第一章气象气候

§1-2气候系统的概述

一、大气圈的概述

(一)大气的成分

(二)大气的垂直结构二、其它圈层的概述气候系统２０世纪６０年代以来，随着科学技术的飞跃发展，特别是系统科学的创立和发展，气候的内涵发生了深刻的变化。１９７４年，根据世界气象组织（WMO）和国际科联（ICSU）的全球大气研究计划联合组织委员会的建议，在联合国环境署（UNEP）的支持下，在瑞典的斯德哥尔摩召开了气候物理基础和气候模拟国际会议，第一次明确提出了气候系统概念（ClimaticSystem）。这次会议的总结报告（GRAPPublicationServesNO.16）指出：在了解地球气候的形成和它的变化机制中，我们面对一个极其复杂的物理系统，这个系统不仅包含着我们比较熟悉的大气行为，而且还包含我们了解不多的世界海洋、冰体和陆地表面各种各样的变化。除了物理过程以外，还有复杂的化学、生物过程影响着气候，也影响着地球上人类和其它有生命的世界，这些过程在各种不同的时间和空间尺度上有着复杂的相互作用，并构成了一个耦合的气候系统。

气候系统是一个包括大气圈、水圈、陆地表面、冰雪圈和生物圈在内的，能够决定气候形成、气候分布和气候变化的统一的物理系统。

大气圈这是包围着地球的气体外壳，是气候系统中的主体部分，是最多变、最活跃的部分。据估计，整个对流层大气的特征时间或热力调整的时间量级为一个月，也就是说，大气运动通过垂直和水平的热量输送去适应给定的温度分布大约需要一个月的时间。海洋圈它是由世界海洋和邻近海域的含盐海水所组成。海洋吸收了到达海面的大部分太阳辐射，又具有大的热容量，因此是气候系统的巨大能量库。同时，海洋携带大量的热量从赤道输向极地，在维持地球高低纬度的能量平衡中起重要作用。平均而言，上层海洋与大气或冰的相互作用尺度为几个月到几年，而深层海洋的热力调整时间则为世纪尺度。冰雪圈它是由全球的冰体和积雪组成，其中包括大陆冰原、山地冰川，海冰和陆面雪盖等。陆面雪盖和海冰有明显的季节变化，冰川和冰原变化缓慢，它们既是气候变化的指示器，又对气候长期变化产生反馈影响。陆面圈指的是大陆，包括山脉、表面岩石、沉积物、沙漠、戈壁、土壤、以及江河、湖泊和地表水等。其中江河、湖泊和地表水是水分循环的重要分量，在各种尺度的气候变化中有重要作用；土壤是大气微粒子的一个重要来源，并参与气候和植被的相互作用，在气候变化中有重要作用；陆面位置及高度变化很缓慢，在10a尺度以下的气候变化中可忽略其影响。生物圈它包括在空气、海洋和陆地生活的微生物、植物、动物，也包括了人类本身。生物圈的各部分变化特征时间有显著不同，总的来说，是比较缓慢的。生物对气候变化是敏感的，生物的生存也影响气候。而人类活动对气候变化的影响日趋显著。气候系统的属性

热力属性：包括空气、水、冰和陆地表面的温度分布；动力属性：包括风、洋流及与之相联系的垂直运动和冰体运动；水分属性：包括空气湿度、云量及云中含水量、降水量、土壤湿度、河湖水流、水域、冰雪等；静力属性：包括大气和海水的密度和压强、大气的组成成分、大洋盐度及气候系统的几何边界和物理常数等；生物属性：包括空中、陆地和海洋中的一切生物（含人类）活动。

这些属性在一定的外因条件下，通过气候系统内部的物理程、化学过程和生物过程而相互联系着、作用着，并在不同时间尺度内变化着，形成不同时期的气候特征。还应该特别强调以下几点：

⑴太阳辐射是气候形成和变化的最主要的外部因子，也是气候系统热量的根本来源；⑵气候系统的动力属性与气候系统内部的能量转换密切相关，而大气运动则是能量转换的纽带；⑶气候系统内部进行着复杂的物质交换，最突出的表现是水分循环，而气候系统的水分属性与水分循环关系极为密切；⑷人类活动对气候系统的属性有越来越显著的影响，它几乎使气候走上不归路；⑸在气候系统内部发生的相互作用中，存在着大量的反馈过程，它们起着从内部调节气候系统的作用。其中有些反馈过程有使系统变化振幅加大的作用，称之为正反馈。另一类反馈过程则有对系统变化的阻尼作用，称之负反馈。反馈过程表明气候系统各组成部分之间的耦合或相互补偿作用。现代气候概念

