环境地学导论第五章大气环境过程(气候变化)董云社中科院地理科学与资源研究所dongys@1第一节基础讨论1.1环境及其组成1.1.1环境与环境要素1.1.2环境的分类1.1.3环境的功能特性1.2环境问题及其实质1.2.1环境问题的定义及分类1.2.2环境问题的性质与实质2第二节大气环境的组成2.1大气的成分2.1.1主要成分2.1.2微量成分2.1.3痕量成分2.2大气成分的时空变化2.2.1随高度的变化2.2.2随纬度和季节的变化2.3大气圈的结构3第三节大气环境与人类3.1大气成分与人类3.2人类活动与大气3.3天气、气候与人类4第四节大气污染与全球大气环境问题4.1大气（空气）污染4.1.1大气污染4.1.2影响大气污染的气象因素4.1.3大气污染对气候的影响4.2全球变暖问题4.2.1近百年来的全球气候变化趋势4.2.2全球变暖的形成机制4.2.3全球变暖对人类的影响4.2.4控制全球变暖的综合对策5目录第四节大气污染与全球大气环境问题4.3臭氧层破坏与保护4.3.1臭氧层破坏对人类的影响4.3.2保护臭氧层的国际行动4.4酸雨与防治对策4.4.1酸雨的形成与发展趋势4.4.2酸雨的危害4.4.3防治酸雨的基本对策6人类的环境自然环境人工环境z物质：空气、水、岩石、土壤、动物、植物、微生物z能量：气温、阳光、引力、土磁力z自然现象：太阳的稳定性、地壳稳定性（构造运动、地震、火山暴发）、大气运动、水分消耗、水土演变等z人工构筑物、人工产品和能量、科学技术、综合生产力、政治体制、社会行为、宗教信仰，文化与地域因素等自然环境就是“直接或间接影响到人类的一切自然形成的物质、能量和自然现象的总体”人工环境指由于人类的活动而形成的环境要素。

包括由人工形成的物质、能量和产品，以及人类活动中所形成的人与人之间的关系或称上层建筑。

8构成环境整体各个独立的、性质不同、而又服从整体演化规律的基本物质组分，称之为环境要素（环境基质）。

环境要素组成环境结构单元，环境结构单元又组成环境整体或环境系统。

例如地球表层：由水组成水体，全部水体总称为水圈；由大气组成大气层，整个大气层称为大气圈；由生物个体组成生物群落，全部生物群落构成生物圈，等等。

9如果从引起环境问题的根源考虑，可将环境问题分为两类。

纯粹由自然力引起的为原生环境问题，又称第一环境问题，它主要是指地震、洪涝、干旱、滑坡等自然灾害问题。

由人类活动引起的为次生环境问题，也叫第二环境问题，它又可分为环境污染和生态环境破坏两类。

一般认为，由于人为的因素，环境的化学组成或物理状态发生了变化，与原来的情况相比，环境质量恶化，扰乱和破坏了生态系统和人们正常的生产和生活条件，就叫做“环境污染”。

具体说来，环境污染是指有害的物质，主要是工业的“三废”（废气，废水和废渣）对大气、水体、土壤和生物的污染。

环境污染包括大气污染、水体污染、土壤污染、生物污染等由物质引起的污染和噪声污染、热污染、放射性污染或电磁辐射污染等由物理性因素引起的污染。

15需要注意的是，原生环境问题与次生环境问题往往难以截然分开，它们常常相互影响、相互作用。

例如，人们为了获取食物而大肆毁林垦荒、草原过度放牧而造成植被破坏，从而为水或风对土壤的破坏活动提供了条件，在自然营力的作用下造成了水土流失或土地沙化，由于水土流失或土地沙化导致土壤肥力下降，人们为了补充食物的不足又进行新的植被破坏，从而引发新一轮自然灾害和生态环境破坏。

164)环境问题的第四种属性是可控性，也就是通过教育，提高人们的环境意识，充分发挥人的智慧和创造力，借助法律的、经济的和技术的手段，实现把环境问题控制在影响最小的范围内。

