大气科学基础第一章.ppt

1、大 气 科 学 概 论,张 婕 ,课程内容及考核,讲授内容：以PPT为主，部分板书 网络存储：zj3130 邮箱： 成绩考评办法：平时成绩、期末考试成绩加权平均， 平时成绩：缺课次数超三次，以零分计； 基准分为80分； 缺席一次扣10分，迟到一次扣5分； 主动回答问题，作业完成质量高，可加210分；,一、什么是大气科学？,春雨贵如油,“泰坦尼克号”海难,一、什么是大气科学？,大气科学：研究地球大气结构、组成、物理现象、化学反应、运动规律及其他问题的科学。,二、研究对象及研究基本内容,研究对象：主要是大气圈，包括部分岩石圈、水圈、生物圈。 研究基本内容： （1）地球大气的一般特征； （2）大气现

2、象发生、发展的能量来源，性质及其转化； （3）解释大气现象，研究其发生、发展规律； （4）如何利用这些现象预测、控制和改造自然。,三、研究特点,1、大气科学研究不能仅限于大气圈，需四圈同时考虑；,各圈层相互作用,大气圈,生物圈,岩石圈,水圈,人类活动,日地关系,三、研究特点,1、大气科学研究不能仅限于大气圈，需四圈同时考虑； 2、大自然是大气科学研究的实验基地，需实测与理论相结合； 3、国际合作是推动大气科学发展的必要途径。,四、发展概况,17世纪以前，人们对大气以及大气中各种现象的认识是直觉的、经验性的。 1718世纪，大气科学研究开始由单纯定性的描述进入了可以定量分析的阶段。 1820年，

3、H.W.布兰德斯绘制了历史上第一张天气图，开创了近代天气分析和天气预报法。 1835年科里奥利力的概念和1857年风和气压的关系，成为地球大气动力学和天气分析的基石。,四、发展概况,1920年前后，锋面、气旋和气团学说，为天气分析和预报12天以后的天气变化奠定了理论基础。 1783年，法国J.A.C.查理制成了携带探测气象要素仪器的氢气气球。20世纪30年代无线电探空仪开始普遍使用，真正三度空间的大气科学研究从此开始。 1939年气象学家C.-G.罗斯比提出了长波动力学，并由此引出了位势涡度理论，使天气预报期限延伸到34天，为后来的数值天气预报和大气环流的数值模拟开辟了道路。,四、发展概况,1

4、946年 “播云”试验，探明了在过冷云中播撒固体二氧化碳或碘化银,可以使云中的过冷水滴冰晶化，增加云中的冰晶数目，促进降水，从此进入了人工影响天气的试验阶段。 现代科学技术在气象学中的应用，其研究范畴日益扩展。广泛运用高速电子计算机和气象卫星，是这个时期最重要的标志。主要特点表现为：大规模的观测实验；对大气物理现象进行数值试验；把大气作为一个整体进行研究；气候学领域的科学革命。,五、大气科学的分支,传统上分为气象学、气候学和高层大气物理学3个领域。 近年主要分支学科：大气探测、气候学、天气学、动力气象学、大气物理学、大气化学、人工影响天气、应用气象学等。,天气学，大气动力学，边界层物理学,生态

5、学,物理化学,大气辐射学 云雨物理化学,生物地球化学，微生物学,边界层物理学 云雨物理化学,第一章 大气概述,1 地球系统 2 地球大气的成分 3 大气的重要性 4 主要气象要素 5 空气状态方程 6 大气垂直结构 7 气压场分布特征,1 地球系统,一、何为地球系统？二、地球大气是如何演变的？,1 .1 地球系统,1 .1 地球系统,1、岩石圈：地壳和上地幔顶部 2、水圈：海洋、河流、湖泊、沼泽、冰川、积雪、地下水和大气圈中的水 3、生物圈：植物、动物、人类及有生物存在的部分 4、大气圈：包围地球表面，厚度为1000公里的大气层,大气与地表及其与宇宙空间的能量交换形成多姿多彩的天气和气候的变化

6、,1.2 地球大气的演变,问题：传统的太阳系“九大行星”概念为何如今要被 重新定义，而冥王星又因何被“降级”？,行星：围绕太阳运转，自身引力足以克服其刚体力而使天体呈圆球状，并且能够清除其轨道附近其他物体的天体。成员包括水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。 矮行星：与行星同样具有足够的质量，呈圆球状，但不能清除其轨道附近其他物体的天体。 成员包括冥王星和谷神星等。太阳系小天体：围绕太阳运转但不符合行星和矮行星条件的物体。,太阳系家谱,形成初期都应以轻元素为主，后来由于各自的条件（距太阳远近、行星尺度及公转和自转周期等）不同，经几十亿年演化，形成了现在各自不同的大气。 内行星：水

