第三章 大气与气候第一节 大气的组成和热能一、大气的组成大气由多种物质的混合物，包括干洁空气、水汽大气由多种物质的混合物，包括干洁空气、水汽 、悬浮尘粒和杂质等。、悬浮尘粒和杂质等。1 1、干洁空气（干空气）：、干洁空气（干空气）：除水汽、液、固体杂质外的整个混合气体。除水汽、液、固体杂质外的整个混合气体。 主要成分：主要成分：N N2 2、O O2 2、ArAr，占干空气容积的占干空气容积的 99.97 99.97次要成分：次要成分：COCO2 2、O O3 3、COCO、CHCH4 4、H H2 2S S、SOSOx x 等。等。干空气中，以氮、氧、二氧化碳、干空气中，以氮、氧、二氧化碳、 臭氧最重要。臭氧最重要。（p60p60）成分化学简写备 注主要成分氮气N2地球上生物体的基本成分氧气O2人类和一切生物维持生命活动所必须的物质氩气Ar次要成分二氧化碳CO2绿色植物进行光合作用的基本原料，对地面起 保温作用惰性气体成分化学简写氖气Ne氦气He疝气Xe微量气体甲烷CH4氪气Kr氢气H2氧化亚氮N2O一氧化碳CO臭氧O3（吸收紫外线）干结空气的组成2、水汽：大气中的水汽主要来自水面的蒸发、植物的蒸腾大气中的水汽主要来自水面的蒸发、植物的蒸腾 。集中分布在。集中分布在 3 3km km 高度以内。高度以内。3 3、杂质（气溶胶粒子）：、杂质（气溶胶粒子）：指大气中悬浮着的各种固体杂质和液体微粒。指大气中悬浮着的各种固体杂质和液体微粒。 集中分布于大气层底部集中分布于大气层底部。4 4、大气污染：、大气污染： 指由于人类活动的影响，使局部乃至全球范围的大指由于人类活动的影响，使局部乃至全球范围的大 气成分发生了对生物体有害的变化。进入大气中的气成分发生了对生物体有害的变化。进入大气中的 有害气体和烟尘，称为大气污染物，主要有粉尘、有害气体和烟尘，称为大气污染物，主要有粉尘、 烟尘、烟尘、SOSOx x、NONOx x、COCO、COCO2 2、H H2 2S S、HCHC等等。等等。它们的含量受地区、气象、季节，以及人类生产生活 活动影响而变化。按其成分可以概括为干洁空气 对生命活动具有重要的意义水汽 相变产生了云、雨、雪、雾 等一系列天气现象 悬浮微粒 作为凝结核是成云致雨 的必要条件可变成份酸 雨 使 森 林 枯 萎酸雨对石像的腐蚀复活节岛腐 蚀 狮 身 人 面 像全球一氧化碳污染图2000.04.30. 燃烧化石燃料而产生全球一氧化碳污染图2000.10.30. 南美和非洲旱季林木燃烧而产生机动车尾气污染电厂排污贵州安顺煤电厂 氟中毒贵州因贵州因燃煤导致燃煤导致氟中毒氟中毒 的人口达的人口达19001900万，占贵万，占贵 州总人口的一半。当地州总人口的一半。当地 煤氟含量达煤氟含量达 598598mg/kgmg/kg。 氟中毒从氟中毒从2020世纪世纪7070年代年代 开始发生，受害者出现开始发生，受害者出现 牙齿变黄变黑、腿呈牙齿变黄变黑、腿呈 X X 形或形或 OO形、躬腰背驼、形、躬腰背驼、 下肢瘫痪、手臂只能弯下肢瘫痪、手臂只能弯 不能伸等等症状。不能伸等等症状。氟斑牙 用高含氟煤熏烤粮食土法炼焦，山西农民燃烧秸秆广州1广州2广州3由中信广场鸟瞰由中信广场鸟瞰长沙成都兰州上海北京哈尔滨德国法兰克福被污染的彩虹被污染的彩虹智利圣地亚哥美国Mont.州Butte市南非开普敦罐装“济州岛空气”在汉城热卖济州岛二、大气的结构1、大气上界2、大气质量p623、大气压力（1 1）气压：）气压：静止大气中任一高度单位面积上所承受静止大气中任一高度单位面积上所承受 的空气柱重量，叫大气压力，简称气压。的空气柱重量，叫大气压力，简称气压。