成信工大氣科學(xué)概論講義03大氣基本物理過程

第三章大氣基本物理過程正如在第一章中所述，大氣科學(xué)是研究地球大氣狀態(tài)的演變和發(fā)生在大氣中的各種動(dòng)力、物理和化學(xué)現(xiàn)象及其機(jī)理。因此，它的分支學(xué)科分別是利用動(dòng)力學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)的研究方法去研究大氣中發(fā)生的各種現(xiàn)象和過程。大氣物理學(xué)是研究發(fā)生在大氣中的各種物理現(xiàn)象、過程及其機(jī)理的科學(xué)，其研究對(duì)象包括：大氣的組成、成分與物理結(jié)構(gòu)、水的相變與云霧降水的形成、輻射能的吸收、放射、傳輸及其轉(zhuǎn)換過程、大氣在其下邊界(如陸面、洋面、冰雪面等)上的物質(zhì)、能量交換以及大氣中各種各樣的聲、光、電現(xiàn)象等等。近年來，隨著氣候?qū)W的發(fā)展，出現(xiàn)了“氣候系統(tǒng)”的概念，即氣候?qū)W將不只是研究大氣內(nèi)部的變化，而是還要研究與氣候變化密切相關(guān)的水圈、冰雪圈、巖石圈、生物圈與大氣圈之間的相互聯(lián)系和相互作用，這些不同圈的相互作用是通過界面物理量的交換而進(jìn)行的，因而賦予了大氣基本物理過程以新的內(nèi)容。地球大氣中發(fā)生著各種各樣的物理現(xiàn)象，有些是有益于人類生產(chǎn)活動(dòng)和生活的，而有不少是對(duì)人類生活和生產(chǎn)活動(dòng)有很大的危害，并造成災(zāi)害。為著趨利避害，本章介紹一些發(fā)生在大氣中的主要物理現(xiàn)象，即主要介紹三種物理現(xiàn)象：第一種是大氣的雷電過程，如閃電與雷鳴；第二種是大氣中的相變過程，如霧、雪、雨和冰雹等；第三類是大氣輻射過程，如太陽輻射、地表與大氣的長(zhǎng)波輻射等。此外，本章還闡述大氣運(yùn)動(dòng)必須遵守的熱力學(xué)原理。第一節(jié)大氣中雷電現(xiàn)象及過程一、大氣中的雷電現(xiàn)象大氣中發(fā)生的雷電現(xiàn)象自古以來就被人們所關(guān)注，因?yàn)樗３Ｔ斐扇藗兊膫?。雷電至今仍是自然?zāi)害之一。因?yàn)樗粌H嚴(yán)重影響航天、航空、通訊，而且還會(huì)毀壞建筑物、電設(shè)備和致使人們生命傷亡。江南地區(qū)有不少房子遭受過雷電襲擊，有不少村民由于拿著鐵雨傘或鐵器被雷電擊，以致喪命；就在大城市，不少的輸電高壓線或網(wǎng)絡(luò)線因被雷電襲擊而中斷；還有油庫因遭雷擊而起火等，造成很大經(jīng)濟(jì)損失。大氣中雷電現(xiàn)象是由雷聲與閃電所組成。雷聲有的是霹靂一聲，有的像火炮聲，有的像反復(fù)連續(xù)的汽車響聲。而閃電有的是云與地表之間發(fā)生，這稱云地閃(見圖；有的在云中間發(fā)生，這稱云內(nèi)閃。各種云或多或少總是帶電的，但在發(fā)展旺盛的對(duì)流云中，則可分離出足夠的電荷，以產(chǎn)生雷暴。觀測(cè)表明，如圖所示，一般雷暴云的上部帶正電(約(庫倉)以上，而雷暴云的下部帶負(fù)電(約以上)，并在緊貼融化層的下方有一個(gè)很小的正電荷區(qū)(約左右)。通常在一雷暴中電荷產(chǎn)生率大體為由于對(duì)流活動(dòng)的加強(qiáng)，云中電荷就會(huì)被分離，這樣在云的不同部位或云與地面之間的電位梯度不斷被加大，當(dāng)電位梯度加大到超過空氣能夠經(jīng)受的能力時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)介質(zhì)被擊穿的現(xiàn)象，這就出現(xiàn)閃電。一般空氣介質(zhì)擊穿電位梯度大約為，若空氣介質(zhì)中有半徑為的水滴，則擊穿電位梯度只要圖閃電(引自岸?？比蓤D雷暴云中電荷分布示意圖 著，王鵬飛譯，下面就“云地閃”和“云內(nèi)閃”與雷聲的發(fā)生過程簡(jiǎn)單作一闡述。 (一)“云地閃”過程“云地閃”是云底與地面之間的電擊現(xiàn)象，在我國(guó)一般又稱天地閃。它有很大的破壞力。云地閃一般可分如下階段：第階段是梯級(jí)先導(dǎo)階段：如圖所示，云地閃首先起始于云的底部，它最初以看不見的放電形式出現(xiàn)，這階段稱梯級(jí)先導(dǎo)放電。這種放電逐漸沖向地面，一般每下沖一步，大約維持。梯級(jí)先導(dǎo)是云底的正電荷區(qū)與云下部的負(fù)電荷區(qū)的局部放電所觸發(fā)，這種局部放電把原先的負(fù)電荷區(qū)中附于降水質(zhì)粒的電子釋放出，并與正電荷區(qū)的正電中和；并且，之后繼續(xù)以梯級(jí)先導(dǎo)放電的形式向地面伸展，當(dāng)帶負(fù)電的梯級(jí)先導(dǎo)接近地面時(shí)就會(huì)在地面，特別是位于地面的尖端物體，如小山、建筑物上的頂端，誘導(dǎo)出正電荷。當(dāng)梯級(jí)先導(dǎo)前端離地面約 高處，它與地面之間的電位梯度達(dá)到擊穿大氣的電位梯度值時(shí)，一個(gè)接應(yīng)火花就會(huì)從地面上竄與梯級(jí)先導(dǎo)相連接。第階段是第一次回返閃擊：如圖和所示，一旦接應(yīng)火花與梯級(jí)先導(dǎo)相接通時(shí)，大量的電子流向地面，這就出現(xiàn)一條很亮的閃電，并連續(xù)沿梯級(jí)先導(dǎo)原路從地面向上傳送。由于回返閃擊向上傳送是很快的，這過程只需，因此，整個(gè)閃擊通道似乎是同時(shí)閃第階段是直竄先導(dǎo)：由于第一次回返閃擊帶了最大電流一般可到達(dá)，因此，若在電流停止后之內(nèi)，在前一閃道的頂上有額外電子供應(yīng)，后續(xù)的閃擊就能沿同一主道出現(xiàn)，補(bǔ)充到閃道上的這些額外電子，稱閃流或閃流。并且，這些補(bǔ)充的額外電子不斷伸展到云中更高的負(fù)電荷區(qū)(見圖，這就形成一個(gè)帶負(fù)電的先導(dǎo)，這個(gè)先導(dǎo)稱直竄先第階段是第次回返閃擊：由于沿第一次回返閃擊的閃道連續(xù)把負(fù)電荷向下傳輸?shù)降孛妫@樣，就有另一個(gè)可見的回返閃擊由下向上進(jìn)入云中，即第二次回返閃擊。大多數(shù)閃電只包括次閃電，每次相隔，通過次閃擊把大約雷暴云下部所包含的電荷圖云地閃的形成與演變過程(引自著，王鵬飛譯，和 (二)“云內(nèi)閃”過程在雷暴云內(nèi)部也會(huì)發(fā)生閃電，稱為云內(nèi)閃，它能使云中正、負(fù)電荷中和掉。