第一章 地球大气
第一章 空间环境概况
近地空间环境
地球磁场
地理的北极与地磁的南极夹角11.5度，地球磁场范围上至几万千米，下至地球 深部。地磁的强度不大，磁极处的强度为磁赤道处的两倍。地磁场常有突然的 无规则扰动，且呈现全球性，这种扰动称为磁暴。在太阳风的作用下，地球磁 场被限制在一定范围内，这个范围称为磁层。
近地空间环境
地球磁场
火星拥有两个天然卫星，分别为火卫一和火卫二，其形状不规则，可能是捕获 的小行星。
深空空间环境
木星空间环境
木星的大气层主要由氢分子和氦分子组成，同时也包含少量甲烷、氨、硫化氢 和水。木星大气层从低到高，大气层依次为对流层、平流层、热层和散逸层。
木星具有全球性磁场，其磁场强度为地球的14倍。木星磁场的来源主要用两个 部分，一部分来自行星发电机效应产生的内部磁场，另一部分来自硫、氧和氢 离子旋转产生的电流片磁场。
根据研究工作的不同需要，可采用地球形状的各级近似： ➢ 球形近似：研究卫星在地球中心引力场中的运动规律，二体问题。 ➢ 旋转椭球体近似：一个椭圆绕其短轴旋转而得到的椭球，地球位函数与时间无关 ➢ 三轴椭球形近似：赤道为椭圆形，南北稍短、中间略鼓，地球位函数与时间相关
近地空间环境
地球自转
使得地球产生了昼夜交替，自西向东自转；自转作为时间计量的基准；自转 的不均匀性表现在自转速度的不均匀、自转轴空间方向的变化、自转轴在地 球表面上位置的变化。
土星拥有146颗已知的卫星，其中土卫六为土星系统中最大的卫星，其具有稠 密大气；土卫五是土星的第二大卫星，其具有一层微弱的大气。同时，土星也 具有行星环，其主要由水冰组成。
深空空间环境
天王星空间环境
天王星的大气主要由氢气和氦气组成，同时还有较多的甲烷气体，因此天王星 呈青色，除此以外还包含微量的其他碳氢化合物。
气象第一章 第一节大气概况
第一节 大气概况 第二节 气温 第三节 气压 第四节 空气水平运动--风 第五节 大气环流 第六节 大气湿度 第七节 大气垂直运动 第八节 云和降水 第九节 雾和能见度 第十节 船舶海洋水文气象观测
第一节 大气概况
基本概念和知识点：大气成分；大气污
染；大气垂直结构。
重点：大气中的易变成分及其作用；对流
（3）上层：离地面6km到对流层顶，中纬度地区上空盛 行西 风，风速随高度升高而增大，形成高空急流（风速 ≥30m/s），波状式的层流是该层的运动特点。
中层和上层 几乎不受摩擦作用，称为自由大气。对流 层顶：厚度约为1-2km，温度随高度呈等温或逆温状态。
2. 平流层（Stratosphere）：厚度：自对流层顶到大约55km。
4、城市污染监测的主要成分：总悬浮颗粒物，二氧化硫、氮 氧化物
5、产生酸雨的主要成分：二氧化硫 6、产生有毒光化学烟雾：氮氧化物和氢氧化物
总结：
1、对气温有影响：CO2，臭氧，水汽 2、吸收和放射长波辐射：CO2,水汽 3、唯一吸收紫外线：臭氧（O3) 4、产生温室效应：CO2 5、唯一一种在常温常压下能产生相变:水汽 长波辐射：地球大气辐射能量的95%集中在
最轻。湿空气在同一气压和温度下，只有干空气密度 的62.2％。大气中水汽含量范围在0～4％，它也是造 成云、雨、雪、雾等天气现象的主要物质条件。
3、杂质 1)、杂质：
悬浮在空气中的固体或液体微粒，主
要包括尘埃、烟粒、细菌、病毒、花粉和微 小盐粒等，悬浮在大气中的固体或液体颗粒， 又称为气溶胶粒子，包括水汽凝结物（水滴、 冰晶）、微小盐粒等。 2)、对大气的影响：
大气是可压缩气体，大气密度随 高度增加而迅速减少。
气象学 第一章__ 大气概述
到3日下午，新奥尔良 新奥尔良大街上几乎已经没有行人，仅剩 新奥尔良 下一些医务人员开始用手推车推走遇难者的尸体。曾经是非 常繁荣的这座城市在4天之内就成了一座名副其实的人间地 狱，到处是抢劫和强奸等不堪不目的景象，如今它已成为一 座空城和一个巨大的坟墓。 美国联邦紧急事务管理部门负责灾后重建的总监丹·克莱 格说，将新奥尔良市淤积的洪水排出可能需要6个月，然后 整座城市要“晾干”，这还需要3个月的时间。
发现过程
1987年代表19个组织和四个国家的大约150名 科学家和辅助人员聚会于智利的蓬塔阿雷纳斯，进行 了一项规模空前的研究，即机载南极臭氧实验。这项 实验表明1987年臭氧洞大小达到历史最大。这一发现 震惊了科学界。
形成机理
南极“臭氧洞”的成因目前尚无定论，其中最为 令人信服的当是污染物质学说。此外还有：美国宇航 局汉普顿芝利中心Callis等人提出南极臭氧层的破坏与 强烈的太阳活动有关；麻省理工学院的Tung等人认为 是南极存在独特的大气环境造成冬末春初臭氧耗竭， 根据大气动力学说，指出大量氯氟烃化合物的使用， 以及南极初春没有足够阳光产生大量氧原子，并因此 提出了不需要氧原子的循环机理。
冰点 摄氏温标 华氏温标 绝对温标 0 32 273 沸点 100 212 373 基点间隔 100 180 100 换算 C=5/9（F-32） F=9/5C+32 K=C+273
