岩石圈、水圈与大气圈及相互作用

岩石圈、水圈与大气圈及相互作用
文献材料基于2000年之前
整理于2011年4月
目录
第一章地球表层系统与环境 (1)
第一节地球表层系统的组成 (1)
一、四大圈层 (1)
二、三大界 (1)
三、固、液、气三态物质 (2)
第二节地球表层系统的结构 (2)
一、垂直分层 (2)
二、水平分异 (2)
三、立体交叉 (2)
四、多级嵌套 (3)
第三节地球表层系统的功能 (3)
一、物质传输、能量流动、信息传递 (3)
二、地球表层系统的可预测、可调控功能 (4)
第四节人类与地球表层环境 (4)
一、人类对地球表层环境的作用与影响 (4)
二、人类与环境的协调发展 (6)
第二章大气圈与气候分异规律 (7)
第一节大气的运动 (7)
一、水平气压梯度力 (7)
二、地转偏向力（科里奥利力） (8)
三、大气的辐合与辐散 (8)
四、大气环流 (9)
第二节物质输移 (14)
一、水汽的输移 (14)
二、二氧化碳的输移 (16)
三、气溶胶的输移 (16)
第三节能量传输 (16)
一、高低纬间的传输 (16)
二、海陆间的传输 (17)
三、高低空之间的传输 (18)
第四节气候分异规律 (18)
一、气温分异 (19)
三、气候分异 (22)
第三章水圈与水平衡 (24)
第一节水圈的组成 (24)
一、海洋水 (25)
二、陆地水 (26)
第二节水圈结构与特征 (27)
一、水圈的水平结构特征 (28)
二、水圈的垂直结构特征 (28)
三、跨流域调水－解决水的空间分布不均问题 (28)
第三节水的运动与循环 (29)
一、水循环 (29)
二、河水的运动 (30)
三、冰川的运动 (31)
四、海水的运动 (31)
五、海面升降与三相转化 (34)
第四节水量平衡 (35)
一、水量平衡的概念 (35)
二、水量平衡方程 (35)
第五节水圈与灾害 (37)
一、水灾 (37)
二、水荒 (38)
第四章大气圈与岩石圈相互作用 (39)
第一节岩石圈变动与气候 (39)
一、海陆分布变化对气候的影响 (39)
二、地形起伏变化对气候的影响 (40)
三、岩石圈与大气圈的相互作用 (41)
第二节地貌与气候 (42)
一、地貌对气候的影响 (43)
二、气候对地貌的影响与控制 (43)
第五章水圈与岩石圈相互作用 (44)
第一节水的分布、负荷均衡与岩石圈形变 (44)
一、岩石圈的变动与水的分布的变化 (44)
三、岩石圈与水圈的正反馈作用 (46)
第二节海岸线与海岸带 (47)
一、海岸线的轮廓与平衡岸弧的发育 (47)
二、海岸均衡剖面 (48)
三、海岸线的进退 (50)
第三节海啸、地质灾害－水岩相互作用 (51)
一、滑坡 (51)
二、崩岸 (51)
三、泥石流 (52)
四、海啸 (52)
第四节河口地貌 (53)
一、河口分段与河口地貌 (53)
二、三角洲 (54)
第六章水圈与大气圈相互作用 (55)
第一节水汽与天气 (55)
一、水汽分布与天气 (55)
二、水汽相变与天气 (55)
第二节水与气候 (56)
一、海洋水与环流、气候 (57)
二、陆地水与环流、气候 (58)
三、环流、气候与水的分布 (58)
第三节大气环流与水的循环 (58)
一、大气环流与全球水分循环 (58)
二、大气环流与水体运动 (59)
第四节海气相互作用 (60)
一、厄尔尼诺/南方涛动（ENSO） (60)
二、风暴潮 (62)
三、海平面升降与气候变化 (63)
第七章水圈、大气圈与岩石圈相互作用 (64)
第一节气候-海洋-冰川-均衡 (64)
第二节气候-水的分布-地球自转-构造运动 (65)
一、气候变化与地球表面水的分布 (65)
二、地球表面水的分布与地球自转速度 (65)
三、地球自转速度的变化与构造运动或形变 (66)
四、气候－水的分布－地球自转速度-构造运动 (67)
第三节构造运动-大气环流-水份循环 (68)
第八章地表环境预测 (69)
第一节地表环境预测的原则 (69)
第二节岩石圈的变化趋势 (70)
第三节大气圈的变化趋势 (71)
一、大气圈组成成分的变化趋势 (71)
二、大气圈结构的变化及其趋势 (72)
三、气候变化的趋势 (73)
第四节水圈的变化趋势 (76)
一、海面的变化 (76)
二、水循环与水平衡的变化 (78)
三、水圈组成与结构的变化 (79)
第五节地球表层环境的变化趋势 (79)
一、自然的成分越来越少，人工的成分越来越多 (79)
二、能量流的改变 (79)
三、物质流的改变 (80)
四、信息流的改变 (81)
第一章地球表层系统与环境
第一节地球表层系统的组成
地球表层系统，是一个非常复杂的巨系统。