气候系统概念的建立是现代气候学理论研究的一个极其重要的进展，它为从整体上研究地球气候及其形成和变化奠定了理论基础。从科学的定义出发，气候应当理解为在太阳辐射作用下，地球表层内部各子系统之间，在一较长时段内相互联系、相互作用所达到的一种平衡（即变化很慢）状态。因此，气候的形成和变化不仅是大气圈内部的状态和行为的反映，以及海陆分布、地形（地貌）、地面特征、冰雪覆盖等对大气圈的“单向”影响，而且是与大气圈有明显相互联系、相互作用的海洋、冰雪、陆面、生物圈等所组成的复杂系统的总体行为。各子系统内部及各子系统彼此之间长时间的各种物理、化学乃至生物过程的相互联系和作用，形成了气候及其各种时间尺度的变化。现代气候学是把气候看成是动态的，是不断变化的。现代气候学的主要任务就是研究气候变化。现代气候学从概念上已经不再是过去常常被作为气象学或地理学的一个分支学科，而是大气科学、海洋学、地球物理和地球化学、地理学、地质学、冰川学、天文学、生物学以至软科学、有关社会科学等众多学科相互渗透共同研究的交叉科学。

现代气候学要求对气候系统进行定量观测和综合分析，对气候形成和变化的动态过程进行理论研究。通过采用高新技术手段的国际性观测试验，数值模拟试验等途径，建立比较完善的、有坚实物理基础的气候模式，定量地研究气候系统中各子系统的相互联系和作用并展现气候变化过程，准确理解气候变化的机制，提高气候预测的可信度。

现代气象概念

气象是地球自然环境巨系统中的一个系统，是天气、气候、气候变化的集合。其中天气是指在太阳辐射作用下，在较短时段内地球大气圈的状态和行为；气候是指在太阳辐射作用下，地球表层的大气圈、海洋圈、冰雪圈、陆面圈、生物圈在一较长时段内，相互联系、相互作用的总体行为与状态；气候变化是指由于自然界的外源强迫或是由于气候系统固有的内部过程与人类活动的强迫相互联系与作用，造成气候要素在连续几十年或更长时间的长期统计结果的任何系统性变化。

一、大气圈的概述由于地球的引力作用，地球周围聚集着一个气体圈层，构成了所谓大气圈。大气的分布是如此之广，以致地球表面没有任何地点不在大气的笼罩之下；它又是如此之厚，以致地球表面没有任何山峰能穿过大气层，而且就以地球最高峰珠穆朗玛峰的高度来和大气层的厚度相比，也只能算是“沧海之一粟”。我们人类就生活在大气圈底部的“下垫面”上。大气圈是人类地理环境的重要组成部分。大气圈是自然环境的重要组成部分。厚厚的大气，好像地球的外衣，保护着地球的“体温”，使其变化不至过于剧烈。地面上的水蒸发成水汽进入大气；大气中的水汽又凝结成雨、雪等降落地面，使得地球上的水循环不止。增温、降温、刮风、下雨等大气现象，在漫长的地质年代里，不断地雕塑着地球表面的形态。可见，大气对地球表面的许多自然现象都发生着重大的影响。大气对生物界和人类的影响更为深刻，地球上一切生物的生命活动都离不开大气。可以说，地球上没有大气，就没有生物界，没有人类。人是完全靠空气生存的，成年人平均每天约需１Kg粮食和2Kg水，但对空气的需求就大得多，每天约13.6Kg（合10m3）。若三者都断绝供应，引起死亡的首先是空气，要是空气中混进有毒害的物质，则毒物随空气不断地被吸入肺部，通过血液遍布全身，对人体健康直接产生危害。（一）大气的成分：

1、大气：

大气的定义:大气（空气）从自然科学角度来看，空气和大气常常作为同义词，二者没有实质性的差别。按国际标准化组织（ISO）给大气和空气下的定义：大气是指地球环境周围所有空气的总和。环境空气是指暴露在人群、植物、动物和建筑物之外的室外空气。但在研究近地层的空气污染规律及对空气质量进行评价时，为便于说明问题，有时两个名词分别使用。一般对于居住在室内或特指某个地方（如车间、厂区等）供动植物生存的气体习惯上称为空气。在大气物理、大气气象、自然地理以及环境科学研究中，常常是以大区域或全球性的气流作为研究对象，因此，就常用大气一词。特点：物质有三态：

气态：氮气、氧气、水汽等

液态：水、溶液滴

固态：冰晶、悬浮的杂质

低层大气（0-90km）：

干洁空气、水汽、杂质(固态、液态颗粒)

高层大气（90km以上）：氧原子

(>100km)、氮原子

(>250km)

