第八章大气与海洋.docx

第八章大气与海洋8.1地球大气的平均状态8.1.1地球大气的成分与气象要素一、地球大气的成分地球大气由多种气体组成，并掺有一些悬浮的固体和液体微粒在85km以下的各种气体成分中，一般可分为两类一类称为定常成分，各成分间大致保持固定比例，这些气体主要是氮(N2)、氧(O2)、氩(Ar)和一些微量惰性气体如氖(Ne)、氪(Kr)、氙(Xe)及氦(He)等；另一类称可变成分，这些气体在大气中的比例随时间、地点而变，其中包括水汽(H20)、二氧化碳(C02)、臭氧(03)和一些碳、硫、氮的化合物通常把除水汽以外的纯净大气称为干洁大气，简称干空气其中氮、氧、氩三种气体就占了空气容积的99.66％，如果再加上二氧化碳，则剩下的次要成分所占的容积是极微小的观测结果表明，实际大气在85km以下，由于大气运动和分子扩散的结果，使得空气充分混合，干洁大气中各成分的比例得以维持常定因此，可以将85km高度以下的干空气当做一种平均摩尔质量为28.9644g/mol的单一气体大气的高层，主要成分仍为氮和氧，其他气体的含量减少氧气占地球大气质量的23％，丰富的氧气是动植物赖以生存、繁殖的必要条件除了游离存在的氧气以外，氧还以硅酸盐、氧化物和水等化合物形式存在，在高空则还有臭氧及原子氧。

臭氧主要分布在10〜40km高度处，近地面含量很少，极大值在20〜25km附近臭氧在大气中的比例虽然极小，但因它具有强烈吸收太阳紫外辐射0.2卩n〜0.3卩m的能力，阻挡了强紫外辐射到达地面，保护了地球上的生命臭氧层浓度的减少或增加，会对气候变化和人类生活带来巨大影响因此，目前世界上对臭氧的观测和研究都很重视大气中二氧化碳只占整个大气容积的万分之三，多集中在20km以下它主要是有机物燃烧、腐烂和生物呼吸过程中产生的因此，在大工业区、城市上空，空气中二氧化碳的含量较多，有的地区其含量可超过万分之五；在农村和人烟稀少的地区，其含量较少二氧化碳含量的变化主要是燃烧煤、石油、天然气等燃料所引起的，火山爆发及从碳酸盐矿物、浅地层里释放二氧化碳是次要原因因此，随着工业化的发展及世界人口的增长，全球大气中二氧化碳含量也逐年增加二氧化碳能强烈地吸收地球表面发出的长波辐射并放出长波辐射这种“温室效应”在二氧化碳浓度不断增加时，可能会改变大气热平衡，导致大气低层和地面的平均温度上升，这将引起严重的气候问题实际大气中，除上述气体成分外，还含有水汽及其液态、固态微粒含有水汽的空气称为湿空气大气中水汽仅占地球总水量的0.001％。

大气中水汽的主要来源是水面，特别是海洋表面的蒸发水汽上升凝结形成水云或冰云以后，又以降水的形式降到陆地和海洋上地球大气的铅直分层地球大气在不同的高度有不同的特征，因此可以分成若干层最常用的分层方法是按大气的温度结构分层，即根据铅直温度梯度的方向，把大气分成对流层、平流层、中层和热成层，它们分别由称为“顶”的隔层（如对流层顶）分开一）对流层对流层是大气的最低层，下界是地球表面，上界是对流层顶对流层的主要特点是：温度随高度降低；大气的铅直混合强；气象要素水平分布不均匀大气吸收的总能量中，直接吸收太阳辐射能约占10％，吸收地面、海面发射的红外辐射约占90％低层大气受地、海面加热，产生强烈的铅直运动，因此对流层内大气温度的铅直分布主要是由大气与地、海面热量交换以及大气的对流、湍流运动决定的，总趋势是温度随高度增加而降低大气探测的结果表明，对流层内大气温度的平均递减率约为6.5K/km大气温度随高度下降到-50〜-70C左右，再往上，温度的降低趋缓慢或向上稍有增加，当温度递减率减小到2K/km（或更小）的最低高度，就规定为对流层顶对流层顶的高度随季节和纬度变化赤道附近约为15〜20km高，极地和温带约8〜12km。