说其复杂，是因为它由许多大大小小的系统组成。

并且涉及环境的因素多、空间范围大。

对于这样一个复杂的巨系统，如果事无巨细、面面俱到，是无法对其进行刻画与研究的。

这里只想从自然地理学的角度，对其基本的组成与特征作一个简要的叙述。

一、四大圈层
地球呈现出圈层构造，可以划分出内部圈层与外部圈层。

内部圈层包括地壳、地幔、地核。

外部圈层包括岩石圈、大气圈、水圈、生物圈。

岩石圈指地球表层由固体岩石组成的圈层；大气圈指环绕地球的由气体组成的圈层；水圈指地球表层由各种形式存在的水组成的圈层；生物圈指地球表层所有活着的有机体组成的圈层。

岩石圈、大气圈、水圈、生物圈在空间上有着一定的交叉，难以绝然分开；在物质交换、能量传递以及发生发展过程方面，更是紧密地联系在一起，相互作用、相互影响。

每个圈层均可看作一个次级系统。

一般来说，地球表层系统由岩石圈、大气圈、水圈、生物圈交叉而成。

人类是生物圈的一部分。

当然，也有的学者，为了强调人类的重要性与特殊性，单独列出一个“智慧圈”或“文化圈”、“技术圈”。

实际上，人类既是生物圈的一部分，又与一般的生物有着一定的区别。

（1）人类是生物圈的一部分，但又不同于一般的生物；
（2）人类生存在四大圈层的交界面上，四大圈层是人类诞生与发展的环境；
（3）人类对四大圈层均有着重要的作用与影响。

四大圈层之间及其与人类相互作用、相互影响，构成了地球表层系统。

二、三大界
通常物质可以划分为无机物与有机物，自然界可以划分为无机界与有机界。

地球表层系统的物质组成，也可以概括为无机物与有机物两大类。

但如果用无机界与有机界来概括表达地球表层系统，似乎还不够全面。

因为人类诞生在地球表层，发生发展在地球表层。

人类在地球表层系统中的地位与作用，以及人类与自然环境之间的相互作用、相互影响，仅仅用无机界与有机界还难以表达清楚。

尤其是自然地理学就是研究人类赖以生存的地球表层自然环境的学科。

在自然地理学中，更有必要来强调一下人类的重要性。

故有人提出了用人文界来表示人类在地球表层系统中的重要地位与作用，以及人类与自然环境之间的相互作用、相互影响。

可以这么说，地球表层系统是地球表层无机界、有机界与人文界相互作用、相互影响而构成的一个系统。

三、固、液、气三态物质
地球表层在物质组成上还有一个特征，就是固态、液态、气态三态物质共存。

可以说，地球表层是由固态、液态、气态三态物质组成的。

例如，岩石、冰是固态；水、岩浆是液态；空气、水汽则是气态。

不仅三态物质相互作用，而且在一定的条件下相互转化，成为地球表层系统中物质循环、能量传递与转化的重要表现形式与表征。

比如，海水蒸发变为水蒸汽（吸收能量），水蒸汽在空中随气流运动（物质迁移），在高山或高纬地区变为雪（释放能量）降落地表，当气候变暖时冰雪融化又变为水（吸收能量）流入海洋。