成分

2、干洁空气

不包含水汽、液体和固体杂质的大气。含量占整个大气的99.97%

主要成分：氮、氧、氩（三者的总含量占干空气的99.97%）

次要成分：CO2、O3、Ne、Kr、Xe等（总量占干洁空气的0.01%)

干洁空气的分子量：28.97

现代大气的主要成分为氮和氧。现在大气中氮占总体积的78.09%，氧占20.95%，氩占0.93%，二氧化碳占0.03%，以及微量的氖、氦、氙、氪、臭氧、氡、氨、氢等。此外还有水汽和尘埃微粒等。现在大气的主要组分比例

•氧(O2)

占整个大气容积23.15％（五分之一以上）的氧，人们一直认为，是绿色植物的光合作用，补足了大气中因燃烧和生物呼吸作用消耗掉的氧。其实供应大气中氧的主要来源，是在海洋、湖泊等水体表面的浮游生物——藻类。

如：海洋中含有定量的氧，并同大气中的氧保持大致的平衡，大气的氧气少了，海洋中的氧气就进来补充。

氧是一切生物生存和消失的基本保证，被人们称为“有生命的气体”。维持生命的气体

氧

若人类生存空间的空气被严重污染后，人们只能靠氧气袋维持生命，氧对生命太重要了。•

氮(N2)

占整个大气容积75.52％（3／4以上）的氮，早期来源于小行星与刚形成的地球碰撞产生的气体中，近期研究发现雷电是制造天然优质的“氮肥厂”。

据测算，一场大雷雨能制造4－5万吨优质氮肥，全年雷雨可制造氮肥1000万吨以上。

氮能降低大气氧浓度，缓减氧化作用，并为植物生长时不可缺少的养料。全球每年可从大气中得到250万吨氮。•

二氧化碳(CO2)

占空气容积仅0.05％的二氧化碳，来源—地表火山喷发、燃料燃烧、动植物呼吸及有机物腐败等，主要集中在20km以下大气浅薄底层。含量—城市工业中心、火山周围较高，农村较少。

最大特点：对太阳辐射吸收很少，主要吸收和放射长波辐射。对大气有增温作用，被称为“温室气体”，直接干扰气温垂直变化规律，间接影响气候变化。

CO2含量增加导致气候变暖，受到世界各国关注。在“联合国气候大会”（2000年荷兰海牙”和“2001年德国波恩）上，用允许造林抵消发达国家温室气体减排指标的妥协意见，使落实《京都议定书》成为可能。二氧化碳含量逐年递增

工业革命以来，人类大量消耗矿物燃料，排出越来越多的co2

，使其呈逐年上升趋势。•

臭氧(O3)

占空气容积微不足道的臭氧，其微不足到的变化，对气温和气候影响十分明显。

来源—低层大气有机物的氧化和雷电作用（少量）及高层大气的太阳紫外线作用（大量）。12km－50km含地球大气90％的量，被称为“臭氧层”。原因9

最大特点：能大量吸收太阳紫外线增暖气温。直接影响气温垂直分布规律，但吸收高层大气大量太阳紫外线使地表生物和人类免遭伤害。

臭氧受人类不自觉破坏已在极地上空等局部区域日趋变薄，并已行成空洞，使过多紫外线通过臭氧层空洞进入低层大气。导致人类众多疾病（皮肤癌、白内障、…）发生，危害人们健康。大气臭氧浓度随高度的变化（引自《大气科学辞典）地球：谁破坏了我的

伞？

地球之上的臭氧层如同保护伞，由于人类不自觉的破坏，已形成多处破损，尤其南极上空臭氧层空洞十分明显，连地球都发出了疑问？（讽刺）。臭氧空洞臭氧空洞

南极上空的臭氧层空洞（美国太空总署发表卫星图片）2002年比2001年（左图）缩小近四成，并首次一分为二（右图）。与冰盖环流有关有科学家认为，因污染造成臭氧层空洞并非真的缩小，而是与02年南极上空变暖有关。据2002年2月1日杨子晚报温室效应和全球变暖

