地理學(xué)概論-04大氣圈與氣候分異

大氣圈第五章大氣圈與氣候分異規(guī)律第一節(jié)大氣圈的組成與結(jié)構(gòu)第二節(jié)

大氣運(yùn)動(dòng)第三節(jié)物質(zhì)輸移第四節(jié)能量傳輸?shù)谖骞?jié)氣候分異規(guī)律第六節(jié)大氣與人類大氣圈的組成與結(jié)構(gòu)

大氣圈的組成:地球表面的大氣主要由氮（N2）、氧（O2）、氬（Ar）等氣體組成。大氣圈的結(jié)構(gòu)：整個(gè)大氣分為對(duì)流層、平流層以及高空的中間層、暖層和散逸層：對(duì)流層大氣的最底層，它的底界是地面。對(duì)流層有三個(gè)主要特征：氣溫隨高度升高而降低；空氣的對(duì)流運(yùn)動(dòng)顯著；天氣現(xiàn)象復(fù)雜多變。平流層從對(duì)流層頂以上到50～55km高度為平流層。中間層自平流層頂?shù)?0～85km左右為中間層。暖層自中間層頂?shù)?00km高空為暖層，又稱熱層。散逸層暖層以上的最高層大氣稱為散逸層，又稱外層。

第五章大氣的組成第五章大氣的組成成分氮（N2）氧（O2）氬（Ar）二氧化碳CO2）氖（Ne）氦（He）氪（Kr）氡（Rn）氙（Xe）甲烷（CH4）一氧化二氮（O2）成分臭氧（O3）體積混合比體積混合比0.209470.000351.82X10-60.009340.780830.5X10-65.2X10-61.1X10-61.7X10-60.1X10-60.3X10-6(10～50)X10-8表大氣的組成

地球大氣主要是由氮和氧等組成。目前，人們關(guān)心最多的含量較少、壽命較短的微量和痕量成分，如二氧化碳、臭氧、水汽及氣溶膠等。這是因?yàn)楸M管他們的濃度很低，但他們?cè)诖髿庵械臐舛染休^大的時(shí)空變化，對(duì)地氣系統(tǒng)熱量的收支、大氣溫度的垂直結(jié)構(gòu)及人類有著明顯的影響。第五章大氣的主要?dú)怏w成分、含量及分子量分子量主要?dú)怏w成分空氣中的含量/按體積％平均滯留期/年氮（N2）氧（O2）氬（Ar）二氧化碳（CO2）臭氧（O3）甲烷（CH4）水汽（H2O）78.0820.950.930.03（可變）0.000001（可變）0.000165可變10610410915？710天28.0232.0039.9444.0048.0016.0418

地球大氣是多種氣體的混合物。主要是由氮和氧組成，他們共占大氣體積的99%，其中，氮占大氣體積的78%，氧占21%。此外還有氫、二氧化碳、臭氧、水汽和固體雜質(zhì)等，他們的氣體含量極少，其總和約占大氣體積的1%。表大氣氣體的主要成分及含量第五章大氣臭氧濃度隨高度的變化（引自《大氣科學(xué)辭典）

臭氧的濃度隨高度的分布，具有不連續(xù)或突變現(xiàn)象。大氣中O3主要存在于10～50km的大氣層中，絕大部分集中在平流層，對(duì)流層只占了10%左右。近地面層臭氧含量少，從10km高度開(kāi)始增加，到20～30km高度濃度達(dá)到最大值，稱為“臭氧層”，再往上逐漸減少，到50Km以上就極少了。這是由于不同高度上O3的形成條件不同造成的。

據(jù)觀測(cè)，大氣中CH4的增加將引起對(duì)流層O2的增加，而N2O和CFCs的增加將引起平流層O3的減少。第五章大氣臭氧的季節(jié)變化和緯度分布（引自《大氣科學(xué)辭典》）

大氣臭氧的分布隨緯度和季節(jié)的不同而不同：對(duì)緯度而言，臭氧總量的極小值在赤道附近，極大值在南北緯60o附近；就季節(jié)而言，春季出現(xiàn)極大值，秋季出現(xiàn)極小值。第五章大氣中溫度、密度以及物質(zhì)成分的分層結(jié)構(gòu)

由于地球引力作用，大氣密度隨高度的增加逐漸減小，到大氣上界，逐漸過(guò)渡為星際氣體密度。從地面到高空，不僅大氣的密度、成分不同，大氣的溫度也存在著明顯的變化?？梢赃@么認(rèn)為：地球大氣在垂直方向上形成三個(gè)相對(duì)的暖層和兩個(gè)相對(duì)的冷層。

