节大气组成和热量2009a.ppt

1、第三章 大气和气候,第一节 大气的组成和热量,围绕着地球的厚层气体称为大气，它是多种气体的混合物，无色、无味。此外，还有固体杂质、液体杂质。它形成一个连续的圈层，称大气圈。 大气中存在着复杂的物理过程和物理现象，这些都与大气本身的物理特征有着密切的联系 。,一、 大气的组成,一、干洁空气： 二、几种重要气体的来源及其作用 三、大气中的杂质,（一）干洁空气：,【干洁空气】：大气中除水汽、液体和固体杂质外的整个混合气体, 简称干空气。主要集中在从地面到085km处。 2、 主要成分：N2、O2、Ar，三者占整个干洁空气容积的99.97%，其中N2占容积的78%，O2占容积的21%， Ar占容积的

2、0.93%。此外二氧化碳、臭氧、氢、氖、氦、氪、氙等稀有气体含量不到空气容积的0.1%。,几种重要气体的来源及其作用,1.N2来源：来自于地球形成过程中的火山喷发；作用：是地球上生命体的基本成分；可冲淡氧气；是合成氮肥的基本原料。 2.O2来源：水的离解和光化学反应以及植物的呼吸。作用：是维持生命现象的重要气体；可助燃，使有机体腐败；起氧化作用。,3、CO2：,来源：燃烧、氧化，大陆生物圈作用、海洋的作用以及火山喷发。 主要集中分布于大气底部20km的一薄层，浓度为0.020.04%，其含量随时间、空间而变。一般是底层多，高层少；城市多乡村少；夜间多白天少，近年来由于工业的发展，含量与年俱增。

3、1958年至1988年，其含量从316351ppm。占干洁空气容积的0.03%。 作用：能强烈地吸收地面长波辐射，对地面起保温作用；是绿色植物光合作用中不可缺少的物质，但其含量超过0.20.5%时，对生物体有害。,4、O3：,来源：在太阳紫外线辐射作用下，氧分子分解为氧原子后再和另外的氧分子结合而成。低层大气有机物的氧化和雷雨、闪电作用也能形成臭氧。主要分布在1040km处，极大值在2025km。 作用：能吸收太阳紫外辐射的99%，保护地面生物，可杀菌治病。,（二） 水汽,水汽含量：整个大气中，平均1.3104km3【1-2】（占地球总水量的0.001%，24-25mm），总降水量相当于780

4、mm，交换时间约1011天。 水汽来源：海洋、湖泊、河流、土壤的蒸发、植物蒸腾作用。 水汽时空分布： 随海陆分布，大气环流的变化； 时间上年、季节变化； 随高度的变化主要集中3.0km范围内，每上升1.02.0km，水汽含量减少1/2。 【1】水文学2002年，黄锡荃； 【2】水圈水文学1998年，木村和政。,水汽作用：由于分子扩散和气流传递而散布于大气之中。水汽会凝结，产生云、雾、雨、雪等天气。 地球的水分：通过“蒸发凝结降水”等物理过程循环不已（大气成分中，唯一的相变成分），相变过程中释放和吸收热量，它对“地气系统”的能量转换、交换以及天气变化起着非常重要的作用。,【气溶胶aerosol】

5、又称气胶、烟雾质，是指固体或液体微粒稳定地悬浮于气体介质中形成的分散体系。主要是水滴、冰晶、大气尘埃、其它杂质。半径大小在10+210-4um（0.01-10um）之间。 1、气溶胶粒子主要来源 （1）自然源：火山灰、宇宙尘埃、陨石尘埃、风沙尘粒；植物花粉、孢子；灰烬、海水溅沫等。 天然气溶胶云,雾，霭，烟，海盐等； 生物气溶胶微粒中含有微生物或生物大分子等生物物质；其中含有微生物的称为微生物气溶胶。 （2）人工源：工业生产、居民生活的燃料燃烧、运输工具排出的废气。,（三）大气中的杂质,大气污染的概念*,大气污染物在大气中达到一定浓度，而对人类的生产和健康造成直接或间接危害时称大气污染。 A）

