实用气象学讲义二课件

1、,第二章 气象学的基础知识,第一节 人类生存的大气环境,大气圈以及和它相关的水圈、岩石圈、生物圈是人类赖以生存的主要环境。大气圈是自然环境的重要组成部分。大气对地球表面的许多自然现象都发生着重大的影响。大气对生物界和人类的影响更为深刻，地球上一切生物的生命活动都离不开大气。可以说，地球上没有大气，就没有生物界，没有人类。,一、大气圈的演化及其对地球生命与气候形成的作用 （一）大气圈的形成与演化,大约42亿46亿年前，地球在形成初期是没有大气的。 随着地球的形成和演化，地球大气圈也开始了从无到有、由形成原始大气到演变为现代大气环境的漫长历程。 最初，地球是被H2、He所包围，其中还含有少量N2、H2O和CO2。由于刚形成的原始地球质量小，地心引力也小，不可能形成大气圈层， H2形成后随即逸散。 随着地球质量的增加和引力的增大，通过火山活动由地球内部释放出的H2等一些气体因引力作用而不能向太空逸散，它们围绕着地球并逐渐形成了原始的大气圈层。,原始大气以H2、CO、CO2、NH3、CH4和水汽为主要成分，与目前土星、木星上的大气成分类似。 在漫长的演化过程中，地球大气逐渐变成以CO、CO2、

2、H2O、CH4为主的次生大气，与当前金星、火星上的大气成分相似。 直到现代，地球大气才主要由N2和O2组成。,（1）二氧化碳和氮增加阶段 在原始大气末期，CO2和N2的增加与游离氧的增加密切相关。那时大气中的游离氧含量极少。它最初是由光分解生成的，即由紫外辐射将水蒸气分解成H2和O2而成。这些游离氧一方面与CO结合成CO2；另一方面，又夺取CH4中的H2使C分裂出来，C再与O2结合成CO2。同时，游离氧还可夺取NH3中的N2，使N2分离出来。从而使得在原始大气中， CO2 和N2的含量不断增加。,（2）原始大气转变为二氧化碳大气阶段 地质研究表明，远在20多亿年前，藻类制造有机物时释放出了大量的O2。随着生物不断进化，海水中的O2也逐渐增多。到距今10亿19亿年期间，由于一部分O2散逸到大气中而使其浓度大增。它们与大气中的CO和CH4进行氧化反应，产生大量CO2，从而使原始大气转变为CO2、CO、H2O、CH4为主的次生大气。,（3）大气中的二氧化碳逐渐稀释阶段 由于地球大气中的CO和CH4的减少，使其被氧化而产生的CO2的数量也日益减少。随着生物的发展，光合作用所消耗的CO2日益增多

3、。同时，大气与岩石进行化学作用的过程也消耗了许多CO2，最终导致大气中的CO2的逐渐稀释。,（4）次生大气中游离氧增多阶段 大气中CO和CH4的减少以及随着生物光合作用增多，使得O2的含量逐渐增加。据推算，距今30亿年前、20亿年前和10亿年前，大气中的O2含量只分别相当于现代大气中O2水平的0.1%、1%和10%。然而到石炭纪时，O2的含量曾经比现代的含量还高。此后又几经变化、反复，才逐渐演变到现代大气的水平。,（二）大气演化对地球生命与气候形成的作用,1、大气的演化使地球上出现了生命,生命的基本要素,单细胞有机体,水生生命,陆生生命,地球大气中适度的O2含量是生物机体生长发育不可或缺的基本条件，一定量的CO2是植物进行光合作用、制造有机质的主要物质保证，而光、热、水、风等气候资源则为各种动植物的繁衍生息提供了必要的环境。,由于各种能量（如UV射线、射线、射线、雷电、热能等）的作用，一些元素及小分子化合物（如CH4、CO2、N2、NH3、H2O等）逐渐合成了氨基酸、核苷酸、蛋白质等。正是有了这些有机化合物，才形成了生命的基本要素。,在距今约38亿年以前，单细胞有机体处于其演化历程中关

