3-自然地理学-大气圈与气候系统

教学目的和要求1.掌握大气的组成，特性2.了解大气水分和降水3.掌握大气的运动规律4.了解主要的天气系统5.掌握气候形成和变化的规律6.理解未来气候变化趋势第三章大气圈与气候系统本章的基本概念大气：指围绕着地球的厚层气体。大气圈：指大气所形成的连续圈层。大气过程：指大气圈中存在的各种物理过程，如辐射过程、增温冷却过程、蒸发凝结过程等。气象（天气现象）：指由大气过程所形成的风、云、雨、雪、雾、露、霜、冰等千变万化的物理现象。第三章大气圈与气候系统本章的基本概念第三章大气圈与气候系统天气：某地区短时间内大气过程和现象的综合。即短时间内风、云、降水、温度和气压等气象要素连续变化的综合现象。其特点是多变。气候：指某地区多年间常见的和特有的大气过程和现象的综合。一、大气的成分第三章大气圈与气候系统第一节大气的组成和热能距地表85km以下大气定常成分氮、氧、氩、惰性气体可变成分水汽、二氧化碳、硫氧化物等一、大气的成分第三章大气圈与气候系统第一节大气的组成和热能大气干洁空气水汽固体杂质液体颗粒（悬浮颗粒）一、大气的成分（一）干洁空气（干空气）：通常把除水汽、液体和固体杂质外的整个混合气体称为干洁空气，简称干空气。①主要成分：N2、O2、Ar，占干空气容积的99.97％、占干空气质量的99.95％；②次要成分：CO2、O3、CO、CH4、H2S、SOx等等。★85km以下大气运动和分子扩散使空气充分混合，干空气成分比例维持常定，可以将干空气作为单一气体处理，分子质量为28.964第三章大气圈与气候系统第一节大气的组成和热能一、大气的成分（一）干洁空气（干空气）：干空气中，以氮、氧、二氧化碳、臭氧最重要。氮含量：大气体积的78%性质：化学性质不活泼，不能直接被植物吸收，需要通过豆科植物固氮菌固定在土壤中影响：对太阳辐射的远紫外线具有选择性吸收第三章大气圈与气候系统第一节大气的组成和热能一、大气的成分（一）干洁空气（干空气）：氧含量：大气质量的23%，大气体积的21%性质：化学性质活泼，有游离氧、原子氧、臭氧、化合物氧等形式影响：生命存在的必要条件第三章大气圈与气候系统第一节大气的组成和热能一、大气的成分（一）干洁空气（干空气）：二氧化碳含量：大气体积的0.03%来源：有机物燃烧、腐烂、生物呼吸影响：大气保温作用（吸收地面长波辐射）、温室效应第三章大气圈与气候系统第一节大气的组成和热能一、大气的成分第三章大气圈与气候系统第一节大气的组成和热能一、大气的成分第三章大气圈与气候系统第一节大气的组成和热能一、大气的成分（一）干洁空气（干空气）：臭氧分布：10-40km高空，极大值20-25km（臭氧层）影响：强烈吸收太阳紫外线臭氧层空洞：制冷剂（氟氯烃）大量使用第三章大气圈与气候系统第一节大气的组成和热能一、大气的成分（二）水汽：含量：占地球总水量的0.001%，相当于24mm的水层。随时间、地点而变，与大气运动、海陆分布有关来源：水面蒸发（海洋蒸发尤甚）、植物蒸腾。分布：3km高度以内，随高度的增大，水汽含量减少更新周期：11d性质：大气中唯一可以发生相变的大气组分影响：吸收、放出长波辐射；相变过程中释放和吸收热量；是天气变化的重要因子第三章大气圈与气候系统第一节大气的组成和热能一、大气的成分（三）固体杂质、液体颗粒（气溶胶）组成：大气中悬浮着的各种固体杂质和液体微粒（如大气尘埃、小冰晶）分布：集中分布于大气层底部来源：自然源（火山灰、宇宙尘埃、陨石灰烬、植物花粉孢子、岩石风化后的粉尘、森林着火后的灰烬等）人工源（人类活动和工业生产中排放的烟、粉尘等）影响：吸收太阳辐射，改变大气透明度；成云致雨必要条件第三章大气圈与气候系统第一节大气的组成和热能第三章大气圈与气候系统第一节大气的组成和热能第三章大气圈与气候系统第一节大气的组成和热能二、大气的结构（一）大气质量1.大气上界理论上是气压为0或接近0的高度气象学家认为，只要发生在最大高度上的某种现象与地面气候有关，便可定义这个高度为大气上界。过去曾把极光出现的最大高度（1200km）定为大气上界。