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第五章 大气圈系统第一节 大气的能量基础 第二节 大气的运动 第三节 大气降水 第四节 天气系统 第五节 气候的形成及分异规律 第六节 人类活动对大气圈的影响及其 环境效应第一节 大气的能量基础 一、大气圈的物质组成与结构（一）大气圈的物质组成（二）大气圈的垂直结构 二、大气圈的辐射因素 ￿￿（一）太阳辐射（二）地面辐射和大气辐射￿￿（三）地面有效辐射和辐射平衡（四）地面热量平衡 三、大气圈的热力因素 （一）大气的增热和冷却 （二）大气温度的时空变化一、大气圈的物质组成与结构（一）大气圈的物质组成1．干洁空气 u不包含水汽和杂质的整个混合气体u主要成分是氮（N2）、氧（O2）、氩（Ar）其中，氮气和氧气约占整个大气总体积的99%以上，加上氩（Ar），三者约占99.96%u干洁空气中还含有少量的 二氧化碳、臭氧和氢、氖、 氦、氪、氙等稀有气体，含 量极少，仅占0.04%，是干 洁空气的微量成分表5-1 干洁洁空气的主要成分及含量主要气体成分空气中的含量 /按体积%平均滞留期/ 年分子量氮（N2）78.0810628.02 氧（O2）20.9510432.00氩（Ar）0.9310939.94二氧化碳（CO2 ）0.03（可变）1544.00臭氧（O3）0.000，001（可变）?48.00甲烷（CH4）0.00，000，165716.04水汽（H2O）可变10天18干洁空气中以氮、氧、二氧化碳和臭氧为最重要:⑴ 氮l主要来自地球形成过程中的火山喷发。

l大气中的氮能冲淡氧，使氧化作用不致过于激烈l氮是生命体的基础氮可以作为化肥原料被地表豆科植物的根瘤菌所吸收，固定到土壤中，被直接改造为植物易吸收的化合物⑵ 氧l氧主要来自水的离解和光化学反应，以及植物 的呼吸作用l是地表一切生命所必须的气体，被称为“有生 命的气体”⑶ 二氧化碳l主要来源于火山喷发、燃料燃烧、动植物呼吸 及人类的活动l集中分布于大气底部20km的一薄层中l二氧化碳在大气中含量随时间、空间而变化CO2含量的变化主要是燃烧煤、石油、天然气等燃料引起l随着工业的发展及世界人口的增长，全球大气中CO2含量也在逐年增加l是植物光合作用不可缺少的原料l也是红外辐射的吸收剂，能透过太阳短波辐射而强烈吸收和放射地面与大气间的长波辐射，对大气和地表有一定的增温保温作用，形成温室效应l当含量达到0.2%～0.5%时，对生物体有害大气的温室效 应⑷ 臭氧l是大气重要的可变成分和微量成分之一；l强烈地吸收太阳紫外线，对大气有增温作用， 在高空形成一个暖区，保护地球上的生物免遭 过多紫外线伤害；l少量穿透臭氧层的紫外线对人类和地表生物是 有益的，故平流层臭氧常被称为地面生物的“ 保护神”；l臭氧浓度增高，会对人体健康不利；l自20世纪80年代后，平流层臭氧含量急剧减少。

其中，南极减少最为突出，形成了“南极臭氧空洞”l“南极臭氧空洞”的形成及变化的原因，是一个十分有争议的课题，至少在目前还无法完全弄清楚比较有影响的推测有四种：与太阳活动周期有关；与当地天气动力学过程有关；与火山活动以及与人类活动产生的大量氯化物进入大气层有关 大气臭氧浓度随高度的变化臭氧的浓度随高度的分布，具有不连续或突变现象大气中O3主要存在于10～50 km的大气层中，绝大部分集中在平流层，对流层只占了10%左右近地面层臭氧含量少，从10 km高度开始增加，到20～30 km高度浓度达到最大值，称为“臭氧层”，再往上逐渐减少，到50Km以上就极少了l这是由于不同高度上O3的形成条件不同造成的l据观测，大气中CH4的增加将引起对流层O2的增加，而N2O和CFCs的增加将引起平流层O3的减少大气臭氧的季节变化和纬度分布大气臭氧的 分布随纬度和季 节的不同而不同 ：对纬度而言， 臭氧总量的极小 值在赤道附近， 极大值在南北纬 60o附近；就季节 而言，春季出现 极大值，秋季出 现极小值2．水汽￿￿u主要来自江、河、湖、海及潮湿物体表面、动植物表面水分的蒸发（蒸腾），并借助空气的垂直运动向上输送。

