【文章內容簡介】 素都有明顯的日變化。行星邊界層以上的大氣層稱為自由大氣。在自由大氣中，地球表面的摩擦作用可以忽略不計。在對流層的最上層，介于對流層和平流層之間，還有一個厚度為數(shù)百米到1—2km的過渡層，稱為對流層頂。這一層的主要特征是：氣溫隨高度的增加突然降低緩慢，或者幾乎不變，成為上下等溫。對流層頂?shù)臍鉁卦诘途暤貐^(qū)平均為83℃，在高緯地區(qū)約為53℃。該層可阻擋對流層中的對流運動，從而使下邊輸送上來的水汽微塵聚集在其下方，使該處大氣的混濁度增大。自對流層頂?shù)?5km左右為平流層。在平流層內，隨著高度的增高，氣溫最初保持不變或微有上升。大約到30km以上，氣溫隨高度增加而顯著升高，在55km高度上可達3℃。平流層這種氣溫分布特征是和它受地面溫度影響很小，特別是存在著大量臭氧能夠直接吸收太陽輻射有關。雖然30km以上臭氧的含量已逐漸減少，但這里紫外線輻射很強烈，故溫度隨高度增加得以迅速增高，造成顯著的暖層。平流層內氣流比較平穩(wěn)，空氣的垂直混合作用顯著減弱。平流層中水汽含量極少，大多數(shù)時間天空是晴朗的。有時對流層中發(fā)展旺盛的積雨云也可伸展到平流層下部。在高緯度20km以上高度，有時在早、晚可觀測到貝母云（又稱珍珠云）。平流層中的微塵遠較對流層中少，但是當火山猛烈爆發(fā)時，火山塵可到達平流層，影響能見度和氣溫。自平流層頂?shù)?5km左右為中間層。該層的特點是氣溫隨高度增加而迅速下降，并有相當強烈的垂直運動。在這一層頂部氣溫降到113℃—83℃，其原因是由于這一層中幾乎沒有臭氧，而氮和氧等氣體所能直接吸收的那些波長更短的太陽輻射又大部分被上層大氣吸收掉了。中間層內水汽含量更極少，幾乎沒有云層出現(xiàn)，僅在高緯地區(qū)的75—90km高度，有時能看到一種薄而帶銀白色的夜光云，但其出現(xiàn)機會很少。這種夜光云，有人認為是由極細微的塵埃所組成。在中間層的60—90km高度上，有一個只有白天才出現(xiàn)的電離層，叫做D層。熱層又稱熱成層或暖層，它位于中間層頂以上。該層中，氣溫隨高度的增加而迅速增高。（主要是原子氧）所吸收的緣故。其增溫程度與太陽活動有關，當太陽活動加強時，溫度隨高度增加很快升高，這時500km處的氣溫可增至2000K；當太陽活動減弱時，溫度隨高度的增加增溫較慢，500km處的溫度也只有500K。熱層沒有明顯的頂部。通常認為在垂直方向上，氣溫從向上增溫至轉為等溫時，為其上限。在熱層中空氣處于高度電離狀態(tài)，其電離的程度是不均勻的。其中最強的有兩區(qū)，即E層（約位于90—130km）和F層（約位于160—350km）。F層在白天還分為F1和F2兩區(qū)。據(jù)研究高層大氣（在60km以上）由于受到強太陽輻射，迫使氣體原子電離，產生帶電離子和自由電子，使高層大氣中能夠產生電流和磁場，并可反射無線電波，從這一特征來說，這種高層大氣又可稱為電離層，正是由于高層大氣電離層的存在，人們才可以收聽到很遠地方的無線電臺的廣播。此外，在高緯度地區(qū)的晴夜，在熱層中可以出現(xiàn)彩色的極光。這可能是由于太陽發(fā)出的高速帶電粒子使高層稀薄的空氣分子或原子激發(fā)后發(fā)出的光。這些高速帶電粒子在地球磁場的作用下，向南北兩極移動，所以極光常出現(xiàn)在高緯度地區(qū)上空。這是大氣的最高層，又稱外層。這一層中氣溫隨高度增加很少變化。由于溫度高，空氣粒子運動速度很大，又因距地心較遠，地心引力較小，所以這一層的主要特點是大氣粒子經常散逸至星際空間，本層是大氣圈與星際空間的過渡地帶。