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电子课文●第二章 地球上的大气  

2013-03-03 18:00:29|  分类: 谭天说地 |  标签: |举报 |字号 订阅

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地球是由不同物质和不同状态的圈层所组成的球体。一般可分为外部圈层和内部圈层,它们都以地心为共同球心,所以叫做同心圈层。

地壳表面以外的各个圈层,称为外部圈层。在固体的地壳表面镶嵌着水圈,并被大气圈包围着。在地壳表层、水圈和大气底层,生活着多种多样的生物,构成生气勃勃的生物圈。这些圈层之间相互联系,相互制约,形成人类赖以生存的自然环境。

大气圈是自然环境的重要组成部分。厚厚的大气,好像地球的外衣,保护着地球的“体温”,使其变化不至过于剧烈。地面上的水蒸发成水汽进入大气;大气中的水汽又凝结成雨、雪等降落地面,使得地球上的水循环不止。增温、降温、刮风、下雨等大气现象,在漫长的地质年代里,不断地雕塑着地球表面的形态。可见,大气对地球表面的许多自然现象都发生着重大的影响。大气对生物界和人类的影响更为深刻,地球上一切生物的生命活动都离不开大气。可以说,地球上没有大气,就没有生物界,没有人类。

第一节  大气的组成和垂直分层

  

大气的组成  低层大气是由干洁空气、水汽和悬浮在大气中的固体杂质三部分组成的。干洁空气是由多种气体混合组成的,其主要成分是氮和氧,二者约占干洁空气容积的99%。大气中的氧,是人类和一切生物维持生命活动所必需的物质;大气中的氮,是地球上生物体的基本成分。二氧化碳和臭氧在大气中的含量很少,但作用不可低估。二氧化碳是植物进行光合作用的重要原料,对地面还有保温作用。臭氧能大量地吸收太阳光线中的紫外线,使地面上的生物免受紫外线的伤害,而少量穿透大气到达地面的紫外线对人类和生物则是有益的。水汽和固体尘埃的含量也很少,却是成云致雨的必要条件。

大气的垂直分层  自地面向上,大气层可以延伸到数千千米的高空。根据人造卫星的探测资料,在2 000千米~3 000千米的高空,地球大气的密度已经与星际空间的密度非常相近,这个高度可以大致地看作是地球大气的上界。

根据大气的热力性质在垂直方向上的差异,可将大气分为五层:对流层、平流层、中间层、热层和外层。

(一)对流层  这是紧贴地面的一层。它的高度因纬度而异。在低纬度地区高17千米~18千米,在中纬度地区高10千米~12千米,在高纬度地区高仅8千米~9千米。整个大气质量的3/4和几乎全部水汽、杂质,都集中在对流层。

对流层有三个主要特点:(1)气温随高度的增加而递减。这主要是因为对流层大气的热量绝大部分直接来自地面,因此离地面愈高的大气,受热愈少,气温愈低。平均每上升100米,气温降低0.6℃。(2)空气对流运动显著。对流层上部冷下部热,有利于空气的对流运动。低纬度地区受热多,对流旺盛,对流层所达高度就高;高纬度地区受热少,对流层高度就低。(3)天气现象复杂多变。近地面的水汽和杂质通过对流运动向上空输送,在上升过程中随着气温的降低,容易成云致雨。云、雨、雪等天气现象都发生在这一层。对流层与人类的关系最为密切。

(二)平流层  从对流层顶到50千米~55千米高度的范围是平流层。这一层的特点是:(1)气温的垂直分布,除下层随高度变化很小外,在30千米以上,气温随高度增加迅速上升。这是因为平流层中的臭氧大量吸收太阳紫外线而使气温升高。(2)大气以水平运动为主。平流层上部热下部冷,大气稳定,不易形成对流。(3)水汽、杂质含量极少,云、雨现象近于绝迹。大气平稳,天气晴朗,对高空飞行有利。

(三)中间层  从平流层顶到85千米高度的范围是中间层。这一层的主要特点是:(1)气温随高度增加而迅速降低。这是因为这里几乎没有臭氧。(2)上部冷、下部暖,空气的垂直对流运动相当强烈,又称高空对流层。

(四)热层  从中间层顶到500千米高度的范围是热层。这一层的特点是:气温随高度增加上升很快。这是由于该层中的大气物质(主要是氧原子),吸收了所有波长小于0.175微米的太阳紫外线①。据人造卫星观测,在300千米高度上,气温已达1000℃以上。

(五)外层  热层顶以上的大气统称为外层。这里受地球引力场的束缚很弱,一些高速运动的空气质点,经常散逸到星际空间去,所以叫做外层(又叫散逸层)。它是地球大气向星际空间过渡的层次。

  

问题和练习

  

1.地球大气是由哪些成分组成的?臭氧、二氧化碳、水汽和尘埃各有什么作用?

2.用“气温的垂直分布图”,说明大气各层气温随高度变化的情况。

3.对流层、平流层和热层的特点有何不同,与人类活动有什么关系?