u大气中的水汽含量虽然不多，但它是唯一能发生相变的大气成分，在自然界中具有三相变化，能产生云、雾、雨、雪、霜等天气现象，对天气和气候的形成起重要作用；u大气中的水汽通过水循环、以及伴随水相变化的潜热转换，把大气圈、生物圈和整个地球表面紧密联系起来，显著影响大气和地表的温度3．气溶胶u大气中悬浮着的各种固态微粒和液态微滴 与气体介质一起所构成的稳定混合物u能成为水汽的凝结核，对云、雨、雾的形 成起重要作用；u能吸收部分太阳辐射，削弱了到达地表的 太阳辐射，又可阻挡地面长波辐射，对大气 和地面产生一定的保温作用；u含量多少可直接影响到大气能见度的好坏 4．污染气体u混入大气中的对生物体有害的气体和烟尘u主要来源于工业、农业、生活废弃物燃烧、交通运输业、火山爆发等u目前对人类危害最大的是煤粉尘、硫氧化物、氟化物、碳氧化物、氮氧化物、碳氢化合物和放射性物质等u污染气体可直接危及人类健康和农、林作物的正常生长；u影响环境和生态；u对天气、气候的影响也日益加剧如粉尘烟雾、酸雨等u在城市，特别是大城市，污染气体的含量远远超过了天然空气中的含量二）大气圈的垂直结构n由于地球引力的作用，大气密度随高度的增加逐渐减小。

大气总质量的55%都集中在离下垫面5.5km以下的最低层大气圈从地面到大气上界，其密度和压力迅速减少，并逐步过渡到宇宙空间因此很难以界面划定大气圈的上界利用人造地球卫星探测资料定义大气上界在2000～3000km之间n世界气象组织（WMO）根据温度、成分、电荷等物理性质的差异，同时考虑到大气的垂直运动特性，将整个大气圈分成对流层、平流层以及高空的中间层、暖层和散逸层五个圈层1.对流层 u其下界是地面，上界因纬度和季节而不同 低纬度为17—18 公里，中纬度10—12 公里， 高纬度8—9公里夏季对流层的厚度大于冬季 u对流层集中了整个大气质量的3/4 和几乎全 部水汽u具有以下三个基本特征：v气温随高度增加而降低（ r=-0.6℃/100m ） ；v空气对流运动显著；v天气现象复杂多变；2.平流层（1）对流层顶以上到50—55 公里范围是平流层2）平流层气温基本上不受地面影响，故随着高度的增加，起初不变或变化极小；至30 公里高度以上时，由于臭氧含量多，吸收了大量的紫外线，因此升温很快，并大致在50 公里高空形成一个暖区3）平流层气流运动相当平稳，并以水平运动为主，平流层即由此而得名现代民用航空飞机可在平流层内飞行。

3.中间层（1）自平流层顶到80—85 公里是中间层（2）主要特点是气温随高度增加而迅速下降，到顶部降至160—190K这可能与这一高度几乎没有O3有关4.暖层（电离层）（1）自中间层顶到800 公里高空属于暖层2）氧分子和部分氮分子在太阳紫外线和宇宙射线作用下被分解为原子，并处于高度电离状态，所以暖层又称电离层5.散逸层（外层）u暖层以上的大气与星际空间的过渡带，又称外层或大气上界u该层内温度极高，空气极稀薄，高速运动着的空气粒子可克服地心引力和空气阻力而散逸到星际空间去u大气密度随高度增高而减小，但无论在哪个高度，其密度也不等于零二、大气圈的辐射因素（一）太阳辐射n太阳以电磁波的形式向外传递能量，称太阳辐射n太阳辐射是地球表层能量的主要来源n太阳辐射能按波长的分布称太阳辐射光谱n太阳辐射为短波辐射￿￿n太阳辐射的波长范围很广，但其能量的绝大部分集中在0.15～4.0μm之间，其中波长在0.4～0.76μm之间的为可见光区，其能量占太阳辐射总量的50%，波长在0.77μm以上的为红外区，其能量占43%，紫外区波长小于0.4μm，其能量约占7%可见光光谱区又分红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色光。

