气象学课件第一章大气

1、第一章大气包围在地球 表面的空气层称 为地球大气，简 称大气(atmosphere) 。第一章大气大气的组成和大气污染大气的垂直结构退出大气的主要物理性质第一节第二节第三节第一节大气的组成和大气污染大气的组成大气污染一二干洁大气大气中的水汽气溶胶粒子一.大气的组成1.干洁大气不含水汽和气溶胶粒子的混合空气。表1.干洁大气的主要成分气体容积含量（%）临界温度( )临界大气压氮气78.084-147.233.5氧气20.946-118.949.7氩0.934-122.043.0二氧化碳0.03331.073.0臭氧0710-8-5.092.3干洁大气特点：气体的组成成分比较稳定干洁大气是永久气体在

2、气象学中，通常将干洁空气作为“单一”气体来处理，其分子量为28.966。干洁大气中几种主要气体简介（1）氮气（nitrogen, N2）大气中含量最多的气体成份，影响大气的密 度、气压。氮是生命体的重要组成元素，是肥料三要素 之一。在气象学中并没有特殊的作用。（2）氧气（oxygen, O2 ）各种生命活动不可缺少的物质能吸收太阳辐射中的紫外线(ultraviolet,UV)，使到达地面的紫外线减少，同时影响大气的温度（3）臭氧(ozone,O3)生消原因：氧气分子在太阳紫外辐 射的作用下形成。O2O+OO+O2O3 O3+OO2+O2臭氧的时空分布规律空间变化特点：10km以下含量很少，20

3、25km浓度最 大，形成明显的臭氧层（ozone layer)。时间变化特点：随季节而变化，秋季最小，春季最大。臭氧的作用能强烈地吸收太阳辐射中的紫外线 保护了地球上的生命。对高层大气有“加热”作用，使10至50km高度的气层温度增高。二氧化碳的作用植物进行光合作用、制造有机物质的重 要原料能吸收地面与大气的红外辐射(infrared,IR)，对地面具有保温作用。（4）二氧化碳（carbondioxideCO2）保温效应示意图二氧化碳入射的短波辐射长波辐射大气中二氧化碳的变化规律CO2的日变化(diurnal variation)：白天午后达最低值，日出前后达最高值CO2的年变化(annual

4、 variation)： 夏季少，秋季达最低值;冬季多，春季达最高值。CO2的长期变化(long-term change)：由于人类活动，大气中CO2浓度不断升高。大气中CO2浓度的年变化夏威夷1992年至2001年平均二氧化碳浓度的年变化曲线大气中CO2浓度的长期变化大气中CO2浓度的长期变化水汽的特点是唯一能在自然条件下发生相变的物质， 因此它是天气变化的最重要的角色。是自然界潜热最大的物质。能吸收地面与大气的红外辐射，和二氧化 碳一样对地面有保温效应。2.大气中的水汽(water vapour, moisture)；大气中的水汽来源于地面的蒸发(evaporation)和植物蒸腾(tra

5、nspiration) ，因凝 结降水而返回地面。处在不断的循环之中。分布规律随高度减少；与地理因素关系密切随时间变化大。（2）水汽的生消和分布生消3.气溶胶粒子(aerosol particle)气溶胶粒子：悬浮在大气层中沉降速率很小 的固体、液体微粒。组成：有机物花粉、微生物、细菌 无机物灰烬、尘埃、小水滴等作用：能减弱到达地面的太阳辐射，影响着地 面与近地层的温度变化。作为凝结核(condensation nucleus)，使水汽 凝结成水滴、冰晶，影响云、降水的形成；2012年6月11日武汉雾霾天气二、大气污染大气状态稳定，风速较小，湿度大，出现了逆温现象，不利于近地面层的 烟雾扩散。

6、颗粒物累积形成遮阳层，阳光在污染物中多次折射和反射，导 致天空呈现土黄色，形成了笼罩江城的黄色雾霾天气。15003000米高空二、大气污染1、大气污染物大气污染物：由于人类或自然过程而产生 的对生物有害的大气成分。污染物的种类(classification of pollutant)：颗粒物含氮化合物 卤化物含硫化合物 碳氧化物碳氢化合物近期的济南 街头怪像： 男女老少都 变身为“口 罩党”，即 使上了公交 车也“舍不 得”摘下来。PM2.5？PM ( particulate matter，颗粒物）：大气中的固体或 液体颗粒状物质。PM2.5：大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物，也称 为可

