第2章.大气与气候ppt课件.ppt

第二章大气和气候 了解大气的组成成分和热能来源掌握大气水分和降水形成及类型的知识知道几种大气的运动形式了解气候的形成及其影响因素简要了解气候变化及其趋势 第一节大气的组成与结构 一 大气的组成成分地球大气是多种物质的混合物 由干洁空气 水汽 悬浮尘粒或杂质 气溶胶 等组成 在距地表85km以下的各种气体或成分中 一般可分为两类 一类称定常成分 主要有氮 氧 氩和微量惰性气体氖 氦 氙及氪等 另一类称可变成分 包括水汽 二氧化碳 臭氧和碳 硫 氧的化合物 一 干洁空气通常把除水汽 液体和固体杂质外的整个混合气体 称为干洁空气 简称干空气 它是地球大气的主体 主要成分是氮 容积约占78 氧 容积约占21 其次是氩 占0 9 和二氧化碳 占0 03 此外 还有一些稀有气体和CH4 SO2 NO2 CO NH3 O3等 它们的总和也不超过0 1 1 氮气和氧气N2约占大气容积的78 常温下 N2的化学性质不活泼 只能通过豆科植物根瘤菌 部分固定于土壤中 O2占地球大气质量的23 按体积比占21 丰富的O2是动植物赖以生存 繁殖的必要条件 除了游离存在的氧气外 氧还以硅酸盐 氧化物 水等化合物形式存在 在高空还有臭氧及原子氧 干洁空气的成分 25km高度以下 2 二氧化碳 CO2只占整个大气容积的0 03 多集中在20km高度以下 主要由火山喷发 有机物燃烧 腐烂和生物呼吸过程产生 因此 大工业区和城市上空大气CO2的含量较多 二氧化碳在水温低的情况下 易溶于海水 所以海洋中CO2比大气可能要多几倍 CO2能强烈吸收地表长波辐射 可能改变大气热平衡 导致地面和低层大气平均温度上升 引起严重的气候问题 二氧化碳可以用作惰性介质 化学反应剂 碱的中和剂和加压剂 3 臭氧 臭氧主要分布在10 40km高度处 极大值在20 25km附近 称为臭氧层 大气中的臭氧主要是在太阳紫外线辐射作用下形成的 有机物的氧化和雷雨闪电作用也能形成臭氧 O3在大气中的比例虽然很小 但具有强烈吸收太阳紫外辐射的能力 对大气有增温作用 并在高空形成一个暖区 大量紫外线在高空被臭氧吸收 使地面上的生物免受危害 氟氯烃 俗称氟利昂 主要用于冷冻剂 消毒剂 灭火剂 对臭氧层的破坏 以致在南极和北极上空出现了臭氧含量极少甚至无臭氧的臭氧层空洞 导致大量紫外线轻易达到地表 危害和威胁人类健康 植物生长 并加剧大气温室效应等现象出现 还可能引起一系列不利于人类的气候生物效应 因而受到国际社会广泛重视 臭氧空洞 空洞原因 当前 对南极上空出现臭氧空洞的原因有种种解释 归纳起来有如下三点 宇宙高能粒子簇射破坏了臭氧层 通过人造地球卫星发现 地球每隔27天就有两天半要受到宇宙高能粒子簇射 射向地球的带电粒子 其能量为200 1500万电子伏特 这些带电粒子在地球磁场作用下沿着磁力线向南北两极射去 当南半球冬季到来时 南极大陆处于黑夜 大气中间层的氮 氢化合物在带电粒子的影响下浓度开始升高 当南极大陆出现太阳的早春季节到来时 氮 氢化合物由于气温升高开始发生化学反应 这一过程使臭氧层迅速遭到破坏 因而在南极上空臭氧层出现空洞 化学反应引起臭氧耗损造成臭氧空洞 怀俄明大学的霍夫曼认为 臭氧层出现空洞是由于工业化产生的氟氯化物 氟利昂 引起的化学反应造成的 氟利昂能破坏离地面25km高大气层里的臭氧 使透过大气层的太阳紫外线增强 导致皮肤癌的患者增加 并有可能影响气候 这种解释最近得到验证 大量废气的排放使臭氧层出现空洞 专家指出 近年来由于在同温层飞行的喷气式飞机和火箭 导弹日益增多 将大量废气排放到高空 臭氧遭到耗损 若不采取措施 任其发展下去 就会严重地破坏臭氧层 空洞的面积将会越来越大 南极臭氧层位于离地面12 50km高度的平流层中间 它的浓度重心约在23km处 