在这样一个水的三态（水－水汽－冰）转化过程中，不仅完成了物质的循环（海洋－大气－高山、高纬地区－海洋），而且还完成了能量的传递（从大气吸收能量－释放能量到大气－从大气吸收能量）。

第二节地球表层系统的结构
一、垂直分层
从整个地球看，垂直分层现象非常明显。

从地核、地幔、地壳，到水圈、大气圈等等，都说明了这一点。

地球表层同样具有明显的垂直分层现象。

除岩石圈、水圈、大气圈、生物圈显示出垂直方向的明显分层现象外，这些圈内部也表现出明显的垂直分层特征。

例如，岩石圈包括上地幔的上部与地壳。

地壳又可以分为上部的硅铝层和下部的硅镁层。

硅铝层主要由O、Si、Al、K、Na等组成，和花岗岩的成分相似，又称为花岗岩层；硅镁层虽然也以O、Si、Al等为主，但Mg、Fe、Ca等明显增加，和玄武岩成分相似，又称为玄武岩层。

大气圈又可分为对流层、平流层、中间层、暖层和散逸层。

二、水平分异
地球表层环境的水平分异也非常明显。

所谓水平分异，就是指在水平分布方面的差异与变化。

比如说，南方与北方冷暖不同，大陆东岸与西岸干湿不一，山区与平原的植被、土壤有一定的差异。

再如，有的地区火山、地震比较频繁，有的地区却少有发生；有的地区一马平川、一望无际，有的地区却高山峡谷、悬崖峭壁；有的地区常年冰天雪地，有的地区却是四季如春；海洋地壳很薄，大陆地壳却很厚；低纬度地区对流层厚度可达17～18km，而高纬地区却只有7～8km；有的地区林木茂密，有的地区却寸草不生。

三、立体交叉
组成地表环境的岩石圈、水圈、大气圈、生物圈，不是绝然分开的，而是相互交叉、相互渗透，在空间上构成了一个立体交叉的结构。

岩石圈中有水与大气的参与，水圈中含有大气，水是大气圈的组成成分，生物圈更是岩石圈、水圈、大气圈交叉融
合的产物。

很难找到一个明显的界限，将其截然分开。

四、多级嵌套
地球表层环境可以划分为不同空间尺度的环境。

例如，地球表层环境可以划分为陆地环境和海洋环境。

陆地环境还可以划分为各大洲的环境、各个国家的环境，进一步划分为各区域（如省市）的环境及局地环境。

海洋环境可以划分为四个大洋；进一步划分为大洋和边缘海，边缘海还可划分为大陆架与大陆坡，等等。

从系统学的角度说，这就是系统的多层次性、多级次性。

这些系统不是并列的拼凑在一起的，而是在空间上相互交叉、叠置，并且相互联系、相互作用的。

因此是多级嵌套。

第三节地球表层系统的功能
一、物质传输、能量流动、信息传递
对于系统来说，一般都具有物质传输、能量流动、信息传递的功能。

系统的结构决定了系统的功能。

既然地球表层系统在结构上存在垂直分层、水平分异、立体交叉与多层次的特征，那么地球表层系统在各个圈层之间、各个地域之间、各个不同层次的系统之间，就可能存在着物质的传输、能量的流动和信息的传递。

