第1章　氣象學(xué)基礎(chǔ)知識
　　第1節(jié)　大氣的組成
　　在地球周圍的大氣層中，存在著各種不同的物理現(xiàn)象和物理過程，這些現(xiàn)象和過程的發(fā)生與發(fā)展，是與大氣本身緊密聯(lián)系在一起的，正因為有這些現(xiàn)象和過程的發(fā)生，才有天氣的不斷發(fā)展和變化：刮風(fēng)、下雨、雷電、冰雹、天晴等過程的發(fā)生，這些都和大氣的物理性質(zhì)有重要關(guān)系。
　　大氣是由多種氣體和懸浮在空氣中各種固態(tài)和液態(tài)雜質(zhì)所組成，是一種無色、無味的氣體。其中主要成分是氮（N2）、氧（O2）和氬（Ar）這三種氣體，其體積大約占大氣總體積的99.96％，其他氣體，如二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、臭氧（O3）、二氧化硫（SO2）、水汽（H2O）等，含量甚微。除水汽外，這些氣體在自然界的溫度和壓力下總呈氣體狀態(tài)，而且在標(biāo)準狀況下（緯度是北緯45°，溫度是0℃的海平面上），氣壓值是1013.25百帕，大氣密度是1293克/立方米。
　　大氣中的氧是_切生命存在的物質(zhì)基礎(chǔ)。動物和植物都需要呼吸，都要進行氧化過程，生命才能得以維持。同時氧也是決定有機體的燃燒、腐敗等過程不可缺少的物質(zhì)材料。氧在大氣中的含量多少還取決于大氣中氮的含量，因為氮和氧能起反應(yīng)，氧大約占干潔空氣質(zhì)量的23％。
　　氮氣是大氣中含量最多的成分，大約占干潔空氣質(zhì)量的75％。它是地球上生命體的基本成分，也是合成氨的基本原料。大氣中的氮能夠沖淡氧，使氧不致太濃，氧化作用不過于激烈�？諝庵械牡�在自然條件下，通過豆科植物根瘤菌的作用，把大氣中的氮固定到土壤中，改造為被植物可以吸收利用的化合物。因此民間常有說法：豆茬地是肥茬田，下季作物不用施肥，也能獲高產(chǎn)，原因就在于此。
　　大氣中的水汽，主要來自于江河湖海及潮濕物體表面水分的蒸發(fā)，以及植物葉面的蒸騰作用，把地表水分蒸發(fā)蒸騰到大氣當(dāng)中，并且通過對流運動和大氣環(huán)流的作用，把水汽輸送到不同高度和不同緯度地區(qū)，是天氣變化的主要成分之一，也是地球上淡水的主要來源�？諝庵兴�汽含量具有明顯的時空變化，一般情況是夏季多于冬季，低緯度地區(qū)多于高緯度地區(qū)。就垂直方向而言，空氣中水汽含量隨著高度的增加而減少。根據(jù)觀測證明，在離地面2千米高度，水汽含量減少為地面的一半，在5千米高空，減少為地面的1/10。再向上就更少了。因此飛機飛行一般都在10千米左右，就是為了克服云層對飛機飛行的干擾。
　　大氣中的臭氧，是在太陽短波輻射下，通過光化學(xué)作用，氧分子分解為氧原子后再和另外氧分子結(jié)合而形成。另外有機物的氧化和雷電的作用也能形成臭氧。根據(jù)資料分析表明，大氣中的臭氧隨高度的變化，分布很不均勻，在近地層臭氧含量極少，在10千米高空臭氧含量逐漸增加，在25千米—30千米高度臭氧含量達到最大值，人們習(xí)慣上稱為臭氧層，再向上，臭氧含量又逐漸減少。造成這一現(xiàn)象的原因，是因為在大氣上層，太陽短波輻射的強度很大，使得氧分子解離增多，氧分子和氧原子結(jié)合的機會增多，這一層有足夠的氧分子和氧原子，造成臭氧形成的適宜條件，故在這一高度容易形成臭氧層。臭氧能夠大量吸收太陽紫外線，使得地球上的生物免遭太陽紫外線的傷害，從這個意義上說，臭氧層可以說是地球生物的保護傘。而穿過臭氧層的少量紫外線，可以起到殺菌消毒作用，對促進人類身體健康有好處。所以在春天和冬天，提倡人們經(jīng)常把自己的被褥、衣物拿到太陽下照曬，以利于紫外線殺菌。體質(zhì)較差的老人，經(jīng)常曬太陽，有利于增強體質(zhì)。嬰幼兒經(jīng)常曬太陽可以預(yù)防佝僂病。都是這個道理。