第二节  大气的热状况

  

大气中发生的一切现象和过程,都与太阳能及其转化密切相关。

太阳辐射是地球上的能量源泉  太阳是一个巨大炽热的气体星球,它源源不断地以电磁波①的形式向宇宙空间放射能量,这称为太阳辐射。太阳辐射中仅有极微小的部分(约二十亿分之一)到达地球,是地球上最主要的能量源泉。太阳每分钟向地球输送的能量,大约相当于燃烧4亿吨烟煤产生的热量。

太阳辐射的主要波长范围是0.15微米~4微米。其中,人眼能看见的光线,波长在0.4微米~0.76微米之间,叫做可见光线。波长小于0.4微米的紫外线和大于0.76微米的红外线,人们肉眼都无法看见。由实验得知,物体的温度愈高,它的辐射中最强部分的波长愈短;物体温度愈低,辐射中最强部分的波长愈长。太阳表面温度高达6000K,它的辐射能主要集中在波长较短的可见光部分,可见光区差不多占太阳辐射总能量的一半。为此,人们把太阳辐射称为短波辐射。

在日地平均条件下,在地球大气上界,垂直于太阳光线的1平方厘米面积上,1分钟内接受到的太阳辐射能量,称为太阳常数,它是用来表达太阳辐射能量的一个物理量。

一般用太阳辐射强度来表示地表获得太阳辐射能量的多少。太阳辐射强度就是一平方厘米的表面上,在一分钟内获得的太阳辐射能量。影响太阳辐射强度最主要的因素是太阳高度角。太阳高度角愈大,等量的太阳辐射散布的面积愈小,光热集中,地表单位面积上获得的太阳辐射能量愈多,太阳辐射强度就愈大。反之,太阳高度角愈小,太阳辐射强度就愈小。

大气对太阳辐射的削弱作用  太阳辐射要穿过厚厚的大气层,才能到达地球表面。太阳辐射在经过大气层时,其中一小部分被大气吸收。大气对太阳辐射的吸收具有选择性,平流层大气中的臭氧,强烈地吸收太阳辐射中波长较短的紫外线;对流层大气中的水汽和二氧化碳等,主要吸收太阳辐射中波长较长的红外线。大气对太阳辐射中能量最强的可见光却吸收得很少,大部分可见光能够透过大气射到地面上来。因此,大气直接吸收太阳辐射能量是很少的。

大气中的云层和尘埃,具有反光镜的作用,把投射在其上的太阳辐射的一部分,又反射回宇宙空间。云层愈厚,云量愈多,反射愈强。夏季天空多云时,白天的气温不会太高,就是这个道理。

当太阳辐射在大气中遇到空气分子或微小尘埃时,太阳辐射的一部分能量便以这些质点为中心,向四面八方散射开来。散射可以改变太阳辐射的方向,使一部分太阳辐射不能到达地面。在太阳辐射的可见光中,波长较短的蓝色光最容易被散射,所以晴朗的天空呈现蔚蓝色。

由于大气对太阳辐射的反射、散射和吸收,削弱了到达地面的太阳辐射。

被大气削弱以后到达地面的太阳辐射,也不是全部被地面吸收,其中又有一小部分被地面反射回到宇宙空间。反射多少与地面性质有关。

太阳高度角愈大,太阳辐射经过大气的路程愈短,被大气削弱的愈少,到达地面的太阳辐射就愈多;反之愈少。

大气对地面的保温作用  地面吸收太阳辐射,温度增高,同时地面又把热量向外辐射。由于地球表面的温度比太阳低得多,因此地面辐射的波长比太阳辐射要长得多,其能量主要集中在红外线部分。相对于太阳辐射来说,人们把地面辐射叫做长波辐射。

地球大气具有温室一样的保温作用。对流层大气中的水汽和二氧化碳,对太阳短波辐射的吸收能力很差,也就是说对太阳辐射几乎是透明的;但对地面长波辐射的吸收能力很强。据观测,地面辐射的75%~95%都被贴近地面的大气所吸收,使近地面大

气增温。近地面大气又以辐射、对流等方式,把热量传递给高一层大气。这样一层一层地向上传递,从而使地面放出的热量绝大部分保存在大气中,散失到宇宙空间去的热量就很少了。

大气在增温的同时,也向外辐射热量。大气的温度比地面还低,所以大气辐射也是红外线长波辐射。大气辐射的一部分向上射向宇宙空间,大部分向下射到地面。射向地面的大气辐射,方向刚好与地面辐射相反,称为大气逆辐射。大气逆辐射又把热量还给地面,这就在一定程度上补偿了地面辐射损失的热量,起到了保温作用,使地面温度变化比较缓和。天空有云,特别是浓密的低云,逆辐射更强。所以多云的夜晚通常比晴朗的夜晚温暖些。

气温的日变化和年变化  就对流层大气来说,直接吸收太阳辐射的能量很少,大气的热量主要来自地面辐射。所以说,地面是大气的主要的直接热源。

日出以后,随着太阳高度角的逐渐增大,太阳辐射不断增强,地面获得的热量不断增多,地面温度不断升高,地面辐射不断增强。大气吸收地面辐射,气温也跟着不断上升。一天中的最高气温并不出现在太阳辐射最强的正午,而是出现在午后2时左右。这是因为正午过后,太阳辐射虽已开始减弱,但地面获得太阳辐射的热量仍比地面辐射失去的热量多,地面储存的热量继续增多,地面温度继续升高,地面辐射继续增强,气温也继续上升。随着太阳辐射的进一步减弱,地面获得太阳辐射的热量开始少于地面辐射失去的热量时,也就是当地面热量由盈余转为亏损的时刻,地面温度达到最高值。地面再通过辐射、对流、湍流①等方式将热量传给大气,还需要一个过程,因此午后2时左右,气温才达到最高值。