具体来说，垂直方向上，各个圈层之间、各个圈层内部的各个次级层次之间，都可能存在着物质的传输、能量的流动和信息的传递。

例如，大气圈与水圈之间、大气圈与岩石圈之间、水圈与岩石圈之间存在着物质的传输、能量的流动和信息的传递。

再如，大气圈中的对流层、平流层、中间层、暖层、散逸层之间，海洋的表层、中层与深层之间，岩石圈的地壳、上地幔、软流圈之间也存在物质的传输、能量的流动和信息的传递。

水平方向上，大洋与大陆之间、大洋与大洋之间、大陆与大陆之间、地区与地区之间存在着物质的传输、能量的流动和信息的传递。

通常所讲的海气相互作用、陆海相互作用，就是指由于海洋与大气、大陆与海洋之间的物质、能量、信息的交换而导致的正、负反馈作用。

生物圈很难与其他圈层截然分开，它与其他圈层相互交织在一起，与其它圈层之间也存在着物质的传输、能量的流动和信息的传递。

例如，生物圈与大气圈之间、生物圈与水圈之间、生物圈与岩石圈之间，以及生物圈内部的各个部分之间如动物、植物、微生物之间，乔木层、灌木层、枯枝落叶层之间，也都存在着物质的传输、能量的流动和信息的传递。

不同层次之间同样存在物质的传输、能量的流动和信息的传递。

通常所说的大气循环、水分循环、地质循环、生物地球化学循环（如碳循环、氮循环、磷循环、氧循环等）等，都是跨圈层、跨层次，在空间上立体交叉，在时间上具有不同尺度的物质传输过程。

在这样的物质传输过程中，伴随着物态的变化、能量的流动与转化，以及信息的传递。

二、地球表层系统的可预测、可调控功能
除了处于混沌状态的系统外，许多系统是可以预测与调控的。

由于地表系统存在物质的传输、能量的流动和信息的传递，并且由于物质的传输、能量的流动和信息的传递，决定了系统的结构与功能，决定了系统的演化，故可以通过研究地表系统物质传输、能量流动和信息传递的过程与规律，来预测系统的可能变化，通过改变系统的物质流、能量流或信息流，来改变系统的结构与演化的趋势，从而达到对地表系统进行优化、调控的目的。

第四节人类与地球表层环境
人类产生于地球表层，在地球表层环境中发展、演化。

可以说，在长期的发展、演化过程中，人类与地球表层环境之间，已经建立了一种密不可分的关系。

并且随着人类改造自然的能力的提高，人类不再是被动地适应环境，而是在不断地改变着地球表层环境。

人类与地球表层环境的关系，由人类诞生早期的环境对人类的单向影响为主，变为现在的人类与环境相互作用、相互影响的格局。

一、人类对地球表层环境的作用与影响
随着社会的进步、科技生产力的提高，人类对地球表层环境的作用与影响越来越大。

这可从以下几个方面来说明。

人类活动对地表环境的主要影响（王建，2000）
（一）改变地表环境的结构
人类的活动，改变了地表环境的结构。

比如，毁林垦种使森林变为农田，城市的建造使森林、草地或者农田变为混凝土为主的地面，过度放牧或开垦使草原变为荒漠，水库的建设使旱地变为水面，干旱区节水灌溉技术使戈壁、荒漠变为良田，如此等等。

总而言之，人类已经和正在改变地表环境的结构。

（二）改变地表环境演化的方向
如果没有人类活动的影响，地表环境将按照自身演化的规律进行演化。

人类活动的影响已经达到可以改变地表环境演化方向的程度。

比如说，科学家研究认为，第四纪中冰期/间冰期旋回持续的时间大致上为10万年，其中间冰期持续时间只有1万年。

冰后期作为一个现代间冰期，已经经历了大约1万年的时间。

也就是说现代间冰期即将结束，新的冰期即将开始，今后世界气候将向寒冷方向发展。

然而由于人类活动的影响，大气中的CO2等温室气体大幅度增加，从而将导致世界气候的变暖。

有人预测，由于温室效应，未来气候不是变冷，而是变暖。

（三）改变了地表环境变化的速率
由于人类活动的影响，地表环境变化的速率也会发生改变。

由于人类活动的影响，使土壤侵蚀的过程加快了一百多倍。

另据美国的资料，在13个州约5万个测点上所得到的数据表明，原来植被覆盖的土壤每年每公顷损失0.85t，而一旦被人开垦后，土壤损失的数字一下子上升到83.55吨，提高了98.3倍。

