氣象學(xué)課件第一章大氣

1、第一章大氣包圍在地球 表面的空氣層稱(chēng) 為地球大氣，簡(jiǎn) 稱(chēng)大氣(atmosphere) 。第一章大氣大氣的組成和大氣污染大氣的垂直結(jié)構(gòu)退出大氣的主要物理性質(zhì)第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)第一節(jié)大氣的組成和大氣污染大氣的組成大氣污染一二干潔大氣大氣中的水汽氣溶膠粒子一.大氣的組成1.干潔大氣不含水汽和氣溶膠粒子的混合空氣。表1.干潔大氣的主要成分氣體容積含量（%）臨界溫度( )臨界大氣壓氮?dú)?8.084-147.233.5氧氣20.946-118.949.7氬0.934-122.043.0二氧化碳0.03331.073.0臭氧0710-8-5.092.3干潔大氣特點(diǎn)：氣體的組成成分比較穩(wěn)定干潔大氣是永久氣體在

2、氣象學(xué)中，通常將干潔空氣作為“單一”氣體來(lái)處理，其分子量為28.966。干潔大氣中幾種主要?dú)怏w簡(jiǎn)介（1）氮?dú)猓╪itrogen, N2）大氣中含量最多的氣體成份，影響大氣的密 度、氣壓。氮是生命體的重要組成元素，是肥料三要素 之一。在氣象學(xué)中并沒(méi)有特殊的作用。（2）氧氣（oxygen, O2 ）各種生命活動(dòng)不可缺少的物質(zhì)能吸收太陽(yáng)輻射中的紫外線(ultraviolet,UV)，使到達(dá)地面的紫外線減少，同時(shí)影響大氣的溫度（3）臭氧(ozone,O3)生消原因：氧氣分子在太陽(yáng)紫外輻 射的作用下形成。O2O+OO+O2O3 O3+OO2+O2臭氧的時(shí)空分布規(guī)律空間變化特點(diǎn)：10km以下含量很少，20

3、25km濃度最 大，形成明顯的臭氧層（ozone layer)。時(shí)間變化特點(diǎn)：隨季節(jié)而變化，秋季最小，春季最大。臭氧的作用能強(qiáng)烈地吸收太陽(yáng)輻射中的紫外線 保護(hù)了地球上的生命。對(duì)高層大氣有“加熱”作用，使10至50km高度的氣層溫度增高。二氧化碳的作用植物進(jìn)行光合作用、制造有機(jī)物質(zhì)的重 要原料能吸收地面與大氣的紅外輻射(infrared,IR)，對(duì)地面具有保溫作用。（4）二氧化碳（carbondioxideCO2）保溫效應(yīng)示意圖二氧化碳入射的短波輻射長(zhǎng)波輻射大氣中二氧化碳的變化規(guī)律CO2的日變化(diurnal variation)：白天午后達(dá)最低值，日出前后達(dá)最高值CO2的年變化(annual

4、 variation)： 夏季少，秋季達(dá)最低值;冬季多，春季達(dá)最高值。CO2的長(zhǎng)期變化(long-term change)：由于人類(lèi)活動(dòng)，大氣中CO2濃度不斷升高。大氣中CO2濃度的年變化夏威夷1992年至2001年平均二氧化碳濃度的年變化曲線大氣中CO2濃度的長(zhǎng)期變化大氣中CO2濃度的長(zhǎng)期變化水汽的特點(diǎn)是唯一能在自然條件下發(fā)生相變的物質(zhì)， 因此它是天氣變化的最重要的角色。是自然界潛熱最大的物質(zhì)。能吸收地面與大氣的紅外輻射，和二氧化 碳一樣對(duì)地面有保溫效應(yīng)。2.大氣中的水汽(water vapour, moisture)；大氣中的水汽來(lái)源于地面的蒸發(fā)(evaporation)和植物蒸騰(tra

