环境地学-赵烨-第3章

3-大气圈子系统13大气圈子系统——目录3.1大气圈的物质组成与结构3.2大气圈子系统中的能量3.3大气运动3.4天气与气候3.5人类活动对大气圈的影响3.6思考题与个案分析3-大气圈子系统23.1大气圈的物质组成与结构3.1.1大气圈的组成大气圈是指连续包围地球外围的空气层。大气圈的总质量约为5.31015t，其中98.2％的空气集中在30km以下的近地层。大气是由多种气体及悬浮其中的液态和固态杂质所组成的混合物。3-大气圈子系统3请同学们思考：地球的干洁空气组成较为稳定的原因。3-大气圈子系统43.1.2气象要素大气物理要素或者气象要素不仅是阐述区域大气环境特征的重要指标，也是影响大气污染程度和污染物迁移转化的重要因素。其主要包括：①气温，②气压，③湿度，④降水量，⑤风，⑥云量，⑦大气能见度。3-大气圈子系统53.1.3大气圈的层结依据大气温度、成分、电荷和大气垂直运动状况的垂直差异性，可以将整个大气圈划分为对流层、平流层、中间层、热层和逸散层五个层次。3-大气圈子系统6/℃/hPa高度/m图3-1大气圈的垂直分层结构示意图（据M.J.Pidwirny，2002年资料）3-大气圈子系统73.2大气圈子系统中的能量3.2.1太阳辐射能自然界中的一切物体都以电磁波的方式向四周放射能量，这种传播能量的方式称为辐射，通过辐射传播的能量称为辐射能。辐射是能量传播方式之一，也是太阳能传输到地球的唯一途径。3-大气圈子系统8基尔霍夫(Kirchhoff)定律斯蒂芬(Stefan)玻尔兹曼(Boltzmann)定律维恩(Wien)定律图3-2经过大气圈到达地表的太阳辐射图解（据M.J.Pidwirny，2002年资料）3-大气圈子系统93.2.2地表辐射平衡太阳辐射通过星际空间到达地球，实际上大气层顶单位面积的表面所接受到的太阳辐射能并不均等于太阳常数，而是随时间和空间不同而变化，其变化受日地距离、太阳高度角和日照时间三个因素所制约。3-大气圈子系统10到达地面的太阳辐射包括：一是太阳以平行光线的形式直接投射到地面上的辐射即太阳直接辐射；二是太阳辐射经过大气层的散射后自天空投射到地面的辐射即散射辐射。地球是个球体，正午太阳光线的高度角因纬度而不同，地球表面不同纬度地区接受的太阳辐射能是不同的。3-大气圈子系统11图3-3到达地表的太阳辐射差异图解3-大气圈子系统12图3-4不同纬度地带日接受太阳辐射的时间差异1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月白昼长度/h3-大气圈子系统13地面和大气既吸收太阳辐射，又依据本身温度向外辐射。由于地面和大气温度比太阳低得多，因而地面和大气辐射的电磁波长比太阳辐射波长得多，其能量集中在3～120m的红外波段。故习惯上称太阳辐射为短波辐射，地面和大气辐射为长波辐射。3-大气圈子系统14太阳辐射的分布规律尽管受到其他因素的干扰，从全球范围来看，热量分布总趋势仍然与纬度大致平行，由低纬向高纬呈带状排列，形成地球上的热量带。热量带的划分有着不同的标准。3-大气圈子系统15图3-5地表年接受的太阳辐射量（据M.J.Pidwirny，2002年资料）W/m23-大气圈子系统163.2.3气温场气温是大气热力状况的数量度量，气温的变化特点通常使用平均温度和极端值——绝对最高温度、绝对最低温度来表示，地理位置、地形、海拔、气团、季节、时间以及地面性质都是影响地表气温场及其变化的因素。3-大气圈子系统17气温的时间变化主要包括日变化和年变化，其原因主要是地球自转与公转所致。一天之内气温的最高值与最低值之差，称为气温日较差；一年中月平均气温的最高值与最低值之差，称为气温年较差。它们均与地理纬度、地表性质、地形等因素有关。3-大气圈子系统18地表气温水平分布与地理纬度、海陆分布、地形、大气环流、洋流等因素有密切关系。