從總體來講，大氣是氣候系統(tǒng)中最活躍，變化最大的組成部分，1015MJ，且熱慣性小。當外界熱源發(fā)生變化時，通過大氣運動對垂直的和水平的熱量傳輸，使整個對流層熱力調整到新熱量平衡所需的時間尺度，大約為1個月左右，如果沒有補充大氣的動能過程，動能因摩擦作用而消耗盡的時間大約也是1個月。二、水圈、陸面、冰雪圈和生物圈概述（一）水圈水圈包括海洋、湖泊、江河、地下水和地表上的一切液態(tài)水，其中海洋在氣候形成和變化中最重要。海洋是由世界大洋和鄰近海域的含鹽海水所組成。，約占地球表面的71％。由圖13可見，海洋的分布在南北半球是不對稱的。在北極，是由大陸包圍著的北冰洋，而南極則是廣大海洋包圍著的南極大陸。南半球海洋的面積遠大于北半球。海洋被插入其中的大陸分隔成不同的區(qū)域，按其大小而言，依次有太平洋、大西洋、印度洋和北冰洋。海水是由液態(tài)水和溶于水中的鹽分及氣體所組成的。在每1000g海水中溶有NaCl23g，MgCl2和Na2S分別為5g和4g，此外還有少量CaCl2和KCl及其它微量鹽分。海水中還溶有少量的大氣中的各種氣體，其中以O2和CO2對海洋生物過程和氣候過程十分重要。由于海洋對太陽輻射的反射率比陸面小，海洋單位面積所吸收的太陽輻射能比陸地多25％—50％。全球海洋表層的年平均溫度要比全球陸面溫度約高10℃左右。海面受熱后由于波浪的作用，將熱量向下傳輸混合，產生一個暖層。暖層平均水溫在20—25℃左右。在暖層之下水溫迅速下降，成為斜溫層。斜溫層之下是水溫很低的第三層。在第三層底部水溫約在0—5℃左右。在極地海洋地區(qū)從表面至洋底皆為冷水層。據(jù)估算，到達地表的太陽輻射能約有80％為海洋表面所吸收。通過海水內部的運動，海洋上層平均厚度約為240m的水溫有季節(jié)變化，1010t，1016MJ/℃；而陸面溫度有季變的平均厚度只有10m，質量為31015t，1015MJ/℃。大氣、海洋活動層和陸地活動層的質量比是1∶∶，熱容量比是1∶∶?？梢?，無論從力學和熱力學效應來看，海洋在氣候系統(tǒng)中具有最大的慣性，是一個巨大的能量貯存庫。如果僅考慮100m深的表層海水，％。僅此一端就可見其在氣候系統(tǒng)中的重要性。上層海洋與大氣或冰的相互作用時間尺度為幾個月到幾年，而深層海洋的熱力調整時間則為世紀尺度。（二）陸面陸面有時亦稱巖石圈。巖石圈的變化時間尺度甚長，其中如山脈形成的時間尺度約為105—108a，大陸飄移的時間尺度約為106—109a，而陸塊位置和高度變化的時間尺度則更在109a以上。它們的這些特征對地質時期的氣候變化是有巨大影響的，但對近代在季節(jié)、年際、十年際乃致百年際的氣候變化中是可以忽略的。在上述近代氣候變化的時間尺度內，除火山爆發(fā)外，對大氣的作用主要還是發(fā)生在陸地表面。因此在氣候系統(tǒng)中通常不用巖石圈這個更廣泛的名詞，而采用陸面一詞。陸地表面具有不同的海拔高度和起伏形勢，可分為山地、高原、平原、丘陵和盆地等類型。它們以不同的規(guī)模錯綜分布在各大洲之上，構成崎嶇復雜的下墊面。在此下墊面上又因巖石、沉積物和土壤等性質的不同，其對氣候的影響更是復雜多樣。例如海陸分布與山脈大地形在動力學和熱力學兩方面對大氣環(huán)流的形成起著重要作用。地表土壤作為大氣中微粒物質的一個主要來源，在氣候變化中產生巨大的影響。同時土壤還參與了氣候和植被的相互作用。（三）冰雪圈冰雪圈包括大陸冰原、高山冰川、海冰和地面雪蓋等。％被冰雪所覆蓋，海冰的面積比陸冰的面積要大，但由于世界海洋面積廣闊，％。