每逢到8 11月时 美国的观测卫星便在南极上空拍摄照片 观察臭氧层的变化情况 发现臭氧层逐年变薄 并已形成一个相当大的空洞 二 水汽 据估计 整个大气包含的水汽占地球水量的0 001 相当于24mm厚的水层 大气中水汽主要来源于水面蒸发和植物蒸腾 特别是海洋蒸发 水汽上升凝结形成后 又以降水形式降到陆地和海洋上 水汽在大气中是一种可变气体 含量不仅随时间和地点变化 而且与大气环流 海陆分布密切相关 大气中水汽是唯一能发生相变的成分 常见的云 雾 雨 雪等天气现象 都是水汽相变的表现 同时 水汽能强烈吸收和放出长波辐射能 在相变过程中还能释放和吸收热量 因此 水汽在天气变化 大气能量转换过程及大气与地面的能量交换中起着重要的作用 三 气溶胶 固 液体杂质 大气颗粒物是指那些悬浮在大气中沉降速率很小的固体 液体的微粒 主要有烟粒 尘埃 盐粒等 在环境科学中 有时把颗粒物称为气溶胶粒子 气溶胶多集中于低层大气中 烟粒主要来源于生产 生活方面物质的燃烧 尘埃主要来自地面扬尘及火山爆发后产生的火山灰 流星燃烧的灰烬 盐粒则主要是海洋波浪飞溅进入大气的水滴被蒸发形成的 一般来说 固体杂质的含量在陆地上空多于海洋上空 城市多于乡村 冬季多于夏季 白天多于夜晚 尽管气溶胶不是大气的主要成分 但它是大气环境中普遍存在又无恒定化学组分的聚集体 它本身可能是有害物质 也可能是有毒物质的运载体或反应床 此外 颗粒物能够散射太阳光 致使能见度下降 改变地球的辐射平衡 从而影响地面温度的变化 同时大气中的固体杂质能充当水汽凝结的核心 对云雨的形成起重要的作用 更重要的是颗粒物可在全球范围内扩散迁移 因此 对大气颗粒物的研究越来越受到重视 二 大气的垂直结构大气的下界为地面 上界则说法不一 有的把极光出现的高度作为大气的上界 大约是1200km的高度 有的则着眼于大气密度 用接近于星际的气体密度的高度来估计大气的上界 其高度大约在2000km 3000km 大气在垂直方向上的物理性质有显著的差异 在气象学中 通常根据温度和大气垂直运动情况 可将大气分为五层 对流层 平流层 中间层 热层和散逸层 一 对流层1 气温随高度增加而降低对流层中 气温随高度增加而降低的量值 因所在地区 所在高度 季节等因素而异 平均而言 高空每增加100m 气温则下降约0 65 这称为气温直减率 也叫气温垂直梯度 2 垂直对流运动强对流运动的强度主要随纬度和季节的变化而不同 一般情况是 低纬较强 高纬较弱 夏季较强 冬季较弱 因此对流层的厚度从赤道向两极减小 在同一纬度 尤其是中纬度 对流层厚度夏季较大 冬季较小 3 气象要素水平分布不均匀由于对流层受地表的影响最大 而地表面有海陆分布 地形起伏等差异 因此在对流层中 温度 湿度等的水平分布是不均匀的 于是产生一系列物理过程 形成复杂的天气现象 因此 对流层与地表自然界和人类关系最密切 二 平流层 同温层 1 气温分布受地面影响小在高度为15 35km范围内形成厚度约20km的臭氧层 臭氧能够吸收来自太阳的紫外线释放出热量 这是平流层温度升高的原因 2 平流层内垂直对流运动很小主要由于这层是上热下冷 多为平流运动 故污染物进入此层后 形成一薄层气流很快随地球旋转运动而分布到全球 有的可在此停留几年 3 大气透明度高平流层中水汽含量极少 大多数时间天空是晴朗的 没有对流层中那种云 雨等现象 尘埃很少 因而是现代超高速飞机飞行的理想场所 但是超高速飞机和宇航业的发展 散发出的大量一氧化碳 氮氧化物等还原性气体 造成对臭氧层的破坏 成为人们关注的全球性环境问题 三 中间层 上对流层 从平流层顶到55 85km间的一层 称为中间层 在这一层中 气温随高度的增加而迅速下降 至中间层顶 气温可达 92 左右 该层大气垂直运动相当强烈 