高层大气物理学中常把大气上界定在3000km左右。第三章大气圈与气候系统第一节大气的组成和热能二、大气的结构（一）大气质量2.大气质量理论上大气质量：假定大气是均质的，大气高度为8000m，整个大气柱的质量为其中ρ0为T=0℃，P=1013.25hPa时的大气密度。则整个地球大气的质量为5.14×108kg第三章大气圈与气候系统第一节大气的组成和热能352001.225108101013.3/mHgcm二、大气的结构第三章大气圈与气候系统第一节大气的组成和热能36km二、大气的结构（二）大气压力1.气压定义：从观测高度到大气上界单位面积（1cm2）上垂直空气柱的重量为大气压强，简称气压单位：毫米汞柱和帕斯卡（Pa）（国际单位），气象学采用百帕（hPa）为单位，1hPa＝10-2N／cm2测量方法：水银气压表、空盒气压计第三章大气圈与气候系统第一节大气的组成和热能二、大气的结构（二）大气压力第三章大气圈与气候系统第一节大气的组成和热能二、大气的结构（二）大气压力1.气压标准大气压：温度为0℃，纬度为45°的海平面气压为1013.25hPa，称为一个标准大气压变化：地面气压在980—1040hPa之间变化，平均为1013hPa周期性变化（日变化、年变化）与非周期性变化第三章大气圈与气候系统第一节大气的组成和热能二、大气的结构（二）大气压力1.气压水平分布：第三章大气圈与气候系统第一节大气的组成和热能二、大气的结构（二）大气压力1.气压气压场与气压系统：等压线：某一水平面上气压相等各点的连线等压面：空间气压相等各点组成的面，是一个起伏不平的曲面气压场：气压的空间分布第三章大气圈与气候系统第一节大气的组成和热能二、大气的结构（二）大气压力1.气压气压场与气压系统：低气压：简称低压，其等压线闭合，中心气压低，等压面向下凹陷如盆地，空气向中心辐合，气流上升高气压：简称高压，其等压线闭合，中心气压高，等压面向上凸出如山丘，空气向四周辐散，气流下沉第三章大气圈与气候系统第一节大气的组成和热能二、大气的结构第三章大气圈与气候系统第一节大气的组成和热能二、大气的结构（二）大气压力1.气压气压场与气压系统：低压槽：简称槽，由低压向外延伸出来的狭长区域，或一组未闭合的等压线向气压较高一方突出的部分。在槽内各等压线弯曲最大处的连线，称为槽线。槽附近空间等压面形如山谷，空气向槽内辐合上升第三章大气圈与气候系统第一节大气的组成和热能二、大气的结构（二）大气压力1.气压气压场与气压系统：高压脊：简称脊，由高压向外延伸出来的狭长区域，或一组未闭合的等压线向气压较低一方突出的部分。在脊中各等压线弯曲最大处的连线，称为脊线。脊线附近空间等压面形如山脊，空气向外辐散第三章大气圈与气候系统第一节大气的组成和热能二、大气的结构（二）大气压力1.气压气压场与气压系统：鞍（鞍型气压区）：两个高压与两个低压相对应的中间区域，其附近空间等压面形状似马鞍第三章大气圈与气候系统第一节大气的组成和热能二、大气的结构第三章大气圈与气候系统第一节大气的组成和热能二、大气的结构（二）大气压力2.气压的垂直分布规律：气压大小取决于所在水平面上的大气质量，随着高度的上升，大气柱质量减少，所以气压随高度升高而降低近地面层每上升10m，气压减少1hPa；随着高度的升高，递减率也随之减小第三章大气圈与气候系统第一节大气的组成和热能二、大气的结构（二）大气压力2.气压的垂直分布气压随高度的实际变化与气温和气压条件的关系（1）气压相同条件下，气柱温度越高单位气压高度差越小，气压梯度越小，暖区气压垂直梯度比冷区小（2）气温相同条件下，气压越高单位气压高度差越小，气压垂直梯度越大第三章大气圈与气候系统第一节大气的组成和热能气压垂直梯度二、大气的结构第三章大气圈与气候系统第一节大气的组成和热能二、大气的结构（二）大气压力2.气压的垂直分布第三章大气圈与气候系统第一节大气的组成和热能二、大气的结构（二）大气压力2.气压的垂直分布理想大气中高度与气压的关系常用百帕表示海拔高度1000hPa–海平面；500hPa–5500m；300hPa–9000m第三章大气圈与气候系统第一节大气的组成和热能二、大气的结构（二）大气压力2.