5、nspiration) ，因凝 結(jié)降水而返回地面。處在不斷的循環(huán)之中。分布規(guī)律隨高度減少；與地理因素關(guān)系密切隨時(shí)間變化大。（2）水汽的生消和分布生消3.氣溶膠粒子(aerosol particle)氣溶膠粒子：懸浮在大氣層中沉降速率很小 的固體、液體微粒。組成：有機(jī)物花粉、微生物、細(xì)菌 無(wú)機(jī)物灰燼、塵埃、小水滴等作用：能減弱到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射，影響著地 面與近地層的溫度變化。作為凝結(jié)核(condensation nucleus)，使水汽 凝結(jié)成水滴、冰晶，影響云、降水的形成；2012年6月11日武漢霧霾天氣二、大氣污染大氣狀態(tài)穩(wěn)定，風(fēng)速較小，濕度大，出現(xiàn)了逆溫現(xiàn)象，不利于近地面層的 煙霧擴(kuò)散。

6、顆粒物累積形成遮陽(yáng)層，陽(yáng)光在污染物中多次折射和反射，導(dǎo) 致天空呈現(xiàn)土黃色，形成了籠罩江城的黃色霧霾天氣。15003000米高空二、大氣污染1、大氣污染物大氣污染物：由于人類(lèi)或自然過(guò)程而產(chǎn)生 的對(duì)生物有害的大氣成分。污染物的種類(lèi)(classification of pollutant)：顆粒物含氮化合物 鹵化物含硫化合物 碳氧化物碳?xì)浠衔锝诘臐?jì)南 街頭怪像： 男女老少都 變身為“口 罩黨”，即 使上了公交 車(chē)也“舍不 得”摘下來(lái)。PM2.5？PM ( particulate matter，顆粒物）：大氣中的固體或 液體顆粒狀物質(zhì)。PM2.5：大氣中直徑小于或等于2.5微米的顆粒物，也稱(chēng) 為可

7、入肺顆粒物。PM2.5產(chǎn)生的主要來(lái)源，是日常發(fā)電、工業(yè)生產(chǎn)、汽車(chē) 尾氣排放等過(guò)程中經(jīng)過(guò)燃燒而排放的殘留物，大多含有 重金屬等有毒物質(zhì)。2012年2月，國(guó)務(wù)院同意發(fā)布新修訂的環(huán)境空氣質(zhì)量 標(biāo)準(zhǔn)增加了PM2.5監(jiān)測(cè)指標(biāo)。2001-2006年全球PM 2.5平均值的地圖（ 2010年9月公布）空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)2、大氣污染對(duì)全球氣候的影響酸雨(acid rain)：大氣降水的pH值明顯低于正常值(5.6)的現(xiàn)象。溫室效應(yīng)(greenhouse effect)臭氧洞(ozone hole)酸雨的危害資料一：北歐國(guó)家為什么漁業(yè)減產(chǎn)?50年代初，北歐國(guó)家瑞典和挪威漁業(yè)減產(chǎn)，原 因不明；1959年挪威科學(xué)家才揭示

8、元兇是酸雨。資料二：倫敦和英國(guó)歷史上最嚴(yán)重的空氣污染事件， 發(fā)生在1952年12月4-9日。9日煙霧散開(kāi)后，酸雨酸霧開(kāi)始橫行，雨水的pH值低到1.4-1.9，比檸檬汁還酸。酸雨的危害 危害一：湖泊酸化 危害二：土壤酸化危害三：酸雨與森林衰退 危害四：酸雨與建筑、文物2004年全國(guó)降水酸度分布強(qiáng)酸雨:弱酸雨:降水pH值4.54.5降水pH值5.6由于大氣的溫室效應(yīng)(greenhouse effect)， 并且CO2是主要的溫室氣體，因此其濃度升高 將導(dǎo)致全球變暖。大氣中CO2濃度增加對(duì)全球環(huán)境的影響二氧化碳入射的短波輻射長(zhǎng)波輻射中國(guó)氣象局-瓦里關(guān)全球本底臺(tái)（北緯3617, 東經(jīng)10054, 海拔

