第六章大氣圈
§1 大氣的組成和結構
1．1大氣的組成
現在的大氣圈是地球長期演化的結果，其發育和演變又受到地球其他圈層發育演變的影響。由於大氣中存在著空氣的對流運動、湍流運動和分子擴散，大約在100km高度以下氣體混合均勻而稱為組成均勻的均勻層，此層以上稱為非均勻層。均勻層中的大氣可以看作是由幹潔大氣、水汽及氣溶膠質粒子三部分組成的。
(1)幹潔大氣
幹潔大氣主要成分是氮、氧和氬，合占幹潔大氣總容積的99.9％。還有少量的二氧化碳、臭氧、各種氮氧化合物及其他一些惰性氣體。幹潔大氣的分子量為28.966。
大氣中的氮、氧豐富，對生物有重大意義。大氣中臭氧和二氧化碳含量雖然很少，但它們對人類活動和天氣、氣候變化有很大影響。高空臭氧的形成主要是氧分子吸收了波長在0.
1~0.24um的太陽紫外輻射後形成氧原子，而後氧原子在第三種中性粒子的參與下，很快與氧分子結合形成臭氧。低空的臭氧一部分是從高空輸送而來，一部分是由閃電、有機物氧化而成。
後者過程不經常發生，故低空臭氧含量少，且不固定。在大氣更高層次中，由於紫外輻射強度很大，氧分子接近完全分解，使臭氧難以形成。在垂直方向臭氧濃度最大出現在20-30km間，稱為臭氧層。
觀測表明，在垂直氣柱所包含的臭氧總量隨季節和緯度變化。由於20世紀30年代初以來對製成的氟氯烴(cfcs)的大量使用等使大氣臭氧層正在遭到破壞。
二氧化碳主要**於有機物的燃燒、腐爛以及生物的呼吸，礦泉、地裂隙和火山噴發也向大氣臭排出二氧化碳。所以大氣中的二氧化碳也隨時間和空間而變化。由於人類活動影響的加劇，使大氣中二氧化碳含量在急劇增加。
(2)水汽
大氣中的水汽**於海洋、湖泊、江河、沼澤、潮濕地面及植物表面的蒸發或蒸騰作用。大氣中的水汽含量隨時間、空間和條件不同有較大的變化，按容積計，其變化範圍在0％-4％之間。大氣中的水汽一般是低緯地區大於高緯地區，沿海地區大於內陸地區，夏季大於冬季。
在垂直方向水汽含量迅速減小，觀測表明，在1.5-2km高度處空氣中水汽含量只有地面附近的1／2，在5km高度只有地面的1／10。
(3)氣溶膠粒子
大氣氣溶膠粒子是指懸浮於空氣中的液體和固體粒子，包括水滴、冰晶、懸浮著的固體灰塵微粒、煙粒、微生物、植物的孢子花粉以及各種凝結核和帶電離子等。它是低層大氣的重要組成部分；是自然現象和人類活動的產物。
1.2大氣的結構
(1)大氣的垂直分層
地球大氣的總質量估計為5.27×1015t，它在垂直方向的分布是不均勻的，主要集中在大氣圈的底部，其中一半在0~5km高度範圍內，10km以下集中了75％，30km以下集中了90％。大氣圈頂部沒有截然的界限，而是逐步過渡到地球大氣和瀰漫在星際空間密度極小的"星際氣體"聯接起來。
觀測表明，大氣的物理性質在垂直方向是不均勻的，可按照其各種特性的差異將大氣分為若干層次。按大氣溫度隨高度分布的特徵可把大氣分為對流層、平流層、中間層、熱層和外層。按照大氣各組成成分的混合狀況，可把大氣分為均勻層和非均勻層。
按大氣電離狀況，可分為電離層和非電離層。按大氣的光化學反應還可分出臭氧層。
對流層大氣圈的最下一層，平均厚度在高緯度地區為8-9km，中緯度地區為10-12km，低緯度地區為17-18km。夏季厚度大於冬季。對流層厚度不到整個大氣圈的1％，但集中了大氣質量的3／4，大氣水汽的90％。
