第八章 大气与海洋

第八章大气与海洋 8.1地球大气的平均状态

8.1.1地球大气的成分与气象要素

一、地球大气的成分

地球大气由多种气体组成，并掺有一些悬浮的固体和液体微粒。在85km以下的各种气体成分中，一般可分为两类。一类称为定常成分，各成分间大致保持固定比例，这些气体主要是氮(N2)、氧(O2)、氩(Ar)和一些微量惰性气体如氖(Ne)、氪(Kr)、氙(Xe)及氦(He)等；另一类称可变成分，这些气体在大气中的比例随时间、地点而变，其中包括水汽(H2O)、二氧化碳(CO2)、臭氧(O3)和一些碳、硫、氮的化合物。

通常把除水汽以外的纯净大气称为干洁大气，简称干空气。其中氮、氧、氩三种气体就占了空气容积的99.66％，如果再加上二氧化碳，则剩下的次要成分所占的容积是极微小的。观测结果表明，实际大气在85km以下，由于大气运动和分子扩散的结果，使得空气充分混合，干洁大气中各成分的比例得以维持常定。因此，可以将85km高度以下的干空气当做一种平均摩尔质量为28. 9644g/mol的单一气体。

大气的高层，主要成分仍为氮和氧，其他气体的含量减少。氧气占地球大气质量的23％，丰富的氧气是动植物赖以生存、繁殖的必要条件。除了游离存在的氧气以外，氧还以硅酸盐、氧化物和水等化合物形式存在，在高空则还有臭氧及原子氧。

臭氧主要分布在10～40km高度处，近地面含量很少，极大值在20～25km附近。臭氧在大气中的比例虽然极小，但因它具有强烈吸收太阳紫外辐射0.2μm～0.3μm的能力，阻挡了强紫外辐射到达地面，保护了地球上的生命。臭氧层浓度的减少或增加，会对气候变化和人类生活带来巨大影响。因此，目前世界上对臭氧的观测和研究都很重视。

大气中二氧化碳只占整个大气容积的万分之三，多集中在20km以下。它主要是有机物燃烧、腐烂和生物呼吸过程中产生的。因此，在大工业区、城市上空，空气中二氧化碳的含量较多，有的地区其含量可超过万分之五；在农村和人烟稀少的地区，其含量较少。二氧化碳含量的变化主要是燃烧煤、石油、天然气等燃料所引起的，火山爆发及从碳酸盐矿物、浅地层里释放二氧化碳是次要原因。因此，随着工业化的发展及世界人口的增长，全球大气中二氧化碳含量也逐年增加。

二氧化碳能强烈地吸收地球表面发出的长波辐射并放出长波辐射。这种“温室效应”在二氧化碳浓度不断增加时，可能会改变大气热平衡，导致大气低层和地面的平均温度上升，这将引起严重的气候问题。

实际大气中，除上述气体成分外，还含有水汽及其液态、固态微粒。含有水汽的空气称为湿空气。大气中水汽仅占地球总水量的0.001％。大气中水汽的主要来源是水面，特别是海洋表面的蒸发。水汽上升凝结形成水云或冰云以后，又以降水的形式降到陆地和海洋上。

二、地球大气的铅直分层

地球大气在不同的高度有不同的特征，因此可以分成若干层。最常用的分层方法是按大气的温度结构分层，即根据铅直温度梯度的方向，把大气分成对流层、平流层、中层和热成层，它们分别由称为“顶”的隔层(如对流层顶)分开。

(一)对流层

对流层是大气的最低层，下界是地球表面，上界是对流层顶。对流层的主要特点是：温度随高度降低；大气的铅直混合强；气象要素水平分布不均匀。

大气吸收的总能量中，直接吸收太阳辐射能约占10％，吸收地面、海面发射的红外辐射约占90％。低层大气受地、海面加热，产生强烈的铅直运动，因此对流层内大气温度的铅直分布主要是由大气与地、海面热量交换以及大气的对流、湍流运动决定的，总趋势是温度随高度增加而降低。大气探测的结果表明，对流层内大气温度的平均递减率约为6.5K/km。大气温度随高度下降到-50～-70℃左右，再往上，温度的降低趋缓慢或向上稍有增加，当温度递减率减小到2K/km(或更小)的最低高度，就规定为对流层顶。对流层顶的高度随季节和纬度变化。赤道附近约为15～20km 高，极地和温带约8～12km。中纬度地区，对流层顶的坡度很大，并且常是不连续的。