9、3816米）大氣 CO2 月平均本底濃度的長(zhǎng)期變化（24個(gè)全球本底站之一）395瓦里關(guān)采樣分析（距地5 米）390瓦里關(guān)現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)觀測(cè)（距地80 米）)m美國(guó)MLO 采樣分析（距地5 米）p385p (380月平均本底濃度3753703652CO360大氣355中國(guó)氣象局美國(guó)國(guó)家海洋與大氣管理局350（提供數(shù)據(jù)圖形）3451990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007年355350380375370365360390385中國(guó)氣象局-瓦里關(guān)全球本底臺(tái)（北緯3617,

10、 東經(jīng)10054, 海拔3816米）大氣 CO2 月平均本底濃度的長(zhǎng)期變化（24個(gè)全球本底站之一）3953451990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007年大氣CO2 月平均本底濃度 (ppm)瓦里關(guān)采樣分析（距地5 米）瓦里關(guān)現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)觀測(cè)（距地80 米） 美國(guó)MLO 采樣分析（距地5 米）中國(guó)氣象局美國(guó)國(guó)家海洋與大氣管理局（提供數(shù)據(jù)圖形）1990-2006年中美CO2月平均本底濃度變化2012年8月已達(dá)到392.4ppm。過(guò)去10年中，大氣CO2濃度以1.8p

11、pm/年的速率增長(zhǎng)，而過(guò)去50年平均僅為1ppm/年。夏威夷Mauna Loa觀象臺(tái)測(cè)量的大氣CO2濃度變化392.4 ppm全球平均溫度實(shí)際變化（圖片源自IPCC 2007）19612009年我國(guó)大部分地區(qū)氣溫呈上升趨勢(shì)，其中北方地區(qū)增 溫明顯，增幅達(dá)0.30.6/10a；黃河以南大部地區(qū)升溫幅度 普遍較小，一般在0.3/10a以下。19612009年全國(guó)溫度變化趨勢(shì)的空間分布(/10a)(氣候變化對(duì)中國(guó)農(nóng)業(yè)影響公報(bào), 2010)氣候變暖的后果冰雪消融，海平面上升;全球變暖將使北極、格陵蘭島、南極 和高山上的積雪融化，導(dǎo)致海平面上升?，F(xiàn)有模式結(jié)果表明，1.94.6的全 球平均增暖（相對(duì)于工業(yè)

12、化前）如果持續(xù) 千年，會(huì)最終導(dǎo)致格陵蘭冰蓋的完全消融， 進(jìn)而導(dǎo)致海平面升高約7m；如果全球冰雪全部消融，全球海平面 將上升約69m！全球變暖將使海平面上升1930年5151970年2000年冰 川面 10積（ 平 方 公 里）2001年（IPCC，2001）1900192019401960198020002020 年乞里馬扎羅山脈（坦桑尼亞）1921年拍攝的西藏絨布冰川2007年拍攝的西藏絨布冰川,冰川已經(jīng)后退 。氣候變暖的后果冰雪消融，海平面上升;全球變暖導(dǎo)致極端天氣頻繁發(fā)生；如寒潮、熱浪、暴雨、龍卷風(fēng)等影響生物的生態(tài)適應(yīng)性；影響農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。種植制度北界空間位移（楊曉光等，2010）

13、氣候變暖對(duì)中國(guó)農(nóng)業(yè)的影響多熟種植界限北移高擴(kuò)，不同地區(qū)影響程度不同稻麥二熟：由長(zhǎng)江流域推進(jìn)到華北平原的北緣 (40N)華北地區(qū)：兩年三熟制已改為冬小麥玉米一 年平播兩作西北地區(qū)：20世紀(jì)90年代與60年代相比，復(fù)種 作物適宜種植區(qū)的海拔高度升高約200m氣候變暖對(duì)中國(guó)農(nóng)業(yè)的影響作物種植界限北移高擴(kuò)水稻可在52N左右的呼瑪?shù)貐^(qū)種植，較20世紀(jì)80年代初北移了約4個(gè)緯度。小麥種植北界由35N擴(kuò)展到39N，北移了約4 個(gè)緯度，可種植小麥的最高海拔也由1800-1900m 上升到了2200m高度。玉米種植向北推移了約4個(gè)緯度，至大興安嶺和伊 春地區(qū)；在西藏地區(qū)，種植的海拔高度由1700-3200m擴(kuò)展

