第3章大气的分层和结构

第三章大气的分层和结构

3.1大气分层（★）原因：地球自转以及不同高度大气对太阳辐射吸收程度的差异，使得大气在水平方向比较均匀，在垂直方向呈明显的层状分布。垂(铅)直分层依据依据：大气在垂直方向的物理性质。

如：热力性质（温度）；

大气化学成分；

大气电磁特性；

大气压力结构等。

具体分层如下：

热力结构（★）对流层、平流层、中间层、热层化学成分匀和层（或均质层）、非匀和层（或非均质层）电磁特性中性层、电离层和磁层压力结构500Km以下气压层、500Km到2000-3000Km为外大气层（逸散层）3.1.1按热力结构分层

大气垂直减温率（即气温垂直递减率），即在垂直方向上每变化100米高度，温度变化值。并以温度随高度的升高而降低为正值

>0，气温随高度升高而降低（下热上冷）<0，气温随高度升高而升高（下冷上热），这种气层称为逆温层=0,气温随高度不变，这种气层称为等温层按大气热力结构分层（即根据大气垂直减温率的正负变化）可分为对流层、平流层、中间层和热层。大气垂直温度分布由热量平衡关系决定，对不同高度大气，影响温度的主要因子不同。因素热源冷源

低层大气

以太阳辐射加热地面后引起的对流、湍流交换以及地面的红外辐射为主地面大气辐射

中、高层大气

以辐射平衡作用为主，主要成分氮气N2吸收辐射很少。但O2,O和O3对太阳辐射的吸收加热O2,O和O3对太阳辐射的吸收加热O3、CO2和水汽的红外辐射1、对流层(troposphere)★地面以上大气的最底层称为对流层；对流层顶的气压约为200hPa；对流层顶的高度定义在气象观测中规定当温度递减率减小到2K/km或更小时的最低温度，即对流层顶，在赤道附近约为17-18公里，中纬度平均为10-12公里；高纬度为8-9公里；（？）对流层（12km）对整个大气圈（500km）而言只是很浅薄的一层，但它集中了大气质量的80%左右和几乎全部水汽；（？）云和降水、主要天气现象和过程如寒潮、台风、雷雨、闪电都发生在这一层。课本36页图2.2对流层的特点气温随高度升高而降低(★)

平均气温递减率Γ=0.65℃/100m；大气主要通过吸收地面的长波辐射和通过对流、湍流等方式从地面吸收热量升温，因而越接近地面的大气得到的热量越多，故对流层气温随高度升高而降低。有强烈的垂直混合(★)低层空气由于从地面得到热量使之受热上升，高层冷空气下沉，从而造成对流层内存在强烈的垂直混合作用。热带地面温度高，对流层顶高度高，顶部温度低；极地地面温度低，对流层顶高度低，顶部温度高。气象要素水平分布不均匀(★)

主要由各地纬度和地表性质差异造成，地面上空空气在水平方向上具有不同的物理属性，如压、温、湿等分布不均匀，从而产生各种天气现象，如寒潮、台风、雷雨、闪电等。7月到8月，新疆的融雪型洪水产生。

一般受高压控制，近地面温度攀升，日最高气温在37℃以上，再加上高山积雪较多等条件，新疆南部昆仑山北部发生融雪型洪水的可能性就更大了。举例2、平流层（stratosphere）★平流层：自对流层顶向上至55km左右，垂直减温率为负值的气层；平流层顶的气压仅为1hPa左右；因此，对流层和平流层集中了约99.9%的大气质量。平流层的特点：（1）平流层下半部的温度随高度变化很缓慢，而上部温度上升很快（※）；

最初20km以下，气温基本均匀(即随高度基本不变)，从20km到55km，温度很快上升，每千米上升2℃，至55km附近可达最大值，270K（约-3℃），即平流层顶；主要是由于臭氧吸收太阳紫外辐射所致；臭氧层位于10～50km，在20～30km臭氧浓度最高，30km以上臭氧浓度虽然逐渐减少，但这里的紫外辐射很强烈，故温度随高度能显著增高。（2）平流层逆温层的存在，使大气很稳定，垂直运动很微弱，多为大尺度的平流运动；垂直减温率为负值，即存在逆温层，大气很稳定，故以平流运动为主，平流运动的特点：中纬度地区夏季时是东风，冬季时西风。（见图）（3）平流层空气中尘埃很少，大气透明度很高；