故又称上对流层或高空对流层 中间层内水汽含量更少 几乎没有云层出现 四 暖层 热层 从80km到约500km称为热层 该层有如下特点 1 气温随高度增高而普遍上升 2 空气处于高度电离状态从这一特征来说 又可把热层称为电离层 五 散逸层在热层上部800km以上的大气层 还有一个散逸层 或外层大气层 由于远离地面 受地球引力作用较小 因而大气质点将不断地向星际空间逃逸 本层是大气圈与星际空间的过渡地带 大气主要层次及其特征 第二节大气的热能和温度 一 太阳辐射 一 太阳辐射光谱和太阳常数1 太阳辐射光谱太阳辐射光谱是指太阳辐射按波长的分布情况 太阳辐射主要分布在可见光区和红外区 两者约占总能量的93 紫外辐射仅约占7 相对于地球辐射来说 太阳辐射的波长较短 也称短波辐射 太阳辐射强度指单位面积上单位时间内垂直投射的太阳辐射能 2 太阳常数 S0 太阳常数 S0 是指在日地平均距离上 大气上界垂直于太阳光线的单位面积上每分钟接受的太阳辐射 国际气象组织 WMO 在1981年推荐太阳常数的最佳值为1367W 事实上 由于太阳光谱辐照度随波长的变化曲线而有年际变化 太阳常数并非保持恒定 但从气候学观点出发 可以把太阳常数当作一个平均概念对待 1 反射大气中的云层和较大颗粒的尘埃能将太阳辐射中的一部分能量反射到宇宙空间去 其中云的反射作用最为显著 反射对各种波长没有选择性 所以反射光呈白色 反射 二 太阳辐射在大气中的削弱 散射 2 散射太阳辐射通过大气遇到空气分子 尘埃 云滴等质点时 一部分向侧方散射 使投射方向的能量因而减少 有分子散射和粗粒散射之分 分子散射发生在晴好天气 当太阳位于天顶时 蓝光被散射50 以上 而红光几乎完全通过 所以晴空呈蓝色 当大气中含有较多粗粒时 对辐射的散射是没有选择性的 因此 当空气中存在较多的尘埃或雾粒时 天空呈灰白色 3 吸收大气中能吸收太阳辐射的物质主要是臭氧 氧 二氧化碳及固体杂质等 它们的吸收有选择性 但总体上主要削弱紫外和红外部分 对可见光影响较小 吸收 上述三种方式中 以反射作用最为重要 散射作用次之 吸收作用最小 以全球平均状况而言 太阳辐射约有31 因反射和散射回到宇宙空间 24 被大气直接吸收 45 到达地面 大气对太阳辐射的过滤 1 直接辐射太阳直接辐射的强弱和太阳高度角及大气透明度有关 直接辐射量有日变化 年变化和纬度变化 这种变化主要由太阳高度角决定 2 散射辐射散射辐射的强弱也和太阳高度角及大气透明度有关 太阳高度角增大时 到达近地表层的直接辐射增强 散射辐射也就相应增强 大气透明度不好时 参与散射作用的质点增多 散射辐射增强 反之 减弱 云也能强烈地增大散射辐射 散射辐射的变化也主要决定于太阳高度角的变化 一日内正午前后散射辐射最强 一年内夏季散射辐射最强 3 总辐射总辐射变化取决于太阳高度 大气透明度 云量等因素的共同影响 总辐射有明显的日变化和年变化 在一天之内 夜间总辐射为零 日出后逐渐增加 正午达到最大值 午后又逐渐减少 日出前达极小值 在一年中总辐射强度在夏季最大 冬季最小 总辐射随纬度的分布一般是纬度愈低 总辐射愈大 反之就愈小 4 地面对太阳辐射的反射投射到地面的太阳辐射 并非完全被地面所吸收 其中一部分被地面所反射 反射部分的辐射量占总辐射量的百分比 称为反射率 地面性质和状态不同 反射率差别很大 总的说来 水面比陆面反射率稍小一些 由此可见 即使总辐射的强度一样 不同性质的地表真正得到的太阳辐射仍有很大差异 这是导致地表温度分布不均匀的重要原因之一 二 长波辐射 2 大气辐射大气中的水汽 臭氧和二氧化碳等气体 都具有强烈地吸收和发出长波辐射的能力 一 地面 大气的辐射和地面有效辐射1 地面辐射由地面向上空放出的热量 大部分为大气所吸收 小部分直达宇宙空间 3 地面有效辐射大气辐射中向下的那一部分 