對流層受地球表面的影響最大，層內對流旺盛，大氣中的主要天氣現象如雲、霧、雨、雪、雹都形成在此層內。對流層中溫度一般隨高度的公升高而降低，垂直溫度梯度(在垂直方向南度變化100m時氣溫的變化值)平均為0．65℃／100m。對流層頂的溫度降至零下幾十度。
對流層對人類的影響最大，通常所說的大氣汙染就是對此層而言。
平流層從對流層頂以上到大約50km左右高度為平流層。平流層中氣溫隨高度公升高初時不變，後反而公升高，這主要是地面輻射減少和氧及臭氧對太陽輻射吸收加熱的結果。這樣的溫度分布抑制了空氣對流。
此層內氣流比較平穩，是噴氣式飛機飛行的理想場所。由於水汽和塵埃含量少，而無對流層中那種劇烈的雲雨天氣現象。
中間層平流層頂以上到大約80km的一層為中間層。此層中氣溫又隨高度公升高而降低，其頂部溫度可降至－113～ -83℃。由於垂直溫度梯度大，有相當強的垂直混合。
該層內水汽極少，幾乎沒有雲層出現。
熱層中間層頂以上為熱層。該層溫度隨高度增高而迅速公升高。由於太陽輻射中波長小於0．17um的紫外線幾乎全被該層中的分子氧和原子氧吸收，並且吸收的能量大部分用於氣層的增溫，加之氣層內分子稀少，熱量無法通過熱量傳輸的方法傳遞出去，因此熱層溫度達1000k以上。
熱層沒有明顯的頂部，通常認為溫度從增溫轉為等溫時為熱層頂。在太陽活動寧靜時，頂高約250km，當太陽活動強烈時，頂高約500km。
外層是指熱層以上的大氣層。為大氣圈向星際空間的過渡地帶。在那裡空氣極為稀薄，溫度隨高度很少變化。
由於那裡地球引力很小，空氣分子運動的平均自由度很大，使一些高速運動的空氣質點不斷向星際空間逃逸，故又稱散逸層。
(2)對流層中的水平非均一現象——氣團和鋒
氣團大氣的物理性質在垂直方向和水平方向都呈現非均一現象。在對流層中，空氣的狀態受下墊面的影響很大，如果空氣較長時間停留在比較均勻的下墊面上，空氣和下墊面進行熱量和水分等交換，在此表面性質的影響下，空氣從而獲得新的溫度和濕度等特性。例如長時間停留在寒冷大陸上的空氣，便具有寒冷乾燥的性質；而長期停留在熱帶海洋上的空氣則具有濕熱的性質。
因而我們把水平方向上物理屬性(如溫度、濕度、穩定度等)比較均勻的巨大空氣塊稱做氣團。乙個氣團的水平範圍可達幾百萬平方千公尺以上，垂直尺度可達幾千公尺到十幾千公尺以上。
鋒面兩種不同性質的氣團之間有乙個過渡區，在過渡區中氣象要素值發生急劇變化，這個過渡區稱為鋒區。鋒區與地面斜交，坡度很小，只幾分到1度左右。鋒區與地面的交線稱鋒線，長幾百至幾千千公尺。
鋒面向冷氣團一側延伸的距離可達1000km。因鋒區的厚度與氣團尺度相比要小得多，而把它視為乙個面，即稱為鋒面，有時將鋒面和鋒線均簡稱為鋒。
§2 大氣的熱力狀況
2．1 太陽輻射、大氣輻射和地面輻射
(1)太陽輻射
太陽輻射是地球表層能量的主要**。太陽輻射在大氣上界的分布是由地球的天文位置決定的，稱此為天文輻射。由天文輻射決定的氣候稱為天文氣候。
天文氣候反映了全球氣候的空間分布和時間變化的基本輪廓。
除太陽本身的變化外，天文輻射能量主要決定於日地距離、太陽高度角和晝長。
地球繞太陽公轉的軌道為橢圓形，太陽位於兩個焦點中的乙個焦點上此，日地距離時刻在變化。每年1月2日至5日經過近日點，7月3日至4過遠日點。地球上接受到的太陽輻射的強弱與日地距離的平方成反比。
太陽光線與地平面的夾角稱為太陽高度角，它有日變化和年變化。太陽高度角大，則太陽輻射強。
