大氣組成與熱力狀況(地理大氣的熱狀況與大氣運(yùn)動)
地球大氣是多種物質(zhì)的混合物，由干燥空氣、水蒸氣、懸浮塵埃顆?；螂s質(zhì)組成。距地球表面85公里以下的各種氣體成分一般可分為兩類。一種稱為穩(wěn)定分量，另一種稱為可變分量。
1.干燥空氣
通常將除去水蒸氣、液體和固體雜質(zhì)的全部混合氣體稱為干燥空氣，簡稱干燥空氣。它是地球大氣層的主體。其主要成分為氮?dú)?、氧氣、氬氣、二氧化碳等，此外還有少量氫氣、氖氣、氪氣、臭氧等稀有氣體。
1.氮?dú)夂脱鯕?/p>
N2約占大氣體積的78%。在室溫下，N2沒有化學(xué)活性，不能被植物直接利用。它只能通過植物的根瘤菌部分固定在土壤中。N2對0.03~0.13納米遠(yuǎn)紫外區(qū)的太陽輻射有選擇性吸收。它占地球大氣質(zhì)量的23%和體積的21%。除了各種形式之外，氧還以化合物的形式存在，例如硅酸鹽、氧化物和水。
2.二氧化碳（CO2）
它只占大氣體積的0.03%，大部分集中在海拔20公里以下。主要是由有機(jī)物的燃燒、腐爛和生物呼吸產(chǎn)生的。二氧化碳對太陽短波的吸收很少，但能強(qiáng)烈吸收地表的長波輻射，使得地表輻射的熱量很難散失到太空中。對大地有隔熱作用。然而，近年來，隨著工業(yè)的發(fā)展和人口的增長，全球二氧化碳含量逐年增加，改變了大氣熱平衡，導(dǎo)致地面和低層大氣平均溫度上升，造成嚴(yán)重的氣候變化。問題。
3.臭氧
主要分布在海拔10~40km處，最大值在20~25km附近，稱為臭氧層。大氣中臭氧的含量雖然很少，但它具有強(qiáng)烈吸收紫外線的能力。研究表明，由于人們大量使用氮肥以及用作制冷劑和除臭劑的碳氧化物（氫離子）造成的污染，平流層臭氧正在遭到破壞。臭氧層的破壞會引起一系列對人類不利的氣候和生物效應(yīng)，因此引起了廣泛關(guān)注。
(2)水蒸氣
水蒸氣的來源和去向：大氣中的水蒸氣主要來自水面蒸發(fā)和植物蒸騰作用，特別是海洋蒸發(fā)。水蒸氣上升、凝結(jié)，然后以降水的形式落到陸地和海洋。大氣中的水蒸氣平均每年更換約32次，即每11天更換一次。
(3)固體、液體雜質(zhì)
大氣中懸浮的固體雜質(zhì)和液體顆粒。也稱為氣溶膠顆粒。除水滴和水蒸氣轉(zhuǎn)變而來的冰晶外，主要是大氣塵埃和其他雜質(zhì)。
大的水溶性氣溶膠顆粒最容易凝結(jié)水蒸氣，是云形成和降雨的重要條件。氣溶膠顆粒可以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以及散射輻射和大氣長波逆向輻射的增加可能會破壞地球的輻射平衡。
2.大氣的結(jié)構(gòu)（了解大氣的各層以及各層的特點(diǎn)）。
(一)空氣質(zhì)量
1.大氣上界
大氣的物理特性是不均勻的，尤其是在垂直方向上。在非常高的海拔處，空氣非常稀薄，氣體分子之間的距離很大。理論上，壓力為零或接近于零時的高度就是大氣層的頂部，但這個高度是不可能出現(xiàn)的。因?yàn)樵诤芨叩母叨?，逐漸到達(dá)星際空間，沒有任何地方是完全沒有空氣分子的。
氣象學(xué)家認(rèn)為，只要在最高高度發(fā)生的某種現(xiàn)象與地表氣候有關(guān)，這個高度就可以定義為大氣層的上界。因此，過去將極光出現(xiàn)的最高高度（1200公里）定義為大氣層的上限。物理學(xué)家和化學(xué)家根據(jù)大氣的物理和化學(xué)特性，認(rèn)為大氣的上限至少高于1200km，但不會超過3200km。由于在這個高度離心力超過了重力，因此大氣層的密度接近星際氣體的密度。因此，在高層大氣物理學(xué)中，常將大氣定義為3000km。