气压的测量单位是帕（气压的测量单位是帕（PaPa），），气象学采用百帕气象学采用百帕 （hPahPa）为单位，为单位，1 1 hPahPa10-2 N10-2 Ncm2 cm2 ； 当选定温度为当选定温度为 0 0 ，纬度为，纬度为 45 45的海平面时，的海平面时， 气压为气压为 1013.25 1013.25 hPahPa，称为称为一个标准大气压一个标准大气压。地面气压在地面气压在980 1040 980 1040 hPahPa 之间变化，平均为之间变化，平均为 1013 1013 hPahPa ；（2）气压的垂直分布：在气压相同条件下，气柱温度越高，单位气压高度在气压相同条件下，气柱温度越高，单位气压高度 差越大，气压随高度递减越缓慢，气压垂直梯度越小；差越大，气压随高度递减越缓慢，气压垂直梯度越小； 在气温相同条件下，气压越高，单位气压高度差越在气温相同条件下，气压越高，单位气压高度差越 小，气压随高度递减越快，气压垂直梯度越大；小，气压随高度递减越快，气压垂直梯度越大；（3）气压场：气压的空间分布称为气压场。气压场的表示方法：等压线和等压面等压线：同一水平面上各气压相等点的连线。等压面：空间气压相等各点组成的面。气压场的基本形式：低气压、高气压、低压槽、 高压脊、鞍（鞍型气压场）等，统称为气压系统。低气压：低气压：等压线闭合，气压值由中心向外逐渐增高等压线闭合，气压值由中心向外逐渐增高 ，等压面向下凹陷如盆地；，等压面向下凹陷如盆地；高气压：高气压：等压线闭合，中心气压高向四周逐渐降低等压线闭合，中心气压高向四周逐渐降低 ，等压面向上凸出如山丘。，等压面向上凸出如山丘。高压与低压低压槽：低压槽：由低压向外延伸出来的狭长区域，在槽内由低压向外延伸出来的狭长区域，在槽内 各等压线弯曲最大处的连线，称为槽线。各等压线弯曲最大处的连线，称为槽线。高压脊：高压脊：由高压向外延伸出来的狭长区域，在脊中由高压向外延伸出来的狭长区域，在脊中 各等压线弯曲最大处的连线，称为脊线。各等压线弯曲最大处的连线，称为脊线。鞍鞍（鞍型气（鞍型气 压区）：两个压区）：两个 高压与两个低高压与两个低 压相对应的中压相对应的中 间区域，其附间区域，其附 近空间等压面近空间等压面 形似马鞍。形似马鞍。4、大气分层根据大气在垂直方向上的温度、成分、密度、电离等根据大气在垂直方向上的温度、成分、密度、电离等 物理性质和运动状况，将之分为物理性质和运动状况，将之分为 5 5 层。层。1对流层：贴近地面的大气最低层，是大气中最 活跃、与人类关系最密切的一层。a范围高纬度 089千米 中纬度 01012千米 低纬度 01718千米b特点： 气温随高度升高而递减，递减率0.65/100米 垂直对流运动显著，污染影响最大。 天气现象复杂多变。垂直对流1垂直对流2斗笠云旗云环状云龙卷 风1龙卷风2雨露闪电冰雹，北京，20050531冰雪雾雾淞2平流层a.范围：对流层顶 5055千米b.特点：气温随高度的增加不变，后上升。 气流平稳，以水平运动为主。臭氧层的存在水汽、尘埃极少，晴空为主3.中间层a.范围：5585千米b.特点： 气温随高度增加而下降，大气圈最冷。强烈对流运动，又称高空对流层。水汽含量极少，几乎无云层。4.暖层a.范围：85800千米b.特点：气温随高度增加迅速增高。空气处于高度电离状态（电离层）。5.逸散层a.范围：800千米以上 b.特点：空气稀薄、地心引力弱，高速运动大气 粒子散逸到星际空间。哥伦比亚号空中解体1哥伦比亚号空中解体2星际空间三、大气的热能（一）太阳辐射 大气系统的能源主要是太阳辐射。大气系统的能源主要是太阳辐射。太阳以电磁波的形式向外传递能量，称为太阳太阳以电磁波的形式向外传递能量，称为太阳 辐射。太阳辐射所传递的能量称为太阳辐射能。辐射。太阳辐射所传递的能量称为太阳辐射能。 特点：辐射能绝大部分集中在波长特点：辐射能绝大部分集中在波长0.15 4.0 0.15 4.0 之间，因而称为短波辐射。之间，因而称为短波辐射。