大气压。 地面气压在980 1040 hPa 之间变化，平均为 1013 hPa ；,2、气压的变化：,气压随高度和时间而变。气压随高度的变化与气温和气压条件有关。 在气压相同条件下，气柱温度越高，单位气压高度差越大，气压随高度递减越缓慢，气压垂直梯度越小； 在气温相同条件下，气压越
5、高，单位气压高度差越小，气压随高度递减越快，气压垂直梯度越大；气压随时间的变化分为周期性变化与非周期性变化两种。周期性变化：日变化、年变化；非周期性变化：因气压系统移动和演变而产生。无 固定周期，变化幅度大。,3、气压场和气压系统：,等压线和等压面：某一水平面上气压相等各点的连线，称为等压线；空间气压相等各点组成的面，称为等压面，它是一个起伏不平的曲面。气压场：气压的空间分布称为气压场气压系统的基本类型：包括低气压、高气压、低压槽
6、、高压脊、鞍（鞍型气压区）等等，统称为气压系统。低气压：简称低压，其等压线闭合，中心气压低，等压面向下凹陷如盆地，空气向中心辐合，气流上升；高气压：简称高压，其等压线闭合，中心气压高，等压面向上凸出如山丘，空气向四周辐散，气流下沉；,低压槽,低压槽：简称槽，由低压向外延伸出来的狭长区域，或一组未闭合的等压线向气压较高一方突出的部分。在槽内各等压线弯曲最大处的连线，称为槽线。槽附近空间等压面形如山谷，空气向槽内辐合上升；高压脊：简称脊，由高压向外延伸出来的狭长区域，或一组未闭合的等压线向气压较低一方突出的部分。在脊中各等压线弯曲最大处的连线，称为脊线。脊线附近空间等压面形如山脊，空气向外辐散；鞍
7、（鞍型气压区）：两个高压与两个低压相对应的中间区域，其附近空间等压面形状似马鞍。,（三）大气分层,根据大气在垂直方向上的温度、成分、密度、电离等物理性质和运动状况，将之分为 5 层。,1、对流层：大气的最低层，自地面到 818km，平均11km。 特点剧烈的垂直对流运动，气温随高度的升高而降低，对人类和地球生物影响最大。,2、平流层：从对流层顶到 55km 高度为平流层。 特点气流以水平运动为主，气温随高度的升高不变或微升，大气透明度良好。,3、中间层,从平流层顶到 85km 高度为中间层。特点温度
8、随高度升高迅速降低（因为没有臭氧吸收太阳紫外辐射，而氮、氧能吸收的太阳短波辐射又大部分被上层的大气吸收了）；存在强烈的垂直对流，所以该层又称为高空对流层。,4、暖层,从中间层顶到 800km 高空为暖层。特点：空气稀薄；温度因大气强烈吸收太阳紫外辐射而随高度上升迅速升高；高度电离；常常出现极光。,5、散逸层（外层）,800 约3000km 的大气层。特点：空气极其稀薄；气温很高，而且随高度升高；地球引力小，高速运动的分子可逃逸至宇宙空间。,三、大气的热能,地球大气系统的能源主要是太阳辐射。,（一）太阳辐射太阳以电磁波的形式向外传递能量，称为太阳辐射。太阳辐射所传递的能量称为太阳辐射能。特点：太
9、阳表面温度约6000K，其辐射能绝大部分集中在波长0.15 4.0 之间，因而称为短波辐射（对流层大气和地面温度为250 300K，辐射波长主要在 3 120 之间，为长波辐射）。,太阳辐射强度：单位时间内垂直投射在单位面积上的太阳辐射能。,1、大气上界的太阳辐射,太阳常数（S0）：在日地平均距离上，大气顶界垂直于太阳光线的单位面积上每分钟接受的太阳辐射，称为太阳常数，即 1367Wm2 。,到达大气上界的太阳辐射取决于：太阳高度太阳辐射强度与太阳高度的正弦 成正比（朗伯定律）；日地距离水平面上的
