第三章-大气圈与气候系统第一节 大气的组成和热能

第三章大气圈与气候系统重点及难点大气热能性质大气运动形式及特点各种气候类型的判断大气的组成和热能大气水分和降水大气运动和天气系统气候的形成气候变化第一节大气的组成和热能一、大气的成分（一）干洁空气通常把除水汽、液体和固体杂质外的整个混合气体称为干洁空气。简称干空气。它是地球大气的主体，主要成分是氮、氧、氩、二氧化碳等，此外还有少量氢、氖、氪、氙、臭氧等稀有气体。氮：78%，化学性质不稳定；氧：21%二氧化碳：20KM以下，由有机物燃烧、生物呼吸等产生；臭氧：10-40KM，臭氧层（20-25KM），臭氧空洞；（二）水汽大气中水汽是一种可变气体，含量不仅随时间和地点变化。1分布特点：垂直方向：主要集中于大气底部；水平方向：海洋上空多于陆地，乡村多于城市；2作用可造成云、雾等一系列天气现象；影响气温；保温作用；（三）固、液体杂质：大气悬浮固体杂质和液体微粒，也可称为气溶胶粒子。

1大的水溶性气溶胶粒子最易使水气凝结，是成云致雨的重要条件。

2气溶胶粒子能吸收部分太阳辐射并散射辐射，从而改变大气透明度。它影响太阳辐射、增大散射辐射、大气长波逆辐射，都有可能破坏地球的辐射平衡。

3时间分布：白天多于晚上，冬季多于夏季。大气中二氧化碳浓度的增加读图大气中二氧化碳浓度变化趋势与气温变化趋势有什么共同特征？

（四）1、由于煤、石油等矿物燃料的使用越来越多，人类社会每年排放的二氧化碳总量在过去三十年里增加了一倍，再加上大量砍伐森林，减少了绿色植物通过光合作用吸收二氧化碳的能力，大气中二氧化碳的浓度在过去三十年里增长了12％。

2、氯氟烃是一种人工合成的化合物，主要用于制冷剂、火箭推进剂等，到了80年代中期为止，全球氯氟烃的年消费量已达到100万吨。

3、由于煤、石油等矿物燃料的使用越来越多，排入空气中的硫、氮等氧化物不断增加。成云致雨的必要条件主要成分次要成分水汽固体杂质生物体的基本成分维持生物活动的必要物质植物光合作用的原料；对地面保温吸收紫外线，使地球上的生物免遭过量紫外线的伤害成云致雨的必要条件；对地面保温大气组成主要作用干洁空气O3N2O2CO2大气各成分的作用大气的结构（一）大气质量

1·大气上界

A在理论上，当压力为零或接近于零的高度为大气顶层，但这种高度不可能出现。因为在很高的高度渐渐到达星际空间，不存在完全没有空气分子的地方。

B气象学家认为，只要发生在最大高度上的某种现象与地面气候有关，便可定义这个高度为大气上界。因此，过去曾把极光出现的最大高度（1200km）定为大气上界。

C物理学家、化学家则从大气物理、化学特征出发，认为大气上界至少高于1200km，但不超过3200km，因为在这个高度上离心力已超过重力，大气密度接近星际气体密度。所以在高层大气物理学中，常把大气上界定在3000km。2·大气质量大气高度虽然不易确定，大气质量却可以从理论上求得。假定大气是均质的，则大气高度约为8000m，整个大气柱的质量为

m＝pH

＝1.125×10－3×8×105

＝1013.3g/cm2p为标准情况下（T＝0度，气压为1013.25hPa）大气密度。

大气密度按指数规律减小，大气质量也如此。（二）大气压力

1·气压：观测高度到大气上界单位面积上（横截面积1cm2）铅直空气柱的重量。

A单位：Pa(国际单位制）；hPa(气象学);B测量仪器：水银气压表和空盒气压计

C周期变化：地面的气压值在980～1040hPa之间变动，平均为1013hPa。日变化：一昼夜有两个最高值（9~10时，21~22时）和两个最低值（3~4时，15~16时）。热带的日变化比温带明显。年变化：赤道地区气压年变化不大，高纬地区较大；大陆和海洋也有显著差别，大陆冬季气压高，夏季最低，而海洋相反。

