1、3-大气圈子系统,1,3 大气圈子系统目录,3.1 大气圈的物质组成与结构 3.2 大气圈子系统中的能量 3.3 大气运动 3.4 天气与气候 3.5 人类活动对大气圈的影响 3.6 思考题与个案分析,3-大气圈子系统,2,3.1 大气圈的物质组成与结构,3.1.1 大气圈的组成,大气圈是指连续包围地球外围的空气层。大气圈的总质量约为5.31015t，其中98.2的空气集中在30km以下的近地层。大气是由多种气体及悬浮其中的液态和固态杂质所组成的混合物。,3-大气圈子系统,3,请同学们思考：地球的干洁空气组成较为稳定的原因。,3-大气圈子系统,4,3.1.2 气象要素大气物理要素或者气象要素不
2、仅是阐述区域大气环境特征的重要指标，也是影响大气污染程度和污染物迁移转化的重要因素。其主要包括： 气温，气压，湿度，降水量， 风， 云量， 大气能见度。,3-大气圈子系统,5,3.1.3 大气圈的层结依据大气温度、成分、电荷和大气垂直运动状况的垂直差异性，可以将整个大气圈划分为对流层、平流层、中间层、热层和逸散层五个层次。,3-大气圈子系统,6,图3-1 大气圈的垂直分层结构示意图 （据M. J. Pidwirny，2002年资料）,3-大气圈子系统,7,3.2 大气圈子系统中的能量,3.2.1 太阳辐射能自然界中的一切物体都以电磁波的方式向四周放射能量，这种传播能量的方式称为辐射，通过辐射传
3、播的能量称为辐射能。辐射是能量传播方式之一，也是太阳能传输到地球的唯一途径。,3-大气圈子系统,8,基尔霍夫(Kirchhoff)定律斯蒂芬(Stefan)玻尔兹曼(Boltzmann)定律维恩(Wien)定律,图3-2 经过大气圈到达地表的太阳辐射图解 （据M. J. Pidwirny，2002年资料）,3-大气圈子系统,9,3.2.2 地表辐射平衡,太阳辐射通过星际空间到达地球，实际上大气层顶单位面积的表面所接受到的太阳辐射能并不均等于太阳常数，而是随时间和空间不同而变化，其变化受日地距离、太阳高度角和日照时间三个因素所制约。,3-大气圈子系统,10,到达地面的太阳辐射包括：一是太阳以平行
4、光线的形式直接投射到地面上的辐射即太阳直接辐射；二是太阳辐射经过大气层的散射后自天空投射到地面的辐射即散射辐射。地球是个球体，正午太阳光线的高度角因纬度而不同，地球表面不同纬度地区接受的太阳辐射能是不同的。,3-大气圈子系统,11,图3-3 到达地表的太阳辐射差异图解,3-大气圈子系统,12,图3-4 不同纬度地带日接受太阳辐射的时间差异,3-大气圈子系统,13,地面和大气既吸收太阳辐射，又依据本身温度向外辐射。由于地面和大气温度比太阳低得多，因而地面和大气辐射的电磁波长比太阳辐射波长得多，其能量集中在3120m的红外波段。故习惯上称太阳辐射为短波辐射，地面和大气辐射为长波辐射。,3-大气圈子
5、系统,14,太阳辐射的分布规律尽管受到其他因素的干扰，从全球范围来看，热量分布总趋势仍然与纬度大致平行，由低纬向高纬呈带状排列，形成地球上的热量带。热量带的划分有着不同的标准。,3-大气圈子系统,15,图3-5 地表年接受的太阳辐射量 （据M.J. Pidwirny，2002年资料）,W/m2,3-大气圈子系统,16,3.2.3 气温场气温是大气热力状况的数量度量，气温的变化特点通常使用平均温度和极端值绝对最高温度、绝对最低温度来表示，地理位置、地形、海拔、气团、季节、时间以及地面性质都是影响地表气温场及其变化的因素。,3-大气圈子系统,17,气温的时间变化主要包括日变化和年变化，其原因主要是