全球气温水平分布的特点：第一，全球等温线的总趋势大致与纬度平行；第二，北半球1月份等温线密集，7月份稀疏；第三，夏季海面气温低于陆面，冬季相反；第四，墨西哥湾洋流使大西洋上等温线呈NE-SW向；第五，7月份最热区不在赤道，而在撒哈拉沙漠和阿拉伯沙漠。3-大气圈子系统19图3-61月份全球气温分布图（据M.J.Pidwirny，2002年资料）3-大气圈子系统20图3-77月份全球气温分布图（据M.J.Pidwirny，2002年资料）3-大气圈子系统21图3-8中国多年平均气温分布图（中国西部地区生态环境现状遥感调查图集，国家环境保护总局，科学出版社，2002年）3-大气圈子系统223.2.4气压场单位面积地表所承受大气柱的重量是气压产生的原因。随着海拔的上升，大气柱的重量减少，气压也随高度升高而降低。在气压相同的条件下，气柱温度愈高，单位气压高度差愈大，气压垂直梯度愈小；在相同气温下，气压愈高，单位气压高度差愈小，气压垂直梯度愈大。3-大气圈子系统23图3-9气压随高度变化曲线示意图（据M.J.Pidwirny，2002年资料）海拔/m气压/hPa3-大气圈子系统24一般情况下气压场基本形式有如下几种：低气压(简称低压)高气压(简称高压)低压槽和高压脊鞍形气压区3-大气圈子系统25图3-10高气压(简称高压)图解（气压/hPa）（据M.JPidwirny，2002年资料）快速气流慢速气流3-大气圈子系统26图3-11高压脊图解3-大气圈子系统27图3-12低压槽图解1015hPa1010hPa1005hPa1000hPa1000hPa1005hPa1010hPa1015hPa3-大气圈子系统28图3-13鞍部图解（气压/hPa）3-大气圈子系统293.3大气运动3.3.1大气运动的驱动力气压梯度力：因气压在空间分布不均，便产生一个从高压指向低压的力，这是气压梯度力；科里奥利力：地球自转的角速度分为垂直和水平两个方向的分量，水平方向分量对地球上任何做水平运动的物体产生一个与其运动方向相垂直的作用力；摩擦力。3-大气圈子系统30图3-14气压梯度力的图解3-大气圈子系统31图3-15高空大气层中科里奥利力的图解（据M.J.Pidwirny，2002年资料）500hPa504hPa508hPa512hPa低气压区高气压区地转风3-大气圈子系统32图3-161月份全球海平面气压及其风向图解（据M.J.Pidwirny，2002年资料）3-大气圈子系统33图3-177月份全球海平面气压及其风向图解（据MichaelJ.Pidwirny，2002年资料）3-大气圈子系统343.3.1大气水平运动和垂直运动空气在水平方向的流动称为风，气压水平分布不均是风的起因。风力对区域大气污染具有重要的冲淡-传输作用。根据风速大小常将风力划分为12级。3-大气圈子系统353-大气圈子系统363.3.2大气环流大气环流是指大范围的大气运动状态，其水平范围可达大陆尺度甚至半球尺度、垂直尺度可在10km以上、其持续时间在1～2日以上。①行星风系，赤道低压带(L)、副热带高压带(H)、副极地低压带(L)和极地高压带(H)，同时还形成了三个风带，即信风带、盛行西风带和极地东风带。3-大气圈子系统37图3-19全球大气环流示意图（据M.J.Pidwirny，2002年资料）3-大气圈子系统38②季风，是指大范围的具有显著季节性变化的盛行风。行星风系以地表结构均一为条件，但实际上地表并不均匀，首先有海洋和大陆的分异。亚洲东部的季风环流最为典型。东亚季风对中国、朝鲜、韩国、日本等地区的天气、气候及大气环境质量具有很大影响。3-大气圈子系统39图3-20东南亚季风示意图（据MJ.Pidwirny，2002年资料）夏季风冬季风3-大气圈子系统40③局地环流，由于局部环境影响，如地形起伏、地表受热不均等引起的小范围气流，称局地环流，如水陆风、山谷风、焚风、龙卷风等局地环流虽然不能改变大范围气流的总趋势，但对小范围的气候和区域大气质量却有很大的影响。