6、直接污染：因污染物性质、浓度、时间等因素造成危害的污染物，如粉尘微粒、硫化物、氮化物、氧化物、卤化物（氯化氢、氟化氢） B）间接污染：污染物与大气正常成份发生反应形成新的污染物或污染物发生光化学反应形成的新污染物。,如1952年伦敦的光化学烟雾事件就是烟雾形成之后，高空受高气压控制，使大气稳定，烟雾笼罩4天，造成数千人死亡。,治理污染的措施,建立监测网、进行污染预报、通过集尘器和清洗器在排气前清除污染物；发展无烟囱工厂的闭合工艺过程以及合理布局工业等，造林绿化也是保护环境、净化空气，防止大气污染的重要措施,二、大气结构,（一）大气质量 大气上界：理论上，当气压为0（或接近0）时，为大气的顶层；

7、但大气圈顶部没有截然的界限。 （气象学上）大气上界：与地面气候有关的某种现象所发生的最大高度。如：极光出现的最大高度1200km。 （物理、化学）大气上界：离心力大于重力，大气密度接近星际气体密度；在12003200km范围。 (高层大气物理学)大气上界: 3000km左右；,大气质量,大气密度：随高度按指数规律减少。 大气质量：同上。 05.5km高度内含有大气总质量的50。 08km 高度内含有大气总质量的99。（图3.1）,【问题1】,设地球表面的大气压为1013.25hPa，地球表面积5.1亿km2, 求：大气总质量（以吨为单位，重力加速度g9.8m/s2）？ 提示：1hPa102N/

8、m2,（二）大气压力,大气压强：简称大气压。 标准大气压：气象学上，温度0纬度45度的海平面气压，又称1个大气压。（1013.25hPa76mm汞高10.34m水柱高）。 气压单位：水银柱高度（mm），hPa（百帕）、mb（毫巴）。 1hPa1mb=10N/m2。,一个大气压=1013.25hPa 1013.2510-2N/cm2， 1013.2510-2/ 9.8（kgf/cm2）； 1.034kgf/cm2； （9.8N1kgf）,常用的单位（SI单位体系）,度量单位名称 符号 定义 基本单位： 长度 米（meter）m 质量 千克（kilogram）kg 时间 秒（second）s 温度

9、绝对温度（） K 物质量 千摩尔（kilomole） kmol,诱导单位： 力 牛顿（newton）Nkg m s-2 压力 帕斯卡（pascal）PaN m-2=kg m-1 s-2 能量焦耳（joule）JN m=kg m2 s-2 功率瓦特（watt）WJ s-1=kg m2 s-3 频率赫兹（hertz）Hzs-1 摄氏温度 K -273.15 体积比：ppm(ppmv) 10-6； ppbv(ppb） 10-9； pptv(ppt) 10-12；,（三）大气分层,按分子组成： 1、均质层： 地表至85km高度大气层，除水汽以外，组成较均一。 2、非均质层： 85km高度以上；其中氮层

10、、原子氧层、氦层。 按化学、物理性质： 1、光化层： 包括20km处的O3层。 2、离子层：,在气象学中,按温度、运动情况分为5层 对流层： 平流层： 中间层： 暖层： 逸散层：,1、对流层,1）高度：最底层，厚度最簿，平均高度11km，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。 2）特征： 气温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0.65oC/100m； 强烈的对流运动；因为地面受热不均。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。,【问题2】为什么在对流层

11、顶，低纬度温度（-85OC）小于高纬度（-53OC）？,3）对流层的分层：,根据内部温度、湿度、气流运动和天气状况划分： 低层（摩擦层）：高度约12km； 特点是对流强，水汽多、粉尘多；气温日变化明显，湍流明显。低云、雾、霾、浮尘基本出现频繁。 中层：高度从低对流层6km， 特点：云、雨、雪多产生于此层，受地面縻擦小为自由大气层。 上层： 高度从中层对流层顶； 特点是气温常在0OC以下，水汽少，云由冰晶、过冷水滴组成，风速大；中纬度及低纬度地区常出现急流，风速30米/秒。,2、平流层的特征,1）高度： 下层：其上界离地面约3540km，为同温层。 上层：其上界离地面约5060km，为逆温层（即