2.空氣質(zhì)量
雖然大氣層的高度很難確定，但理論上可以得到大氣層的質(zhì)量。假設(shè)大氣是均勻的，大氣高度約為8000m，整個大氣柱的質(zhì)量為
mo=poH=1.125x10-3x8x105=980g/cm2；
po為標(biāo)準(zhǔn)條件下（T=0，氣壓為1013.25hPa）的大氣密度。
(2)大氣壓
1.氣壓
定義從雙測量高度到單位面積（截面積1cm2）大氣上邊界的垂直空氣柱的重量為大氣壓，簡稱大氣壓。
地面氣壓值在980至1040hPa之間變化，平均為1013hPa。氣壓有日變化、年變化，也有非周期性變化。氣壓的非周期性變化往往與大氣環(huán)流和天氣系統(tǒng)有關(guān)，且變化幅度較大。
氣壓的日變化在整個過程中有兩個最大值（9-10點(diǎn)、21-22點(diǎn)）和兩個最小值（3-4點(diǎn)、15-16點(diǎn)）日夜。熱帶地區(qū)的日變化比溫帶地區(qū)更為明顯。赤道地區(qū)氣壓年變化較小，高緯度地區(qū)氣壓年變化較大；大陸和海洋之間也存在顯著差異。大陸上的氣壓冬季較高，夏季最低，而海洋則相反。
2、氣壓垂直分布
氣壓取決于水平面上大氣的質(zhì)量。隨著海拔的升高，大氣柱的質(zhì)量減小，因此氣壓隨著海拔的升高而降低。
氣壓隨海拔高度的實(shí)際變化與氣溫和氣壓條件有關(guān)。
相同氣壓下，氣柱溫度越高，單位壓力高差越大，垂直壓力梯度越?。幌嗤瑴囟认?，氣壓越高，單位壓力高度差越小，垂直壓力梯度越大。
(3)大氣層結(jié)
根據(jù)其分子組成，大氣可分為兩個主要層，即均質(zhì)層和非均質(zhì)層。均質(zhì)層是指從地表到85km高度的大氣層。除水蒸氣變化較大外，其成分比較均勻。85km以上高度為異質(zhì)層，可分為氮層（85~200km）、原子氧層（200~1100km）、氦層（1100~3200km）和氫層（3200~9600km）。
根據(jù)大氣的化學(xué)和核物理性質(zhì)，異質(zhì)層可分為光化層和離子層。光化層含有由分子、原子和自由基組成的化學(xué)物質(zhì)，包括海拔20km左右的臭氧層，其中03濃度最大。電離層含有大量的離子。以及反射無線電波的能力。從下到上分為D、E、F1、F2、G層。
在氣象學(xué)上，大貝爾帶根據(jù)溫度和運(yùn)動條件分為五層：對流層、平流層、中間層、暖層和外逸層。
(4)標(biāo)準(zhǔn)大氣
人們根據(jù)高空探測數(shù)據(jù)和理論，定義了一種特征隨高度均勻分布的大氣模型，稱為“標(biāo)準(zhǔn)大氣”或“參考大氣”。標(biāo)準(zhǔn)大氣模型假設(shè)空氣是干燥的，在86km以下是均勻混合物，平均摩爾質(zhì)量為28.964kg/kmol，處于靜態(tài)平衡和水平分層。給出溫度-高度走廊和邊界條件后，通過對靜力學(xué)方程和狀態(tài)方程積分得到壓力和密度值。
3、大氣熱能概念（掌握太陽輻射、大氣能與隔熱效應(yīng)、地-大氣系統(tǒng)輻射平衡）。
地球氣候系統(tǒng)的能源主要是太陽輻射，它從根本上決定了地球和大氣的熱條件，從而控制其他能量傳遞過程。輻射能量交換也發(fā)生在地球氣候系統(tǒng)內(nèi)。因此，有必要研究太陽、地球和大氣之間的輻射能量交換以及其他地球-大氣系統(tǒng)的輻射平衡。
(1)太陽輻射
