第五章大气圈与气候分异规律

1、第五章第五章 大气圈与气候分异规律大气圈与气候分异规律n第一节第一节 大气圈的组成与结构大气圈的组成与结构n第二节第二节 大气运动大气运动n第三节第三节 物质输移物质输移n第四节第四节 能量传输能量传输n第五节第五节 气候分异规律气候分异规律n第六节第六节 大气与人类大气与人类大气圈的组成与结构大气圈的组成与结构 大气圈的组成大气圈的组成:地球表面的大气主要由氮（地球表面的大气主要由氮（N2）、氧（）、氧（O2）、）、氩（氩（Ar）等气体组成。）等气体组成。 大气圈的结构：大气圈的结构：整个大气分为对流层、平流层以及高空的中间整个大气分为对流层、平流层以及高空的中间层、暖层和散逸层：层、暖层和

2、散逸层： 对流层对流层 大气的最底层，它的底界是地面。对流层有三个主要特征：大气的最底层，它的底界是地面。对流层有三个主要特征：气温随高度升高而降低；空气的对流运动显著；天气现象复杂多变。气温随高度升高而降低；空气的对流运动显著；天气现象复杂多变。n平流层平流层 从对流层顶以上到从对流层顶以上到5055 km高度为平流层。高度为平流层。n中间层中间层 自平流层顶到自平流层顶到8085 km左右为中间层。左右为中间层。n暖层暖层 自中间层顶到自中间层顶到800 km高空为暖层，又称热层。高空为暖层，又称热层。n散逸层散逸层 暖层以上的最高层大气称为散逸层，又称外层。暖层以上的最高层大气称为散逸层

3、，又称外层。 第第五五章章大气的组成大气的组成第第五五章章大气的组成大气的组成成分氮（N2）氧（O2）氩（Ar）二氧化碳CO2）氖（Ne）氦（He）氪（Kr）氡（Rn）氙（Xe）甲烷（CH4）一氧化二氮（O2）成分臭氧（O3）体积混合比体积混合比0.209470.000351.82X10-60.009340.780830.5X10-65.2X10-61.1X10-61.7X10-60.1X10-60.3X10-6(1050)X10-8表表 大气的组成大气的组成 地球大气主要是由氮和氧等组成。目前，人们关心最多的含量较地球大气主要是由氮和氧等组成。目前，人们关心最多的含量较少、寿命较短的微量和痕

4、量成分，如二氧化碳、臭氧、水汽及气溶胶少、寿命较短的微量和痕量成分，如二氧化碳、臭氧、水汽及气溶胶等。这是因为尽管他们的浓度很低，但他们在大气中的浓度均有较大等。这是因为尽管他们的浓度很低，但他们在大气中的浓度均有较大的时空变化，对地气系统热量的收支、大气温度的垂直结构及人类有的时空变化，对地气系统热量的收支、大气温度的垂直结构及人类有着明显的影响。着明显的影响。第第五五章章大气的主要气体成分、含量及分子量大气的主要气体成分、含量及分子量分子量主要气体成分空气中的含量/按体积平均滞留期/ 年氮（N2）氧（O2）氩（Ar）二氧化碳（CO2）臭氧（O3）甲烷（CH4）水汽（H2O）78.0820.

5、950.930.03（可变）0.000001（可变）0.000165可变10610410915？710天28.0232.0039.9444.0048.0016.0418 地球大气是多种气体的混合物。主要是由氮和氧组成，他们共占地球大气是多种气体的混合物。主要是由氮和氧组成，他们共占大气体积的大气体积的99%，其中，氮占大气体积的，其中，氮占大气体积的78%，氧占，氧占21%。此外还。此外还有氢、二氧化碳、臭氧、水汽和固体杂质等，他们的气体含量极少，有氢、二氧化碳、臭氧、水汽和固体杂质等，他们的气体含量极少，其总和约占大气体积的其总和约占大气体积的1%。表表 大气气体的主要成分及含量大气气体的主