14、到3840m。氣候變暖對(duì)中國(guó)農(nóng)業(yè)的影響30N100E110E120E34N柑橘種植區(qū)北擴(kuò)149.01萬(wàn)公頃48.44萬(wàn)公頃48.69萬(wàn)公頃22.22萬(wàn)公頃59.84萬(wàn)公頃350.99萬(wàn)公頃面積增加面積增加面積減少到21世紀(jì)初，大豆主栽區(qū)存在明顯北移的跡象，主要分布在黑 龍江省大部、吉林的中部東北大豆布局改變，主種植區(qū)北移作物品種布局發(fā)生顯著變化華北地區(qū)種植的強(qiáng)冬性冬小麥因冬季無(wú)法滿(mǎn)足春 化作用對(duì)低溫的要求，被半冬性、甚至弱春性小 麥品種所取代，導(dǎo)致遭受冷害凍害風(fēng)險(xiǎn)加大。近50年來(lái)，河南省冬小麥品種由冬性為主演變到 半冬性、弱春性占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，且其成熟期也明顯 提早。耐高溫水稻品種將在南方占主導(dǎo)地

15、位，并逐漸向 北方發(fā)展。東北地區(qū)乃至全國(guó)大部分地區(qū)水稻種植區(qū)均表現(xiàn) 出由早熟被高產(chǎn)晚熟品種所替代的趨勢(shì)。氣候變暖對(duì)中國(guó)農(nóng)業(yè)的影響農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化由于不同地區(qū)氣候變暖的程度和趨勢(shì)不同，氣候 變化對(duì)農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的影響也不盡相同。2000年，黑龍江省的水稻播種面積由1984年以前 的6%增加到39%，使黑龍江省的糧食作物種植結(jié) 構(gòu)從以小麥和玉米為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐杂衩缀退緸橹?的結(jié)構(gòu)。甘肅省的喜熱作物棉花、玉米和谷子的種植面積 迅速擴(kuò)大，棉花主產(chǎn)區(qū)河西走廊的種植面積較80 年代擴(kuò)大了7倍。氣候變暖對(duì)中國(guó)農(nóng)業(yè)的影響氣候變暖有利于東北地區(qū)的糧食生產(chǎn)明顯緩解了東北地區(qū)冷濕氣候?qū)ψ魑锏蜏乩浜Φ挠绊懷娱L(zhǎng)了作

16、物生長(zhǎng)期有利于引進(jìn)晚熟高產(chǎn)玉米和大豆、高產(chǎn)冬小麥和水稻氣候變暖對(duì)華東和中南地區(qū)的糧食產(chǎn)量影響并不明顯氣候變暖不利于華北、西北和西南地區(qū)的糧食生產(chǎn)這是因?yàn)檫@些地區(qū)大多處于干旱半干旱地區(qū)，溫度升高使作物(越冬作物-冬小麥)生長(zhǎng)發(fā)育加快、生長(zhǎng)期縮短，作物可利用 的有效水資源相對(duì)減少，從而對(duì)糧食生產(chǎn)產(chǎn)生負(fù)面影響。氣候變暖對(duì)中國(guó)農(nóng)業(yè)的影響臭氧洞(ozone hole一個(gè)重要的環(huán)境問(wèn)題20世紀(jì)80年代初，在南極大陸發(fā)現(xiàn)了 臭氧含量明顯減少的大片區(qū)域，稱(chēng)為臭氧 洞。產(chǎn)生原因：人類(lèi)活動(dòng)釋放的大量含氯氟 烴（CFC），對(duì)臭氧層有破壞作用。CFC在高層帶電粒子的作用下會(huì)離解出氯離子Cl- ， 而Cl-在以下過(guò)程中