7、星无大气， 金星、火星以CO2为主（地球例外） 外行星：仍以H、He、CH4等原始大气成分为主。（木、土、天、海、冥） 问题：为什么地球成分例外？,1、行星大气特征,2、地球大气演化,必须把大气看成是地球组合系统的一部分 (1) 地球大气演化的三个阶段： 原始大气：地球形成初期，以H2，He和CO为主 次生大气：4520亿年前，以CO2，CH4，NH3和H2O等 为主 现代大气：以N2和O2为主,(2) 地球大气O2的来源？,a、水汽被太阳紫外辐射的光致离解，能产生千分之一的氧 b、植物的光合作用6亿年前，氧的浓度达到现在的百分之一，即第一关键浓度。高空臭氧浓度明显增加，使生命能到达水面。 4

8、亿年前，达到十分之一，高空大气形成的臭氧层 。大量植物缓慢由海洋向陆地推进。,最终光合作用和动植物的呼吸及死亡达到平衡,（3）地球大气N2的来源？ 还有待进一步研究！ （4）生命的出现和地球大气的演化之间的关系 生命的出现与适当的日地距离（液态水的存在）有关。 生命的出现反过来又进一步改变了地球大气的成分。,第一章 大气概述,1 地球系统 2 地球大气的成分 3 大气的重要性 4 主要气象要素 5 空气状态方程 6 大气垂直结构 7 气压场分布特征,2 地球大气的成分,2.1 干洁大气 2.2 水汽 2.3 气溶胶,2.1 干洁大气,干洁大气：指不含水汽和悬浮颗粒物的大气，其平均分子量为28.

9、964kg/kmol。 1、大气的组成分类 2、O2的作用 3、N2的作用 4、CO2的来源及作用 5、O3的来源及作用,（1）大气成分浓度表示法 a、绝对量法体积质量，单位为mg/m3，g/m3等，表示大气中气溶胶的浓度，但进行数值比较时要考虑大气状态。,1、大气的组成分类：,（1）大气成分浓度表示法 a、绝对量法体积质量，单位为mg/m3，g/m3等，表示大气中气溶胶的浓度，但进行数值比较时要考虑大气状态。 b、相对量法，单位为ppm，ppb，ppt等，若表示该成分的质量占整个大气总质量的份数，即质量百分比m，若表示该成分的体积占整个大气总体积的份数，即体积百分比v。,1、大气的组成分类：

10、,一百万分之一（Parts Per Million）,十亿分之一,一万亿分之一,（2） 按浓度分类： 主要成分：浓度为百分之几，,1、大气的组成分类：,地球大气气体的组成,（2） 按浓度分类： 主要成分：浓度为百分之几，如N2，O2，Ar。 微量成分：浓度在1ppmv到1%，,1、大气的组成分类：,地球大气气体的组成,（2） 按浓度分类： 主要成分：浓度为百分之几，如N2，O2，Ar。 微量成分：浓度在1ppmv到1%，如CO2， CH4， He ，Ne，Kr，H2O 。 痕量成分：浓度在1ppmv以下，,1、大气的组成分类：,地球大气气体的组成,（2） 按浓度分类： 主要成分：浓度为百分之几

11、，如N2，O2，Ar。 微量成分：浓度在1ppmv到1%，如CO2， CH4， He ，Ne，Kr，H2O 。 痕量成分：浓度在1ppmv以下，如H2，O3，Xe，NOX ，NH3，SO2，CO，人为污染气体等。,1、大气的组成分类：,（3）按生命时间分类： 准定常成分：寿命在1000年以上。 可变成分：寿命在几年到十几年。 快变成分：寿命在1年以下。,1、大气的组成分类：,地球大气气体的组成,（3）按生命时间分类： 准定常成分：寿命在1000年以上，如N2，O2，和惰性气体。 可变成分：寿命在几年到十几年，如CO2，H2，CH4 等。 快变成分：寿命在1年以下。如H2O，.,1、大气的组成分