10、太阳辐射强度与日地 距离的平方成反比；年变化约7；可照时数太阳辐射强度与可照时数成正比， 夏强冬弱。,2、太阳辐射在大气中的减弱过程,大气的吸收：能吸收太阳辐射的物质包括臭氧、氧、水汽、二氧化碳、云、雨滴、气溶胶粒子等，它们选择性吸收太阳辐射（太阳光谱的两端）。,大气的散射和反射：空气质点小，选择散射短波辐射；而水滴、尘埃等质点大，散射无选择性，称为漫射。散射波长集中于可见光波段。 &nbs
11、p; 云层、气溶胶粒子等有较强的反射作用，如云层平均反射率达5055。 上述三种方式中，反射作用最主要，其次是散射，而吸收作用最小，它们共使到达地面的太阳辐射减弱了约一半。,3、到达地面的太阳辐射,包括两部分：直接辐射（S）和散射辐射（D）， 两者之和称为太阳总辐射（SD）。,直接辐射：其强弱受太阳高度和大气透明度影响。 贝尔（Beer）削减定律,S I0 P m I0：太阳常数；
12、P：大气透明度； m：大气质量。,直接辐射有日变化、年变化和纬度变化。,散射辐射：其强弱受太阳高度、大气透明度、 云的特性（云量、云状）和海拔高度等影响。,太阳总辐射,影响直接辐射和散射辐射的因素，也是影响总辐射的因素，所以总辐射也有日变化、年变化和纬度变化。,在我国，年总辐射量最高的地区是海拔高度大的西藏（212252Wm2），干旱少云的新疆、青海、黄河流域次之（159212
13、Wm2 ），而云、雨较多的长江流域与华南大部却较少（119159Wm2 ）。,4、地面对太阳辐射的反射,到达地面的总辐射一部分被地面吸收，另一部分被反射。反射部分占总辐射量的百分比称为反射率（r）。 反射率的大小取决于：地面性质（水面、陆面）；地面状态（颜色深浅、粗滑、干湿）。,陆面反射率约1030，洁白的新雪反射率可达9095；水面反射率平均约10。,（二）地面辐射与大气辐射,地面和大气在吸收太阳辐射的同时，又按其自身温度日夜不停地向外放射长波辐射。,1、地面辐射：地面以电磁波的方式向上发射指向大气的辐射，称为地面辐射。其波长为3 80
14、，最大辐射能量波长在9.6 。 地面辐射大小主要取决于地面温度（平均300K）。白天地面吸收太阳辐射多于放射的辐射而增温；夜晚没有太阳辐射，地面因辐射而降温。 “大气窗”地面辐射绝大部分（ 75 95）被大气吸收，只有波长8.412 的部分，可穿过大气层逃逸到宇宙空间，所以称此波段为“大气窗”。,2、大气辐射：,大气主要靠吸收地面辐射而增温。大气按其自身温度，以电磁波的方式向四面八方发射长波辐射，称为大气辐射。它的波长为 7 120 ，最大辐射能量波长在15 。 &nbs
15、p; 其大小取决于大气温度、湿度和云天状况。,3、大气的保温效应：,大气辐射向下指向地面的部分，方向与地面辐射相反，称为大气逆辐射。大气逆辐射几乎全部为地面所吸收，这对地面因辐射而损耗的能量得到一定的补偿，所以大气对地面有保温作用。这种作用称为大气保温效应或温室效应。,（三）地气系统的辐射平衡,把地面和对流层看作一个统一体，称为地气系统。地气系统在一定时间内辐射能收入与支出的差，称为地气系统净辐射，即： Rs（SD）（1r）qaF式中， Rs地气系统净辐射； qa 大气吸收的太阳辐射； F地气系统长波射出辐射。 &
