【文章內(nèi)容簡介】 主要分布在10～40km的高度處，極大值在20～25km附近，稱為臭氧層。臭氧雖在大氣中的含量很少，但具有強烈吸收紫外線的能力。研究表明，人們大量使用氮肥以及作冷凍劑和除臭劑使用的碳氟化合物（氟利昂）所造成的污染是平流層的臭氧遭到破壞。臭氧層的破壞能引起一系列不利于人類的氣候生物效應(yīng)，因而受到廣泛關(guān)注。 來源、分布及作用、液體雜質(zhì) 大氣懸浮固體雜質(zhì)和液體微粒，也可稱為氣溶膠粒子。除由水汽變成的水滴和冰晶外，主要是大氣塵埃和其他雜質(zhì)。 大的水溶性氣溶膠粒子最易使水氣凝結(jié)，是成云致雨的重要條件。氣溶膠粒子能吸收部分太陽輻射并散射輻射，從而改變大氣透明度。它對太陽輻射的影響和增大散射輻射、大氣長波逆輻射，都有可能破壞地球的輻射平衡。二、大氣的結(jié)構(gòu)(Atmospheric structure) 在理論上，當(dāng)壓力為零或接近于零的高度為大氣頂層，但這種高度不可能出現(xiàn)。因為在很高的高度漸漸到達星際空間，不存在完全沒有空氣分子的地方。 大氣的物理上界：過去曾把極光出現(xiàn)的最大高度（1200km）定為大氣上界。 高層大氣物理學(xué)中，將大氣密度接近星際氣體密度的高度定義為大氣上界，既3000km。 按照溫度和運動情況，將大氣圈分為五層：1）對流層 范圍：本層厚度最簿，并隨緯度、季節(jié)而不同，在高緯地區(qū)平均：8～9km,中緯地區(qū)平均：10～12km,低緯地區(qū)平均17～18km，夏季大于冬季。 主要特征：（1）溫度隨高度的升高而降低，；（2）具有強烈的對流運動；（3）天氣現(xiàn)象復(fù)雜多變；幾乎所有的水汽、云、雨、雷、電等現(xiàn)象都發(fā)生在此層。2）平流層 范圍 主要特征：（1）氣溫隨高度升高的分布：下層：其上界離地面約35～40km，為同溫層；上層：其上界離地面約50～60km，為逆溫層，即氣溫隨高度的升高而降低。因為平流層上層含有大量的臭氧，臭能大量地吸收太陽紫處線而增溫；（2）氣流以水平運動為主；（3）水汽、塵埃含量少，天氣晴朗，能見度好。3）中間層 范圍：平流層頂至85km處。 主要特征：（1）溫度隨高度的升高而迅速下降；（2）空氣以垂直運動為主，由于空氣稀薄，所出現(xiàn)的天氣現(xiàn)象已不如對流層復(fù)雜；（3）在80km處白天出現(xiàn)一個電離層。4）暖層 范圍：中間層至800km處 主要特征：（1）溫度隨高度升高而升高，頂層溫度可達1000度；（2）空氣處于高度電離狀態(tài)；。5）散逸層（外層） 暖層頂之上，因大氣十分稀薄，離地面遠(yuǎn)，受地球引力場約束微弱，一些高速運動的空氣質(zhì)點就能散逸到星際空間，所以本層稱為散逸層。根據(jù)宇宙火箭探測資料，地球大氣層之外，還有一層極其稀薄的電離氣體，可伸展到22000公里高度，稱為地冕。這可能就是地球大氣層向宇宙空間的過渡區(qū)域。三、大氣的熱能 地球氣候系統(tǒng)的能源主要是太陽輻射，它從根本決定地球、大氣的熱狀況，從而支配其他的能量傳輸過程。地球氣候系統(tǒng)內(nèi)部也進行著輻射能量交換。因此，需要研究太陽、地球及大氣的輻射能量交換和其他地－氣系統(tǒng)的輻射平衡。