气候系统与大气性质

气象学与气候学

第一章绪论气候系统大气的物理性状2

第二节气候系统概述地理学研究的对象是岩石圈、水圈、大气圈和生物圈及其相互关系，具有明显的综合性和地域性特点。简言之，地理学研究的对象就是人类赖以生存的地球表面的地理环境。它既具有对自然条件的研究，又具有对社会生产及其相互关系的研究。在地貌、水文、土壤、气候、生物等众多的自然条件中，气候是最基本、最活跃的要素，地理系统中复杂的物质与能量交换过程，例如热量交换与水分交换等，都与气候条件密切相关。因此，气候学不仅仅是气象学的一门分支学科，也是地理学的部门学科。3一气候系统1974年在斯德哥尔摩召开的WMO-ICSU联席会上，明确提出了这一概念：气候系统——指的是大气圈同水圈、冰雪圈、岩石圈、生物圈之间相互作用的、能决定气候形成、分布和变化的物理系统。4二气候形成的三大因素太阳辐射——大气活动的能量之源，大气过程的主宰力量。（外部因素）大气环流——输送热量和水分的机制，是直接控制气候过程的因素。（本身）地理环境——下垫面的影响、人类活动的影响。只有地理条件才是气候特征的决定因素。5气候系统示意图6一大气圈概述

1大气组成成分与分布

90公里以下百分比较稳定，分子量=∑各气体所占体积×分子量90公里以上，成份仍以氮气、氧气为主，但有一定的离解，氢氦增加100公里以上，氧气基本离解250公里以上，氮气基本离解7大气的气体组成成份8

2大气中的主要成分氮气基本成分，冲淡氧气氧气呼吸、氧化作用二氧化碳光和原料、温室效应臭氧保护作用、增温作用93臭氧层及其问题南极臭氧空洞形成原理

人类所排放的氟氯烃主要在北半球，其中欧洲、俄罗斯、日本和北美洲约占总排放量90%。南极是一个非常广阔的陆地板块，周围又完全被海洋包围，这种自然条件下产生了非常低的平流层温度。在南极酷冷的季节（6-9月），下沉的空气在南极洲的山地受阻，停止环流而就地旋转，吸入周围的冷空气，形成“极地风暴旋涡”。这股旋涡上升到20公里的高空的臭氧层，由于这里的温度非常低，形成了滞留的“冰云”。“冰云”中的冰晶微粒把空气带来的氟氯烃和哈龙吸收在其表面，并不断积累其中。当南极的春季来临（9月下旬），阳光照向“冰云”时，冰晶融化，释放出吸附的氟氯烃和哈龙。它们受到紫外线UV-C照射，分解出CL和BR并与臭氧反应生成CLO和BRO，消耗臭氧。由于冰晶的吸附作用，积累的氟氯烃和哈龙在一段时间内集中分解出CL和BR，在加上形成冰晶会发生各种各样的化学反应，促成了每年9-11月臭氧快速耗减，在特定高度臭氧几乎完全消失，导致臭氧空洞形成。104臭氧层破坏造成的危害阳光紫外线辐射能量很高的部分称EUV，从EUV到波长等于290纳米之间的称为UV-C段，波长等于290～320纳米的辐射段称为UV-B段（即B类紫外线）也有90％能被臭氧分子吸收，如果臭氧层的臭氧含量减少，则地面受到UV-B的辐射量增大。UV-B类紫外线灼伤称为B类灼伤，这是紫外辐射最明显的影响之一，学名为红斑病。B类紫外线也能损耗皮肤细胞中的遗传物质，导致皮肤癌。B类辐射增加还可对眼睛造成损坏，导致白内障发病率增加。B类紫外线辐射也会抑制人类和动物的免疫力。因此B类紫外线辐射的增加，可以降低人类对一些疾病包括癌症、过敏症和一些传染病的抵抗力。B类辐射的增加，会对自然生态系统和作物造成直接或间接的影响。例如B类紫外辐射对20米深度以内的海洋生物造成危害，会使浮游生物、幼鱼、幼蟹、虾和贝类大量死亡，会造成某些生物减少或灭绝，由于海洋中的任何生物都是海洋食物链中重要的组成部分，因此某些种类的减少或灭绝，会引起海洋生态系统的破坏。11B类辐射的增加也会损害浮游植物，由于浮游植物可吸收大量二氧化碳，其产量减少，使得大气中存留更多的二氧化碳，使温室效应加剧。B类辐射还将引起用于建筑物、绘画、包装的聚合材料的老化，使其变硬变脆，缩短使用寿命等等。另外，臭氧层臭氧浓度降低紫外辐射增强，反而会使近地面对流层中的臭氧浓度增加，尤其是在人口和机动车量最密集的城市中心，使光化学烟雾污染的机率增加。有人甚至认为，当臭氧层中的臭氧量减少到正常量的1/5时，将是地球生物死亡的临界点。这一论点虽尚未经科学研究所证实，但至少也表明了情况的严重性和紧急性。121985年3月，联合国环境规划署理事会在奥地利首都维也纳通过了保护臭氧层的国际公约——《保护臭氧层维也纳公约》。为使《公约》进一步落实，1987年9月16日在加拿大的蒙特利尔会议上，又通过了《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》。为纪念《议定书》签署，表明国际社会对臭氧层耗损问题的关注和保护臭氧层的共识，1995年1月23日，联合国大会通过决议，确定从1995年开始，每年的9月16日为“国际保护臭氧层日”，要求所有缔约国根据《议定书》及其修正案的目标，采取具体行动纪念这一特殊的日子。13国际组织《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》及其该《议定书修正》规定了15种氯氟烷烃（CFCs）、3种哈龙、40种含氢氯氟烷烃（HCFCs）、34种含氢溴氟烷烃（HBFCs）、四氯化碳（CCl4）、甲基氯仿（CH3CCl3）和甲基溴（CH3Br）为控制使用的消耗臭氧层物质，也称受控物质。14二大气的结构