D非周期变化。气压非周期变化常与大气环流和和天气系统有关，且变化幅度大。2·气压的垂直分布气压大小取决于所在水平面的大气质量，随高度的上升，大气柱质量减少，所以气压随高度升高而降低。

在气压相同条件下，气柱温度愈高，单位气压高度差愈大，气压垂直梯度愈小；在相同气温下，气压愈高单位气压高度差愈小，气压垂直梯度愈大。

气压随高度的实际变化与气温和气压条件有关（三）大气分层

按照分子组成，大气可分为两个大层次，即均质层和非均质层。(85KM)按照大气化学和大气物理性质，大气可分为光化层和离子层。在气象学中，根据温度和大气运动状况将大气圈分为五层。

1、地球大气共分哪几层?

2、在不同纬度，对流层高度是否一样?为什么?

3、对流层和平流层的气温如何随高度而变化?原因是什么?

4、对流层和平流层中，大气运动的特点是什么?

5、对流层和平流层大气与人类有何关系?

大气的垂直分层对流层平流层对流旺盛近地面，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上冷下热高空对流电离层高层大气电离层能反射无线电波，对无线电通讯有重要作用

由于地球引力作用，大气密度随高度的增加逐渐减小，到大气上界，逐渐过渡为星际气体密度。从地面到高空，不仅大气的密度、成分不同，大气的温度也存在着明显的变化。可以这么认为：地球大气在垂直方向上形成三个相对的暖层和两个相对的冷层。

世界气象组织（WMO）根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层、平流层以及中间层、暖层和散逸层。大气中温度、密度以及物质成分的分层结构1、对流层的厚度及特征

A）厚度：本层厚度最薄，并随纬度、季节而不同，在高纬地区平均：8~9km,中纬地区平均：10~12km,低纬地区平均17~18km，夏季大于冬季。B）特征：一是温度随高度的升高而降低；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；二是具有强烈的对流运动；因为地面受热不均。三是天气现象复杂多变；几乎所有的水汽、云、雨、雷、电等现象都发生在此层。

2、平流层的特征（1）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增高。因为平流层上层含有大量的臭氧，臭氧能大量地吸收太阳紫处线而增温；（2）气流以水平运动为主，逆温的存在，对流不易产生。（3）水汽、尘埃含量少，天气晴朗，能见度好。3、中间层的特征高度：平流层顶至85km处。（1）温度随高度的升高而迅速下降。因为臭氧的含量下降。（2）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。（3）在80km处白天出现一个电离层。电离层对电波传播的影响与人类活动密切相关，如无线电通讯、广播、无线电导航、雷达定位等。4、暖层的特征高度：中间层至800km处特征：（1）空气质量小，空气稀薄，空气密度只占空气总质量的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体所吸收，顶层温度可达1000度。（3）空气处于高度电离状态。（4）能反射无线电波（5）出现极光现象。5.散逸层（外层）：暖层顶之上，因大气十分稀薄，离地面远，受地球引力场约束微弱，一些高速运动的空气质点就能散逸到星际空间，所以本层称为散逸层。根据宇宙火箭探测资料，地球大气层之外，还有一层极其稀薄的电离气体，可伸展到22000公里高度，称为地冕。这可能就是地球大气层向宇宙空间的过渡区域。（四）标准大气人们根据高空探测数据和理论，规定了一种特性随高度平均分布的大气模式，称为“标准大气”或“参考大气”。标准大气模式假定空气是干燥的，在86km以下是均匀混合物，平均摩尔质量为28.964kg/mol，且处于静力学平衡和水平成层分布。在给定温度，高度廓线及边界条件后，通过对静力学方程和状态方程求积分，就得到压力（1013hPa）和密度值（1.225kg/m3）。