1．太陽輻射 太陽是離地球最近的一個恒星，其表面溫度約為6000K，內(nèi)部溫度更高，所以太陽不停地向外輻射巨大的能量?！?，約為總能量的50％；，約占總輻射能的43％；％。相對于地球來說，太陽輻射的波長較短，故稱太陽輻射為短波輻射。表示太陽輻射能強弱的物理量，即單位時間內(nèi)垂直投射在單位面積上的太陽輻射能，稱為太陽輻射強度。 在日地平均距離（108）上，大氣頂界垂直于太陽光線的單位面積上每分鐘接受的太陽輻射，稱為太陽常數(shù)。 經(jīng)大氣削弱后到達地面的太陽輻射有兩部分：一是直接輻射；二是經(jīng)大氣散射后到達地面的部分，稱為散射輻射。二者之和就是太陽輻射總量，稱為總輻射，總輻射的緯度分布，一般是緯度愈高，總輻射愈小；緯度愈低，總輻射愈大。因為赤道附近多云，總輻射最大值并不出現(xiàn)在赤道，而是出現(xiàn)在200N附近。到達地面的總輻射一部分被地面吸收轉(zhuǎn)變成熱能，一部分被反射。反射部分占輻射量的百分比，稱為反射率。反射率隨地面性質(zhì)和狀態(tài)不同二有很大差別。大氣能量及其保溫效應(yīng) 大氣本身對太陽輻射直接吸收很少，而水、陸植被等下墊面卻能吸收太陽輻射，并經(jīng)潛熱和感熱轉(zhuǎn)化供給大氣。 大氣對地面輻射的吸收較強，地面輻射的75％～95％被大氣吸收，～12μm的輻射能通過大氣窗逸回宇宙空間。 潛熱和感熱輸送地－氣系統(tǒng)的輻射平衡 輻射平衡有年變化和日變化。在一則相反，甚至出現(xiàn)負(fù)值。緯度愈高，輻射平衡保持正值的月份愈少。四、氣溫1． 氣溫的物理意義、單位和觀測2． 影響氣溫的因素 緯度、海陸、地形、等3．氣溫的時間變化和空間分布1）氣溫的時間變化規(guī)律 氣溫的日變化：氣溫日變化的規(guī)律、原因、氣溫日較差。 氣溫的年變化：氣溫年變化的規(guī)律、日內(nèi)白天收入的太陽輻射超過支出的長波輻射，輻射平衡為正值，夜間為負(fù)值。正轉(zhuǎn)負(fù)和負(fù)轉(zhuǎn)正的時刻分別在日沒前與日出后1小時。在一年內(nèi)，北半球夏季輻射平衡因太陽輻射增多而加大；冬季原因、氣溫年較差。 氣溫的非周期性變化2）氣溫的水平分布規(guī)律 等溫線分布的總趨勢大致與緯圈平行。 同緯度夏季海面氣溫低于陸面，冬季海面氣溫高于陸面，等溫線發(fā)生彎曲。 洋流對海面氣溫的分布有很大影響。 近赤道地區(qū)有一個高溫帶，月平均溫度高于24℃，稱為熱赤道。 南半球無論冬、夏，最低氣溫均出現(xiàn)在南極；北半球最低氣溫冬季出現(xiàn)在高緯度大陸，夏季出現(xiàn)在北極地區(qū)。3）氣溫的垂直分布 對流層內(nèi)，氣溫隨海拔升高而降低?！?100m。氣溫隨高度的變化，稱為氣溫垂直遞減率，簡稱氣溫直減率r.一般而言，夏季和白天氣溫直減率大，冬季和夜晚氣溫直減率小。但在特殊情況下，某些氣層的溫度隨高度而增加，稱為逆溫層。有輻射逆溫，平流逆溫，鋒面逆溫和下沉逆溫。 第二節(jié) 大氣水分和降水一、大氣濕度1．濕度的概念和表示方法1）水汽壓和飽和水汽壓 大氣壓力是大氣中各中氣體壓力的總和。大氣中水汽所產(chǎn)生的那部分壓力叫水汽壓。 空氣中水汽含量與溫度關(guān)系密切。