（对流层大气和地面温度为（对流层大气和地面温度为250 300250 300K K，辐射波长主要在辐射波长主要在 3 3 120 120 之间，为长波辐射）。之间，为长波辐射）。太阳辐射强弱的物理量：太阳辐射强度太阳辐射强弱的物理量：太阳辐射强度单位时间内垂直投射在单位面积上的太阳辐射能。单位时间内垂直投射在单位面积上的太阳辐射能。1、太阳辐射在大气中的减弱（1）吸收：臭氧、氧、水汽、二氧化碳、固体杂质等臭氧、氧、水汽、二氧化碳、固体杂质等 选择性吸收太阳辐射，变成热能因而减弱太阳辐射。选择性吸收太阳辐射，变成热能因而减弱太阳辐射。（2）散射：太阳辐射通过大气，遇到空气分子、尘粒、 云滴等质点时，改变辐射方向，向四面八方传播。（3）反射：大气中云层和较大颗粒的尘埃将太阳辐射中 一部分能量反射到宇宙空间。云层增厚反射增强。上述三种方式中，反射作用最主要，其次是上述三种方式中，反射作用最主要，其次是 散射，而吸收作用最小，它们共使到达地面散射，而吸收作用最小，它们共使到达地面 的太阳辐射减弱了约一半。的太阳辐射减弱了约一半。空气质点的短波散射气溶胶粒子的漫射太湖日出黄山日落云层的反射与散射厚云层的反射与散射2、到达地面的太阳辐射（1）直接辐射：太阳以平行光线的形式直接投射到 地面上的。（2）散射辐射：经过散射后自天空投射到地面的。（3）总辐射：前两者之和。（变化见p66）（1）和（2）的强弱都取决于太阳高度角和大气透 明度，太阳高度角越大，大气透明度越好，（1）和 （2）越强，反之，越弱。3、地面对太阳辐射的反射到达地面的总辐射一部分被地面吸收转变成热能到达地面的总辐射一部分被地面吸收转变成热能 ，另一部分被反射。，另一部分被反射。反射率的大小取决于：反射率的大小取决于：地面性质（水面、陆面）；地面性质（水面、陆面）；地面状态（颜色深浅、粗滑、干湿）。地面状态（颜色深浅、粗滑、干湿）。反射率越大，吸收越少。总辐射相同，地表吸收并不相 等，这就是导致近地面温度分布不均的原因之一。（二）大气能量及保温效应水、陆、植被等下垫面大量吸收太阳辐射，并 经潜热和感热转化供给大气。(1)对太阳辐射的直接吸收；(2)对地面辐射的吸收；（长波辐射）(3)潜热输送；(3)感热输送；大气获得热能后向外辐射（大气辐射），其中一部分外逸到宇 宙空间，一部分下投向地面（大气逆辐射）。这对地面因辐射而这对地面因辐射而 损耗的能量得到一定的补偿，所以大气对地面有保温作用。损耗的能量得到一定的补偿，所以大气对地面有保温作用。（三）地 气系统的辐射平衡地面和大气因辐射进行热量的交换，其能量收支地面和大气因辐射进行热量的交换，其能量收支 情况是由短波和长波辐射收支作用的总和决定的。把情况是由短波和长波辐射收支作用的总和决定的。把 地面和地面和对流层对流层看作一个统一体，称为地看作一个统一体，称为地气系统。地气系统。地 气系统在一定时间内辐射能收入与支出的差值，称为气系统在一定时间内辐射能收入与支出的差值，称为 辐射差额（辐射平衡）。辐射差额（辐射平衡）。辐射差额辐射差额= =收入辐射收入辐射- -支出辐射支出辐射辐射差额有日变化和年变化（辐射差额有日变化和年变化（p69p69），而且随纬度），而且随纬度 而变，低纬为正值，有热量剩余；高纬为负值，热量而变，低纬为正值，有热量剩余；高纬为负值，热量 亏损。高低纬地区之间的气温差异，推动大气环流和亏损。高低纬地区之间的气温差异，推动大气环流和 洋流的运动。洋流的运动。辐射平衡1四、气温气温是大气热力状况（即空气冷热程度）的数量气温是大气热力状况（即空气冷热程度）的数量 度量。度量。目前，气象观测和记录的气温，是指离地面一目前，气象观测和记录的气温，是指离地面一 定高度上（我国规定离地面定高度上（我国规定离地面1.51.5m m高），放在百叶箱高），放在百