6、地球自转与公转所致。一天之内气温的最高值与最低值之差，称为气温日较差；一年中月平均气温的最高值与最低值之差，称为气温年较差。它们均与地理纬度、地表性质、地形等因素有关。,3-大气圈子系统,18,地表气温水平分布与地理纬度、海陆分布、地形、大气环流、洋流等因素有密切关系。全球气温水平分布的特点：第一，全球等温线的总趋势大致与纬度平行；第二，北半球1月份等温线密集，7月份稀疏；第三，夏季海面气温低于陆面，冬季相反；第四，墨西哥湾洋流使大西洋上等温线呈NE-SW向；第五，7月份最热区不在赤道，而在撒哈拉沙漠和阿拉伯沙漠。,3-大气圈子系统,19,图3-6 1月份全球气温分布图 （据M. J. Pid
7、wirny，2002年资料）,3-大气圈子系统,20,图3-7 7月份全球气温分布图 （据M. J. Pidwirny，2002年资料）,3-大气圈子系统,21,图3-8 中国多年平均气温分布图 （中国西部地区生态环境现状遥感调查图集，国家环境保护总局，科学出版社， 2002年）,3-大气圈子系统,22,3.2.4 气压场单位面积地表所承受大气柱的重量是气压产生的原因。随着海拔的上升，大气柱的重量减少，气压也随高度升高而降低。在气压相同的条件下，气柱温度愈高，单位气压高度差愈大，气压垂直梯度愈小；在相同气温下，气压愈高，单位气压高度差愈小，气压垂直梯度愈大。,3-大气圈子系统,23,图3-9
8、气压随高度变化曲线示意图 （据M. J. Pidwirny，2002年资料）,3-大气圈子系统,24,一般情况下气压场基本形式有如下几种：低气压(简称低压)高气压(简称高压)低压槽和高压脊鞍形气压区,3-大气圈子系统,25,图3-10 高气压(简称高压)图解（气压/hPa） （据M. J Pidwirny，2002年资料）,快速气流,慢速气流,3-大气圈子系统,26,图3-11 高压脊图解,3-大气圈子系统,27,3-大气圈子系统,28,图3-13 鞍部图解（气压/hPa）,3-大气圈子系统,29,3.3 大气运动,3.3.1 大气运动的驱动力气压梯度力：因气压在空间分布不均，便产生一个从高压
9、指向低压的力，这是气压梯度力；科里奥利力：地球自转的角速度分为垂直和水平两个方向的分量，水平方向分量对地球上任何做水平运动的物体产生一个与其运动方向相垂直的作用力；摩擦力。,3-大气圈子系统,30,图3-14 气压梯度力的图解,3-大气圈子系统,31,3-大气圈子系统,32,图3-16 1月份全球海平面气压及其风向图解 （据M. J. Pidwirny，2002年资料）,3-大气圈子系统,33,图3-17 7月份全球海平面气压及其风向图解 （据Michael J. Pidwirny，2002年资料）,3-大气圈子系统,34,3.3.1 大气水平运动和垂直运动空气在水平方向的流动称为风，气压水平
10、分布不均是风的起因。风力对区域大气污染具有重要的冲淡-传输作用。根据风速大小常将风力划分为12级。,3-大气圈子系统,35,3-大气圈子系统,36,3.3.2 大气环流大气环流是指大范围的大气运动状态，其水平范围可达大陆尺度甚至半球尺度、垂直尺度可在10 km以上、其持续时间在12日以上。行星风系，赤道低压带(L)、副热带高压带(H)、副极地低压带(L)和极地高压带(H)，同时还形成了三个风带，即信风带、盛行西风带和极地东风带。,3-大气圈子系统,37,图3-19 全球大气环流示意图 （据M. J. Pidwirny，2002年资料）,3-大气圈子系统,38,季风，是指大范围的具有显著季节性变
