3.1大气和气候

1、第3部分 大气和气候,大气的组成和垂直分层,一、 大气的组成 （一）干洁空气 大气中除固体杂质和水汽之外的全部混合气体，称为干洁空气。氮和氧容积占99.04，加上氩，三者合占99.97，其他气体仅占0.03%。干洁空气中大多数气体的临界温度低于自然情况下大气中可能出现的最低温度。因此，干洁空气中的所有成分都呈气体状态。,（二）水汽 水汽主要来源于海洋、江河湖沼和土壤，以及潮湿物体表面的蒸发和植物的蒸腾。大气中的水汽含量极不固定，随时间、地点、条件而不同。其所占容积变化范围为04。观测结果表明，在1.52km 高度，水汽含量只及地面的1/2；在5km 高度，只相当于地面的1/10，再往上更少。水

2、汽含量虽然不多，但它在大气温度变化范围内可以发生汽态、液态和固态三相转化，人们常见的云、雾、雨、雪等天气现象，都是水汽相变的表现。此外，水汽还善于吸收和放射长波辐射，显著影响大气和地表的温度。,（三）固体杂质 悬浮在大气中的固体杂质主要有烟粒、尘埃、盐粒等，它们的半径一般为10-210-8cm，多集中于低层大气中。烟粒主要来源于生产、生活方面的燃烧；尘埃主要来自经风的吹扬进入大气的地表松散微粒，以及火山爆发后产生的火山灰、流星燃烧的灰烬；盐粒则主要是由海洋波浪飞溅进入大气的水滴被蒸发后形成的，固体杂质的含量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，愈近地面愈多。固体杂质是

3、大气中水汽凝结的必要条件；能吸收部分太阳辐射，又可阻挡地面长波辐射，对大气和地表温度有一定影响；其含量多少，还直接影响到大气能见度的好坏。,（四）大气污染 1、由于煤、石油等矿物燃料的使用越来越多，人类社会每年排放的二氧化碳总量在过去三十年里增加了一倍，再加上大量砍伐森林，减少了绿色植物通过光合作用吸收二氧化碳的能力，大气中二氧化碳的浓度在过去三十年里增长了12。 2、氯氟烃是一种人工合成的化合物，主要用于制冷剂、火箭推进剂等，到了80年代中期为止，全球氯氟烃的年消费量已达到100万吨。 3、由于煤、石油等矿物燃料的使用越来越多，排入空气中的硫、氮等氧化物不断增加。,大气组成的这种变化，会产生

4、什么影响?,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,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,干 洁 空 气,O3,N2,O2,CO2,大气各成分的作用,二 大气的垂直分层,1、地球大气共分哪几层? 2、在不同纬度，对流层高度是否一样? 3、对流层和平流层的气温如何随高度而变化?原因是什么? 4、对流层和平流层中，大气运动的特点是什么? 5、对流层和平流层大气与人类有何关系? 6、读图，说明电离层与人类的关系。,分组阅读讨论,大气的垂直分层,对流层,平流层,上

5、冷下热 高空对流,高层大气,2、对流层的厚度及特征A）厚度：本层厚度最簿，并随纬度、季节而不同，在高纬地区平均：89km ，中纬地区平均：1012km，低纬地区平均1718km，夏季大于冬季。 B）特征： 一是温度随高度的升高而降低；因为该层的热量来自于地面的长波辐射，平均气温递减率为0.65C/100m； 二是具有强烈的对流运动；因为地面受热不均。 三是天气现象复杂多变；几乎所有的水汽、云、雨、雷、电等现象都发生在此层。,3、平流层的特征 （1）气温随高度升高的分布 下层： 2025km，为同温层 上层：2555km，为增温层，即气温随高度的升高而增温。因为平流层上层含有大量的臭氧，臭氧能大