12、类：,2.1 干洁空气,1、大气的组成分类 2、O2的作用 3、N2的作用 4、CO2的来源及作用 5、O3的来源及作用,2、O2的作用（1）生命新陈代谢（2）有机物燃烧、腐化、分解 3、N2的作用（1）冲淡氧气（2）固氮，植物养料,2.1 干洁空气,1、大气的组成分类 2、O2的作用 3、N2的作用 4、CO2的来源及作用 5、O3的来源及作用,4、CO2的来源及作用,（1）来源：有机物燃烧，腐烂和生物呼吸 （2）作用：a、对长波辐射的吸收和放射，影响地面和大气的温度（温室气体）。,4、CO2的来源及作用,（1）来源：有机物燃烧，腐烂和生物呼吸 （2）作用：a、对长波辐射的吸收和放射，影响地

13、面和大气的温度（温室气体）。 b、是植物光合作用不可缺少的原料。,2.1 干洁空气,1、大气的组成分类 2、O2的作用 3、N2的作用 4、CO2的来源及作用 5、O3的来源及作用,什么是臭氧？,4、O3的来源及作用,来源：a、高空臭氧：高层大气中的臭氧主要是氧分子吸收一定波长的太阳辐射，形成氧原子，而后氧原子在第三种中性粒子M的参与下与氧分子结合，形成臭氧。 b、低空臭氧：低空臭氧主要是从高空输送而来，另外对流层大气的光化学反应也是臭氧的另一个主要来源，还有一部分由雷暴闪电、有机物氧化生成。,4、O3的来源及作用,作用：a、能强烈吸收紫外辐射，对大气有增温作用，影响了 大气温度的垂直分布及高

14、层大气的加热过程。,4、O3的来源及作用,臭氧层,作用：a、能强烈吸收紫外辐射，对大气有增温作用，影响了 大气温度的垂直分布及高层大气的加热过程。 b、吸收了绝大部分的紫外辐射，使生物有机体免遭伤害。,4、O3的来源及作用,作用：a、能强烈吸收紫外辐射，对大气有增温作用，影响了 大气温度的垂直分布及高层大气的加热过程。 b、吸收了绝大部分的紫外辐射，使生物有机体免遭伤害。 c、对红外辐射的吸收，使地面向外空间的辐射受阻，也 促进了大气的增温。,4、O3的来源及作用,臭氧洞,定义：80年代观测发现，自每年9月份下旬开始，南极洲上空的臭氧总量迅速减少一半左右，极地上空臭氧层的中心地带，近90臭氧被

15、破坏，若从地面向上观测，高空臭氧层已极其稀薄，与周围相比象是形成了一个直径上千公里的洞，称为“臭氧洞”。,臭氧洞,产生的原因 (1)大气动力学南极冬春环极涡旋 (2)大气化学氟氯烃 （蒙特利尔协定） (3)其他,2 地球大气的成分,2.1 干洁大气 2.2 水汽 2.3 气溶胶,2.2 水汽,来源：来自江、河、湖、海及潮湿物体表面的水分蒸发和植物蒸腾作用。 水汽的时空分布：地面高空，热带极地 海洋沙漠，夏季冬季 作用：a、云和降水的源泉； b、影响地面、空气温度及大气垂直运动； c、通过水循环，将地球系统的岩石圈、水圈、生物圈、大气圈紧密联系到一起。（图）,2 地球大气的成分,2.1 干洁大气

16、 2.2 水汽 2.3 气溶胶,什么是气溶胶？,2.3 气溶胶,1、定义：悬浮在大气中的各种固体和液体粒子。 2、按尺度分类 尺度：10-3102m 数密度： 102106个/cm3， 城市农村，陆地海洋，冬季夏季,2.3 气溶胶,3、来源 人工源：燃烧、工业活动产生的烟粒、煤烟粒子，核实验，气粒转化过程。 自然源：土壤岩石风化及火山爆发、 森林火灾、海洋溅沫、云滴、 冰晶、宇宙尘埃、有机质点等。,撒哈拉沙尘暴,海水溅沫,盐水滴,气溶胶粒子,海浪冲击形成空气泡,破裂,干涸,2.3 气溶胶,4、作用： a、可以作为大气中水汽凝结或冻结的核心（凝结核或冻结核），是形成云雾降水的条件。 b、其次它能