云內(nèi)閃出現(xiàn)的閃電現(xiàn)象與云地閃不一樣，它往往只包含一個(gè)在云中緩慢移動(dòng)的火花或先導(dǎo)，并在云中正、負(fù)電荷區(qū)之間活動(dòng)，產(chǎn)生暗淡而連續(xù)的光，在這暗淡而連續(xù)的光背景上可疊加幾個(gè)較亮的脈沖，每個(gè)脈沖大約維持副熱帶和溫帶區(qū)域，云底高度較低，一般云地閃的次數(shù)與云內(nèi)閃的次數(shù)相當(dāng)；而在熱帶地區(qū)，由于云底高度較高，一般一次云地閃就有次左右的云內(nèi)閃出現(xiàn)。 (三)雷聲雷聲是自然界中發(fā)生的最大的聲音之一，許多小孩經(jīng)常被雷聲所驚嚇。雷聲發(fā)生的原因是：回返閃擊通過閃電通道時(shí)，閃電通道中的空氣溫度因放電而猛烈上升，可達(dá)到左右。由于升溫歷經(jīng)時(shí)間很短，空氣來不及膨脹，因而閃電通道內(nèi)氣壓可升至(標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，見第二章第四節(jié))，之后，閃電通道很快向周圍大膨脹，產(chǎn)生很猛烈的沖擊波，其中一部分變成大振幅的聲波，這就是雷聲。因此，雷聲總是伴隨著閃電而發(fā)生。但是由于光波在大氣中傳播比聲波快，因此，人們總是先看到閃電，后聽到雷聲，不過一般在離發(fā)生閃電處的以外的地方就聽不到雷聲了。雷聲的能量只是沖擊波全部能量的一點(diǎn)點(diǎn)而已。然而，并不是離閃電處以內(nèi)的地方同時(shí)聽到雷聲。雷聲的折射受到大氣溫度與風(fēng)的制約。由于雷暴云的下部，一般大氣減溫率可達(dá)到，而聲波在暖空氣中傳播速度要比在冷空氣中傳播快，因此大氣的溫度梯度具有使雷聲向空中折射的特性。這樣，如圖 所示，從閃電通道最下端發(fā)生的雷聲，稍為遠(yuǎn)一點(diǎn)的地方就聽不見了，但能聽見閃電通道中高一些地方發(fā)出的雷聲(見圖。一般在離閃電處超過的地方，什么雷聲也聽不到了。雷聲的傳播還受風(fēng)的影響，如圖所示，一般在順風(fēng)方向雷聲傳播快，而在逆風(fēng)方此，當(dāng)看到閃電時(shí)，在下風(fēng)方向，很快聽到雷聲，而在上風(fēng)方向，較晚聽到雷聲。圖雷鳴隨溫度折射示意圖引自岸?？比蓤D雷鳴隨風(fēng)傳播和折射示意圖(引自岸保勘三郎雷聲的減弱主要原因一方面是由于空氣的粘性，另一方面是由于聲波與空氣中的水汽和分子相互作用所致。二、雷電的產(chǎn)生原因雷電是如何產(chǎn)生的？美國(guó)偉大科學(xué)家富蘭克林在年月就提出進(jìn)行雷暴是否帶電的實(shí)驗(yàn)的設(shè)想。這個(gè)實(shí)驗(yàn)在年月由法國(guó)博物學(xué)家狄阿立拜所進(jìn)行，證明雷暴是帶電的。之后，富蘭克林自己親自作了多次實(shí)驗(yàn)，并在年夏季作了有名的風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)，證明了雷的本質(zhì)就是電。然而，應(yīng)用近代科學(xué)的觀點(diǎn)來解釋大氣中雷電的發(fā)生機(jī)理以及用現(xiàn)代科學(xué)手段來觀測(cè)雷電還是世紀(jì)年代以后的事，特別在近年來，隨著科學(xué)技術(shù)和探測(cè)手段的進(jìn)步以及雷電、雷害機(jī)理的研究及其防護(hù)技術(shù)的需求，使大氣雷電物理學(xué)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。觀測(cè)表明：在許多情況，云中強(qiáng)烈起電現(xiàn)象常出現(xiàn)于或雹等強(qiáng)烈降水過程，因此，出現(xiàn)霰與雹可以看作是雷暴起電的關(guān)鍵。雷電產(chǎn)生過程包括了熱電效應(yīng)和感應(yīng)起電機(jī)制。 (一)熱電效應(yīng)這種起電理論是基于冰的熱電效應(yīng)，即一塊冰條，一端加熱，另一端冷卻，于是此冰條兩端就會(huì)有一定的溫度差，并且由于冰中水分子會(huì)分解正、負(fù)離子，溫度高時(shí)，分解的正、負(fù)離子就多，所以，冰條暖的一端所含正、負(fù)離子就比冷端多。但是，由于離子會(huì)從高濃度向低濃度遷移，因此，離子會(huì)從冰條暖的一端向冷的一端遷移。然而，在冰條中正離子遷移率大，而負(fù)離子遷移率幾乎為零，因此，在冰條的冷端形成正電荷區(qū)，而在冰條的暖端會(huì)形成負(fù)電荷區(qū)，并會(huì)阻止其后的離子遷移，從而維持了一個(gè)電位差。 (二)雷暴云熱電效應(yīng)的起電機(jī)制通常雷暴云熱電效應(yīng)的起電機(jī)制有以下兩種：第種起電機(jī)制假定有一包含雹塊或霰粒的混合云，如圖所示，混合云中的過冷卻水滴和小冰晶過冷卻水滴會(huì)放出很大的潛熱，這樣雹塊表明溫度變得較高，而冰晶溫度較低，根據(jù)上面所述的熱電效應(yīng)，冰晶就會(huì)帶正電，而雹塊帶負(fù)電。若此冰晶下降的速度小于上升氣流速度，帶正電荷的冰晶就會(huì)帶到云的上部，而雹塊一般下降速度較大，它就把負(fù)電荷帶到云的下部。當(dāng)冰晶與雹塊在上升氣流的作用下來回碰撞，最后就會(huì)形成在云上部是一個(gè)強(qiáng)正電荷區(qū)，而在云下部是一個(gè)強(qiáng)負(fù)電荷區(qū)的雷暴云，從而形成強(qiáng)的電位差。圖雷暴起電的種機(jī)制示意圖(引自著，王鵬飛譯，第種起電機(jī)制如圖所示，一般當(dāng)過冷卻水滴凍結(jié)時(shí)會(huì)有無數(shù)小冰屑飛向空氣。假設(shè)有過冷卻水滴與雹塊相碰，表面結(jié)成的冰殼就向水滴內(nèi)部增厚，冰殼內(nèi)表面與水相接，因而溫度為，而冰殼外部位于低于℃的冷空氣環(huán)境內(nèi)，這就使冰殼內(nèi)外形成溫度梯度，于是在熱電效應(yīng)的作用下，冰殼的外表帶正電，因此，從冰殼外表飛出的小冰屑帶正電，而雹塊帶負(fù)電。由于上升氣流的作用，小冰屑把正電荷帶到云的上部，在云的上部形成正電荷區(qū)，而雹塊下落，在云的下部形成負(fù)電荷區(qū)，從而也形成了強(qiáng)的電位差。從上可看到，第起電機(jī)制都是雷暴云中由于熱電效應(yīng)而產(chǎn)生電位差，故稱熱電效應(yīng)的起電機(jī)制。 (三)雷暴云的感應(yīng)起電機(jī)制正如圖所示，這種起電機(jī)制不是上面所述的熱電效應(yīng)而產(chǎn)生雷暴云的電位差，而是由于感應(yīng)而產(chǎn)生雷暴云的電位差。在一般情況云質(zhì)粒與降水質(zhì)粒都要受到極化，極化的結(jié)果使它們下半部帶正電，上半部帶負(fù)電。