农业气象学：第一章-大-气课件

第一章大气第一章大气第一章大气

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。第一章大气由于引力作用而环绕行星的气体圈第一章大气

大气的组成和垂直结构§1§2§3大气污染大气的主要物理性质退出第一章大气大气的组成和垂直结构§1§2§3大气污染§1大气的组成和垂直结构

大气的组成大气的垂直结构一二§1大气的组成和垂直结构大气的组成一二干洁大气大气中的水汽气溶胶粒子

一.大气的组成干洁大气一.大气的组成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N278.08428.106-147.233.5O220.94632.000-118.949.7Ar0.93439.944-122.043.0CO20.03844.01031.073.0O30～3×10-4

48.000-5.092.31.干洁大气除去水汽和气溶胶粒子的混合空气。表1.干洁大气的干洁大气特点

气体的组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。

干洁大气特点气体的组成成分比较稳定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。大气中几种主要气体简介（1）氮气（nitrogen,N2（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

（2）氧气（oxygen,O2）各种生命活动不可缺少的物（3）臭氧(ozone,O3)①生消原因：氧气分子在太阳紫外辐射的作用下形成。

O2───→O+OO+O2───→O3

O3+O───→O2+O2紫外线紫外线紫外线（3）臭氧(ozone,O3)①生消原因：氧气分子在太阳臭氧的时空分布规律空间变化特点：

10km以下含量很少，20～25km浓度最大，称为臭氧层（ozonelayer)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

臭氧的时空分布规律空间变化特点：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

80年代初，在南极大陆发现了臭氧含量明显减少的大片区域，称为臭氧洞。臭氧洞(ozonehole──

一个重要的环境问题80年代初，在南极大陆发现了臭氧含量明显减少的大臭氧洞(ozonehole）

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+OO2+O2紫外线Cl-臭氧洞(ozonehole）产生原因：人类活动释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。臭氧层破坏所造成的后果由于缺少臭氧层的屏障作用，地中海滨的日光浴人群地中海滨的日光浴人群了解更多的臭氧知识和动态中国保护臭氧层行动/中国臭氧网/国际臭氧日：9月16日“消耗臭氧层物质”Ozonedepletingsubstances

1）氟氯化碳（CFCs）:制冷剂、清洗剂和发泡剂；

2）哈龙（Halon）:灭火剂；

3）四氯化碳:化工生产的助剂和清洗剂；

4）甲基氯仿:清洗剂；

5）溴甲烷:农业种植、粮食仓储或商品检疫的杀虫剂；

6）氢氟氯烃（HCFC）:制冷剂、清洗剂和发泡剂。了解更多的臭氧知识和动态中国保护臭氧层行动http://ww（4）二氧化碳（carbondioxide,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（4）二氧化碳（carbondioxide,CO2）植

温室效应：大气吸收地面长波辐射，同时也向宇宙和地面发射辐射，对地面起保暖增温作用。温室效应：大气吸收地面长波辐射，同时也向宇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

(Cycleofcarbondioxideintheatmosphere)CO2的生成：生物呼吸、有机物的分解、燃烧、火山爆发、岩石风碳的循环碳的循环大气中二氧化碳的变化规律

CO2的日变化(diurnalvariation)

白天午后达最低值，日出前后达最高值CO2的年变化(annualvariation)

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-termchange)

由于人类活动，大气中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。

大气中二氧化碳的变化规律CO2的日变化(diurnalv世界气象组织:全球温室气体浓度创历史新高

2013-11-07世界气象组织6日发布的《温室气体公报》显示，2012年地球大气的温室气体浓度创下新纪录，继续维持增长趋势。《公报》公布了2012年大气中二氧化碳、甲烷和氧化亚氮等主要温室气体的变化情况。去年所有长期温室气体的总“辐射强迫”相当于475.6ppm（1ppm为百万分之一）的二氧化碳浓度当量，而该数值在2011年为473ppm。在1990年至2012年间，二氧化碳、甲烷和氧化亚氮等主要温室气体导致的辐射强迫对地球气候产生的变暖效应增加了32%。2011年至2012年间，大气中二氧化碳浓度增加了2.2ppm，超过此前十年每年增加2.02ppm的平均值，出现加速增加趋势。去年，大气二氧化碳浓度达到393.1ppm，是工业化之前水平的141%。世界气象组织:全球温室气体浓度创历史新高