12、气温随高度的升高而降低。因为平流层上层含有大量的臭氧，臭能大量地吸收太阳紫处线而增温）。 2）特征：气温随高度微升；气流以水平运动为主，对流不易产生；水汽、尘埃含量少，天气晴朗，能见度好。,3、中间层,1）高度：平流层顶至85km处，亦称高空对流层。 2）特征：随高度升高而温度迅速下降；空气以垂直运动为主，但由于空气稀薄，天气现象已不如对流层复杂；在80km处白天出现一个电离层，叫D层。,5、暖层（电离层）,1）高度：中间层至800km处。 2）特征： 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； 随高度升高而温度升高；因为所有波长小于

13、0.175um的太阳紫外辐射都被暖层气体所吸收，顶层温度可达1000； 空气处于高度电离状态，能反射无线电波；出现极光现象。,暖层出现极光现象*,极光是由太阳喷焰中发射的高能粒子与高层大气中的空气分子相撞，使之电离，并在地球磁场的作用下，偏于两极上空而形成的一种光现象。,5、散逸层,1）高度：800km以上 3000km左右； 2）特征： 空气极其稀薄 ； 随高度上升而温度升高； 高速运动的分子可以逃逸到宇宙空间。,大气圈层结构中各层的特征及对比表,（四）标准大气,标准大气模式：空气干燥，86km以下均匀混合物，平均kmol质量为28.964kg/kmol，静力学平衡、水平成层。,【Note】

14、:,均质层：85km 大气边界层（atmospheric boundary layer）： 又称 摩擦层 或行星边界层。地表至12km高度。 上部摩擦层（上边界层、埃克曼层）： 100m 大气近地层(atmospheric surface layer)：0100m以下。 自由大气 （free atmosphere）：摩擦层以上，摩擦力可以忽略不计，称为自由大气。 干洁空气： 标准大气：,三、大气的热量,（一）太阳辐射（为短波辐射） 可见光：0.40.76m, 占总能量的50。 红外辐射: 大于0.76m, 占总能量的43。 紫外辐射：小于0.4m, 占总能量的7。 【太阳辐射强度】：单位时间内

15、垂直投影在单位面积上的太阳辐射能，表示太阳辐射能强弱的物理量。 【太阳常数S0】： 在日地平均距离上，大气顶界垂至于太阳光线单位面积上单位时间内接受的太阳辐射。1367W/m2（1981年WMO推荐） 【地面反射率】：反射辐射占地面总辐射的百分比。 地面的太阳辐射包括：直射辐射和散射辐射组成，称为总辐射。,（二）大气能量及其保温效应,1.太阳辐射的直接吸收：主要臭氧、水汽、液态水。 2.地面辐射的吸收：地表吸收了大气上界太阳辐射能的50；地表加热后,再以大于3um长波向外辐射，其中7595被大气吸收。 3.潜热输送：水分”蒸发水汽凝结”是”地气”间能量交换的主要方式。潜热输送年总量，洋面（34

16、30MJ/m2）是陆面（1130MJ/m2） 的3倍。 4.感热输送：陆面、水面与大气温度不相等所致。总是地表向大气输送，年均540MJ/m2. 【大气辐射】：大气依据本身温度向外辐射，称为。 【大气逆辐射】：投向地面的部分。 【温室效应】：大气逆辐射、保温作用。,（三）地、气系统的辐射平衡,【辐射平衡、辐射差额】： 辐射平衡的日变化、年变化？,四、气温,（一）气温的周期性变化 日变化： 年变化： 【气温的日较差、年较差】 受纬度、下垫面、海拔高度影响。,（二）气温的水平分布,【等温线】： 【热赤道】：赤道附近的1个高温带，月平均温度在冬、夏均高于24 。 全球气温水平分布特点： （1）纬度：