溫度一定時，單位體積空氣容納的水汽量有一定的限度，達到這個限度，空氣呈飽和狀態(tài)，稱為飽和空氣。飽和空氣的水汽壓，稱為飽和水汽壓（E），飽和水汽壓隨溫度升高而增大。2）絕對濕度和相對濕度 單位容積空氣所含的水氣質(zhì)量稱為絕對濕度（a），通常以g/cm3表示。絕對濕度不能直接測定，但可間接算出。它與水汽壓有關(guān)系： a＝289e/T(g/m3) 式中，e為水汽壓（mm）；T為絕對溫度。 大氣的實際水汽壓e與同溫度飽和水汽壓E之比，稱為相對濕度（f），用百分?jǐn)?shù)表示。 f＝e/T100％3）露點溫度 一定質(zhì)量的濕空氣，若氣壓保持不變，而令其冷卻，則飽和水汽壓E隨溫度降低而減小。當(dāng)E＝e時，空氣達到飽和。濕空氣等壓降溫達到飽和時的溫度就是露點溫度Td，簡稱露點。2．濕度的變化與分布相對濕度能夠直接反映空氣距飽和的程度，在氣候資料分析中應(yīng)用廣泛。相對濕度日變化通常與氣溫日變化相反。相對濕度分布隨距海遠(yuǎn)近與緯度高低而有不同。例如，我國東南沿海相對濕度年平均為80％，內(nèi)蒙古西部只有40％。二、蒸發(fā)與凝結(jié)蒸發(fā)面上出現(xiàn)蒸發(fā)還是凝結(jié)取決于實際水汽壓于飽和水汽壓的關(guān)系。當(dāng)eE，出現(xiàn)蒸發(fā)；eE，則出現(xiàn)凝結(jié)。影響蒸發(fā)的因素主要有蒸發(fā)面的溫度、性質(zhì)、性狀、空氣濕度、風(fēng)等。實際工作中，一般以水層厚度（mm）表示蒸發(fā)速度，稱為蒸發(fā)量。大氣中的水汽發(fā)生凝結(jié)，需具備一定的條件，既要使水汽達到飽和或過飽和，還需有凝結(jié)核。三、水汽的凝結(jié)現(xiàn)象1．地表面的凝結(jié)現(xiàn)象1）霜與露日沒后，地面及近地面層空氣冷卻，溫度降低。當(dāng)氣溫降到露點一下時，水汽即凝附于地面或地面物體上。如溫度在00C以上，水汽凝結(jié)為液態(tài)，稱為露；溫度在00C以下，水汽凝結(jié)為固態(tài)，稱為霜。2）霧淞和雨淞霧淞是一種白色固體凝結(jié)物，由過冷霧滴附著于地面物體或樹枝迅速凍結(jié)而成，俗稱樹掛。多出現(xiàn)于寒冷而濕度高的天氣條件下。雨淞是形成在地面或地物的迎風(fēng)面上的，透明的或毛玻璃狀的緊密冰層，俗稱冰棱。多半在溫度為0～－60C時，由過冷卻雨、毛毛雨接觸物體表面形成；或是經(jīng)過長期嚴(yán)寒后，雨滴降落在物體表面凍結(jié)而成。1）霧霧是漂浮在近地面層的乳白色微小水滴或冰晶。根據(jù)不同成因，霧可分為輻射霧、平流霧、蒸汽霧、上坡霧和鋒面霧。2）云云是高空水氣凝結(jié)現(xiàn)象?？諝鈱α鳌h面抬升、地形抬升等作用使空氣上升到凝結(jié)高度，就會形成云。云有各式各樣的外貌特征。云的分類積狀云 包括淡積云、濃積云和積雨云出現(xiàn)時常呈孤立分散狀態(tài)，是由于空氣對流上升，體積膨脹絕熱冷卻，使水汽發(fā)生凝結(jié)而形成的。層狀云 層狀云是均勻幕狀云層，通常具有較大水平范圍。覆蓋數(shù)千甚至上萬平方千米的地區(qū)。層狀云是由空氣斜上升運動形成的。