16、nbsp; 地气系统净辐射随纬度而变，低纬为正值，有热量剩余；高纬为负值，热量亏损，以南、北纬30附近为转折点。高低纬地区之间的气温差异，推动大气环流和洋流的运动。,地 气,热交换,太阳辐射,长波辐射,全 球 辐 射 平 衡 图 解,地气系统的温度多年基本不变，全球是到达辐射平衡的。 大气上界一年中获得的太阳辐射能为342.8 Wm2，同时又有相同数量的能量，以短波辐射或长波辐射的形式通过大气上界返回宇宙空间，所以地气系统的热能收支是平衡的。,辐射平衡2,四
17、、气温,气温是大气热力状况（即空气冷热程度）的数量度量。目前，气象观测和记录的气温，是指离地面一定高度上（我国规定离地面1.5m高），放在百叶窗箱里的温度计测得的空气温度。 通常以摄氏（）和华氏（）两种温度单位表示，我国采用摄氏度数为单位。 在理论研究方面，多数采用绝对温度（或称开氏温度），以（ A）或（ K）表示。 温度单位换算如下： AC273.16 KC273
18、.16,（一）气温的时间变化,大气温度的时间变化，包括由地球的自转和公转引起的气温周期性变化，以及由大气运动引起的非周期性变化。,1、气温的日变化：指一天内气温的高低变化，它有一个最高值（出现在午后两小时左右）和一个最低值（出现在日出前后），气温日变化过程是一条正弦曲线。 日最高气温与最低气温之差，称为气温的日较差或称日振幅。日较差随纬度增高而减少，随海拔高度增加而减少；晴天大阴天小；夏季大冬季小；大陆大海洋小。,2、气温的年变化,指一年内气温的高低变化。年最高气温出现在夏至后的7月或8月，年最低气温出现在冬至后的1月或2月。
19、 一年中最热月的平均气温与最冷月的平均气温之差，称为气温的年较差。年较差随纬度增高而增大，随海拔高度增加而减少；大陆大海洋小；内陆大沿海小。 气温的年变化反映了气候上的冷暖，是划分气候季节的重要指标。,气温的非周期性变化是由于大规模的气流交替而引起的。,（二）气温的空间分布,大气温度在水平方向上和垂直方向上的分布都是不均匀的。,1、气温的水平分布：主要受纬度、海陆分布、地形起伏、大气环流、洋流等因素影响。气温随纬度增高而递减，北半球南北温差冬大夏小，南半球则季节相反；冬季北半球等温线在大陆凸向赤道，在
20、海洋凸向极地，反映同一纬度上陆地冷于海洋，夏季时则相反；南半球洋多陆少，等温线较平直；高温带（冬、夏月平均温均24）不是出现在赤道，冬季在 5 10 N，夏季在 20 N左右，该带称为热赤道。,气温的空间分布,洋流的影响大，中纬度西岸气温比同纬度的东岸高。冬季太平洋和大西洋北部等温线急剧向北凸出，反映黑潮暖流、阿留申暖流、墨西哥湾暖流的强大增温作用；夏季北半球等温线沿非洲和北美西岸向南凸出，反映了加那利寒流和加利福尼亚寒流的影响。南半球冬夏最低气温都出现在南极，北半球则夏季在极地、冬季在高纬大陆东部、西伯利亚和格陵兰。最高气温北半球夏季出现在低纬大陆内部热带沙漠地区。
21、; 在我国，最低气温为 53，出现在黑龙江的漠河；最高气温48.9，出现在新疆的吐鲁番。,2、气温的垂直分布,每上升单位距离气温的降低值，称为气温直减率，以 r 表示，单位为100m 。 对流层大气平均 r 0.65 100m 。气温直减率一般夏季和白天大，冬季和夜晚小。,逆温：指对流层内发生温度随高度增加而上升的局部反常现象。出现逆温的气层称为逆温层，它的状态稳定，会阻止下层空气的垂直对流运动，因此又叫阻挡层。 成因：辐射逆温、平流逆温、下沉逆温、