陸地雪蓋有季節(jié)性的變化，海冰有季節(jié)性到幾十年際的變化，而大陸冰原和冰川的變化要緩慢得多，只有在幾百年甚至到幾百萬年的周期上其體積和范圍才顯示出重大的變化。冰川和冰原的體積變化與海平面高度的變化有很大關系。由于冰雪具有很大的反射率，在冰雪覆蓋下，地表（包括海洋和陸地）與大氣間的熱量交換被阻止，因此冰雪對地表熱量平衡有很大影響。它是氣候系統(tǒng)中的一個重要子系統(tǒng)。（四）生物圈生物圈主要包括陸地和海洋中的植物，在空氣、海洋和陸地生活的動物，也包括人類本身。生物圈的各部分在變化的時間尺度上有顯著差異，但它們對氣候的變化都很敏感，而且反過來又影響氣候。生物對于大氣和海洋的二氧化碳平衡，氣溶膠粒子的產生，以及其它與氣體成分和鹽類有關的化學平衡等都有很重要的作用。植物可以隨著溫度、輻射和降水的變化而發(fā)生自然變化。其變化的時間尺度為一個季節(jié)到數(shù)千年不等。而植物又反過來影響地面的粗糙度及反射率以及蒸發(fā)、蒸騰和地下水循環(huán)。由于動物需要得到適當?shù)氖澄锖蜅⒌?，所以動物群體的變化也反映了氣候的變化。人類活動既深受氣候影響，又通過諸如農牧業(yè)、工業(yè)生產及城市建設等，不斷改變土地、水等的利用狀況，從而改變地表的物理特性以及地表與大氣之間的氣體交換，產生對氣候的影響。綜上所述，為了弄清地球氣候形成、分布和變化的機制，我們必須面對的是一個非常復雜的氣候系統(tǒng)。它的每一個組成部分都具有十分不同的物理性質，并通過各種各樣的物理過程、化學過程甚至生物過程同其它部分聯(lián)系起來，共同決定各地區(qū)的氣候特征。第三節(jié) 有關大氣的物理性狀一、主要氣象要素氣象要素是指表示大氣屬性和大氣現(xiàn)象的物理量，如氣溫、氣壓、濕度、風向、風速、云量、降水量、能見度等等。（一）氣溫在一定的容積內，一定質量的空氣，其溫度的高低只與氣體分子運動的平均動能有關。即這一動能與絕對溫度T成正比。因此，空氣冷熱的程度，實質上是空氣分子平均動能的表現(xiàn)。當空氣獲得熱量時，其分子運動的平均速度增大，平均動能增加，氣溫也就升高。反之當空氣失去熱量時，其分子運動平均速度減小，平均動能隨之減少，氣溫也就降低。氣溫的單位：目前我國規(guī)定用攝氏度（℃）溫標，（0℃），沸點為100度（100℃），其間等分100等份中的1份即為1℃。在理論研究上常用絕對溫標，以K表示，這種溫標中一度的間隔和攝氏度相同，但其零度稱為“絕對零度”，℃。兩種溫標之間的換算關系如下T=t+≈t+273 （12）大氣中的溫度一般以百葉箱中干球溫度為代表。（二）氣壓氣壓指大氣的壓強。它是空氣的分子運動與地球重力場綜合作用的結果。若以P代表氣壓，F(xiàn)代表面積A上所承受的力，則若M為任何面積A上的大氣質量，在地球重力場中，g為重力加速度，則這個面積A上大氣柱的重量為F=Mg （14）在靜止大氣中，面積A上大氣柱的重量就是該面上所承受的力。將（13）式代入（14）式得即靜止大氣中任意高度上的氣壓值等于其單位面積上所承受的大氣柱的重量。當空氣有垂直加速運動時，氣壓值與單位面積上承受的大氣柱重量就有一定的差值，但在一般情況下，空氣的垂直運動加速度是很小的，這種差別可以忽略不計。一般情況下氣壓值是用水銀氣壓表測量的。設水銀柱的高度為h，水銀密度為ρ，水銀柱截面積為S，則水銀柱的重量W=ρghS。由于水銀柱底面積的壓強和外界大氣壓強是一致的，從而所測大氣壓強為所以氣壓單位曾經用毫米水銀柱高度（mmHg）表示，現(xiàn)在通用百帕（hPa）來表示。1hPa等于1cm2面積上受到102牛頓（N）的壓力時的壓強值，即1hPa=102N/cm2 （17）當選定溫度為0℃，緯度為45176。