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第三章大气圈与气候系统第一节大气圈的组成与热能第二节大气水分和降水第三节大气运动和天气系统第四节气候的形成第五节气候变化第一节大气圈的组成和热能一、大气的成分二、大气的结构三、大气的热能四、气温一、大气的成分1干洁空气大气是由多种气体及固体微粒、液体微滴（水汽）混合组成的混合物，除去固体杂质和水汽之外的混合气体称为干洁空气（简称干空气）2大气的成分主要成分：地球表面的大气主要由氮（N2）、氧（O2）、氩（Ar）等气体组成。微量成分：二氧化碳、水汽、甲烷、氧化亚氮、二氧化硫、一氧化碳、氢气及惰性气体等。痕量成分：硫化氢、非甲烷类烃、臭氧、二氧化氮、一氧化氮、过氧化氢等。大气的组成示意图0.035%0.0018%0.00052%0.00014%0.00010%0.00005%0.00005%0.000007%氮气（N2）78.08%大气的组成成分氮（N2）氧（O2）氩（Ar）二氧化碳CO2）氖（Ne）氦（He）氪（Kr）氡（Rn）氙（Xe）甲烷（CH4）一氧化二氮（N2O）成分臭氧（O3）体积混合比体积混合比0.209470.000351.82X10-60.009340.780830.5X10-65.2X10-61.1X10-61.7X10-60.1X10-60.3X10-610X10-8～50X10-8大气的组成地球大气主要是由氮和氧等组成。目前，人们关心最多的含量较少、寿命较短的微量和痕量成分，如二氧化碳、臭氧、水汽及气溶胶等。这是因为尽管他们的浓度很低，但他们在大气中的浓度均有较大的时空变化，对地气系统热量的收支、大气温度的垂直结构及人类有着明显的影响。二氧化碳的气候效应二氧化碳是大气中的可变成份之一，主要来自火山喷发、动植物呼吸及人类活动。二氧化碳能强烈吸收地面长波辐射，从而使低层大气变暖；同时向周围及地面放射长波辐射，对大气和底边温度有明显的“温室”作用。二氧化碳对大气辐射收支的影响表现在：平流层冷却、对流层和地面升温。大气臭氧浓度随高度的变化（引自《大气科学辞典》）臭氧的浓度随高度的分布，具有不连续或突变现象。大气中O3主要存在于10～50km的大气层中，绝大部分集中在平流层，对流层只占了10%左右。近地面层臭氧含量少，从10km高度开始增加，到20～30km高度浓度达到最大值，称为“臭氧层”，再往上逐渐减少，到50km以上就极少了。这是由于不同高度上O3的形成条件不同造成的。据观测，大气中CH4的增加将引起对流层O2的增加，而N2O和CFCs的增加将引起平流层O3的减少。高度/km臭氧层臭氧浓度/m-350302010010174010191018高度/km臭氧层臭氧浓度/m-3101710191018高度/km臭氧层臭氧浓度/m-3101710191018大气臭氧的季节变化和纬度分布（引自《大气科学辞典》）大气臭氧的分布随纬度和季节的不同而不同：对纬度而言，臭氧总量的极小值在赤道附近，极大值在南北纬60o附近；就季节而言，春季出现极大值，秋季出现极小值。臭氧的地球环境意义臭氧是大气重要的可变成分和微量成分之一。臭氧能够强烈吸收太阳紫外辐射，对地球起保护作用称为地球的“保护神”。臭氧能强烈吸收太阳红外辐射，是一种重要的温室气体。南极上空臭氧层空洞水汽的环境意义二、大气的结构（一）大气质量1大气上界理论上应该是欺压为零处是大气上界，但空气分子分布很广，大气没有明显的上界。气象学家曾把极光出现的最大高度定义为大气上界（1200km）。大气物理学把大气密度接近星际气体密度的高度定义为大气上界（3000km）。2大气质量整个地球大气总质量为5.14×1018kg，随着高度增加密度锐减，质量也锐减。（二）大气压力（气压及其分布）从观测高度到大气上界单位面积上垂直空气柱的质量成为大气压强，简称气压。标准大气压、气压的日变化、年变化、非周期性变化。气压的水平分布及其水平气压场（高压、低压、槽、脊、鞍部）、垂直分布及其影响因素。理想大气中气压于海拔高度的关系。（三）大气分层整个大气分为对流层、平流层以及高空的中间层、暖层和散逸层。对流层大气的最底层，它的底界是地面，对流层厚度9-18km左右。平流层从对流层顶以上到50～55km高度为平流层。中间层自平流层顶到80～85km左右为中间层。暖层自中间层顶到800km高空为暖层，又称热层。散逸层暖层以上的最高层大气称为散逸层，又称外层。大气中温度、密度以及物质成分的分层结构由于地球引力作用，大气密度随高度的增加逐渐减小，到大气上界，逐渐过渡为星际气体密度。