世界氣象組織（WMO）根據(jù)氣溫從地面到高空垂直方向的分布，將整個(gè)大氣分成對(duì)流層、平流層以及中間層、暖層和散逸層。第五章大氣的運(yùn)動(dòng)水平氣壓梯度力：在存在著氣壓梯度的地方，空氣分子受到力的作用，驅(qū)使著空氣沿著和氣壓梯度相同的方向移動(dòng)的力，它是促使空氣從靜止到運(yùn)動(dòng)的原動(dòng)力。地轉(zhuǎn)偏向力（科里奧利力）：由于地球的自轉(zhuǎn)，地球表面運(yùn)動(dòng)的物體都會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)方向的偏轉(zhuǎn)。導(dǎo)致地球表面運(yùn)動(dòng)物體方向偏轉(zhuǎn)的力。在地轉(zhuǎn)偏向力的作用下，地表運(yùn)動(dòng)的物體，在北半球向右偏轉(zhuǎn)，在南半球向左偏轉(zhuǎn)。大氣的輻合：在低壓中心附近，大氣由周圍向中心集中。大氣的輻散：在高壓中心附近，大氣向周圍散開(kāi)。氣旋、反氣旋：旋轉(zhuǎn)著的向低壓中心輔合的大氣系統(tǒng)叫做氣旋，旋轉(zhuǎn)著的由高壓中心向外輔散的大氣系統(tǒng)叫做反氣旋。由于受地轉(zhuǎn)偏向力的作用，氣旋、反氣旋旋轉(zhuǎn)的方向正好相反。第五章

大氣的運(yùn)動(dòng)

大氣環(huán)流:在太陽(yáng)輻射、地球自轉(zhuǎn)、地表面性質(zhì)以及地面摩擦的共同作用，使得大氣圈內(nèi)的空氣產(chǎn)生了不同規(guī)模的三維運(yùn)動(dòng)。

季風(fēng)：大范圍地區(qū)，盛行風(fēng)隨季節(jié)變化而發(fā)生有規(guī)律改變的現(xiàn)象。

局地環(huán)流：

海陸風(fēng)：發(fā)生在沿海地區(qū)的、白天吹海風(fēng)、夜間吹陸風(fēng)、以一日為周期的周期性風(fēng)系

高原季風(fēng)：高聳挺拔的大高原，由于它與周圍自由大氣的熱力差異所形成的冬夏相反的盛行風(fēng)系。

山谷風(fēng)：在山區(qū)，白天從谷地吹向山坡、夜間從山坡吹向谷地，以一日為周期的周期性風(fēng)系。

焚風(fēng)：山后的空氣溫度比山前同高度上空氣的溫度要高得多，濕度也小得多，形成了沿著背風(fēng)坡向下吹的既熱且干的風(fēng)

城市熱島：城市的溫度一般高于周圍的郊區(qū)和農(nóng)村。第五章科里奧利力與地面運(yùn)動(dòng)物體方向的偏轉(zhuǎn)

由于地球的自轉(zhuǎn)，地球表面運(yùn)動(dòng)的物體都會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)方向的偏轉(zhuǎn)。在北半球運(yùn)動(dòng)物體向右偏轉(zhuǎn)，在南半球則向左偏轉(zhuǎn)。導(dǎo)致地球表面運(yùn)動(dòng)物體方向偏轉(zhuǎn)的力，叫做地轉(zhuǎn)偏向力，又叫做科里奧利力。地轉(zhuǎn)偏向力具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）這個(gè)力只改變物體的運(yùn)動(dòng)方向，不改變物體的運(yùn)動(dòng)速度；（2）這個(gè)力的作用方向總是與物體的運(yùn)動(dòng)方向垂直；（3）這個(gè)力的大小與物體運(yùn)動(dòng)的線速度成正比；（4）這個(gè)力的大小與緯度的正弦成正比，在赤道處為零，向兩極地區(qū)逐步增大第五章氣旋、反氣旋北半球南半球氣旋反氣旋

大氣在氣壓梯度力的作用下，由高壓區(qū)流向低壓區(qū)。在高壓中心附近，大氣向周圍流動(dòng)，也就是大氣的輻散；在低壓中心附近，大氣由周圍向中心集中，也就是大氣的輻合。由于地轉(zhuǎn)偏向力的作用，大氣的輻合與輻散形成了氣旋、反氣旋。所謂氣旋就是指呈螺旋狀向內(nèi)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的大氣叫做氣旋，反之呈螺旋狀向外旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的大氣叫做反氣旋。由于地轉(zhuǎn)偏向力的作用方向在南北半球相反，因此氣旋與反氣旋在南北半球旋轉(zhuǎn)的方向相反。第五章氣流的輻散和輻合、氣旋和反氣旋的相互關(guān)系