2013-11-01990年到2010年间温室气体的辐射压力增长了29%，其中二氧化碳的贡献占了80%。2009年至2010年全球大气中温室气体浓度的增加超过了近10年的平均水平。2010年，二氧化碳和其他温室气体大量增加，未来全球将会变得更热，高温天气将更加频繁发生。从1750年以来，人类活动导致的全球大气中温室气体浓度有了明显地增长，这些温室气体主要为二氧化碳、甲烷和一氧化二氮二氧化碳对温室气体辐射压力增长的影响力占64%，在18世纪中期工业化开始前的一万年左右，大气中的二氧化碳含量几乎维持不变，保持在约280ppm（1ppm等于百万分之一）左右，但工业化开始以来，二氧化碳在大气中的浓度增加了39%。世界气象组织的最新数据显示，仅在2009年到2010年，二氧化碳浓度的年增长率就达到2.3ppm，而上世纪90年代的年增长率为1.5ppm，过去10年大气中二氧化碳浓度平均每年也只增加了2.0ppm。2010年全球温室气体浓度再创历史新高1990年到2010年间温室气体的辐射压力增长了29%，其中农业气象学：第一章--大-气课件世界气象组织：温室气体浓度创新高(2008.11.25)2007年地球上温室气体的浓度再创新高，其中二氧化碳继续保持工业化以来的上升趋势。

2008年11月25日，世界气象组织(WMO)在日内瓦发布了2007年度《温室气体公报》，显示2007年地球上温室气体的浓度再次突破有历史纪录以来的最高点，二氧化碳浓度达到383ppm(体积浓度百万分之一)，比2006年增加0.5%。

二氧化碳、甲烷、氧化亚氮、氢氟碳化物是四种最重要的温室气体，这四种气体主要来自于人类工业化以来燃烧化石燃料和农业生产的排放。在2007年，不仅二氧化碳浓度达到新高，氧化亚氮的浓度也创出新高，比上一年增加0.25%，甲烷的浓度也比历史纪录最高的2003年增加了0.34%。和持续增加的二氧化碳和氧化亚氮不同，甲烷的增加趋势在过去10年中有所减缓。但是，2006年到2007年间甲烷浓度的增量则达到了1998年以来的最大值，这或许标志着新一轮甲烷增加的开始。报告显示，化石燃料开采、水稻种植、秸秆焚烧、垃圾填埋和畜牧业贡献了大约60%的甲烷排放，而来自自然过程的湿地排放和白蚁排放占其余的40%。联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)2007年公布的全球气候变化评估报告称，从现在开始到2100年，全球平均气温将升高1.1至6.4摄氏度，最乐观的估计也将升温1.8至4摄氏度。届时全球平均海平面将上升14至44厘米，11亿至32亿人的饮水可能遇到问题，2亿至6亿人将面临饥饿威胁，每年沿海地区2亿至7亿居民将遭受洪涝灾害，纽约和上海等城市也可能被淹没。一位研究气候变化的中国科学家告诉《财经》记者，全球冰芯探测的研究结果显示，过去80万年中二氧化碳的浓度还没有达到过380ppm的水平。而二氧化碳的浓度越高，意味着会产生更为明显的温室气体效应。根据美国国家海洋大气局(NOAA)的年度温室气体指数，2007年所有温室气体对地球的叠加增温效应比2006年增加了1.06%，比1990年增加了24.2%。

世界气象组织的报告同时指出，自从1987年《蒙特利尔议定书》签订后，全球对限制破坏臭氧层的含氯氟烃(CFC)的使用取得了持续的成功，CFC浓度一直处于下降的趋势，到2010年，其对温室气体减排的贡献将是《京都议定书》中第一承诺期(2008-2012)目标的5倍。从2004年开始，世界气象组织开始发布年度温室气体公报，其数据来自于其在全球超过65个国家的全球大气观测网。世界气象组织：温室气体浓度创新高2007年地球上温大气中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浓度的年变化夏威夷1992年至2001年平均二大气中CO2浓度的变化