17、可起催化作用：o3+oo2+o2Cl_1979-1992年南極臭氧洞面積變化圖在2006年9月21日至30日期間，臭氧空洞已經(jīng)達(dá)到歷史 最大，面積約有1060萬(wàn)平方英里，已經(jīng)超過(guò)北美大陸。臭氧層破壞所造成的后果大量對(duì)人類(lèi)和其它生物有害的太陽(yáng)紫 外線可以到達(dá)地面，對(duì)生物產(chǎn)生嚴(yán)重的 傷害。對(duì)人的傷害：皮膚癌、眼癌、青光眼、 白內(nèi)障等疾病的患病率大幅度上升。第二節(jié) 大氣的垂直結(jié)構(gòu)(Vertical Structure of the Atmosphere)大氣在鉛直方向上的物理性質(zhì)有很大的變 化，根據(jù)大氣溫度的垂直分布特點(diǎn)，并考慮 密度、電離狀況等因素，可將大氣分為五層。 一. 對(duì)流層(troposp

18、here) 二.平流層(stratosphere) 三.中間層(mesosphere) 四.熱層(thermosphere) 五.散逸層(exosphere)大氣層中的溫度分布和鉛直分層對(duì)流層平流層中 間 層熱層散逸層一.對(duì)流層(troposphere)厚度：012km（低緯1718km，高緯89km；夏季高于冬季） 對(duì)流層的主要特點(diǎn)：集中了80%以上的大氣質(zhì)量和幾乎全部的水 汽溫度隨高度的升高而降低，平均每100m降 低0.65具有強(qiáng)烈的對(duì)流(convection)與亂流(turbulence)運(yùn)動(dòng)氣象要素(meteorological element)的水平分 布很不均勻?qū)α鲗拥姆謱酉聦樱?/p>

19、（摩擦層、大氣邊界層）1 1.5km中層：1.56km上層：6km對(duì)流層頂對(duì)流層頂(tropopause)：對(duì)流層與平流層 的過(guò)渡，厚度為幾百米2km二.平流層(stratosphere)厚度從對(duì)流層頂向上，一直到55km左右為平 流層。這一層集中了大氣中的大部分臭氧，空氣密 度很小。平流層的主要特點(diǎn)：氣溫隨高度而升高；平流 層頂氣溫可達(dá)-3 -17?？諝庖运竭\(yùn)動(dòng)為主，氣流運(yùn)行平穩(wěn)，沒(méi)有強(qiáng)烈的對(duì)流水汽和塵埃很少，很少有云，透明度好。三.中間層(mesosphere)從平流層頂向上，到85km左右為中間層。主要特點(diǎn)有：溫度隨高度而迅速降低。有強(qiáng)烈的垂直運(yùn)動(dòng)，故又稱(chēng)為高空對(duì)流層 。四.熱層(th

20、ermosphere)從中間層頂向上，到大約800km左右為熱層（又稱(chēng)熱成層、暖層）。主要特點(diǎn)有：氣溫隨高度而升高；300km處氣溫可達(dá)1000，頂部可高達(dá)2000?？諝庠趶?qiáng)烈的太陽(yáng)紫外線與宇宙射線作用 下處于高度電離狀態(tài)，故又稱(chēng)為電離層（ionosphere）五.散逸層( exosphere)熱成層以上為散逸層（又稱(chēng)外層），是 大氣圈與星際空間的過(guò)渡帶。主要特點(diǎn)有：氣溫隨高度很少變化空氣非常稀薄空氣質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度很快，可逃逸 到星際空間2003年10月30日德國(guó)慕尼黑出現(xiàn)北極光極 光二 年 四 月 七 日冰 島南 極 上 空 的 極 光一 九 九 七 年 六 月 四 日中 山 站本圖拍攝于瑞

