农业气象学chapter由于引力作用而环绕行星的气体圈层叫做大气

1、第一章 大 气 由于引力作用而环绕行星的气体圈层叫做行星大气。 地球大气又简称大气(atmosphere)，地球上的整个空气层称为大气圈。 干洁大气大气中的水汽气溶胶粒子 一. 大气的组成1 大气的组成和垂直结构 1.干洁大气除去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（%） 分子量 临界温度()临界大气压N278.08428.106 -147.233.5O220.946 32.000-118.9 49.7Ar0.93439.944-122.0 43.0CO20.03844.01031.0 73.0O30310-4 48.000-5.0 92.3干洁大气特点 气体的组

2、成成分比较稳定 干洁大气是永久气体 在气象学中，通常将干洁空气作为“单一”气体来处理，其分子量为28.966。 大气中几种主要气体简介 （1）氮气（nitrogen, N2） 大气中含量最大的气体成份，影响大气的密度、气压。 氮是生物体的重要组成元素，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，同时影响高层大气的温度 （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。 O2 O+O O+O2 O3 O3+O O2+

3、O2紫外线紫外线紫外线臭氧的时空分布规律空间变化特点： 10km以下含量很少，2025km浓度最大，称为臭氧层（ozone layer)纬度变化特点： 从赤道向两极增加时间变化特点： 随季节而变化，春季最大，夏季最小 臭氧的作用能强烈地吸收太阳辐射中的紫外线B、C波段，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。臭氧洞(ozone hole） 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-在以下过程中可起催化作用：O3+O O2+O2紫外线Cl- 80年代初，在南极大陆发现

4、了臭氧含量明显减少的大片区域，称为臭氧洞。臭氧层破坏所造成的后果 由于缺少臭氧层的屏障作用，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。据估计，紫外线透过率每增加10%，这几种疾病的患病率可增加20至60%。 这种情况对喜欢日光浴（sunbath）的西方国家影响尤为明显。（4）二氧化碳（carbon dioxide, CO2 ）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。 二氧化碳的作用 温室效应：大气吸收地面长波辐射，同时也

5、向宇宙和地面发射辐射，对地面起保暖增温作用。CO2的生成：生物呼吸、有机物的分解、燃烧、火山爆发、岩石风化、海洋释放等。 CO2的消失：植物光合作用(photosynthesis)、沉积、海洋吸收等。大气中二氧化碳的循环 (Cycle of carbon dioxide in the atmosphere)碳的循环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 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

6、中CO2浓度不断升高。在十七世纪工业革命前，全球平均大约为280ppm，2006年底创新高381.2ppm，比前一年上升了0.53%；2007年底，383ppm，比前一年增加0.5% ；2008年底，385.2ppm；2009年底，386.8ppm。 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浓度的变化 由于CO2是具有对地球保温的温室效应(greenhouse effect)，因此其浓度升高将导致全球变暖。根据用各种气候数学模型进行的模拟计算， CO2倍增（相对于工业革命前的270至280ppm）将使全球平均气温上升1.5到4.5，平均估计

7、值大约为3 。未来的100年内全球平均气温可能上升1.4到5.8 。这样大幅度的气温变化必然会引发一系列重大的环境变化。大气中CO2浓度增加对全球环境的影响 1000年以来CO2浓度和北半球平均气温曲线 气温为估计值（深蓝色）或观测值（浅蓝色）与19601990年基准值之差气候变暖的后果影响全球水分平衡，引发极端气候现象频繁发生； 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；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。据计算，如果全球冰雪全部消融，全球海平面将上升约69m！ 未来的100年内全球海平面将比目前上升9到8

8、8厘米，给许多国家带来灾难性后果。 全球变暖将使海平面上升气候变暖使海平面上升的最新证据 2002年1月31日，南极东岸已有1.2万年的拉森陆缘冰B冰架再次开始分裂，35天后，这个冰架崩成了几千个冰山，围成一个象羽毛的形状，在南极洲边缘的威德尔海上漂流。分裂出的冰块面积为3250平方公里、厚220米、重7200亿吨。这个面积超过了塞浦路斯一个国家的总面积，是新加坡的9倍。 美国国立冰雪数据中心数据显示，自1974年以来，南极半岛周围已经有7块面积总计1.35万平方公里的冰架脱落。 水汽的特点是唯一能在自然条件下发生相变(phase transformation)的物质，因此它是天气变化的最重要