随后,太阳辐射继续减弱,地面热量继续亏损,地面温度不断降低,地面辐射不断减弱,气温随之不断下降,至日出前后,气温达最低值。

同样道理,由于地面储存热量的缘故,一年之中,就北半球来说,气温最高与最低的月份,也不是出现在太阳辐射最强(6月)和最弱(12月)的月份,而是要落后一两个月。一般大陆上气温最高值出现在7月,最低值出现在1月;海洋的热容量大,受热和放热都较陆地慢,所以气温最高值出现在8月,最低值出现在2月。

气温的水平分布  从世界7月和1月等温线分布图上,可以清楚地看到地球上气温分布的一般规律。

(一)在南北半球上,无论7月或1月,气温都是从低纬向两极递减。这是因为低纬度地区,获得太阳辐射能量多,气温就高;高纬度地区,获得太阳辐射能量少,气温就低。

从图上可以看出,等温线并不完全与纬线平行,这说明气温的分布,除主要受太阳辐射影响外,还与大气运动、地面状况等因素密切相关。

(二)南半球的等温线比北半球平直,这是因为表面物理性质比较均一的海洋,在南半球要比北半球广阔得多。

(三)北半球,1月份大陆上的等温线向南(低纬)凸出,海洋上则向北(高纬)凸出;7月份正好相反。这表明在同一纬度上,冬季大陆比海洋冷,夏季大陆比海洋热。

(四)7月份,世界上最热的地方是北纬20°~30°大陆上的沙漠地区。这是因为7月份太阳直射北纬20°附近;沙漠地区少云雨,太阳辐射强度大;沙漠对太阳辐射吸收强,增温快。撒哈拉沙漠是全球的炎热中心。1月份,西伯利亚形成北半球的寒冷中心。世界极端最低气温出现在冰雪覆盖的南极洲大陆上。

 

问题和练习

 

1.日出前的黎明、日落后的黄昏,以及阴天,天空为什么仍是明亮的?

2.观察下页图,试从大气的作用说明为什么地球表面温度的昼夜变化不像月球那样剧烈。

3.白天多云,气温比晴天低;夜间多云,气温又比晴天高,为什么?深秋至第二年早春季节,霜冻为什么多出现在晴朗的夜里?

4.为什么一天中的最高气温出现在午后2时左右?

5.对照1月、7月等温线图,说明地球上气温水平分布的规律及其原因。

(a)没有大气的月球的情况             (b)有大气的地球的情况

第三节  大气的运动

 

大气时刻不停地在运动着。大气中热量和水汽的输送,以及一切天气变化,都是通过大气运动实现的。大气运动的能量来源于太阳辐射。由于太阳辐射对各纬度加热的不均匀,造成高低纬度间热量的差异,这是引起大气运动的根本原因。

冷热不均引起的大气运动  如果A地受热,近地面大气膨胀上升,到上空聚积起来,使上空空气的密度增大,那里的气压比同一水平面上周围的气压都高,形成高气压;B、C两地温度较低,空气因冷却收缩下沉,上空空气密度减小,形成低气压。于是,上空的空气便从气压高的A地向气压低的B、C两地扩散。A地空气上升后,近地面的空气密度减小,气压比周围地区都低,成为低气压;B、C两地因有下沉气流,近地面的空气密度增大,形成高气压。这样,近地面的空气又从B、C两地流回A地,以补充A地上升的空气。这种由于地面冷热不均而形成的空气环流,称为热力环流。它是大气运动的一种最简单的形式。

由此可以看出,地区间冷热不均,引起空气上升或下沉的垂直运动;空气的上升或下沉,导致了同一水平面上气压的差异;气压差异又是形成空气水平运动的直接原因。

大气的水平运动  对于同一水平面上的大气来说,有的地方气压高,有的地方气压低。这样,在地区之间就出现了气压差。我们把单位距离间的气压差叫做气压梯度。因为它是表示在同一水平面上的气压变化情况,所以也称为水平气压梯度。只要水平面上存在着气压梯度,就产生了促使大气由高压区流向低压区的力,这个力称为水平气压梯度力。在这个力的作用下,大气由高庄区向低压区作水平运动,这就形成了风。可见,水平气压梯度力是大气产生水平运动的原动力,是形成风的直接的原因。

水平气压梯度力是垂直于等压线,并指向低压的。如果没有其他外力影响,风向应该与气压梯度力的方向一致,即风向垂直于等压线。但是风一旦形成,同时会受到地转偏向力①的影响。地转偏向力使风向逐渐偏离气压梯度力的方向:北半球向右偏转;南半球向左偏转。在没有摩擦力的情况下,风向可以一直偏转到与等压线平行时为止。所以,在气压梯度力和地转偏向力的共同作用下,大气沿着等压线流动,即风向平行于等压线。在实际大气中,特别是近地面附近的风,由于受摩擦力的影响,风向与等压线并不平行,而是有个交角。

气旋与反气旋  气旋与反气旋是大气中最常见的运动形式,也是影响天气变化的重要天气系统。

(一)气旋  在等压线分布图上,凡等压线闭合,中心气压低于四周气压的区域,叫做低气压。在气压梯度力作用下,低气压的气流由四周向中心流动;受地转偏向力影响,低气压的气流在北半球向右偏转成按逆时针方向流动的大旋涡,在南半球向左偏转成按顺时针方向流动的大旋涡。大气的这种流动很像江河中的旋涡,所以低气压又叫气旋。