　　但是由于人類不合理的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，特別是氟氯烴化物的大量生產(chǎn)和使用，使得臭氧層或多或少的遭到破壞，特別是在南極上空，甚至出現(xiàn)臭氧層“空洞”，導(dǎo)致南美洲南面的部分地區(qū)不適宜人類居住，這直接威脅到人類生存安全。保護臭氧層免遭破壞，是人類社會共同的目標(biāo)。1995年1月23日，聯(lián)合國大會考慮到保護臭氧層對地球生命的緊迫性，決定并宣布每年9月16日為國際保護臭氧層日。要求所有成員國，按照《關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書》及其修正案的目標(biāo)，采取具體行動，來紀念這個日子。2000年國際保護臭氧層的主題是：“拯救我們的天空：保護你自己，保護臭氧層�！痹缭�2000年，我國政府和企業(yè)的代表響應(yīng)聯(lián)合國環(huán)境署的號召，在北京莊嚴承諾盡最大努力減少直至永遠停止生產(chǎn)、使用消耗臭氧層的物質(zhì)，保護臭氧層。
　　大氣中的溫室氣體。溫室氣體指二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、一氧化二氮（N2O）等氣體。這些氣體對太陽短波輻射吸收甚少，但卻能強烈地吸收地面的長波輻射，同時又向周圍空氣和地面放射長波輻射，因此它們有使地面和空氣增溫的效應(yīng)。大氣輻射指向地面的部分，稱為逆輻射。大氣逆輻射使地面因放射長波輻射而損耗的能量得到一定的補償，因此，大氣對地面有一種保溫作用，這種作用，稱為大氣的保溫效應(yīng)。根據(jù)計算，如果沒有大氣逆輻射作用，近地面層的平均溫度為-23℃，但實際上近地面層的均溫是15％，也就是說，大氣的逆輻射，使近地面層的溫度提高了38℃。但是，值得關(guān)注的是，近十幾年來這些溫室氣體的含量有與年俱增的趨勢，這與人類活動關(guān)系十分密切。人類工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)排放大量的廢氣、微塵等污染物進人大氣，這些氣體如甲烷、一氧化二氮等氣體在寒氣窗口均各有其吸收帶，這些溫室氣體在大氣中濃度增加，必然對氣候變化起著重要作用。
　　大氣中的二氧化碳濃度在工業(yè)化之前很長一段時間里大致穩(wěn)定在約（280±10）×10。3ml/L的范圍，但在近幾十年來，增長速度很快，到1990年已增至345×10～ml/L，90年代以后增長速度更大。大氣中二氧化碳濃度急劇增加的原因，主要是由于大量燃燒石化燃料和大量砍伐森林草原所致。根據(jù)科學(xué)家研究表明：排人大氣中的二氧化碳有50％左右為海洋所吸收，另一半被森林草原吸收變成固態(tài)生物體，儲存于自然界。但由于目前森林大量被砍伐，致使森林不但減少了對大氣中二氧化碳的吸收，而且由于被毀森林的燃燒和腐爛，更增加大量的二氧化碳排放至大氣中。根據(jù)現(xiàn)在二氧化碳的排放水平推測，在2025年大氣中二氧化碳濃度可能為4.25×10～ml/L，為工業(yè)化前的1.55倍。