當(dāng)云質(zhì)粒與向下落的降水質(zhì)粒下部相碰時(shí)，云質(zhì)粒的負(fù)電荷會(huì)傳到降水質(zhì)粒上，若云質(zhì)粒從降水質(zhì)粒彈開來，則帶負(fù)電的降水質(zhì)粒向下運(yùn)動(dòng)，而帶正電荷的云質(zhì)粒隨上升氣流向上運(yùn)動(dòng)，這就會(huì)使雷暴云中上部帶正電，而下部帶負(fù)電，從而產(chǎn)生雷暴云的電位差。以上種雷暴的起電機(jī)制是典型化了，實(shí)際上要比上述偶極電荷結(jié)構(gòu)要復(fù)雜，經(jīng)常在雷暴云能觀測(cè)到三極電荷結(jié)構(gòu)。因此，關(guān)于雷暴云的起電機(jī)制還需進(jìn)一步研究。上面已經(jīng)闡述了雷電對(duì)于建筑物、航空飛機(jī)、航天飛機(jī)的發(fā)射、通訊設(shè)備等都有很大的破在研究雷電的防護(hù)措施。 (一)避雷針技術(shù)這是世界各地普遍采用在建筑物頂端安裝有尖端的金屬棒，使電荷能夠從地面上通過金屬的尖端向天空放電，使伸向地面的閃擊不再通過建筑物，而是通過避雷針。避雷針是年首先由富蘭克林提出的，并最早在法國(guó)應(yīng)用，年在美國(guó)也采用了，以后就逐漸在全世界普遍應(yīng)用了。由于采用了避雷針，使得易產(chǎn)生雷電區(qū)域的農(nóng)村磚瓦房可以免于火災(zāi)，并且城市許多高層建筑物也免于雷擊。因此，避雷針在當(dāng)今高科技時(shí)代仍被廣泛應(yīng)用，是全世界公認(rèn)的基本避雷方法。 (二)雷電定位技術(shù)雷電定位技術(shù)是近年來發(fā)展起來的雷電防護(hù)技術(shù)之一，它可以提供雷擊點(diǎn)的精確地理位置及時(shí)間演變特征，從而可以采取有效措施使電站、電網(wǎng)和通訊設(shè)備的設(shè)計(jì)，盡量避開多雷擊電發(fā)生時(shí)間使航天飛機(jī)的安全發(fā)射和航空飛機(jī)的安全起飛和降落。此外，還可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)森林應(yīng)用價(jià)值。 (三)人工引雷技術(shù)世紀(jì)年代末以來，用火箭拖帶接地的細(xì)金屬導(dǎo)線對(duì)雷電進(jìn)行人工引發(fā)，它可以使人們能夠在一個(gè)可以控制的環(huán)境中研究閃電的物理過程及其閃電與建筑物、目標(biāo)物的相互作用。人工引雷的實(shí)質(zhì)是在雷暴強(qiáng)電場(chǎng)作用下，火箭和細(xì)導(dǎo)線尖端處上行電荷的激發(fā)和傳播并導(dǎo)致云中電荷的對(duì)地釋放，這與一般目標(biāo)物受雷擊的物理過程是一樣的，因而，此技術(shù)可用來研究雷電危害的機(jī)理和檢驗(yàn)各種避雷裝備的防雷性能。人工防雷技術(shù)的實(shí)驗(yàn)廣泛在法、美、日和我國(guó)進(jìn)行。中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境工程研究所在這方面已有很多實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 (四)消雷裝置從世紀(jì)年代以來，世界各地發(fā)明了各種消雷裝置，如美國(guó)的消散陣系統(tǒng)，英國(guó)的雷電抑制器，我國(guó)的半導(dǎo)體長(zhǎng)針消雷器。這些裝置雖可以大大減少建筑物或電訊設(shè)備遭受雷擊的危害，但迄今有些設(shè)計(jì)的原理還不十分清楚。從以上可以看到，雷電的危害是大的，雷電的物理機(jī)制是復(fù)雜的，現(xiàn)世界各地的防雷技第二節(jié)太陽的短波輻射地球大氣的能量幾乎全部來自太陽。太陽不斷地向地球大氣和地表面發(fā)射電磁波。由于太陽輻射以波長(zhǎng)小于的電磁波輻射，故又稱短波輻射。太陽輻射經(jīng)過大氣要被散射、吸收，并被地表面反射，其過程是很復(fù)雜的，本節(jié)將簡(jiǎn)單闡述這些過程。一、有關(guān)輻射的幾個(gè)定律首先，回顧一下物理學(xué)中有關(guān)電磁波輻射的幾個(gè)概念和定律。 (一)發(fā)射能力和吸收能力從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在單位時(shí)間內(nèi)從某一物體單位面積上向各個(gè)方向所發(fā)射的頻率范圍內(nèi)的輻射能量可寫成)式中是頻率和溫度的函數(shù)，稱為該物體在溫度時(shí)發(fā)射頻率為的輻射能量的發(fā)射能力。對(duì)于不同物體，不同的表面情況(如光滑程度等)發(fā)射能力不相同。此外，當(dāng)一定量的輻射照射在某物體表面時(shí)，其中一部分會(huì)被該物體吸收，其余部分則被反射或散射，或透過物體。我們將物體吸收到的輻射與照射到的輻射總量之比稱為吸收能力，。同樣，也是輻射的頻率和物體的溫度的函數(shù)。 (二)基爾霍夫定律假定一物體與其他物體之間只能通過輻射和吸收來交換能量，當(dāng)該物體發(fā)出的輻射能量間就會(huì)建立起熱平衡狀態(tài)，此時(shí)各物體在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的輻射能量正好等于吸收的能量，因不是嚴(yán)格地處于熱平衡狀態(tài)，但實(shí)際上，不管物體是否處于熱平衡狀態(tài)，基爾霍夫定律都是成立的。只要?dú)怏w分子碰撞頻率與吸收和發(fā)射的頻率相比是較大的，那么基爾霍夫定律就適用于該種氣體。而在地球大氣中，一直到高度(包括對(duì)流層和平流層)，這個(gè)條件都是滿足 (三)普朗克定律根據(jù)黑體的定義，黑體它吸收所有波長(zhǎng)的輻射，即吸收能力為，又能發(fā)射所有波長(zhǎng)的電射的單色輻射強(qiáng)度)可寫成這就是普朗克定律，是年普朗克()根據(jù)能量量子化的假設(shè)提出來的，式中 (四)斯蒂芬玻爾茲曼定律將上述普朗克定律在所有頻率范圍內(nèi)積分，可得到黑體的輻射通量如下：)定律，其中蒂芬玻爾茲曼常數(shù)。斯蒂芬玻爾茲曼定律說明了黑體輻射只與物體的溫度有關(guān)。 (五)維恩位移定律由普朗克定律還可得知，最大輻射強(qiáng)度的波長(zhǎng)滿足下式，常數(shù)，該式就是維恩()位移定律。它表明：當(dāng)黑體的溫度增高時(shí)，最大輻射強(qiáng)度向短波方向移動(dòng)。當(dāng)黑體溫度不高時(shí)，輻射能量主要集中在長(zhǎng)波區(qū)域；溫度較高時(shí)，輻射能量的主要部分在短波區(qū)域。雖然維恩位移定律和斯蒂芬玻爾茲曼定律在這里是根據(jù)普朗克定律推導(dǎo)而得，但實(shí)際上，這個(gè)定律在普朗克定律出現(xiàn)之前就已由其他方法得到了。