气候与环境

第三章大气和气候第一节大气的组成和热能第二节气候的形成第三节气候及分布第一节大气概述1.大气组成2.大气范围及分层3.大气热能1、大气的组成•干洁空气；•水汽；•固体杂质和液体微粒；干洁空气•N和O•CO2,，集中分布在20km高度以下，能强烈吸收地表长波辐射，使得地表辐射不易散失到大气中，它可能改表大气热平衡，导致地面和低层大气平均温度上升，引起严重的气候问题•O3，分布在10～40km高度处，具有强烈吸收太阳紫外辐射能力，南极出现臭氧层空洞水汽•是成云致雨的必要条件•主要来源于水面蒸发和植物蒸腾，特别是海洋蒸发。•是一种可变气体，含量水时间、地点、大气环流和海陆分布密切相关。•主要集中在距地面3km范围内，8～10km以上，水汽就非常少了。•唯一能发生相变的大气成分，能强烈吸收和放出长波辐射，固、液体杂质•也可称为气溶胶粒子，是成云致雨的必要条件（凝结核）•多集中分布在低层大气中•浓度一般是陆地大于海洋，城市大于农村，夜间多余白天，冬季多于夏季•吸收部分太阳辐射并散射辐射，改变大气透明度2、大气范围与分层•按大气成分随高度分布特征，可分为均匀层和非均匀层。•均匀层是指从地面到约85km的大气层，因其大气各成分所占的体积百分比保持不变。均匀层的平均分子量为28.966克／摩尔，为一常数。•非均匀层为85km以上的大气区域，不同大气成分所占的体积百分比随高度而变，平均分子量不再是常数。•对流层:11KM厚,3/4质量,0.65/100减温,云雨.•平流层:55KM下,臭氧层,水平运动.•中间层:85KM下,气温递减,顶部白天电离层.•暖层:800KM下,气温递增,高度电离.•散逸层:800KM上,气温递增,大气散逸.按热状态特征大气上界•在理论上，当气压为零或接近于零的高度为大气的顶层，但这种高度不可能出现，因此，地球大气圈的顶部并没有截然界限•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，曾把极光出现的最大高度（1200km）定为大气上界•物理学家和化学家认为是3000km，超过这个高度大气离心力大于重力，大气密度接近于星际气体密度•大气受热•气温3、大气热能太阳辐射•太阳辐射波长主要是波长在0.4～0.76um的可见光，约占总能量的50%，波长大于0.76um的红外辐射，约占43%，小于0.4um的紫外辐射7%•太阳辐射为短波辐射•由于大气的吸收、散射、反射等作用，到达地表的太阳辐射于大气上界的太阳辐射有很大差别，地球拦截的太阳辐射能量，仅为其总能量的20亿分之一大气上界的太阳辐射及到达地表的太阳辐射能量曲线大气对太阳辐射的影响•太阳辐射的电磁波到达地面，其能量一部被大气所吸收，一部分被大气所散射，还有一部分被云层所反射。因此，太阳辐射穿过大气到达地面时，它的能量被衰减了。•吸收作用主要削弱紫外和红外部分，对可见光影响较小•大气散射集中于太阳辐射能量较强的可见光区，大气对太阳辐射的散射是太阳辐射能量衰减的主要原因之一•云层有强烈的反射作用•大气的影响不是在太阳辐射的所有波段都会发生**主要大气窗口•太阳辐射直接吸收；•地面辐射吸收；•潜热输送；•感热输送；•地－气系统辐射平衡；大气的受热过程•大气吸收太阳辐射能量的物质是臭氧、水汽和液态水•平流层以上主要是臭氧和氧气对紫外线的吸收，平流层至地面主要是水汽对红外辐射的吸收•整层大气对太阳辐射的吸收带大部分位于太阳辐射波谱两端的低能区，仅占18％•对于大气对流层而言，太阳辐射不是主要的直接热源太阳辐射•地表吸收了到达大气上界太阳辐射能量的50%，然后以大于3um的长波（红外）向外辐射，这种再辐射能量的75%~95%被大气吸收•地面是大气的第二热源，如果没有这项能量，近地面气温降降低40度，绝大多数生命不能存在•水汽凝结成雨滴或雪时，放出潜热给空气；雨滴和雪降到地面不久被蒸发，也释放能量•全球表面年平均潜热输送能量占辐射