低层大气

海拔在25千米以下的地球大气层

低层大气（lower atmosphere）指的是海拔在25千米以下的地球大气层。包括对流层和平流层中下部。低层大气所含空气占整个地球大气层超过百分之80以上，对天气和气候有直接的影响。

特征

低层大气（lower atmosphere）所含空气占整个地球大气层超过百分之80以上，对于天气和气候有直接的影响。由干洁空气、水汽和杂质三部分组成。

直接热源

对低层大气而言，太阳辐射几乎不能被它吸收，它的主要直接热源是地面辐射。

此外，地面热量输送到大气层中的方式还有两种：潜热输送和湍流输送。太阳高度角是我们观察太阳时的仰角，也就是太阳光线与地面之间的夹角。由于地球的自转，造成太阳东升西落，太阳高度角在一日内不断发生变化.太阳高度指太阳光线与地平面之间的夹角，即太阳在当地的仰角.其实太阳高度和太阳高度角是一样的高层大气的3个主要热源，即太阳紫外辐射、磁层电磁扰动引起的电流焦耳热和粒子注入碰撞加热。平流层是由于臭氧吸收了200-320nm的阳光紫外辐射而得以加热的，臭氧是其主要的热源。

光学厚度

低层大气光学厚度的垂直分布是大气光学模式的重要组成部分，对它的测定不仅为大气辐射传输研究和通过大气进行的各种光学测量处理所必需，并且对确定水平和斜视能见度、大气浑浊度、以及大气污染扩散等都具有直接意义。

低层大气的光学厚度主要取决于气溶胶含量，这是随天气形势、大气状态、地理条件、下垫面状况，以及季节和昼夜发生剧烈变化的要素。探测方法有：探明灯、太阳辐射计和曙暮光，另外还有大气光学特性的激光探测方法。激光探测方法更为灵敏，可以获得低层大气的距离分辨资料，有利于揭示低层大气光学特性分布和演变的特征，分析各层之间的相互关系。

低层大气光学厚度的特征：

（1）低层大气的光学厚度与气团属性有很密切的关系；

（2）在白天，随对流发展，气溶胶由下向上输送的高度可超过3公里，最大输送在2公里以下；

（3）消光系数的垂直结构具有明显日变化；

（4）光学厚度与地面水平能见度不呈简单的对应关系。

组成及变化

低层大气的组成成分

1、干洁空气

（1）主要成分

N2：生物体的基本成分；

O2：一切生物维持生命活动必须的物质；

（2）微量成分

CO2：绿色植物光合作用的基本原料，对地面保温；

O3：吸收紫外线，保护地球上的生物免受过多紫外线的伤害；

2、水汽：天气变化的重要角色；

3、固体杂质：作为凝结核，是成云致雨的必要条件。

低层大气的组成成分含量变化

1、N2,O2含量基本不变

2、CO2含量增加

原因：（1）燃烧矿物燃料向大气中排放大量的CO2；（2）毁林，特别是热带雨林的破坏，使森林吸收和固定的二氧化碳迅速减少。

后果：（1）海平面上升；（2）引起世界各地降水和干湿状况的变化。

3、O3含量减少

原因：人类使用消耗臭氧的物质，释放大量氟氯烃化合物。

后果：使到达地面的紫外线辐射增加，直接危害人体健康，还对生态环境和农林牧渔业造成破坏。

水分探测

2006年夏天首次使用多普勒天气雷达探测低层大气中的水汽。低层大气中的水汽资料有助于预报人员确定几分到若干小时后将要来临的暴风雨的落点与落时。研究人员测量由折射引起的雷达信号的速度的变化，这种变化能揭示大气水分存在与否。如果该试验取得成功，几年内折射技术可能会加入美国国家天气局的国家多普勒雷达网。

水汽的显著差异有利于强风暴生成，但这类显著差异所在位置在风暴发展之前很难确定。美国国

家天气局的雷达测量降雨和风，不测量水汽。而且气象站和探测气球水汽测量的空间间隔在80-160km以上。事实上，没有常规低层大气水汽测量。气象人员用多普勒雷达跟踪风暴时一般是探测发射到雨滴、雹块或雪花上再反射回来信号。这种返回信号的强度反映降雨、冰雹和雪的强度，而信号频率的变化包含着风的信息。在期间，研究人员增加了一种要素——雷达信号的速度。他们使用固定目标，例如输电线和导弹发射井来确定由水汽引起的雷达信号的加速与减速的幅度。研究人员将得到的折射率资料填在图上，就能确定水汽的位置。REFRACTT