17、 （2）同纬度海陆分布影响： （3）洋流的影响： （4）近赤道高温区：510N （5）极地气温： 地球表面气温变化范围- 9063。,（三）气温的垂直分布,【气温垂直递减率】：-0.65/100m 【逆温层】.。 【平流逆温】暖空气流至较冷地面或冷水面上时，形成的逆温。 【锋面逆温、下沉逆温】： 逆温层（阻挡层）对大气污染的影响？,参考答案,提示：因为在低纬地区对流层顶高1718km，而高纬地区平均只有89km，在对流层，温度受地面影响大，且温随高度的升高而降低。,第二节：大气水分和降水,一、大气湿度 二、蒸发和凝结 三、水汽的凝结现象 四、大气降水,一、大气湿度,（一）湿度-1： 蒸发、蒸腾

18、（海、湖、河、土壤、植被）大气潮湿程度。 【水汽压（e）】：大气中水汽产生的那部分压力； （单位：hPa），由干湿球温差换算得出。 水汽压e是高度z(m)的函数: 经验公式：e=e010Z； （e0：地面水汽压；：常数）,【饱和水汽压】或【最大水汽压】：,当跑出水面的水分子与落回水中的水汽分子恰好相等时，即系统内的水量和水汽分子含量都不再改变时，水和水汽之间就达到两相相平衡，这种平衡称为动态平衡，动态平衡时的水汽称为饱和水汽，此时的水汽压称为饱和水汽压。 饱和水汽压（E）：为温度的函数.,（一）湿度-2：,【绝对湿度（）】或【水汽密度】： 水气质量（单位：g/cm3）；不能直接测量，间接计算。

19、 289(e/T)；（单位：g/cm3） T：（K）；e：水汽压（mm）。 【相对湿度（f）】： f=（e/E）100； 空气饱和：eE，f100； 空气未饱和：？ 空气过饱和：？,（一）湿度-3：,【露点温度（Td）】或【露点】： 湿空气等压降温达到空气饱和的温度。 露点差：判断空气饱和程度。 气温达到露点，是水汽的凝结必要条件。 【相对湿度（f）】： f=（e/E）100； 空气饱和：eE，f100； 空气未饱和：？ 空气过饱和：？ 【比湿（g）】：水汽质量与同一容积中空气的总质量的比值（g/kg）。在分析空气垂直运动时，常使用。,（二）湿度的变化与分布,相对湿度的日变化： 与气温日变化相

20、反（图3-12）（原因？）。 为何沿海地区异常（提示：海陆风）？ 相对湿度的年变化：夏季最小、冬季最大。 有些地方异常！（夏季盛行风来自海洋，冬季来自内陆） 相对湿度分布：与据海洋远近、纬度高低有关（表3-9）。,湿度随时间的变化*,1、水汽压的日变化： 1）双峰型：主要在大陆上湍流混合较强的夏季。最高值：9：00-10：00，21：-22：00；最低值：清晨温度最低时和午后湍流最强时。 为什么在大陆上湍流混合较强的夏季水汽压 一天中有两个最值和两个低值？,48,水汽压一天有2个高值和2个低值的原因*,1）日出后，地面温度上升，蒸发加快，水汽压逐渐上升，9：0010：00时达最大。 2）910

21、时后，随着温度的上升，低层趋势于不稳定，湍流混和加强，湍流混合使水汽上传的作用大于地面蒸发的作用，所以水汽压开始减小；午后，温度最高，湍流作用最强，故实际水汽压e最小值在午后。,3）日落后，由于气温降低，湍流大大减弱，同时由于白天湍流混合已经使上、下层水汽趋于均匀，上传的水汽就大大减小，此时蒸发使水汽增大的作用又成为主要方面，水汽压又上升，到晚上21-22时，水汽达最大。 4）21-22时后，地面温度因辐射冷却而降低，蒸发变得很慢，且地面温度低于露点温度时，会有露、霜等凝结现象产生，水汽压又减小，直至次日清晨达至最低。,2）单峰型：,出现在沿海地区和陆地上湍流不强的秋冬季节，水汽压与温度的日变

