第三单元大气和气候

第三单元大气和气候第1页，共44页，2023年，2月20日，星期一第一节大气的组成和垂直分层第2页，共44页，2023年，2月20日，星期一一、大气的组成（一）干洁空气大气中除固体杂质和水汽之外的全部混合气体，称为干洁空气。氮和氧容积占99.04％，加上氩，三者合占99.97％，其他气体仅占0.03%。干洁空气中大多数气体的临界温度低于自然情况下大气中可能出现的最低温度，CO2的临界温度虽然较高，但它所对应的压力却大大超过其实际分压力。因此，干洁空气中的所有成分都呈气体状态。第3页，共44页，2023年，2月20日，星期一（二）水汽水汽主要来源于海洋、江河湖沼和土壤，以及潮湿物体表面的蒸发和植物的蒸腾。大气中的水汽含量极不固定，随时间、地点、条件而不同。其所占容积变化范围为0—4％。观测结果表明，在1.5—2km高度，水汽含量只及地面的1/2；在5km高度，只相当于地面的1/10，再往上更少。水汽含量虽然不多，但它在大气温度变化范围内可以发生汽态、液态和固态三相转化，人们常见的云、雾、雨、雪等天气现象，都是水汽相变的表现。此外，水汽还善于吸收和放射长波辐射，显著影响大气和地表的温度。第4页，共44页，2023年，2月20日，星期一（三）固体杂质悬浮在大气中的固体杂质主要有烟粒、尘埃、盐粒等，它们的半径一般为10-2—10-8cm，多集中于低层大气中。烟粒主要来源于生产、生活方面的燃烧；尘埃主要来自经风的吹扬进入大气的地表松散微粒，以及火山爆发后产生的火山灰、流星燃烧的灰烬；盐粒则主要是由海洋波浪飞溅进入大气的水滴被蒸发后形成的，固体杂质的含量陆地上空多于海洋上空，城市多于乡村，冬季多于夏季，白天多于夜晚，愈近地面愈多。固体杂质是大气中水汽凝结的必要条件；能吸收部分太阳辐射，又可阻挡地面长波辐射，对大气和地表温度有一定影响；其含量多少，还直接影响到大气能见度的好坏。第5页，共44页，2023年，2月20日，星期一（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。大气组成的这种变化，会产生什么影响?第6页，共44页，2023年，2月20日，星期一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大气各成分的作用第7页，共44页，2023年，2月20日，星期一二

大气的垂直分层第8页，共44页，2023年，2月20日，星期一1、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?

6、读图，说明电离层与人类的关系。分组阅读讨论第9页，共44页，2023年，2月20日，星期一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第10页，共44页，2023年，2月20日，星期一2、对流层的厚度及特征

A）厚度：本层厚度最簿，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。第11页，共44页，2023年，2月20日，星期一3、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降低。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；（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。第12页，共44页，2023年，2月20日，星期一4、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。第13页，共44页，2023年，2月20日，星期一5、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。第14页，共44页，2023年，2月20日，星期一6.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。第15页，共44页，2023年，2月20日，星期一从大气与地表自然环境之间关系来说，对流层具有特别重要的意义。下面将主要讨论对流层范围内的基本情况。第16页，共44页，2023年，2月20日，星期一三大气的热力状况第17页，共44页，2023年，2月20日，星期一地球表面处于大气圈、水圈和岩石圈的交互作用之中，进行着各种形式的运动过程，包括简单的机械运动和复杂的生命过程，其中大多数过程的能量直接或间接来自太阳辐射。太阳辐射透过地球的大气“外衣”到达地表，经过一系列能量转换之后，形成对地球生命有深刻影响的大气热力状况。地球上的气温条件是各种生物繁殖和演化的重要条件，也是决定地球上能量和物质输送、转化的重要因素。气温的空间变化是各地理要素地域分异的根本原因之一。第18页，共44页，2023年，2月20日，星期一1、辐射的基本知识（1）物体对辐射的吸收、反射和透射

假设投射到物体上的总辐射为Qo，被吸收的为Qa，被反射的为Qr，透过的为Qd，则根据能量守恒原理：Qa+Qr+Qd=Qo

两边同除以Qo得：

Qa/Qo+Qr/Qo+Qd/Qo=1

即；a+r+d=1。物体的吸收率、反射率和透射率大小随着辐射的波长和物体的性质而改变。黑体——能将所有波长的辐射全部吸收掉的物体即a=1。第19页，共44页，2023年，2月20日，星期一（2）有关辐射的基本规律辐射能力强的物体，其吸收能力也强，黑体的吸收率最大，故它是最好的放射体；对于同一物体，如果在温度为T时，它放射某一波长的辐射，那么在同一温度下，它也吸收同样波长的辐射；任何物体在向四周放射能量的同时，也吸收能量；高温物体在单位面积上放射的能量比低温物体多。斯蒂芬—波尔斯曼定律：E=δ.T4.δ=5.67×10-8W（m2.K4）、大气上界太阳辐射：（可看作黑体辐射）太阳表面温度高达6000K左右，是炽热的气态球体。第20页，共44页，2023年，2月20日，星期一太阳辐射——短波辐射地面辐射——长波辐射第21页，共44页，2023年，2月20日，星期一大气的热力作用1、大气对太阳辐射的削弱作用2、大气的保温效应第22页，共44页，2023年，2月20日，星期一第23页，共44页，2023年，2月20日，星期一2太阳辐射太阳辐射光谱和太阳常数