溫度高于絕對(duì)溫度為零度的物體都向外放射輻射，即電磁波。放射體的溫度越高，放射的能量就越大(斯蒂芬玻爾茲曼定律)，并且放射能量最大的波長(zhǎng)也縮短(維恩位移定律)。因而，實(shí)際上，不僅是太陽和地球，所有的物體都發(fā)射電磁波。假如我們具有一雙能感覺所有波長(zhǎng)范圍內(nèi)電磁波的眼睛，就可以看到周圍的一切都是閃閃發(fā)光的，包括我們自己也是在發(fā)著光的?？上覀兊难劬χ荒芨杏X到可見光，其波長(zhǎng)范圍為因?yàn)樘柟馇驅(qū)拥臏囟葹椴糠帜芰糠植荚诓ㄩL(zhǎng)因?yàn)樘柟馇驅(qū)拥臏囟葹椴糠帜芰糠植荚诓ㄩL(zhǎng)見光區(qū)域；而地球所發(fā)出的電磁波是紅外線，其波長(zhǎng)范圍為。這就是為什么我們能圖太陽(左圖)和地球(右圖)所產(chǎn)生的黑體輻射 (引自都是要考慮到。在下一節(jié)中，將對(duì)這一問題做進(jìn)一步的說明。我們可以將輻射能量分成二種類型：太陽的短波輻射和地球的長(zhǎng)波輻射，對(duì)這兩種輻射的物理處理方法是很不同的因?yàn)樘栞椛鋪碜院苓h(yuǎn)的太陽，所以在地球上可以把它當(dāng)作是一種平行的單向輻射。與此 (一)太陽輻射常數(shù) (二)地球上所接收的太陽輻射的變化由于太陽離地球十分遠(yuǎn)，故一般把太陽光都看成平行的，若忽略地球大氣對(duì)太陽輻射的散射和吸收，則在地面上單位面積所接收的太陽輻射強(qiáng)度應(yīng)是的太陽輻射，是太陽輻射強(qiáng)度。圖地表面所接收的太陽輻射與太陽高度角的關(guān)系示意圖由于地球自轉(zhuǎn)軸與公轉(zhuǎn)軸成角，這就是說，地球的赤道面與它的軌道面成角。因此，在北半球夏至月日)太陽位于北緯的北回歸線，這就是說夏至這一日，位于北回歸線地方正中午時(shí)，太陽高度角是；相反，在冬至(月日)太陽位于南緯的南回歸線，這就是說，冬至這一日，位于南回歸線地方正中午時(shí)，太陽高度角是，因此，太陽高度角可為下式，式中，為某地所在的緯度，為赤緯，即太陽光線與地球赤道面上的交角。就一般而論，如圖所示，式中是式中，是時(shí)角。因?yàn)榈厍蚶@太陽每小時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，故地方時(shí)與時(shí)角的關(guān)系為(地方時(shí)時(shí))從式可知，北京下午點(diǎn)，則。這樣，地方時(shí)為時(shí)，則可寫成從式可以看到如下情形：收的太陽輻射隨太陽高度角的變化有很大日變化。射隨季節(jié)有很大變化。從春分至秋分的半年間，在北極整天太陽幾乎在地平線上，因此，在北極從春分到秋分就沒有夜晚，并且在夏至，太陽整日在地平線上；相反，從秋分至春分半年間，整天太陽都在地再由(式便可求出該地點(diǎn)某月、某日、某時(shí)大氣上界單位面積所接收的太陽輻射量(見圖。由圖可以看到，夏至北極在白天所接收的太陽輻射量比地球上任何地方都大；至南極在白天所接收的太陽輻射量為全球最大。圖大氣上界單位面積所接收的太陽輻射能隨緯度和時(shí)間的變化(引自 (三)地球大氣對(duì)太陽輻射的吸收與散射地球大氣對(duì)太陽輻射的吸收如圖所示，入射到地球大氣的太陽輻射量一部分要被大氣所吸收與散射，一部分透過大氣層到達(dá)地面，而到達(dá)地面的太陽輻射一部分要被地表面反射至大這就是說，入射太層的輻射量之和。太陽光譜中存在許多的吸收帶和吸收線，其中有些是由于太陽大氣的吸收作用，對(duì)這些吸收帶或吸收線進(jìn)行分析，可以知道太陽大氣的組成成分。另外的吸收帶和吸收線則是由于地球圖地球大氣對(duì)太陽輻射的吸收和輻射示意圖大氣的吸收作用，吸收太陽輻射的大氣氣體主要成分有臭氧、氮?dú)狻⑺?、甲烷等。波長(zhǎng)小于的太陽輻射(紫外線、射線)主要被以上的臭氧、氧氣和氮?dú)馑?，在大氣的臭氧的作用，?duì)太陽輻射的吸收主要在近紫外線區(qū)域。以上的吸收使得在能夠進(jìn)入大氣對(duì)流層的太陽輻射中，波長(zhǎng)小于的輻射相當(dāng)弱。臭氧是吸收紫外線的主要大氣成分，可以說，臭氧層是使地球生物圈免受過強(qiáng)紫外線傷害帶來嚴(yán)重的環(huán)境問題。臭氧的減少會(huì)導(dǎo)致射到地球表面的紫外線增強(qiáng)，從而少農(nóng)業(yè)產(chǎn)量，破壞海洋食物鏈，增加人類皮膚癌的發(fā)病率。因此，國(guó)際組織對(duì)臭氧層的保護(hù)給予了廣泛的關(guān)注。如圖所示，假設(shè)入射輻射強(qiáng)度為，通過氣層后出射輻射的強(qiáng)度為，定義圖輻射經(jīng)過氣層吸收而減弱的示意圖則式可寫成)這樣從式可得到經(jīng)過氣層吸收后到達(dá)地表面的太陽輻射，即在對(duì)流層中，大氣對(duì)太陽輻射的吸收很弱，吸收主要發(fā)生在可見光和近紅外線區(qū)域。這些吸收主要是由水汽和二氧化碳的吸收作用所引起。地球大氣對(duì)太陽輻射的散射地球大氣除了對(duì)太陽輻射吸收作用外，還必須考慮它對(duì)太陽輻射的散射作用。在大氣中，光線遇到質(zhì)點(diǎn)或通過光學(xué)性質(zhì)不均勻的介質(zhì)時(shí)，它會(huì)向各個(gè)方向彌散，這種現(xiàn)象就叫做光的散射。所謂光學(xué)性質(zhì)不均勻是指均勻物質(zhì)中散布著折射率與之不同的大量其他物質(zhì)的微粒，或者是物質(zhì)本身的組成部分聚集得不規(guī)則。在大氣中可以造成散射的物質(zhì)有空氣分子、氣溶膠(除云滴、降水以外的一切固體和液體懸浮微粒)、云霧(空氣中散布著的液態(tài)微滴)和雨滴等。雖然散射不能像吸收那樣使太陽輻射能量轉(zhuǎn)換成熱能，但它可以使某一個(gè)方向上的輻射這使得向下的太陽輻射減少。因此，散射和吸收一樣，均可以導(dǎo)致入射太陽輻射的減弱。大氣對(duì)輻射的散射取決于輻射電磁波的波長(zhǎng)和散射粒子半徑的大小。一般把小于光的波長(zhǎng)的微粒對(duì)入射太陽輻射的散射現(xiàn)象稱為瑞利(散射。瑞利通過所做的精密研究，發(fā)現(xiàn)瑞利散射的光強(qiáng)度與波長(zhǎng)的四次方成反比，因此，入射輻射的波長(zhǎng)越短，被散射的輻射就越大氣分子對(duì)藍(lán)色光的散射較紅色光更強(qiáng)，所以天空呈藍(lán)色，這是因?yàn)榇髿夥肿訉?duì)藍(lán)色光有更強(qiáng)面，在日落和日出時(shí)，因?yàn)檩^短波長(zhǎng)的藍(lán)色光在穿越較長(zhǎng)的路徑中大部分被散射掉，只剩下波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅色光，因而此時(shí)天空呈紅色。