称为大气逆辐射 逆辐射可减少地面因长波辐射而损失热量 这对地表的热量平衡具有重要意义 它使太阳短波辐射易于达到地面 地面长波辐射却不容易散失到宇宙空间 从而对大气起保温作用 使地面温度变化不致过于剧烈 地面辐射和大气逆辐射是经常存在的 地面辐射和地面所吸收的大气逆辐射的差值 称地面有效辐射 地面有效辐射F0示意图Fo Eg Ea 二 地面及地 气系统的辐射平衡辐射差额是指所考虑的系统在一定时间内辐射能收入和支出的差值 因为此差值一般不等于零 所以称为辐射差额 又称为辐射平衡或净辐射 1 地面辐射平衡在某一段时间内单位面积的地表面吸收辐射与放出辐射之差 即是地面辐射平衡 它既可为正值 也可为负值 在一天内 差额在白天为正 夜间为负 地面辐射平衡Rg示意图Rg S D 1 a F0 2 地 气系统辐射平衡若把地面和大气看成一个系统 则此系统的辐射差额称为地 气系统的辐射平衡 在这个系统中 收入部分是由地面和大气所吸收的太阳辐射所组成 而支出部分则是辐射到宇宙空间去的地面和大气长波辐射 地 气系统的辐射平衡是随纬度增高而由正值转变为负值的 辐射平衡的这种分布 也正是引起高 低纬度之间大气环流和洋流产生的基本原因 太阳的短波辐射 全球辐射平衡图解 从全球多年平均的辐射平衡图中可以看出两个重要的事实 1 从整个地 气系统平均状况来看 地面和大气从太阳得到的能量与发射到外层空间的能量相等 因此 整个自然环境能量处于相对平衡状态 平均温度比较稳定 2 地 气系统内部有着复杂的能量转换和能量输送过程 尽管大气和地面之间的能量交换很复杂 但是地面和大气的能量收支均相等 两者的平均温度都比较稳定 注意 全球年平均辐射平衡为零 但局部地区却并非如此 低纬地区辐射平衡为正 能量盈余 高纬地区辐射平衡为负 能量亏损 能量由低纬向高纬输送主要是依靠全球性的大气环流和洋流进行的 3 辐射平衡的变化辐射平衡有明显的日变化和年变化 在一日之内 白天辐射平衡为正 夜晚为负 辐射平衡由正转为负或由负转为正的时刻 分别出现在日没前与日出后一小时 在一年内 北半球夏季的辐射平衡因收入的太阳辐射增多而加大 冬季则相反 甚至出现负值 这种年变化情况因纬度不同而不同 纬度愈高 辐射平衡保持正值的月份愈少 三 气温 气温是大气热力状况的数量度量 热量是能量 温度是表征物质热量状况的度量标准 气温用温度计测定 一般将温度计安装在距地面1 5m 四周通风 空气可自由流动 但阳光不能直接射入的百叶箱内 气温变化特点通常用平均温度和极端值 绝对最高温度 绝对最低温度表示 一 气温随时间的变化从长时间平均看 热量得失总和应该平衡 因此地面的平均温度维持不变 但在某一段时间内 可能得多于失 地面有热量累积而升温 从而导致支出增加 趋于新的平衡 反之 当失多于得时 地面将伴随有降温过程 由于在这种热量收支平衡过程中 太阳辐射处于主导地位 因此随着日夜 冬夏的交替 地面的温度也会相应地出现日变化和年变化 且变化的幅度与纬度 天气 地表性质等影响热量平衡的控制因子有关 此外地面温度的变化也会通过非绝热因子传递给大气 大气温度也会相应出现变化 1 周期性变化 气温的日变化近地层气温日变化的特征是 在一日内有一个最高值和一个最低值 最高值出现在14时左右 气温最低值在日出前后 日出之后 太阳辐射加强 地面储存热量又开始增加 气温也相应逐渐回升 一天中气温的最高值与最低值之差 称为气温日较差 其大小反映气温日变化的程度 上海7月的气温日变化 影响气温日较差的因素 纬度由于正午太阳高度角随纬度增加而减小 因此气温的昼夜差值也随纬度增加而减小 就季节来说 夏季太阳辐射日较差和气温日较差均较大 冬季反之 这一季节变化以中纬度最为显著 地表性质对气温的日较差也有显著影响 海洋上气温日较差比陆地上小得多 