　　甲烷（CH4）是另一種重要的溫室氣體。它主要由水稻田、反芻動物、沼澤地和生物體的燃燒而排放人大氣。根據(jù)目前大氣中甲烷增長率外延，大氣中甲烷的含量預(yù)計到2030年可達到2.34×10～ml/L。
　　污染氣體。由于工業(yè)交通運輸業(yè)的發(fā)展，而廢氣未加以回收利用，空氣中增加了許多污染氣體，如一氧化碳（CO）、氨（NH4）、二氧化硫（SO2）、硫化氫（H2S）等都是污染氣體，它們的含量雖少，但確能給人類生產(chǎn)生活帶來一定的危害。
　　氣溶膠粒子。大氣中懸浮著各種各樣的固體雜質(zhì)和液體微粒，這些固體雜質(zhì)和液體微粒就稱為大氣氣溶膠粒子。它們主要來自于火山爆發(fā)，被風(fēng)揚起的土壤微粒，海水飛濺進入大氣后，被蒸發(fā)剩下的鹽粒，還有的來自于流星在大氣中燃燒后產(chǎn)生的宇宙塵埃；有的是細菌、動物呼出的病毒、植物花粉等；還有是人類工業(yè)生產(chǎn)，農(nóng)事活動排放人大氣中的煙塵。氣溶膠粒子多集中于大氣的底層，它含量的多少，因時間、地區(qū)、高度而異。就地區(qū)來講，城市多、農(nóng)村少、陸地多、海洋少；就季節(jié)來說，一般是冬季多，夏季少；就一天時間來說，一般是清晨和夜間多，午后少。大氣中的固體雜質(zhì)懸浮在空氣中，會使大氣能見度變壞，像我們春季常見到灰暗色天空，普遍都是這種情況。大氣氣溶膠粒子可以充當(dāng)水汽凝結(jié)的核心，對云、雨的形成起著重要作用。
　　第2節(jié)　大氣污染
　　大氣污染指由于人為因素所產(chǎn)生的有毒有害氣體、液體和固體雜質(zhì)進人大氣中，對人類生產(chǎn)和生活、動物和植物產(chǎn)生一定的危害，就是
　　大氣污染。
　　大氣污染物可以分為兩大類：一類是有害氣體和液體微粒存在于大氣中，如二氧化硫、一氧化碳、氟化氫、硫化氫、碳化氫等。另一類是固體微粒，如煤煙、煤塵、金屬粉塵，光化學(xué)煙霧等。這些污染物主要來自于工業(yè)生產(chǎn)過程中排放的煙塵、粉塵等，如水泥生產(chǎn)企業(yè)的粉塵，煉焦企業(yè)的煙塵，根據(jù)統(tǒng)計，全世界每年排放的有毒有害物質(zhì)總量達到71×108噸之多。
　　大氣污染，一般也可以分為兩類：一類是污染物因其性質(zhì)、濃度及時間等因素而能造成危害的直接污染；另一類是因為污染物之間相互作用以及污染物與大氣正常成分發(fā)生反應(yīng)，或因太陽光引起光化學(xué)反應(yīng)而使污染物變質(zhì)，從而產(chǎn)生新的污染物。
　　大氣的污染程度不僅與廢氣排放量有關(guān)，而且與氣象狀況也有關(guān)系。如1952年倫敦發(fā)生的光化學(xué)煙霧事件，就是因為煙霧形成以后，倫敦上空為高氣壓控制，有逆溫層存在，使大氣層結(jié)穩(wěn)定，大氣不流通，故致使煙霧籠罩持續(xù)四天之久，導(dǎo)致數(shù)千人死亡。世界其他地方也有過類似事件發(fā)生。
