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1、大气科学导论 何金海 智协飞 周顺武 卢楚翰 南京信息工程大学大气科学学院大气科学系 课程内容 第一章 概 述 第二章 大气的基本知识 第三章 关于大气运动的基本规律 第四章 气旋与反气旋 第五章 关于气团和锋的介绍 第六章 关于天气预报的基本方法和技术 第七章 海气相互作用的产物厄尔尼诺 第八章 气候变化 地球大气的演化 地球自从它形成以来，大约46亿年。其大气的演变 可分为三个阶段：原生大气，次生大气、现代大气 。 原始大气的形成和星系的形成过程密切相关。原始 大气出现约46亿年，比原始人类出现（几百万年） 早3个数量级，比人类有文字记载的历史（数千年） 早6个数量级。因此只能在现有的科学
2、知识加上推理 来研究大气演变。科学家们从不同的角度提出了不 同大气演化模式。 原生大气 原生大气的成分是以氢和少量的氦为主。 但原生大气存在不太久（大约数千万年） 。当太阳作为年青恒星经历喷发大量物质 流的阶段，强大的太阳风把原始大气从地 球上吹走，刮向茫茫太空。 次生大气 次生大气主要来自地球内部，由火山喷发产生。按 现代火山喷发的成分，主要是水汽（79%）、二氧 化碳（12%）、甲烷，还有一些氨和硫的化合物。 次生大气中没有氧，即使有也不能保留。因为当时 地面温度很高，地壳中有很多铁，氧将很快和铁反 应形成氧化铁。 现代大气 现代大气的主要成份是N2、O2、H2O、CO2 ，O3等。其中，
3、自由氧的出现是现代大气 形成的重要标志。氧的出现与生命的出现和 演化有着重要关系。 因此，氧气的起源成为人们最为关心的问题 。 氧的起源 l早期的大气中没有氧分子，氧元素存在于 H2O和CO2中。 l氧可以通过两种可能机制而产生：一是通 过光解反应从H2O和CO2分解而来；另一 种是生物的光合作用。 第二章 大气科学的基本知识 第一节 大气的组成 第二节 大气的基本物理性质 第三节 大气的垂直结构 第一节第一节 大气的组成大气的组成 干洁大气（即干空气）Clean Air 水汽 Moisture 悬浮在大气中的固液态杂质 Impurity 地球大气由三个部分组成地球大气由三个部分组成 : :
4、l大气的成份主要是氮（N2，占78%)，氧 （O2 ，占21%)。还有少量的 H2O，CO2， O3 ， CH4， N2O 以及惰性气体Ar， He， Ke， l如果只考虑大气中数量最多的气体， N2, O2, 那么这二种成分的比值一直到80公里还是不 变的，称为均匀混合层。 l大气中变化最大的气体是H2O和O3。 大气的成分 低层大气的主要成分 一一 干洁大气干洁大气 干洁大气的定义： 除去水汽及其他悬浮在大气中的固、液 体质粒以外的整个混合气体。 干洁大气的成分变化： 090 km : 090 km : 主要成分和含量比例基本保持不变主要成分和含量比例基本保持不变 。 90km90km以上
5、以上: : 氮稍有减少，氧稍有增多，氩和二氧氮稍有减少，氧稍有增多，氩和二氧 化碳明显减少，其中氧分子和氮分子开始离解化碳明显减少，其中氧分子和氮分子开始离解 。 各种成分介绍：各种成分介绍： l 氮气（N2)： 存在方式：以蛋白质的形式存在于有机体中 。 作用：是有机体的基本组成部分，也是合成氮肥 的基本原料。 l 氧气（O2）： 是人类和动植物维持生命活动的极为重要的气体 ； 积极参加大气中的许多化学过程； 对有机物质的燃烧、腐败和分解起着重要的作用。 l l 臭氧（臭氧（OO 3 3 ）：）： 时空变化： 时间变化：最大值出现在春季，最小值出现在夏季。 空间变化： 水平：由赤道向两极增加