7、入肺颗粒物。PM2.5产生的主要来源，是日常发电、工业生产、汽车 尾气排放等过程中经过燃烧而排放的残留物，大多含有 重金属等有毒物质。2012年2月，国务院同意发布新修订的环境空气质量 标准增加了PM2.5监测指标。2001-2006年全球PM 2.5平均值的地图（ 2010年9月公布）空气质量标准2、大气污染对全球气候的影响酸雨(acid rain)：大气降水的pH值明显低于正常值(5.6)的现象。温室效应(greenhouse effect)臭氧洞(ozone hole)酸雨的危害资料一：北欧国家为什么渔业减产?50年代初，北欧国家瑞典和挪威渔业减产，原 因不明；1959年挪威科学家才揭示

8、元凶是酸雨。资料二：伦敦和英国历史上最严重的空气污染事件， 发生在1952年12月4-9日。9日烟雾散开后，酸雨酸雾开始横行，雨水的pH值低到1.4-1.9，比柠檬汁还酸。酸雨的危害 危害一：湖泊酸化 危害二：土壤酸化危害三：酸雨与森林衰退 危害四：酸雨与建筑、文物2004年全国降水酸度分布强酸雨:弱酸雨:降水pH值4.54.5降水pH值5.6由于大气的温室效应(greenhouse effect)， 并且CO2是主要的温室气体，因此其浓度升高 将导致全球变暖。大气中CO2浓度增加对全球环境的影响二氧化碳入射的短波辐射长波辐射中国气象局-瓦里关全球本底台（北纬3617, 东经10054, 海拔

9、3816米）大气 CO2 月平均本底浓度的长期变化（24个全球本底站之一）395瓦里关采样分析（距地5 米）390瓦里关现场连续观测（距地80 米）)m美国MLO 采样分析（距地5 米）p385p (380月平均本底浓度3753703652CO360大气355中国气象局美国国家海洋与大气管理局350（提供数据图形）3451990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007年355350380375370365360390385中国气象局-瓦里关全球本底台（北纬3617,

10、 东经10054, 海拔3816米）大气 CO2 月平均本底浓度的长期变化（24个全球本底站之一）3953451990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007年大气CO2 月平均本底浓度 (ppm)瓦里关采样分析（距地5 米）瓦里关现场连续观测（距地80 米） 美国MLO 采样分析（距地5 米）中国气象局美国国家海洋与大气管理局（提供数据图形）1990-2006年中美CO2月平均本底浓度变化2012年8月已达到392.4ppm。过去10年中，大气CO2浓度以1.8p

11、pm/年的速率增长，而过去50年平均仅为1ppm/年。夏威夷Mauna Loa观象台测量的大气CO2浓度变化392.4 ppm全球平均温度实际变化（图片源自IPCC 2007）19612009年我国大部分地区气温呈上升趋势，其中北方地区增 温明显，增幅达0.30.6/10a；黄河以南大部地区升温幅度 普遍较小，一般在0.3/10a以下。19612009年全国温度变化趋势的空间分布(/10a)(气候变化对中国农业影响公报, 2010)气候变暖的后果冰雪消融，海平面上升;全球变暖将使北极、格陵兰岛、南极 和高山上的积雪融化，导致海平面上升。现有模式结果表明，1.94.6的全 球平均增暖（相对于工业

12、化前）如果持续 千年，会最终导致格陵兰冰盖的完全消融， 进而导致海平面升高约7m；如果全球冰雪全部消融，全球海平面 将上升约69m！全球变暖将使海平面上升1930年5151970年2000年冰 川面 10积（ 平 方 公 里）2001年（IPCC，2001）1900192019401960198020002020 年乞里马扎罗山脉（坦桑尼亚）1921年拍摄的西藏绒布冰川2007年拍摄的西藏绒布冰川,冰川已经后退 。气候变暖的后果冰雪消融，海平面上升;全球变暖导致极端天气频繁发生；如寒潮、热浪、暴雨、龙卷风等影响生物的生态适应性；影响农作物的产量和品质。种植制度北界空间位移（杨晓光等，2010）