6、要成分及含量第第五五章章大气臭氧浓度随高度的变化（引自（引自大气科学辞典）大气科学辞典） 臭氧的浓度随高度的分布，臭氧的浓度随高度的分布，具有不连续或突变现象。大气具有不连续或突变现象。大气中中O3主要存在于主要存在于1050 km的的大气层中，绝大部分集中在平大气层中，绝大部分集中在平流层，对流层只占了流层，对流层只占了10%左右。左右。近地面层臭氧含量少，从近地面层臭氧含量少，从10 km高度开始增加，到高度开始增加，到2030 km高度浓度达到最大值，称高度浓度达到最大值，称为为“臭氧层臭氧层”，再往上逐渐减，再往上逐渐减少，到少，到50Km以上就极少了。以上就极少了。这是由于不同高度上

7、这是由于不同高度上O3的形成的形成条件不同造成的。条件不同造成的。 据观测，大气中据观测，大气中CH4的增的增加将引起对流层加将引起对流层O2的增加，而的增加，而N2O和和CFCs的增加将引起平的增加将引起平流层流层O3的减少。的减少。第第五五章章大气臭氧的季节变化和纬度分布（引自（引自大气科学辞典大气科学辞典 ） 大气臭氧大气臭氧的分布随纬度的分布随纬度和季节的不同和季节的不同而不同：对纬而不同：对纬度而言，臭氧度而言，臭氧总量的极小值总量的极小值在赤道附近，在赤道附近，极大值在南北极大值在南北纬纬60o附近；就附近；就季节而言，春季节而言，春季出现极大值，季出现极大值，秋季出现极小秋季出现

8、极小值。值。第第五五章章大气中温度、密度以及物质成分的分层结构大气中温度、密度以及物质成分的分层结构 由于地球引力作用，大气由于地球引力作用，大气密度随高度的增加逐渐减小，密度随高度的增加逐渐减小，到大气上界，逐渐过渡为星际到大气上界，逐渐过渡为星际气体密度。气体密度。 从地面到高空，不仅大气从地面到高空，不仅大气的密度、成分不同，大气的温的密度、成分不同，大气的温度也存在着明显的变化。可以度也存在着明显的变化。可以这么认为：地球大气在垂直方这么认为：地球大气在垂直方向上形成三个相对的暖层和两向上形成三个相对的暖层和两个相对的冷层。个相对的冷层。 世界气象组织（世界气象组织（WMOWMO）根）

9、根据气温从地面到高空垂直方向据气温从地面到高空垂直方向的分布，将整个大气分成对流的分布，将整个大气分成对流层、平流层以及中间层、暖层层、平流层以及中间层、暖层和散逸层和散逸层。第第五五章章大大 气气 的的 运运 动动水平气压梯度力水平气压梯度力：在存在着气压梯度的地方，空气分子受到力的作用，驱使着空气在存在着气压梯度的地方，空气分子受到力的作用，驱使着空气沿着和气压梯度相同的方向移动的力，它是促使空气从静止到运动的原动力。沿着和气压梯度相同的方向移动的力，它是促使空气从静止到运动的原动力。地转偏向力（科里奥利力）：地转偏向力（科里奥利力）：由于地球的自转，地球表面运动的物体都会发生由于地球的自

10、转，地球表面运动的物体都会发生运动方向的偏转。导致地球表面运动物体方向偏转的力。在地转偏向力的作用下，运动方向的偏转。导致地球表面运动物体方向偏转的力。在地转偏向力的作用下，地表运动的物体，在北半球向右偏转，在南半球向左偏转。地表运动的物体，在北半球向右偏转，在南半球向左偏转。大气的辐合大气的辐合：在低压中心附近，大气由周围向中心集中。在低压中心附近，大气由周围向中心集中。大气的辐散大气的辐散：在高压中心附近，大气向周围散开。在高压中心附近，大气向周围散开。气旋、反气旋气旋、反气旋：旋转着的向低压中心辅合的大气系统叫做气旋，旋转着的由高压中旋转着的向低压中心辅合的大气系统叫做气旋，旋转着的由高

