第1-2节大气组成和热量课件

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1、第三章 大气和气候,第一节 大气的组成和热量,围绕着地球的厚层气体称为大气，它是多种气体的混合物，无色、无味。此外，还有固体杂质、液体杂质。它形成一个连续的圈层，称大气圈。 大气中存在着复杂的物理过程和物理现象，这些都与大气本身的物理特征有着密切的联系 。,一、 大气的组成,一、干洁空气： 二、几种重要气体的来源及其作用 三、大气中的杂质,（一）干洁空气：,【干洁空气】：大气中除水汽、液体和固体杂质外的整个混合气体, 简称干空气。主要集中在从地面到085km处。 2、 主要成分：N2、O2、Ar，三者占整个干洁空气容积的99.97%，其中N2占容积的78%，O2占容积的21%， Ar占容积的

2、0.93%。此外二氧化碳、臭氧、氢、氖、氦、氪、氙等稀有气体含量不到空气容积的0.1%。,几种重要气体的来源及其作用,1.N2来源：来自于地球形成过程中的火山喷发；作用：是地球上生命体的基本成分；可冲淡氧气；是合成氮肥的基本原料。 2.O2来源：水的离解和光化学反应以及植物的呼吸。作用：是维持生命现象的重要气体；可助燃，使有机体腐败；起氧化作用。,3、CO2：,来源：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20km的一薄层，浓度为0.020.04%，其含量随时间、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。

3、1958年至1988年，其含量从316351ppm。占干洁空气容积的0.03%。 作用：能强烈地吸收地面长波辐射，对地面起保温作用；是绿色植物光合作用中不可缺少的物质，但其含量超过0.20.5%时，对生物体有害。,4、O3：,来源：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。主要分布在1040km处，极大值在2025km。 作用：能吸收太阳紫外辐射的99%，保护地面生物，可杀菌治病。,（二） 水汽,水汽含量：整个大气中，平均1.3104km3【1-2】（占地球总水量的0.001%，24-25mm），总降水量相当于780

4、mm，交换时间约1011天。 水汽来源：海洋、湖泊、河流、土壤的蒸发、植物蒸腾作用。 水汽时空分布： 随海陆分布，大气环流的变化； 时间上年、季节变化； 随高度的变化主要集中3.0km范围内，每上升1.02.0km，水汽含量减少1/2。 【1】水文学2002年，黄锡荃； 【2】水圈水文学1998年，木村和政。,水汽作用：由于分子扩散和气流传递而散布于大气之中。水汽会凝结，产生云、雾、雨、雪等天气。 地球的水分：通过“蒸发凝结降水”等物理过程循环不已（大气成分中，唯一的相变成分），相变过程中释放和吸收热量，它对“地气系统”的能量转换、交换以及天气变化起着非常重要的作用。,【气溶胶aerosol】

5、又称气胶、烟雾质，是指固体或液体微粒稳定地悬浮于气体介质中形成的分散体系。主要是水滴、冰晶、大气尘埃、其它杂质。半径大小在10+210-4um（0.01-10um）之间。 1、气溶胶粒子主要来源 （1）自然源：火山灰、宇宙尘埃、陨石尘埃、风沙尘粒；植物花粉、孢子；灰烬、海水溅沫等。 天然气溶胶云,雾，霭，烟，海盐等； 生物气溶胶微粒中含有微生物或生物大分子等生物物质；其中含有微生物的称为微生物气溶胶。 （2）人工源：工业生产、居民生活的燃料燃烧、运输工具排出的废气。,（三）大气中的杂质,大气污染的概念*,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。 A）

6、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。,如1952年伦敦的光化学烟雾事件就是烟雾形成之后，高空受高气压控制，使大气稳定，烟雾笼罩4天，造成数千人死亡。,治理污染的措施,建立监测网、进行污染预报、通过集尘器和清洗器在排气前清除污染物；发展无烟囱工厂的闭合工艺过程以及合理布局工业等，造林绿化也是保护环境、净化空气，防止大气污染的重要措施,二、大气结构,（一）大气质量 大气上界：理论上，当气压为0（或接近0）时，为大气的顶层；

