第五章 大气圈与气候分异规律,第一节 大气圈的组成 第二节 大气圈的结构 第三节 大气的运动 第四节 物质输移 第五节 能量传输 第六节 气候分异规律 第七节 大气圈与人类,一、大气的成分,第一节 大气圈的组成与结构,地球表面的大气主要由氮（N2）、氧（O2）、氩（Ar）等气体组成主要成分： 地球表面的大气主要由氮（N2）、氧（O2）、氩（Ar）等气体组成，氮气和氧气约占了整个大气总体积的99%以上，加上氩（Ar），三者约占99.96% 微量成分： 也称为次要成分，它们的浓度在10-3mL/L到1%之间，主要是CO2、水汽、CH4、N2O、SO2、CO、H2、NH3及惰性气体氦（He）、氖（Ne）、氪（Kr）等 痕量成分： 其浓度在10-3mL/L以下，主要是H2S、NMHC（非甲烷类烃）、O3（臭氧）、NO2、NO、OH、H2O2等大气各成分的作用,目前，人们关心最多的是含量较少、寿命较短的微量和痕量成分，如二氧化碳（CO2）、臭氧（O3）、水汽以及气溶胶等这是因为尽管它们的浓度很低，但它们在大气中的浓度均有较大的时空变化，对地气系统热量的收支、大气温度的垂直结构及人类有着明显的影响。
二氧化碳(CO2),是大气中的可变成分之一它主要来自火山喷发、动植物的呼吸以及人类活动等 CO2对太阳辐射的吸收虽然很少，但它能强烈吸收地面长波辐射，从而使低层大气变暖；同时，它能向周围及地面放射长波辐射，对大气和地表温度有明显的“温室”作用CO2对大气辐射收支的影响主要表现在两方面： 一方面，CO2的增加将导致平流层放射更多的长波辐射，从而引起平流层的冷却； 另一方面，将吸收更多的地面长波辐射，同时吸收能量的一部分又重新辐射回地面，从而引起对流层和地面温度的升高几种重要的微量和痕量元素的作用与功能,臭 氧（O3）,是大气重要的可变成分和微量成分之一它主要是由于氧分子在太阳辐射下，通过光化学作用，分解为氧原子后再与另外的氧分子结合而形成的臭氧能强烈地吸收太阳紫外辐射（几乎能吸收0.2～0.3μm波段的全部太阳紫外辐射），使大气温度升高在大气温度的垂直结构上，平流层形成了一个暖区，同时，使地面上的生物能够免受过多的太阳紫外辐射的伤害南极臭氧洞指的是南极春天（每年10月），南极大陆上空气柱臭氧总量急剧下降，形成一个面积与极地涡漩相当的气柱臭氧总量很低的地区臭氧洞有两层含义：一是从空间分布的角度来看，随着纬度增加气柱臭氧总量逐渐增加，在南极环极涡漩外围形成臭氧含量极大值，进入环极涡漩后，气柱臭氧总量突然大幅度下降，形成低值区；二是，从时间角度看，9 月到10月南极地区气柱臭氧总量突然大幅度下降，形成季节变化中的谷。
水 汽,大气中水汽含量的时空分布极不均匀，主要集中在大气的低层，以夏季和低纬地区（热带沙漠地区除外）为最多 大气中水汽含量虽然不多，但它在天气和气候的形成和演变中担当着非常重要的角色作为一种特殊物质，在大气温度变化的范围内，通过水相变和水循环、以及伴随的潜热转换，把大气圈、生物圈和地球表面紧密地联系起来此外，水汽也能强烈地吸收地面辐射，同时它又向周围空气和地面放射长波辐射，在水相变化中又能吸收或放出热量，这些都对地面和空气的温度有一定的影响污染气体,主要有二氧化硫（SO2）、一氧化碳（CO）、硫化氢（H2S）、氟化氢、氮氧化物、氨等上千种这在工业和交通发达的城市尤为严重，它们的含量虽微，却对人类健康和生存环境带来严重危害气溶胶,大气中均匀分布的相当数量的固体微粒和液体微滴，如海盐粉粒、灰尘（特别是硅酸盐）、烟尘和有机物等多种物质，所构成的稳定混合物，统称为大气气溶胶气溶胶的产生，除了火山爆发、流星燃烧、森林火灾、海浪飞沫、风尘、植物花粉传播等自然原因外，更重要的是由于人类活动，如工业生产、生活燃烧以及各种交通工具排放的烟雾粉尘等大气污染及其种类 概念：大气污染物在大气中达到一定浓度，而对人类的生产和健康造成直接或间接危害时称大气污染。