由于气流从四面八方流入气旋中心,气旋中心的空气被迫上升。空气在上升过程中温度降低,其中所含的水汽容易凝云致雨。所以每当气旋过境时,云量就会增多,常常出现阴雨天气。夏秋季节,在我国东南沿海经常出现的台风,就是热带气旋强烈发展的一种特殊形式。

(二)反气旋  在等压线分布图上,凡等压线闭合,中心气压高于四周气压的区域,称为高气压。高气压的气流是由中心向外流出的,在北半球按顺时针方向旋转流出,在南半球按逆时针方向旋转流出。高气压的这种环流系统与气旋正好相反,所以也叫反气旋。

当低层反气旋中心的气流向外流散后,高层的空气就自上而下来补充,形成下沉气流。空气在下沉过程中,温度升高,水汽不易凝结,天气晴朗。夏季,反气旋控制的地区,天气炎热干燥。我国长江流域的伏旱天气,就是在副热带高压(反气旋)控制下形成的。冬季,反气旋来自寒冷的高纬大陆,往往带来干冷的气流。

低气压与高气压,是指气压分布状况而言;气旋与反气旋,是指气流状况而言。

大气环流  具有全球性的有规律的大气运动,通常称为大气环流。大气环流把热量和水汽从一个地区输送到另一个地区,从而使高低纬度之间、海陆之间的热量和水汽得到交换,促进了地球上的热量平衡和水平衡。所以,掌握大气环流的规律,是了解天气变化和气候形成的基础。

为了简化起见,假设大气是在均匀的地球表面上运动的。引起大气运动的因素是高低纬之间的受热不均和地转偏向力。

由于赤道与极地间受热不均,在终年炎热的赤道地区,大气受热膨胀上升;在终年严寒的两极地区,大气冷却收缩下沉。这样,在高空,赤道形成高气压,两极形成低气压,气压梯度力的方向指向极地,大气由赤道上空流向两极上空。在近地面,赤道形成低气压,两极形成高气压,气压梯度力的方向指向赤道,大气由两极流回赤道。但实际上赤道与极地间的这种闭合环流是不存在的,因为地球时刻不停地在自转着,大气一开始运动,同时会受到地转偏向力的影响。

现以北半球为例,说明在气压梯度力和地转偏向力的影响下,大气环流的情况。

(一)低纬环流  当大气由赤道上空向北流向极地上空时,受地转偏向力影响,由南风逐渐右偏,流到北纬30°附近上空时,风向偏转成了西风。这样,来自赤道上空的气流就不能再继续向北流向极地,而是变成自西向东运行了(见本页图中箭头1)。由于赤道上空的空气源源不断地流来,又不能继续北进,便在北纬30°附近上空聚积,产生下沉气流,致使近地面气压增高,形成副热带高压带。

在近地面,气压梯度力的方向是由副热带高压指向赤道低压,大气在由副热带向南流动过程中,逐渐向右偏转为东北风,叫做东北信风(见本页图中箭头2)。东北信风与南半球的东南信风在赤道地区辐合上升。这样便在赤道与北纬30°之间形成一个低纬度环流圈。

(二)中纬环流与高纬环流  在近地面,从副热带高压流出的气流,除一部分向南流回赤道外,另一部分向北流向副极地低压,这支气流在北流过程中逐渐向右偏转成西南风,又叫盛行西风(见上页图中箭头3);与此同时,从极地高压向南流的气流,逐渐向右偏转成东北风,又叫极地东风(见上页图中箭头5)。盛行西风与极地东风这两支冷暖不同的气流,在北纬60°附近相遇,暖而轻的西风气流爬升到冷而重的东风气流之上,形成副极地上升气流。上升气流到高空,又分别流向副热带和极地的上空(见上页图中箭头4和6)。这样就形成了中纬度环流圈与高纬度环流圈。由于副极地上升气流到高空即向南北流走,致使北纬60°附近的近地面气压降低,形成副极地低压带。

南半球的气流受地转偏向力的影响向左偏转,所以环流的方向与北半球不同。

这样,全球共形成七个气压带,即赤道低压带,南、北半球的副热带高压带,南、北半球的副极地低压带,南、北半球的极地高压带。在气压带之间形成了六个风带,即南、北半球的低纬信风带(北半球为东北信风,南半球为东南信风),南、北半球的中纬西风带(北半球为西南风,南半球为西北风),南、北半球的极地东风带(北半球为东北风,南半球为东南风)。

由于太阳直射点随季节变化而南北移动,地球上的气压带和风带的位置,也随季节变化而移动。就北半球来说,大致是夏季北移,冬季南移。

实际上,地球表面并不是均匀的,由于海陆分布、地形起伏等因素的影响,大气环流比上述状况要复杂得多。

海陆分布对大气环流的影响  看1月和7月海平面等压线图,南半球的气压带基本上呈带状分布,而北半球的气压带则断裂成块状,特别是亚洲与太平洋地区,气压带被分裂为一个个范围很大的高压区和低压区。对照世界大洲和大洋的分布,就可以看出,这是因为南半球海洋面积占绝对优势,而北半球的陆地面积较大。

在河湖或海里游泳的人,都有这个体会。盛夏的中午,如果你躺在岸边沙滩上会感到热乎乎的,而在水里却是温和的;冬季恰好相反。这主要是因为海水的比热比陆地大。在同样的太阳辐射条件下,海水温度变化比陆地要缓慢得多。夏季,大陆上的气温比海上气温高得多,形成低压;冬季,大陆上的气温比海上气温低得多,形成高压。