太陽是距離地球最近的恒星。它的表面溫度約為6000K，內(nèi)部溫度更高，因此太陽不斷向外輻射巨大的能量。太陽輻射能主要為可見光，波長為0.4-0.76m，約占總能量的50%；其次是波長大于0.76m的紅外輻射，約占總輻射能量的43%；波長小于0.4m的紫外線約占7%。與地球相比，太陽輻射的波長較短，因此太陽輻射稱為短波輻射。“表示太陽輻射能量強(qiáng)度的物理量，即單個時間內(nèi)垂直投射在單位面積上的太陽輻射能量，稱為太陽輻射強(qiáng)度。
在太陽與地球平均距離（1.496x108km）下，垂直于太陽光線的大氣層頂部單位面積每分鐘接收到的太陽輻射量稱為太陽常數(shù)。
經(jīng)大氣減弱后到達(dá)地面的太陽輻射有兩部分：一部分是直接輻射，另一部分是經(jīng)大氣散射后到達(dá)地面的部分，稱為散射輻射。兩者之和就是太陽總輻射量，稱為總輻射量?？傒椛涞木暥确植迹阂话銇碚f，緯度越高，總輻射越小；緯度越低，總輻射越大。由于赤道附近多云，最大總輻射并不出現(xiàn)在赤道處，而是出現(xiàn)在200N附近。到達(dá)地面的總輻射量一部分被地面吸收并轉(zhuǎn)化為熱能，一部分被反射。反射部分占輻射量的百分比稱為反射率。反射率根據(jù)地面的性質(zhì)和狀態(tài)變化很大。
(2)大氣能及其保溫效果
大氣本身吸收的直接太陽輻射非常少，但水和陸地植被等下墊面可以吸收太陽輻射，并通過潛熱和顯熱轉(zhuǎn)換將其供應(yīng)給大氣。大氣能量增益的具體結(jié)構(gòu)為：
1、直接吸收太陽輻射大氣中吸收太陽輻射的物質(zhì)主要是臭氧、水蒸氣和液態(tài)水。地球大氣層對太陽輻射的吸收
2、吸收地面輻射：地面吸收到達(dá)大氣上邊界的太陽輻射能的50%，轉(zhuǎn)化為熱能，升高溫度，然后以長波（紅外線）的形式向外輻射更大大于3納米。這種輻射能量的75%-95%被大氣吸收，只有一小部分波長為8.5至12納米的輻射通過“大氣窗”逃逸回宇宙。
3.潛熱輸送：海洋和陸地表面水的蒸發(fā)使地?zé)彷斔偷酱髿庵?。一方面，?dāng)水蒸氣凝結(jié)成雨滴或雪時，它向空氣釋放潛熱；另一方面，當(dāng)雨滴或雪落到地面上時，它們很快就會蒸發(fā)。這個過程交替發(fā)生。全球地表年平均潛熱輸送量約為2760MJ/m2，占輻射平衡的84%。可見，地球與大氣之間的能量交換主要是通過潛熱傳輸完成的。
4、敏感熱傳輸：地表與低層大氣溫度不相等，因地面與大氣之間發(fā)生顯熱交換而發(fā)生能量傳輸。
大氣獲得熱能后，根據(jù)自身溫度向外輻射。這稱為大氣輻射。一部分逃逸到太空，一部分向下投射到地面，這就是大氣逆向輻射。大氣反向輻射的存在使得地面的實(shí)際損失略小于長波輻射釋放的能量，地面能夠保持一定程度的溫暖。這種隔熱效果通常被稱為“溫室效應(yīng)”或“溫室效應(yīng)”。根據(jù)計算，如果沒有大氣層，地面的平均溫度將為-18，而不是現(xiàn)在的15。
(3)地氣系統(tǒng)的系統(tǒng)平衡
輻射平衡有年變化和日變化。當(dāng)白天接收到的太陽輻射超過出射的長波輻射時，夜間輻射平衡為正負(fù)。積極到消極和消極到積極的時刻分別是日落前一小時和日出后一小時。
一年之內(nèi)，北半球夏季輻射平衡因太陽輻射增加而增加；冬季則相反，甚至出現(xiàn)負(fù)值。
緯度越高，輻射平衡保持正值的月份就越少。
4、溫度（掌握溫度水平和垂直分布的特點(diǎn)）。
(1)溫度的周期性變化
(2)溫度垂直分布
對流層大氣距離地面越高，吸收的長波輻射能量就越少。因此，在對流層內(nèi)，氣溫隨著高度的增加而降低。溫度隨海拔高度的變化用單位高度（通常為100米）的溫度變化值來表示，即/100米，稱為溫度垂直遞減率。稱為溫度遞減率。從整個對流層的平均情況來看，海拔每升高100米，氣溫就會降低0.6。