大气质量

M=5.3×1000¹³t，其中有50％集中在离地5.5km以下的层次内，在离地36～1000km余的大气层只占大气总质量的1％。大气上界根据观测资料，在大气中极光是出现高度最高的现象，上界定为1200km。称为大气的物理上界。大气分层据物理状况，分为五层15（二）、大气的结构1、大气的上界

A:极光是大气中出现的最高的物理现象，1200kmB:人造卫星探测资料，按大气密度定为2000~3000km2、大气的垂直分层（大气温度、成分、垂直运动、电离）对流层平流层中间层热层散逸层五层16对流层平流层对流旺盛近地面，纬度不同厚度变；高度增来温度减，只因热源是地面；天气复杂且多变，风云雨雪较常见气温初稳后升热只因层中臭氧多水平流动天气好高空飞行很适合上冷下热高空对流电离层电离层能反射无线电波，对无线电通讯有重要作用中间层热层171对流层及其特点

气温随高度升高而降低垂直对流旺盛；气象要素复杂；对流层顶和行星边界层

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在对流层的最下层称为行星边界层或摩擦层。其范围一般是自地面到1～2km高度。边界层的范围夏季高于冬季，白昼高于夜晚，大风和扰动强烈的天气高于平稳天气。行星边界层以上的大气层称为自由大气。在对流层的最上层，介于对流层和平流层之间，还有一个厚度为数百米到1～2km的过度层，称为对流层顶。19

2.平流层高度对流层顶到55km左右温度随着高度的增高，气温最初保持不变或微有上升。大约到30km以上，气温随高度增加而显著升高，在55km高度上可达-3℃。平流层这种气温分布特征是和它受地面温度影响减少，特别是存在着大量臭氧能够直接吸收太阳辐射有关。平流层内气流比较平稳，空气的垂直混合作用显著减弱。其它平流层中水汽含量极少，大多数时间天空是晴朗的。20气流水平运动为主，适于飞行能见度高：地球大气的平流层水汽、悬浮固体颗粒、杂质等极少，天气比较晴朗，光线比较好，能见度很高，便于高空飞行。受力稳定：平流层的大气上暖下凉，大气不对流，以平流运动为主，飞机在其中受力比较稳定，便于飞行员操纵架驶噪声污染小：平流层距地面较高，飞机绝大部分时间在其中飞行，对地面的噪声污染相对较小。安全系数高：飞鸟飞行的高度一般达不到平流层，飞机在平流层中飞行就比较安全。当然，在起飞和着陆时，要想方设法驱赶开飞鸟才更为安全．21民航飞机的飞行高度层

中型以上的民航飞机都在高空飞行，此处的高空是指海拔7000——12000米的空间。在这个空间以1千米为1个高度层，共分为6个高度层：7千米、8千米、9千米、1万米、1万1千米和1万2千米。高空飞行的飞机只允许飞以上给定高空。

另外，民航飞机在飞行时，以正南正北方向为零度界限，凡航向偏右（偏东）的飞机飞双数高层，即8千米、1万米、1万2千米高度层；凡航向偏左（偏西）的飞机飞单数高度层，即7千米、9千米、1万1千米高度层。不同飞机的最大飞行高度