从7月份海平面等压线图上可以看出,副热带高压带被大陆上的低压所切断,特别是亚洲大陆夏季增温强烈,亚洲低压(又叫印度低压)最为突出,这就使副热带高压只保留在海洋上,形成北太平洋的夏威夷高压和北大西洋的亚速尔高压。在1月份海平面等压线图上,副极地低压带也被大陆上的冷高压所切断,尤其是亚洲高压(又叫蒙古、西伯利亚高压)势力最强,控制范围最广。亚欧大陆的东部几乎都在它的控制之下。这就使副极地低压带也仅保留在海洋上,形成北太平洋上的阿留申低压和北大西洋上的冰岛低压。

季风  海陆热力性质的差异,导致冬夏间海陆上气压中心的季节变化,引起了一年中盛行风向随季节有规律地向相反或者接近相反的方向变换,形成近地面的季风环流。季风环流也是大气环流的一个组成部分。亚洲东部的季风环流最为典型。冬季,强大的亚洲高压与赤道低压、太平洋低压之间,形成了势力强大、干燥寒冷的偏北风,这就是冬季风。冬季风强烈时即为寒潮。夏季,北太平洋高压势力大大增强,亚洲大陆上形成印度低压,太平洋暖湿气流便沿着北太平洋高压的西部边缘,以东南风吹到亚洲东南岸,这就是东亚的东南季风。

海陆热力性质差异是形成季风的重要原因,但它并不是唯一的原因。气压带和风带位置的季节移动等也是形成季风的原因。例如,我国西南地区及印度一带的西南季风,就是南半球的东南信风夏季北移越过赤道,在地转偏向力影响下向右偏转而成的。

太平洋副热带高压中心,有时只有一个,位于夏威夷附近;有时分裂为两个,分别位于东、西太平洋上。西太平洋副热带高压,简称副高,对我国天气变化影响很大,它的强弱和位置,直接影响着我国夏季雨带的分布。副高西部的偏南气流,从南部海上带来大量的暖湿空气,与北方南下的冷空气交锋的锋面,往往形成大范围的降雨带。由于副高位置随季节而变化,冬季偏南,夏季偏北,因此我国的主要雨带也随着发生相应的变化。春末,雨带常位于华南。夏初,副高西伸北进,暖湿的偏南气流沿副高西缘北上,与北方来的干冷空气交锋在长江流域一带,形成长江中下游直至日本南部的梅雨天气。盛夏,副高进一步北进,雨带北推到华北、东北地区。9月,副高南撤,雨带也随之南移。副高的位置和强弱一旦异常,就会引起旱涝灾害。例如,1981年夏,副高位置较常年偏西、偏北,北方来的冷空气路径也偏西。因此,副高西侧的暖湿气流与冷空气交锋的雨带异常偏西,造成四川盆地及关中、陕南、甘肃东部等地区连降暴雨;而东部地区在副高控制下,出现持续干旱。

 

问题和练习

 

1.为什么在近地面,气温高的地方,气压就低;气温低的地方,气压就高?为什么上空(指对流层中上层)的气压高低与近地面往往是相反的?

2.收听当地的天气形势预报,观察气旋、反气旋过境时的天气。

3.下图上部是全球年降水量随纬度变化的一般情况。说明降水的这种纬度变化与简图下部所表示的大气运动有什么关系。

4.从气压分布图上,说明冬、夏亚洲大陆和太平洋上气压分布的特点,为什么亚洲东部的季风环流最为典型?

5.下图为北半球的气旋和反气旋。说明在图中的A、B、C三地各吹什么方向的风。为什么在冬季,东亚吹西北季风,南亚吹东北季风?

第四节  大气的降水

 

从陆地和海洋蒸发上升的水汽,借助于大气环流的输送而扩散,使各地的大气中含有或多或少的水汽。

水汽的凝结  空气容纳水汽量的多少,是随气温而变化的。气温愈高,空气容纳的水汽量就愈多;反之愈少。

在一定温度下,当空气不能再容纳更多水汽时,就成为饱和空气。如果水汽再增加,或者空气上升,气温降低,就会使空气达到过饱和,空气中容纳不下的水汽便会凝结出来,由气态水转变为液态水。在自然界中,空气上升冷却,促使空气达到过饱和,是大气中水汽凝结的主要方式。

水汽凝结,只有空气的冷却还不够,还必须有吸湿性强的微粒作为凝结核,促使周围水汽在它上面凝结。在工业和人口集中的城市,尘埃增多。这些吸湿性的微尘便成为水汽凝结的核心,致使城市上空的雾和低云比郊区相应增多。

降水的形成  空中的云是水汽凝结物。降水即自云中降落到地面上的液态和固态水,如雨、雪、雹等。降水来自云中,但有云时未必降水。这是因为云中的云滴、冰晶如果体积太小,不能克服空气的阻力和上升气流的顶托,而悬浮在空中。只有当云继续上升冷却,或者云外不断有水汽输入云中,使云滴不断增大,以致上升气流再也托不住它们时,才会从云中降落下来,形成雨、雪、雹等降水。可见,降水的形成过程,就是云滴增大成为雨滴、雪花或冰雹的过程。

降水的类型  降水同空气的上升运动密切相关。促使空气上升运动的成因不同,降水类型就有差别。一般分为以下四种降水类型:

(一)对流雨  近地面空气强烈受热时,引起热力对流运动,湿热空气在上升过程中,随着气温不断降低,其中的水汽冷却凝结形成降水,这叫对流雨。对流雨的强度大、历时短、范围小,还常伴有暴风、雷电,故又称热雷雨。赤道地区常年以对流雨为主,我国在夏季午后也常出现对流雨。