三、大气的热能--辐射能量交换（一）太阳辐射

1太阳辐射-短波辐射；地面辐射-长波辐射（1）太阳辐射能主要集中在哪两个部分？（2）太阳辐射为什么属于短波辐射？可见光区和红外区。太阳温度高，辐射中最强部分为可见光部分，波长短。太阳辐射——短波辐射地面辐射——长波辐射太阳光谱辐射自然界的各种物体，向外辐射的波长与其温度成反比，一般温度愈高其最强辐射的波长愈短，温度愈低辐射的波长愈长。太阳的光球表面温度约6000K，太阳辐射中约有一半的能量分布在0.4～0.76微米的可见光区，其余一半大多在近红外区，少量在紫外区,波长较短。地面辐射能主要集中在4～80微米的波长范围内，对流层中大气的辐射能主要集中在3～120微米的波长范围内，都是不能直接看见的红外辐射，长波辐射2太阳常数:在日地平均距离上，大气顶界垂直于太阳光线的单位面积上每分钟接收的太阳辐射（1361W/m2)8.24J/（cm2.min)3大气对太阳辐射的削弱（吸收、散射和反射）读教材图3-5，你会得出什么结论？大气对太阳辐射的削弱作用包括大气对太阳辐射的吸收、散射和反射。

A.大气的吸收：能吸收太阳辐射的物质包括臭氧、氧、水汽、二氧化碳、云、雨滴、气溶胶粒子等，它们选择性吸收太阳辐射，主要削弱紫外线和红外线。“大气窗”——地面辐射绝大部分（75—95％）被大气吸收，只有波长8.4—12㎛的部分，可穿过大气层逃逸到宇宙空间，所以称此波段为“大气窗”。B.散射作用:太阳辐射通过大气时遇到空气分子、尘粒、云滴等质点时，都要发生散射。但散射并不象吸收那样把辐射能转变为热能，而只是改变辐射方向，使太阳辐射以质点为中心向四面八方传播开来。经过散射之后，有一部分太阳辐射就到不了地面。雨后天晴，天空呈青蓝色就是因为辐射中青蓝色波长较短，容易被大气散射的缘故。

？晴空时，天空蔚蓝色；阴天时，天空灰白色。C反射作用太阳辐射穿过大气时，被大气中的云层和较大尘埃将其一部分反射到宇宙空间去，从而削弱到达地面的太阳辐射，这称为大气反射。云层愈厚反射愈强，

太阳辐射在大气中的减弱A大气的云层和尘埃对太阳辐射的反射。

B反射能力取决于云的厚薄，薄云反射率：10~20%；厚云反射率：90%。高层云反射率：25%；中层云：50%；低层云：65%。C大气浑浊度越大，对太阳辐射的削弱也越大。4总辐射的空间变化一般是纬度愈高，总辐射愈小；纬度愈低，总辐射愈大。因为赤道附近多云，总辐射最大值并不出现在赤道，而是出现在20°N附近。

5时间变化日变化：日出---正午---午后；年变化：夏季>冬季6地面对太阳辐射的反射：到达地面的太阳辐射只有一部分被地面吸收，另一部分则被地面反射出去。地面对入射太阳辐射的反射取决于地面的反射率（r）。而r又取决于地面的性质。一般地：陆地表面的r约为10%~30%，且随着太阳高度的减小而增大，深色土比浅色土小，粗糙土比平滑土小；水面随着太阳高度角和平静度而变，太阳高度角愈小，其反射率愈大，波浪起伏的水面，其平均反射率为10%。（二）大气能量及其保温效应大气获得能量的结构：

1·对太阳辐射的直接吸收大气中吸收太阳辐射的物质主要是臭氧、水汽和液态水，对大气而言，太阳辐射不是主要的直接热源。

2·对地面辐射的吸收：主要热源

3·潜热输送地－气间能量交换主要是通过潜热输送完成的

4·感热输送

据估计，约有75—95％的地面长波辐射被大气吸收，用于大气增温，只有极少部分穿透大气散失到宇宙空间。由此可见，地面是大气第二热源。气温变化必然受到地面性质的影响。地面长波辐射几乎全被近地面40—50米厚的大气层所吸收。低层空气吸收的热量又以辐射、对流等方式传递到较高一层。这是对流层气温随高度增加而降低的重要原因。