能量平生的84%，因此地－气间的能量主要通过潜热输送完成•陆面、水面温度与低层大气温度并不相等，因而出现能量输送•占全球辐射平衡的16%•大气获得能量后依据本身温度向外辐射部分能量，一部分到宇宙空加，一部分向下投向地面，后者为大气逆辐射，这可使得地面得以保持一定的温度（温室效应），如果没有大气逆辐射，地面平均温度将是-18度地面辐射和大气辐射地－气系统辐射平衡辐射平衡决定物体的升温于降温，辐射平衡为0时，物体温度不变地－气系统的辐射平衡就是其辐射净收入净收入＝地面吸收的太阳辐射＋整层大气吸收的太阳辐射－大气上界向空间放射的长波辐射大气湿度•水气压：大气中水汽所产生的那部分压力，用百帕表示0010zm1/5000zzzeeee为高度为（）处的水汽压，为地面水汽压为水汽压随高度变化的差数，•饱和水气压：饱和空气的水气压•绝对湿度：单位容积空气随含的水汽质量，通常以g/cm3表示，不能直接测量，可以通过水汽压间接计算3289(/)eagcmTeTK为水汽压（mm），为绝对温度表示的气温•相对湿度：大气中实际的水汽压e于饱和水汽压E之比100%efE•露点温度：湿空气等压降温达到饱和的温度第四节气候的形成•气候概念•气候形成•气候类型与气候带•气候变化1.气候概念•气候：地区多年间大气的一般状态。它既反映平均情况，也反映极端情况，是多年间各种天气过程的综合表现。具有相对稳定的天气循环模式。•气候最主要评价指标——水、热条件。•气候：长过程（最短年限30年）、相对稳定，时(四季、二十四节气、七十二候)空（低纬、高纬、陆地、海洋、高山、盆地）大尺度；•天气：短过程（时、日）、变动、时空小尺度；(阴晴、风雨、冷暖、气旋)2.气候形成•气候是由太阳辐射、下垫面性质、水气环流和人类活动等因子长期相互作用形成的。此外，由于火山喷发和人类活动等使大气中的气溶胶和二氧化碳含量逐渐增加，不断影响着大气的辐射过程,从而影响着气候。•太阳辐射——行星气候带：赤道带、热带、亚热带、温带、亚寒带、寒带、极地带(p108)•大气环流——大气环流：行星风系、海洋环流：暖流、冷流、上升流、下沉流•地理背景——下垫面海陆分布——海洋型、大陆型地形——湿润的高山、干旱的盆地；一山有四季，十里不同天太阳辐射•太阳辐射是气候系统的能源，大气物理过程与大气物理现象的基本动力。太阳天文辐射影响•日地距离•太阳距离•日照时间大气环流•定义：指大范围内具有一定稳定性的各种气流运行的综合现象。是地表太阳辐射能量分布不均引起的，是热量和水分的转移者。•对热量的输送：低纬度输送到高纬度；海陆间传输•对水分循环的影响•与海温异常：厄尔尼诺大气环流•调整了全球地－气系统的热量和水分的分布：①热量、②水分•将35°以南中、低纬盈余热量送至中高纬，不但减小了中高纬的热量亏损，同时与全球气温、气压、风带的纬向地带性变化结合，形成从赤道向极地以纬度热量变化为主的基本气候带分布规律。正常厄尔尼诺下垫面因素是各地气候特征形成的基本因子之一。海陆的热力差异使部分沿海地区为海洋性气候而内陆为大陆性气候下垫面因素：海陆、植被、土地利用海洋既是巨大热能储存器，又是温度调节器。据统计：1cm3海水降温1℃，可使3000cm3空气增温1℃。其巨大能量形成海上有较多云量和降水，大陆云量少降水少现象。与同纬度大陆相比——具有冬暖夏凉，十分湿润的海洋性气候特征，大陆则相反（冬冷夏热，干旱、半干旱、半湿润大陆性气候海上空气湿度大、大陆空气湿度小下垫面因子还包括：反（射）照率、洋流、地形、植被、大型水库与湖泊、冰雪以及城市建筑与大气污染源等。许多因素均能对气温形成产生重要的影响。中国的重庆因受地形影响，每年有33.8天左右日最高气温超过35℃，极端最高达44℃，分别比南京多17天和高出1℃以上气候系统气候系统：包括大气、海洋、冰、陆地和生物量，并附有气候与气候变化的物理过程实例(据J.A.Eddlyetal.,1986)气候带（气候）与环境