太阳辐射光谱——太阳辐射中辐射按波长的分布，称为太阳辐射光谱。见书太阳辐射光谱图。从图中得出什么规律？波长过短或过长所负荷的辐射能量都很少；大气上界太阳辐射光谱在0.1~5um的范围；太阳辐射中99%的能量在0.15~4um的范围，其中0.4~0.76um为可见光区，＞0.76um的为红外区，＜0.4um为紫外区。太阳辐射能主要分布在可见光区和红外光区，其中，可见光占太阳辐射总能量的50%，并以0.47um附近最强，红外区占43%；紫外区的太阳辐射能很少，只占7%。太阳常数——在大气上界，垂直于太阳光线的1cm2面积内，1min内获得的太阳辐射能量，称为太阳常数。1370W/m2。第24页，共44页，2023年，2月20日，星期一太阳辐射在大气中的减弱大气的云层和尘埃地太阳辐射的反射。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%。大气浑浊度越大，对太阳辐射的削弱也越大。第25页，共44页，2023年，2月20日，星期一到达地面的太阳辐射与大气上界的情况不同。由于大气圈对辐射有吸收、散射和反射等作用，太阳光谱中不同的波长将受到不同程度的削弱。吸收作用主要削弱紫外和红外部分，而对可见光部分则影响较少。散射和反射作用受云层厚度、水汽含量、大气悬浮微粒的粒径和含量的影响很大。第26页，共44页，2023年，2月20日，星期一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，另一部他则被地面反射出去。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%，对陆地稍小。第27页，共44页，2023年，2月20日，星期一散射辐射影响散射辐射的因素：太阳高度角、透明度、云量A）太阳高度角大，入射辐射量多，散射辐也相应地增强；B）透明度差，参与散射作用的质点多，散射辐射也强；C）云量大，散射辐射大。（D）太阳光经散射后到达地面的部分。第28页，共44页，2023年，2月20日，星期一第29页，共44页，2023年，2月20日，星期一为何天空呈蔚蓝色？——主要是空气分子在选择地对波长青色、蓝色光进行散射。为何日出、日落时，太阳呈红色？——因为太阳高度角不同，太阳光通过大气的厚度也不同，太阳高度越小，太阳光投射时所穿过的大气质量就大（垂直时，穿过的质量数为1），日出、日落时，日光通过的大气质量数最大，尤其是低层大气的水滴、灰尘等大质点多，红光、橙光散射增强，导致出现红色“霞光”第30页，共44页，2023年，2月20日，星期一3大气的保温效应1）、地面辐射是大气的主要热源，地面辐射绝大部分（约有75~95%）被大气中的云、雾、水汽和二氧化碳等吸收，只有波长为8.4~12um的部分，可穿过大气层进入宇宙空间，故称此波段为“大气窗”。第31页，共44页，2023年，2月20日，星期一2）、大气辐射（1）大气靠吸收（其吸收具有选择性）地面长波辐射而增温。1）水汽：对地面长波辐射的吸收最明显，可吸收5~8.5um,18um~红外区范围的太阳光；2）二氧化碳：吸收波段有4.3um,14.7um,尤其是在14.7um为中心的吸收带范围很广；太阳地面大气大气逆辐射第32页，共44页，2023年，2月20日，星期一地面和大气既吸收太阳辐射，又依据本身的温度向外辐射。由于地面和大气的温度比太阳低得多，因而地面和大气辐射的电磁波长比太阳辐射波长得多，其能量集中在3—120微米的红外范围内。故习惯上称太阳辐射为短波辐射，地面和大气辐射为长波辐射。第33页，共44页，2023年，2月20日，星期一据估计，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。第34页，共44页，2023年，2月20日，星期一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。第35页，共44页，2023年，2月20日，星期一太阳地面大气大气逆辐射第36页，共44页，2023年，2月20日，星期一第37页，共44页，2023年，2月20日，星期一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第38页，共44页，2023年，2月20日，星期一4、全球的热量平衡综上所述，太阳短波辐射为大气和地面所吸收，大气和地面又依据本身的温度向外发射长波辐射，这样就形成了整个地-气系统与宇宙空间不断地以辐射形式进行能量交换。在地理环境内部，地面与大气也不断以辐射和热量输送的形式交换能量。在某一时段内物体能量收支的差值，称为辐射平衡或辐射差额。当物体收入的辐射多于支出时，辐射平衡为正，物体热量盈余，温度升高；反之，辐射平衡为负，物体热量亏损，温度将降低；若物体收入的辐射与支出相等，则辐射平衡为零，温度无显著变化。第39页，共44页，2023年，2月20日，星期一热量收支平衡3）大气上界：100（收）=（支）34+60+61）地面：47+106（收）=（支）120+23+102）大气：19+114+23+10（收）=（支）166第40页，共44页，2023年，2月20日，星期一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。第41页，共44页，2023年，2月20日，星期一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