21、典 阿比斯庫(kù)的極光 太空觀測(cè)站，圖 片顯示了極光有如 一條柔軟的綠色光 帶從天而降，又似 一條綠色的極光瀑 布。2011年10月攝于挪威，在強(qiáng)地磁暴促使下北半球 產(chǎn)生的極光。2012年4月，在瑞 典北部拉普蘭的薩 米村上空，多彩的 極光形成天使翅膀 圖案。極光中的綠色和紫 色是由帶電的太陽(yáng) 粒子與地球大氣層 中的氧和氫碰撞形 成。受影響的空氣 分子被賦予額外的 能量，從而以光的 形式釋放出來(lái)。大氣上界(upper limit of the atmosphere)的確定以物理現(xiàn)象出現(xiàn)的最高高度作為確定上 界的標(biāo)準(zhǔn)：“極光”出現(xiàn)的最大高度為10001200km，因此可確定大氣上界為1200km 左

22、右。以空氣密度作為確定上界的標(biāo)準(zhǔn)：接近 星際空間的氣體密度的高度約為20003000km。氣象要素大氣質(zhì)量及其垂直分布大氣狀態(tài)方程第三節(jié) 大氣的主要物理性質(zhì)（補(bǔ)充內(nèi)容）一二三一.氣象要素氣象要素（meteorological elements)表示大氣狀態(tài)的物理量和物理現(xiàn)象。 包括輻射、氣溫、空氣濕度、氣壓；云、雨、風(fēng)等等。天氣：一地短時(shí)間內(nèi)的大氣物理綜合狀況。 氣候：一地長(zhǎng)期大氣物理狀況的統(tǒng)計(jì)特征。二.大氣質(zhì)量及其垂直分布在地球表面的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，空氣 密度 0=1.293kg/m3，均質(zhì)大氣的厚度 為Z0=7980m而實(shí)際上，大氣密度隨高度按指 數(shù)規(guī)律減?。? zz0e理想氣體狀態(tài)方程m克質(zhì)

23、量的氣體： PV m R*T其中：是分子量，R*=8.31 (J/Kmol)為普適氣體常數(shù)(universal gas constant)三.大氣的狀態(tài)方程（equation of state)理想氣體狀態(tài)方程公式兩邊同除以V:令gas constant)；并取VP m R*T R，即為比氣體常數(shù)(specificR*V m則方程可寫(xiě)為：P RT干空氣狀態(tài)方程干空氣分子量=28.966 (g/mol)干空氣比氣體常數(shù)Rd= R* / =287 (J/kgK)方程為：Pd= d Rd T或d = Pd /（Rd T)注意，式中各量均應(yīng)采用國(guó)際單 位制，氣壓的單位為Pa。水汽狀態(tài)方程水汽比氣體常數(shù)

24、Rw= 461.5 (J/kgK)方程為：e= w Rw T其中：e為水汽壓或w = e / （Rw T）注意，式中各量均應(yīng)采用國(guó)際單 位制，水汽壓e的單位為Pa.大氣狀態(tài)方程應(yīng)用假設(shè)某地700hPa高空溫度為7，試 求該氣層的空氣密度。d = Pd /（Rd T)= 700*100/287*（273+7）= 0.8711 (kg/m3)本章總結(jié)本章重點(diǎn)和難點(diǎn)：明確大氣中各組成成分的作用。掌握二氧化碳、臭氧濃度的變化規(guī)律了解大氣在鉛直方向上各個(gè)層次的主 要特點(diǎn)。掌握大氣的主要物理性質(zhì)。作業(yè)復(fù)習(xí)思考題第一章：二氧化碳的日年化、年變化和長(zhǎng)期變化的特點(diǎn)如 何？為什么會(huì)有這樣的變化？大氣在鉛直方向上可分為哪幾層？其中最低的一 層有什么特點(diǎn)？根據(jù)氣體的狀態(tài)方程，說(shuō)明當(dāng)一塊空氣的溫度比 同高度上周?chē)諝鉁囟雀呋虻蜁r(shí)，這塊空氣在 鉛直方向上的運(yùn)動(dòng)情況。參考文獻(xiàn)馮秀藻，陶炳炎等.農(nóng)業(yè)氣象學(xué)原理. 北京：氣象出版社. 1991周淑貞. 氣象學(xué)與氣候?qū)W.北