平流层中水汽含量很少，几乎没有在对流层中经常出现的各种天气现象，仅在高纬度冬季20多km处早、晚有不常见贝母云。急流3、中间层（mesosphere）中间层：从平流层顶到85km左右的气层；中间层顶的气压约为0.1hPa;中间层的特点：（1）、中间层气温随高度降低（气温垂直减温率为正值）；平流层顶至85km左右中间层顶，温度下降到-90～-100℃，是地球大气最冷的部分，故又称为高空对流层。主要因为中间层内臭氧很稀少；其次太阳辐射中被氧分子吸收的波长更短的紫外辐射（小于0.18微米）已被其上面的热层大气吸收了。（2）、中间层内水汽极少，但在黄昏时候有夜光云出现；4、热层（thermosphere）热层：中间层顶(85km)以上的大气层。热层没有明显的上界，与太阳活动情况有关：如太阳活动高峰期，可达500km，温度可达2000K，太阳宁静期，可达250km左右，温度为500K。热层的特点：（1）、在热层中，温度始终是增加的；

由于太阳辐射中的强紫外辐射（小于0.18微米）的光化学分解和电离反应造成了热层的高温；然而，由于大气稀薄，分子间的碰撞机会极少，温度只反映分子巨大的运动速度，不会对物体（例如卫星）造成很大的影响。（2）、热层的温度有很显著的日变化；

白天和夜晚温度差达几百度；（3）、在热层的高纬度地区经常会出现一种辉煌瑰丽的大气光学现象—极光

层称高度温度特征

对流层（※）平均高度约为11km左右温度随高度递减，平均递减率为6.5K/km1、大气运动最为活跃，暖空气上升，冷空气下沉，从而形成对流运动，气旋、反气旋、锋面、台风和雷暴，大气中水分的蒸发、凝结.2、各种云、雨、雪、冰雹等现象都发生在对流层。

平流层从对流层顶到55km在对流层顶上方20km即等温层。其上方温度反而随高度增加，约到55km处，温度达到270K，由于臭氧层吸收紫外辐射升温。1、逆温、稳定。2、尘埃少，透明度高，污染物进入该层可保留2到3年，它能强烈反射和散射太阳辐射导致该层增温，对流层降温，影响地球气候变化；3、几乎没有水汽凝结，以水平运动为主，环流特征夏季东风、冬季西风。

层称高度温度特征中间层平流层顶到85km55km以上，随高度下降，约在85km左右处达到最低(160-170K）。地球大气最冷的部分

1、温度下降是因为几乎没有臭氧，氧、氮等气体能直接吸收的太阳辐射大部分已被上层吸收掉。2、有相当强烈的垂直对流和湍流混合，高空对流层；3、由于水汽极少，只有在高纬地区的黄昏，该层顶部附近，看到银白色的夜光云。

热层从中层顶以上，没有明显的边界由于太阳紫外辐射在这一层被强烈吸收，故这一层温度随高度迅速升高，其上可达数百度。1、光化学分解和电离反应造成了高温。空气稀薄，热量的传输主要靠热传导和湍流。约为1000到2000K。2、分子巨大的速度，温度与太阳的活动高峰与宁静期有关。3、出现极光。11855520Z(km)T(℃)15-3-95对流层平流层中间层热层分层示意图3.1.2按化学成分分层干洁大气中的各种成分随高度的变化由以下因素控制：（1）重力场；（2）大气中对流、湍流；（3）分子扩散；（4）太阳辐射对气体的光解作用和电离作用。实际大气情况（按标准大气规定）：（1）地面到86Km左右：湍流混合作用大大超过分子扩散及重力场对轻重气体的分离作用，充分混合的结果使干空气中各种成分的比例不变，即平均摩尔质量保持常数；（2）90Km到110Km左右，湍流混合、分子扩散和分子氧的光解作用以及气体分子的电离作用并存，可看作是由完全混合到扩散平衡的过渡层。（3）120Km以上，分子扩散光解作用和电离作用占主要地位，处于扩散状态。湍流层顶。匀和层（或湍流层）匀和层：地面至86-90km左右，包括对流层、平流层和中间层；匀和层特点：（1）除臭氧等可变成分外，大气中各种成分所占的比例在垂直和水平方向保持不变；（？）主要是湍流扩散作用使大气均匀混合。（2）干空气的平均摩尔质量Md=28.964kg/mol非匀和层非匀和层的特点：（1）、非匀和层大气中各成份的比例随高度而变化；主要是由于重力分离作用及光化学作用。（2）、非匀和层的平均摩尔质量随高度逐渐减小；（？）摩尔质量在数值上与物质的相对分子质量或相对原子质量相等，例如O2的摩尔质量是32g/mol。

