6.1 大气圈的成分、结构特点

大气圈是包围地球的气体圈层，其厚度在几万千米以上，总质量估计在5.27×1015t左右。在地球万有引力的作用下，大气圈在地面处的密度最大，向外逐渐变得稀薄，并逐渐过渡为宇宙气体，因此大气圈没有明确的外界。

大气的成分

低层大气的主要成分列于表6-1，仅N2、O2、Ar、CO2四种气体已占低层大气总量的99.98%以上。

大气的主要成分是氮和氧，二者所占大气的比例在99%以上。氮是植物制造蛋白质的主要原料，氧是生物能量的主要来源，对生命具有重要意义。

二氧化碳是一种温室气体，对调节地球表层的温度起到关键的作用，主要来源于地球内部析气（火山、地裂缝等）、生物的呼吸、有机质的燃烧等。

臭氧主要分布在离地面20～35km的平流层中。臭氧是氧分子受到紫外线辐射后分解成氧原子，大部分氧原子很快又结合成O2，部分氧原子与氧分子结合成O3。由于臭氧吸收了太阳辐射中的大量紫外线，构成了地球的一道保护层。

大气中还有其他一些组分：H2、CO、SO2、N2O、NO2、NO、Kr、Xe、Rn等，其含量都很低。在人口比较稠密的地区或工业区CO2、CO、SO2、NO2、NO的含量相对较高，是污染大气的主要成分。

在低层大气中还含有数量不等的可吸入颗粒物，主要来自岩石风化的微小颗粒、工业排放的粉尘、生物颗粒以及海水中的盐粒等。

大气的结构

大气在垂直方向上分布是不均匀的，主要集中在大气圈的底部，大约有50%的大气集中在5km的高度范围以下，约75%集中在10km以下。在2000～3000km的高空，大气的密度已接近宇宙空间的气体密度。

大气的物理性质在垂向上也是不一样的，按照其特征的差异可以把大气分为若干层（图6-1）。

对流层 大气圈的最下一层，平均厚度在高纬度地区为8～9km，中纬度地区为10～12km，低纬度地区为17～18km。夏季厚度大于冬季。对流层的厚度不到整个大气圈的1%，但却集中了大气质量的3/4，大气水汽的90%。对流层受地球表面的影响最大，层内对流旺盛，大气中的主要天气现象如云、雾、雨、雪、雹都形成在此层内。对流层中温度一般随高度的升高而降低，垂直温度梯度（在垂直方向高度变化100m时气温的变化值）平均为0.65℃/100m。对流层顶部的温度降至零下几十度。对流层对人类的影响最大，通常所说的大气污染就是对此层而言。

平流层 从对流层顶部以上到大约50km左右高度为平流层。平流层中气温随高度升高初时不变，而后逐步升高到0℃以上，这主要是地面辐射减少和氧及臭氧对太阳辐射吸收加热的结果。这种温度分布抑制了空气对流，所以此层内气流比较平稳，是喷气式飞机飞行的理想场所。由于平流层中水汽和尘埃含量较少，因此没有对流层中那种剧烈的云雨天气现象。

中间层 平流层顶以上到大约80km的一层为中间层。此层中气温又随高度升高而降低，其顶部温度可降至-113℃～-83℃。由于垂直温度梯度大，有相当强的垂直混合。该层内水汽极少，几乎没有云层出现。

热层 中间层顶以上为热层。该层温度随高度增高而迅速升高。由于太阳辐射中波长小于0.17mm的紫外线几乎全被该层中的分子氧和原子氧吸收，并且吸收的能量大部分用于气层的增温，加之气层内分子稀少，热量无法通过热量传输的方法传递出去，因此热层温度可达1000 K以上。热层没有明显的顶部，通常认为温度从增温转为等温时为热层顶部。在太阳活动宁静时，顶高约250km，当太阳活动强烈时顶高约500km。