4、键的第一阶段时，要求一个无O2的环境（即还原性大气）。,地质学研究表明，在距今20亿30亿年以前，植物生命的原始形态已经发展到开始通过光合作用释放出极少量的O2，渐渐使大气环境由还原性向氧化性转化。 早期生命形式是在水环境中发展起来的。这种环境位于液面以下，它既可以避开致命的太阳紫外辐射，又接近液面以便接受可见光辐射，进行光合作用。,当大气中的O2和游离氧逐渐增加并导致高层大气中臭氧层的形成后，太阳辐射光谱中的一部分紫外辐射被“过滤”掉而不能到达地表。紫外辐射强度减弱到使得在水环境中生存的植物能慢慢移向水面时，植物便增加了接受可见光辐射、进行光合作用的机会。,因此，大气中O2的含量增加地表紫外辐射减少水中植物接受的可见光辐射增加植物日益丰富O2的产生加速。 随着这种循环放大过程的进行，植物便缓慢地由水下移向水面。直到大约距今4亿前，生命得以出现在陆地上，生物才开始了由水生到陆生的飞跃。,地 质 年 代 与 生 物 发 展 阶 段 对 照 表,2、漫长的大气演化进程伴随着气候的形成及变化,在漫长的地质年代中，地球气候不断地呈波浪式地向前发展，冷、暖、干、湿交替出现。 自震旦纪以来6亿多年

5、气候变化的总趋势中，占主导地位的温暖气候约占整个气候史的90%。其余10%时间经历了三次大冰期：第一次大冰期发生在6亿年前；第二次大冰期出现在距今约2亿3亿年前；第三次是始于250万年前的第四纪大冰期。 与大冰期相间的是两次气候转暖的大间冰期：第一次大间冰期距今约3亿6亿年前；第二次大间冰期距今约百余万至2亿年前。 即使在大冰期内，也有亚冰期和亚间冰期之分。如第三次大冰期内就有四次亚冰期和三次亚间冰期。迄今为止，气候的冷、暖、干、湿交替变迁仍然一直在进行着。,（一）地质时期的气候变化 1震旦纪大冰期气候 发生在距今约6亿年前。 2石炭二迭纪大冰期 距今23亿年。 3第四纪大冰期气候 从距今200万前开始直到现在。,寒武纪-石炭纪大间冰期，3-6亿年,三迭纪-第三纪大间冰期，2亿-200万年,现代大气的总质量为5.31018，约占地球总质量的百万分之一。在标准状态下，其海平面平均气压为1013.3hPa，气温为288.15K，密度为0.225/m3。,二、大气圈的组成和结构与自然现象和人类活动,一、大气的组成 大气是由多种气体混合组成的气体及浮悬其中的液态和固态杂质所组成。表11列举了其

6、气体成分，其中氮（N2）氧（O2）和氩（Ar）三者合占大气总体积的99.96 。其它气体含量甚微。这些气体又被成为稀有气体或痕量气体（Trace gases) 除水汽外，这些气体在自然界的温度和压力下总呈气体状态。,大气的气体组成成分,低层大气（从地面到90公里）是由干洁空气、水汽和悬浮在大气中的固体杂质三部分组成的。 干洁空气是指不包含水汽、液体和固体杂质的大气。空气主要成分（除水汽臭氧和若干污染气体外）的比例基本上是不变的。因此，在90km以下可以把干洁空气当成分子量为28.97的“单一成分”来处理。,大气各组成成分存在大气中的意义: 大气中的氧是一切生命所必须的，这是因为动物和植物都要进行呼吸，都要在氧化作用中得到热能以维持生命。氧还决定着有机物质的燃烧、腐败及分解过程。植物的光合作用又向大气放出氧并吸收二氧化碳。 大气中的氮能够冲淡氧，使氧不致太浓，氧化作用不过于激烈。大量的氮可以通过豆科植物的根瘤菌固定到土壤中，成为植物体内不可缺少的养料。,大气中的水汽来自江、河、湖、海及潮湿物体表面的水分蒸发和植物的蒸腾，并借助空气的垂直交换向上输送。空气中的水汽含量有明显的时空变化，一般