22、; 锋面逆温、融雪逆温。,结束,斗笠云,旗云,环状云,龙卷风1,龙卷风,龙卷风2,龙卷风,雨,露,闪电,冰雹，北京，20050531,冰,雪,雾,雾淞,海市蜃楼,北极的海市蜃楼,前方的山是假的,虹,世界人口,南极臭氧洞,酸雨使森林枯萎,酸雨对石像的腐蚀,复活节岛,复活节岛,腐蚀狮身人面像,全球一氧化碳污染图2000.04.30.燃烧化石燃料而产生,全球一氧化碳污染图2000.10.30.南美和非洲旱季林木燃烧而产生,机动车尾气污染,电厂排污,贵州安顺煤电厂,贵州安顺煤电厂,氟中毒,贵州因燃煤导致氟中毒的人口达1
23、900万，占贵州总人口的一半。当地煤氟含量达 598mg/kg。氟中毒从20世纪70年代开始发生，受害者出现牙齿变黄变黑、腿呈 X 形或 O形、躬腰背驼、下肢瘫痪、手臂只能弯不能伸等等症状。,氟骨症,氟斑牙,氟斑牙,用高含氟煤熏烤粮食,用高含氟煤熏烤粮食,土法炼焦，山西,土法炼焦，山西,农民燃烧秸秆,广州1,广州,广州2,广州,广州3,广州,由中信广场鸟瞰,长沙,长沙,成都,成都,兰州,兰州,上海,上海,北京,北京,哈尔滨,哈尔滨,德国法兰克福,德国法兰克福,被污染的彩虹,智利圣地亚哥,智利圣地亚哥,美国Mont.州Butte市,美国Mont.州Butte市,南非开普敦,南非开普敦,罐装“济州
24、岛空气”在汉城热卖,罐装“济州岛空气”在汉城热卖,济州岛,韩国济州岛,垂直对流1,垂直对流,垂直对流2,垂直对流,极光1,极光,极光2,极光,极光3,极光,极光4,极光,极光5,极光,极光6,极光,极光7,极光,哥伦比亚号空中解体1,哥伦比亚号空中解体,2003年2月，进入100km以下的稠密大气层，燃烧温度高达1600以上,哥伦比亚号空中解体2,星际空间,空气质点的短波散射,气溶胶粒子的漫射,太湖日出,黄山日落,云层的反射与散射,厚云层的反射与散射,冰川加速消融,长江源格拉丹冬雪山,北极冰盖加速消融1,北极冰盖加速消融,北极冰盖加速消融2,北极冰盖加速消融,北极冰盖加速消融3,北极冰盖加速消
25、融,卫星照片揭示南极冰架50亿立方冰体崩塌全过程,原来空的海湾,卫星照片揭示南极冰架50亿立方冰体崩塌全过程,2002年3月,冰架崩落,冰体充满海湾,冰山向外漂移, 图瓦卢,南太平洋岛国图瓦卢，由九个环状珊瑚小岛构成，总面积只有 26 km2，最高海拔 4.5 m，总人口 1.1 万人。 专家预言，如果地球环境继续恶化，在五十年之内，图瓦卢九个小岛将全部没入海中。图瓦卢人民成了名符其实的 “环境难民”，从 2002 年起正式举国迁往新西兰。 下一个会轮到谁呢？ 基里巴斯、库克群岛、瑙鲁和西萨摩亚，以及马尔代夫等由珊瑚礁构成的低地岛国，也面临着同图瓦卢一样的威胁。,全球第一个国家因海平面上升而迁国,图瓦卢,图瓦卢,印度洋岛国马尔代夫,1190个珊瑚岛所构成的群岛小国平均海拔只有 1 米，人口 28 万,纽约曼哈顿,纽约曼哈顿,泰国曼谷,泰国曼谷,意大利水城威尼斯,意大利水城威尼斯,90，南极,北极,撒哈拉沙漠,黄沙湮没的绿洲,我国实测最低气温 53，黑龙江漠河,漠河,我国实测最高气温48.9，新疆吐鲁番,火焰山,气压垂直梯度,高压与低压,气温日变化,