这些事例表明，人类已经和正在改变地表环境变化的速率。

（四）改变了地表环境的物质循环
人类改变地表环境的物质循环表现在多个方面。

一个典型的例子就是对水的控制。

人类建造水库，改变了水流下泄的速度与时间；建造排灌工程，可以把低处的水调到高处；跨流域调水，更是改变了两个流域水分的循环。

例如，即将实施的南水北调工程，将把长江流域的水调到黄河流域。

不仅会使长江入海流量减少，而且会增加黄河流域的水量。

从而使两个流域的水分循环发生变化。

再如，人类燃烧化石燃料，使大气中m3的含量大幅度增加；人类利用氟里昂作为制冷剂，泄露到大气中，破坏了臭氧层；化肥的使用改变了地表环境中氮、磷、钾等元素的自然循环过程，导致了湖泊的富营养化；灌溉和水库的建设，增加了局部地区地面的水蒸发，从而使降水也增加。

（五）改变了地表环境的能量平衡
人类改变了地面的结构，从而也就改变了地面的反射率，使地面接收到太阳辐射量增加或者减少，也就改变了地表环境的能量平衡。

沙漠化使地面反射率增加，后果是使地面接收到的太阳辐射减少，使地面温度降低；城市热岛效应使城市中心温度比周围地区温度高；由于水的热容量比较大，水库对热量的调节比较明显，从而使水库及其周围的气温日较差与年较差都较小。

温室效应也是人类改变地表环境能量平衡的绝好的实例：化石燃料燃烧使得大气CO2浓度升高，引起地面长波辐射减少，导致地面温度升高。

（六）对资源的消耗与破坏
人类在不断地开发利用自然资源。

有些资源是可再生的，有些资源则是不可再生的。

由于长期的开发利用，一些资源面临枯竭的危险。

与此同时，一些资源受到了严重的破坏。

由于人类不合理的垦殖，土壤侵蚀速率增大了许多倍；由于过度开垦与过度放牧，沙漠化的速度加快；另外全世界每年有3，000km2的耕地因城市建设被占用。

加上人口的急剧增加，人均耕地面积越来越少。

由于水资源分布在时间与空间上的不均匀性，也由于人类对水资源的不合理利用以及对水资源的污染，人类正面临着水危
机。

目前世界上有43个国家和地区缺水，约20亿人用水紧张，10亿人得不到良好的饮用水。

我国北方尤其是华北与西北地区，正面临着缺水的问题。

不得不“引滦济津”、“引黄济青”、“引青（青龙河）济秦（秦皇岛）”、“引大（大通河）入秦（秦王川）”。

矿产资源是不可再生资源，并且矿产资源的储量是有限的。

据估计，按照现在的发展速度，世界石油只能再用100～150年，煤可以再用150～250年，金属矿藏也将在不久的将来全部用完。

由于人类活动的影响，森林面积迅速减小，生物灭绝的速度比自然灭绝速度加快了50～100倍。

资源的枯竭与破坏，为今后人类的生产、生活带来许多不便，为今后社会的发展带来困难。

二、人类与环境的协调发展
人类是地球表层环境发展到一定阶段的产物，人类生活在地球表面，在地球表面发展演化。

如果人类破坏了地球表层环境，也就破坏和动摇了其生存与发展的基础。

人类只有合理地、高效地、有限度地利用自然资源，自觉地、有效地保护自然环境，协调与改善与地球表层环境的关系，才能保证人类社会持续地、健康地发展。

要做到这一点，必须从以下几方面入手。

（一）摆正人类自身的位置
人类是地球表层环境发展到一定阶段的产物。

人类确实具有了改变和改造地球表层自然环境的能力。

但是，如果人类毫不考虑地球表层环境发展、演变的客观规律，盲目地干扰与破坏经过长期演化发展而形成的地球表层环境，那么将会破坏和动摇人类生存与发展的基础，人类的发展将受到极大的威胁。