种类： A）直接污染：因污染物性质、浓度、时间等因素造成危害的污染物，如粉尘微粒、硫化物、氮化物、氧化物、卤化物（氯化氢、氟化氢） B）间接污染：污染物与大气正常成份发生反应形成新的污染物或污染物发生光化学反应形成的新污染物几种重要的微量和痕量元素的时空变化,大气成分由地表排放到大气中后，便随着大气不停地在三维空间运动一些快速反应化学活性成分可能在离源区不远的地方就已转化为其他成分，它们的浓度分布主要取决于地表源的分布和化学转化率；而一些反应速度慢或化学稳定的成分，却可能在区域和全球范围输送，它们的浓度分布就与区域和全球尺度的大气运动密切相关1．随高度的变化,大气成分随高度的垂直分布，在低层（90 km以下）基本保持不变，再往上空去，大气成分则有所改变这是因为： 在低层，大气的所有气体成分，随着大气的湍流运动，彼此间能够充分扩散，从地面开始，向上直到90 km处，干洁空气主要成分的比例基本保持不变（除CO2、水汽、O3和污染气体外），以致干洁空气可以看成分子量为28.97的单一气体； 而90 km以上，大气中的N2和O2由于吸收太阳辐射中波长较短的辐射，分子离解为原子，同时发生电离，原子和离子数量增加，因此大气成分发生了改变。
大气臭氧浓度随高度的变化（引自《大气科学辞典）,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以上就极少了这是由于不同高度上O3的形成条件不同造成的 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2．随纬度和季节的变化,不同纬度、不同季节对流作用的强弱不同，使对流层大气厚度随纬度和季节的不同存在着明显的变化：低纬厚、高纬薄；夏季厚、冬季薄 大气中的许多成分，随着时间和空间的改变，其浓度也会发生明显的变化其中，二氧化碳、臭氧以及水汽等的含量虽然极少，但随着纬度和季节的改变，它们的含量变化十分显著，对大气温度的分布及人类的影响较大其中以水汽和臭氧最为重要大气臭氧的季节变化和纬度分布（引自《大气科学辞典》 ）,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。
几种重要气体的来源,1)、N2：来源：来自于地球形成过程中的火山喷发； 2)、O2：来源：来源于水的离解和光化学反应以及植物的呼吸 3)、CO2：来源：来源于燃烧、氧化、大陆生物圈作用、海洋的作用以及火山喷发主要集中分布于大气底部20公里的一薄层，浓度为0.02%~0.04%，其含量不定，随时间、空间而变，一般是底层多，高层少；城市多乡村少；夜间多白天少，近年来由于工业的发展，含量与年俱增 4）、O3：来源：主要是在太阳紫外线辐射作用下，氧分子分解为氧原子后再和另外的氧分子结合而成低层大气有机物的氧化和雷雨、闪电作用也能形成臭氧重要集中在20~30km处第二节 大气圈的结构,垂直变化特征,大气的各种成分是随高度的变化而变化的在着重考虑大气的组成物质时，把以25 km为中心臭氧含量多的气层称为臭氧层，把大约70 km以上离子浓度开始增大的气层称为电离层 从地面到高空，不仅大气的密度、成分不同，大气的温度也存在着明显的变化可以这么认为：地球大气在垂直方向上形成三个相对的暖层和两个相对的冷层三个相对的暖层分别出现在：近地面层、50～60 km高度以及120 km以上的气层，其间被两个冷层隔开，这两个冷层分别出现在10～30 km和80Km左右的高度上。