9、的角色。是自然界潜热(latent heat)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(transpiration) ，因凝结降水而返回地面。处在不断的循环之中。含量变化规律：随高度减少；与地理因素关系密切；随时间变化大水汽的生消和分布 水的大循环 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：作为凝结核(co

10、ndensation nucleus)，使水汽凝结成水滴、冰晶，影响云、降水的形成； 能吸收辐射，影响着地面与近地层的温度变化。 二、大气的垂直结构(Vertical Structure of the Atmosphere) “九 重 天”“天高地厚”天有多高？天分九重？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。 垂直结构 大气在铅直方向上的物理

11、性质有不均匀的。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。1.对流层(troposphere)2.平流层(stratosphere)3.中间层(mesosphere)4.热 层(thermosphere)5.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 厚度变化空间：随纬度增加，厚度降低。低纬地区：平均厚度为1718km；中纬地区：平均为1012km；高纬地区：平均为89km；时间：夏季大于冬季。1.对流层(troposphere) 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

12、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 分层：下层、中层、上层、对流层顶。 下层（摩擦层或行星边界层）：0-2km 摩擦作用、对流运动和乱流运动最强烈； 在接近地面约3050m高度以下的气层称为近地气 层，常有雾形成。 中层：2-6km 空气运动以对流为主； 有中云和直展云出现，由云滴增大成雨滴的过程 多在此层进行，因而是形成降水的重要气层。 上层：6km至对流层顶 受地面影响更小，气温常在0以下，水汽含量少，各种云均由冰晶或过冷却水滴组成。飞机飞行在此气层常

13、出现结冰现象。 在中、低纬度地带，常出现风速等于或大于30ms-1 的强风带，即所谓高空急流。 对流层顶：对流层与平流层之间1-2km的过渡层 气温随高度变化很小，甚至成为等温状态。 由低层上升而至的水汽和尘埃等多聚集在这里，使 能见度恶化。2.平流层(stratosphere) 厚度从对流层顶向上，一直到55km左右为平流层。集中了大气中的大部分臭氧，空气密度很小。1.气温随高度而升高；平流层顶气温可达-3 -17。 2.空气以水平运动为主，气流运行平稳，没有强烈的对流3.水汽和尘埃很少，很少有云，透明度好。 平流层的主要特点：3.中间层(mesosphere) 从平流层顶向上，到85km左

14、右为中间层。主要特点有：1.温度随高度而迅速降低。2.有强烈的垂直运动，故又称为高空对流层 。4.热层(thermosphere) 从中间层顶向上，到大约800km左右为热层（又称热成层、暖层、电离层）。主要特点有：1.气温随高度而升高；300km处气温可达1000，顶部可高达2000。2.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） 5.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：2.空气非常稀薄1.气温随高度很少变化3.空气质点的运动速度很快，可逃逸到星际空间 大气中的污染物质：

15、 定义： 由于人类活动或自然过程，使局部、甚至全球范围的大气成分发生对生物界有害的变化。 分布： 空间上垂直:主要集中在3km以下的低层大气中；水平:城市多，农村少；陆地多，海洋少。 时间上：冬季多，夏季少；清晨和夜间多，午后少。 二、大气污染(pollutant in the atmosphere) 火山爆发、风吹扬沙和沙尘暴、雷击森林失火等。 来源： 自然过程形成。 人为过程造成。 工业和交通上煤炭、石油、天然气的使用，农业上化肥、农药的喷施，生活上制冷采暖的排放与泄漏等。 二次污染物： 分类： 一次污染物：直接从污染源排出来的物质。 进入大气的一次污染物互相作用或与大气正常组分发生化学反

16、应，以及在太阳辐射线的参与下引起光化学反应而产生的新的污染物。2.大气污染的影响对农业生产的危害农作物减产、产品品质下降、价值降低等。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。2. 温室效应(greenhouse effect)3. 臭氧洞 (ozone hole) 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 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。物理量：辐射、气温、空气湿度、气压； 物理现象：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。 3 大气的主要物理性质二.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：理想气体状态方程 m克质量的气体： 其中：是分子量，R*=8310 (J/Kkmol) 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