11、化的盛行风。行星风系以地表结构均一为条件，但实际上地表并不均匀，首先有海洋和大陆的分异。亚洲东部的季风环流最为典型。东亚季风对中国、朝鲜、韩国、日本等地区的天气、气候及大气环境质量具有很大影响。,3-大气圈子系统,39,图3-20 东南亚季风示意图 （据M J. Pidwirny，2002年资料）,夏季风,冬季风,3-大气圈子系统,40,局地环流，由于局部环境影响，如地形起伏、地表受热不均等引起的小范围气流，称局地环流，如水陆风、山谷风、 焚风、龙卷风等局地环流虽然不能改变大范围气流的总趋势，但对小范围的气候和区域大气质量却有很大的影响。,3-大气圈子系统,41,图3-21 局地热力环流示意图
12、 （据M . J. Pidwirny，2002年资料）,3-大气圈子系统,42,图 3-22 水陆风示意图 （据M. J. Pidwirny，2002年资料）,3-大气圈子系统,43,图 3-23 局地热力环流示意图 （据M.J. Pidwirny，2002年资料）,3-大气圈子系统,44,3.3.3 蒸发与凝结在大气运动的过程中常常伴随有水分的蒸发、凝结和降水等过程。液态水吸热转化为水汽的过程叫蒸发。蒸发消耗的水量称为蒸发量，以蒸发失去的水层厚度（mm）表示。蒸发量大小与所在地区的年降水量也有关系。,3-大气圈子系统,45,水由气态放热转化为液态水的过程，称为凝结。显然，凝结是与蒸发相反的一
13、种物理过程。水汽达到过饱和状态的途径有二：一是增加空气中的水汽含量；二是使空气温度降到露点温度或以下。常见的大气凝结物有：露与霜，雾凇和雨凇，雾和云。,3-大气圈子系统,46,3.3.4 大气降水在重力作用下液态水或固态水从云中降落到地面的过程称为降水。降水虽然来自云中，但天空有云不一定都有降水。降水可划分为三个基本类型：对流雨；地形雨；锋面（气旋）雨。,3-大气圈子系统,47,降水性质包括降水量、降水时间和降水强度等方面。降水量是指降落在地面的雨和融化后的雪、雹、霰等，未经蒸发、渗透流失而积聚在水平面上的水层厚度（mm）。,3-大气圈子系统,48,气象学上降水强度等级,3-大气圈子系统,49
14、,全球降水量的空间分布，受地理纬度、海陆位置、大气环流、天气系统和地形等多种因素制约。从降水量的纬度分布来看，全球可划分为四个降水带：赤道多雨带亚热带1530少雨带中纬度多雨带高纬少雨带,3-大气圈子系统,50,水分在环境地学研究中具有重要意义。通常用该地年可能蒸散量(PE) (即Penman可能蒸散量)与降水量(P)之比即干燥度来定量地表示某地水分状况，其计算公式如下：K=PE/P中国气候区划中就采用干燥度作为划分指标，K16.0则为极端干旱气候大区。,3-大气圈子系统,51,图3-24 中国多年平均降水量分布图 （中国西部地区生态环境现状遥感调查图集，国家环境保护总局，科学出版社， 200
15、2年）,3-大气圈子系统,52,图3-25 中国多年平均降水量分布图 （中国西部地区生态环境现状遥感调查图集，国家环境保护总局，科学出版社， 2002年）,3-大气圈子系统,53,3.4 天气与气候天气和气候是两个不同概念。天气指某一地区、某一时刻、某一条件下的大气物理状况；气候是指某地区平均大气状况，是该地区多年常见和特有天气状况的综合，包含该地区经常出现正常天气情况和特殊年份出现极端天气情况。,3-大气圈子系统,54,3.4.1 天气系统天气系统是指引起天气变化和分布的高压、低压、高压脊、低压槽等具有典型特征的大气运动系统。气团锋面 气旋和反气旋副热带高压,3-大气圈子系统,55,图3-2
16、6 冷锋结构示意图 （据M. J. Pidwirny，2002年资料）,冷锋移动方向,冷锋的地图符号,冷锋前缘 退缩的暖空气,暖湿被冷锋抬升 所形成的云系,冷锋后面 向前推进的 寒冷气流,3-大气圈子系统,56,图3-27 暖锋结构示意图 （据M. J. Pidwirny，2002年资料）,3-大气圈子系统,57,3.4.2 气候系统气候系统是决定气候的形成、分布和变化的自然系统。完整的气候系统由5个组成要素，即：大气圈水圈冰雪圈生物圈陆地表面,3-大气圈子系统,58,气侯要素随纬度呈有规律的分布，全球气候也相应地形成纬向分布的气候带。苏联学者. 阿里索夫，依据气团地理类型及活动范围，从气候发