外层 是热层以上的大气层。为大气圈向星际空间的过渡地带。在那里空气极为稀薄，温度随高度很少变化。由于那里地球引力很小，空气分子运动的自由度很大，使一些高速运动的空气质点不断向星际空间逃逸，故又称散逸层。

大气的运动

大气圈是运动最为活跃的地球圈层，大气圈的运动包括水平方向的和垂直方向的运动，低层大气和高层大气的运动。由于大气运动的存在，才使全球大气的物质能量交换、水分输送成为可能。大气运动的产生和变化由气压的空间分布及变化所决定。气压的变化会引起风、环流和天气的变化。

气压指大气压强，通常用观测高度到大气上界的单位面积上垂直空气柱的重量表示，其单位为Pa,1 Pa=1 N/m2,1标准大气压=101325 Pa=1013.2hPa。由气压定义可以看出，气压是随着高度减小的。气压随高度升高按指数律递减。

气压在水平方向分布也是不均匀的，有些地方气压高，有些地方气压低，可以用水平气压梯度来研究气压的水平变化。水平气压梯度是指垂直于等压线（指水平面，如海平面上气压相同的点的连线）由高压指向低压，在单位距离内的气压差。水平气压梯度一般为1hPa/100km左右。垂直气压梯度比水平气压梯度数量级上大104倍。在水平面上用等压线封闭的高值区表示高气压（简称高压）所在，等值线封闭的低压区表示低气压（简称低压）所在。高气压的延伸部分称为高压脊，低气压的延伸部分称为低压槽。两个高压和两个低压相对组成的中间气压区叫鞍形气压区（图6-2）。

大气圈中大规模的、有规律的气流运动称为大气环流，大气环流包括全球性的和局部性的环流。大气环流是地球气候系统的主要因素之一，对地球的区域性气候变化具有重大的作用。

大气每时每刻都在不停地运动着，其运行是极其复杂和多变的。如果从随时随地不断变化的运行状态中对时间进行平均，就可发现大气运行具有明显规律性。进行时间平均的空间分布常被看成是全球大气大规模运动的基本状态（图6-3）。

平均纬圈环流是指东西方向水平环流。高低空气流以纬线方向为主。低空在60°～90°的高纬地区为极地东风带（北半球为东北风，南半球为东南风），随冬夏太阳位置的南北移动，东风带位置也南北移动，且冬强夏弱。30°～60°的中纬地区为盛行西风带（北半球为西南风，南半球为西北风），西风带的位置也随季节南北移动，冬强夏弱。在0°～30°的低纬地区为信风带（北半球为东北风，南半球为东南风），但强度夏强冬弱。

平均经圈环流是指南北方向的垂直剖面上的环流。与前述三个纬圈环流带对应的三个经线环流圈分别为：极地环流圈、中纬度环流圈和热带环流圈。

季风（季风环流）是指在一个大范围内的随季节变化的盛行风向或气压系统。季风具有明显的季节变化，而且随着方向和气压系统的季节变化，天气系统也发生明显的变化。季风形成的原因主要是海陆间的热力差异。亚洲大陆冬季为强大的高压控制，冬季风主要为内陆向海洋的偏北气流；夏季为热低压控制，夏季风则主要为海洋向陆的偏南气流，空气潮湿，多降雨。

大气降水

大气降水是指从云层中降落地面的液态或固态的水，有雨、雪、雹等多种形式。降水量是指降水在水平面上的未经蒸发、渗流或其他损失的积聚深度，以毫米（mm）为单位。降水的形成需要云层中形成的水颗粒能够克服空气的阻力和上升气流的顶托作用，并且在降落过程中未被蒸发殆尽，才能降落地面。

降水强度是指单位时间内的降水量。通常把24小时内的降水量来区分降水强度。将24小时内的降水量＜10mm、10～25mm、25～50mm、50～100mm、100～200mm、＞200mm分别称为小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨和特大暴雨。