22、化一致。为什么？ 因为沿海地区，有充足的水源可供蒸发，而在大陆上湍流不强的季节，湍流混合使水汽上传作用不显著，所以在这些地区的水汽压日变化受温度的影响最显著。,3、相对湿度的日变化：,最高值基本上出现在清晨温度最低时，最低值出现在午后温度最高时（与温度的日变化相反）。 因为气温增高时，虽然蒸发加快，水汽压增大，但饱和水汽压增大更多，反使相对湿度减小（f=e/E*100%），温度降低时则相反。 4、相对湿度的年变化,水汽压的年变化*,与温度的年变化相似，最高值出现在温度最高蒸发最旺的7-8月。最低值出现在温度低、蒸发弱的1-2月,饱和水汽压随着温度改变的量，在高温时要比低温时大。,例如：温度由3

23、0降到25，饱和水汽压减少10.76hPa，而温度从15降到10，饱和水汽压只减少4.77 hPa。 思考：为什么暴雨总是发生在夏季？,为什么暴雨总是发生在暖季？,参考答案： 因为暖季，气温比较高，饱和水汽压大，空气中所能容纳的水汽含量增多，因而能使原来已处于饱和状态的蒸发面因温度升高而变成不饱和，蒸发增强，当温度降低时，由于饱和水汽压减小，空气中多余的水汽就会凝结出来。,二、蒸发和凝结,（一）蒸发及其影响因素： 1.影响蒸腾的因素： 蒸发面温度、性质、性状、空气湿度、风等。 试比较：冰面-水面 ；海水淡水；清水浊水； 【蒸发】：液态水转化为水汽的过程。 2. 蒸发量: 蒸发速度（mm） 观测

24、仪器（气象台站）：20cm蒸发皿；观测值不代表当地实际蒸发量（原因？）。,（二）水汽凝结的条件,1、空气中的水汽要达到饱和或过饱和。 1）增加大气中的水汽含量，增加绝对湿度。 （2）使空气冷却来减小饱和水汽压。 常见凝结现象：云、露、雾、霜等。 大气降温的4种过程 ： （A）绝热冷却；（B）辐射冷却： （C）平流冷却； （D）混合冷却： 2、凝结核,2、凝结核,【凝结核】大气中某些吸湿颗粒是水汽开始凝结的核心，叫做；如：尘埃、烟粒等。 凝结核的两个主要作用： （1）对水汽的吸附作用 （2）利于水汽继续凝结，使水滴增大。,蒸发面的性质和形状*（）E随着蒸发面性质而变化,）过冷水E大于冰面E 【过

25、冷水】:水温低于0OC仍未结冰的水。 由于冰固体，冰分子要脱出冰面的束缚比脱出水面的束缚困难，故当冰面上水汽密度较小时，其落回的分子数就已与脱出的分子数相平衡。 【冷云】或【冰水混合云】：冰晶和过冷水混合组成的云。 【暖云】：云体大于OC的水云。 【冰晶效应】：冰水共存、水汽转移，使云滴增大的过程，亦称“贝吉龙效应”。,思考题：,1、为什么晴朗无风的早晨常有露水？ 2、为什么冬季英国境内雾日多？ 3、为什么迎风坡多雨？,参考答案,1、在晴朗无风的夜晚，辐射冷却强烈，近地面层空气因冷却至露点温度，使水汽发生凝结。 2、 因为温湿的西风气流登陆后将热量传给下垫面，降温至露点，而发生水汽凝结。 3、

26、因为空气上升过程中，体积膨胀对外作功，导致空气本身冷却，每上升100m温度降低10C，随着温度的下降及饱和水汽的减小，当空气上升到一定高度，空气就会达到过饱和而凝结。,三、水汽的凝结现象,（一）地表面的凝结现象 （1）【露】和【霜】 ： 【平流霜】；【洼地霜】；【霜期】、【无霜期】。 （2）【雾凇】、【雨凇】： （二）大气中的凝结现象 （1）【雾】： （2）【云】：,（1）露和霜,傍晚或夜间，地面或地物由于辐射冷却，使贴近地表面的空气层也随之降温，当其温度降到露点以下，即空气中水汽含量过饱和时，在地面或地物的表面就会有水汽的凝结物，如果此时的露点温度在0OC以上，在地面或地物上就出现微小的水滴