山谷气温日较差大于山峰 凹地气温日较差大于高地 就天气情况来说 如果有云层存在 则白天地面得到太阳辐射少 最高气温比晴天低 而在夜间 云层覆盖又不易使地面热量散失 最低气温反而比晴天高 所以阴天的气温日较差比晴天小 气温的年变化 由于地面储存热量的原因 使气温最高和最低出现的时间 不是在太阳辐射最强和最弱的一天 北半球夏至和冬至 也不是在太阳辐射最强和最弱一天所在的月份 北半球6月和12月 而是比这一时段要落后1 2个月 大体而论 海洋上落后较多 陆地上落后较少 沿海落后较多 内陆落后较少 就北半球来说 中 高纬度内陆的气温以7月为最高 1月为最低 海洋上的气温以8月为最高 2月为最低 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 气温年较差的大小与纬度 海陆分布 地形 高度等因素有关 例如 同一纬度海洋气温年较差小于陆地 沿海小于内陆 植被覆盖地小于裸地 凸地小于凹地 云雨多的地方年较差小 海拔愈高年较差愈小 不同纬度的气温年变化 2 气温的非周期性变化气温的变化还时刻受着大气运动的影响 所以有些时候 气温的实际变化情形 并不象上述周期性变化那样简单 例如 3月以后 我国江南正是春暖花开的时节 却常常因为冷空气的活动而有突然转冷的现象 俗称 倒春寒 秋季 10月 正是秋高气爽的时候 往往也会因为西南暖空气的北进而突然回暖 俗称 小阳春 由此可见 某地气温除了由于太阳辐射的变化而引起的周期性变化外 还有因大气的运动而引起的非周期性变化 实际气温的变化 就是这两个方面共同作用的结果 如果前者的作用大 则气温显出周期性变化 相反 就显出非周期性变化 不过 从总的趋势和大多数情况来看 气温日变化和年变化的周期性还是主要的 2006年3月13日早晨 在江西南昌 人们冒雪赶路 2006年04月12日 罕见的春季寒潮袭击南京 8至9级的大风夹带冷雨扑向上班 上学的人们 2006年3月14日 金华街头雪中即景 二 气温的空间分布 1 气温的水平分布气温的水平分布通常用等温线来表示 等温线就是将气温相同的地点连结起来的曲线 等温线的不同排列表示不同的气温分布特点 如果等温线稀疏 则各地气温相差不大 等温线密集 表示各地气温悬殊 等温线平直 表示影响气温分布的因素较少 等温线弯曲 表示影响气温分布的因素较多 气温的水平分布状况与地理纬度 海陆分布 大气环流 地形起伏 洋流等因素有密切关系 全球范围内的气温水平分布有以下特点 等温线分有的总趋势大致与纬圈平行 冬季北半球的等温线在大陆上凸向赤道 在海洋上大致凸向极地 夏季相反 洋流对海上等温线的分布也有很大的影响 最高温度带位于赤道附近 冬季在5 10 N处 夏季移到20 N左右 这一带平均温度1月和7月均高于24 称为热赤道 南半球不论冬夏 最低温度都出现在南极 北半球仅夏季最低温度出现在极地附近 而冬季出现在高纬大陆 最冷地区出现在南极 气温曾低于 90 世界绝对最高气温出现在索马里境内 为63 世界1月气温分布图 世界7月气温分布图 2 对流层中气温的垂直分布由于气层受地面增热和冷却的影响很大 气温直减率随地面性质 季节 昼夜和天气条件的变化亦很大 但在一定条件下 对流层中也会出现气温随高度增高而升高的逆温现象 造成逆温的条件是 地面辐射冷却 空气平流冷却 空气下沉增温 空气湍流混合等 但无论哪种条件造成的逆温 都对天气和污染物扩散有一定的影响 例如 它可以阻碍空气垂直运动的发展 使大量烟 尘 水汽凝结物聚集在其下面 使能见度变坏等 2007年3月30日5时许 哈尔滨市出现大雾天气 市区部分街路能见度甚至只有10米左右 是哈尔滨市近年来较大的一场浓雾天气 气象专家说 哈尔滨市今年首次大雾形成的原因 是由于近几天连续雨雪天气 雪后地面温度较高