波狀云 波狀云是表面呈現(xiàn)波狀起伏或魚鱗狀的云層，包括卷積云、高積云、層積云和層云。通常因空氣密度不同、運動速度不同等的兩個氣層界面上產(chǎn)生波動而形成的。四、大氣降水從云層中降落到地面的液態(tài)水或固態(tài)水，稱為降水。1）云滴的凝結(jié)（凝華）增長在云的發(fā)展階段，云體上升絕熱冷卻，或不斷有水汽輸入，使云滴周圍的實際水汽壓大于其飽和水汽壓云滴就會因水汽凝結(jié)或凝華而逐漸增大。當(dāng)水滴和冰晶共存時在溫度相同條件下，冰面水汽壓小于水面水汽壓，水滴將不斷蒸發(fā)變小，而冰晶則不斷凝華增大這種過程稱為冰晶效應(yīng)。2）云滴的沖并增長云滴大小不同，相應(yīng)具有不同的運動速度。云滴下降時，個體大的云滴落得快，個體小的慢，于是大云滴追上小云滴，碰撞合并成為更大的云滴。根據(jù)降水形成原因（主要是氣流上升特點），可分為四個基本類型：對流雨、地形雨、鋒面雨、臺風(fēng)雨。單位時間內(nèi)的降水量，稱為降水強度。氣象部門為確定一定時間內(nèi)降水的數(shù)量特征，并用以預(yù)報未來降水?dāng)?shù)量變化趨勢，將降水強度劃分為若干等級：降水的日變化：一天內(nèi)的降水變化，在很大程度受地方條件限制，可大致分為兩個類型：（1）大陸型；（2）海洋型。降水的季節(jié)變化：降水季節(jié)變化因緯度，海陸位置、大氣環(huán)流等因素影響而不同。全球降水的年類型大致可分為以下幾類：（1）赤道型；（2）熱帶型；（3）副熱帶型；（4）溫帶及高緯型；降水量空間分布受緯度、海陸位置、大氣環(huán)流、天氣系統(tǒng)、地形等多種因素制約，降水的分布存在緯度帶狀分布的特點。全球可劃分為四個降水帶：赤道多雨帶；南北緯150～300少雨帶；中緯多雨帶；高緯少雨帶。 第三節(jié) 大氣運動和天氣系統(tǒng)一、氣壓隨時間和高度的變化定義：從觀測高度到大氣上界上單位面積上（橫截面積1cm2）鉛直空氣柱的重量為大氣壓強，簡稱氣壓。單位：mmHg hpa氣壓日變化：一晝夜有兩個最高值（9～10時，21～22時）和兩個最低值（3～4時，15～16時）。熱帶的日變化比溫帶明顯。赤道地區(qū)氣壓年變化不大，高緯地區(qū)較大；大陸和海洋也有顯著差別，大陸冬季氣壓高，夏季最低，而海洋相反。氣壓的年變化：大陸型、海洋型和高山型。氣壓大小取決于所在水平面的大氣質(zhì)量，隨高度的上升，大氣柱質(zhì)量減少，所以氣壓隨高度升高而降低。二、大氣的水平運動空氣的水平運動是由所受的力決定的。作用于空氣的力有：1）水平氣壓梯度力：氣壓分布不均勻產(chǎn)生氣壓梯度，使空氣具有由高壓區(qū)流向低壓區(qū)的趨勢。2）地轉(zhuǎn)偏向力：由于地球轉(zhuǎn)動使地球上運動方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)的力，稱為地轉(zhuǎn)偏向力。3）慣性離心力：當(dāng)空氣作曲線運動時，受慣性離心力作用。慣性離心力方向與空氣運動方向垂直，并由曲線路徑的曲率中心指向外緣。4）摩擦力：運動狀態(tài)不同的氣層之間、空氣和地面之間都會產(chǎn)生相互作用阻礙氣流的運動，這種相互作用稱為摩擦力。摩擦力總是阻礙氣流的運動。2．