(二)地形雨  暖湿空气在前进途中,遇到地形阻挡,被迫沿迎风坡爬升,空气中的水汽因冷却凝结而形成降水,这叫地形雨。地形雨发生在山的迎风坡上。在山的背风坡,因气流下沉,温度不断增高,空气难以达到过饱和,所以降水很少,形成雨影区。

(三)锋面雨  冷暖性质不同的气流相遇,它们中间的交界面叫做锋面。锋面与地面相交的线,叫做锋线。习惯上把锋面和锋线统称为锋。锋面一般为一个狭窄而又倾斜的过渡地带。由于冷空气密度大,暖空气密度小,暖湿空气在锋面上常有大规模的上升运动。暖湿空气在抬升过程中,其中的水汽冷却凝结形成降水,这叫锋面雨。锋面雨持续的时间长,范围广,强度小。我国东部地区夏秋季节的降水多是锋面雨。

(四)台风雨  台风是形成于热带洋面上的热带气旋。周围大量暖湿空气围绕台风中心旋转上升,其中的水汽冷却凝结形成降水,这叫台风雨。台风雨的强度很大,多为暴雨,且伴有狂风、雷电。

降水的世界分布  世界降水的分布,受地理纬度、大气环流、海陆位置等因素的影响,大致成带状分布。按照降水量的纬度分布,可将全球划分为四个降水带。

(一)赤道多雨带  赤道及其两侧是全球降水量最多的地带,年降水量一般在2 000毫米左右。这里气温高,海洋面积辽阔,蒸发旺盛,空气中含有大量水汽;全年以上升气流为主,有利于成云致雨。

(二)副热带少雨带  副热带在高气压控制下,以下沉气流为主,云雨难以形成。尤其是大陆西岸和大陆内部,气流从大陆吹来或远离海洋,降水更少,年降水量一般不超过500毫米。这里气温高,蒸发能力很强,蒸发量远大于降水量,所以多为干旱、半干旱地区。世界上的沙漠多分布在这里。但是,这一带并非到处都少雨,有的地方(主要是大陆东岸)因受夏季风或台风等的影响,降水也比较丰富。

(三)温带多雨带  温带降水量又有增多,一般在500毫米~1000毫米。这里锋面、气旋活动频繁,多锋面雨和气旋雨。大陆东岸还受夏季风影响,降水较多。

(四)极地少雨带  这里全年气温低,蒸发微弱,空气中含水汽少,加上全年盛行下沉气流,降水量少。全年降水量不超过300毫米,但因蒸发量小于降水量,因而仍为湿润地区。

 

问题和练习

 

1.夏季,厕所水箱的自来水管上不断有小水珠滴下来,房内的水缸外面也附着许多小水珠。这是什么原因?

2.为什么山脉迎风坡容易形成降水,背风坡则云散雨消?

3.赤道多雨带和温带多雨带的降水类型有什么差异?

第五节  天气与气候

 

天气是影响大气物理状态短期变化的因素造成的,主要因素是气团和锋面的活动。气候是影响大气物理状态长期变化的因素造成的,主要因素是太阳辐射、大气环流和地面状况等。

气团及其分类  在广大范围内,温度、湿度等物理性质比较均匀的大团空气,称为气团。它的水平范围可达数百千米到数千千米,垂直厚度由几千米到十几千米。在同一气团控制下的广大地区内,天气特点大体相同。

在对流层中,大气的温度、湿度等物理性质,主要受地面影响。因此,气团的形成,首先要有大范围性质比较单一的大陆表面或海洋表面。例如,在冰雪覆盖的大陆上,往往形成冷而干的气团;在水汽充沛的热带海洋上,经常形成暖而湿的气团。其次,大气要比较稳定,才能使大范围空气较长时间停留或缓慢运行在源地上,逐渐获得与源地一致的物理性质。

气团形成以后,当环流条件发生变化时,气团就要离开源地向其他地区移动。气团在移动过程中,与途经地区的热量和水汽发生交换,气团遂逐步改变性质。

根据气团温度与它到达地区气温的对比,可将气团分为冷气团和暖气团两类。气团温度比移经地区气温高的,叫做暖气团;反之,叫做冷气团。暖气团移来时,可使到达地区的天气变暖;冷气团移来时,则使到达地区的天气变冷。

根据气团形成的源地,又可将气团分为冰洋气团、极地大陆气团、极地海洋气团、热带大陆气团、热带海洋气团和赤道气团。

冬季,影响我国天气的主要气团,是形成于西伯利亚、蒙古一带的极地大陆气团。在它的影响下,天气寒冷干燥。夏季,形成于副热带太平洋上的热带海洋气团,对我国夏季降水有着重要意义;来自印度洋上的赤道气团,也可影响到我国长江流域以南地区,带来丰沛的水汽。

在单一气团控制下,天气是单调的。当原有气团被新移来的气团代替时,天气就要变化,特别是在两种气团交界的地区,天气变化最为剧烈。

锋面与天气  锋面两侧,温度、湿度差别很大。暖湿空气在锋面上常有大规模的上升运动,所以锋面附近常伴有云、雨、大风等天气现象。

根据锋面两侧冷暖气团的移动方向,可把锋分为冷锋、暖锋和准静止锋等。

(一)冷锋与天气  冷气团主动向暖气团移动的锋,叫做冷锋。冷气团的前缘插入暖气团的下面,使暖气团被迫抬升,暖气团在抬升过程中冷却,其中水汽容易凝结成云和雨。当冷锋过境时,一般常出现较大的风,云层增厚,并出现雨、雪天气。冷锋过境后,冷气团占据了原来暖气团的位置,气温下降,气压上升,天气转好。