6、量地吸收太阳紫外线而增温； （2）气流以水平运动为主，对流不易产生。 （3）水汽、尘埃含量少，天气晴朗，能见度好。,4、中间层的特征 高度：平流层顶至85km处。 （1）温度随高度的升高而迅速下降。因为臭氧的含量下降。 （2）空气以垂直运动为主。但由于空气稀薄，所出现的天气现象已不如对流层复杂。 （3）在80km处白天出现一个电离层。,5、暖层的特征 高度：中间层至800km处 特征： （1） 空气质量小，空气稀薄，空气密度只有空气总质量的0.5%，在120km高空，空气密度小至声音都难于传播。 （2） 温度随高度升高而升高。因为所有波长小于0.175um的太阳紫外辐射都被暖层气体所吸收，顶层

7、温度可达1000度。 （3） 空气处于高度电离状态。 （4） 能反射无线电波 （5） 出现极光现象。,6.散逸层（外层）暖层顶之上，因大气十分稀薄，离地面远，受地球引力场约束微弱，一些高速运动的空气质点就能散逸到星际空间，所以本层称为散逸层。 根据宇宙火箭探测资料，地球大气层之外，还有一层极其稀薄的电离气体，可伸展到22000 公里高度，称为地冕。这可能就是地球大气层向宇宙空间的过渡区域。,从大气与地表自然环境之间关系来说，对流层具有特别重要的意义。下面将主要讨论对流层范围内的基本情况。,三 大气的热力状况 地球表面处于大气圈、水圈和岩石圈的交互作用之中，进行着各种形式的运动过程，包括简单的机

8、械运动和复杂的生命过程，其中大多数过程的能量直接或间接来自太阳辐射。太阳辐射透过地球的大气“外衣”到达地表，经过一系列能量转换之后，形成对地球生命有深刻影响的大气热力状况。地球上的气温条件是各种生物繁殖和演化的重要条件，也是决定地球上能量和物质输送、转化的重要因素。气温的空间变化是各地理要素地域分异的根本原因之一。,1、辐射的基本知识 物体对辐射的吸收、反射和透射 假设投射到物体上 的总辐射为Qo，被 吸收的为Qa，被反 射的为Qr，透过的 为Qd，则根据能量守恒 原理：Qa+Qr+Qd=Qo 两边同除以Qo得： Qa/ Qo +Qr/ Qo +Qd/Qo =1 即；a+r+d=1。 物体的吸

9、收率、反射率和透射率大小随着辐射的波长和物体的性质而改变。 黑体能将所有波长的辐射全部吸收掉的物体即a=1。,2 太阳辐射 （短波辐射） 太阳辐射光谱和太阳常数 太阳辐射光谱太阳辐射中辐射按波长的分布，称为太阳辐射光谱。 波长过短或过长所负荷的辐射能量都很少； 大气上界太阳辐射光谱在0.15um的范围； 太阳辐射中99%的能量在0.154um的范围，其中 0.40.76um为可见光区，0.76um的为红外区，0.4um为紫外区。 太阳辐射能主要分布在可见光区和红外光区，其中，可见光占太阳辐射总能量的50%，并以0.47um附近最强，红外区占43%；紫外区的太阳辐射能很少，只占7%。太阳常数在大

10、气上界，垂直于太阳光线的1cm2面积内，1min内获得的太阳辐射能量，称为太阳常数。平均为8.16J/(cm2.min)。,到达地面的太阳辐射与大气上界的情况不同。由于大气圈对辐射有吸收、散射和反射等作用，太阳光谱中不同的波长将受到不同程度的削弱。吸收作用主要削弱紫外和红外部分，而对可见光部分则影响较少。散射和反射作用受云层厚度、水汽含量、大气悬浮微粒的粒径和含量的影响很大。,太阳总辐射 被大气消减后真正投射到地表的太阳辐射由两部分组成：一是从太阳直接发射到地表的直接辐射；二是经大气散射后到达地表的散射辐射。二者之和是到达地表的太阳辐射总量，称为太阳总辐射。,散射辐射,太阳辐射在大气中遇到空气