显然，环境问题的实质，就是经济问题和社会问题，是人类自然的、而且是自觉的建设人类文明的问题。

当代人类面临的环境污染，以及自然资源的不合理开发利用造成森林破坏、水土流失加剧和资源枯竭，都是人类经济活动的直接或间接结果；而环境污染和生态破坏的治理与控制，又必须要有相当强的经济实力。

这就是环境问题的实质所在。

1819大气圈是包围地球的气体圈层。

大气圈层的出现，成为生物免受来自太阳的有害辐射的不可缺少的保护层，而且大气中的许多气体满足了生物圈中动植物维持生命的需要。

同时，大气本身的运动、大气中物质和能量的传输，还直接导致了气象要素（气温、降水等）的不同组合和时空变化，直接影响了地球气候的形成和分异。

大气圈与地球上的一切生命息息相关。

现代地球大气是距今3.5亿年前，当大量植物在陆地上出现时，逐渐演变而成的二次大气。

大气成分在地气辐射收支中起着重要作用，大气成分的变化是引起地球系统全球变化的重要因素。

第二节大气环境的组成目前，人们关心最多的是含量较少的微量和痕量成分，如CO2、O3、N2O、水汽以及气溶胶等。

主要是这些气体尽管它们的浓度很低，但它们在大气中的浓度均有较大的时空变化，对地气系统热量的收支、大气温度的垂直结构变化以及人类活动有着显著的影响。

CO2是大气中的可变成分之一。

它主要来自火山喷发、动植物的呼吸以及人类活动等。

CO2是大气最主要的微量成分，对太阳辐射的吸收很少，但它能强烈吸收地面长波辐射，从而使低层大气变暖；同时，它能向周围及地面放射长波辐射，对大气和地表温度有明显的“温室”作用。

近几十年来，CO2的温室效应及其对当代气候的影响，已引起人们的高度重视。

22对大气辐射收支的影响主要表现在两方面：CO2一方面，CO的增加将导致平流层放射更多的长2波辐射，从而引起平流层的冷却；另一方面，将吸收更多的地面长波辐射，同时吸收能量的一部分又重新辐射回地面，从而引起对流层和地面温度的升高。

模拟结果表明CO加倍后将引起平流层温度降低2的最大值为-12.6℃，对流层与地面温度可升高1.35℃。

23O是大气重要的可变成分和微量成分之一。

主要是由3于氧分子在太阳辐射下，通过光化学作用，分解为氧原子后再与另外的氧分子结合而形成。

臭氧能强烈地吸收太阳紫外辐射（几乎能吸收0.2-0.3μm波段的全部太阳紫外辐射），使大气温度升高。

在大气温度的垂直结构上，平流层形成了一个暖区；同时，使地面上的生物能够免受过多的太阳紫外辐射的伤害，而穿透大气层到达地表的少量紫外辐射，对人类和大部分地表生物是有益的，对生物圈起着保护作用，故平流层臭氧被称为地面生物的“保护神”。

臭氧还能够强烈地吸收波长为0.96μm附近的红外辐射，因此是一种非常重要的温室气体，如果对流层臭氧增加，将会使地表温度升高。

ȿ24南极臭氧洞指的是南极春天（每年10月），南极大陆上空气柱臭氧总量剧下降，形成一个面积与极地涡漩相当的气柱臭氧总量很低的地区。

臭氧洞有两层含义：一是从空间分布的角度来看，随着纬度增加气柱臭氧总量逐渐增加，在南极环极涡漩外围形成臭氧含量极大值，进入环极涡游后，气柱臭氧总量突然大幅度下降，形成低值区；二是，从时间角度看，9月到10月南极地区气柱臭氧总量突然大幅度下降，形成季节变化中的谷。

10月份南极的臭氧均值已从1979年的290减少到1985年的170左右，南极上空的臭氧层已是极其稀薄，与周围相比，好像形成了一个“洞”。

美国宇航局于1998年10月发表的报告说，1998年南极洲上空臭氧洞的面积已达2.72x107km2，比整个北美洲面积还要大，臭氧洞已切人平流层几乎达到24km，中心部分已无臭氧。