从地面到高空，不仅大气的密度、成分不同，大气的温度也存在着明显的变化。可以这么认为：地球大气在垂直方向上形成三个相对的暖层和两个相对的冷层。世界气象组织（WMO）根据气温从地面到高空垂直方向的分布，将整个大气分成对流层、平流层以及中间层、暖层和散逸层。小知识（人类活动引起对流层高度增加）美国科学家2003年研究表明：大气层最低层——对流层的高度逐年升高，对流层高度发生变化大部分是人为因素造成的。美国劳伦斯.利弗莫尔国家实验室的本·桑特(BenSanter)称，自1979年以来，对流层的高度一直在增长，目前已增长了几百米的高度。对流层的变化主要是由运输工具和工业排放物造成的。对流层的高度是全球环境变化的晴雨表。影响对流层高度的可能性因素有五种，其中三种是人为因素，二种是自然因素。这些因素是：大气层中二氧化碳、甲烷等导致温室效应的气体含量，空气中固体微粒产生的太阳反射光线，大气的臭氧浓度，太阳释放出的光和热，火山爆发喷射到大气中的尘埃。这些因素影响着大气层中不同高度气层的变化。破坏臭氧层可能使大气层的高层——同温层变冷和收缩。二氧化碳、甲烷等导致温室效应的气体含量增大，可以使对流层变暖和扩大。使距地面9-18千米的对流顶层不断升高。桑特的研究报告指出，“这五种因素的共同作用形成对流顶层的升高。自二十世纪末以来，二氧化碳、甲烷等导致温室效应的气体和臭氧是大气层的主要影响因素。”对流层的主要特征气温随高度升高而降低（气温直减率）；空气的对流运动显著（受地面热力作用影响）；天气现象复杂多变（大气质量的3/4和几乎全部水汽集中在对流层中）。摩擦层（行星边界层）自由大气层（天气现象发生）对流层顶（过渡层）对流层的分层小知识（对流层高度的纬度差异和季节差异）大气温度高低不同就会造成密度上的差异。气温高，密度小；气温低，密度就大。密度分布不均是造成大气运动的最本质的原因。在对流层里，一方面在垂直方向上温度分布不均，上冷下暖；另一方面，由于太阳能量在各纬度分布不均匀，加上地球表面海陆分布、地形等地表状况不同而造成大气温度水平分布也不均匀，有的地方热，有的地方冷。综合这两方面的影响，在地球表面，热的地方气温高，空气密度小，容易产生空气的上升运动，冷地方的空气就会流来补充；冷的地方因有空气流向热的地方，从而产生下沉运动，这样便形成了大气的对流运动。在垂直方向上影响空气密度的因素不仅仅是温度，地球的引力作用对高低空大气密度分布也有着重要影响，越靠近地面，引力越大，空气密度也就越大，相反就越小。在对流层里上冷下暖的温度结构，可以减小由于引力作用所造成高低空大气密度的差异，因而有利于对流运动发展，特别是在上冷下暖差异特别大时最为有利。这里说对流层里上冷下暖有利于空气对流，意思是它并不一定形成大气对流运动，还需要在水平方向上冷热分布不均，才能产生对流运动。因此，对流层里大气的对流运动，是由于大气温度在垂直方向上递减和水平方向上冷热不均所造成的。因此，在地球上，由于太阳能量在各纬度分布不均，温度存在差异，低纬地区受热多，温度高，上冷下暖差异特别大，对流运动特别显著，对流运动所达高度就最高，对流层的高度就最大，高纬地区相反。同样道理，同一地区由于季节的不同，温度状况也存在差异——夏高冬低，因此对流运动的程度也不相同，因而对流层的高度也有差异。（四）标准大气人们根据高空探测数据和理论，规定了一种特性随高度平均分布的大气模式，成为“标准大气”或“参考大气”。标准大气：假定空气是干燥的、86km以下是均匀混合物，处于经理平衡和水平成层分布。三、大气的热能（一）太阳辐射（二）大气能量及其保温效应1、对太阳辐射的直接吸收2、对地面辐射的吸收3、潜热输送4、感热辐射（三）地—气系统的辐射平衡高低纬间的传输：主要依靠全球性的大气环流（显热和潜热）及洋流来实现的。海陆间的传输：冬季，海洋是热源，大陆是冷源，热量从海洋输向大陆。越近海洋，输热越多，气温越高。高低空之间的传输：在对流层中，由于空气的对流，高低空之间也在进行着能量的传输。大气中能量的传输热量输送和地球上的热量平衡（Strahler）由赤道向极地的高低纬之间的热量传输，主要依靠全球性的大气环流（显热和潜热）及洋流来实现的，并随纬度和季节而异。从纬度看，全球能量的输送是从南北纬35o之间的辐射差额正值区向纬度高于35o的负值区输送，就平均而言，输送量以纬度40o附近为最大值。四、气温（一）气温的周期性变化日变化、年变化（二）气温的水平分布全球气温水平分布的特点：（三）气温的垂直分布气温垂直递减率、逆温（逆温产生的原因：辐射、平流、锋面、下沉）逆温的环境意义。