（據(jù)Strahler改繪）輻散、反氣旋輻合、氣旋輻散、反氣旋輻合、氣旋對(duì)流層頂近地面

大氣的輻合、輻散與氣旋、反氣旋的關(guān)系及其在空間的聯(lián)系如圖所示：氣旋對(duì)應(yīng)于大氣輻合，反氣旋對(duì)應(yīng)于大氣輻散；地面輻合則高空輻散，高空輻合則地面輻散。第五章單圈環(huán)流

在太陽(yáng)輻射的直接加熱作用下，地球高低緯度之間形成了從赤道向兩極的溫度梯度，結(jié)果使低緯赤道地區(qū)的大氣不斷增溫而膨脹上升；而極地大氣因不斷冷卻而收縮下沉。為保持靜力平衡，上層大氣必然出現(xiàn)向極地的氣壓梯度，氣流由赤道流向極地；低層則出現(xiàn)指向赤道的氣壓梯度，氣流由極地流向赤道。假設(shè)地球表面性質(zhì)均一且地球不自轉(zhuǎn)，那么，在赤道和極地之間就形成了一個(gè)單一的閉合的直接熱力環(huán)流圈。第五章現(xiàn)在地球上的大氣環(huán)流圖（三圈環(huán)流）

然而,空氣一旦開(kāi)始運(yùn)動(dòng),地轉(zhuǎn)偏向力就隨之發(fā)生作用.正是由于地轉(zhuǎn)偏向力的存在,就不可能存在一個(gè)單一的閉合的熱力環(huán)流,而在全球近地面氣層形成了赤道低壓帶、副熱帶高壓帶、副極地低壓帶、極地高壓帶。第五章北半球夏季（7月）近地面大氣環(huán)流狀況北半球夏季（7月）

大范圍區(qū)域盛行風(fēng)隨季節(jié)變化而發(fā)生有規(guī)律改變的現(xiàn)象，稱為季風(fēng)。季風(fēng)的形成與多種因素有關(guān)，最主要的是由于海陸間熱力性質(zhì)的差異造成的，其次是由于行星風(fēng)系的季節(jié)移動(dòng)而形成的。第五章北半球冬季（1月）近地面大氣環(huán)流狀況第五章海陸風(fēng)環(huán)流

海陸風(fēng)是指發(fā)生在沿海地區(qū)的、白天吹海風(fēng)、夜間吹陸風(fēng)、以一日為周期的周期性風(fēng)系。它也是由于海陸的熱力性質(zhì)的差異引起的，但影響的范圍僅限于沿海地區(qū)。在沿海地區(qū)，白天，陸地增溫快，陸面氣溫高于海面，近地面空氣上升形成低壓，氣流從海洋流向陸地，形成海風(fēng)；夜間相反，陸地降溫快，陸面氣溫低于海面，形成陸風(fēng)。

海陸風(fēng)對(duì)沿海地區(qū)的天氣和氣候有著明顯的影響：白天，海風(fēng)攜帶著海洋水汽輸向大陸沿岸，使沿海地區(qū)多霧多低云，降水量增多，同時(shí)還調(diào)節(jié)了沿海地區(qū)的溫度，使夏季不致過(guò)于炎熱，冬季不過(guò)于寒冷。海風(fēng)陸風(fēng)第五章青藏高原與平均經(jīng)向環(huán)流（Molnar，1993）

高聳挺拔的大高原，由于它與周圍自由大氣的熱力差異所形成的冬夏相反的盛行風(fēng)系，稱為高原季風(fēng)。以青藏高原季風(fēng)最為典型。冬季高原面上出現(xiàn)冷高壓，氣流從高原向四周流動(dòng)；夏季高原面上出現(xiàn)熱低壓，氣流從四周流向高原。高原季風(fēng)對(duì)環(huán)流和氣候的影響很大，尤其在東亞和南亞季風(fēng)區(qū)。同時(shí)，在冬夏不同的季節(jié)，高原季風(fēng)環(huán)流的方向與東亞地區(qū)因海陸熱力性質(zhì)差異所形成的季風(fēng)的方向完全一致，兩者疊加起來(lái)，使得東亞地區(qū)的季風(fēng)（尤其冬季風(fēng)）勢(shì)力特別強(qiáng)盛，厚度特別大。第五章山谷風(fēng)(b）山風(fēng)（a）谷風(fēng)