０摄氏度：1013.3Hpa时纯水的冰点 100摄氏度：1013.3Hpa时纯水的沸点
二．气压：
1．概念：单位面积上所承受的大气柱重量P=MG/A 2．气压单位：（标准大气压、帕斯卡、百帕、 mmHg） 标准大气压：0摄氏度、45度纬度、海平面的大气压 1标准大气压=760mmHg=1013.3Hpa
天气学原理和方法(1-5)
天气学原理和方法第一章大气运动的基本特征地球大气的各种天气现象和天气变化都与大气运动有关。
大气运动在空间和时间上具有很宽的尺度谱，天气学研究的是那些与天气和气候有关的大气运动。
大气运动受质量守恒、动量守恒和能量守恒等基本物理定律所支配。
为了应用这些物理定律讨论在气象上有意义的相对于自转地球的大气运动，本章首先讨论影响大气运动的基本作用力，和在旋转坐标系中所呈现的视示力，然后导出控制大气运动的基本方程组，并在此基础上分析大尺度运动系统的风压场和气压场的关系，并引出天气图分析中应遵循的一向基本指导原则。
第一节旋转坐标系中运动方程及作用力分析一、旋转坐标系中运动方程1. 二（绝对速度）与丁（相对速度）假设t o 时刻一空气质点位于P 点，经t 时间，质块移到Pa 点，地球上的固定点P 移到了 Pe 位置位 移为R ，质块相对固定地点的位移为 兰R ，图1.1旋转坐标系显然匚：=Z-血 &当…- 0位移很小时边左=匚圧_晟占daR dR d^R----- = ------ + -------单位时间的位移为 皿 逸 皿由此得=「兀此关系式表明：绝对速度等于相对速度与牵连速度之和d^V dV2.与az 的关系地球自转角速度为= Q: /x -S由此可得微分算子则于是daR _dtda d -——=—十C △将微分算子用于―则有dCt VCt ——= ---+ G A 九dt dt再将兀！代入上式右端得daVa dVdt _ _ __ _ _ 存=-- 2Q ----- +0八（Q 人卫）dt dt式中■■- !'为地转偏向力加速度，即柯氏加速度：'''■■- ' ：'' ■"■，＜；为向心力加速度 3 •牛顿第二定律F — m --------------dt在绝对坐标系中单位质量空气块受到的力有叱L=_—w+ /去：地心引力F:摩擦力将此式代入（*）式:竺二一丄VF + GC-2Q A产一心八⑸入氏）十F di q 、作用力分析 1 .气压梯度力(*)daVa F=> dt单位质量的空气块所受到的力①定义：单位质量空气块所受的净空气的压力图1.1.2 作用于气块上的气压梯度力的X分量-&电& = Fyy方向：哲'- —&①隹=Fzz方向：F =弘+ Fy ¥ F去净空气总压力—（迄+K/+里灯％沁dx dy fem =a②表达式③推导:x方向: B面PA 面:-(P+u净压力: g茨&卸歷=F A同理G=-大小：气压梯度力的大小与气压梯度成正比，与空气密度成反比方向：气压梯度力的方向指向的方向，即由高压指向低压的方向①定义：地球对单位质量的空气块所施加的万有引力G：= ^=常数②表达式K:万有引力常量M :地球质量图1.1.3 地心引力受力分析图④讨论:大小：不变，常数④讨论:a：到地心的距离(1.2)实用标准文档3.惯性离心力①定义：观测者站在旋转地球外观测单位质量空气块所受到一个向心力的作用，但站在转动地球上（•’'■观测它的运动，发现它是静止的，这必然引入一个与向心力大小相同，方向相反的力，此力称为惯性离心力图1.1.4旋转坐标系中的惯性离心力④讨论：大小：- 与纬度成反比，赤道处最大方向：在纬圈平面，垂直地轴指向4.重力方向：指向地球心②表达式(1.5)③推导: di① 定义： 地心引力与惯性离心力的合力图1.1.5 重力大小：随纬度增大而增大方向：垂直地球表面指向5 .地转偏向力①定义： 观测者站在转动地球上观测单位质量空气块运动(〕右偏的力，在南半球它向左偏。
地球大气概述
第一章大气由于引力作用而环绕行星的气体圈层叫做行星大气。
地球大气又简称大气(atmosphere)，地球上的整个空气层称为大气圈。
第一章大气大气的组成和垂直结构§1§2§3大气污染大气与农业退出§1 大气的组成和垂直结构大气的组成大气的垂直结构一二一. 大气的组成1.干洁大气:除去水汽及其它悬浮的固体和液体质粒的混合空气。
气体容积含量（%）分子量临界温度(℃)氮气78.08428.0134 -147.2氧气20.946 31.9988 -118.9 氩0.93439.948 -122.0二氧化碳0.03844.0099531.0臭氧0～7×10-847.9982 -5.0 表1. 干洁大气的主要成分干洁大气特点气体的组成成分比较稳定干洁大气是永久气体在气象学中，通常将干洁空气作为“单一”气体来处理，其分子量为28.966。
大气中几种主要气体简介）（1）氮气（nitrogen, N2大气中含量最大的气体成份，影响大气的密度、气压。
氮是生物体的重要组成元素，是肥料三要素之一。
在气象学中并没有特殊的作用。