中纬度地区，对流层顶的坡度很大，并且常是不连续的对流层里集中了大气质量的3/4和几乎全部水汽，又有强烈的铅直运动，因此主要的天气现象和天气过程如寒潮、台风、雷雨、闪电等都发生在这一层二）平流层由对流层顶向上到50km左右的气层称为平流层平流层的底层温度随高度无大变化，其上部的温度随高度增加而明显增高到平流层的上界温度可达0C左右；大约在50km的高度上最高温度可达7C，这是由于臭氧强烈吸收太阳辐射的结果这种温度随高度的逆增现象使平流层大气很稳定，呈现出明显的成层结构，大气的铅直运动很弱，多为平流运动并且尺度很大平流层中水汽含量很少，几乎没有在对流层中经常出现的各种天气现象此外，由于空气中尘埃很少，大气透明度很高三）中层从平流层顶到80〜85km高度的气层称中层，也称中间层该层的最重要特点是温度随高度升高而降低得很快，到中层顶温度下降到180K，是大气中最冷的部分中层内水汽极少，但在高纬地区的黄昏前后偶尔会发现该层存在夜光云，这种云可能是高层大气中细小水滴或冰晶构成，也有人认为是尘埃构成的由于温度随高度降低很快，所以该层有相当强烈的铅直运动平流层和中层约包含了大气质量的1/4在中层以上，大气更稀薄了，其质量大约只占大气总质量的十万分之一。

四）热成层热成层亦称暖层，是中间层顶以上的大气层，在该层内，温度始终是随高度增加的太阳辐射中波长小于0.17卩m的紫外线辐射几乎全被该层中的分子氧和原子氧吸收，吸收的大部分能量用于使气层增温此外，太阳的微粒辐射和宇宙间的高能粒子也能影响该层的大气热状况在100km以上，大气的热量传输主要靠热传导过程由于分子稀少，传导率小，当各高度上所吸收的辐射能和传到下层去的热量达到平衡时，就必然有巨大的温度梯度因此在热成层内，温度很快就升到几百度，最终趋于常数，约在1000K以上，是大气中温度最高的层热成层的另一个特点是，温度日变化和季节变化很显著，白天和夜间温差可达几百度此外，该层的温度还受太阳活动的影响，在太阳活动的高峰期和宁静期也能差几百度在这一层的高纬地区经常会出现一种辉煌瑰丽的大气光学现象——极光热成层顶以上大气的边缘层，叫逸散层，在这一层地球大气消失于星际空间的气体中，这是由于这一层温度极高，空气极稀薄，地球引力很小，高速运动着的空气原子克服地球引力和其周围空气的阻挡，而逸散于星际空间三、气象要素表示大气中物理现象与物理过程的物理量称为气象要素它们表征大气的宏观物理状态，是大气科学研究的重要依据。

气象要素中以气温、气压、湿度和风为最重要一）气温气温是大气温度的简称，一般称温度，是表示大气冷热程度的物理量在一定的容积内，一定质量空气的温度高低与空气分子的平均动能有关，且气体分子运动的平均动能只与绝对温度T有关因此，气温实质上是空气分子平均动能大小的表现虽然热量和温度经常联系在一起，但它们是完全不同的两个概念热量是能量，而温度是一种量度气象上使用的温标，一种是摄氏温标记作“C”；一种是开氏温标记作“K'开氏温标的零度是绝对零度，即分子完全停止运动的温度它们之间的换算关系为T/K=273.16+t/273+t（8-1）式中T表示绝对温度，t表示摄氏温度通常所说的地面气温是指离地面1.5m高度上百叶箱所测得的温度由于太阳辐射的差异，各地地面平均气温随纬度的变化是明显的大气温度的分布对于确定大气的热力状态和风场结构是十分重要的在一年中吸收太阳辐射最多的热带，温度最高在赤道地区，由于太阳辐射的梯度较小，使温度的经向梯度很小在一年中吸收太阳辐射最少的极区，温度则最低由于南半球海洋面积远大于陆地，使温度在纬圈方向的分布较北半球均匀北半球冬季大陆区域，极地至赤道间的温度梯度达最大值另外1月和7月里冷、暖洋流的作用均很明显。