自由大氣的運動自由大氣中，空氣運動規(guī)律比摩擦層簡單。空氣作直線運動時，只需考慮氣壓梯度力和地轉(zhuǎn)偏向力；空氣作曲線運動時，還需考慮慣性離心力。1）地轉(zhuǎn)風(fēng)地轉(zhuǎn)風(fēng)指自由大氣中空氣作勻速直線運動。地轉(zhuǎn)風(fēng)方向與氣壓場之間存在一定的關(guān)系，即白貝羅風(fēng)壓定律：當(dāng)不考慮摩擦?xí)r，地轉(zhuǎn)偏向力與氣壓梯度力平衡，水平面上地轉(zhuǎn)風(fēng)表達式為：vg＝－1/2ρsinφΔP/Δn地轉(zhuǎn)風(fēng)是嚴(yán)格的平衡運動，等壓線必須是直線。2）梯度風(fēng)自由大氣中，空氣作曲線運動時，地轉(zhuǎn)偏向力、氣壓梯度力、慣性離心力達到平衡時的風(fēng)稱為梯度風(fēng)。梯度風(fēng)有氣旋性彎曲和反氣旋性彎曲兩類。1）地轉(zhuǎn)風(fēng)隨高度的變化熱成風(fēng)水平溫度分布不均導(dǎo)致氣壓梯度隨高度發(fā)生變化，風(fēng)相應(yīng)的隨高度發(fā)生變化。有水平溫度梯度引起的上下層風(fēng)的向量差，稱為熱成風(fēng)，用VT表示。2）摩擦層中風(fēng)隨高度變化三、大氣環(huán)流定義：是指大范圍內(nèi)具有一定穩(wěn)定性的各種氣流運行的綜合現(xiàn)象。水平尺度可涉及某個地區(qū)、半球甚至全球；垂直尺度有對流層、平流層、中間層或整個大氣圈的大氣環(huán)流；時間尺度有一日至數(shù)日、月、季、半年、一年甚至多年的平均大氣環(huán)流。其主要表現(xiàn)形式包括全球行星風(fēng)系、三圈環(huán)流、定常分布的平均槽脊和高空急流、西風(fēng)帶中的大型擾動、季風(fēng)環(huán)流。1）太陽輻射隨緯度的不均運分布單圈熱力環(huán)流圈的形成赤道附近，終年受熱，溫度高，空氣膨脹上升，到高空向兩極流散，導(dǎo)致氣柱質(zhì)量減小，低空形成低氣壓，稱赤道低壓帶；兩極地區(qū)氣溫低，空氣冷卻收縮下沉，積聚在低空，而高空伴有空氣輻和合，導(dǎo)致氣柱質(zhì)量增加，在低空形成高壓區(qū)，稱極地高壓帶。2）地球自轉(zhuǎn)作用三圈環(huán)流的形成假設(shè)地球不自轉(zhuǎn)，且表面均勻，由于赤道和兩極受熱不均，赤道上空的空氣流向極地，而低層氣流自極地流向赤道，這樣在赤道和極地之間會形成一個南北閉合的環(huán)流。但地球不停自轉(zhuǎn)，空氣一旦開始運動，地轉(zhuǎn)偏向力便隨之發(fā)生作用。在地轉(zhuǎn)偏向力的作用下，南北半球分別形成三圈環(huán)流。3）地表性質(zhì)（海陸分布）的影響海平面大氣活動中心的形成；高空西風(fēng)帶波動。1） 平均緯向環(huán)流特征2） 平均經(jīng)圈環(huán)流3）季風(fēng)環(huán)流大陸和海洋間的廣大地區(qū)，以一年為周期、隨著季節(jié)變化而方向相反的風(fēng)系，稱為風(fēng)系。季風(fēng)是海陸間季風(fēng)環(huán)流的簡稱，它是由大尺度的海洋和陸地間熱力差異形成的大范圍熱力環(huán)流。南亞