农业气象学之地球大气

大气的组成大气的铅直结构大气的物理性质(自学)Chapter1地球大气大气的组成水汽杂质干洁大气氧气氮气臭氧二氧化碳稀有气体氩气氮78%氧21%氩和其他气体CO2、O3一、干空气的成分(25Km高度以下)含量(％)临界温度临界压力沸点温度(℃)(当大气压力为气体种类按容积按质量分子量(℃)(大气压)1013.3hPa)氮(N2)78.0975.5228.016—147.233.5—195.0氧(()2)20.9523.1532.000—118.949.7—183.1氩(Ar)0.931.2839.944—122.048.0—185.6二氧化碳(CO2)0.030.0544.01031.073.0—78.2臭氧(O3)1.0×10-648.000—5.092.3—111.1干洁空气10010028.966—140.737.2—193.0从上表看出，各种气体的沸点都很低，在地球上可能出现的温度范围内，除CO2、O3外，其它气体永无液化的可能，所以干洁大气是永久气体。85km以下成分不变。大气各种成分和世界万物的关系微生物动物植物人成分成云致雨的必要条件主要成分次要成分水汽固体杂质生物体的基本成分，合成氮肥的原料维持生物活动的必要物质植物光合作用的原料；对地面保温吸收紫外线，使地球上的生物免遭过量紫外线的伤害成云致雨的必要条件；对地面保温大气组成主要作用干洁空气O3N2O2CO2大气各成分的作用低层干洁大气中以N2，O2，CO2，O3最为重要1、臭氧(O3)时空变化：时间变化：最大值出现在春季，最小值出现在夏季空间变化：水平：由赤道向两极增加垂直：55～60km，含量极少20～30km，达最大值，形成臭氧层12～15km以上，含量增加特别显著从10km向上，逐渐增加近地面，含量很少臭氧层的作用：一是对紫外线有着极其重要的调控制作用；二是对高层大气有明显的增温作用；此外还有杀菌作用，但多会造成伤害臭氧层是指大气层的平流层中臭氧浓度相对较高的部分，主要作用是吸收短波紫外线。臭氧层密度不是很高，如果它被压缩到对流层的密度，它会只有几毫米厚了太阳辐射中波长短于0.29μm(1μm＝10cm)的紫外线被臭氧吸收，保护地面的生物免受过多紫外线的伤害；透射到地面上少量的紫外线，具有杀菌作用。同时由于大量吸引太阳紫外线，使得20～25Km气层以及上层的温度大为增加1、臭氧(O3)1、臭氧(O3)这幅地图显示的是臭氧洞。1986年，南极的臭氧量仅是30年前的一半1988年，曾发现北半球上空臭氧层已比20年前要薄百分之三。这种变化足以使皮肤癌的病例增加皮肤癌晒伤的危险系数下降40%每周一勺左右的柠檬汁其发病率下降30%南极臭氧含量的变化2、二氧化碳(CO2)来源：生物的呼吸、化石燃料的燃烧、有机物质的燃烧和分解、火山喷发作用等时空变化：时间变化：a)白天、晴天、夏季时的二氧化碳浓度小于黑夜、阴天、冬季b)工业革命前小于工业革命后空间变化：水平：城市大于农村；垂直：0～20km，含量最高；20km以上，含量显著减少大气中CO2含量很少，其平均含量约占大气容积的0.036％作用：CO2是绿色植物进行光合作用不可缺少的原料；使地面保持较高的温度，产生“温室效应”。目前成为世界各国政府可科学家的关注1750年前维持在280ul/L，目前达到360ul/L。平均每年上升0.04％2、二氧化碳(CO2)Greenhouseeffects温室气体主要包括：二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氟氯碳化物、(CFCs)、氧化亚氮(N2O)、六氟化碳(SF6)、全氟碳化物(PFCs)、氢氟碳化物(HFCs)等。温室效应:大气中对长波辐射具有屏蔽作用的温室气体浓度增加使较多的辐射能被截留在地球表层而导致温度上升。