所以人类应该摆正自身的位置：（1）人类是地球表层环境的产物，是地球表层系统的组成部分；（2）地球表层环境是人类赖以生存的物质基础，没有了地球表层环境，人类也就失去了存在的基础；（3）现在的人类，不再是以前的人类，人类能够改变并且已经在很大程度上改变了地球表层环境。

有些改变对人类是有利的，有些改变对人类是不利的；有些改变，短期内对人类是有利的，但从长期看对人类是不利的。

人类应该时刻检查自己的行为，对地球表层环境的改变应该控制在地球表层环境可以承受的范围之内。

（二）建立和提高可持续发展的意识
人类需要持续地发展下去。

可持续发展，已经成为当前世界发展的目标。

所谓可持续发展，就是“既满足当代人的需要，又不损害后代人满足需要的能力的发展”（布伦特兰，1987）。

换句话说，“所谓可持续发展，就是既要考虑当前发展的需要，又要考虑未来发展的需要，不要以牺牲后代人的利益为代价来满足当代人的利益”（江泽民，1996）。

要实现可持续发展的目标，首先要使人类建立与提高可持续发展的意识。

提倡清洁生产、高效资源利用、有节制的消费，控制人口，消除贫困，保持生态平衡，利用绿色能源，发展绿色科技，依法保证可持续发展目标的实现。

（三）自然地理学与可持续发展
“资源、环境、人口与可持续发展”，是《中国二十一世纪议程》的主题与核心内容，也是地理学研究的核心内容，地理学应该并且可以在可持续发展研究中，以及在《中国二十一世纪议程》的实施过程中发挥出重要的作用。

自然地理学，既然是研究人类赖以生存的地球表层自然环境的组成、结构、区域分异特征、形成与变化规律，从而对其进行评估、预测、规划、管理、优化、调控的学科，自然地理学也应该为人类社会的可持续发展做出其他学科不可替代的贡献。

目前来看，自然地理学主要应该在以下几个方面有所作为：（1）弄清自然资源的区域分异特征、形成与变化规律，为资源的可持续利用提供依据；（2）弄清自然环境的组成、结构、区域分异特征、形成与变化规律，并对其进行评估、预测与规划，从而为环境的管理、优化、调控，为协调人类与环境的关系，提供科学依据与决策参考；（3）弄清地球表层自然灾害的区域分异特征、形成与变化规律，为灾害预测、减灾防灾提供科学依据。

第二章大气圈与气候分异规律
第一节大气的运动
大气时刻不停地运动着。

就规模而言，既有对全球产生影响的大规模的全球性运动，也有对局地地区产生影响的小尺度的局地运动。

这种不同规模的大气运动状态，称为大气环流。

大气运动最直接的原因是气压的时空分布和变化，尤其是水平气压梯度力的存在和变化。

大气运动的最直接的结果是使地球上的物质能量得以传输。

一、水平气压梯度力
由于地表受热不均，引起了气压的空间分布不均。

气压分布的不均匀程度常用气压梯度（GN）表示。

气压是指单位面积上所承受的大气柱的重量，常用百帕作为气压单位。

气压梯度是一个向量，它的方向是垂直于等压面，由高压指向低压；它的大小等于两等压面间的气压差（△P）除以其间的垂直距离（△N），即
P/N
GN＝－△△
P/N前加负号。

由式中，GN为气压梯度，它有水平梯度和垂直梯度之分，故△△
于△N是从高压指向低压，△P为负值，在存在着气压梯度的地方，空气分子受到力的作用，驱使着空气沿着和气压梯度相同的方向移动，这种力被称为气压梯度力。

它是促使空气从静止到运动的原动力。

空气的水平运动称为风。

风向不是指空气运动的指向，而是空气来源的方向。

风存在着有规律的日变化：近地面层中，白天风速增大，午后增至最大，夜间风速减小，清晨减至最小。

而摩擦层上层则相反，白天风速小，夜间风速大。

这是因为。