REFRACTT的研究思路由在NCAR作访问学者的Mc Gill大学的Fredic Fabry提出.丹佛气象局的预报员已经使用了REFRACTT资料监测科罗拉多东北部的龙卷风。丹佛气象局的首席专家Larry Mooney指出：低层大气中的水汽是产生各种天气的关键因素，尤其是在夏季。REFRACTT首席科学家Rati Roberts指出,没有人得到过分辨率如此高的水汽资料,相信这些资料对暴雨预报会有极大帮助。

低层大气臭氧

低层大气臭氧是全世界最糟糕的空气污染物之一。据《观察家报》报道，低层大气臭氧的含量正以令人担忧的速度在增加。除了是造成全球变暖的一个重要罪魁祸首，低层大气臭氧还会引发的呼吸道疾病，每年可导致数百人死亡。

低层大气臭氧污染主要是指汽车尾气等排放到空气中的污染物质在光照下发生反应形成的光化学烟雾。与同温层中帮助地球抵挡紫外线辐射的臭氧不同，低层大气层中的臭氧会给人类和动植物带来危害。英国的研究人员警告说，由于遏制此类臭氧的举措没有成效，英国每年因此死亡的人数大约在1500人左右，未来10年还可能增加50%。他们强调，应该制定更强有力的国际协议来应对这一威胁。

“需要加强对（低层大气）臭氧的关注，不仅仅是将其作为全球变暖的一个诱因，还要把它看作对人类健康和环境的直接威胁。”利兹大学教授皮尔斯?福斯特（PiersFoster）说，“它可能给地球带来重大影响。”

欧盟委员会已经提出了很多减少低层大气臭氧污染的措施，主要是确保在车辆上安装三元催化器，这大大减少了欧洲的低层大气臭氧污染。

“问题在于，低层大气臭氧的产生是通过地区法律法规加以控制的，”英国生态和水文学中心教授、英国皇家协会臭氧工作组负责人大卫?福勒（DavidFowler）说，“天气系统和急流（注：位于对流层上层或平流层中的强而窄的气流）会将此类臭氧及其它污染物从很远的地方传送过来。此外，海运业也是一个主要的制造者。”

“因此，你可以采用各种措施遏制地区排放，但来自海洋和其他国家的（低层大气）臭氧和氮氧化物会使这些努力大打折扣。除非我们形成一个国际协议综合网络，否则我们永远无法避免这个问题。但还没有任何努力去促成这些（协议）。”福勒说。

日益严重的低层大气臭氧污染令人担忧，因为此类臭氧是除二氧化碳和甲烷以外造成全球变暖的第三大元凶。它还会危害人体健康，引起肺部组织受损。2003年，英国有1500多人死于低层大气臭氧污染问题，其中大部分是儿童和老年人，预计到2020年死亡人数每年将多达2400人。

此外，低层大气臭氧还会严重损害生态环境。臭氧通过叶片上的呼吸孔进入植物内部，破坏它们的光合作用能力，影响植物发育。据估计，2000年，低层大气臭氧给欧洲农作物造成的损失达50亿英镑，并且这一数字还在逐年上升。

更糟糕的是，受损的树木和植被无法吸收二氧化碳，因此，臭氧对气候的影响是双重的：它不但引起气温升高，还阻碍了地球应对其它温室气体的能力。

O3和NO2分布

以天津市为例：

天津市近地层φ（3）分布具有明显的日变化和垂直分布特征，昼夜差异显著；一般情况下，φ（O3）日均值在220 m高度处最大,120 m处次之,40 m处最小；φ（O3）与温度和风速呈正相关，而与相对湿度呈负相关。φ（NO2）日变化多为双峰型，白天较低；φ（NO2）垂直差异较小，夜间稳定层使NO2产生局地积累，低层大于高层；φ（NO2）与温度和风速呈负相关，与相对湿度的关系比较复杂，白天呈正相关，夜间呈负相关。

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