13、气候变暖对中国农业的影响多熟种植界限北移高扩，不同地区影响程度不同稻麦二熟：由长江流域推进到华北平原的北缘 (40N)华北地区：两年三熟制已改为冬小麦玉米一 年平播两作西北地区：20世纪90年代与60年代相比，复种 作物适宜种植区的海拔高度升高约200m气候变暖对中国农业的影响作物种植界限北移高扩水稻可在52N左右的呼玛地区种植，较20世纪80年代初北移了约4个纬度。小麦种植北界由35N扩展到39N，北移了约4 个纬度，可种植小麦的最高海拔也由1800-1900m 上升到了2200m高度。玉米种植向北推移了约4个纬度，至大兴安岭和伊 春地区；在西藏地区，种植的海拔高度由1700-3200m扩展

14、到3840m。气候变暖对中国农业的影响30N100E110E120E34N柑橘种植区北扩149.01万公顷48.44万公顷48.69万公顷22.22万公顷59.84万公顷350.99万公顷面积增加面积增加面积减少到21世纪初，大豆主栽区存在明显北移的迹象，主要分布在黑 龙江省大部、吉林的中部东北大豆布局改变，主种植区北移作物品种布局发生显著变化华北地区种植的强冬性冬小麦因冬季无法满足春 化作用对低温的要求，被半冬性、甚至弱春性小 麦品种所取代，导致遭受冷害冻害风险加大。近50年来，河南省冬小麦品种由冬性为主演变到 半冬性、弱春性占绝对优势，且其成熟期也明显 提早。耐高温水稻品种将在南方占主导地

15、位，并逐渐向 北方发展。东北地区乃至全国大部分地区水稻种植区均表现 出由早熟被高产晚熟品种所替代的趋势。气候变暖对中国农业的影响农业种植结构发生明显变化由于不同地区气候变暖的程度和趋势不同，气候 变化对农业种植结构的影响也不尽相同。2000年，黑龙江省的水稻播种面积由1984年以前 的6%增加到39%，使黑龙江省的粮食作物种植结 构从以小麦和玉米为主转变为以玉米和水稻为主 的结构。甘肃省的喜热作物棉花、玉米和谷子的种植面积 迅速扩大，棉花主产区河西走廊的种植面积较80 年代扩大了7倍。气候变暖对中国农业的影响气候变暖有利于东北地区的粮食生产明显缓解了东北地区冷湿气候对作物低温冷害的影响延长了作

16、物生长期有利于引进晚熟高产玉米和大豆、高产冬小麦和水稻气候变暖对华东和中南地区的粮食产量影响并不明显气候变暖不利于华北、西北和西南地区的粮食生产这是因为这些地区大多处于干旱半干旱地区，温度升高使作物(越冬作物-冬小麦)生长发育加快、生长期缩短，作物可利用 的有效水资源相对减少，从而对粮食生产产生负面影响。气候变暖对中国农业的影响臭氧洞(ozone hole一个重要的环境问题20世纪80年代初，在南极大陆发现了 臭氧含量明显减少的大片区域，称为臭氧 洞。产生原因：人类活动释放的大量含氯氟 烃（CFC），对臭氧层有破坏作用。CFC在高层带电粒子的作用下会离解出氯离子Cl- ， 而Cl-在以下过程中

17、可起催化作用：o3+oo2+o2Cl_1979-1992年南极臭氧洞面积变化图在2006年9月21日至30日期间，臭氧空洞已经达到历史 最大，面积约有1060万平方英里，已经超过北美大陆。臭氧层破坏所造成的后果大量对人类和其它生物有害的太阳紫 外线可以到达地面，对生物产生严重的 伤害。对人的伤害：皮肤癌、眼癌、青光眼、 白内障等疾病的患病率大幅度上升。第二节 大气的垂直结构(Vertical Structure of the Atmosphere)大气在铅直方向上的物理性质有很大的变 化，根据大气温度的垂直分布特点，并考虑 密度、电离状况等因素，可将大气分为五层。 一. 对流层(troposp

18、here) 二.平流层(stratosphere) 三.中间层(mesosphere) 四.热层(thermosphere) 五.散逸层(exosphere)大气层中的温度分布和铅直分层对流层平流层中 间 层热层散逸层一.对流层(troposphere)厚度：012km（低纬1718km，高纬89km；夏季高于冬季） 对流层的主要特点：集中了80%以上的大气质量和几乎全部的水 汽温度随高度的升高而降低，平均每100m降 低0.65具有强烈的对流(convection)与乱流(turbulence)运动气象要素(meteorological element)的水平分 布很不均匀对流层的分层下层：