地表面對(duì)太陽輻射的反射經(jīng)過大氣散射和吸收之后，透過氣層到達(dá)地面的太陽輻射一部分要被地表面所反射。一般所列，不同地表狀況對(duì)于太陽輻射的所列，不同地表狀況對(duì)于太陽輻射的反射是不同的。雪面對(duì)太陽輻射的反射率最大，大約為對(duì)太陽輻射的反射率較小。陽輻射的反射率()(引自))第三節(jié)地球大氣的輻射與傳輸按照上一節(jié)所述，任何具有一定溫度的物體均以某種光譜段向周圍輻射能量。因此，地球及大氣也以某種波段向空間輻射，本節(jié)將闡述地球和大氣的輻射特征及它們的輻射在空間的 (一)輻射平衡溫度前一節(jié)已經(jīng)闡述了，太陽輻射入射到地球途中經(jīng)大氣時(shí)，被大氣的氣體分子、氣溶膠和云向空間輻射而降溫。當(dāng)兩者平衡后，地球溫度就保持不變的狀態(tài)，這個(gè)狀態(tài)下的溫度稱為地球表列出幾個(gè)行星的平衡溫度。從表可以看到地球輻射平衡溫度為，比 (二)地球輻射特性由于地球溫度遠(yuǎn)比太陽溫度低，因此，地球輻射的波長(zhǎng)遠(yuǎn)比太陽輻射的波長(zhǎng)要長(zhǎng)。如圖 所示，太陽輻射在波長(zhǎng)為處為最強(qiáng)，而地球輻射則在處為最強(qiáng)，此兩輻射在為交界，可以清楚分辨出兩種不同波長(zhǎng)的輻射，因此，太陽輻射稱短波輻射，而地球輻射稱長(zhǎng)波輻射。若以輻射譜線分類，地球輻射屬紅外輻射，而太陽輻射大部分在可見光部分。 (三)溫室效應(yīng)根據(jù)觀測(cè)，地球表面的溫度在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)維持平衡狀態(tài)。因此，地球在吸收能量的同時(shí)必射的方式向太空發(fā)射能量。假定沒有地球大氣，那么整個(gè)地球吸收的太陽輻射為 ( (均反射率，它大約為為太陽常數(shù)。假定地球是一個(gè)黑體(這一點(diǎn)是近似成立的)，根據(jù)斯蒂芬玻爾茲曼定律，地球發(fā)射的長(zhǎng)波輻射能量為式中為地球應(yīng)具有的輻射平衡溫度。這樣，為保持地球的能量平衡，應(yīng)有此可得或然而，根據(jù)觀測(cè)，全球表面實(shí)際的平均溫度為，與上述的相差之多，其原因是因?yàn)楹雎粤说厍虼髿獾淖饔?。?shí)際上，地球周圍的大氣具有溫室效應(yīng)，地球大氣中有些氣體具有吸收紅外線的作用，從地球表面發(fā)射的紅外線本來應(yīng)該原封不動(dòng)地全部射向宇宙夫定律和普朗克定律，這些大氣成分本身又發(fā)射紅外線，其部分能量向下傳輸給地球，使地球表面的溫度有所升高，包圍著地因此，這種現(xiàn)象就叫做溫室效應(yīng)。太陽輻射能量，但另一方面，這些氣體卻能夠吸收地球發(fā)射的某些長(zhǎng)波長(zhǎng)的紅外線，從而起到溫室效應(yīng)。由于溫室效應(yīng)，地球的溫度從變到，使我們的家園地球變得溫暖而適于人類和生物的生存。由此看來，沒有人類活動(dòng)的溫室效應(yīng)對(duì)于地球目前的生態(tài)系統(tǒng)的維持是十分重要的。開始逐漸增加，到正午達(dá)最大，但因午后點(diǎn)前地表吸收太陽輻射能量扣除地表輻射出去的能量仍有剩余，故氣溫最大值出現(xiàn)在午后時(shí)；而日落后太陽云在這種情況下起著溫室效應(yīng)的作用。然而，由于人類活動(dòng)自工業(yè)革命以來，不斷地向大氣中排放二氧化碳等溫室效應(yīng)氣體，從而使得大氣中溫室氣體濃度增加且溫室效應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)，這造成地球的溫度上升，由此給全球帶來了一系列的環(huán)境問題。有關(guān)溫室效應(yīng)及其產(chǎn)生的影響，有許多問題人們目前尚不清楚，關(guān)于這些內(nèi)容的研究已成為當(dāng)今地球科學(xué)研究中最熱門的領(lǐng)域之一。在本書第五章中，對(duì)溫室效應(yīng)還將做進(jìn)一步的說明。為了維持地氣系統(tǒng)的輻射平衡，大氣的輻射傳輸過程是一個(gè)必須考慮的問題。在太陽輻吸收和輻射具有同等重要，都必須加以考慮。 (一)大氣的輻射傳輸下面先討論一下理想狀態(tài)下大氣的輻射傳輸問題，此時(shí)，我們有比爾定律，這一定律是關(guān)于輻射強(qiáng)度為的單色平行輻射通過吸收介質(zhì)的一般規(guī)律。假定在某一介質(zhì)中，輻射強(qiáng)度在經(jīng)過了路徑后被該介質(zhì)吸收了，則是該介質(zhì)對(duì)波長(zhǎng)為輻射的吸收系數(shù)，這就式中，是該介質(zhì)對(duì)波長(zhǎng)為輻射的吸收系數(shù)，這就是比爾()定律。對(duì)平行輻射通過大氣時(shí)產(chǎn)生的散射，也有類似形式的定律。吸收和散射時(shí)，可將散數(shù)系數(shù)和吸收系數(shù)加在一起，定為削弱系數(shù)，即然而，在實(shí)際大氣中，上述定律的應(yīng)用仍然會(huì)遇到巨大的困難。首先，削弱系數(shù)與波長(zhǎng)有關(guān)，所以無法直接計(jì)算總的輻射變化，這需要對(duì)所有波長(zhǎng)積分。另外，由于輻射幾乎都不是平行輻射，因而需要對(duì)所有的立體角進(jìn)行積分。最后，云和氣溶膠產(chǎn)生的散射由于粒子的直徑比較大，瑞利定律已經(jīng)不再適用了。當(dāng)對(duì)這種散射進(jìn)行計(jì)算時(shí)，發(fā)現(xiàn)該過程本身是極其復(fù)雜的，它與粒子的特性密切相關(guān)，然而這些粒子的特性和空間分布又變化無常，難于測(cè)量。因而，必須采取一系列的近似。由于它的復(fù)雜性和專業(yè)性，這里將不討論。 (二)大氣對(duì)輻射的吸收特性圖是地球大氣層頂端與地球表面所觀測(cè)的太陽輻射光譜?？梢钥吹剑旱乇砻嫠^測(cè)的光譜要比在大氣層頂?shù)墓庾V弱，這是由于到達(dá)地表面的太陽輻射被大氣中云及氣溶膠吸收和散射了一部分以及大氣的氣體分子散射；大氣所吸收的部分最明顯的是波長(zhǎng)大于紅外光譜部分，這有強(qiáng)水汽吸收帶，在波長(zhǎng)，除水汽外，還有大氣對(duì)可見光譜段幾乎不吸收，因此大氣是太陽輻射可見光部分之窗。圖地球大氣頂(上線)與地球表面(下線)所觀測(cè)到的太陽輻射光譜(引自著，王鵬飛譯，和大氣對(duì)地球輻射的吸收，主要是和水汽，而對(duì)波長(zhǎng) (三)大氣遙感原理地球大氣輻射現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于探測(cè)大氣各種要素。