25水汽大气中水汽的含量极少，只占全球淡水总量的0.035%，且时空分布极不均匀，主要集中在大气的低层，以夏季和低纬地区（热带沙漠地区除外）最多。

冬季北极地区一定体积的干冷空气中，水汽含量几乎为零，而湿润的赤道地区的空气中，水汽含量可达4%-5%。

大气中水汽含量虽然不多，但它在天气和气候的形成和演变中担当着非常重要的角色，对大气中物质、能量的传输以及天气、气候的形成具有非常重要的影响。

作为一种特殊物质，在大气温度变化的时候，水汽可以变为水滴和冰晶，成云致雨、落雪降雹，出现常见天气现象，并通过水相变和水循环、以及伴随的潜热转换，把大气圈、生物圈和地球表面紧密地联系起来。

此外，水汽也能强烈地吸收地面辐射，同时它又向周围空气和地面放射长波辐射，在水相变化中又能吸收或放出热量，这些都对地面和空气的温度产生影响。

26污染气体由于工业、交通业的发展，以及对废气排放不加以处理等的情况下，空气中增加了许多有害气体，称为污染气体。

主要有二氧化硫（SO）、一氧化2碳（C0）、硫化氢（HS）、氟化氢、氮氧化物、氨等2上千种。

这在工业和交通发达的城市尤为严重，它们的含量虽微，却对人类健康和生存环境带来严重危害。

27气溶胶大气中均匀分布的相当数量的固体微粒和液体微滴，如海盐粉粒、灰尘（特别是硅酸盐）、烟尘和有机物等多种物质所构成的稳定混合物，统称为大气气溶胶。

气溶胶的产生，除了火山爆发、流星燃烧、森林火灾、海浪飞沫、风尘、植物花粉传播等自然原因外，更重要的是由于人类活动，如工业生产、生活燃烧以及各种交通工具排放的烟雾粉尘等。

化石燃料燃烧，在向大气中释放大量CO2时，也释放出大量的硫化物，造成对流层人为硫酸盐气溶胶的增加。

同时，生物体的燃烧也是对流层气溶胶增加的另一个来源。

对流层气溶胶的气候效应取决于它们的浓度、形状、化学组成、光学特性以及它们的时空变化。

平流层火山气溶胶的变化是造成年际和十年间地面平均气温变化的主要原因。

28气溶胶主要集中在大气底层，成为水汽的凝结核，对云、雾、降水等形成起重要作用。

它的存在，对天气和气候产生重要的影响，最直接的后果是降低了大气透明度，削弱了到达地表的太阳辐射，降低了大气温度。

有研究表明，气溶胶对天气和气候的影响，随浓度的变化而有所不同。

对天气而言，浓度较低的气溶胶，使大气层结构朝不稳定方向发展，易产生云雨天气；而浓度高的气溶胶，在夜间可使大气朝不稳定方向发展，在白天却使大气朝稳定方向发展。

对气候而言，当气溶胶浓度较低时，一年四季气溶胶层都相当于一个冷源；浓度较高时，在冬季相当于冷源，而在夏季则相当于热源。

29气溶胶对全球尺度辐射收支的影响，至今还没有比较明确的结论。

一方面，因为气溶胶本身的空间分布、时间变率和寿命都比微量气体复杂得多，另一方面，它对辐射传输过程的影响也不像气体成分那么简单。

它对辐射传输过程的影响，不仅取决于气溶胶本身的物理化学特性（如粒径、粒子形状、浓度及化学组成等），还取决于边界条件（如下垫面的光学特性和热力学特性）及气溶胶所在的位置。

气溶胶浓度增加可能使地表和低层大气增温，但也有可能使地表和低层大气降温，这取决于气溶胶本身光学特性、气溶胶增加量、所在位置、下垫面的特性等因素。

302.2时空变化大气成分由地表排放到大气中后，便随着大气不停地在三维空间运动。

一些快速反应化学活性成分可能在离源区不远的地方就已转化为其他成分，它们的浓度分布主要取决于地表源的分布和化学转化率；而一些反应速度慢或化学稳定的成分，都可能在区域和全球范围输送，它们的浓度分布与区域和全球尺度的大气运动密切相关。