/w/index.php?title=%E5%85%A8%E7%90%83%E8%AE%8A%E6%9A%96&variant=zh-cn大气中CO2浓度的变化http://zh.wikipedi

由于CO2是具有对地球保温的温室效应(greenhouseeffect)，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

由于CO2是具有对地球保温的温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1960─1990年基准值之差1000年以来CO2浓度和北半球平均气温曲线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；

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88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全球变暖将使北极、格陵兰岛、南美丽的图瓦卢将永远从太平洋上消失2001年11月15日，太平洋岛国图瓦卢宣布，他们将放弃自己的家园，全国人民移民到新西兰，成为全球第一个因海平面上升而进行全民迁移的国家。美丽的图瓦卢将永远从太平洋上消失2001年1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。

气候变暖使海平面上升的最新证据2002年1月南极拉森B冰架崩塌前后照片对比

拉森B冰架面积3250平方公里、厚220米、重7200亿吨。南极拉森B冰架崩塌前后照片对比拉森B冰架面积3250平方公南极附近游移的冰山

南极外围大量游移的冰山向人们昭示：如果人类听任温室效应所造成的全球变暖继续发展，消融的冰雪将会无情地蚕食人类的领地，许多人将象图瓦卢人一样失去赖以生存的家园！南极附近游移的冰山南极外围大量游移的冰山向人

2003年9月24日，北冰洋最大的冰架，沃德亨特冰架已经破裂，表明该地区气候正在变暖。沃德亨特冰架位于加拿大东北部，覆盖面积广达500平方公里，厚度达30米。科学家相信沃德亨特冰架已有三千年历史。2003年9月24日，北冰洋最大的冰架2001年(上)和2003(下)的卫星对比照片显示出沃德·亨特冰架上的大裂缝(红色圆圈中)摄于2005年8月2008年4月德里克·穆勒博士发现冰架现已断裂成三个部分2001年(上)和2003(下)的卫星对比照片显示出沃德·亨2009年南极威尔金斯冰架冰桥出现断裂2009年南极威尔金斯冰架冰桥出现断裂农业气象学：第一章--大-气课件南极80公里长巨型冰山崩离由于受到较老的“B9B”冰山的撞击，一座新冰山于2月份从莫兹冰河舌上崩离出来。南极80公里长巨型冰山崩离由于受到较老的“B9B”冰山的撞击水汽的特点是唯一能在自然条件下发生相变(phasetransformation)的物质，因此它是天气变化的最重要的角色。是自然界潜热(latentheat)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(watervapour,moisture)水汽的特点是唯一能在自然条件下发生相变(phasetran

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大气中的水汽来源于地面的蒸发(evapora

水的大循环水的大循环3.气溶胶粒子(aerosolparticle)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(condensationnucleus)，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。

3.气溶胶粒子(aerosolparticle)气溶胶粒子二、大气的垂直结构

(VerticalStructureoftheAtmosphere)

“九重天”“天高地厚”天有多高？？？天分九重？？？二、大气的垂直结构

(VerticalStructure大气上界(upperlimitoftheatmosphere)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1000—1200km，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2000—3000km。