（2）氧气（oxygen, O）2各种生命活动不可缺少的物质能吸收太阳辐射中的紫外线(ultraviolet, UV)，使到达地面的紫外线减少，同时影响大气的温度（3）臭氧(ozone, O 3 )生消原因：O 2───→O+O O+O 2 ───→O 3O 3+O ───→O 2+O 2臭氧的时空分布规律空间变化特点：10km以下含量很少，20～25km浓度最大，称为臭氧层（ozone layer)时间变化特点：随季节而变化，春季最大，夏季最小臭氧的作用能强烈地吸收太阳辐射中的紫外线（特别是对生物有很强伤害作用的波长小于0.29微米的紫外线）。
对人和地球上的生态系统起到了屏障和保护作用。
对高层大气有“加热”作用，使10至50km高度的气层温度增高。
臭氧洞(ozone hole──一个重要的环境问题80年代初，在南极大陆发现了臭氧含量明显减少的大片区域，称为臭氧洞。
气象学要点——精选推荐
⽓象学要点⽓象学资料第⼀章地球⼤⽓1、什么是天⽓？什么是⽓候？两者的区别？天⽓：某⼀地区在某⼀瞬间或某⼀短时间内⼤⽓状态和天⽓现象的综合。
⽓候：在太阳辐射、⼤⽓环流、下垫⾯性质和⼈类活动，在长时间互相作⽤下，在某⼀短时间内⼤量天⽓过程的综合。
区别:①天⽓是短期过程，天⽓系统简单；②⽓候是长期过程，⽓候系统复杂，其中⽓候系统包括（⼤⽓圈、岩⽯圈、⽔圈、⽣物圈、冰雪圈）2、什么叫⼲洁⼤⽓？⼤⽓中除去⽔汽和悬浮在⼤⽓中的固态、液态微粒以外的整个混合⽓体。
3、关于CO2的时空变化、⽇变化、年变化和长期变化？低层嗲⽓中CO2含量随时间和空间⽽略有变化。
在时间上，①由于卢瑟植物光合作⽤对CO2消耗，在⽩天、晴天、夏季时的CO2浓度⽐⿊夜、阴天、冬季要⼩；②⼯业⾰命前⼩于⼯业⾰命后。
在空间上，⽔平⽅向：城市⼤于农村；垂直⽅向：0—20kmCO2含量⾼，20km 以上，含量逐渐减少。
CO2的⽇变化：⽩天午后最少，⽇出前后达到最⾼CO2的年变化：秋季最低，冬季最⼤CO2的⽇变化：不断增加4、⽔汽⽔汽的来源：主要来⾃江河湖海等⽔体和潮湿地表的⽔分蒸发以及植物的蒸腾，最重要的是：⽔汽是可变成分。
⽔汽时空变化：时间上，夏季多于冬季；空间上，⼀般低纬多于⾼纬，下层多于上层⽔汽特点：①⽔汽是实际⼤⽓中唯⼀能在⾃然条件下发⽣⽓、液、固三态相变的成分，在天⽓变化、⽓候形成中扮演了⼗分重要的⾓⾊。
②⽔汽还能强烈的吸收地⾯和⼤⽓长波辐射并放射长波辐射对地⾯存在保温效应，因此⼤⽓中⽔汽含量多少对地⾯和⼤⽓的温度情况有着重要的影响③⽔汽是⾃然界潜热最⼤的物质。
5、⼤⽓的热⼒学分层（图P16）根据温度、⼤⽓成分、电荷、随⾼度的分布特点将整个⼤⽓层划分为五层：对流层、平流层、中间层、热成层和散逸层。
对流层：低纬度温度低，⾼纬度温度⾼，因为低⾼纬度地区的地⾯受热不平均，低纬度地区的平均厚度为17—18km，⾼纬度地区的平均厚度为8—9km。
大气的组成和结构
1 对流层
➢ 对流层集中了约75%的大气质量和90%以上的水汽。 ➢ 对流层大气热量的直接来源主要是空气吸收地面发出的长
波辐射，靠近地面的空气受热后热量再向高处传递。 ➢ 对流层中，水汽和二氧化碳对大气温度变化的影响最大。
2020/6/15
中国民航大学 空管学院
第一章 大气的组成和结构
第一节 大气组成 第二节 大气结构 第三节 空气状态方程 第四节 标准大气
地球大气
地球表面的外层是多种气体混合组成的空气，受地球重 力作用，围绕地球占有一定的空间，称为地球大气，简称大 气 （Atmosphere）。
大气不停地运动，不断地变化，呈现出各种各样的天气 （Weather）现象。
对流层三大重要特对征流层：的三个主要特点：
气温随着高度的增高而降低 具有强烈的对流和湍流运动 各气象要素水平分布不均匀
因为大气不能吸收太阳短波辐射，但地 面能吸收太阳辐射而升温并放出长波辐 射，大气主要通过吸收地面的长波辐射 低层和空通气过由对于流从、地湍面流得等到方热式量从使地之面受吸热收上热升， 高层量气冷才象空能要气升素下温水沉，平，因分从而布而越不造接均成近匀对地。流面层的内大存气在得强 烈的到由垂的于直热各混量地合越纬作多度用，和。造地热成表带对性地流质面层的温的差度气异高温，随地垂高面直 混合度上能升空到高空很而气高降在高低水度。平，方对向流上层具顶有高不度同高物；理极属地 地度面低性从温。，而度温产低、生，压各垂、种直湿天混等气合要过作素程用水和弱平天，分气对布变流不化层均。顶匀高，
T1
北Y 东X
二、大气垂直分层结构
大气层状结构：
对流层（Troposphere） 平流层/同温层（Stratosphere） 中间层（Mesosphere） 暖层/电离层（Thermosphere） 外逸层（Exosphere）
天气学原理和方法(1-5)
这里所说的摩擦力是指大气因具有粘性，当有相对运动时所受到的一种粘性力。
第二节基本方程组
一．运动方程
运动方程
(1.16)
二．状态方程
状态方程
三．连续方程
1． 各种形式的连续方程
(1).
质量散度形式的连续方程:
(2)．
速度散度形式的连续方程：
(3).
