低層大氣（lower atmosphere）指的是海拔在25千米以下的地球大氣層。包括對流層和平流層中下部。低層大氣所含空氣占整個地球大氣層超過百分之80以上，對天氣和氣候有直接的影響。
基本介紹
- 中文名：低層大氣
- 外文名：The lower atmosphere
- 定義：海拔在25千米以下的地球大氣層
- 範圍：包括對流層和平流層中下部
特徵,直接熱源,光學厚度,組成及變化,水分探測,低層大氣臭氧,O3和NO2分布,
特徵
直接熱源
對低層大氣而言，太陽輻射幾乎不能被它吸收，它的主要直接熱源是地面輻射。
此外，地面熱量輸送到大氣層中的方式還有兩種：潛熱輸送和湍流輸送。太陽高度角是我們觀察太陽時的仰角，也就是太陽光線與地面之間的夾角。由於地球的自轉，造成太陽東升西落，太陽高度角在一日內不斷發生變化.太陽高度指太陽光線與地平面之間的夾角，即太陽在當地的仰角.其實太陽高度和太陽高度角是一樣的目前高層大氣的3個主要熱源，即太陽紫外輻射、磁層電磁擾動引起的電流焦耳熱和粒子注入碰撞加熱。平流層是由於臭氧吸收了200-320nm的陽光紫外輻射而得以加熱的，臭氧是其主要的熱源。
光學厚度
低層大氣光學厚度的垂直分布是大氣光學模式的重要組成部分，對它的測定不僅為大氣輻射傳輸研究和通過大氣進行的各種光學測量處理所必需，並且對確定水平和斜視能見度、大氣渾濁度、以及大氣污染擴散等都具有直接意義。
低層大氣的光學厚度主要取決於氣溶膠含量，這是隨天氣形勢、大氣狀態、地理條件、下墊面狀況，以及季節和晝夜發生劇烈變化的要素。探測方法有：探明燈、太陽輻射計和曙暮光，另外還有大氣光學特性的雷射探測方法。雷射探測方法更為靈敏，可以獲得低層大氣的距離分辨資料，有利於揭示低層大氣光學特性分布和演變的特徵，分析各層之間的相互關係。
低層大氣光學厚度的特徵：
（1）低層大氣的光學厚度與氣團屬性有很密切的關係；
（2）在白天，隨對流發展，氣溶膠由下向上輸送的高度可超過3公里，最大輸送在2公里以下；
（3）消光係數的垂直結構具有明顯日變化；
（4）光學厚度與地面水平能見度不呈簡單的對應關係。
組成及變化
低層大氣的組成成分
1、乾潔空氣
（1）主要成分
N2：生物體的基本成分；
O2：一切生物維持生命活動必須的物質；
（2）微量成分
CO2：綠色植物光合作用的基本原料，對地面保溫；
O3：吸收紫外線，保護地球上的生物免受過多紫外線的傷害；
2、水汽：天氣變化的重要角色；
3、固體雜質：作為凝結核，是成雲致雨的必要條件。
低層大氣的組成成分含量變化
1、N2,O2含量基本不變
2、CO2含量增加
原因：（1）燃燒礦物燃料向大氣中排放大量的CO2；（2）毀林，特別是熱帶雨林的破壞，使森林吸收和固定的二氧化碳迅速減少。
後果：（1）海平面上升；（2）引起世界各地降水和乾濕狀況的變化。
3、O3含量減少
原因：人類使用消耗臭氧的物質，釋放大量氟氯烴化合物。
後果：使到達地面的紫外線輻射增加，直接危害人體健康，還對生態環境和農林牧漁業造成破壞。
水分探測
2006年夏天首次使用都卜勒天氣雷達探測低層大氣中的水汽。低層大氣中的水汽資料有助於預報人員確定幾分到若干小時後將要來臨的暴風雨的落點與落時。研究人員測量由折射引起的雷達信號的速度的變化 ，這種變化能揭示大氣水分存在與否。如果該試驗取得成功，幾年內折射技術可能會加入美國國家天氣局的國家都卜勒雷達網。
水汽的顯著差異有利於強風暴生成，但這類顯著差異所在位置在風暴發展之前很難確定。目前美國國
家天氣局的雷達測量降雨和風，不測量水汽。而且氣象站和探測氣球水汽測量的空間間隔在80-160km以上。事實上，目前沒有常規低層大氣水汽測量。氣象人員用都卜勒雷達跟蹤風暴時一般是探測發射到雨滴、雹塊或雪花上再反射回來信號。這種返回信號的強度反映降雨、冰雹和雪的強度，而信號頻率的變化包含著風的信息。在期間，研究人員增加了一種要素——雷達信號的速度。他們使用固定目標，例如輸電線和飛彈發射井來確定由水汽引起的雷達信號的加速與減速的幅度。研究人員將得到的折射率資料填在圖上，就能確定水汽的位置。REFRACTT
家天氣局的雷達測量降雨和風，不測量水汽。而且氣象站和探測氣球水汽測量的空間間隔在80-160km以上。事實上，目前沒有常規低層大氣水汽測量。氣象人員用都卜勒雷達跟蹤風暴時一般是探測發射到雨滴、雹塊或雪花上再反射回來信號。這種返回信號的強度反映降雨、冰雹和雪的強度，而信號頻率的變化包含著風的信息。在期間，研究人員增加了一種要素——雷達信號的速度。他們使用固定目標，例如輸電線和飛彈發射井來確定由水汽引起的雷達信號的加速與減速的幅度。研究人員將得到的折射率資料填在圖上，就能確定水汽的位置。REFRACTT