17、生上划出如下的气候带：赤道气候带，赤道季风气候带，热带气候带，副热带气候带，温带气候带，副极地气候带，北(南)极气候带。,3-大气圈子系统,59,图3-28 中国气候地带分布图 （据全国农业区划委员会，中国农业资源与区划要览，测绘出版社，1987年资料）,3-大气圈子系统,60,气候分类方法有多种，在地理学和环境科学界常用柯本气候分类方法，它是以气温和降水量这两个气候要素为基础，并参考自然植被的分布的气候类型。柯本首先将全球气候划分为A、B、C、D、E五个气候带，其中A、C、D、E带为湿润气候，B带为干旱气候，各带之中又划分出若干气候型。,3-大气圈子系统,61,3.5 人类活动对大气圈的影响
18、,人类生活于大气圈底部，大气圈的物质组成及其性状对人类生产、生活与健康具有重要的影响。人类活动时刻不断地对大气圈施加各种各样的影响，这些影响可归结为：温室气体排放、臭氧层耗损、大气污染、城市小气候与热岛效应。,3-大气圈子系统,62,3.5.1 温室气体及温室效应大气层中那些对太阳短波辐射透明、且能够吸收地面和低层大气长波辐射的气体被称为温室气体，其种类主要有：CO2、CH4、N2O、CFCs等，如下表所示。,3-大气圈子系统,63,主要温室气体分析表（据E D Enger，2004年资料）,3-大气圈子系统,64,图3-29 全球大气圈中CO2浓度变化过程示意图 （据E. D. Enger，
19、2004年资料）,3-大气圈子系统,65,3.5.2 大气污染大气是自然环境的四大组成要素之一，也是一切生命体维持其生存所必需的物质之一。大气及其质量优劣，对生物和人群的健康有着直接的影响。大气污染是指大气中一些物质的含量超过其正常本底值且持续的时间足以对人体、生物及材料产生不利的影响和危害，这时的大气状况就称之为大气污染。,3-大气圈子系统,66,大气污染源是指向大气环境排放有害物质或对大气环境产生有害影响的场所、装置和设备。按大气污染物质的来源，可分为天然污染源和人为污染源。,3-大气圈子系统,67,大气污染的天然污染源主要有：火山喷发；森林火灾；自然风尘；沼泽释放温室气体；海洋飞沫。人为
20、大气污染源可分四类：工业企业排放源点源；家庭炉灶与取暖设备排放源面源；交通运输污染源线源；农业污染源面源。,3-大气圈子系统,68,图3-30 菲律宾Mount Pinatubo火山 （1991年6月12日）喷发及其对全球大气质量的影响(据US Geological Survey),3-大气圈子系统,69,图3-31 希腊森林大火（2007年8月）对大气环境的影响遥感影像(据US-NASA，2007年资料),3-大气圈子系统,70,图3-32 2000年4月7日中午12时，北京师范大学俯视宿舍区景观， 当时是严重沙尘暴天气，大气污染指数为500，主要污染物是颗粒物,3-大气圈子系统,71,图3
21、-33 2000年4月16日中午12时，北京师范大学俯视宿舍区景观， 当时天气晴好，大气污染指数为112，主要污染物是颗粒物,3-大气圈子系统,72,图3-34 全球陆地大气干沉降颗粒物量分布图 （据李天杰等，2004年资料）,3-大气圈子系统,73,按大气污染物发生成因可归为两大类，即一次污染物(primary air pollutants)和二次污染物(secondary air pollutants)。,图3-35 大气圈中颗粒物种类及其特性图解,3-大气圈子系统,74,图3-36 人体呼吸系统解剖及大气颗粒物附着示意图 （据G. T. Miller，2004年资料）,3-大气圈子系统,