不可压缩流体的连续方程：
2．质量散度形式的连续方程的推导
2．地心引力
① 定义：地球对单位质量的空气块所施加的万有引力
② 表达式(1.2)
K：万有引力常量
M：地球质量
a：到地心的距离
③ 推导：
图1.1.3 地心引力受力分析图
④ 讨论：
大小： 不变，常数
方向： 指向地球心
3．惯性离心力
① 定义：观测者站在旋转地球外观测单位质量空气块所受到一个向心力的作用，但站在转动地球上（ 观测它的运动，发现它是静止的，这必然引入一个与向心力大小相同，方向相反的力，此力称为惯性离心力。
2．与 的关系
地球自转角速度为
则
于是
由此可得微分算子
将微分算子用于 则有
再将 代入上式右端 得
（*）
式中 为地转偏向力加速度，即柯氏加速度
为向心力加速度
3．牛顿第二定律
单位质量的空气块所受到的力
在绝对坐标系中单位质量空气块受到的力有
+
：地心引力
F：摩擦力
将此式代入（*）式：
二、作用力分析
1．气压梯度力
一．大气分类
大气运动系统分类
行星尺度 KM
大尺度 KM
中尺度 KM
小尺度 KM
二．引入特征尺度
大气化学电子教案99
大气的组成
Table 1.1 U.S. Standard Atmosphere.
Constituent gas
Content (%byvolume)
Nitrogen (N2) Oxygen (O2) Argon (Ar)
78.084 20.948 0.934
Carbon dioxide (CO2) Neon (Ne) Helium (He) Methane (CH4) Krypton (Kr) Hydrogen (H2) Nitrous oxideb (N2O) Carbon monoxideb (CO) Ozone (O3) Xenon (Xe) Ammoniab (NH3) Sulfur dioxideb (SO2) Nitrogen dioxideb (NO2) Water vaporb (H2O) Nitric Oxideb (NO) Hydrogen Sulfideb (H2S) Nitric acid vapor
• 中性层(Neutral layer) 对流层，平流层里的空气分子基本没有电离，以 分子状态存在，空气呈中性。
• 电离层(ionosphere) 在中间层，热层里，由于太阳紫外线强烈照
射，气体分子中的电子挣脱了原子的束缚，形成 了自由电子和离子，所以叫电离层。由于气体分 子本身重量的不同以及受到紫外线不同强度的照 射，电离层形成了四个具有不同电子密度和厚度 的分层，每个分层的密度都是中间大两边小。掌 握它们分布，变化的规律，才能了解无线电波在 这里传输的特性．
第一章 地球大气的组成和演化
大气化学研究的内容和特点 大气结构和组成 地球大气的演化
大气化学研究的内容和特点
• 定义：大气化学是大气科学的一个重要分支，它研 究地球大气的组成及其变化，以及引起这些变化的 物理化学的过程。
第1章大气的组成和结构-文档资料
吸收、散射和反射地面和太阳辐射，影响大气温度；
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第二节 大气结构
1、大气垂直分层依据
2、大气分层及各层特征
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一、大气垂直分层的依据——气温垂直递减率
气温垂直递减率的定义：
∆T ∆Z
γ= –
∆ T 为温度变化量
∆ Z 为高度变化量
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试验数据和空气动力数据。
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标准大气主要特性：
由国际民航组织(ICAO)统一采用的30公里以下标准大气的主要数据是： 1、干洁大气，垂直方向上成份（各种气体的比例）不改变，平均分子 量为28.9644； 2、具有理想气体的性质；
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对流层三大重要特征：
温度随高度升高而降低。 气温、气压、湿度水平分 布不均匀。
空气有强烈的垂直混合。
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2、平流层
在对流层的顶部直到 55km，气流运动相当平衡，而 且主要以水平运动为主，故称 为平流层（Stratosphere）。
平流层顶的气压约1hPa。
二氧化碳含量分布特点：
工业区多、农村少 同一地区冬季多、夏季少 夜间多、白天少 阴天多、晴天少
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2、水汽
水汽在大气中所占的比例很小，仅0.1% ~ 3%，却是大 气中最活跃的成分。水对于地球上生命的意义。
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2、水汽
水汽的分布： 大气中的水汽含量随高度的增加而逐渐减少： 约50%的水汽集中在约2km以下，约大于 90%的水汽集中在5km以下。99%的水汽集中在 对流层。
第一章 地球大气的成分及分布
地球大气的演化 可分为原始大气、 次生大气(还原大 气)和现代大气(氧 化大气) 三个阶段。
（1）原始大气
• 原始大气以宇宙中最丰富的轻物质H2、He和CO 为主。
• 在太阳风和地球升温作用下, 原始大气逐渐向宇 宙空间膨胀并逃逸散失。
• 估计在45亿年前或晚些时候, 地球上是没有大气 的。
距金星地面三四十公里高空 密布着浓硫酸滴组成的浓云 雾。
金星