太阳能量随波长的分布1．大气上界的太阳辐射￿￿到达大气上界的太阳辐射取决于太阳高度、日地距离和可照时数的变化￿￿（1）太阳高度的影响￿￿太阳辐射强度与太阳高度的正弦成正比——朗伯定律，其表达式为：I=Io×sinh⊙￿￿式中：I为大气上界水平面上的太阳辐射；I为太阳常数；h⊙为太阳高度太阳高度为90°时，太阳 辐射强度最大v年太阳辐射量以赤道为最多，随纬度的增高而减少；v夏半年太阳辐射量以23°26′N 为最多，各纬度间的太阳辐射差异不太明显；v冬半年太阳辐射量随着纬度的升高而很快减少，各纬度间的太阳辐射差异则逐步增大2）日地距离对太阳辐射的影响地球在远日点所获得的太阳辐射能比近日点仅减少7％，故日地距离对太阳辐射的季节变化影响甚小￿￿(3) 可照时数的影响￿￿大气上界太阳辐射日总量与可照时数成正比，地球上可照时间的长短（即昼长）随纬度和季节而有变化北半球夏季，昼长夜短，可照时间长，太阳辐射到达量大；冬季，昼短夜长，可照时间短，太阳辐射到达量少，南半球相反2.大气对太阳辐射的削弱作用u吸收作用主要削弱紫外和红外部分，而对可见光部分则影响较少u在晴空时，起散射作用的主要是空气分子，波长较短的蓝紫光被散射，使天空呈蔚蓝色；阴天或大气尘埃较多时，起散射作用的主要是直径比辐射波长大得多的大气悬浮微粒，散射光长短波混合，天空呈灰白色。

u云层有强烈的反射作用据观测，云层的平均反射率为50～55％；实际反射率受云层厚薄所制约，当云层厚 度在50～100m 时，太阳辐射几乎全部被反 射掉42%）v反射 > 散射 >吸收（15%）最后到达地面的太阳辐射仅仅剩余43%3.到达地面的太阳辐射3.到达地面的太阳辐射(1)太阳辐射经大气削弱后，到达地面的有两部 分： 直接辐射：从太阳直接发射到地面的部分散射辐射：经大气散射后到达地面的部分二者之和就是到达地面的太阳辐射总量，称为太阳总辐射Q总辐射(2)总辐射的日变化和年变化总辐射有明显的日变化、年变化和随纬度的变 化:1）一天之内，夜间总辐射为零，日出后逐渐增 加，正午达到最大值，午后又逐渐减少，日出 前达极小值云的影响可使这一过程提前或延 后2）一年内，月均总辐射值，以夏季各月为最大 ，冬季各月为最小3）总辐射量的空间分布因纬度而不同纬度愈 低，总辐射量愈大；反之，总辐射量愈小4）由于赤道带多云，太阳辐射削弱较多，故有效总辐射最大值并不在赤道，而大致在10°N附近气候学上称这一区域为“热赤道”,且热赤道的位置会随太阳直射点的南北移动而发生相应变化5）可能总辐射是考虑了受大气削弱后到达地面的太阳辐射，有效总辐射是考虑受大气和云削弱后到达地面的太阳辐射。

北半球年总辐射随纬度分布的情况见表3-43)地面对太阳辐射的反射v到达地面的太阳总辐射只有一部分被地面吸 收，另一部分被地面反射，地面反射的这部 分太阳辐射，称地面反射辐射v地面对太阳总辐射的反射能力，用地面反射 率表示；v地面性质不同，反射率差别很大v在同样太阳辐射条件下，由于反射率不同，地面所获得的太阳辐射有很大差异，这就是地面温度分布不均匀的原因4）地面吸收的太阳总辐射地面吸收的太阳总辐射强度Q为：（二）地面辐射和大气辐射1.地面辐射（1）地面和大气辐射为长波辐射由于地面和大气的温度比太阳低得多，因而地面和大气辐射的电磁波长比太阳辐射波长长得多,地面和大气辐射为长波辐射地面和大气既吸收太阳辐射，又依据本身的温度 向外辐射能量2）大气具有吸收地面长波辐射的性质Ø约有75—95％的地面长波辐射被大气吸收，用 于大气增温，只有极少部分穿透大气散失到宇 宙空间由此可见，地面是大气第二热源（也 是主要热源）Ø气温变化必然受到地面性质的影响地面长波 辐射几乎全被近地面40—50 米厚的大气层所吸 收低层空气吸收的热量又以辐射、对流等方 式传递到较高一层这就是对流层气温随高度 增加而降低的主要原因。

2.大气辐射l大气中的水汽和二氧化碳及杂质等物质，可以透过 太阳短波辐射，又能强烈吸收地面长波辐射，使绝 大部分地面辐射的能量。