的海平面作為標準時，相當于760mm的水銀柱高度，曾經稱此壓強為1個大氣壓。（三）濕度表示大氣中水汽量多少的物理量稱大氣濕度。大氣濕度狀況與云、霧、降水等關系密切。大氣濕度常用下述物理量表示：大氣壓力是大氣中各種氣體壓力的總和。水汽和其它氣體一樣，也有壓力。大氣中的水汽所產生的那部分壓力稱水汽壓（e）。它的單位和氣壓一樣，也用hPa表示。在溫度一定情況下，單位體積空氣中的水汽量有一定限度，如果水汽含量達到此限度，空氣就呈飽和狀態(tài)，這時的空氣，稱飽和空氣。飽和空氣的水汽壓（E）稱飽和水汽壓，也叫最大水汽壓，因為超過這個限度，水汽就要開始凝結。實驗和理論都可證明，飽和水汽壓隨溫度的升高而增大。在不同的溫度條件下，飽和水汽壓的數(shù)值是不同的。相對濕度（f）就是空氣中的實際水汽壓與同溫度下的飽和水汽壓的比值（用百分數(shù)表示），即相對濕度直接反映空氣距離飽和的程度。當其接近100％時，表明當時空氣接近于飽和。當水汽壓不變時，氣溫升高，飽和水汽壓增大，相對濕度會減小。在一定溫度下，飽和水汽壓與實際空氣中水汽壓之差稱飽和差（d）。即d=Ee，d表示實際空氣距離飽和的程度。在研究水面蒸發(fā)時常用到d，它能反映水分子的蒸發(fā)能力。在一團濕空氣中，水汽的質量與該團空氣總質量（水汽質量加上干空氣質量）的比值，稱比濕（q）。其單位是g/g，即表示每一克濕空氣中含有多少克的水汽。也有用每千克質量濕空氣中所含水汽質量的克數(shù)表示的即g/kg。式中，mw為該團濕空氣中水汽的質量；md為該團濕空氣中干空氣的質量。據(jù)此公式和氣體狀態(tài)方程可導出注意式中氣壓（P）和水汽壓（e）須采用相同單位（hPa），q的單位是g/g。由上式知，對于某一團空氣而言，只要其中水汽質量和干空氣質量保持不變，不論發(fā)生膨脹或壓縮，體積如何變化，其比濕都保持不變。因此在討論空氣的垂直運動時，通常用比濕來表示空氣的濕度。一團濕空氣中，水汽質量與干空氣質量的比值稱水汽混合比（γ）即：（單位：g/g）據(jù)其定義和氣體狀態(tài)方程可導出在空氣中水汽含量不變，氣壓一定下，使空氣冷卻達到飽和時的溫度，稱露點溫度，簡稱露點（Td）。其單位與氣溫相同。在氣壓一定時，露點的高低只與空氣中的水汽含量有關，水汽含量愈多，露點愈高，所以露點也是反映空氣中水汽含量的物理量。在實際大氣中，空氣經常處于未飽和狀態(tài)，露點溫度常比氣溫低（Td＜T）。因此，根據(jù)T和Td的差值，可以大致判斷空氣距離飽和的程度。上述各種表示濕度的物理量：水汽壓、比濕、水汽混合比、露點基本上表示空氣中水汽含量的多寡。而相對濕度、飽和差、溫度露點差則表示空氣距離飽和的程度。（四）降水降水是指從天空降落到地面的液態(tài)或固態(tài)水，包括雨、毛毛雨、雪、雨夾雪、霰、冰粒和冰雹等。降水量指降水落至地面后（固態(tài)降水則需經融化后），未經蒸發(fā)、滲透、流失而在水平面上積聚的深度，降水量以毫米（mm）為單位。在高緯度地區(qū)冬季降雪多，還需測量雪深和雪壓。雪深是從積雪表面到地面的垂直深度，以厘米（cm）為單位。當雪深超過5cm時，則需觀測雪壓。雪壓是單位面積上的積雪重量，以g/cm2為單位。降水量是表征某地氣候干濕狀態(tài)的重要要素，雪深和雪壓還反映當?shù)氐暮涑潭?。（五）風空氣的水平運動稱為風。風是一個表示氣流運動的物理量。它不僅有數(shù)值的大?。L速），還具有方向（風向）。因此風是向量。風向是指風的來向。地面風向用16方位表示，高空風向常用方位度數(shù)表示，即以0176。（或360176。）表示