飛機(jī)和衛(wèi)星上都安裝了可以接收地面或大氣射出的各波段輻射能的電磁波接收器(或稱傳感器)，從所測(cè)得的輻射能通過大氣輻射水汽和，并從云可以估算出風(fēng)。正是由于氣象衛(wèi)星對(duì)地面特性和大氣要素和成分的遙感技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了大氣科學(xué)的迅速發(fā)展。世紀(jì)年代末實(shí)現(xiàn)了空間定性遙感向定量遙感的轉(zhuǎn)變，并建立了第三代低軌業(yè)務(wù)衛(wèi)星系統(tǒng)和第二代高軌的地球靜止衛(wèi)星系統(tǒng)，這兩個(gè)業(yè)務(wù)衛(wèi)星系統(tǒng)所提供的大氣遙測(cè)數(shù)值不僅大大地促進(jìn)了大氣科學(xué)研究的發(fā)展，而且使天氣和氣候預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率也大大地提高。世紀(jì)年代中期以后，不僅氣象衛(wèi)星利用可見光和紅外掃描輻射所測(cè)得的云圖廣泛地用于各種氣象預(yù)報(bào)，而且氣象衛(wèi)星測(cè)得地球各個(gè)角落的溫度廓行常規(guī)觀測(cè)的廣大的海洋和高原上可以測(cè)得其氣象要素值，這無疑會(huì)使大氣科學(xué)的研究得到新的發(fā)展和突破。第四節(jié)地球大氣的輻射收支上面三節(jié)分別闡述了地球所接收的太陽短波輻射、地球和大氣對(duì)太陽輻射的吸收、散射、地球表面對(duì)太陽輻射的反射以及地球和大氣向周圍空間射出的紅外輻射。這樣有必要計(jì)算一地球大氣的輻射收支，如圖所示，可以分兩部分：一部分是太陽輻射，它是短波輻一部分是紅外輻射，它是長(zhǎng)波輻射。地球大氣的輻射收支(引自小光，和入射太正如圖左半圖所示，假設(shè)入射到大氣層頂端的太陽輻射為單位或中被地表面反射回宇宙空間；太陽輻射被大氣散射掉，而被大氣散射掉的入射太陽輻射有一半入射太陽輻射)向上返回到宇宙空間，另一半則散射到地表；由于大氣有云，入射的太陽輻射約有被云反射到宇宙空間，這就是說，有的太陽輻射返回到宇宙空間，它與地球大氣熱收支無關(guān)，這就是一般稱之為地球大氣的反照率。并且，云吸收掉的太由于云的遮蓋作用，使的太陽輻射返回地表面，因此，地表面吸收了太陽輻射的氣紅外輻射的收支正如圖右半圖所示，地球吸收了的太陽輻射，大氣與云吸收了的太陽輻射，這些將有一部分轉(zhuǎn)變成紅外輻射。其中相當(dāng)于的太陽輻射由大氣發(fā)出的紅外輻射向上輻射返回宇宙空間，向下輻射被地表面所吸收；而地表面輻射出來的紅外輻射有其中被大氣吸收，其余由大氣窗返回宇宙空間，有由熱傳導(dǎo)和對(duì)流從地表輸送到大氣，則通過水汽蒸發(fā)變成潛熱輸送到大氣。這就是說，地球表面由于紅外輻射射出相當(dāng)于的太陽輻射，因此，它與上面所述的吸收了太陽輻射的達(dá)到輻射平衡；并且，大圖是全球各緯圈平均的地氣系統(tǒng)吸收的太陽輻射、地氣系統(tǒng)發(fā)射的長(zhǎng)波輻射和大，造成反射率比赤道地區(qū)大得多，所以地氣系統(tǒng)吸收的輻射明顯的少。圖地氣系統(tǒng)輻射收支隨緯度的分布(引自射的長(zhǎng)波輻射也較高緯多些。一個(gè)有趣的現(xiàn)象是：雖然在赤道地區(qū)地球表面的溫度最高，但往外輻射的長(zhǎng)波輻射最強(qiáng)的地方并不在赤道，這是因?yàn)樵诔嗟赖貐^(qū)，地表溫度最高，使得空氣在此地區(qū)上空是上升的，致使赤道上空的云量較多，而云能很好地吸收地球放射的長(zhǎng)波輻射，具有同溫室效應(yīng)氣體一樣的作用，于是在赤道地區(qū)，從大氣頂部射出的地氣系統(tǒng)的長(zhǎng)波輻射較其兩側(cè)稍弱。這樣，從地氣系統(tǒng)吸收的太陽輻射除去放射的長(zhǎng)波輻射便可得到地氣系統(tǒng)吸收從圖中還可以清楚地看到，在從圖中還可以清楚地看到，在收的輻射能量。因而，雖然把全球地氣系統(tǒng)作為一個(gè)整體，吸收的輻射能量和放出的輻射能量?jī)糨椛淠芰?，而在高緯地區(qū)放出恰好相等數(shù)量的輻射能量。如果不局限于輻射能量，而是討論總能量的話，那么各個(gè)區(qū)域在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)依然是能量平式不再是輻射的方式，這種能量的輸送是由大氣和海洋的運(yùn)動(dòng)來完成的。假如沒有大氣和海洋由低緯地區(qū)向高緯地區(qū)的能量輸送，那么，低緯地區(qū)的溫度就會(huì)比目前的狀態(tài)更高，而高緯地前的狀態(tài)更低，于是，南北的溫度差別就會(huì)比目前的大得多。因?yàn)橹挥羞@樣，低緯地區(qū)放出的長(zhǎng)波輻射才能足夠強(qiáng)，強(qiáng)到足以平衡低緯地區(qū)吸收的太陽短波輻射；同樣，也出的長(zhǎng)波輻射也才能足夠弱，弱到剛好與吸收的太陽輻射相等。因此，正是由于大氣和海洋的能量輸送作用，使得適合人類生存的環(huán)境如此之廣。這里只是以緯向平均的方式說明了輻射收支的南北分布，但忽略了輻射在緯向上的差異。在緯向上的差異比在經(jīng)向上的差異小。般物質(zhì)都以固體、液體和氣體種形式存在著。固體內(nèi)部分子靠電磁力相互結(jié)合，只能有很小的振動(dòng)；液體內(nèi)部分子可在液體內(nèi)部移來移去改變形態(tài)，但無法脫離液體本身；而氣體內(nèi)部分致溶解成液體，這就是液化；當(dāng)固體全部溶解成液體若再加熱，分子與分子之間的結(jié)合就會(huì)被自由運(yùn)動(dòng)，這就是汽化。如我國(guó)北方湖泊、河流中的水在溫度很低的冬天就會(huì)分相態(tài)的改變稱為相變。 (一)大氣中的基本相變過程在大氣中，相變過程無時(shí)無刻都在進(jìn)行著，從而形成各種天氣現(xiàn)象。融解過程大氣中氣溫大于以上，冰就會(huì)變成水，云中小冰粒就會(huì)變成小水滴，這就是大氣中融說，的冰融解成水所需要的熱量是。因此，在冰雪融化時(shí)，大氣溫度將降低。蒸發(fā)與凝結(jié)過程在一定溫度下，海洋、湖泊、河流的水和地球上含有水分的土壤將不斷汽化，從液體水變成水汽輸送到大氣，這稱蒸發(fā)過程。海洋、湖泊等水分蒸發(fā)需要熱量，大氣中常溫條件下蒸發(fā)熱是 ，這說明的液體水蒸發(fā)成水汽需要的熱量。因此，在同樣太陽照耀下，有水分的地表面比干燥的地表面溫度要低。與上面相反，當(dāng)大氣中水汽被抬升到一定高度因大氣溫度低，水蒸氣就凝結(jié)成水滴，這稱凝結(jié)過程。