金星大气的温度是随高度下降 的：表面温度约达750K，在 0～60km高度内迅速降低到 300K；60km以上下降缓慢， 68km以上温度接近不变，达到 200K左右。 金星大气的运动激烈, 60多公 里高空的风速约达100m/s（地 球表面风速大于33 m/s已是台 风）, 且闪电和雷暴现象频繁。 太阳辐射强，温度高, 水和二 氧化碳只能以气态存在。 二 氧化碳有强烈的温室效应， 再加上浓密云层不能散热, 使 金星表面的温度越来越高， 最后平衡在750K左右, 并且没
τ M M
FR
• 其中M为这种成分的总质量，F是向大气的 输入速率(包括源和化学转化)，R是消失速 率(因沉降、化学转化和逃逸)。
我们主要关注的是90公里以下的匀和层，特别是对流层大气内空气的成 分。由表可见，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，则剩下的次要成份所占的容积是极微小的。
式中p、V、T、m和n分别是混合气体的压强、容积、温度、 质量和摩尔数，R*是摩尔气体常数，M 是平均摩尔质量，R 是混合理想气体的比气体常数。M 平均摩尔质量为
M
m n
m
mi 1 Mi
( mi 1 ) m Mi
式中容m积i及百M分i 比是计第算i种的气公体式的为质量和摩尔质量。也可以导出用
非气班复习概念-气象学
气象学张陆第一章：地球大气的成分及分布1.露点：湿空气定压降温达到饱和时的温度称为露点T d相对湿度：在一定温度和压强下, 水汽和饱和水汽的摩尔分数之比称为相对湿度水汽压：大气中水汽的分压强称为水汽压2.臭氧分布：臭氧主要分布在10～50km 高度的平流层大气中，极大值在20～30km 之间 重要性：1）臭氧层阻挡了强紫外辐射到达地面，保护了地球上的生命2）臭氧层对建立大气的垂直温度结构和大气的辐射平衡起重要作用3.状态方程：混合理想气体的状态方程 R 是常数第二章：大气的分层和结构1.根据大气热力结构，大气分为几层？画出温度随高度变化示意图并且说明对流层大气的主要特点：对流层、平流层，中间层和热层（有的将热层外再分为外大气层或逸散层）；对流层特点：① 大气温度随高度降低② 大气的垂直混合作用强③ 气象要素水平分布不均匀。
3.气团变性：气团只是在某时间与一定的地理区域相关联，当气团移到新的下垫面时，它的性质就会逐渐发生变化，而失去原有的特性。
在新的物理过程中获得新的性质，这种过程称为气团变性。
降水量：降水量是指从天空降落到地面上的液态或固态（经融化后）的降水未经蒸发、渗透、流失而积聚在水平面上的水层深度。
以毫米（mm ）为单位4.海洋在垂直方向（热力）分几层：季节变化层，主跃层，下均匀层每层的热力结构特点？季节变化层：厚度约100m 左右，由于风和波浪的搅拌混合作用，通常又称为上混合层，由于太阳辐射和海–气相互作用的影响，中纬度的春、夏两季，季节变化层中会出现季节性温度跃层，如图中B 、D 线所示。
太阳辐射能量的90%被海面约10米的水层所吸收，因此随着太阳辐射的周日变化，在该层中还会出现周日温度跃层。
主跃层：季节变化层以下是一个厚约1000～1500m 的过渡层，其中温度、密度和盐度有一个跃变，称为主跃层（或主温跃层）。
主跃层是大洋热力结构的重要组成部分，它的强度在经向和纬向都有变化。
下均匀层：主跃层以下是深层，该层内温度、密度和盐度的铅直分布变化很小，处于均匀状态，故又称为下均匀层。
第一章 地球大气的成分及分布
地球大气的演化 可分为原始大气、 次生大气(还原大 气)和现代大气(氧 化大气) 三个阶段。
（1）原始大气
• 原始大气以宇宙中最丰富的轻物质H2、He和CO 为主。
• 在太阳风和地球升温作用下, 原始大气逐渐向宇 宙空间膨胀并逃逸散失。
• 估计在45亿年前或晚些时候, 地球上是没有大气 的。
1.1.2 地球大气的演化
在太阳系形成过程中各个类地行星大气的形成遵循同样的规律, 可 推断出行星地球大气的主要化学成分。
估计地球形 成已有46亿 年的历史。
多种学说，一个共 识：大气是地球组 合系统中的一部分， 即由气圈、水圈、 岩石圈和生物圈组 成的地球系统是相 互联系的，物质是 可以互相转化的， 而且大气仅是其中
3)地球大气又是没有确定上界的
可以人为的规定大气上界
1)若以极光或流星辉迹出现的高度定义大 气上界，高度大约在地表面以上1000～ 1200km；
2)若按现代卫星运行轨道衰减的速率推测， 大气上界约在2500～3000km的高空。
本章首先简单介绍行星大气的状况，目的是为有利 于以全面的和发展的眼光探讨地球大气的现状和演 化。 考虑到人们对生存环境和全球气候变化的日益关注， 本章也简单介绍了地球大气微量成分的源、汇、浓 度变化及循环过程，其中重点是二氧化碳和臭氧。 本节中将分三部分来讨论地球大气，即：多种气体 成分组成的干空气、水（可处于气、固、液三态中 之一态）及悬浮的气溶胶粒子。
火星：
• 1）质量很小, 大气很稀薄，日夜温差高达100K。 • 2）主要大气成分是二氧化碳, 还有少量氮和氢。 • 3）火星一直是人类感兴趣的星球之一。1999年
3月，美国航空航天局的火星全球巡视计划在 寻找火星水方面取得重大进展，通过轨道相机 进行高分辨率成象探测，看到了干枯的河床和 两大片曾经是海的平坦低地，从而推测火星上 曾经有过大量的水。
气象学复习题(1~9章)
第一章地球大气1、大气是由干洁大气、水汽和液态和固态微粒组成的混合物。
2、什么是干洁大气？干洁大气的主要成分是氮、氧和氩。
3、高层大气中的臭氧主要是在太阳紫外辐射作用下形成的，大气中臭氧浓度最大的高度是20~30km 。
4、大气中的臭氧具有什么作用？5、大气中二氧化碳浓度白天、晴天、夏季比黑夜、阴天、冬季小。
大气中的二氧化碳具有什么作用？6、列举大气中水汽的重要作用。
7、列举大气中气溶胶粒子的重要影响。
8、根据大气物理性质的垂直分布，可将大气从低到高依次分为对流层、平流层、中间层、热成层和散逸层。