11、压中心向外辅散的大气系统叫做反气旋。由于受地转偏向力的作用，气旋、反气旋旋转心向外辅散的大气系统叫做反气旋。由于受地转偏向力的作用，气旋、反气旋旋转的方向正好相反。的方向正好相反。第第五五章章 大气的运动大气的运动 大气环流大气环流: :在太阳辐射、地球自转、地表面性质以及地面摩擦的共同作用，在太阳辐射、地球自转、地表面性质以及地面摩擦的共同作用，使得大气圈内的空气产生了不同规模的三维运动。使得大气圈内的空气产生了不同规模的三维运动。 季风：季风：大范围地区，盛行风随季节变化而发生有规律改变的现象。大范围地区，盛行风随季节变化而发生有规律改变的现象。 局地环流：局地环流： 海陆风：海陆风：发生

12、在沿海地区的、白天吹海风、夜间吹陆风、以一日为周期发生在沿海地区的、白天吹海风、夜间吹陆风、以一日为周期的周期性风系的周期性风系 高原季风：高原季风：高耸挺拔的大高原，由于它与周围自由大气的热力差异所形高耸挺拔的大高原，由于它与周围自由大气的热力差异所形成的冬夏相反的盛行风系。成的冬夏相反的盛行风系。 山谷风：山谷风：在山区，白天从谷地吹向山坡、夜间从山坡吹向谷地，以一日在山区，白天从谷地吹向山坡、夜间从山坡吹向谷地，以一日为周期的周期性风系。为周期的周期性风系。 焚风：焚风：山后的空气温度比山前同高度上空气的温度要高得多，湿度也小山后的空气温度比山前同高度上空气的温度要高得多，湿度也小得多，

13、形成了沿着背风坡向下吹的既热且干的风得多，形成了沿着背风坡向下吹的既热且干的风 城市热岛：城市热岛：城市的温度一般高于周围的郊区和农村。城市的温度一般高于周围的郊区和农村。第第五五章章科里奥利力与地面运动物体方向的偏转科里奥利力与地面运动物体方向的偏转 由于地球的自转，地球表由于地球的自转，地球表面运动的物体都会发生运动方面运动的物体都会发生运动方向的偏转。在北半球运动物体向的偏转。在北半球运动物体向右偏转，在南半球则向左偏向右偏转，在南半球则向左偏转。导致地球表面运动物体方转。导致地球表面运动物体方向偏转的力，叫做地转偏向力，向偏转的力，叫做地转偏向力，又叫做科里奥利力。地转偏向又叫做科里奥

14、利力。地转偏向力具有以下几个特点：（力具有以下几个特点：（1 1）这）这个力只改变物体的运动方向，个力只改变物体的运动方向，不改变物体的运动速度；（不改变物体的运动速度；（2 2）这个力的作用方向总是与物体这个力的作用方向总是与物体的运动方向垂直；（的运动方向垂直；（3 3）这个力）这个力的大小与物体运动的线速度成的大小与物体运动的线速度成正比；（正比；（4 4）这个力的大小与纬）这个力的大小与纬度的正弦成正比，在赤道处为度的正弦成正比，在赤道处为零，向两极地区逐步增大零，向两极地区逐步增大第第五五章章气旋、反气旋气旋、反气旋北半球南半球气气 旋旋反气旋反气旋 大气在气压梯度力的作用大气在气压

15、梯度力的作用下，由高压区流向低压区。在下，由高压区流向低压区。在高压中心附近，大气向周围流高压中心附近，大气向周围流动，也就是大气的辐散；在低动，也就是大气的辐散；在低压中心附近，大气由周围向中压中心附近，大气由周围向中心集中，也就是大气的辐合。心集中，也就是大气的辐合。由于地转偏向力的作用，大气由于地转偏向力的作用，大气的辐合与辐散形成了气旋、反的辐合与辐散形成了气旋、反气旋。所谓气旋就是指呈螺旋气旋。所谓气旋就是指呈螺旋状向内旋转运动的大气叫做气状向内旋转运动的大气叫做气旋，反之呈螺旋状向外旋转运旋，反之呈螺旋状向外旋转运动的大气叫做反气旋。由于地动的大气叫做反气旋。由于地转偏向力的作用方