大氣中凝結(jié)過程要釋放出熱量，這又稱潛熱。與蒸發(fā)熱一樣，水蒸汽變成的水可釋放出的熱量。大氣中因水蒸汽凝結(jié)釋出潛熱是大氣得到熱量的一個(gè)重要途徑。升華過程由水汽直接變成固體的冰稱升華。升華熱為，即從水蒸汽變成冰所釋放熱量為，這就是說，水汽直接變成冰粒所放出的熱量要比從水變成冰所釋放的熱量多。 (二)水汽飽和與飽和水汽壓設(shè)某體積中最初沒有水汽分子，在一定溫度下由水面開始蒸發(fā)，這樣該體積中水汽分子數(shù)不斷增加，與此同時(shí)，與水面碰撞的水汽分子數(shù)也同樣逐漸增加，當(dāng)自水面出來的分子數(shù)與進(jìn)入水的分子數(shù)相等而達(dá)到平衡時(shí)，這稱空氣中的水汽飽和(。水汽所產(chǎn)生的壓力稱飽和水汽壓。飽和水汽壓與溫度密切相關(guān)，表是在各種溫度下的飽和水汽壓。當(dāng)飽和水汽壓與周圍的氣壓相等時(shí)的溫度，水就開始沸騰，通常稱水的沸點(diǎn)。如在海平面，氣壓一般為，這時(shí)水必須加熱到℃才能沸騰，即水開了。這是由于溫度℃的水，它的飽和水汽壓為。但在高山上，如在青藏高原上，氣壓一般只有這時(shí)水加熱到℃就開了，故燒飯不易熟，一般做飯必須要用壓力鍋才能把飯煮熟。這是由于的水，它的飽和水汽壓為二、大氣中的相變現(xiàn)象大氣是一部多變的熱機(jī)，由于大氣下墊面有海洋、湖泊和河川以及土壤，它們無時(shí)無刻發(fā)生著蒸發(fā)現(xiàn)象，把大量水蒸汽送到大氣中。這些水蒸汽到達(dá)大氣，大氣由于種種原因會(huì)產(chǎn)生上升氣流把這些水蒸汽抬升到一定高度，隨著抬升，氣溫下降，水汽達(dá)到飽和水汽壓，當(dāng)氣溫繼續(xù)下降，則多余的水汽分子就會(huì)凝結(jié)成小水滴，若溫度在冰點(diǎn)以下就會(huì)形成小冰?；蛐”?。大氣中由這些小水滴或小冰粒、小冰晶組成許多天氣現(xiàn)象，如云、雪、霧、雨、冰雹等，這就是大氣中的相變現(xiàn)象。 (一)云由于當(dāng)包含水蒸汽的空氣塊隨上升氣流抬升達(dá)到飽和時(shí)，就有水汽向空氣中氣溶膠質(zhì)粒上凝結(jié)，形成由小水滴組成的云。圖是從衛(wèi)星上所攝的臺(tái)風(fēng)云圖。云有各種形狀，英國(guó)圖從氣象衛(wèi)星所觀測(cè)到的云圖學(xué)者霍伍德()在年依云高度和形狀分成如下幾種云，見表種云，即積云()和層云(表云的分類與記號(hào)積云積云是在不穩(wěn)定大氣中暖濕空氣劇烈上升發(fā)展而形成，因此，此種云又稱對(duì)流云 。圖表示積云發(fā)展的各個(gè)階段。第一階段是云的前方剛要發(fā)展的積云，而背后已發(fā)展成濃積云；第二階段是已發(fā)展成濃積云，云頂輪廓模糊；第三、四階段是積云頂部已達(dá)到對(duì)流層頂附近，由于無法伸展到穩(wěn)定的平流層，云被迫水平伸展成云帖(；第五階段是積云擴(kuò)展成卷云層云層云是在較穩(wěn)定的大氣中因大范圍上升氣流所形成。如圖所示，當(dāng)藍(lán)色天空出現(xiàn)像細(xì)的羽毛狀輕盈云，這就是卷云。這種云處于高度為的高空，因此，它一般由小冰粒組成；隔一段時(shí)間云層增厚可達(dá)，并云底降低，天空漸漸被灰色云所覆蓋，即出現(xiàn)高層云；最后出現(xiàn)雨層云，于是就降起雨來。我國(guó)地處溫帶和亞熱帶，云系不像在熱帶地區(qū)都是對(duì)流旺盛引起的積云，引起降水經(jīng)常是層云和積云的混合。 (二)霧霧其實(shí)是地面和地面附近所發(fā)展的云，它的發(fā)生是由于濕空氣的溫度下降，達(dá)到露點(diǎn)，水圖光，圖光，和伊藤洋三、大田正次監(jiān)修，，云的圖層云的形成過程，或空氣內(nèi)水汽增加達(dá)到飽和，或者兩種原因同時(shí)引起。根據(jù)生成原因，霧可以分成以下幾種：輻射霧如圖所示，一般在弱風(fēng)的晴朗夜晚，地表面因紅外輻射而冷卻，使得地表與地表附降，溫度在黎明前達(dá)到最低，并使空氣達(dá)到飽和，這時(shí)有可能形成霧，這種霧稱輻射霧。若夜間風(fēng)大，雖然地面因紅外輻射冷卻，但由于近地表冷卻的冷空氣與其上方未冷卻產(chǎn)生不了霧。太陽出來以后，由于往往就消散了。我國(guó)北方沿海城市在冬季無風(fēng)、天空晴朗的黎明前，地表因紅空氣較濕，這種情況往往有霧出現(xiàn)。在山谷中由于夜間紅外輻射冷卻，空氣密度又較大，并停滯在山谷中，這種情況往往發(fā)生霧，如長(zhǎng)江三峽地區(qū)冬、春季經(jīng)常發(fā)生輻射霧。圖輻射霧的形成平流霧如圖所示，暖濕氣團(tuán)在水平移動(dòng)時(shí)路經(jīng)溫度較低的地表面，這使暖濕空氣冷卻而達(dá)，這種霧稱平流霧。平流霧在我國(guó)冬、春季華北東部可經(jīng)常觀測(cè)空的濕空氣吹到華北東部，此時(shí)由于華北地表面附近空氣很冷，使?jié)窨諝鉁囟认陆颠_(dá)到露點(diǎn)溫度，從而形成霧。這種霧維持時(shí)間比輻射霧長(zhǎng)，有時(shí)連續(xù)嚴(yán)重影響交通，特別是飛機(jī)的升降。圖平流霧的形成蒸汽霧冷空氣與較暖水面相接觸就會(huì)發(fā)生這種蒸汽霧，如我國(guó)東南沿海在冬、春季經(jīng)常觀測(cè)到的海霧，在大湖或河川上方，在寒冷的冬季也可經(jīng)常觀測(cè)到蒸汽霧。溫度下降達(dá)到露點(diǎn)所形成，在近處觀測(cè)是霧，遠(yuǎn)處眺望則是山被云所籠罩，我國(guó)江南和西南地區(qū)的山區(qū)經(jīng)?？煽吹竭@種山坡響，而且出現(xiàn)霧時(shí)，大氣污染物不容易擴(kuò)散，污染物與霧相結(jié)合，從而加重污染，對(duì)人體健康會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重危害。如北京冬、 (三)雨雨是大氣降水的重要形式，從海洋輸送來的大量水汽以雨的形式降到地球的各個(gè)角落，滋養(yǎng)著人類，使人類能夠進(jìn)行工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活，雨還滋養(yǎng)著各種生物的生長(zhǎng)，雨是造福于人類雨的形成當(dāng)大量水蒸汽隨氣流吹到某個(gè)地區(qū)，若該地區(qū)大氣有強(qiáng)烈上升氣流，水蒸汽就會(huì)上升而凝直速度只有幾厘米／秒。由于云中水滴只有左右，而要產(chǎn)生雨滴，就必須使云中小水滴的半徑增長(zhǎng)到即左右，因此，當(dāng)云中水滴由于下列幾種機(jī)制使得小水滴左右，從而可以克服浮力作用，就會(huì)降到地面上，形成雨。此外，還有云中小冰粒、雪粒在下降過程中溶化也是雨形成原因之一。