由于溫度受緯度、地面性質(zhì)、氣流運(yùn)動等因素影響，對流層溫度遞減率不可能到處都是0.65/100米，而是隨地點(diǎn)、季節(jié)、晝夜的不同而變化。一般來說，夏季和白天，地面吸收太陽輻射量大，地面溫度高，地面輻射強(qiáng)度大，近地面空氣層受熱較多，溫度遞減率大；反之，在冬季和夜間，蒸氣混合物的遞減率較小。在一定條件下，下層的溫度可能反比上層的溫度低。氣溫隨海拔升高而升高的現(xiàn)象稱為逆溫。
逆溫發(fā)生的主要原因有3個：(1)輻射：常發(fā)生在晴朗無云的夜間。由于來自地面的有效輻射較強(qiáng)，近地表層溫度迅速下降，而上層空氣層冷卻較少，從而形成從地面開始的現(xiàn)象。逆溫層。(2)平流：暖空氣在冷地面或空氣層上方水平移動。下層受寒冷的地面或空氣層影響而迅速冷卻。上層受到的影響較小，冷卻速度較慢，從而形成逆溫。(3)氣沉：多發(fā)生在山區(qū)。山坡上的冷空氣沿著山坡下沉到谷底，谷底原來的暖空氣被冷空氣推高，從而引起逆溫現(xiàn)象。這種逆溫主要是在一定地形條件下形成的，因此也稱為地形逆溫。逆溫的存在阻礙了空氣的垂直運(yùn)動，阻礙煙霧、污染物和水汽凝結(jié)的擴(kuò)散，有利于霧的形成，使能見度惡化，使空氣污染更加嚴(yán)重。廢氣污染嚴(yán)重的工廠不宜建在封閉山谷內(nèi)，避免地形倒轉(zhuǎn)造成大氣污染事故。
(3)溫度水平分布。
空氣溫度的水平分布通常用等溫線表示。等溫線是連接具有相同溫度的地方的曲線。等溫線越接近，溫度水平的變化越大；否則，情況正好相反。閉合等溫線表明存在暖中心或冷中心。有時為了便于比較，可將表層氣溫的實(shí)際觀測值（或統(tǒng)計值）修正為海面溫度，然后繪制等溫線。氣溫的水平分布與地理緯度、陸地和海洋分布、大氣環(huán)流、地形起伏、洋流等因素密切相關(guān)。根據(jù)世界多年平均1月和7月氣溫分布圖可以看出，全球氣溫水平分布具有以下特點(diǎn)：
(1)由于太陽輻射量隨緯度變化，等溫線分布的總趨勢大致與緯度平行。北半球夏季，隨著太陽直射點(diǎn)北移，整個等溫線系統(tǒng)也北移；冬季則相反，整個等溫線系統(tǒng)向南移動。這一特征在南半球廣闊的海洋中相當(dāng)?shù)湫?。北半球海洋和陸地的分布十分?fù)雜。等溫線不像南半球海上的等溫線那么簡單和直。相反，它們扭曲、轉(zhuǎn)動，甚至變成閉合曲線，形成溫暖或寒冷的中心。
(2)冬季太陽輻射的緯度差異大于夏季。北半球一月份等溫線密集，南北溫差較大；7月，等溫線稀疏，南北溫差較小。在南半球，由于海洋的巨大調(diào)節(jié)作用，1月和7月等溫線分布的反差并不像北半球那么明顯。
(3)水體溫度升高緩慢，冷卻緩慢。夏季，海面溫度低于陸地表面，冬季，海面溫度高于陸地表面。因此，冬季，大陸等溫線向南彎曲，海洋等溫線向北彎曲；夏季則相反，大陸等溫線向北彎曲，海洋等溫線向南彎曲。這種等溫線的彎曲在歐亞大陸和北太平洋最為明顯。
(4)洋流對海面溫度分布影響較大。強(qiáng)勁的墨西哥灣流使大西洋的等溫線向東北-西南方向移動。1月份，大西洋的0C等溫線延伸至北緯70左右。其他洋流系統(tǒng)對等溫線方向也有類似的影響，但影響范圍較小。
（5）7月最熱的地方不是赤道，而是北緯20-30的撒哈拉、阿拉伯、加利福尼亞州。全球絕對最高氣溫發(fā)生在利比亞阿齊齊亞，受來自撒哈拉沙漠南部的干熱風(fēng)影響，當(dāng)?shù)貧鉁剡_(dá)到58。1月，西伯利亞形成寒冷中心，奧伊米亞莫極端最低氣溫為-71C。南極洲還記錄了-88.3C的最低表面溫度。