大气中温度、密度以及物质成分的分层结构,垂 直 分 层,世界气象组织（WMO）根据气温从地面到高空垂直方向的分布，将整个大气分成： 对流层 平流层 中间层 暖层 散逸层,对流层,厚度：本层厚度最簿，并随纬度、季节而不同，在高纬 地区平均：8~9km ,中纬地区平均：10~12km, 低纬地区平均17~18km，夏季大于冬季 特征： 一是温度随高度的升高而降低；因为该层的热量来自于地面的长波辐射，平均气温递减率为0.65oC/100m； 二是具有强烈的对流运动；因为地面受热不均 三是天气现象复杂多变；几乎所有的水汽、云、雨、雷、电等现象都发生在此层平流层,（1）气温随高度升高的分布 下层：其上界离地面约35~40km，为同温层 上层：其上界离地面约50~60km，为逆温层，即气温随高度的升高而降低因为平流层上层含有大量的臭氧，臭能大量地吸收太阳紫处线而增温； （2）气流以水平运动为主，逆温的存在，对流不易产生 （3）水汽、尘埃含量少，天气晴朗，能见度好中间层,高度：平流层顶至85km处 （1）温度随高度的升高而迅速下降因为臭 氧的含量下降 （2）空气以垂直运动为主但由于空气稀 薄，所出现的天气现象已不如对流层复杂。
（3）在80km处白天出现一个电离层暖层,高度：中间层至800km处 特征： （1） 空气质量小，空气稀薄，空气密度只角空气总质量的0.5%，在120km高空，空气密度小至声音都难于传播 （2） 温度随高度升高而升高因为所有波长小于0.175um的太阳紫外辐射都被暖层气体所吸收，顶层温度可达1000度 （3） 空气处于高度电离状态 （4） 能反射无线电波 （5） 出现极光现象散逸层,高度：800km以上 特征： （1）空气极其稀薄 （2）温度随高度升高而升高水平分异与季节变化,大气圈的结构还随地点和季节而发生变化以对流层为例，对流层的厚度在不同地点是不同的，尤其是随着纬度的变化比较明显在赤道低纬度地区，对流层厚度平均为17-18千米，而在中纬度地区和高纬度地区分别只有10-12千米和8-9千米并且对流层的厚度夏季大于冬季在夏季，大陆上的对流层厚度大于海洋，冬季则相反原因在于，对流层的厚度主要受对流强度的控制，而对流强度的大小往往受地面温度的控制因此，一般来说，地面温度越高，则对流强度越大，对流层厚度则可能越大第三节 大 气 的 运 动,大气时刻不停地运动着就规模而言，既有对全球产生影响的大规模的全球性运动，也有对局地地区产生影响的小尺度的局地运动。
这种不同规模的大气运动状态，称为大气环流大气运动最直接的原因是气压的时空分布和变化，尤其是水平气压梯度力的存在和变化大气运动的最直接的结果是使地球上的物质能量得以传输百帕） 1000 1005 1010,水平气压 梯度力,,a. 垂直于等压线 b .由高压指向低压 c.大小：等于单位距离上的气压差：等压线愈密，水平气压梯度愈大一、水平气压梯度力：在存在着气压梯度的地方，空气分子受到力的作用，驱使着空气沿着和气压梯度相同的方向移动的力，它是促使空气从静止到运动的原动力二、科里奥利力,由于地球的自转，地球表面运动的物体都会发生运动方向的偏转在北半球运动物体向右偏转，在南半球则向左偏转导致地球表面运动物体方向偏转的力，叫做地转偏向力，又叫做科里奥利力 地转偏向力具有以下几个特点：（1）这个力只改变物体的运动方向，不改变物体的运动速度；（2）这个力的作用方向总是与物体的运动方向垂直；（3）这个力的大小与物体运动的线速度成正比；（4）这个力的大小与纬度的正弦成正比，在赤道处为零，向两极地区逐步增大34,在气压梯度力和地转偏向力共同作用下风向的偏转,（北半球高空）,三、地面摩擦力:,,与空气运动方向相反。
大气的辐合：大气在气压梯度力的作用下，在低压中心附 近，大气由周围向中心集中 大气的辐散：大气在气压梯度力的作用下，由高压区流向 低压区在高压中心附近，大气向周围流动 气旋、反气旋：旋转着的向低压中心辅合的大气系统叫做 气旋，旋转着的由高压中心向外辅。