根据冷气团的移动速度,可将冷锋分为两类:一类是慢行冷锋,冷气团移来速度较慢,暖气团被迫沿冷气团平稳爬升,逐渐冷却凝结,多产生连续性降水。另一类是快行冷锋,冷气团移来的速度很快,迫使暖气团急剧抬升,锋面上往往会出现狂风暴雨等恶劣天气。我国北方夏季的暴雨就与这种冷锋活动有一定关系。如果锋前的暖气团比较干燥,锋面过境时往往无降水,常出现大风或沙暴天气,在我国北方的冬、春季节常可见到这种冷锋天气。我国冬季爆发的寒潮,就是冷锋南下时形成的灾害性天气。

(二)暖锋与天气  暖气团主动向冷气团移动的锋,叫做暖锋。在暖锋上,暖气团沿冷气团徐徐爬升,冷却凝结产生云、雨。当暖锋过境时,云层加厚,多形成连续性降水。暖锋过境后,暖气团占据了原来冷气团的位置,气温升高,气压降低,雨过天晴。

(三)准静止锋与天气  冷暖气团势均力敌,或遇地形阻挡,锋面移动缓慢,或较长时间在一个地区摆动,造成阴雨连绵的天气。这种移动幅度很小的锋叫做准静止锋。夏初,我国长江中下游地区直至日本南部的梅雨天气,就是准静止锋造成的。冬半年的昆明准静止锋,是南下的冷空气遇到云贵高原阻挡,冷锋面在昆明和贵阳之间准静止下来形成的。

形成气候的因素  形成气候的因素主要有以下几个方面。

(一)太阳辐射  由于太阳辐射在地球表面不同纬度上分布不均匀,使地球上的热量随着纬度的增加而减少,这是造成气候差异最基本的因素。

(二)大气环流  大气环流促进了高低纬度之间、海陆之间热量和水汽的交换,调整了全球热量和水汽的分布。在不同的环流形势下,气候各不相同。例如,在北半球,同为北纬30°~40°的大陆,但东西两岸气候截然不同。在大陆东岸,受季风影响,形成冬季寒冷干燥、夏季高温多雨的季风气候。在大陆西岸,冬季受西风带影响,风从大洋吹来,湿润多雨;夏季副热带高压北移,控制这里,炎热干旱,形成冬雨夏干的地中海气候。

(三)地面状况  对流层大气中的热量和水汽主要来自地面,地面性质不同,直接影响到大气中的水热状况。(1)地面状况不同,对太阳辐射的反射率①不同,地面获得的热量就有多有少。例如,南极大陆出现世界极端最低气温,就与极冰的强反射率有关。(2)地面状况不同,热容量就不一样。例如,在相同的纬度上,由于海陆分布不同,气候差异十分显著,形成海洋性和大陆性两种不同的气候,这主要是由海陆热容量与传热方式不同造成的。(3)地面状况不同,对气流影响的程度也不相同。例如,山地迎风坡降水丰沛,背风坡降水稀少。

一个地区的气候,是由太阳辐射、大气环流和地面状况等因素综合作用形成的。当然,人类活动也会对气候产生一定的影响。

世界气候类型  世界各地区的气候错综复杂,各具特点。但根据形成气候的主要因素和气候的基本特征,可将全世界划分成若干气候类型。下页列表说明世界各气候类型的分布地区、气候特点及其成因。

人类活动与气候  气候既是人类生活的环境要素之一,又是供给人类生活和生产的重要资源。它与人类生活和生产的关系极为密切。

(一)气候对人类活动的影响  气候与农业生产的关系最为密切,农业生产在较大程度上受到气候条件的制约,各种农作物的生长、发育都必须具备一定的温度、日照和降水等气候条件。在进行农业生产时,要因地制宜地充分利用光、热和水分等气候资源,合理地进行农业生产布局。在水利建设中,水库和灌溉工程的设计,都要慎重考虑当地的气候条件,特别是降水条件和蒸发条件,才能保证工程的安全和发挥最大效益。城市建设也要考虑气候条件,一般工厂区应建在下风向,以免工厂的烟尘、废气大量散发到市内。在冬、夏风向正好相反的地区,工业区最好设在同当地主要风向垂直的郊外,才能减少空气污染的影响。海、陆、空交通和工程建设方面也与气候条件有关。例如,公路和铁路的建设,必须考虑到路线经过地区的气温和降水等气候条件。否则,工程设计(如防洪)就可能不恰当。又如,飞机场不宜建在多雾的地方。人体健康与气候关系也十分密切。适宜的日照、温度、湿度等气候条件,对人体健康是有益的,所以疗养地点的选择,对日照、气温、湿度等条件都有一定的要求。相反,大气的污染,会直接危害到人体的健康。

(二)人类活动对气候的影响  人类活动对气候的影响,越来越强烈。主要有以下几方面:

1.人类通过改变地面状况,进而影响和改造局部地区的气候。

因为地面是大气的主要热源和水源,人类改变地面状况,会引起近地面大气中的热量和水汽发生变化,直接影响到局部地区的气候。例如,人工造林与滥伐森林,对局部地区气候的影响截然不同。人工造林,可使林区风速减小,气温降低,湿度增大。在干旱地区造林,可以防风固沙,保持水土;在沿海地区造林,可以防止海风侵袭。相反,滥伐森林,盲目开荒,会导致尘暴盛行,水旱灾害增多,气候恶化。当前,人类改造气候的重要途径之一,就是人工造林。又如,随着水利事业的发展,水库不断增多,灌溉面积不断扩大,这样就使水库及灌区附近的大气湿度、云量和降水量有所增加,从而缓和了气温的日变化和年变化,在一定程度上调节了气候。

2.人类活动排放的大量有害物质,使大气污染加重,导致气候变化。

(1)二氧化碳的“温室效应”,导致全球变暖。

由于工厂、交通工具、家庭炉灶大量燃烧煤、石油和天然气,排放出大量的二氧化碳,加上森林大量被砍伐,大气中二氧化碳的含量与日俱增。二氧化碳能强烈地吸收地面放出的红外线长波辐射,故使大气温度增高。人们称之为二氧化碳的“温室效应”。据估计,如果大气中的二氧化碳含量增加一倍,全球的年平均气温将升高1.5℃~4.5℃。因此,随着大气中的二氧化碳含量迅速增多,全球气候有变暖的趋势。

全球变暖,将会对人类生存环境。社会经济发生重大影响。例如,随着气温升高,两极的冰雪会部分融化,引起海平面上升,这将给沿海的国家或城市带来灾难。又如,随着气温升高,各地降水和干湿状况也会发生变化。由于气温升高,蒸发加强,气候会变得干旱,现在温带的耕作业发达地区将会退化成草原;干旱的地区将变得更加干旱;亚寒带某些地区则因气温升高,将会适宜温带作物的生长等等。这样就导致世界各地农业生产有所改变。因此,二氧化碳的“温室效应”引起全球变暖,成为当前世界环境的主要问题之一,已引起世界各国的普遍关注①。

(2)排入大气的氯氟烃,严重破坏臭氧层。

近些年来,工业生产和家庭广泛使用冰柜和电冰箱,排放出大量的氯氟烃。这些化学物质在低空不易分解,可以上升至平流层,破坏那里的臭氧,使臭氧丧失吸收太阳紫外线的性能。据一些科学家的研究,大气中的臭氧每减少1%,照射到地面上的紫外线就增加 2%。现在,南极上空已出现臭氧层空洞,北极上空的臭氧层也在减薄。臭氧层的破坏,给地球环境和人体健康带来极大危害。首先,臭氧减少,射向地面的紫外线就增多,这将会损害人的免疫能力,使人类皮肤癌发病率增加,并可危及海洋生物的生存。其次,还可能导致世界气候变暖。这不仅是因为到达地面的紫外线增多,而且氯氟烃还可强烈吸收红外线辐射,引起“温室效应”。

(3)排入大气的酸性气体,造成酸雨危害。

工厂、汽车、飞机等燃烧煤和石油、天然气,不断向大气中排放硫和氮的氧化物。二氧化硫和氧化氮这些酸性气体,在大气中缓慢氧化,分别形成硫酸和硝酸。这两类强酸随雨、雪、雹、雾降落到地面,便形成酸雨、酸雪、酸雾等,统称酸雨。酸雨不仅使河湖水酸化,影响鱼类生长繁殖,乃至大量死亡,而且会使土壤酸化,危害森林和农作物生长,并可危及人类健康,腐蚀建筑物等。

二氧化碳的“温室效应”、臭氧层空洞和酸雨,是人类活动使大气严重污染的结果,这是当代人类社会面临的全球性环境问题。为了解决这些问题,全世界正在采取一些共同的行动。例如,减少能大量产生二氧化碳的化石燃料的使用量,降低小汽车等的能耗,大幅度减少含氯氟烃的使用量,以减少对大气的污染,并大力植树造林等等。

人类活动对气候的影响,在城市气候中表现得最为突出。例如,城市人口集中,工厂、汽车、家庭炉灶大量地消耗能源,除对大气造成污染外,还释放出废热进入大气,直接增暖了大气。这种人为释放的热,使城市的年平均气温比郊区可高出0.5℃~3℃,或者更多一些。在人口密度大、工业发达的城市尤为明显。这就使得城市在温度的空间分布上,犹如一个温暖的岛屿,称为“热岛效应”。

 

问题和练习

 

1.我国冬季、夏季主要各受什么气团的影响,出现什么样的天气?

2.图上的锋面移动速度是30千米/小时,城市目前是14时。说明锋面什么时间将会移到该城市上空,在未来48小时内,该城市的天气将怎样变化。

3.冬、夏季节,结合收听天气形势预报,观察锋面过境前后天气的变化。

4.说明在南北纬40°~60°之间的大陆地区,为什么西欧、北美、南美大陆的西海岸,气候终年湿润,冬雨较多,冬不冷夏不热,气温年变化小;亚欧大陆和北美大陆的内陆地区,气候干旱少雨,冬冷夏热,气温年变化很大;亚洲大陆的东部,气候冬季寒冷干燥,夏季暖热多雨。

5.你的家乡主要吹什么方向的风?当地主要工业区是建在上风向、下风向,还是垂直于风向?家在郊区的同学,了解当地农业生产是如何充分利用光、热、水分等气候资源的。

6.搜集报刊上有关全球气候变暖、臭氧层遭到破坏、酸雨造成危害和防预措施的资料,想一想我们应该怎样办。

 

附录

 

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