7、但大气圈顶部没有截然的界限。 （气象学上）大气上界：与地面气候有关的某种现象所发生的最大高度。如：极光出现的最大高度1200km。 （物理、化学）大气上界：离心力大于重力，大气密度接近星际气体密度；在12003200km范围。 (高层大气物理学)大气上界: 3000km左右；,大气质量,大气密度：随高度按指数规律减少。 大气质量：同上。 05.5km高度内含有大气总质量的50。 08km 高度内含有大气总质量的99。（图3.1）,【问题1】,设地球表面的大气压为1013.25hPa，地球表面积5.1亿km2, 求：大气总质量（以吨为单位，重力加速度g9.8m/s2）？ 提示：1hPa102N/

8、m2,（二）大气压力,大气压强：简称大气压。 标准大气压：气象学上，温度0纬度45度的海平面气压，又称1个大气压。（1013.25hPa76mm汞高10.34m水柱高）。 气压单位：水银柱高度（mm），hPa（百帕）、mb（毫巴）。 1hPa1mb=10N/m2。,一个大气压=1013.25hPa 1013.2510-2N/cm2， 1013.2510-2/ 9.8（kgf/cm2）； 1.034kgf/cm2； （9.8N1kgf）,常用的单位（SI单位体系）,度量单位名称 符号 定义 基本单位： 长度 米（meter）m 质量 千克（kilogram）kg 时间 秒（second）s 温度

9、绝对温度（） K 物质量 千摩尔（kilomole） kmol,诱导单位： 力 牛顿（newton）Nkg m s-2 压力 帕斯卡（pascal）PaN m-2=kg m-1 s-2 能量焦耳（joule）JN m=kg m2 s-2 功率瓦特（watt）WJ s-1=kg m2 s-3 频率赫兹（hertz）Hzs-1 摄氏温度 K -273.15 体积比：ppm(ppmv) 10-6； ppbv(ppb） 10-9； pptv(ppt) 10-12；,（三）大气分层,按分子组成： 1、均质层： 地表至85km高度大气层，除水汽以外，组成较均一。 2、非均质层： 85km高度以上；其中氮层

10、、原子氧层、氦层。 按化学、物理性质： 1、光化层： 包括20km处的O3层。 2、离子层：,在气象学中,按温度、运动情况分为5层 对流层： 平流层： 中间层： 暖层： 逸散层：,1、对流层,1）高度：最底层，厚度最簿，平均高度11km，并随纬度、季节而不同，在高纬地区平均：89km ,中纬地区平均：1012km，低纬地区平均1718km，夏季大于冬季。 2）特征： 气温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； 强烈的对流运动；因为地面受热不均。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。,【问题2】为什么在对流层

11、顶，低纬度温度（-85OC）小于高纬度（-53OC）？,3）对流层的分层：,根据内部温度、湿度、气流运动和天气状况划分： 低层（摩擦层）：高度约12km； 特点是对流强，水汽多、粉尘多；气温日变化明显，湍流明显。低云、雾、霾、浮尘基本出现频繁。 中层：高度从低对流层6km， 特点：云、雨、雪多产生于此层，受地面縻擦小为自由大气层。 上层： 高度从中层对流层顶； 特点是气温常在0OC以下，水汽少，云由冰晶、过冷水滴组成，风速大；中纬度及低纬度地区常出现急流，风速30米/秒。,2、平流层的特征,1）高度： 下层：其上界离地面约3540km，为同温层。 上层：其上界离地面约5060km，为逆温层（即