16、向在南北半转偏向力的作用方向在南北半球相反，因此气旋与反气旋在球相反，因此气旋与反气旋在南北半球旋转的方向相反。南北半球旋转的方向相反。第第五五章章气流的辐散和辐合、气旋和反气旋的相互关系气流的辐散和辐合、气旋和反气旋的相互关系（据（据StrahlerStrahler改绘）改绘）辐散、反气旋辐散、反气旋辐合、气旋辐合、气旋辐散、反气旋辐散、反气旋辐合、气旋辐合、气旋对流层顶对流层顶近地面近地面 大气的辐大气的辐合、辐散与气合、辐散与气旋、反气旋的旋、反气旋的关系及其在空关系及其在空间的联系如图间的联系如图所示：气旋对所示：气旋对应于大气辐合，应于大气辐合，反气旋对应于反气旋对应于大气辐散；地大

17、气辐散；地面辐合则高空面辐合则高空辐散，高空辐辐散，高空辐合则地面辐散。合则地面辐散。第第五五章章单圈环流单圈环流 在太阳辐射的直接加热在太阳辐射的直接加热作用下，地球高低纬度之间作用下，地球高低纬度之间形成了从赤道向两极的温度形成了从赤道向两极的温度梯度，结果使低纬赤道地区梯度，结果使低纬赤道地区的大气不断增温而膨胀上升；的大气不断增温而膨胀上升；而极地大气因不断冷却而收而极地大气因不断冷却而收缩下沉。为保持静力平衡，缩下沉。为保持静力平衡，上层大气必然出现向极地的上层大气必然出现向极地的气压梯度，气流由赤道流向气压梯度，气流由赤道流向极地；低层则出现指向赤道极地；低层则出现指向赤道的气压梯

18、度，气流由极地流的气压梯度，气流由极地流向赤道。假设地球表面性质向赤道。假设地球表面性质均一且地球不自转，那么，均一且地球不自转，那么，在赤道和极地之间就形成了在赤道和极地之间就形成了一个单一的闭合的直接热力一个单一的闭合的直接热力环流圈。环流圈。第第五五章章现在地球上的大气环流图（三圈环流）现在地球上的大气环流图（三圈环流） 然而然而, ,空气一空气一旦开始运动旦开始运动, ,地转地转偏向力就随之发偏向力就随之发生作用生作用. .正是由于正是由于地转偏向力的存地转偏向力的存在在, ,就不可能存在就不可能存在一个单一的闭合一个单一的闭合的热力环流的热力环流, ,而在而在全球近地面气层全球近地面

19、气层形成了赤道低压形成了赤道低压带、副热带高压带、副热带高压带、副极地低压带、副极地低压带、极地高压带。带、极地高压带。第第五五章章北半球夏季（北半球夏季（7 7月）近地面大气环流状况月）近地面大气环流状况北半球夏季（北半球夏季（7 7月）月） 大范围区大范围区域盛行风随季域盛行风随季节变化而发生节变化而发生有规律改变的有规律改变的现象，称为季现象，称为季风。季风的形风。季风的形成与多种因素成与多种因素有关，最主要有关，最主要的是由于海陆的是由于海陆间热力性质的间热力性质的差异造成的，差异造成的，其次是由于行其次是由于行星风系的季节星风系的季节移动而形成的。移动而形成的。第第五五章章北半球冬季

20、（北半球冬季（1 1月）近地面大气环流状况月）近地面大气环流状况第第五五章章海陆风环流海陆风环流 海陆风是指发生在沿海地区的、白天吹海风、夜间吹陆风、以一日为周期海陆风是指发生在沿海地区的、白天吹海风、夜间吹陆风、以一日为周期的周期性风系。它也是由于海陆的热力性质的差异引起的，但影响的范围仅限于的周期性风系。它也是由于海陆的热力性质的差异引起的，但影响的范围仅限于沿海地区。在沿海地区，白天，陆地增温快，陆面气温高于海面，近地面空气上沿海地区。在沿海地区，白天，陆地增温快，陆面气温高于海面，近地面空气上升形成低压，气流从海洋流向陆地，形成海风；夜间相反，陆地降温快，陆面气升形成低压，气流从海洋流