9、对流层大气有哪些主要特点？10、为什么大气中二氧化碳浓度有日变化和年变化？第二章辐射1、名词解释辐射强度、可照时数、光照时间、太阳常数、太阳高度角、大气质量数、地面有效辐射、地面净辐射、光合有效辐射2、理解基尔霍夫定律、斯蒂芬-波尔兹曼定律和维恩位移定律。
3、太阳高度角的影响因素。
正午太阳高度角的计算。
分别计算春分日、夏至日和冬至日广州、上海和北京的正午太阳高度角。
（广州：23︒N，上海：31︒N，北京：40︒N）4、北半球昼长的变化规律。
北半球日出日落太阳方位角的变化规律。
5、光照时间与可照时数的区别和联系。
6、大气对太阳辐射的减弱作用有吸收、散射和反射。
影响大气对太阳辐射减弱作用的因素有大气质量数和大气透明系数。
7、大气对太阳辐射的吸收具有选择性的特性，其吸收光谱主要是紫外线和红外线。
8、解释晴朗的天空呈蓝色，旭日和落日呈橘红色的原因。
9、到达地面的太阳总辐射强度取决于太阳高度角、大气质量数和大气透明系数。
太阳高度角如何影响到达地面的太阳辐射强度？10、太阳辐射能主要集中在波长 150~400nm之间，其中，可见光区的能量占总能量的 50% ，红外线占 43% ，紫外线占 7% 。
11、什么是温室气体？大气中的温室气体主要有 CO2、H2O、CH4等。
12、影响地面有效辐射的因素有地面温度、空气温度、空气湿度、云况、风力、海拔、地面状况和植被等。
气象学复习题
Part1第一章地球大气〔6 分〕重点：大气成分中的臭氧、二氧化碳、气溶胶粒子和大气构造中的对流层。
1、大气是由干洁大气、水汽和液态和固态微粒组成的混合物。
2、什么是干洁大气？干洁大气的主要成分是氮、氧和氩。
干洁大气是指出去水汽和悬浮在大气中的固态液态微粒以外的整个混合气体。
3、高层大气中的臭氧主要是在太阳紫外辐射作用下形成的，大气中臭氧浓度最大的高度是20~30km 。
4、大气中的臭氧具有什么作用？P11（1）吸取紫外线，保护地面的生物免受过多紫外线的损害（2）对紫外线有着极其重要的调控作用，保存对地面生物有利的紫外线A（3）臭氧吸取太阳紫外辐射对高层大气有明显增温作用5、大气中二氧化碳浓度白天、晴天、夏季比黑夜、阴天、冬季小，城市比郊区大。
大气中的二氧化碳具有什么作用？P11（1）绿色植物进展光合作用不行或缺的原料（2）重要温室气体，猛烈吸取和放射长波辐射，对地面和近地气层具有保温、增温效应6、列举大气中气溶胶粒子的重要影响。
什么是霾？雾和霾有何区分P12气溶胶例子的影响：（1）吸取太阳辐射，使空气温度增高，减弱到达地面的太阳辐射（2）阻挡地面辐射，减缓地面的辐射冷却（3）降低大气透亮度，影响能见度（4）充当水汽的分散核，对成云致雨有重要作用。
霾是指空气中的灰尘、硫酸、有机碳氢化合物等气溶胶粒子组成的大气混浊现象，是水平能见度小于10km。
雾与霾的区分雾霾水平能见度范围小于1km小于10km厚度几十米至200 米左右1-3 千米相对湿度大于90%小于80%边界特征边界很清楚与晴空区之间无明显边界颜色乳白色，青白色黄色，橙黄色7、依据大气物理性质的垂直分布，可将大气从低到高依次分为对流层、平流层、中间层、热成层和散逸层。
大气中的臭氧主要分布在平流层，热成层对无线电波的远距离传播具有重要作用。
8、对流层大气有哪些主要特点？P13（1）对流层大气的温度随高度的上升而降低（2）对流层大气具有猛烈的铅直方向上的对流运动和不规章的乱流运动（3）大气中的云、雾、雨、雪等主要天气现象都发生在对流层中（4）对流层各种气象要素水平分布不均匀，对流层集中了3/4 以上的大气质量和几乎全部水汽，是天气变化最为简单的层次。
气象学 第一章 大气
臭氧的时空分布规律
空间变化特点： 10km以下含量很少，20～25km浓度最大，称 为臭氧层（ozone layer)
纬度变化特点： 从赤道向两极增加
时间变化特点： 随季节而变化，春季最大，夏季最小
臭氧的作用
能强烈地吸收太阳辐射中的紫外线B、C 波段，保护了地球上的生命。
对高层大气有“加热”作用，使10至 50km高度的气层温度增高。
1.气温随高度很少变化 2.空气非常稀薄 3.空气质点的运动速度很快，可逃逸 到星际空间
二、大气污染(pollutant in the atmosphere)
大气中的污染物质：
定义： 由于人类活动或自然过程，使局部、甚至全
球范围的大气成分发生对生物界有害的变化。
分布： 垂直:主要集中在3km以下的低层大气中；
臭氧洞(ozone hole）
产生原因：人类活动释放的大量含氯氟 烃（CFC），对臭氧层有破坏作用。
CFC在高层带电粒子的作用下会离解出氯离子Cl- ， 而Cl-在以下过程中可起催化作用：
O3+O Cl- O2+O2
臭氧层破坏所造成的后果
由于缺少臭氧层的屏障作用，大量对人类和其它生 物有害的太阳紫外线可以到达地面，对生物产生严 重的伤害。
世纪工业革命前，全球平均大约为280ppm，2006年底 创新高381.2ppm，比前一年上升了0.53%；2007年底， 383ppm，比前一年增加0.5% ；2008年底，385.2ppm； 2009年底，386.8ppm。
大气中CO2浓度的年变化
夏威夷1992年至2001年平均二氧化碳浓度的年变化曲线
二次污染物： 进入大气的一次污染物互相作用或与大气
正常组分发生化学反应，以及在太阳辐射线的 参与下引起光化学反应而产生的新的污染物。
气象学复习题2012(完整版)
第一章地球大气1、大气是由干洁大气、水汽和液态和固态微粒组成的混合物。
2、什么是干洁大气？干洁大气的主要成分是氮、氧和氩。
干洁大气是除去水汽及其他悬浮在大气中的固、液体质粒以外的整个混合气体。
3、高层大气中的臭氧主要是在太阳紫外辐射作用下形成的,大气中臭氧浓度最大的高度是20~30km。
4、大气中的臭氧具有什么作用？大气中的臭氧对紫外线有着极其重要的调控作用，能够强烈吸收太阳紫外辐射。