短航线的飞机一般在6000米至9600米飞行，长航线的飞机一般在8000米至12600米飞行，现在的普通民航客机最高飞行高度不会超过12600米，有一些公务机的飞行高度可以达到15000米。

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24军用飞机的最大飞行高度（称升限）变化也不大。歼击机的实用升限在20000米左右,高空侦察机如美国的SR-71和苏联的米格-25P，实用升限约25000米。用急跃升的方法所能达到的最大飞行高度（称动升限），有的军用飞机已达35000米或更高一些。轰炸机和歼击轰炸机的实用升限,多数不超过16000米。现代直接用于战斗的飞机，为避免被对方雷达早期发现，常从低空或超低空突防,某些起飞重量超过100吨的轰炸机，突防高度可低至150米左右，强击机的突防高度为50～100米。25

3.中间层（平流层顶到85km）气温随高度增加而迅速下降，顶部气温降到-113°～83℃，其原因是由于这一层中几乎没有臭氧，而氮和氧等气体所能直接吸收的那些波长更短的太阳辐射又大部分被上层大气吸收掉了。有相当强烈的垂直运动（高空对流层），水汽含量更极少，几乎没有云层出现。在中间层的60～90km高度上，有一个只有白天才出现的电离层，叫做D层。26

4.热层（热成层和暖层）气温随高度的增加而迅速增高。增温程度与太阳活动有关，当太阳活动加强时，温度随高度增加很快升高，这时500km处的气温可增至2000k；当太阳活动减弱时，温度随高度的增加增温较慢，500km处的温度也只有500k。热层没有明显的顶部。通常认为在垂直方向上，气温从向上增温至转为等温时，为其上限。空气处于高度电离状态，其电离的程度是不均匀的。其中最强的有两区，即E层（约位于90～130km）和F层（约位于160～350km）。F层在白天还分为F1和F2两区。电离层迫使气体原子电离，产生带电离子和自由电子，使高层大气中能够产生电流和磁场，并可反射无线电波，

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在高纬度地区的晴夜，在热层中可以出现彩色的极光。这可能是由于太阳发出的高速带电粒子使高层稀薄的空气分子或原子激发后发出的光。这些高速带电粒子在地球磁场的作用下，向南北两极移动，所以极光常出现在高纬度地区上空。

2011-12-6作家毕淑敏撰于加拿大艾伯塔省北部麦克莫瑞堡印地安人传说极光是人类的祖先回来与后代对话。茵纽特人说是指引人类上天堂的火把。极光的声音，犹如银链抖动。

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5.离散层

这是大气的最高层，又称外层。这一层中气温随高度增加很少变化。由于温度高，空气粒子运动速度很大，又因距地心较远，地心引力较小，所以这一层的主要特点是大气粒子经常散逸至星际空间，本层是大气圈与星际空间的过度地带。

3031气候子系统——水圈、陆面、冰雪圈和生物圈地球上七大洲面积和四大洋面积比较（单位：百万平方公里）32水圈：海洋是由世界大洋和邻近海域的含盐海水所组成。其总面积为3.6亿km2，约占地球表面的71％，相当于陆地面积的2.5倍。无论从力学和热力学效应来看，海洋在气候系统中具有最大的惯性，是一个巨大的能量贮存库。陆面：岩石圈。在近代气候变化的时间尺度内，除火山爆发外，对大气的作用主要还是发生在陆地表面。冰雪圈：冰川和冰原的体积变化与海平面高度的变化有很大关系。由于冰雪具有很大的反射率，在冰雪覆盖下，地表（包括海洋和陆地）与大气间的热量交换被阻止，因此冰雪对地表热量平衡有很大影响。它是气候系统中的一个重要子系统。生物圈：生物对于大气和海洋的二氧化碳平衡，气溶胶粒子的产生，以及其它与气体成分和盐类有关的化学平衡等都有很重要的作用。333气候系统的基本特性气候系统是一个非常复杂的非线性系统，各子系统虽能彼此独立地客观存在着，而其相互作用却又决定着各子系统的演化行为。一般从以下几个方面来描述气候系统的基本特性：气候过程、气候态及时间尺度、反馈过程、外源强迫、敏感性、可预报性、参数化。天气往往是由地气决定的。例如降水形态：到底是下雨、下雪，还是冻雨、冰粒、雨夹雪，多取决于近地面的温度状况。也就是说：谋事在高层，成事在基层。3435基本物理性质第三节有关大气的物理性状主要气象要素空气状态方程36流动性可压缩性粘着性连续性结论：因为空气存在流动性、粘着性、连续性等特点，所以当一个地区上空的空气上升时，必然有另一个地区的空气的下降来对它进行补充，从而形成一种环流。空气物理性质37气温气压湿度降水风云量能见度主要气象要素38第三节有关大气的物理性壮