白晝長度指從日出到日落之間的時間長度。赤道上四季白晝長度均為12小時，赤道以外晝長四季有變化，40緯度的春、秋分日晝長12小時，夏至和冬至日晝長分別為14小時51分和9小時09分，到緯度6633ˊ出現極晝和極夜現象。南北半球的冬夏季節時間正好相反。
天文輻射的時空變化特點是：①全年以赤道獲得的輻射最多，極地最少。這種熱量不均勻分布，必然導致地表各緯度的氣溫產生差異，在地球表面出現熱帶、溫帶和寒帶氣候；②天文輻射夏大冬小，它導致夏季溫高冬季溫低。
大氣對太陽輻射的削弱作用包括大氣對太陽輻射的吸收、散射和反射。太陽輻射經過整層大氣時，0.29um以下的紫外線幾乎全部被吸收，在可見光區大氣吸收很少。
在紅外區有很強的吸收帶。大氣中吸收太陽輻射的物質主要有氧、臭氧、水汽和液態水，其次有二氧化碳、甲烷、一氧化二氮和塵埃等。
雲層能強烈吸收和散射太陽輻射，同時還強烈吸收地面反射的太陽輻射。雲的平均反射率為0.50-0.55。
經過大氣削弱之後到達地面的太陽直接輻射和散射輻射之和稱為太陽總輻射。就全球平均而言，太陽總輻射只佔到達大氣上界太陽輻射的45％。總輻射量隨緯度公升高而減小，隨高度公升高而增大。
一天內中午前後最大，夜間為0；一年內夏大冬小。
(2)地面和大氣輻射
地面和大氣吸收了太陽輻射，溫度公升高。地面和大氣本身也成為輻射體不斷向外放出輻射。由於地面和大氣溫度相對於太陽來說很低，而太陽輻射能在可見光線、紅外線和紫外線分別佔50％、43％和7％，即集中於短波波段，故將太陽輻射稱為短波輻射，地面和大氣輻射稱為長波輻射。
地面向大氣放出的輻射75％-95％為大氣所吸收，大氣輻射中有一半指向地面(這部分稱為大氣逆輻射)，地面對大氣輻射也幾乎全部吸收。大氣的這種作用稱為大氣的保溫效應。
(3)輻射差額
輻射差額(又稱淨輻射或輻射平衡)是指所考慮的系統在一定時間內各種輻射收入與支出的差值，它一般不為0，可正可負。正時表示輻射能盈餘，能量增加，溫度公升高，如白晝和夏季；負時表示輻射能虧空，能量減少，溫度降低，如夜間和冬季。地面輻射差額符合這一規律。
把地面和大氣視為乙個系統的輻射差額稱為地氣系統輻射差額，以年平均而言，在35s-35n之間的區域為正值區，以外為負值區。這種高低緯之間的能量差異是導致大氣環流和海洋洋流產生的基本原因。
2.2 空氣溫度
(1)溫度的概念
空氣溫度簡稱氣溫，是描述空氣冷熱程度的物理量。空氣獲得熱量時，氣溫公升高，失去熱量時氣溫降低。中國氣象台站地面觀測的氣溫是指距離地面1.
5m高度的百葉箱內溫度，溫標為攝氏溫度(℃)。氣象台站觀測時間世界統一，中國為北京時02、08、14和20時。4次觀測溫度的平均值稱為日平均氣溫，各月日平均氣溫的平均值稱為月平均氣溫。
一年中的日平均溫度的平均值稱為年平均溫度。氣象台站還每日觀測最高氣溫和最低氣溫。
空氣的增溫和冷卻是通過輻射能的收支、對流(上下迴圈流動)及湍流(流體的不規則運動)的顯熱輸送、水分蒸發和水汽凝結過程中的熱量轉換來進行的。
顯熱：物體在加熱或冷卻過程中，溫度公升高或降低而不改變其原有相態所需吸收或放出的熱量。
顯熱輸送：通過暖空氣上公升或冷暖空氣混合進行的直接能量交換。
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