17、吸收和散射太阳辐射、大气和地面发射的长波辐射，改变地球的辐射平衡。 c、气溶胶有时会造成大气污染，使能见度降低。,NOx和HC光化学产物，呈淡蓝色烟雾，刺激人眼和呼吸道，伤害植物叶面、强氧化，导致塑料、橡胶老化。,洛杉矶光化学烟雾,2.3 气溶胶,4、作用： a、可以作为大气中水汽凝结或冻结的核心（凝结核或冻结核），是形成云雾降水的条件。 b、其次它能吸收和散射太阳辐射、大气和地面发射的长波辐射，改变地球的辐射平衡。 c、气溶胶有时会造成大气污染，使能见度降低。 d、影响大气光电特性。,复习题：,1、试述大气演化的三个阶段及各自组分。 2、什么是地球系统？ 3、何为干洁大气？它由哪些成分组成？

18、 4、试述二氧化碳、臭氧的源及作用。 5、什么是气溶胶？水汽和气溶胶的来源和作用是什么？,第一章 大气概述,1 地球系统 2 地球大气的成分 3 大气的重要性 4 主要气象要素 5 空气状态方程 6 大气垂直结构 7 气压场分布特征,3 大气的重要性,3.1 大气与生存环境 1、大气污染与污染物 2、环境问题 3.2 天气与气候,云雨,霾,光氧化物,气体粒子转化,CCN,再悬浮,SO2、NOx、 VOC 、 NH3 、 CO2、CO、扬尘、 Soot、粉尘,酸沉降,区域气候,能见度,光化污染,人类活动排放的初始大气污染物和次生大气污染物,均相和多相大气光化学反应,3.1 大气与生存环境,1、大

19、气污染与污染物： 大气污染就指由于人为和自然因素改变了大气的组成（90km以下），致使人类和生态系统出现不良反应，破坏了系统的平衡和发展。其中造成这种不良反应的物质称为污染物。,3.1 大气与生存环境,2、环境问题：温室效应与全球气候变暖 臭氧层破坏 酸雨 城市空气污染,温室效应与全球气候变暖(CO2，CH4，N2O),Increase in catastrophic flood events,Increase in frequency and intensity of droughts,Source: OSTP,Snow cover and ice extent have decreased

20、,Global average sea level has risen and ocean heat content has increased,臭氧层破坏,南极上空的臭氧层空洞 就像一个巨大的蓝色水滴,酸雨,纯水也有微弱的电离能力 中性溶液： H+OH-10-7M 酸性溶液： H+OH-，H+10-7M 碱性溶液： H+OH-，H+10-7M,pH-lgH+ 常温下，中性pH7；酸性pH7；碱性pH7,酸雨：PH5.6的降水。,酸雨的危害：土壤、河流、湖泊酸化，危害生态系统 腐蚀建材、金属和油漆 含汞、镉等威胁人类健康,我国酸雨分布状况和对策,酸雨区随经济发展在扩大!,观念的改变 先发展再治

21、理, 立法治理 划分功能区 大气容量, 临界负荷 对策和措施 减排放, 预处理; 换清洁能源 发挥舆论作用,促使全民参与,城市空气污染,伦敦烟雾事件（煤烟型） 煤烟、SO2、硫酸混合雾， 致呼吸道疾病，气管炎、哮喘、心脏病 1952年12月伦敦发生持续4日大雾而得名 洛杉矶烟雾事件（氧化型） NOx和HC光化学产物，呈淡蓝色烟雾 刺激人眼和呼吸道、伤害植物叶面、强氧化 导致塑料、橡胶老化 最早出现在落杉矶而得名。,兰州西固地区光化学烟雾,概念不同 天气：某地在某一瞬间或某一段时间内，大气状态和大气现象的综合。 大气状态：大气的气压、气温和湿度等。 大气现象：大气中的风、云、雨、雪等现象。 气候

22、：指在影响天气的各因子（太阳辐射、大气环流、下垫面性质和人类活动等）长期作用下所产生的天气综合。不仅包括该地多年的平均天气状况，也包括某些年份偶尔出现的极端天气状况。,3.2 天气与气候,2.变化周期不同 a.天气：变化快，周期短 短期天气过程：5天； 中期天气过程：5-10天； 长期天气过程：10天-3个月。 b.气候：变化慢，周期长 主要分：年、十年、百年、千年、万年 例如：大冰期107108年； 中国明清时代的寒冷期长达500年。,3.2 天气与气候,3.2 天气与气候,问题：以下何为天气，何为气候？,今天白天到夜间，成都地区睛，气温为2530，预计明天白天睛间多云，气温为2225； 气候变暖； 厄尔尼诺、拉尼娜。,厄尔尼诺与拉尼娜,厄尔尼诺指赤道太平洋中部和东部的厄瓜多尔和秘鲁沿岸，海洋表