地面辐射的方向是向上的，而大气辐射方向既有向上的，也有向下的。向下的部分称大气逆辐射。逆辐射可减少地面因长波辐射而损失的热量。这对地球表面的热量平衡具有重要意义。它使太阳短波辐射易于达到地面，地面长波辐射却不容易散失到宇宙空间，从而对大气起保温作用，使地面温度变化不致过于剧烈。这种作用称大气花房效应。太阳地面大气大气逆辐射大气热力作用的意义1、缩小了气温日较差2、提高了地球表面平均温度全球年平均辐射平衡为零，但局部地区却并非如此。低纬地区辐射平衡为正，能量盈余；高纬地区辐射平衡为负，能量亏损；高纬地区亏损的部分由低纬地区盈余的部分补充，能量由低纬向高纬输送主要是依靠全球性的大气环流和洋流进行的。（三）地－气系统的辐射平衡：某一时段内物体能量收支的差额。全球辐射平衡图解辐射平衡有明显的日变化与年变化。在一日内，白天收入的太阳辐射超过支出的长波辐射，故辐射平衡为正；夜晚情况相反，辐射平衡为负。辐射平衡由正转为负或由负转为正的时刻，分别出现在日没前与日出后一小时。在一年内，北半球夏季的辐射平衡因收入的太阳辐射增多而加大；冬季则相反，甚至出现负值。这种年变化情况因纬度不同而不同，纬度愈高，辐射平衡保持正值的月份愈少。不同纬度辐射差额的变化大气的热力状况大气的热力状况大气的热力作用大气对太阳的削弱作用大气的保温效应太阳地面大气大气逆辐射全球的热量平衡（四）气温：表示空气冷热程度的物理量，是空气分子平均动能大小的表现，通常所说的气温，指1.5m高度出的空气温度。1气温的测定：温度计-安置在百叶箱中2与气温有关的一些概念A极端气温（绝对气温）：历年中给定时段（如某日、月、年）内所出现的气温极端值。——极端最低气温和极端最高气温B界限温度（临界温度）：对农业生产有指示意义或界限（临界）意义的气温。1）日平均气温0度春季日平均气温0度表示土壤解冻，积雪融化，田间耕作开始的气温。秋季则表示土壤开始冻结，田间耕作开始结束的时候。2）日平均气温5度春季与秋季日平均气温5度表示冬作物和大多数林木恢复与停止生长的温度。5度以上的时期为作物生长期。3）日平均气温10度表示喜凉作物和某些多年生植物进入活跃生长及喜温作物开始播种与生长的温度。4）日平均气温15度表示喜温作物适宜生长的温度。5）日平均气温20度表示水稻安全齐穗所要求的温度，或大秋作物灌浆开始的温度。2）有效积温：植物某一发育期或安全生育期内有效温度的总和。有效温度指每天的活动温度减去界限温度的差值。例:界限温度10度为准，假如有三天的日平均气温分别为11度、10和13度，则这三天均为10度的活动温度，其有效温度分别为1、0和3度。C积温：日平均气温高出某一界限温度期间的气温累积总和，是衡量气候热量资源状况的一个指标，与农业生产关系密切。1）活动积温：植物某一发育期或安全生育期内活动温度的总和。活动温度指大于或等于某一界限温度的温度。如：以日平均温度10度温度为准，若三天的日平均气温分别为11度、10度和13度，则三天的气温均是10度界限温度的活动温度。3影响气温的因素A辐射因素太阳辐射和地面辐射B下垫面的影响：海陆差异森林的影响（白天林内气温低于裸地，夜晚相反）城市与乡村4气温的周期性变化

A气温的日变化

1）变化特点：一日中气温的最高最低值。

2）气温日较差：最高最低气温之差。随纬度增高而减小；夏季日较差大于冬季；地面性质；天气状况：阴天低于晴天

B气温的年变化

1）变化特点：除赤道地区附近外，大部分地区年内月平均气温有月极端最高气温和月极端最低气温