3-大气圈子系统41图3-21局地热力环流示意图（据M.J.Pidwirny，2002年资料）3-大气圈子系统42图3-22水陆风示意图（据M.J.Pidwirny，2002年资料）3-大气圈子系统43图3-23局地热力环流示意图（据M.J.Pidwirny，2002年资料）3-大气圈子系统443.3.3蒸发与凝结在大气运动的过程中常常伴随有水分的蒸发、凝结和降水等过程。液态水吸热转化为水汽的过程叫蒸发。蒸发消耗的水量称为蒸发量，以蒸发失去的水层厚度（mm）表示。蒸发量大小与所在地区的年降水量也有关系。3-大气圈子系统45水由气态放热转化为液态水的过程，称为凝结。显然，凝结是与蒸发相反的一种物理过程。水汽达到过饱和状态的途径有二：一是增加空气中的水汽含量；二是使空气温度降到露点温度或以下。常见的大气凝结物有：露与霜，雾凇和雨凇，雾和云。3-大气圈子系统463.3.4大气降水在重力作用下液态水或固态水从云中降落到地面的过程称为降水。降水虽然来自云中，但天空有云不一定都有降水。降水可划分为三个基本类型：①对流雨；②地形雨；③锋面（气旋）雨。3-大气圈子系统47降水性质包括降水量、降水时间和降水强度等方面。降水量是指降落在地面的雨和融化后的雪、雹、霰等，未经蒸发、渗透流失而积聚在水平面上的水层厚度（mm）。3-大气圈子系统48气象学上降水强度等级3-大气圈子系统49全球降水量的空间分布，受地理纬度、海陆位置、大气环流、天气系统和地形等多种因素制约。从降水量的纬度分布来看，全球可划分为四个降水带：赤道多雨带亚热带15～30少雨带中纬度多雨带高纬少雨带3-大气圈子系统50水分在环境地学研究中具有重要意义。通常用该地年可能蒸散量(PE)(即Penman可能蒸散量)与降水量(P)之比即干燥度来定量地表示某地水分状况，其计算公式如下：K=PE/P中国气候区划中就采用干燥度作为划分指标，K1.0为湿润气候大区；1.0K1.6为半湿润气候大区；1.6K3.5为半干旱气候大区；3.5K16.0为干旱气候大区；K16.0则为极端干旱气候大区。3-大气圈子系统51图3-24中国多年平均降水量分布图（中国西部地区生态环境现状遥感调查图集，国家环境保护总局，科学出版社，2002年）3-大气圈子系统52图3-25中国多年平均降水量分布图（中国西部地区生态环境现状遥感调查图集，国家环境保护总局，科学出版社，2002年）3-大气圈子系统533.4天气与气候天气和气候是两个不同概念。天气指某一地区、某一时刻、某一条件下的大气物理状况；气候是指某地区平均大气状况，是该地区多年常见和特有天气状况的综合，包含该地区经常出现正常天气情况和特殊年份出现极端天气情况。3-大气圈子系统543.4.1天气系统天气系统是指引起天气变化和分布的高压、低压、高压脊、低压槽等具有典型特征的大气运动系统。气团锋面气旋和反气旋副热带高压3-大气圈子系统55图3-26冷锋结构示意图（据M.J.Pidwirny，2002年资料）冷锋移动方向冷锋的地图符号冷锋前缘退缩的暖空气暖湿被冷锋抬升所形成的云系冷锋后面向前推进的寒冷气流3-大气圈子系统56图3-27暖锋结构示意图（据M.J.Pidwirny，2002年资料）3-大气圈子系统573.4.2气候系统气候系统是决定气候的形成、分布和变化的自然系统。完整的气候系统由5个组成要素，即：大气圈水圈冰雪圈生物圈陆地表面3-大气圈子系统58气侯要素随纬度呈有规律的分布，全球气候也相应地形成纬向分布的气候带。苏联学者Б.П.阿里索夫，依据气团地理类型及活动范围，从气候发生上划出如下的气候带：①赤道气候带，②赤道季风气候带，③热带气候带，④副热带气候带，⑤温带气候带，⑥副极地气候带，⑦北(南)极气候带。3-大气圈子系统59图3-28中国气候地带分布图（据全国农业区划委员会，中国农业资源与区划要览，测绘出版社，1987年资料）3-大气圈子系统60气候分类方法有多种，在地理学和环境科学界常用柯本气候分类方法，它是以气温和降水量这两个气候要素为基础，并参考自然植被