•

大气中的co2等气体含量增加，使气温升高、气侯变暖，早成为人们研究重点。“京都议定书”减少20%的

co2排放量，已成为世界力图改变和缓和气侯变暖的方式之一。

•

中国为确保co2减排20%的量，在“十五”其间计划投入967亿元用于co2和酸雨污染防治。（据金性春、2002）3、水汽

来源—海洋、江、河、湖泊等各种水体、土壤和潮湿物体表面蒸发和植物蒸腾。

含量—1.5km－2km为地表一半，5km高度仅为地表1／10，随高度增加迅速减少。

主要特点：①有三相变化，是天气变化中成

云致雨主要因素。

②能吸收、放射长波辐射增暖

气温。

③能量转换和物质循环的途径海底潜水水汽来源——海洋

海洋—风暴潮长江三峡—巫峡水汽来源—江、河

长江第一湾雅鲁藏布江边水汽来源—江、河庐山——芦林湖水汽来源—湖泊黄果树瀑布4、固态、液态粒子

①固态微粒

主要来源—海浪、风沙、植物及生活生产垃圾。

最大特点：①能够充当水汽的凝结核。

②能吸收一部分太阳辐射和阻挡地表

放热，减小气温变化振幅。

②液态粒子

来源—地表各种水体等。

主要特点：①常聚集成云、雾，降低大气能见度。

②减弱太阳辐射、地面辐射，影响低

层大气温度。烟囱林立固态颗粒来源—

工厂、地表茅山的黄棕壤玉龙雪山

密林深处固态颗粒来源—

植物、大海（盐粒）海洋挑战者

露珠液体颗粒——水滴、过冷水滴小雪花大气可分为：恒定组分：O2(20.95%)、N2(78.09%)、氩（0.93%）、惰性气体。上述组分的比例在地球表面上任何地方几乎是可以看作不变的。可变组分：CO2、水蒸汽、O3这些组分在大气中的含量是随季节、气象的变化以及人们的生产、生活活动的影响而发生变化。不定组分：

第一环境问题引起的：由自然界的火山爆发、森林火灾、海啸、地震等暂时性灾难所引起的。污染物有尘埃、S、H2S、SOx、NOx等。第二环境问题引起的。5、大气中主要成分的作用：成分容积含量(%)质量含量(%)主要作用氧(O2)20.9423.151、一切生命呼吸必须的物质2、参与有机物的燃烧腐败分解、氮(N2)78.0975.521、缓解氧化,冲淡氧的浓度2、植物的良好肥料水(H2O)不定1、大气中唯一具有三态的气体,状态转化中有能量释放或吸收2、吸收并释放长波辐射臭氧(O3)0.0000011、吸收大量紫外线,影响气温的垂直分布2、阻挡紫外线,保护动植物二氧化碳(CO2)0.030.051、吸收地面辐射,增温效应2、参与植物的光合作用（二）大气的垂直结构

1、大气的分布及大气上界的确定分布：大气总质量为5.3×1015t,在0℃、760mmHg，50%的大集中在距地面5.5km以下的层次中，离地面36-1000km的大气质量仅占1%。

大气上界：物理分析法确定

物理上界：有极光出现的最大高度（1200km)

密度上界：接近于星际的气体密度的高度空气质点1个/cm3

电子浓度102-103/cm3（2000-3000km)大

气

的

垂

直

结

构

(二)大气的垂直结构

根据大气中的温度、水汽、成分、垂直运动分为五个层次。

特点：a气温随着高度的升高而降低.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；b空气具有强烈的对流、乱流运动.因为地面受热不均。C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。低纬度对流强而厚17-18km高纬度对流弱而薄8-9km中纬度对流层10~12km

夏季厚，冬季薄对流层：是大气的最低层和最薄层（<1%大气厚度），集中3/4的大气质量和90%的水汽，日常所见的大气现象均发生于此层，也是对人类生活、生产最有影响的层次。歌诀：对流旺盛近地面，纬度不同厚度变；

高度增来温度减，只因热源是地面；天气复杂且多变，风云雨雪较常见。空气对流运动显著。对流层上部冷下部热，有利于空气的对流运动。低纬度地区受热多，对流旺盛，对流层所达高度就高；高纬度地区受热少，对流层高度就低。垂直对流1垂直对流垂直对流2垂直对流平流层：对流层顶-55km

特点：

a、气温随高度升高的分布下层：其上界离地面约35~40km，为同温层上层：其上界离地面约50~60km，为逆温层，即气温随高度的升高而升高。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；

b、气流以水平运动为主，逆温的存在，对流不易产生。

c、水汽、尘埃含量少，天气晴朗，能见度好。歌诀:气温初稳后升热,

只因层中臭氧多；水平流动天气好,

高空飞行很适合。中间层：平流层顶-85km特点：

a、温度随高度的升高而迅速下降。因为臭氧的含量下降。

b、空气以垂直运动为主。但由于空气稀薄，所出现的天气现象已不如对流层复杂。

c、在80km处白天出现一个电离层。热层(电离层)：中间层顶-800km

特点:（1）空气质量小，空气稀薄，空气密度只角空气总质量的0.5%，在120km高空，空气密度小至声音都难于传播。（2）温度随高度升高而升高。因为所有波长小于0.175um的太阳紫外辐射都被暖层气