7、情况是夏季多于冬季。低纬度暖水洋面和森林地区的低空水汽含量最大，按体积来说可占大气的4，而在高纬度寒冷干燥的陆面上，其含量则极少，可低于0.01。从垂直方向而言，空气中的水汽含量随高度的增加而减少。观测证明，在1.52km高度上，空气中水汽含量已减少为地面的一半；在5km高度，减少为地面的1/10；再向上含量就更少了。,大气中水汽含量虽不多，但它是天气变化中的一个重要角色。 在大气温度变化的范围内，它可以凝结或凝华为水滴或冰晶，成云致雨，落雪降雹，成为淡水的主要来源。 水的相变和水分循环不仅把大气圈、海洋、陆地和生物圈紧密地联系在一起，而且对大气运动的能量转换和变化，以及对地面和大气温度都有重要的影响。,臭氧、二氧化碳、甲烷、氮氧化物（N2O、NO2）和硫化物（SO2、H2S）等其在大气中的含量虽很少，但对大气温度分布及人类生活却有较大的影响。 臭氧的含量不多。在2030km高度这一层中，既有足够的氧分子，又有足够的氧原子，这就造成了臭氧形成的最适宜条件，故这一层又称臭氧层。在低于这一层的空气中，太阳短波紫外线大大减少，氧分子的分解也就大为减弱，所以氧原子数量减少，以致臭氧形成减少。

8、臭氧能大量吸收太阳紫外线，使臭氧层增暖，影响大气温度的垂直分布，从而对地球大气环流和气候的形成起着重要的作用。同时它还形成一个“臭氧保护层”，使得到达地表的对生物有杀伤力的短波辐射（波长小于0.3m）大大降低了强度。从而保护着地表生物和人类。,观测表明，近年来大气平流层中的臭氧有减少的现象，尤以南极为最。据研究这与在制冷工业中人为排放氟氯烃的破坏作用有关.,大气中的二氧化碳、甲烷、一氧化二氮等都是温室气体，它们对太阳辐射吸收甚少，但却能强烈地吸收地面辐射，同时又向周围空气和地面放射长波辐射。因此它们都有使空气和地面增温的效应。观测证明，近数十年来这些温室气体的含量都有与年俱增的趋势，这与人类活动关系十分密切.,CHANGES OF ATMOSPHERIC CO2,自1750 年以来, 由于人类活动的影响, 全球大气CO2 、CH4和N2O 浓度显著增加, 目前已经远远超出根据冰芯记录得到的工业化前几千年来的浓度值, 其中CO2 浓度从工业化前约280 mL m- 3 增加到2005 年的379 mL m- 3 ,CH4浓度从工业化前约715L m- 3 增加到2005 年的1 774L

9、 m- 3 , N2O 浓度从工业化前约270L m- 3增加到2005年的319L m- 3 . 自1750 年以来, 人类活动对气候的影响总体上是增暖的, 其辐射强迫+ 1. 6 Wm- 2 .,由于工业、交通运输业的发展，在废气不加以回收利用的情况下，空气中增加了许多污染气体。一氧化碳、氨、二氧化硫、硫化氢等都是污染气体。它们的含量虽微，但对人类，对气候环境都带来一定的危害。,酸雨正式的名称是为酸性沉降，它可分为“湿沉降”与“干沉降”两大类,pH值小于5.6的降水。包括雨、雪在内，其酸性成分主要是硫酸，也有硝酸和盐酸等。 酸雨主要由化石燃料燃烧产生的二氧化硫、氮氧化物等酸性气体，经过复杂的大气化学反应,被雨水吸收溶解而成。,此外，大气中还悬浮着多种固体微粒和液体微粒，统称大气气溶胶粒子。能吸收太阳辐射，又可阻挡地面的长波辐射，对大气和地面温度有一定影响；其含量多少还影响大气能见度；固体杂质还是大气中水汽凝结的必要条件。,二、大气圈结构与自然现象和人类活动 大气总质量约5.31015t，其中有50集中在离地5.5km以下的层次内，在离地361000km余的大气层只占大气总质量的1。尽管空气密度愈到高空愈小，到700800km高度处，空气分子之间的距离可达数百米远，但即使再向上，大气密度也不会减少到零的程度。,目前我们通过有两种方法推断大气层的垂直厚度： 一是着眼于大气中出现的某些物理现象。根据观测资料，在大气中极光是出现高度最高的现象，它可以出现在1200km的高度上，因此可以把大气的上界定为1200km。这种根据在大气中才有，而在星际空间没有的物理现象确定的大气上界，称为大气的物理上界。 二是着眼于大气密度，用接近于星际的气体密度的高度来估计大气的上界。按照人造卫星探测资料推算，这个上界大约在20003000km高度上。,根据大气温度、成分、电荷等物理性质在垂直方向上的差异，同时考虑到大气的垂直运动等情况，可将大气分为五层。 1.对流层 对流层是地球大气中最低的一层。云、雾、雨雪等主要大气现象都出现在此层。对流层是对人类生产、生活影响最大的一个层次，也是气象学、气候学研究的重点层次。 对流层有三个

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