最大的温度水平梯度位于南、北半球的中纬地区，从海岸线和山脉地区（如落基山、青藏高原、安第斯山和南极洲）附近等温线的形状和很强的梯度来看，陆地和海洋的分布、陆地表面的特征和地面地形有十分显著的影响最冷的地区在北半球冬季期间的欧亚大陆北部（亦即西伯利亚和加拿大的东北部）和全年中的南极洲1. 气压定义大气压强简称气压，指观测高度到大气上界单位面积上铅直空气柱的重量测量气压的仪器通常有水银气压表和空盒气压计两种气压的单位曾经用毫米(mm)水银柱高度来表示，但国际单位制用帕斯卡(Pa)来表示，简称“帕”，气象学上常用百帕(hPa)1百帕是1平方厘米面积上受到1000达因力时的压强值，即-21hPa=1000dyn・cm而1Pa=1N-m-2，即1帕等于每平方米受力1牛顿百帕与过去曾使用的毫巴(mb)单位相当气象学上曾规定，把温度为0C时、纬度为45度的海平面的气压作为标准大气压，称为1个大气压其值为760mm水银柱高，或相当于1013.25hPa在标准情况下，1mmHg=1.33hPa(8-2)由此得到mmHg!hPa间的换算关系1hPa近似地相当于1cm静压水位地面气压值在980hPa〜1040hPa之间变动，平均1013hPa。

随着高度增加，气压值按指数减少，离地面10km处的气压值只有地面的25%由于地表的非均一性及动力、热力等因子的影响，使实际大气压并不呈简单的纬向分布根据各地气象台观测到的海平面气压值，在地图上用等压线勾画出高、低气压的分布区域，就是水平气压场气压场中一般可分为低气压、高气压、低压槽、高压脊及鞍形等区域大气静力方程大气的密度随高度的增加而减小，气压亦然大气又处于不停的运动中，既有水平运动，也有铅直运动由于大气铅直运动的加速度比重力加速度的数值小数个量级，就每一薄层大气来说，可以认为它受到重力与铅直方向的气压梯度力相平衡，即处于静力平衡状态研究一个厚为dz的单位截面积空气块，假设空气无水平运动，只在铅直方向受到重力和气体压力的作用，那么空气块在铅直方向所受重力(8—4)式就是大气静力方程由于大气在水平方向气压分布相对均匀，100km内才有1hPa的气压差，而在近地面气层中，铅直方向每升高8m,气压就减少1hPa，因而在一定范围内可以认为p=p(z)，则静力方程可以写成在实际大气中，除有强烈对流运动的地区外，静力方程都成立该方程具有极广泛的用途2. 重力位势天气分析中，通常在等压面上分析高度场，但这种高度场不是几何高度场，而是位势高度场。

习惯上以位势高度H表示重力位势的大小，定义式中g0=9.80665，它不再表示重力加速度，而只是一个数值H的单位是gpm(位势米)，1gpm相当于9.80665J/kg的重力位势所以g0可以看做是重力位势与位势高度之间的换算因子位势高度与几何高度在量值上十分接近，但其意义却截然不同湿度由于测量方法和实际应用不同，采基本上均以相对于纯水的平面上蒸发和大气中含有水汽量的多少及发生的相变对大气现象影响甚大，用多个湿度参量以表示水汽含量1.水汽压和饱和水汽压一切度量水汽或空气湿度的方法，凝结的量为标准湿空气中，由水汽所引起的那一部分压强称为水汽压，以e表示，其单位与压强的相同当温度一定时，若从纯水的水平面逸入空气中的水分与从空气中进入水面的水分在数量上相同(即处于平衡状态)，此时水汽所造成的那部分压强称为饱和水汽压，以E表示饱和水汽压是温度的函数，温度愈高，饱和水汽压愈大在实际工作中常采用玛格努斯(Magnus)经验公式表示饱和水汽压与温度的关系E0是0C的饱和水汽压6.11hPa，t是摄氏温度，a和b为常数对水面：a=7.5，b=237.3对冰面：a=9.5，b=265.5冰面饱和水汽压低于同温度下的水面饱和水汽压，其差值在面的饱和水汽压可查阅气象常用表。

2. 相对湿度空气中的实际水汽压e与同温度下的饱和水汽压其表示式为3. 露点对于一定质量的湿空气，若气压保持不变，而令其冷却，-12C时最大不同温度下水面和冰E之比，称相对湿度，用百分数表示则湿度参量保持不变，但饱和水汽压E(t)却因温度的降低而减小。