对流层里集中了大气质量的3/4和几乎全部水汽，又有强烈的铅直运动，因此主要的天气现象和天气过程如寒潮、台风、雷雨、闪电等都发生在这一层。

(二)平流层

由对流层顶向上到50km左右的气层称为平流层。平流层的底层温度随高度无大变化，其上部的温度随高度增加而明显增高。到平流层的上界温度可达0℃左右；大约在50km的高度上最高温度可达7℃，这是由于臭氧强烈吸收太阳辐射的结果。这种温度随高度的逆增现象使平流层大气很稳定，呈现出明显的成层结构，大气的铅直运动很弱，多为平流运动并且尺度很大。

平流层中水汽含量很少，几乎没有在对流层中经常出现的各种天气现象。此外，由于空气中尘埃很少，大气透明度很高。

(三)中层

从平流层顶到80～85km高度的气层称中层，也称中间层。该层的最重要特点是温度随高度升高而降低得很快，到中层顶温度下降到180K，是大气中最冷的部分。

中层内水汽极少，但在高纬地区的黄昏前后偶尔会发现该层存在夜光云，这种云可能是高层大气中细小水滴或冰晶构成，也有人认为是尘埃构成的。由于温度随高度降低很快，所以该层有相当强烈的铅直运动。

平流层和中层约包含了大气质量的1/4。在中层以上，大气更稀薄了，其质量大约只占大气总质量的十万分之一。

(四)热成层

热成层亦称暖层，是中间层顶以上的大气层，在该层内，温度始终是随高度增加的。太阳辐射中波长小于0.17μm的紫外线辐射几乎全被该层中的分子氧和原子氧吸收，吸收的大部分能量用于

使气层增温。此外，太阳的微粒辐射和宇宙间的高能粒子也能影响该层的大气热状况。在100km 以上，大气的热量传输主要靠热传导过程。由于分子稀少，传导率小，当各高度上所吸收的辐射能和传到下层去的热量达到平衡时，就必然有巨大的温度梯度。因此在热成层内，温度很快就升到几百度，最终趋于常数，约在1000K以上，是大气中温度最高的层。

热成层的另一个特点是，温度日变化和季节变化很显著，白天和夜间温差可达几百度。此外，该层的温度还受太阳活动的影响，在太阳活动的高峰期和宁静期也能差几百度。

在这一层的高纬地区经常会出现一种辉煌瑰丽的大气光学现象——极光。

热成层顶以上大气的边缘层，叫逸散层，在这一层地球大气消失于星际空间的气体中，这是由于这一层温度极高，空气极稀薄，地球引力很小，高速运动着的空气原子克服地球引力和其周围空气的阻挡，而逸散于星际空间。

三、气象要素

表示大气中物理现象与物理过程的物理量称为气象要素。它们表征大气的宏观物理状态，是大气科学研究的重要依据。气象要素中以气温、气压、湿度和风为最重要。

(一)气温

气温是大气温度的简称，一般称温度，是表示大气冷热程度的物理量。在一定的容积内，一定质量空气的温度高低与空气分子的平均动能有关，且气体分子运动的平均动能只与绝对温度T有关。因此，气温实质上是空气分子平均动能大小的表现。虽然热量和温度经常联系在一起，但它们是完全不同的两个概念。热量是能量，而温度是一种量度。

气象上使用的温标，一种是摄氏温标记作“℃”；一种是开氏温标记作“K”。开氏温标的零度是绝对零度，即分子完全停止运动的温度。它们之间的换算关系为

T/K=273.16+t/℃≈273+t (8-1)

式中T表示绝对温度，t表示摄氏温度。通常所说的地面气温是指离地面1.5m高度上百叶箱所测得的温度。

由于太阳辐射的差异，各地地面平均气温随纬度的变化是明显的。大气温度的分布对于确定大气的热力状态和风场结构是十分重要的。

在一年中吸收太阳辐射最多的热带，温度最高。在赤道地区，由于太阳辐射的梯度较小，使温度的经向梯度很小。在一年中吸收太阳辐射最少的极区，温度则最低。由于南半球海洋面积远大于陆地，使温度在纬圈方向的分布较北半球均匀。

北半球冬季大陆区域，极地至赤道间的温度梯度达最大值。另外1月和7月里冷、暖洋流的作用均很明显。最大的温度水平梯度位于南、北半球的中纬地区，从海岸线和山脉地区(如落基山、青藏高原、安第斯山和南极洲)附近等温线的形状和很强的梯度来看，陆地和海洋的分布、陆地表面的特征和地面地形有十分显著的影响。最冷的地区在北半球冬季期间的欧亚大陆北部(亦即西伯利亚和加拿大的东北部)和全年中的南极洲。