　　解決大氣污染的主要措施：人類在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，要實行清潔生產(chǎn)以減少污染物的排放。城市要大力發(fā)展綠地。城市綠地是城市中的主要自然因素，因此，大力發(fā)展城市綠化，是減輕城市熱島影響的關(guān)鍵措施。綠地能吸收太陽輻射，而所吸收的輻射能量又大部分用于植物蒸騰耗熱和在光合作用中轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，因而用于增加環(huán)境溫度的熱量會大大減少，使環(huán)境溫度不會過高。醫(yī)學(xué)研究表明：環(huán)境溫度與人體的生理活動密切相關(guān)；環(huán)境溫度高于28℃時，人們就會有不舒適感覺；溫度再高則易導(dǎo)致人煩躁、中暑、神經(jīng)紊亂，氣溫高于34℃，并且頻繁的熱浪沖擊，還可以引發(fā)一系列疾病，特別是使心臟、腦血管和呼吸系統(tǒng)疾病的發(fā)病率上升，死亡率明顯增加。此外，高溫還會加快光化學(xué)反應(yīng)速率，從而使大氣中臭氧濃度上升，加劇大氣污染，進～步傷害人體的健康。綠地中的園林植物，通過蒸騰作用，不斷地從環(huán)境中吸收熱量，降低環(huán)境空氣中的溫度。根據(jù)試驗研究，每公頃綠地平均每天可以從周圍環(huán)境中吸收81.8兆焦耳的熱量，相當(dāng)于189臺空調(diào)的制冷作用。園林植物通過光合作用，吸收空氣中的二氧化碳，1公頃綠地，平均每天可以吸收1.8噸的二氧化碳，削弱了溫室效應(yīng)。此外，園林植物能夠滯留空氣中的粉塵，每公頃綠地可以滯留粉塵2.2噸，降低環(huán)境大氣含塵量50％左右，進一步抑制大氣增溫。
　　研究表明：城市綠化覆蓋率與熱島強度成反比，綠化覆蓋率越高，則熱島強度越低，當(dāng)綠地覆蓋率大于30％后，熱島效應(yīng)可以得到明顯的削弱；覆蓋率大于50％，綠地對熱島的削減作用極其明顯。規(guī)模大于3公頃且綠化覆蓋率達到60％以上的集中綠地，基本上與郊區(qū)自然地面的溫度相當(dāng)，即消除了熱島現(xiàn)象，在城市中形成了以綠地為中心的低溫區(qū)域，成為人們戶外游憩活動的優(yōu)良環(huán)境。
　　世界上許多國家為了綠化城市，改善生態(tài)環(huán)境，提供自然美好的享受和蓬勃的生活氣息，都特別重視草坪的建設(shè)。在歐洲，有不少城市的公園都以草坪唱主角，形成了“草原牧歌”式的獨特風(fēng)格。
　　草坪能給人以清新、涼爽和愉悅的感受，為人們提供一個愉快、干凈、安全的工作和生活環(huán)境。綠茵芳草能像吸塵器一樣凈化空氣、過濾灰塵，減少了塵埃也就減少了空氣中的細菌含量。根據(jù)測定，南京火車站灰塵數(shù)量較大，每立方米空氣中含細菌達49100個，而南京中山植物園大草坪上空僅為688個。
　　草坪還是二氧化碳的最好消耗者。生長良好的草坪，每平方米1小時可吸收二氧化碳1.5克，每人每小時呼出的二氧化碳約為38克，所以如有25平方米的草坪，就可以把一個人呼出的二氧化碳全部吸收。由此可見，城市中的草坪對凈化空氣有何等重要的作用，這也是人們站立于大草坪上感到空氣特別新鮮的原因。
　　減弱噪聲。草坪還能減弱噪聲，一塊20平方米大小的草坪，能減弱噪聲2分貝左右。杭州植物園中一塊面積為250平方米的草坪，經(jīng)測定，與同面積的石板路面相比較，其音量降低200分貝。草坪又能調(diào)節(jié)溫度和濕度。在南京市的夏天，沒有長草的土壤表面溫度為40℃。瀝青路面溫度為55℃，而草坪地表溫度僅為32℃。