REFRACTT的研究思路由在NCAR作訪問學者的Mc Gill大學的Fredic Fabry提出.丹佛氣象局的預報員已經使用了REFRACTT資料監測科羅拉多東北部的龍捲風。丹佛氣象局的首席專家Larry Mooney指出：低層大氣中的水汽是產生各種天氣的關鍵因素，尤其是在夏季。REFRACTT首席科學家Rati Roberts指出,沒有人得到過解析度如此高的水汽資料,相信這些資料對暴雨預報會有極大幫助。
低層大氣臭氧
低層大氣臭氧是全世界最糟糕的空氣污染物之一。據《觀察家報》報導，低層大氣臭氧的含量正以令人擔憂的速度在增加。除了是造成全球變暖的一個重要罪魁禍首，低層大氣臭氧還會引發的呼吸道疾病，每年可導致數百人死亡。
低層大氣臭氧污染主要是指汽車尾氣等排放到空氣中的污染物質在光照下發生反應形成的光化學煙霧。與同溫層中幫助地球抵擋紫外線輻射的臭氧不同，低層大氣層中的臭氧會給人類和動植物帶來危害。英國的研究人員警告說，由於遏制此類臭氧的舉措沒有成效，英國每年因此死亡的人數大約在1500人左右，未來10年還可能增加50%。他們強調，應該制定更強有力的國際協定來應對這一威脅。
“需要加強對（低層大氣）臭氧的關注，不僅僅是將其作為全球變暖的一個誘因，還要把它看作對人類健康和環境的直接威脅。”利茲大學教授皮爾斯?福斯特（PiersFoster）說，“它可能給地球帶來重大影響。”
歐盟委員會已經提出了很多減少低層大氣臭氧污染的措施，主要是確保在車輛上安裝三元催化器，這大大減少了歐洲的低層大氣臭氧污染。
“問題在於，低層大氣臭氧的產生是通過地區法律法規加以控制的，”英國生態和水文學中心教授、英國皇家協會臭氧工作組負責人大衛?福勒（DavidFowler）說，“天氣系統和急流（註：位於對流層上層或平流層中的強而窄的氣流）會將此類臭氧及其它污染物從很遠的地方傳送過來。此外，海運業也是一個主要的製造者。”
“因此，你可以採用各種措施遏制地區排放，但來自海洋和其他國家的（低層大氣）臭氧和氮氧化物會使這些努力大打折扣。除非我們形成一個國際協定綜合網路，否則我們永遠無法避免這個問題。但目前還沒有任何努力去促成這些（協定）。”福勒說。
日益嚴重的低層大氣臭氧污染令人擔憂，因為此類臭氧是除二氧化碳和甲烷以外造成全球變暖的第三大元兇。它還會危害人體健康，引起肺部組織受損。2003年，英國有1500多人死於低層大氣臭氧污染問題，其中大部分是兒童和老年人，預計到2020年死亡人數每年將多達2400人。
此外，低層大氣臭氧還會嚴重損害生態環境。臭氧通過葉片上的呼吸孔進入植物內部，破壞它們的光合作用能力，影響植物發育。據估計，2000年，低層大氣臭氧給歐洲農作物造成的損失達50億英鎊，並且這一數字還在逐年上升。
更糟糕的是，受損的樹木和植被無法吸收二氧化碳，因此，臭氧對氣候的影響是雙重的：它不但引起氣溫升高，還阻礙了地球應對其它溫室氣體的能力。
歐盟委員會已經提出了很多減少低層大氣臭氧污染的措施，主要是確保在車輛上安裝三元催化器，這大大減少了歐洲的低層大氣臭氧污染。
“問題在於，低層大氣臭氧的產生是通過地區法律法規加以控制的，”英國生態和水文學中心教授、英國皇家協會臭氧工作組負責人大衛?福勒（DavidFowler）說，“天氣系統和急流（註：位於對流層上層或平流層中的強而窄的氣流）會將此類臭氧及其它污染物從很遠的地方傳送過來。此外，海運業也是一個主要的製造者。”
“因此，你可以採用各種措施遏制地區排放，但來自海洋和其他國家的（低層大氣）臭氧和氮氧化物會使這些努力大打折扣。除非我們形成一個國際協定綜合網路，否則我們永遠無法避免這個問題。但目前還沒有任何努力去促成這些（協定）。”福勒說。
日益嚴重的低層大氣臭氧污染令人擔憂，因為此類臭氧是除二氧化碳和甲烷以外造成全球變暖的第三大元兇。它還會危害人體健康，引起肺部組織受損。2003年，英國有1500多人死於低層大氣臭氧污染問題，其中大部分是兒童和老年人，預計到2020年死亡人數每年將多達2400人。
此外，低層大氣臭氧還會嚴重損害生態環境。臭氧通過葉片上的呼吸孔進入植物內部，破壞它們的光合作用能力，影響植物發育。據估計，2000年，低層大氣臭氧給歐洲農作物造成的損失達50億英鎊，並且這一數字還在逐年上升。
更糟糕的是，受損的樹木和植被無法吸收二氧化碳，因此，臭氧對氣候的影響是雙重的：它不但引起氣溫升高，還阻礙了地球應對其它溫室氣體的能力。
O3和NO2分布
以天津市為例：
天津市近地層φ（3）分布具有明顯的日變化和垂直分布特徵，晝夜差異顯著；一般情況下，φ（O3）日均值在220 m高度處最大,120 m處次之,40 m處最小；φ（O3）與溫度和風速呈正相關，而與相對濕度呈負相關。φ（NO2）日變化多為雙峰型，白天較低；φ（NO2）垂直差異較小，夜間穩定層使NO2產生局地積累，低層大於高層；φ（NO2）與溫度和風速呈負相關，與相對濕度的關係比較複雜，白天呈正相關，夜間呈負相關。