IncomingsunlightwarmsthesurfaceoftheEarthandisradiatedbacktoatmosphere.Greenhousegasesabsorbsomeofthisheat,trappingitintheatmosphere.GREENHOUSEEFFECTCarbonaccumulationCO2hasincreasedfromitspre-industriallevelThecarbondioxideconcentrationoftheatmospherehasshownasteadyincreasesincetheIndustrialRevolution.Averageglobaltemperatureshavealsoshownagradualincreaseduringthepastcentury,parallelingtheincreasingatmosphericcarbondioxide.CO2CONCENTRATIONANDGLOBALWARMING珠峰冰川对比图片。上图为1968年中科院珠峰考察时拍摄的中绒布冰川；下图为绿色和平2007年拍摄的中绒布冰川。挪威冰川对比图片南极洲浮冰哈龙冰川冰舌末端位置对比图片。上图由MatthiasKuhle博士摄于1981年6月；下图由绿色和平JohnNovis摄于2005年6月。通过两张照片中冰川末端、冰川厚度、表碛覆盖等对比可以看出随着全球变暖，近25年老哈龙冰川退缩显著。黄河源冰湖溃决对比图片。上图由绿色和平JohnNovis摄于2005年6月；下图由绿色和平杜江摄于2005年9月。全球变暖解冻的冻土层使地基变形几乎干竭的巴西库鲁阿伊湖(1)大气中的氮，植物不能直接吸收，但豆科植物的根瘤菌具有固氮作用，能够固定和利用大气中的氮，另外大气中氮的氧化物也可随降水进入土壤，供给植物的需要(2)氧不但为动物和植物呼吸所必需，并且还决定着有机物质的燃烧、腐败和分解3、氮和氧二、水汽来源：主要来自江、河、湖、海、潮湿陆面的水分蒸发以及植物表面的蒸腾含量随时间和空间以及气象条件的变化而变化1.主要集中在2～3Km以下的大气层中2.大气中水汽的含量还随地区、季节的不同而变化；一般来讲，低纬度地区大气中水汽含量比高纬度区多；夏季多于冬季。如：热带雨林地区，近地面空气中水汽占体积百分比可达4%，干旱沙漠不到0.01%。二、水汽3.在大气温度变化的范围内，水汽是唯一能进行气、液、固态三相变化的大气成分4.水汽有两个特点：其一是水汽在相变过程中都要吸收和放出潜热；其二水汽能强烈吸收和放射长波辐射。所以，水汽不仅影响大气中的湿度状况，同时也影响地面和空气温度变化二、水汽大气中悬浮的各种固态和液态微粒，统称杂质。它们主要集中在3Km以下的低层大气中(包括气溶胶粒子和大气污染物质两大部分)1.气溶胶粒子：指大气中沉降速率极小、尺度在10-4μm到100μm之间的固态和液态微粒。是低层大气中的重要组成部分液体质粒：使水汽凝结成为水滴或水晶，对成云致雨有重要作用固体质粒：有机质：植物花粉、微生物和细菌无机质：烟粒、灰尘、尘埃等三、大气中的杂质气溶胶粒子对大气中物理过程和现象的作用(1)吸收太阳辐射，使空气温度增高，但削弱了到达地面的太阳辐射——阳伞效应(2)阻挡地面辐射，减缓地面的辐射冷却(3)降低大气的透明度，影响能见度(4)充当水汽的凝结核，对成云致雨有重要意义火山喷发产生的气溶胶吸收和反射太阳辐射提高平流层温度降低对流层及地面温度——阳伞效应大气中的污染物质定义：由于人类活动或自然过程，使局部、甚至全球范围的大气成分发生对生物界有害的变化来源自然过程形成：火山爆发、风吹扬沙和沙尘暴、雷击森林失火等人为过程造成：工业和交通上煤炭、石油、天然气的使用，农业上化肥、农药的喷施，生活上制冷采暖的排放与泄漏等大气中的污染物质分布：空间：垂直：主要集中在3km以下的低层大气中水平：城市多，农村少；陆地多，海洋少时间：冬季多，夏季少；清晨和夜间多，午后少分类：一次污染物：直接从污染源排出来的物质二次污染物：进入大气的一次污染物互相作用或与大气正常组分发生化学反应，以及在太阳辐射线的参与下引起光化学反应而产生的新的污染物一、大气上界大气上界的界定:1、极光出现的最大高度是1000～1200Km来估计大气上界，因此，将此数字定为大气的物理上界2、大气密度接近于星际气体密度的高度来估计大气上界。