19、（摩擦层、大气边界层）1 1.5km中层：1.56km上层：6km对流层顶对流层顶(tropopause)：对流层与平流层 的过渡，厚度为几百米2km二.平流层(stratosphere)厚度从对流层顶向上，一直到55km左右为平 流层。这一层集中了大气中的大部分臭氧，空气密 度很小。平流层的主要特点：气温随高度而升高；平流 层顶气温可达-3 -17。空气以水平运动为主，气流运行平稳，没有强烈的对流水汽和尘埃很少，很少有云，透明度好。三.中间层(mesosphere)从平流层顶向上，到85km左右为中间层。主要特点有：温度随高度而迅速降低。有强烈的垂直运动，故又称为高空对流层 。四.热层(th

20、ermosphere)从中间层顶向上，到大约800km左右为热层（又称热成层、暖层）。主要特点有：气温随高度而升高；300km处气温可达1000，顶部可高达2000。空气在强烈的太阳紫外线与宇宙射线作用 下处于高度电离状态，故又称为电离层（ionosphere）五.散逸层( exosphere)热成层以上为散逸层（又称外层），是 大气圈与星际空间的过渡带。主要特点有：气温随高度很少变化空气非常稀薄空气质点的运动速度很快，可逃逸 到星际空间2003年10月30日德国慕尼黑出现北极光极 光二 年 四 月 七 日冰 岛南 极 上 空 的 极 光一 九 九 七 年 六 月 四 日中 山 站本图拍摄于瑞

21、典 阿比斯库的极光 太空观测站，图 片显示了极光有如 一条柔软的绿色光 带从天而降，又似 一条绿色的极光瀑 布。2011年10月摄于挪威，在强地磁暴促使下北半球 产生的极光。2012年4月，在瑞 典北部拉普兰的萨 米村上空，多彩的 极光形成天使翅膀 图案。极光中的绿色和紫 色是由带电的太阳 粒子与地球大气层 中的氧和氢碰撞形 成。受影响的空气 分子被赋予额外的 能量，从而以光的 形式释放出来。大气上界(upper limit of the atmosphere)的确定以物理现象出现的最高高度作为确定上 界的标准：“极光”出现的最大高度为10001200km，因此可确定大气上界为1200km 左

22、右。以空气密度作为确定上界的标准：接近 星际空间的气体密度的高度约为20003000km。气象要素大气质量及其垂直分布大气状态方程第三节 大气的主要物理性质（补充内容）一二三一.气象要素气象要素（meteorological elements)表示大气状态的物理量和物理现象。 包括辐射、气温、空气湿度、气压；云、雨、风等等。天气：一地短时间内的大气物理综合状况。 气候：一地长期大气物理状况的统计特征。二.大气质量及其垂直分布在地球表面的标准状态下，空气 密度 0=1.293kg/m3，均质大气的厚度 为Z0=7980m而实际上，大气密度随高度按指 数规律减小：0 zz0e理想气体状态方程m克质

23、量的气体： PV m R*T其中：是分子量，R*=8.31 (J/Kmol)为普适气体常数(universal gas constant)三.大气的状态方程（equation of state)理想气体状态方程公式两边同除以V:令gas constant)；并取VP m R*T R，即为比气体常数(specificR*V m则方程可写为：P RT干空气状态方程干空气分子量=28.966 (g/mol)干空气比气体常数Rd= R* / =287 (J/kgK)方程为：Pd= d Rd T或d = Pd /（Rd T)注意，式中各量均应采用国际单 位制，气压的单位为Pa。水汽状态方程水汽比气体常数

24、Rw= 461.5 (J/kgK)方程为：e= w Rw T其中：e为水汽压或w = e / （Rw T）注意，式中各量均应采用国际单 位制，水汽压e的单位为Pa.大气状态方程应用假设某地700hPa高空温度为7，试 求该气层的空气密度。d = Pd /（Rd T)= 700*100/287*（273+7）= 0.8711 (kg/m3)本章总结本章重点和难点：明确大气中各组成成分的作用。掌握二氧化碳、臭氧浓度的变化规律了解大气在铅直方向上各个层次的主 要特点。掌握大气的主要物理性质。作业复习思考题第一章：二氧化碳的日年化、年变化和长期变化的特点如 何？为什么会有这样的变化？大气在铅直方向上可分为哪几层？其中最低的一 层有什么特点？根据气体的状态方程，说明当一块空气的温度比 同高度上周围空气温度高或低时，这块空气在 铅直方向上的运动情况。参考文献冯秀藻，陶炳炎等.农业气象学原理. 北京：气象出版社. 1991周淑贞. 气象学与气候学.北