　　降低城市氣溫。多鋪設(shè)草坪可減少地表放熱，降低城市氣溫。根據(jù)測定，夏季的草坪能降低氣溫3℃-3.5℃，冬季的草坪卻能增高氣溫6℃-6.5℃。同時，草坪還能增加空氣濕度，它能把從土壤中吸收來的水分變?yōu)樗�蒸氣蒸發(fā)到大氣中去。翠綠的草坪給人帶來舒適安靜的綠色空間，給城市帶來了文明和優(yōu)美的環(huán)境。城市要保護高質(zhì)量的草坪，不是人們所想象的那樣簡便和輕巧�？梢哉f從整地、土壤改良、播種，到剪草、噴水、施肥、病蟲害防治等，每一個環(huán)節(jié)都十分重要，而且費用相當(dāng)大。據(jù)說，美國每年用于維護草坪的費用高達40億美元。種草容易養(yǎng)草難。要保護好草坪，需要每個人的愛心，屬于草坪的東西請勿帶走，不屬于草坪的東西也請勿留下，這是每個公民應(yīng)具備的環(huán)境意識。
　　第3節(jié)　大氣的結(jié)構(gòu)
　　大氣的總質(zhì)量5.27×1015噸，相當(dāng)于地球質(zhì)量的百萬分之一。假如地球周圍大氣分布均勻，那么它分布的高度僅為8千米。但實際上大氣的密度隨著高度的增加越來越小，所以平原上生活習(xí)慣的人，到高原地區(qū)，就感到呼吸困難，實際是高原地區(qū)氣壓降低，氧氣的分壓也降低的緣故。從總體上說，5千米以下的空氣質(zhì)量大約占大氣總質(zhì)量的50％，10千米以下占到大氣總質(zhì)量的75％，20千米以下占到大氣總質(zhì)量的95％，其余5％的空氣散布在20千米以上的高空。地球大氣的質(zhì)量是模糊的，地球大氣和星際氣體之間并不存在一個截然的上界。為了研究需要，一般根據(jù)大氣中極光出現(xiàn)的高度定為大氣的上界，即1200千米高度稱為大氣的物理上界。
　　根據(jù)大氣在垂直方向上的物理性質(zhì)差異，可以把大氣分為五層。
　　一、對流層
　　對流層是地球大氣中最低的一層。對流層中集中了75％的大氣質(zhì)量和90％以上的水汽質(zhì)量，主要天氣現(xiàn)象，云、霧、雨、云、雷、電等都發(fā)生在這一層。對流層有三個最主要特征。
　　1.氣溫隨高度的增加而降低。這是因為，對流層中空氣增溫主要依靠吸收地面的長波輻射，離地面越近，空氣接收地面長波輻射的能量愈多，因此，氣溫就越高，反之氣溫則較低，一般地說，海拔高度每升高100米，氣溫下降大約0.65℃，在氣象學(xué)上，把此稱為氣溫直減率。
　　2.在對流層中，大氣具有強烈的對流運動。這主要是由于地面不均勻加熱引起的。當(dāng)然，高、中、低緯度空氣垂直對流運動是不一樣的，一般地說，低緯高空大氣垂直對流運動劇烈，對流層厚度可以達到17千米-18千米高度，而高緯度地區(qū)空氣垂直對流運動就較弱，對流層厚度也只有8千米-9千米左右。在同一緯度，對流層厚度夏季較大，冬季較小。因此，在對流層中，空氣的垂直對流運動的強度隨緯度和季節(jié)發(fā)生變化。
　　正因為對流層中，空氣的垂直對流運動，使高層和低層的空氣進行交換，近地層的熱量、水汽和其他雜質(zhì)能向高層輸送，對于成云致雨起重要作用。
　　3.對流層天氣現(xiàn)象復(fù)雜多變。由于對流層中空氣的垂直對流運動和水平運動，以及湍流運動等，使對流層中空氣的濕度、溫度、氣壓等水平分布是不均勻的。因此大氣可以產(chǎn)生一系列的物理變化，形成復(fù)雜的天氣現(xiàn)象。有時晴空萬里，有時烏云密布，雷電交加，狂風(fēng)暴雨……這一切都發(fā)生在對流層中。因此，對流層與地表自然狀態(tài)和人類的關(guān)系最為密切。影響人類社會工業(yè)、農(nóng)業(yè)及人類的衣食住行。對流層也是氣象學(xué)研究的重點領(lǐng)域。
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