1）从气象的角度来看臭氧吸收太阳紫外辐射对高层大气有明显的增温作用，形成了平流层逆温，在25km以上气温随高度增加而显著升高，在50km附近形成了一个暖区；2）从地面生物的角度来看，大气臭氧层有着极为重要的保护作用，避免大量紫外线到达地面而对地面生物造成伤害，而透过少量紫外线则能够对植物形成有利的影响并杀灭一些有害病菌。
5、大气中二氧化碳浓度白天、晴天、夏季比黑夜、阴天、冬季小。
大气中的二氧化碳具有什么作用？1）对紫外线有着极其重要的调控制作用；2）对高层大气有明显的增温作用；3）绿色植物进行光合作用不可缺少的原料；4）强烈吸收长波辐射（地面辐射、大气辐射），使地面保持较高的温度，产生“温室效应”6、列举大气中水汽的重要作用。
水是实际大气中唯一能在自然条件下发生气、液、固三态相变的成分，故在天气、气候变化中扮演了十分重要角色。
水汽的相变会引起云、雾、雨、雪、霜、露等一系列的天气现象产生，并伴随热能的释放和吸收，导致地表和大气内部的水分和热量的输送和交换，进而在世界各地形成各种各样的天气和气候。
同时，水汽还能能强烈吸收地面放射的长波辐射并向地面和周围大气放出长波辐射，对对地面存在保温效应。
因此，大气中水汽含量的多少对地面和大气的温度状况有着重要的影响。
7、列举大气中气溶胶粒子的重要影响。
1）吸收太阳辐射，使空气温度增高，但也削弱了到达地面的太阳辐射；2）缓冲地面辐射冷却，部分补偿地面因长波有效辐射而失去的热量；3）降低大气透明度，影响大气能见度；4）充当水汽凝结核，对云、雾及降水的形成有重要意义。
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第一章大气由于引力作用而环绕行星的气体圈层叫做行星大气。
地球大气又简称大气(atmosphere)，地球上的整个空气层称为大气圈。
第一章大气大气的组成和垂直结构§1§2§3大气污染大气的主要物理性质退出§1 大气的组成和垂直结构大气的组成一大气的垂直结构二干洁大气2.大气中的水汽3.气溶胶粒子一. 大气的组成干洁大气除去水汽和气溶胶粒子的混合空气。
表1.干洁大气的主要成分气体容积含量（%）分子量临界温度(℃)临界大气压N278.08428.106 -147.233.5O220.946 32.000-118.9 49.7Ar0.93439.944-122.0 43.0 CO20.03844.01031.0 73.0O30～3×10-448.000-5.0 92.3干洁大气特点•气体的组成成分比较稳定•干洁大气是永久气体∴在气象学中，通常将干洁空气作为“单一”气体来处理，其分子量为28.966。
（1）氮气（nitrogen, N）2•大气中含量最大的气体成份，影响大气的密度、气压。
•氮是生物体的重要组成元素，是肥料三要素之一。
•在气象学中并没有特殊的作用。
（2）氧气（oxygen, O）2⏹各种生命活动不可缺少的物质⏹能吸收太阳辐射中的紫外线(ultraviolet, UV)，使到达地面的紫外线减少，同时影响高层大气的温度3）臭氧(ozone, O 3 )①生消原因：氧气分子在太阳紫外辐射的作用下形成。
O 2───→O+O O+O 2 ───→O 3O 3+O ───→O 2+O 2臭氧的◆空间变化特点：10km以下含量很少，20～25km浓度最大，称为臭氧层（ozone layer)◆纬度变化特点：从赤道向两极增加◆时间变化特点：随季节而变化，春季最大，夏季最小臭氧的◆能强烈地吸收太阳辐射中的紫外线B、C 波段，保护了地球上的生命。
◆对高层大气有“加热”作用，使10至50km高度的气层温度增高。
臭氧洞(ozone hole──一个重要的环境问题年代初，在南极大陆发现了臭氧含量明显减少的大片区域，称为臭氧洞。
臭氧洞(ozone hole）产生原因：人类活动释放的大量含氯氟烃（CFC），对臭氧层有破坏作用。
CFC在高层带电粒子的作用下会离解出氯离子Cl-，而Cl-在以下过程中可起催化作用：O 3+O O2+O2Cl-臭氧层由于缺少臭氧层的屏障作用，大量对人类和其它生物有害的太阳紫外线可以到达地面，对生物产生严重的伤害。
对人的伤害：皮肤癌、眼癌、青光眼、白内障等疾病的患病率大幅度上升。
据估计，紫外线透过率每增加10%，这几种疾病的患病率可增加20至60%。
这种情况对喜欢日光浴（sunbath）的西方国家影响尤为明显。
•中国保护臭氧层行动/•中国臭氧网/•国际臭氧日：9月16日•“消耗臭氧层物质”Ozone depleting substances 1）氟氯化碳（CFCs）:制冷剂、清洗剂和发泡剂；2）哈龙（Halon）:灭火剂；3）四氯化碳:化工生产的助剂和清洗剂；4）甲基氯仿:清洗剂；5）溴甲烷:农业种植、粮食仓储或商品检疫的杀虫剂；6）氢氟氯烃（HCFC）:制冷剂、清洗剂和发泡剂。
4）二氧化碳（carbon dioxide, CO2）二氧化碳的作用◆植物进行光合作用、制造有机物质的重要原料◆能吸收地面与大气的红外辐射(infrared,IR)，对地面具有保温作用。
向宇宙和地面发射辐射，对地面起保暖增温作用。
2的生成：生物呼吸、有机物的分解、燃烧、火山爆发、岩石风化、海洋释放等。
CO 2的消失：植物光合作用(photosynthesis)、沉积、海洋吸收等。
大气中二氧化碳的循环(Cycle of carbon dioxide in the atmosphere)碳的大循环CO的日变化(diurnal variation)2白天午后达最低值，日出前后达最高值CO的年变化(annual variation)2夏季少，秋季达最低值；冬季多，春季达最高值。
CO的长期变化(long-term change)2由于人类活动，大气中CO浓度不断升高。
在十七2世纪工业革命前，全球平均大约为280ppm，2007年底创新高381.2ppm，比前一年上升了0.53%。