一、主要气候要素

㈠气温

气温的单位：目前我国规定用摄氏度（℃）温标，以气压为1013.3hPa时纯水的冰点为零度（0℃），沸点为100度（100℃），其间等分100等份中的1份即为1℃。在理论研究上常用绝对温标，以K表示，这种温标中一度的间隔和摄氏度相同，但其零度称为“绝对温度”，规定为摄氏-273.15℃。因此水的冰点为273.15K，沸点为373.15K。两种温度标之间的换算关系如下

T=t+273.15≈t+273······（1.2）大气中的温度一般以百叶箱中干球温度为代表。39

所谓气温，是指近地面的大气温度，是百叶箱中观测到的温度，离地1.5米，通风、草坪上、避免地面阳光直射。这样观测，才能剔除地表（下垫面）差异对温度造成的巨大影响，比较真实体现大气的温度状况。

这是全球统一的观测标准，具有地域代表性、观测连续性和全球可比对，是国际惯例，而非中国特色。而且气温观测是全球信息共享并且目前大多已在实现自动观测和上传。

尽管气温值是三十几度，但该地的地面温度却千差万别，树荫下、草坪上、水面、水泥路面温度可以相差几十度40㈡气压

气压指大气的压强。它是空气的分子运动与地球重力场综合作用的结果。若以P代表气压，F代表面积A上所承受的力，则

P=F/A······（1.3

若M为任何面积A上的大气质量，在地球重力场中，g为重力加速度，则这个面积A上大气柱的重量为

F=Mg······（1.4）41

在静止大气中，面积A上大气柱的重量就是该面上承受的力。将（1.3）式代入（1.4）式得

P=Mg/A

······(1.5)

即静止大气中任意高度上的气压值等于其单位面积上所承受的大气柱的重量。一般情况下气压值是用水银气压表测量的。设水银柱的高度为h，水银密度为ρ，水银柱截面积为S，则水银柱的重量W=

ρgh·S。

42由于水银柱底面积的压强和外界大气压强是一致的，从而所测大气压强为

P=W/S=ρgh·S/S=ρgh

······（1.6）

所以气压单位曾经用毫米水银柱高度（mmHg)表示，现在通常用百帕表示。1hPa等于1cm²面积上受到10²牛顿（N）的压力时的压强值，即

1hPa=10²N/cm²······（1.7）

当选定温度为0℃，纬度为45°的海平面作为标准时，海平面气压为1013.25hPa，相当于760mm的水银柱高度，曾经称此压强为1个大气压。43㈢湿度

表示大气中水汽量多少的物理量称大气湿度。大气湿度状况与云、雾、降水等关系密切。大气湿度常用下述物理量表示：

⒈水汽压和饱和水汽压水气压（e）大气中的水汽所产生的那部分压力。单位和气压一样，也用hPa表示饱和水汽压（E）在温度一定情况下，单位体积空气中的水汽量有一定限度，如果水汽含量达到此限度，空气就呈饱和状态，这时的空气称饱和空气。饱和空气的水汽压，也叫最大水汽压，因为超过这个限度，水汽就要开始凝结。饱和水汽压随温度的升高而增大。在不同的温度条件下，饱和水汽压的数值不同。44

⒉相对湿度

相对湿度（f）空气中的实际水汽压与同温度下的饱和水汽压的比值（用百分数表示），即

f=e/E×100％······（1.8）

相对湿度直接反映空气距离饱和的程度

物理意义

当其接近100％时，表明当时空气接近于饱和。当水汽压不变时，气温升高，饱和水汽压增大，相对湿度会减少。45

⒊饱和差

在一定温度下，饱和水汽压与实际空气中水汽压之差称饱和差（d）。即d=E-e,表示实际空气距离饱和的程度。在研究水面蒸发时常用到d，它能反映水分子的蒸发能力。

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⒋比湿（q）。

在一团湿空气中，水汽的质量与该团空气总质量（水汽质量加上干空气质量）的比值，称比湿其单位是g/g，即表示每一克湿空气中含有多少克的水汽。也有用每千克质量湿空气中所含水汽质量的克数表示的即g/kg。

q=mw/md+mw······（1.9）式中，mw

为该团湿空气中水汽的质量；md为该团湿空气中干空气的质量。据此公式和气体状态方程可导出

q=0.622e/p······（1.10）

注意式中气压（P）和水汽压（e）须采用相同单位（hPa），q的单位是g/g。对于某一团空气而言，只要其中水汽质量和干空气质量保持不变，不论发生膨胀或压缩，体积如何变化，其比湿都保持不变。因此在讨论空气的垂直运动时，通常用比湿来表示空气的湿度。47