21、向陆地，形成海风；夜间相反，陆地降温快，陆面气温低于海面，形成陆风。温低于海面，形成陆风。 海陆风对沿海地区的天气和气候有着明显的影响：白天，海风携带着海洋水汽海陆风对沿海地区的天气和气候有着明显的影响：白天，海风携带着海洋水汽输向大陆沿岸，使沿海地区多雾多低云，降水量增多，同时还调节了沿海地区的输向大陆沿岸，使沿海地区多雾多低云，降水量增多，同时还调节了沿海地区的温度，使夏季不致过于炎热，冬季不过于寒冷。温度，使夏季不致过于炎热，冬季不过于寒冷。海风海风陆风陆风第第五五章章青藏高原与平均经向环流青藏高原与平均经向环流（Molnar，1993） 高耸挺拔的大高原，由于它高耸挺拔的大高原，由于它

22、与周围自由大气的热力差异所形与周围自由大气的热力差异所形成的冬夏相反的盛行风系，称为成的冬夏相反的盛行风系，称为高原季风。以青藏高原季风最为高原季风。以青藏高原季风最为典型。冬季高原面上出现冷高压，典型。冬季高原面上出现冷高压，气流从高原向四周流动；夏季高气流从高原向四周流动；夏季高原面上出现热低压，气流从四周原面上出现热低压，气流从四周流向高原。高原季风对环流和气流向高原。高原季风对环流和气候的影响很大，尤其在东亚和南候的影响很大，尤其在东亚和南亚季风区。同时，在冬夏不同的亚季风区。同时，在冬夏不同的季节，高原季风环流的方向与东季节，高原季风环流的方向与东亚地区因海陆热力性质差异所形亚地区因

23、海陆热力性质差异所形成的季风的方向完全一致，两者成的季风的方向完全一致，两者叠加起来，使得东亚地区的季风叠加起来，使得东亚地区的季风（尤其冬季风）势力特别强盛，（尤其冬季风）势力特别强盛，厚度特别大。厚度特别大。第第五五章章山谷风山谷风(b）山风（a）谷风 在山区，白天从谷地吹向山坡、夜间从山坡吹向谷地，以一日在山区，白天从谷地吹向山坡、夜间从山坡吹向谷地，以一日为周期的周期性风系，称为山谷风（见下图）。白天，因为山坡上为周期的周期性风系，称为山谷风（见下图）。白天，因为山坡上的空气比同高度的自由大气增温强烈，空气从谷地沿坡向上爬升，的空气比同高度的自由大气增温强烈，空气从谷地沿坡向上爬升，形

24、成谷风；夜间由于山坡辐射冷却，冷空气沿坡下滑，从山坡流入形成谷风；夜间由于山坡辐射冷却，冷空气沿坡下滑，从山坡流入谷地，形成山风。谷地，形成山风。第第五五章章焚焚 风风 当流经山地的湿润气流受到当流经山地的湿润气流受到山地阻挡时，被迫沿坡绝热爬升，山地阻挡时，被迫沿坡绝热爬升，这时按照干绝热递减率降温。当这时按照干绝热递减率降温。当达到水汽凝结高度时，形成云，达到水汽凝结高度时，形成云，此后按照湿绝热递减率降温，逐此后按照湿绝热递减率降温，逐渐形成降水，空气继续沿坡上升，渐形成降水，空气继续沿坡上升，降水也不断发生。当越过山顶以降水也不断发生。当越过山顶以后，空气沿坡下沉增温，水汽含后，空气沿

25、坡下沉增温，水汽含量大为减少，按照干绝热递减率量大为减少，按照干绝热递减率下沉压缩升温。由于干绝热温度下沉压缩升温。由于干绝热温度变化率比湿绝热温度变化率大。变化率比湿绝热温度变化率大。过山后的空气温度比山前同高度过山后的空气温度比山前同高度上空气的温度要高得多，湿度也上空气的温度要高得多，湿度也小得多，形成了沿着背风坡向下小得多，形成了沿着背风坡向下吹的既热且干的风，称为焚风。吹的既热且干的风，称为焚风。第第五五章章“城市热岛城市热岛” 城市人口集中，工业发达，居民生活、工业生产及交通工具每天释放出大量城市人口集中，工业发达，居民生活、工业生产及交通工具每天释放出大量的人为热，导致城市热力过