气压的垂直分布第三章大气圈与气候系统第一节大气的组成和热能二、大气的结构（三）大气分层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5层：1、对流层：大气的最低层，自地面到8—18km，平均11km特点：气温随高度的升高而降低；剧烈的垂直对流运动；天气变化显著；对人类和地球生物影响最大第三章大气圈与气候系统第一节大气的组成和热能二、大气的结构（三）大气分层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5层：2、平流层：从对流层顶到55km高度为平流层特点：气流以水平运动为主，气温随高度的升高不变或微升，大气透明度良好第三章大气圈与气候系统第一节大气的组成和热能二、大气的结构（三）大气分层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5层：3、中间层：从平流层顶到85km高度为中间层特点：温度随高度升高迅速降低（因为没有臭氧吸收太阳紫外辐射，而氮、氧能吸收的太阳短波辐射又大部分被上层的大气吸收了）；存在强烈的垂直对流，所以该层又称为高空对流层第三章大气圈与气候系统第一节大气的组成和热能二、大气的结构（三）大气分层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5层：4、暖层：从中间层顶到800km高空为暖层特点：空气稀薄；温度因大气强烈吸收太阳紫外辐射而随高度上升迅速升高；高度电离；常常出现极光第三章大气圈与气候系统第一节大气的组成和热能二、大气的结构（三）大气分层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5层：5、散逸层（外层）：800—约3000km的大气层特点：空气极其稀薄；气温很高，而且随高度升高；地球引力小，高速运动的分子可逃逸至宇宙空间第三章大气圈与气候系统第一节大气的组成和热能二、大气的结构第三章大气圈与气候系统第一节大气的组成和热能二、大气的结构（四）标准大气定义：人们根据高空探测数据和理论，规定了一种特性随高度平均分布的大气模式，称为“标准大气”或“参考大气”特性：空气是干燥的（假定）；在86km以下是均匀混合物，平均摩尔质量为28.964kg/kmol；处于静力学平衡和水平成层分布第三章大气圈与气候系统第一节大气的组成和热能三、大气的热能第三章大气圈与气候系统第一节大气的组成和热能三、大气的热能★地球大气系统的能源主要是太阳辐射。（一）太阳辐射◆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。特点：太阳表面温度约6000K，其辐射能绝大部分集中在波长0.15—4.0㎛之间，因而称为短波辐射（对流层大气和地面温度为250—300K，辐射波长主要在3—120㎛之间，为长波辐射）。◆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。1、大气上界的太阳辐射◆太阳常数（S0）：在日地平均距离上，大气顶界垂直于太阳光线的单位面积上每分钟接受的太阳辐射，称为太阳常数，即1367W／m2。◆到达大气上界的太阳辐射取决于：太阳高度——太阳辐射强度与太阳高度的正弦成正比（朗伯定律）；日地距离——水平面上的太阳辐射强度与日地距离的平方成反比；年变化约7％；可照时数——太阳辐射强度与可照时数成正比，夏强冬弱。2、太阳辐射在大气中的减弱过程◆大气的吸收：能吸收太阳辐射的物质包括臭氧、氧、水汽、二氧化碳、云、雨滴、气溶胶粒子等，它们选择性吸收太阳辐射（太阳光谱的两端）。◆大气的散射和反射：空气质点小，选择散射短波辐射；而水滴、尘埃等质点大，散射无选择性，称为漫射。散射波长集中于可见光波段。云层、气溶胶粒子等有较强的反射作用，如云层平均反射率达50—55％。上述三种方式中，反射作