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气象学


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
§1 大气的组成和垂直结构 §2 大气污染
大气与农业 §3
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§1 大气的组成和垂直结构

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大气的组成 大气的垂直结构



一. 大气的组成

1.干洁大气: 除去水汽及其它悬浮的 固体和液体质粒的混合空气。

表1.
气体 氮气 氧气 氩 二氧化碳 臭氧

干洁大气的主要成分
容积含量(%) 78.084 20.946 0.934 0.038 0~7×10-8 分子量 28.0134 31.9988 39.948 44.0099 5 47.9982 临界温度
(℃)

-147.2 -118.9 -122.0 31.0 -5.0

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。

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。

(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,同时影响大气的温 度

(3)臭氧(ozone, O3 )

生消原因:
O2───→ O+O
O+O2 ───→ O3 O3+O ───→ O2+O2

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(ozone layer) 时间变化特点: 随季节而变化,春季最大,夏季最小

臭氧的作用
能强烈地吸收太阳辐射中的紫外线 (特别是对生物有很强伤害作用的 波长小于0.29微米的紫外线)。 对人和地球上的生态系统起到了屏 障和保护作用。 对高层大气有“加热”作用,使10 至50km高度的气层温度增高。

臭氧洞(ozone hole──
一个重要的环境问题 80年代初,在南极大陆发现了臭氧含 量明显减少的大片区域,称为臭氧洞。 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+O

Cl

-

2O2

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。

地中海滨的日光浴人群(2001年4月1日摄)

地中海滨的日光浴人群(2001年4月1日摄)

(4)二氧化碳(carbon dioxide, CO2 ) 二氧化碳的作用
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 --温室效应(greenhouse effect)

大气中二氧化碳的循环
(Cycle of carbon dioxide in the atmosphere)

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CO2的生消过程

大气中二氧化碳的变化规律
CO2的日变化(diurnal variation):主要取
决于光合作用
白天午后达最低值,日出前后达最高值

CO2的年变化(annual variation) :
秋季达最低值,春季达最大值

CO2的长期变化(long-term change) :
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,但现在则 高达380ppm.

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浓度的变化

大气中CO2浓度的变化

大气中CO2浓度增加对全球环境的影响
因温室效应,其浓度升高将导致全球变 暖。 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。

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

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、台(飓)风、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

全球变暖将使海平面上升
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100厘米,给许 多国家带来灾难性后果。

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。

气候变暖使海平面上升的新证据
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。

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。

每天都有大量浮冰游离南极大陆

2006年11月逼近新西兰的冰山群

2006年11月在新西兰南岛260公里之外发现的这群 冰山,数量约100座,其中最大冰山长约1800 米、宽1300米,露出海面120米,总高度约1 200米。

2006年11月逼近新西兰的冰山群

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

2.大气中的水汽(water vapour, moisture)
水汽的特点
1. 是唯一能在自然条件下发生相变

(phase transformation)的物质,因 此它是天气变化的最重要的角色。 2. 是自然界潜热(latent heat)最大的物 质。 3. 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。

水汽的生消和分布
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

3.气溶胶粒子(aerosol particle)
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(condensation nucleus),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。

4.大气污染物质(pollutant in the atmosphere)

4.大气污染物质(pollutant in the atmosphere)
大气污染物:由于人类或自然过程而产生的对生 物有害的大气成分。 污染物的种类(classification of pollutant): 烟尘 硫化物 氮化物 氧化物 卤化物 有机物 酸雨(acid rain): 大气降水的pH值明显低于正常值(5.6)的现象。

二 大气的铅直结构
(Vertical Structure of the Atmosphere)
大气在铅直方向上的物理性质有很大的变 化,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。

一. 对流层(troposphere) 二.平流层(stratosphere) 三.中间层(mesosphere) 四.热层(thermosphere) 五.散逸层(exosphere)

大气层中的温度分布和铅直分层

1.对流层(troposphere)
厚度:0—12km(低纬17—18km,高纬8—9km; 夏季高于冬季) 对流层的主要特点: ① 集中了80%以上的大气质量和几乎全部的水汽 ② 温度随高度的升高而降低,平均每100m降低 0.65℃ ③ 具有强烈的对流(convection)与乱流(turbulence) 运动 ④ 气象要素(meteorological element)的水平分布 很不均匀

对流层的分层
下层:(摩擦层、行星边界层)1— 1.5km 中层:1.5—6km 上层:6km—对流层顶 对流层顶(tropopause):对流层与平流层 的过渡,厚度为几百米—2km

2.平流层(stratosphere)
厚度从对流层顶向上,一直到55km左右为 平流层。这一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

3.中间层(mesosphere)
从平流层顶向上,到85km左右为 中间层。其主要特点有: 1. 温度随高度而迅速降低,顶部温度可 达-83—-113℃ 2. 有强烈的铅直运动,故又称为高空对 流层

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)。其主要特 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)

5.散逸层 ( exosphere)
热成层以上为外层(又称散逸层), 是大气圈与星际空间的过渡带。其主 要特点有: 1. 空气非常稀薄
2. 空气质点的运动速度很快,受到

的地球引力很小,可逃逸到星际 空间

大气上界(upper limit of the atmosphere)的确定
① 以物理现象出现的最高高度作为确定

上界的标准:“极光(polar light, aurora)”出现的最大高度为1000— 1200km,因此可确定大气上界为 1200km 左右。 ② 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。

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

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 瑞典斯德哥尔摩

极 二 光 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 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 的 极 光

一 九 九 七 年 六 月 四 日 中 山 站

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
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, 在美国和加拿大北部出现长达9个多小时的极光。

极光
相隔几天之后的7日,受CME引起的激波的影响,磁暴 再次发生,人们再次看到多彩的极光。

极光

§3 大气的主要物理性质


大气质量及其铅直分布 气体状态方程 气象要素




一.大气质量及其铅直分布
在地球表面的标准状态下,空气 密度 ?0=1.293kg/m3,均质大气的厚 度为Z0=7980m 而实际上,大气密度随高度按指 数规律减小:

? ? ?0e

z ? z0

二.大气的状态方程(equation of state)
m克质量的气体:
? 其中:?是分子量,R*=8310 (J/K· mol)为普 k 适气体常数(universal gas constant)
PV ? m R*T

单位质量的气体:

R* ? R

M R* P? ? T V ?

,即为比气体常数(specific ? M gas constant);并取 ? ? V 则方程可写为: P ? ?RT

干空气状态方程
干空气分子量 ?=28.966 干空气比气体常数 Rd= R* / ? =287 (J/kg K) 方程为: Pd= ?d Rd T

或 ?d = Pd /(Rd T)

注意,式中各量均应采用国际单位 制,气压的单位为Pa.

水汽状态方程
水汽比气体常数 Rw= 461.5 (J/kg K)

方程为:e= ?w Rw T
其中:e为水汽压 或 ?w = e / (Rw T)

注意,式中各量均应采用国际单 位制,水汽压e的单位为Pa.

三.气象要素
气象要素(meteorological elements)就
是表示大气状态的物理量和物理现象,包括日射、 气 温、空气湿度、气压、雨量等等。

天气:一地短时间内的大气物理综合状况。

气候:一地长期大气物理状况的统计特征。


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