大气上界(upperlimitoftheatmosp极光弧(底部整齐微微弯曲呈圆弧状)极光弧(底部整齐微微弯曲呈圆弧状)极光带(有弯扭褶，宛如飘带状)极光带(有弯扭褶，宛如飘带状)极光片(云朵一般片朵状)极光片(云朵一般片朵状)极光幔(面纱一样均匀的椎幕状)极光幔(面纱一样均匀的椎幕状)极光芒(沿磁力线方向呈射线状)极光芒(沿磁力线方向呈射线状)极光二〇〇〇年四月七日瑞典斯德哥尔摩极光二〇〇〇年四月七日瑞典斯德哥尔摩二〇〇〇年四月七日德国萨可森州极光二〇〇〇年四月七日德国萨可森州极光二〇〇〇年四月七日德国北部极光二〇〇〇年四月七日德国北部极光二〇〇〇年四月七日瑞典斯德哥尔摩极光二〇〇〇年四月七日瑞典斯德哥尔摩极光极光二〇〇〇年四月七日冰岛极光二〇〇〇年四月七日冰岛南极上空的卷滚极光一九九七年六月四日中山站南极上空的卷滚极光一九九七年六月四日中山站南极上空的分裂射线极光一九九七年六月四日中山站南极上空的分裂射线极光一九九七年六月四日中山站南极上空正在快速演化的极光一九九七年六月四日中山站南极上空正在快速演化的极光一九九七年六月四日中山站南极上空的极光一九九七年六月四日中山站南极上空的极光一九九七年六月四日中山站美国阿拉斯加,北京时间2000年4月7日10时35分极光美国阿拉斯加,北京时间2000年4月7日10时35分极光美国阿拉斯加,北京时间2000年4月7日10时35分极光美国阿拉斯加,北京时间2000年4月7日10时35分极光美国阿拉斯加,北京时间2000年4月7日10时50分极光美国阿拉斯加,北京时间2000年4月7日10时50分极光美国阿拉斯加,北京时间2000年4月8日12时极光美国阿拉斯加,北京时间2000年4月8日12时极光美国北卡罗来纳州,北京时间2000年4月7日9时30分极光美国北卡罗来纳州,北京时间2000年4月7日9时30分极光2002年9月3日，因近地行星际磁场出现持续南向分量，在美国和加拿大北部出现长达9个多小时的极光。

极光2002年9月3日，因近地行星际磁场出现持续南向分量，在美国2002年9月3日，在美国和加拿大北部出现长达9个多小时的极光。

极光2002年9月3日，在美国和加拿大北部出现长达9个多小时的极极光相隔几天之后的7日，磁暴再次发生，人们再次看到多彩的极光。极光相隔几天之后的7日，磁暴再次发生，人们再次看到多彩的极光2004年3月3日，日本东京。这束门帘一样的极光是被一名与日本南极冬季科考队同行的摄影师在观测船上拍摄到的。

2004年3月3日，日本东京。这束门帘一样的极光是被一名与日垂直结构

大气在铅直方向上的物理性质有不均匀的。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。垂直结构大气在铅直方向上的物理性质有不1.对流层(troposphere)2.平流层(stratosphere)3.中间层(mesosphere)4.热层(thermosphere)5.散逸层(exosphere)1.对流层(troposphere)2.平流层(strato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

厚度变化空间：随纬度增加，厚度降低。低纬地区：平均厚度为17～18km；中纬地区：平均为10～12km；高纬地区：平均为8～9km；时间：夏季大于冬季。1.对流层(troposphere)

厚度变化空间：随纬度增加，厚度降低。低纬地区：平均厚度为

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(meteorologicalelement)的水平分布很不均匀

对流层的主要特点：

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30～50m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。分层：下层、中层、上层、对流层顶。下层（摩擦层或行星边

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出现结冰现象。

在中、低纬度地带，常出现风速等于或大于30m·s-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。上层：6km至对流层顶受地面影响更小，气温常在0℃以下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：2.平流层(stratosphere)3.中间层(mesosphere)

从平流层顶向上，到85km左右为中间层。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。3.中间层(mesosphere)从平流层顶向上，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）4.热层(thermosphere)从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5.散逸层(exosphere)

二、大气污染(pollutantintheatmosphere)二、大气污染(pollutantintheatmos农业气象学：第一章--大-气课件

大气中的污染物质：

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。大气中的污染物质：定义：由于人类活动或自然过

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。火山爆发、风吹扬沙和沙尘暴、雷击森林失火等。来源

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。二次污染物：分类：一次污染物：直接从污染源排出来的物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(acidrain)：

大气降水的pH值明显低于正常值(5.6)的现象。2.温室效应(greenhouseeffect)3.臭氧洞(ozonehole)2.大气污染的影响对农业生产的危害

酸雨酸雨

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

酸雨的危害酸雨在我国的分布酸雨在我国的分布PM2.5和PM10

PM2.5和PM10PM2.5和PM10PM2.5和PM10

PM2