12、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）特征：气温随高度微升；气流以水平运动为主，对流不易产生；水汽、尘埃含量少，天气晴朗，能见度好。,3、中间层,1）高度：平流层顶至85km处，亦称高空对流层。 2）特征：随高度升高而温度迅速下降；空气以垂直运动为主，但由于空气稀薄，天气现象已不如对流层复杂；在80km处白天出现一个电离层，叫D层。,5、暖层（电离层）,1）高度：中间层至800km处。 2）特征： 空气质量小，空气稀薄，空气密度只有空气总质量的0.5%，在120km高空，空气密度小至声音都难于传播； 随高度升高而温度升高；因为所有波长小于

13、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； 空气处于高度电离状态，能反射无线电波；出现极光现象。,暖层出现极光现象*,极光是由太阳喷焰中发射的高能粒子与高层大气中的空气分子相撞，使之电离，并在地球磁场的作用下，偏于两极上空而形成的一种光现象。,5、散逸层,1）高度：800km以上 3000km左右； 2）特征： 空气极其稀薄 ； 随高度上升而温度升高； 高速运动的分子可以逃逸到宇宙空间。,大气圈层结构中各层的特征及对比表,（四）标准大气,标准大气模式：空气干燥，86km以下均匀混合物，平均kmol质量为28.964kg/kmol，静力学平衡、水平成层。,【Note】

14、:,均质层：85km 大气边界层（atmospheric boundary layer）： 又称 摩擦层 或行星边界层。地表至12km高度。 上部摩擦层（上边界层、埃克曼层）： 100m 大气近地层(atmospheric surface layer)：0100m以下。 自由大气 （free atmosphere）：摩擦层以上，摩擦力可以忽略不计，称为自由大气。 干洁空气： 标准大气：,三、大气的热量,（一）太阳辐射（为短波辐射） 可见光：0.40.76m, 占总能量的50。 红外辐射: 大于0.76m, 占总能量的43。 紫外辐射：小于0.4m, 占总能量的7。 【太阳辐射强度】：单位时间内

15、垂直投影在单位面积上的太阳辐射能，表示太阳辐射能强弱的物理量。 【太阳常数S0】： 在日地平均距离上，大气顶界垂至于太阳光线单位面积上单位时间内接受的太阳辐射。1367W/m2（1981年WMO推荐） 【地面反射率】：反射辐射占地面总辐射的百分比。 地面的太阳辐射包括：直射辐射和散射辐射组成，称为总辐射。,（二）大气能量及其保温效应,1.太阳辐射的直接吸收：主要臭氧、水汽、液态水。 2.地面辐射的吸收：地表吸收了大气上界太阳辐射能的50；地表加热后,再以大于3um长波向外辐射，其中7595被大气吸收。 3.潜热输送：水分”蒸发水汽凝结”是”地气”间能量交换的主要方式。潜热输送年总量，洋面（34

16、30MJ/m2）是陆面（1130MJ/m2） 的3倍。 4.感热输送：陆面、水面与大气温度不相等所致。总是地表向大气输送，年均540MJ/m2. 【大气辐射】：大气依据本身温度向外辐射，称为。 【大气逆辐射】：投向地面的部分。 【温室效应】：大气逆辐射、保温作用。,（三）地、气系统的辐射平衡,【辐射平衡、辐射差额】： 辐射平衡的日变化、年变化？,四、气温,（一）气温的周期性变化 日变化： 年变化： 【气温的日较差、年较差】 受纬度、下垫面、海拔高度影响。,（二）气温的水平分布,【等温线】： 【热赤道】：赤道附近的1个高温带，月平均温度在冬、夏均高于24 。 全球气温水平分布特点： （1）纬度： （2）同纬度海陆分布影响： （3）洋流的影响： （4）近赤道高温区：510N （5）极地气温： 地球表面气温变化范围- 9063。,（三）气温的垂直分布,【气温垂直递减率】：-0.65/100m 【逆温层】.。 【平流逆温】暖空气流至较冷地面或冷水面上时，