在500km高度处，大气的五种主要中性成分为O、He、N2、H、O2；到1000km高度处，就只有He、H、O（见下图）。可见其平均摩尔质量减小。OHeHN202Ar

3.1.3按电磁特性分层根据不同高度大气电磁特性，可分为中性层（60km以下）、电离层和磁层。（？）

主要由于，①、在高空大气中，太阳辐射的光致电离作用而产生的离子和电子，使荷电粒子对中性粒子数密度之比随高度增加；②、其次高空粒子稀少，碰撞概率极小，因此这些荷电粒子受地球磁场的控制作用也随高度增强。电离层电离层指地表以上60km到500-1000km的气层。电离层特点：（1）产生正离子和自由电子，并达到电离平衡。

在太阳电磁辐射和微粒辐射的作用下，空气分子和原子电离为正离子和自由电子，同时有复合，建立平衡，形成电子数密度的垂直分布。虽然少但在高空引起很重要的现象，现象包括产生电流和磁场，对无线电波的反射及各种等离子体过程。（2）电子数密度在90km、100km、300km处有峰值、且在300km处电子密度最大（见图）；依次向上称为D区、E区、F区（F1、F2）。电离层各区有明显的日变化、季节变化和纬度变化。（3）太阳活动对电离层影响大，电离层突然扰动、电离层暴。电离层的正常状态被破坏影响到中、短波的无线电通讯。磁层磁层：从500-1000km开始到磁层顶的气层；磁层的特点：（1）带电粒子越来越受地球磁场的控制，并沿着地球的磁力线做回旋运动。

主要由于电子密度随高度递减，在这高度上带电粒子和中性粒子之间碰撞机会很小。（2）在强大的太阳风影响下，磁层的结构极不对称。向太阳一面地磁场被压缩，几乎成一球面形；背对太阳地磁场被向后拉得很长，形状近似圆柱体，称为磁尾；磁层形状象一颗彗星，太阳风无法进入磁层，只能绕着磁层顶的外侧连续流动，被迫改变方向，故磁层是保护地球的天然屏障。（3）磁层、辐射带保护了地球上的生物免受太阳风和宇宙线的袭击，是地球上生物得以生存和繁衍的一个重要条件。3.2大气水平非均一性--气团与锋由于地理纬度的不同，大片陆地和海洋的存在，使各地区空气受热程度不同及水汽含量都不同，造成空气性质的差异，因此对流层内水平方向上气象要素（温度、气压、湿度、风向风速）分布不均匀当然，水平方向的不均匀性比垂直方向的要小得多3.2.1气团定义：通常把水平方向的温度、湿度相对比较均匀，天气现象比较类似；在垂直方向上气象要素的变化近于相同的大范围地区的空气。（★）气团的水平尺度约几百公里至几千公里，垂直厚度几公里至十几公里。气团的低层是高压区时，空气下沉辐散，一般天气晴朗，或有不强的分散性阵雨气团的源地示意图：1、c表示干燥大陆性气团，m表示潮湿的海洋性气团；2、T表示热带的，P表示极地的，A表示北极或南极的气团分类南（北）极气团形成于终年冰雪覆盖的南（北）极，气温低、水汽少、气层稳定极地气团形成于广大的中纬度地区。大陆上称为极地大陆气团，气温低、水汽少；海洋上称为极地海洋气团，较暖、较湿。热带气团形成于热带和副热带地区。大陆上称为热带大陆气团，高温、干燥；海洋上称为热带海洋气团，暖而湿。赤道气团形成于赤道附近的洋面上，具有高温高湿冷气团：如果气团向着比它暖的地面移动，即冷气团。降温暖气团：如果气团向着比它冷的地面移动，即暖气团。升温气团变性：当气团移到新的下垫面时，它的性质发生变化（如：温度、相对湿度），获得新的性质的过程，即是气团变性。3.2.2锋锋（面）定义：冷暖性质不同的两种气团相对运动时，在交界面处气象要素急剧变化的过渡带。（★）锋面是一个倾斜曲面（见图），坡度约为1/200到1/50，宽度约几十公里，长度可为几百公里到几千公里。可见其水平宽度远比大范围气团小。故我们理想地把它看作一个面，称为锋面。在锋面中，气象要素（温度、湿度、风向风速）发生激烈的改变；锋面和地面有一个很小的交角，通常为几分到一度左右；锋面与水平面的交线称为锋线。锋面的空间结构