26、程的总效应为：城市的温度一般高于周围的郊区和农的人为热，导致城市热力过程的总效应为：城市的温度一般高于周围的郊区和农村，城市尤如一个温暖的岛屿，称为村，城市尤如一个温暖的岛屿，称为“城市热岛城市热岛”。这主要是城市上空通过乱流。这主要是城市上空通过乱流扩散从暖的建筑物得到显热，并且吸收城市表面和污染层放出的长波辐射的结果。扩散从暖的建筑物得到显热，并且吸收城市表面和污染层放出的长波辐射的结果。由于热岛效应的存在，城市的年平均温度要比郊区高由于热岛效应的存在，城市的年平均温度要比郊区高0.51。第第五五章章物物 质质 输输 移移水汽的输移水汽的输移：垂直传输；垂直传输；水平传输（高低纬间输送；海

27、陆间输送）。水平传输（高低纬间输送；海陆间输送）。气溶胶的输移：气溶胶的输移：源地附近浓度大，逐渐向四周及上空扩散输移。源地附近浓度大，逐渐向四周及上空扩散输移。 二氧化碳的输移：二氧化碳的输移：CO2从源区向四周及上层大气扩散输移从源区向四周及上层大气扩散输移。第第五五章章能能 量量 传传 输输高低纬间的传输：高低纬间的传输：主要依靠全球性的大气环流（显热主要依靠全球性的大气环流（显热和潜热）及洋流来实现的。和潜热）及洋流来实现的。海陆间的传输：海陆间的传输：冬季，海洋是热源，大陆是冷源，热冬季，海洋是热源，大陆是冷源，热量从海洋输向大陆。越近海洋，输热越多，气温越高。量从海洋输向大陆。越近

28、海洋，输热越多，气温越高。高低空之间的传输：高低空之间的传输：在对流层中，由于空气的对流，在对流层中，由于空气的对流，高低空之间也在进行着能量的传输。高低空之间也在进行着能量的传输。第第五五章章热量输送和地球上的热量平衡热量输送和地球上的热量平衡（Strahler） 由赤道向极地的由赤道向极地的高低纬之间的热量传高低纬之间的热量传输，主要依靠全球性输，主要依靠全球性的大气环流（显热和的大气环流（显热和潜热）及洋流来实现潜热）及洋流来实现的，并随纬度和季节的，并随纬度和季节而异。从纬度看，全而异。从纬度看，全球能量的输送是从南球能量的输送是从南北纬北纬35o之间的辐射差之间的辐射差额正值区向纬度

29、高于额正值区向纬度高于35o的负值区输送，就的负值区输送，就平均而言，输送量以平均而言，输送量以纬度纬度40o附近为最大值。附近为最大值。第第五五章章气气 候候 分分 异异 规规 律律n气温分异：气温分异：气温的分布主要受纬度、海陆、地形、海拔高度等因气温的分布主要受纬度、海陆、地形、海拔高度等因素的制约，其中纬度因素决定了气温的纬度地带性分异，而海陆、素的制约，其中纬度因素决定了气温的纬度地带性分异，而海陆、地形及海拔高度则成为气温非地带性分异的因素。地形及海拔高度则成为气温非地带性分异的因素。 湿度和降水的分异：湿度和降水的分异：海洋上空水汽充沛，湿度大，而陆地上海洋上空水汽充沛，湿度大，而陆地上空相对缺乏，湿度较小。沿海地区，随着向陆地内部的逐渐过渡，湿度空相对缺乏，湿度较小。沿海地区，随着向陆地内部的逐渐过渡，湿度也逐渐减小。也逐渐减小。 气候分异气候分异: 纬度地带性纬度地带性：气候形成的主导因素是太阳辐射在地气候形成的主导因素是太阳辐射在地表的加热不均，以及由此产生的全球气压带、风带的分布及季节移动，表的加热不均，以及由此产生的全球气压带、风带的分布及季节移动，导致气候类型普遍具有沿纬度更替的趋向。导致气候类型普遍具有沿纬度更替的趋向。 湿度分带性湿度分带性：由于海陆分布的不同，引起