27、，称为【露】；如果露点温度在0OC以下，则水汽直接在地面或地物上凝华成白色的冰晶，称为【霜】。,霜和霜冻的区别及霜冻的预防*,（1）霜指白色固体凝结物。 （2）霜冻指在农作物生长季节里， 地面和植物表面温度下降至足以引起农作物遭受伤害或者死亡的低温。 预防霜冻尤其是早霜冻和晚霜冻对农作物的威胁，主要彩熏烟、浇水、覆盖等预防措施。,（2）雾凇、雨凇,【雾凇】：俗称“树挂”；出现于寒冷、湿度高的天气下。 【雨凇】：俗称“冰凌”；,雾凇,雨凇-(江西庐山出现雨凇景观),（二）大气中的凝结现象,（1）【雾/fog/】：漂浮在近地表面的乳白色微小水滴或冰晶。 高悬于空中的称为【云】；飘浮于近地面，使水平

28、能见度小于1km的称为【雾】。 【霾（mai）/haze/】：空气中烟、尘较多时，导致能见度变坏，这种现象称。 雾的形成条件： a）近地面空气中水汽充足； b）水汽发生冷却过程； c）有凝结核（如果有凝结核，则雾可在相对湿度小于100%时形成）,霾,雾的成因类型,根据空气冷却过程的方式不同，可将雾分为辐射雾；平流雾；蒸汽雾，锋面雾，上坡雾等。 【辐射雾】：由地面辐射冷却使贴地气层变冷而形成，多见于秋冬季无云的夜间，谚语“十雾九晴” 【平流雾】：由于暖湿空气流到冷的下垫面上，冷却降温，水汽发生凝结形成。一般地说，平流雾比辐射雾范围广，厚度大，持续时间长，多见于沿海地区、海面、冷暖流交汇处。,（2

29、）云,【云】：高空水汽凝结现象。 云的分类： a. 积状云：空气对流上升，水汽凝结而成；包括淡积云、浓积云、积雨云。 b. 层状云：由空气斜升运动形成。可分为雨层云、高层云、卷层云3种。 c. 波状云：呈波状起伏或鱼鳞状的云层。包括：卷积云、高积云、层积云、层云。,【云量】：天空被云遮蔽的程度。用110成数表示。 全球的几个云量带： a. 赤道多云带： b. 纬度2030度少云带： c.中高纬多云带：,四、大气降水,【降水】：从云中降到地面上液态或固态水，称为。常见的有雨、雪、冰雹、霰等。单位：用降水量表示。 霰（xian）在高空中的水蒸气遇到冷空气凝结成的小冰粒，多在下雪前或下雪时出现。 【

30、降水量】：是指降落到地面上的雨和融化后的雪、冰雹等未经蒸发、渗透、流失而集聚在水平面上的水层厚度。单位：mm 【降水强度】：单位时间内的降水量称为降水强度（单位：mm/h） 。 降水和热量一样，是地球表面一切生命过程的基础，是塑造自然地理环境和影响人类活动的重要因素。,（一）降水形成的条件,1、降水形成基本条件： 1）上升气流运动：可源源不断地给云中输送水汽；绝热上升，水汽易凝结成云；可托住小水滴，使之不易过早掉下来。 2）雨滴大小：雨滴降落地面时，不致于完全被蒸发。 2、云滴增长的主要过程： 1）云滴凝结（或凝华）增长： 2）云滴的冲并增长：对于暖云尤其重要。,（二）降水的类型和分布,降水的类型： 按降水性质分： A）连续性降水：时间长，强度大 B）阵性降水：时间短，强度大，范围小 C）毛毛状降水：是极小的滴状液体降水，落在水面上没有波纹。 按降水的物态形状分：雨、雪、霰、雹 按降水的成因： A）对流雨（热雷雨）：多为暴雨形式。 B）地形雨： C）锋面（气旋）雨：雨区广、持续时间长。 D）台风雨：,人工降水*,1、人工影响冷云降水： 冷云：冰晶或过冷却水滴。常见于中纬度地区冬季。 根据贝吉龙学说，这种云之所以没有降水