在山區(qū)，白天從谷地吹向山坡、夜間從山坡吹向谷地，以一日為周期的周期性風(fēng)系，稱為山谷風(fēng)（見(jiàn)下圖）。白天，因?yàn)樯狡律系目諝獗韧叨鹊淖杂纱髿庠鰷貜?qiáng)烈，空氣從谷地沿坡向上爬升，形成谷風(fēng)；夜間由于山坡輻射冷卻，冷空氣沿坡下滑，從山坡流入谷地，形成山風(fēng)。第五章焚風(fēng)

當(dāng)流經(jīng)山地的濕潤(rùn)氣流受到山地阻擋時(shí)，被迫沿坡絕熱爬升，這時(shí)按照干絕熱遞減率降溫。當(dāng)達(dá)到水汽凝結(jié)高度時(shí)，形成云，此后按照濕絕熱遞減率降溫，逐漸形成降水，空氣繼續(xù)沿坡上升，降水也不斷發(fā)生。當(dāng)越過(guò)山頂以后，空氣沿坡下沉增溫，水汽含量大為減少，按照干絕熱遞減率下沉壓縮升溫。由于干絕熱溫度變化率比濕絕熱溫度變化率大。過(guò)山后的空氣溫度比山前同高度上空氣的溫度要高得多，濕度也小得多，形成了沿著背風(fēng)坡向下吹的既熱且干的風(fēng)，稱為焚風(fēng)。第五章“城市熱島”

城市人口集中，工業(yè)發(fā)達(dá)，居民生活、工業(yè)生產(chǎn)及交通工具每天釋放出大量的人為熱，導(dǎo)致城市熱力過(guò)程的總效應(yīng)為：城市的溫度一般高于周圍的郊區(qū)和農(nóng)村，城市尤如一個(gè)溫暖的島嶼，稱為“城市熱島”。這主要是城市上空通過(guò)亂流擴(kuò)散從暖的建筑物得到顯熱，并且吸收城市表面和污染層放出的長(zhǎng)波輻射的結(jié)果。由于熱島效應(yīng)的存在，城市的年平均溫度要比郊區(qū)高0.5～1℃。第五章物質(zhì)輸移水汽的輸移：垂直傳輸；水平傳輸（高低緯間輸送；海陸間輸送）。氣溶膠的輸移：源地附近濃度大，逐漸向四周及上空擴(kuò)散輸移。

二氧化碳的輸移：CO2從源區(qū)向四周及上層大氣擴(kuò)散輸移。第五章能量傳輸高低緯間的傳輸：主要依靠全球性的大氣環(huán)流（顯熱和潛熱）及洋流來(lái)實(shí)現(xiàn)的。海陸間的傳輸：冬季，海洋是熱源，大陸是冷源，熱量從海洋輸向大陸。越近海洋，輸熱越多，氣溫越高。高低空之間的傳輸：在對(duì)流層中，由于空氣的對(duì)流，高低空之間也在進(jìn)行著能量的傳輸。第五章熱量輸送和地球上的熱量平衡（Strahler）

由赤道向極地的高低緯之間的熱量傳輸，主要依靠全球性的大氣環(huán)流（顯熱和潛熱）及洋流來(lái)實(shí)現(xiàn)的，并隨緯度和季節(jié)而異。從緯度看，全球能量的輸送是從南北緯35o之間的輻射差額正值區(qū)向緯度高于35o的負(fù)值區(qū)輸送，就平均而言，輸送量以緯度40o附近為最大值。第五章氣候分異規(guī)律氣溫分異：氣溫的分布主要受緯度、海陸、地形、海拔高度等因素的制約，其中緯度因素決定了氣溫的緯度地帶性分異，而海陸、地形及海拔高度則成為氣溫非地帶性分異的因素。

濕度和降水的分異：海洋上空水汽充沛，濕度大，而陸地上空相對(duì)缺乏，濕度較小。沿海地區(qū)，隨著向陸地內(nèi)部的逐漸過(guò)渡，濕度也逐漸減小。

氣候分異:

緯度地帶性：氣候形成的主導(dǎo)因素是太陽(yáng)輻射在地表的加熱不均，以及由此產(chǎn)生的全球氣壓帶、風(fēng)帶的分布及季節(jié)移動(dòng)，導(dǎo)致氣候類型普遍具有沿緯度更替的趨向。