6、。 垂直： 5560km，含量极少。 2025km，达最大值，形成臭氧层； 1215km以上，含量增加特别显著； 从10km向上，逐渐增加； 近地面，含量很少； 大气中的可变化成分O3 主要存在于大气平流层，可以吸收太阳的 紫外辐射，对地面生命有保护作用。 对流层臭氧对人体有害。 平流层臭氧的形成是太阳紫外辐射造成的 氧分子分解成氧原子，氧原子与氧分子反 应生成臭氧。 这幅图显示的是臭氧 洞。1986年，南极的 臭氧量仅是30年前的 一半。 1988年，曾发现北半 球上空臭氧层已比20 年前要薄3%。这种变 化足以使皮肤癌的病 例增加。 臭氧能够吸收紫外线 ，减少生物直接遭受 紫外线的照射，陆
7、地 上的生物便能在此一 保护伞下，顺利的生 长与繁殖。 臭氧的作用臭氧的作用 ： 对紫外线有着极其重要的调控制作用。 对高层大气有明显的增温作用。 l l 二氧化碳（二氧化碳（COCO 2 2 ）：）： 来源：来源：生物的呼吸、化石燃料的燃烧、有机物质的 燃烧和分解、火山喷发作用等。 时空变化：时空变化： 时间变化：a) 白天、晴天、夏季时的浓度小于黑夜 、阴天、冬季。b) 工业革命前小于工业革命后。 空间变化：水平：城市大于农村 垂直： 020km，含量最高； 20km以上，含量显著减少。 大气中的可变化成分CO2 l 占大气总质量的0.037%。 l 通过动植物呼吸，有机物腐朽分解、火山喷
8、发、化 石燃料燃烧进入大气。 l 它的消耗是植物光合作用以及与地表的岩石发生化 学反应。 CaSiO3+CO2 CaCO3+SiO2；CO2+H2O+ CH2O+O2 l 在大气中的停留时间大约是15 year。 CO2的作用： 绿色植物进行光合作用不可缺少的原料。 强烈吸收长波辐射（地面辐射、大气辐射） ，使地面保持较高的温度，产生“温室效应”。 温室效应模式图 Greenhouse effect 二、水汽二、水汽 MoistureMoisture 来源：来源： 主要来自江、河、湖、海、潮湿陆面 的水分蒸发以及植物表面的蒸腾。 大气中的可变化成分水汽 占大气总质量的0.25%，浓度随高度迅速
9、减少 ，主要存在于近地面3公里以下的层次，水 汽在大气中的平均停留时间为10天。 水汽在大气中的平均停留时间 如上图所示，大气中的水量是13个单位， 每年全球的降水量是423个单位。 时间：夏季多于冬季 空间：一般低纬多于高纬，下层多于上层。 时空变化：时空变化： 在天气气候变化中扮演了重要角色。 能强烈吸收地面放射的长波辐射并向地面和周 围大气放出长波辐射，对大气起着“温室效应”。 作用：作用： 水汽水汽 在大气中悬浮着的各种固体和液体微粒（包括气溶胶 粒子和大气污染物质两大部分）。 三、大气中的杂质三、大气中的杂质 ImpurityImpurity 气溶胶粒子：气溶胶粒子：AerosolA
10、erosol l 定义：大气中沉降速率极小、尺度在10-4m到 100m 之间的固态和液态微粒。 l 分类：液体质粒、固体质粒 l 固体质粒的来源：有机质数量较少，大多为植物花 粉、微生物和细菌等； l 无机质数量较多，主要来源于：尘粒、烟粒、海洋 中浪花飞溅的盐粒，流星飞逝后留下的灰烬，火山尘埃 等。 显微镜下的气溶胶颗粒图像 大气中的可变化成分气溶胶 l l液态或固态微粒在空气中的悬浮体系。它们能作为水液态或固态微粒在空气中的悬浮体系。它们能作为水 滴和冰晶的凝结核滴和冰晶的凝结核, ,太阳辐射的吸收体和散射体太阳辐射的吸收体和散射体, ,并参与并参与 各种化学循环各种化学循环, ,是大气
11、的重要组成部分。其来源包括：是大气的重要组成部分。其来源包括： 1. 1. 被风扬起的细沙和微尘被风扬起的细沙和微尘; 2. ; 2. 海水溅沫蒸发而成的颗粒海水溅沫蒸发而成的颗粒; 3. ; 3. 火山喷发火山喷发; ; 4. 4. 森林或其它生物体燃烧的烟尘森林或其它生物体燃烧的烟尘; 5.; 5.人类燃烧矿物燃料排放的烟尘人类燃烧矿物燃料排放的烟尘; ; 6. 6. 矿物燃料燃烧过程中排放的矿物燃料燃烧过程中排放的SOSO 2 2 在大气中氧化后形成的硫酸盐粒子在大气中氧化后形成的硫酸盐粒子 ; 7. ; 7. 燃烧石油和天然气等排放的燃烧石油和天然气等排放的NONO x x ，CO,