22、75,图3-37 人体正常肺与大气污染导致结核病之肺的比较 （据D. B. Botkin，1997年资料）,3-大气圈子系统,76,3.5.3 臭氧层耗损自然大气中O3多分布在距地面1050km的平流层中，其浓度峰值在距地面25km左右，O3分子的混合比是指单位体积大气中所含O3气体的体积，以mL/m3 表示；O3分子数密度是指单位体积内O3的分子数，以分子数/cm3表示。,3-大气圈子系统,77,由于现代工业的发展，人们的活动范围已进入了平流层，如超音速飞机向平流层中排放大量水汽、氮氧化合物、碳氢化合物等污染物，另外现代化学工业所释放的制冷剂、喷雾剂和发泡剂，这些含有CFCs类物质的污染物进
23、入平流层，在太阳辐射的作用下，能够加速O3耗损过程。,3-大气圈子系统,78,McElrog提出的平流层中O3耗损反应的氯和溴的协同作用机理： Cl O3 ClO O2 Br O3 BrO O2 ClO BrO Br Cl O2,总反应： 2O3 3O2,3-大气圈子系统,79,3.5.4 影响大气污染的环境因素一个区域大气污染程度取决于本区域污染源特征、环境因素。污染源特征决定着区域污染物数量和组成、排放方式和几何形状、相对位置和密集程度；环境因素决定了大气对污染物稀释扩散速率和迁移途径。,3-大气圈子系统,80,大气温度层结即大气垂直方向上的温度梯度，它是影响大气中污染物质垂直方向上迁移扩
24、散的重要因素。相关指标有气温垂直递减率（r）与大气干绝热垂直递减率（ rd ）。,3-大气圈子系统,81,图3-38 大气稳定性判断过程示意图,3-大气圈子系统,82,风和湍流对大气污染的影响：风是空气的水平运动，风对大气污染物的作用一是输送作用，二是冲淡稀释作用；湍流是空气做不规则运动即风力时大时小的阵性、风向的左右无规律摆动。大气运动具有十分明显的湍流特性，湍流运动的结果使气体的各部分得到充分混合。,3-大气圈子系统,83,图3-39 单箱模型示意图,3-大气圈子系统,84,另外其他环境地学因素也是影响大气污染的重要因素，这些因素主要包括：地形与地物山谷风海陆风及局部地区的水陆风植物群落类
25、型人工建筑群及城市热岛环流,3-大气圈子系统,85,3.5.5 城市小气候,城市小气候是大气圈局部经受人类活动强烈影响之后，形成的一种特殊的人工气候。人类活动影响大气圈的主要方式可以归结为：改变下垫面的物质组成及其性质改变了区域大气化学组成人类热排放,3-大气圈子系统,86,在人类活动的长期影响下，形成了特殊的城市小气候。与城市外围大气候相比较，城市小气候具有以下“五岛效应” ：热岛浑浊岛干湿岛静风岛劣质岛,3-大气圈子系统,87,城市小气候与郊区气候状况的比较,3-大气圈子系统,88,图3-40 伦敦城市热岛效益状况示意图,3-大气圈子系统,89,图3-41 城市热岛效益状况示意图,3-大气圈子系统,90,3.6 思考题与个案分析大气污染源有哪几种？试比较分析乡村与城市主要大 气污染物的异同。在大气污染治理中，在不同的气候类型区对颗粒物的治理方式有哪些？ 治理气态污染物的主要方式有哪些？汽车尾气污染与其他气态污染物的异同有哪些？常用的治理方式有哪几种？,3-大气圈子系统,91,5. 全球气候变暖的主要原因是什么？其主要的危害是什么？如何能够有效地解决全球气候变暖问题？酸雨的主要类型有哪些？它的产生原因与主要危害是什么？ 7. 如何认识臭氧在大气层中的作用？臭氧层破坏的主要原因是什么？臭氧层空洞的存在会带来什么后果？ 你认为最有效的防治大气污染的方法有哪些？,