雨滴的增長(zhǎng)過程雨滴增長(zhǎng)主要有以下種過程：擴(kuò)散過程：云滴增長(zhǎng)成雨滴首先是擴(kuò)散過程，水汽凝結(jié)成云滴時(shí)其半徑只有，若此空氣塊繼續(xù)上升并一直保持著過飽和狀態(tài)，過飽和空氣中的水汽分子就會(huì)向水滴擴(kuò)散，在水滴表面凝結(jié)，這就是擴(kuò)散凝結(jié)。擴(kuò)散過程使云滴發(fā)展成為水滴的時(shí)間較長(zhǎng)。碰撞合并過程：一般暖云中只有極少數(shù)的云滴能迅速發(fā)展成為雨滴。云滴能迅速發(fā)展成雨滴主要靠碰撞合并過程。一般云中存在著大大小小不等的云滴，因大水滴受重力的影響降有可能再追上小水滴碰撞合并再變大，這樣不斷反復(fù)碰撞合并變大，最后水滴半徑大到一定的重力可以克服浮力，它將以雨的形式降到地上。圖是云滴、霧滴和雨滴大小的比較，可以看到，一般霧滴是云滴半徑)的 (四)雪與冰雹雪與冰雹都是固體降水形式，不過，雪經(jīng)常發(fā)生在氣溫較低的冬、春季，而冰雹卻發(fā)生在夏季，尤其在山地。這兩種降水形式也經(jīng)常造成災(zāi)害。在我國(guó)牧區(qū)冬、春季，由于積雪太厚，牲畜無草可吃，會(huì)造成大量牲畜餓死；雪還會(huì)給公路造成一定危害，嚴(yán)重的雪災(zāi)往往需要關(guān)閉高速圖云滴、霧滴和雨滴大小的比較(引自小光，生長(zhǎng)與冰粒的成長(zhǎng)過程。冰晶生長(zhǎng)過程升華就會(huì)形成冰晶芽(。產(chǎn)生冰晶芽可由下列幾種途徑：云中溫度很低，溫度低于以下的云，它只能由冰晶組成；云中過冷卻水滴接觸到某些微粒，凍結(jié)而形成冰晶；過冷卻水滴內(nèi)包含了微粒，由于核作用而凍結(jié)；水汽直接升華形成冰晶芽。此外由于冰晶在降落中形成碎片或者云中過冷卻水凍結(jié)產(chǎn)生碎片而散落。冰粒成長(zhǎng)過程冰粒有下列種成長(zhǎng)過程：直接由水汽升華：由于冰面上飽和水汽壓比水面上低，因此，對(duì)于空氣中水滴達(dá)飽和狀態(tài)，對(duì)于冰粒已過飽和了。在同時(shí)存在過冷水滴和冰粒的云中，冰粒的成長(zhǎng)要比水滴快得多。云中冰晶因水汽升華時(shí)溫度和空氣過飽和度不同可形成各種形狀。在范圍內(nèi)，冰晶可成長(zhǎng)為片狀晶；冰晶可成長(zhǎng)為棱柱狀；冰晶可成長(zhǎng)為扇片狀；，冰晶可成長(zhǎng)為空心棱柱狀；空氣過飽和度對(duì)結(jié)晶形狀有很大影響，在℃溫度范圍內(nèi)，若過飽和度增加，六角柱形的冰晶就變成薄而寬的骸捕捉過冷云滴成長(zhǎng)：由于過冷卻云滴與冰粒同時(shí)存在于云內(nèi)。過冷卻水滴與冰粒碰撞，水滴就凍結(jié)在冰粒上，從而冰粒質(zhì)量就增加，這種過程稱為成淞)過程。在很冷的冬天，遇見有霧的天氣，松樹上就會(huì)結(jié)成很美麗的霧淞，就是這個(gè)原理。由于雪粒成淞過程質(zhì)量增加，故在空氣中降落速度增大，捕捉云滴也就會(huì)愈來愈大，這就形成雪珠。在夏季由于發(fā)展成熟的積云中有強(qiáng)的上升氣流，這些雪珠無法落到地面而繼續(xù)浮在云水滴，這樣雪珠可以發(fā)展成雹 的質(zhì)量增加。由于冰晶生長(zhǎng)與冰粒成長(zhǎng)有不同的過程，因此可以生成不同固體降水形式，包括各種形狀大氣中各種相變過程，特別是水蒸汽凝結(jié)成水滴，它會(huì)放出大量的潛熱，這為大氣運(yùn)動(dòng)提供了大量熱源。第六節(jié)大氣熱力學(xué)大氣中一切運(yùn)動(dòng)均是由于冷、熱分布不均勻造成的，因此，大氣中熱力過程是下一章要闡述的動(dòng)力過程的基礎(chǔ)。大氣中的基本熱力過程有如下過程：包括太陽短波輻射與地氣系統(tǒng)長(zhǎng)波輻射的加熱節(jié)中闡述了；節(jié)中闡述了；由于水蒸汽在大氣中發(fā)生相變而產(chǎn)生的潛熱，這已在第由于節(jié)中闡述了；關(guān)章節(jié)中闡述。本節(jié)不是再重復(fù)闡述各種熱力過程，而是主要闡述宏觀上大氣的熱力過程及應(yīng)遵從的基本規(guī)律。歷史上無數(shù)次試圖制造出永動(dòng)機(jī)的失敗，以及自然現(xiàn)象之間存在普遍聯(lián)系的無數(shù)事實(shí)，使我們相信能量守恒定律是一個(gè)最普遍的自然規(guī)律。根據(jù)這一定律，能量既不能憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，而只能由一種形式轉(zhuǎn)化成另一種形式，如由機(jī)械能轉(zhuǎn)化成熱能，由熱能轉(zhuǎn)化成化能量守恒定律應(yīng)用在熱力學(xué)系統(tǒng)中時(shí)，就表現(xiàn)為熱力學(xué)第一定律。熱力學(xué)第一定律指出：對(duì)某一熱力學(xué)系統(tǒng)輸入的熱能應(yīng)該等于該系統(tǒng)內(nèi)能的變化與該系統(tǒng)所作功的和，即))式中，為對(duì)單位質(zhì)量熱力學(xué)系統(tǒng)所加的熱量，是單位質(zhì)量熱力學(xué)系統(tǒng)所作的功。下面我們將熱力學(xué)第一定律應(yīng)用到大氣中。在大氣熱力學(xué)中，討論系統(tǒng)所作的功時(shí)只需考慮由于大氣系統(tǒng)膨脹或壓縮過程所作的功。在大氣中，實(shí)際膨脹過程是由于系統(tǒng)與外界發(fā)生了不平衡，如外界減壓，此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)的壓強(qiáng)大于外界的壓強(qiáng)，從而使系統(tǒng)膨脹；而在系統(tǒng)膨脹的同時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部也會(huì)出現(xiàn)力的不平衡，這就是說，系統(tǒng)在實(shí)際膨脹過程中，并不處于平衡態(tài)，能利用狀態(tài)參量來描述，這將引起功的計(jì)算復(fù)雜化。為簡(jiǎn)單起見，引進(jìn)一個(gè)理想過程，使系統(tǒng)在膨脹或壓縮過程中的每一步都處于平衡態(tài)，于是，可以利用狀態(tài)參量描述系統(tǒng)，系統(tǒng)所作的功也就可以根據(jù)狀態(tài)參量的變化來進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)然，一切實(shí)際過程都不會(huì)是這種理想過程，系統(tǒng)內(nèi)部一旦出現(xiàn)力的不平衡，那么即使系統(tǒng)與外界達(dá)成力的平衡，系統(tǒng)也必須