锋附近的风场锋面的分类

根据锋在移动过程中冷、暖气团所占有的主次地位，可将锋分为：冷锋、暖锋、准静止锋和锢囚锋；

（★）根据锋的伸展高度可分为：地面锋（或低层锋）和高空锋（高层对流层锋）根据锋面两侧气团来源地理位置可分为：冰洋锋、极锋、赤道锋（热带锋）冷锋暖锋准静止锋冷锋冷锋定义：锋面移动过程中，冷气团起主导作用，冷气团推动暖气团移动，这类锋面称为冷锋；（★）冷锋过境时一般在锋后易出现雨（雪）、降温及大风天气；如冷锋带来夏季北方的暴雨；或冷锋带来冬季的寒潮；冷锋过境前，气温较高、气压较低，天气晴朗；冷锋过境后，冷气团代替暖气团，气温降低，气压升高，天气转晴。有时形成寒潮。典型冷锋云系降水示意图暖锋定义：锋面移动过程中，暖气团起主导作用，暖气团推动冷气团移动，这类锋面称为暖锋；（★）暖锋一般与冷锋相伴出现，暖锋锋面过境时易在锋前带来连续性降水或雾等天气；锋面过境后，气温上升，天气转好。准静止锋定义：当冷、暖空气势力相当时，锋面移动十分缓慢或相对静止，这种锋面称为准静止锋。实际情况中，锋面是在某一地区来回摆动，故经常将6小时间隔内，锋面位置变化小于1个纬距的锋面定义为准静止锋。（★）分类：主要有天山准静止锋、昆明准静止锋、南岭准静止锋，它们多数与地形有关；梅雨锋也常为准静止锋锢囚锋定义：由冷锋赶上暖锋或者两条冷锋迎面相遇叠加而成的锋面称为锢囚锋。在锢囚锋的锢囚过程中冷锋上侧的暖空气被抬离地面而上升，凌驾在上空。（★）

分类：冷式锢囚锋、暖式锢囚锋、中性锢囚锋三种；两条锋面在空间的交接点称之为锢囚点；一般而言，锢囚锋只有云系变化,降水不明显。锢囚锋暖式锢囚锋冷式锢囚锋中性锢囚锋准静止锋锢囚锋3.3气象要素定义：表示大气中的物理现象和物理变化过程的物理量，统称为气象要素。如：气温、气压、湿度、风向、风速、能见度、降水量、辐射强度、云量、日照等。其中以气温、气压、湿度和风最为重要。气象要素表征着大气的宏观物理状态，是大气科学研究的基础3.3.1气温

定义：表示空气冷热程度的物理量。它实际上是空气分子平均动能大小的反映。在气象观测中测量的是离地面1.50米高度处百叶箱内的气温。取一位小数，测量的项目有正点气温，日最高（低）气温（每天20时观测一次）1、温标：单位符号冰点沸点

℃t0100KT273.16373.16℉F322122、换算关系：

3.3.2气压1、单位：Pa，hPa，mmHg气压：即大气压强，空气分子作用在相接触面上的单位面积上的力，它是由空气分子对该面碰撞引起。在气象上通常表示观测高度到大气上界单位面积上垂直气柱的重量来表示。