11、分子或微小的质点时，当这些质点的直径小于组成太阳辐射的电磁波波长时，太阳辐射中的一部分能量就以电磁波的形式从该质点向四面八方传播出去，这种现象称为散射。通过散射形式传播的能量称为散射辐射。散射只改变了辐射的传播方向，使一部分太阳辐射不能到达地面。散射过程中微小质点并不吸收太阳辐射而增加自身的内能。理论和实践表明，辐射波长愈短，散射愈强。在可见光中，紫光和蓝光的波长最短，因此散射也最强。平时，我们在晴朗天气里所见到的蔚蓝色天空，实际是大气中微小质点对紫光、蓝光强烈散射的结果。散射只对于微小质点适用，如果大气中质点的直径接近或超过了辐射光的波长，则产生漫射现象，当入射光是白光时，漫射后仍是白光。这

12、就是雾天或空气混浊时的天空常呈灰白色的原因。,反射辐射： 到达地面的太阳辐射只有一部分被地面吸收，另一部分则被地面反射出去。地面对入射太阳辐射的反射取决于地面的反射率（r）。而r又取决于地面的性质。 一般地：陆地表面的r约为10%30%，且随着太阳高度的减小而增大，深色土比浅色土小，粗糙土比平滑土小； 水面随着太阳高度角和平静度而变，太阳高度角愈小，其反射率愈大，波浪起伏的水面，其平均反射率为10%。,太阳辐射在大气中的减弱 大气的云层和尘埃对太阳辐射的反射: 反射能力取决于云的厚薄，薄云反射率：1020%；厚云反射率：90%。高层云反射率：25%；中层云：50%；低层云：65%。 大气浑浊度

13、越大，对太阳辐射的削弱也越大。,长波辐射,1）、地面辐射 是大气的主要热源，地面辐射绝大部分（约有7595%）被大气中的云、雾、水汽和二氧化碳等吸收，只有波长为8.412um的部分，可穿过大气层进入宇宙空间，故称此波段为“大气窗”。,2）、大气辐射 （1）大气靠吸收（其吸收具有选择性）地面长波辐射而增温。 1）水汽：对地面长波辐射的吸收最明显，可吸收58.5um、18um红外区范围的太阳光； 2）二氧化碳：吸收波段有4.3um、14.7um，尤其是在14.7um为中心的吸收带范围很广；,太阳,地面,大气,大气逆辐射,地面和大气既吸收太阳辐射，又依据本身的温度向外辐射。由于地面和大气的温度比太阳

14、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3120 微米的红外范围内。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。,据估计，约有7595的地面长波辐射被大气吸收，用于大气增温，只有极少部分穿透大气散失到宇宙空间。由此可见，地面是大气第二热源。气温变化必然受到地面性质的影响。地面长波辐射几乎全被近地面4050 米厚的大气层所吸收。低层空气吸收的热量又以辐射、对流等方式传递到较高一层。这是对流层气温随高度增加而降低的重要原因。,地面辐射的方向是向上的，而大气辐射方向既有向上的，也有向下的。向下的部分称大气逆辐射。逆辐射可减少地面因长波辐射而损失的热量。这对地球

15、表面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。这种作用称大气花房效应。,大气热力作用的意义,大气对太阳辐射的削弱作用 和大气的保温效应： 1、缩小了气温日较差 2、提高了地球表面平均温度,4、全球的热量平衡 综上所述，太阳短波辐射为大气和地面所吸收，大气和地面又依据本身的温度向外发射长波辐射，这样就形成了整个地-气系统与宇宙空间不断地以辐射形式进行能量交换。在地理环境内部，地面与大气也不断以辐射和热量输送的形式交换能量。在某一时段内物体能量收支的差值，称为辐射平衡或辐射差额。当物体收入的辐射多于支出时，辐射