12、CHCO, CH等在大气中经过光化等在大气中经过光化 学反应形成的硝酸盐粒子学反应形成的硝酸盐粒子; 8.; 8.其它大气化学过程形成的气溶胶粒子其它大气化学过程形成的气溶胶粒子 l l气溶胶散射降低太阳辐射，导致地面变冷气溶胶散射降低太阳辐射，导致地面变冷 p 吸收太阳辐射，使空气温度增高，但也削弱了到达地 面的太阳辐射； p 缓冲地面辐射冷却，部分补偿 地面因长波有效辐射而失去的热量； p 降低大气透明度，影响大气能 见度； p 充当水汽凝结核，对云、雾及 降水的形成有重要意义。 气溶胶的作用气溶胶的作用 大气中的污染物质：大气中的污染物质：PollutantPollutant l 定义
13、： 由于人类活动或自然过程，使局部、甚至全 球范围的大气成分发生对生物界有害的变化。 l 分布 ： 空间 垂直：主要集中在3km以下的低层大气中 。 水平：城市多，农村少；陆地多，海洋少 ； 时间：冬季多，夏季少；清晨和夜间多，午后少。 火山爆发、风吹扬沙和沙尘暴、雷击 森林失火等。 l l 来来 源源： 自然过程形成自然过程形成 人为过程造成人为过程造成 工业和交通上煤炭、石油、天然气的使 用，农业上化肥、农药的喷施，生活上制冷 采暖的排放与泄漏等。 二次污染物二次污染物 ： l l 分类分类 ： 一次污染物：一次污染物： 直接从污染源排出来的物质。 进入大气的一次污染物互相作用或与大气 正
14、常组分发生化学反应，以及在太阳辐射线的 参与下引起光化学反应而产生的新的污染物。 32 危危 害害 大气成分的性质 人类活动对大气成分的影响 从上面的讨论我们可以看到，地球大气势 在不断演变的。工业革命（1860年）之前 的演变可以认为是自然变化。 工业革命之后，人类对大气或环境的改变 影响在加大，而且，这种影响是达到了无 法忽略的程度。 人类活动对以下大气成分的改变影响显著 1. 化石燃料和生物体的燃烧导致大气中CO2含量升 高，煤的燃烧导致SO2含量升高。 2. 汽车等的大量使用导致大气中废气增加和气溶胶 含量增加。 3. 人工固氮导致大气中氮的减少。 4. 人工制造的制冷剂CFCs的泄漏
15、导致大气中CFCs 含量增加，CFCs在大气平流层分解后产生的氯造 成平流层O3减少。 5. CO2等温室气体的增加导致气候变暖，温度升高 后大气中水汽含量增加。 CO2含量的增加 甲烷（CH4）的增加 最近1000年的温度变化 （最近150年温度升高很快） 最近130年的温度变化 （最近30年温度升高很快） 自上个世纪70年代末，平流层臭氧 急剧减少 右图：南极臭氧洞在加强 左图：在2000年臭氧洞的面积是有记录以来最 大的一次，已经延伸到了南美大陆 第二节 大气的基本物理性质 在气象学上，大气的物理性状主要以气象要素 和空气状态方程来表征。 一、主要气象要素 气象要素是指表示大气属性和大气
16、现象的物理 量，如气温、气压、湿度、风向、风速、云量 、降水量、能见度等等。 气温 气压压 湿度 降水 风风 云量 能见见度 主要气象要素 1、定义：表示大气冷热程度的物理量，反映一定条 件下空气分子平均动能大小。 通常指距地面1.5m高处百叶箱中的空气温度。 2、单位：摄氏度（）温标；绝对温标，以K表示 ；华氏温标：，水的沸点为212 3、单位换算： 一、气温（Temperature） 百叶箱的设置条件 ： 1. 全为白色 2. 四周全为百叶 3. 离地面1.5m 4.窗扇向北（因为太阳东 升西落，以避免开窗时 温度计受到阳光直接照 射，使得温度计的读数 失真） 1、定义：单位面积上所承受到的整个空气柱的质量 大气的压强。实质：气压的大小决定于整个空气 柱质量的多少。 2、标准大气压：在纬度为45的海平面上，温度为 0时，所