高压控制下天气晴好，如副高；低压来临时，天气转阴雨。2、换算关系：

1Pa=1N·m-2

1hPa=100Pa1mb=1hPa

1标准大气压=1013.25hPa=760mmHg3.3.3空气湿度湿度是表示空气潮湿程度的物理量。具体可见第一章第三节，1、水汽压e与饱和水汽压es；2、绝对湿度（水汽密度）；3、相对湿度UW；4、混合比r；5、比湿q；6、饱和差es-e；7、露点（霜点）温度Td；3.3.4风定义：空气的水平运动叫做风。包括风向和风速；其中风向指风的来向，如风从北方来称北风。气象上用16方位（地面）表示；360º方位（高空）：以正北方向为0°，按顺时针旋转方向进行360风向量度。风速指单位时间内空气在水平方向上移动的距离在自然界中，空气的流动是不均匀和不稳定的，风可忽大忽小，产生瞬时极大的风速即阵风，它就有突发性和破坏性，对海上作业和高层建筑影响极大气象观测项目：3秒钟（瞬时风速）、2分钟和10分钟（最大风速）的平均值。§3.3.5云定义：悬浮在大气中的小水滴、冰晶微粒或两者混合物的可见聚合体。它底部不接触地面，有一定的厚度。云的观测包括云状、云量、云高。根据形成云的上升气流特点，可分为对流云、层状云和波状云；根据云底的高度可分为高云、中云和低云。云的形成：水汽从蒸发表面进入大气后，这里的温度高，所容纳的水汽较多，如果这些湿热的空气抬升，温度就会降低，到了一定高度，空气中的水汽就会达到饱和。如果空气继续被抬升，就会有多余的水汽析出。如果那里的温度高于0℃，则多余的水汽就凝结成小水滴；如果温度低于0℃，则多余的水汽就凝化为小冰晶。这些小水滴和小冰晶逐渐增多并达到人眼能辨认的程度时，就形成了云。云型低云（<2000m）中云(2000—6000m)高云(>6000m)层状云雨层云(Ns)高层云(As)卷层云(Cs)卷云(Ci)波状云层积云(Sc)层云(St)高积云(Ac)卷积云(Cc)对流云积云(Cu)积雨云(Cb)淡积云、浓积云、积雨云、雨层云、高积云、高层云、钩卷云3.3.6降水降水是指从云中降落到地面的液态或固态水。降水通常用降水的形态、降水的性质、降水量、降水强度来表示。按外形可分为：雨、毛毛雨、雪、霰、米雪、冰粒、冰雹、冰针等。（业务调整后？）降水量是指从天空降落到地面上的液态或固态（经融化后）的降水，未经蒸发、渗透、流失而积聚到水平面上的水层深度，它以mm为单位。暴雨标准(mm)1h163h2512h3024h503.3.7水平能见度水平能见度指视力正常的人，在当时的天气条件下，能从天空背景中看到和辨认出目标物（黑色，大小适度）的最大水平距离。能见度单位为km，是判断大气浑浊程度的物理量。雾、沙尘和气溶胶粒子均可使能见度降低。

今晚到明天白天中雨转大雨，局地暴雨（10-24.9、25-49.9、50-99.9mm），北风2-3级（2感觉有风、3旌旗展开），22-26度。需要加强防范局地强降雨可能引发的地质灾害及城乡内涝。

3.4大气主要下边界面---海洋

全球海洋面积为3.6亿平方公里，占地球面积的71%，平均水深3800米。

海气相互作用：（★）大气水汽的主要来源是海洋表面的蒸发，特别是副热带洋面的蒸发；海洋是大气最重要的热源，是气候变化的缓冲器和调节器，其中海流就是由低纬向高纬输送能量的重要工具；广阔洋面也是气团形成源地，如热带海洋气团、极地海洋气团等等。海洋对大气的影响表现在改变空气的温湿特性，影响天气和气候变化，如厄尔尼诺南方涛动（ENSO）现象。

3.4.1海洋物理特性

海水中含有氯、钠等80多种元素，盐度平均值3.47%；

密度是盐度、温度和压力的函数，约为海面附近空气密度的800倍；海水总质量约为大气267倍；而比热容比空气大4倍，因此海洋有巨大的热容量。据估计海洋的热容量是大气的3120倍，即海洋3米厚的海水热容量就相当于整个大气的热容量。

海洋具有巨大的热惯性，夏季升温和冬季降温自然要缓慢得多，年变化只有几度；

海水温度日变化不到0.1℃，这种特点使得沿海地区产生了一些特殊的气象过程，如海陆风环流等。分层（★）海洋在垂直方向按热力结构分3层:季节变化层（厚约100米）、主跃层（约1000-1500米）和下均匀层。秋季节变化层：1、厚度约100m左右；2、由于风和波浪的搅拌混合作用，又称为上混合层；3、夏季最明显，春季、秋季次之，冬季最不明显主跃层：1、主跃层厚度约为1000-1500米；2、主跃层的温度、盐度和密度有一个跃变，海水温度随深度迅速下降，而海水密度加大。如在热带和温带，深1000m处降到约4-5℃；2000m处约2-3℃；3000m处约1-2℃。3、主跃层是海洋热力结构重要组成部分，它的强度在经向和纬向都有变化。下均匀层：该层内温度、密度、盐度的垂直分布变化很小