⒌水汽混合比

一团湿空气中，水汽质量与干空气质量的比值称水汽混合比(r)即(单位：g/g)

r=mw/md······（1.11）

据其定义和气体状态方程可导出

r=0.622e/P–e······（1.12）48⒍露点

在空气中水汽含量不变，气压一定下，使空气冷却达到饱和时的温度，称露点温度，简称露点(Td)。其单位与气温相同。在气压一定时，露点的高低只与空气中的水汽含量有关，水汽含量愈多，露点愈高，所以露点也是反映空气中水汽含量的物理量。在实际大气中，空气经常处于未饱和状态，露点温度常比气温低(Td<T)。因此，根据T和Td的差值，可以大致判断空气距离饱和的程度。上述各种表示湿度的物理量：水汽压、比湿、水汽混合比、露点基本上表示空气中水汽含量的多寡。而相对湿度、饱和差、温度露点差则表示空气距离饱和的程度。49

(四)降水降水是指从天空降落到地面的液态或固态水，包括雨、毛毛雨、雪、雨夹雪、霰xiàn、冰粒和冰雹等降水量指降水落至地面后（固态降水则需经融化后），未经蒸发、渗透、流失而在水平面上积聚的深度，降水量以毫米（mm）为单位霰（xiàn）：亦称“软雹”，白色不透明和形状圆锥形的固体降水物，常在要落前具有一定对流厚度的云中降落，往往着地反弹且强烈。50㈤风

空气的水平运动称为风。风是一个表示气流运动的物理量。它不仅有数值的大小（风速），还具有方向（风向）。因此风是向量风速的表示有时采用压力，称为风压。如果以V表示风速（m/s），P为垂直于风的来向，1㎡面积上所受风的压力㎏/㎡，其关系式

P=0.125V²······（1.13）风向八方位图、十六方位图NWNSWESESWNE地面风向表示方法在地面天气图上，用下列图示来表示风，风尾长划风速为4米/秒，即风力为2级，短划风速为2米/秒。一个风旗，表示风力为8级。风尾和风旗均放在风杆的左侧。西南风5级东南风12级天气图上风的表示方法53地面气象要素填图格式（手工填写）54

㈥云量

云是悬浮在大气中的小水滴、冰晶微粒或二者混合物的可见聚合群体，底部不接触地面（如接触地面则为雾），且具有一定的厚度。云量是指云遮蔽天空视野的成数。将地平以上全部天空划分为10份，为云所遮蔽的份数即为云量。例如，碧空无云，云量为0，天空一半为云所覆盖，则云量为5。

㈦能见度

能见度指视力正常的人在当时天气条件下，能够从天空背景中看到和辨出目标物的最大水平距离。单位用米（m）或千米（㎞）表示。55

二、空气状态方程

空气状态常用密度（ρ）、体积（V）、压强（P）、温度（t或T）表示。对一定质量的空气，其P、V、T之间存在函数关系。

㈠干空气状态方程

1理想气体的状态方程

P1V1/T1=P2V2/T2=P3V3/T3=···PnVn/TnPV/T=常数······（1.14）凡严格符合该方程的气体，称理想气体。实际上，理想气体并不存在，但在通常大气温度和压强条件下，干空气和未饱和的湿空气都十分接近于理想气体。5621mol的气体的状态方程在标准状态下（P0=1013.25hPa,T0=273k），，体积约等于22.41，即V0=22.4L/mol。因此

PV/T=P0V0/T0=R*

即PV=R*T······（1.15）

R*=1.01325×2.24×10ˉ²m³/mol÷273K=8.31441Pam³/(mol·K)≈8.31J/(mol·K)该值对1mol任何气体都适用，所以叫普适气体常数。573质量对于质量为M克

1摩尔气体的质量是µ的理想气体，在标准状态下，其体积V等于1摩尔气体体积的M/µ倍，即

V=M/µ×R*T/P

或PV=M/µ×R*T······（1.16）

这是通用的质量为M的理想气体状态方程，又称做门捷列夫–克拉珀珑方程。它表明气体在任何状态下，压强、体积、温度和质量4个量之间的关系（计算时要注意单位的统一）。

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在气象学中，常用单位体积的空气块作为研究对象，为此，常将（1·16）式中4个量的关系变为压强、温度和密度3个量间的关系，即

式中R称比气体常数，是对质量为1克