/world/2007-11/24/content_7136495.htmCO浓度的年变化2夏威夷1992年至2001年平均二氧化碳浓度的年变化曲线由于CO 2是具有对地球保温的温室效应(greenhouse effect)，因此其浓度升高将导致全球变暖。
根据用各种气候数学模型进行的模拟计算，CO 2倍增（相对于工业革命前的270至280ppm ）将使全球平均气温上升1.5到4.5℃，平均估计值大约为3 ℃。
未来的100年内全球平均气温可能上升1.4到5.8 ℃。
这样大幅度的气温变化必然会引发一系列重大的环境变化。
大气中CO 2浓度增加对全球环境的影响1000年以来CO2浓度和北半球平均气温曲线气温为估计值（深蓝色）或观测值（浅蓝色）与1960─1990年基准值之差•影响全球水分平衡，引发极端气候现象频繁发生；如寒潮、热浪、暴雨、龙卷风等•影响生物的生态适应性；•影响农作物的产量和品质；•冰雪消融，海平面上升全球变暖将使海平面上升山上的积雪融化，导致海平面上升。
据计算，如果全球冰雪全部消融，全球海平面将上升约69m！未来的100年内全球海平面将比目前上升9到88厘米，给许多国家带来灾难性后果。
2001年11月15日，太平洋岛国图瓦卢宣布，他们将放弃自己的家园，全国人民移民到新西兰，成为全球第一个因海平面上升而进行全民迁移的国家。
2002年1月31日，南极东岸已有1.2万年的拉森陆缘冰B冰架再次开始分裂，35天后，这个冰架崩成了几千个冰山，围成一个象羽毛的形状，在南极洲边缘的威德尔海上漂流。
分裂出的冰块面积为3250平方公里、厚220米、重7200亿吨。
这个面积超过了塞浦路斯一个国家的总面积，是新加坡的9倍。
美国国立冰雪数据中心数据显示，自1974年以来，南极半岛周围已经有7块面积总计1.35万平方公里的冰架脱落。
B冰架崩塌前后照片对比拉森B冰架面积3250平方公里、厚220米、重7200亿吨。
南极附近游移的冰山南极外围大量游移的冰山向人们昭示：如果人类听任温室效应所造成的全球变暖继续发展，消融的冰雪将会无情地蚕食人类的领地，许多人将象图瓦卢人一样失去赖以生存的家园！20年9月24日，北冰洋最大的冰架，沃德亨特冰架已经破裂，表明该地区气候正在变暖。
沃德亨特冰架位于加拿大东北部，覆盖面积广达500平方公里，厚度达30米。
科学家相信沃德亨特冰架已有三千年历史。
2001年(上)和2003(下)的卫星对比照片显示出沃德·亨特冰架上的大裂缝(红色圆圈中)摄于2005年8月2008年4月德里克·穆勒博士发现冰架现已断裂成三个部分2.大气中的水汽(water vapour, moisture)水汽1.是唯一能在自然条件下发生相变(phasetransformation)的物质，因此它是天气变化的最重要的角色。
2.是自然界潜热(latent heat)最大的物质。
3.能吸收地面与大气的红外辐射，和二氧化碳一样对地面有保温效应。
水汽的生消和分布大气(evaporation)和植物蒸腾(transpiration) ，因凝结降水而返回地面。
处在不断的循环之中。
含量变化规律：•随高度减少；•与地理因素关系密切；•随时间变化大水的大循环气溶胶粒子(aerosol particle)气溶胶粒子：悬浮在大气层中沉降速率很小的固体、液体微粒。
组成：有机物—花粉、微生物、细菌无机物—灰烬、尘埃、小水滴等作用：•作为凝结核(condensation nucleus)，使水汽凝结成水滴、冰晶，影响云、降水的形成；•能吸收辐射，影响着地面与近地层的温度变化。
二(Vertical Structure of the Atmosphere)“九重天”“天高地厚”天有多高？？？天分九重？？？大气上界(upper limit of the atmosphere)的确定⊙以物理现象出现的最高高度作为确定上界的标准：“极光”出现的最大高度为1000—1200km，因此可确定大气上界为1200km 左右。
⊙以空气密度作为确定上界的标准：接近星际空间的气体密度的高度约为2000—3000km。
大气在铅直方向上的物理性质有不均匀的。
根据大气温度的垂直分布特点，并考虑密度、电离状况等因素，可将大气分为五层。
对流层(troposphere)2.平流层(stratosphere)3.中间层(mesosphere)4.热层(thermosphere)5.散逸层(exosphere)散逸层热层中间层平流层对流层对流层(troposphere)厚度：低纬17—18km中纬10—12km高纬8 —9km；夏季高于冬季①集中了80%以上的大气质量和几乎全部的水汽②温度随高度的升高而降低，平均每100m降低0.65℃③具有强烈的对流(convection)与乱流(turbulence)运动④气象要素(meteorological element)的水平分布很不均匀•下层：（摩擦层、行星边界层）1—1.5km•中层：1.5—6km•上层：6km—对流层顶•对流层顶(tropopause)：对流层与平流层的过渡，厚度为几百米—2km2.平流层(stratosphere)厚度从对流层顶向上，一直到55km左右为平流层。
集中了大气中的大部分臭氧，空气密度很小。
平流层的主要特点：1.气温随高度而升高；平流层顶气温可达-3 —-17℃。
2.空气以水平运动为主，气流运行平稳，没有强烈的对流3.水汽和尘埃很少，很少有云，透明度好。
3.中间层(mesosphere)从平流层顶向上，到85km左右为中间层。
主要特点有：1.温度随高度而迅速降低。
2.有强烈的垂直运动，故又称为高空对流层。
热层(thermosphere)从中间层顶向上，到大约800km左右为热层（又称热成层、暖层）。
主要特点有：1.气温随高度而升高；300km处气温可达1000℃，顶部可高达2000℃。
2.空气在强烈的太阳紫外线与宇宙射线作用下处于高度电离状态，故又称为电离层（ionosphere）。