平流层和中层大气物理学

平流层和中层大气物理学physicsofstratosphereandmesosphere图片：图片：图片：图片：pingliucenghezhongcengdaqiwulixue平流层和中层大气物理学(卷名：大气科学海洋科学水文科学)physicsofstratosphereandmesosphere研究平流层和中层大气的结构、成分、状态和其中发生的物理、化学过程的学科，是大气物理学的一个分支。平流层和中层指从对流层顶起至离地面约85公里的大气层，它们处于对流层之上和热层之下，主要大气组成和空气分子量同对流层大气一样，在太阳的紫外辐射作用下，有显著的光化学反应，在10～50公里间有大气臭氧层。由于氧和臭氧对太阳紫外辐射的吸收，臭氧、水汽和二氧化碳的红外辐射，构成了平流层和中层大气中的冷热源汇，产生了平流层和中层大气的温度分布和大气环流。对平流层和中层的研究有助于对大气整体的物理过程的了解。简史20世纪初，由于探测技术的进展，人们发现了平流层。1901年，法国科学家L.泰斯朗·德·博尔用气球携带自记气象仪探测高空大气，观测记录表明，在约11公里处，温度约为-55°C，在此以上大气层里气温近于不变，后来泰斯朗·德·博尔提出了大气分对流层和平流层两层的概念。1923年F.A.林德曼和G.M.B.多布森在以流星尾迹来推测高空大气密度的研究中，预料在平流层的上层为高温区。人们根据曙暮光的观测，也得到同样的推论。第一次世界大战期间，发现炮声除在炮点附近有一个可闻区外，在远方还有一个可闻区（见大气声学），由此推测，在50公里附近的高空必须有一层温度较高的大气，才能使声音折返地面，形成远方的可闻区。以上主要是用声、光现象对平流层和中层大气的特性进行间接的推测。随着观测技术的发展，高空气球可升至40多公里的高度，用它携带臭氧探空仪可测量大气的臭氧。从20世纪40年代起，气象火箭探测将高度增至30～100公里，利用安装在火箭上感应气压和温度的仪器，或用火箭在高空投掷仪器对70～80公里以下的大气进行测量，所获得的大气温度分布资料同用流星和声波推测的结果是一致的。从20世纪60年代起，开始用气象卫星遥感探测平流层和中层大气的密度、温度和湿度等。在大量观测资料的基础上，对平流层和中层大气的辐射平衡和光化学作用等方面的理论研究取得了进一步的发展，平流层和中层大气物理学也逐渐形成独立的学科。主要研究内容①平流层和中层大气的结构，如大气成分的分布（图1）、温度和风等要素随高度分布的规律，以及这些要素随纬度和季节的变化（图2、图3）；②太阳紫外辐射在平流层和中层大气中的传输、吸收和光化反应等过程;③能量平衡，包括高、低层大气环流间的相互影响和扰动的传输过程等。平流层是在对流层之上、中层之下的大气层，其范围从对流层顶向上直至离地面约50公里的高度。在这一层里，大气的铅直对流不强，多为大尺度平流运动；大气中只有少量的水汽，但包含了大气臭氧层中臭氧的主要部分，水汽和臭氧在辐射平衡中起着作用；大气中尘埃的含量很小，大气透明度很高。平流层温度的铅直分布与对流层不同（对流层温度随高度按每公里约降低6.5°C的规律分布）:从对流层顶起，有一个温度随高度不变或随高度变化很小的层次，称为同温层；在25公里以上，温度随高度迅速增加，升温率约每公里2°C，到50公里附近温度达极大值，这即为平流层顶。这个高温区是由于大气臭氧吸收太阳紫外辐射增温所致。平流层中水汽、二氧化碳和臭氧的长波辐射，虽然使大气损失热量，但是臭氧对太阳紫外辐射的吸收，和水汽对太阳红外辐射的吸收，不但能补偿此项辐射损失，而且还使大气升温。平流层最大的季节性变暖发生在夏季高纬度的极区（见极地气象学）。平流层环流有如下特点:中纬度地区在夏季时，对流层为西风，平流层为东风；冬季时，对流层和平流层都是西风。平流层环流的季节过渡，从夏到冬是缓慢的，这时平流层下部的西风由弱转强，平流层中部的偏东风变为偏西风（图3）；而从冬到夏则是突变性的，在这个季节转变中平流层有爆发性的突然增温现象，几天之内升温可达40～50°C，几次爆发性的增温导致冬季平流层绕极气旋性环流破坏（见平流层和中层大气环流）。平流层环流的季节变化，常常成为对流层环流产生变化的先兆，故有助于长期天气预报。中层是在平流层之上、热层之下的大气层，其范围从平流层顶（约50公里）到85公里左右的高度。这一层中温度随高度的增加而降低。由平流层顶往上，温度很快递减，在85公里附近下降到极小值，称为中层顶。中层大气，空气稀薄，铅直温度递减率大，有很强的湍流混合。此外，还有强烈的光化学反应，在太阳紫外辐射作用下，部分大气发生电离、激发和分解，通常观测到的气辉，就是光化学反应的结果。太阳短波辐射在中层里大量地被吸收和散射，特别是紫外辐射，由于大气吸收作用而不能到达地面（图4）。在800～2000埃光谱段中，氧分子的吸收占优势。在1000～1300埃的光谱段内，存在着几个大气窗区，这些窗区可使太阳辐射透入到80公里以下的地方。尽管在中层大气里臭氧含量很少（在50公里以上臭氧含量占大气臭氧总含量的0.3％），但是它在辐射过程中却起着重要的作用。波长大于2000埃的辐射，主要为臭氧所吸收。包括哈特莱带(2000～3200埃)、哈根斯带（3200～3600埃）和夏普伊带（4300～7500埃）。在红外波段，主要是9.6微米的臭氧吸收带、15微米的二氧化碳吸收带和水汽吸收带（见大气吸收光谱。在中层大气中，臭氧、二氧化碳和水汽的长波辐射起着辐射冷却的作用。臭氧和氧分子吸收太阳辐射起着加热的作用，总的趋势是接近辐射平衡的(温度变化很少超过每日±2°C)。中层风的日变化有平均风的非周期性变化和由大气潮汐运动引起的周期性变化两种，变化幅度随高度增加而加大。风的季节性变化为：夏季东风，冬季西风。赵柏林