大气上界为2000～3000Km大气结构和垂直分层大气圈以地球的水陆表面为其下界，称为大气层的下垫面。是影响气候的重要因素之一，包括地形、地质、土壤和植被等。在相同气象条件下不同下垫面表面温度有很大差异，下垫面的绿化能够有效改善了局部微气候大气结构和垂直分层对流层平流层中间层热成层散逸层电离层1.对流层厚度变化：空间：低纬地区平均为17～18Km，在中纬地区平均10～12Km，在高纬地区平均为8～9Km。时间：一般夏季对流层厚度比冬季厚2Km以下大气层称为摩擦层；2m以下大气层称为贴地层；从地面到50~100m高度的气层称为近地层。对流层特点：(1)集中了整个大气3/4的质量和几乎全部的水汽。大气中的各种天气现象如风、云、雨、雪等都发生在这一层里，对天气分析和预报具有重要意义二、大气的铅直结构随纬度增加，厚度降低(2)气温随着海拔高度的增高而降低平均来说，每上升100m，气温约下降0.65℃，称气温直减率，也叫气温铅直梯度，通常以r表示：(3)对流层空气具有强烈的垂直运动和不规则的乱流运动。结果使高层和低层之间的冷暖空气进行了交换，使近地面的热量、水汽、杂质等向上输送。这对成云致雨有重要作用(4)气象要素水平方向上分布不均匀(温度、湿度)γ0时，表示气温随高度升高而降低；γ=0时，表示气温不随高度变化而变化；γ0时，表示气温随高度升高而升高（逆温层）。逆温是环境中很重要的大气现象，许多严重的污染事件都与之有关。逆温现象出现时，气层稳定性强。导致排放的气体污染物累积并产生污染事故ZTZT逆温层与工业大气污染光化学烟雾、氮氧化物和臭氧污染酸沉降的后果对流层分层下层、中层、上层、对流层顶（气流、气温、天气现象）下层(摩擦层或行星边界层)：0~2km摩擦作用、对流运动和乱流运动最强烈气温、空气湿度等气象要素有明显的日变化、水汽丰富，风速随高度增加而加大。摩擦层（贴地层2m和近地层0—50~100）中层：2-6km空气运动以对流为主有中云和积雨云出现，由云滴增大成雨滴的过程多在此层进行，因而是形成降水的重要气层对流层分层下层、中层、上层、对流层顶上层：6km至对流层顶受地面影响更小，气温常在0℃以下，水汽含量少，各种云均由冰晶或过冷却水滴组成在中、低纬度地带，常出现风速等于或大于30m·s-1的强风带，即所谓高空急流对流层顶：对流层与平流层之间1~2km的过渡层气温随高度变化很小，甚至等温或逆温状态由低层上升而至的水汽和尘埃等多聚集在这里，使能见度恶化2.平流层：自对流层顶到50Km高度。在平流层下层，即30～35km以下，温度随高度降低变化较小，气温趋于稳定，所以又称同温层。在30～35km以上，温度随高度增加升高较快。其特点：第一、在平流层的下部，随着高度增加，气温最初保持不变，在25Km以上，气温随高度增加而显著升高；到50Km高度上接近0℃？第二、在平流层中空气的垂直运动明显减弱，主要是水平运动第三、在平流层中，水汽和尘埃含量极少。晴朗少云，大气透明度好，气流比较平稳，适于飞机飞行大气结构和垂直分层3.中间层自平流层顶到85Km高的气层为中间层。这一层空气更为稀薄气温随高度增高而迅速下降，其顶部气温可降至－83℃以下。有强烈的对流运动，称为“高空对流层”大气结构和垂直分层大气结构和垂直分层4.热成层(热层、暖层、电离层)：中间层顶～500km.温度随高度的升高迅速增高。暖层的空气处于游离状态。这是由于该层空气在强烈的太阳紫外线和宇宙射线(宇宙高能粒子)的作用下呈电离状态，产生电离现象对无线电通讯，卫星、火箭的发射有重要作用5、散逸层：500km高度以上到大气上界的大气层称散逸层。大气物质有向星际空间散逸的特性大气