大气组分与分层结构

按各组分在大气过程中的作用，现代大气可分为干洁大气、水汽和气溶胶颗粒三部分。干洁大气是除水汽以外大气中的其他气体成分，主要由氮气（N2）、氧气（O2）、氩（Ar）、二氧化碳（CO2）、微量气体（浓度在1～20ppm的气体）和痕量气体（浓度小于1ppm的气体）组成。其中，氮气占大气总体积的78.084%，氧气占20.946%，氩占0.934%，二氧化碳占0.039%。

标准大气模式是在一系列假设前提下定义一定高度上大气温度、密度、压强和其他属性的模型，是真实大气情况的简化。US62标准大气模式是最为常用的标准大气模式之一，它假设海平面处的大气压为101325Pa，大气温度为15℃，大气密度为1.2250kg/m3，重力加速度为9.80665m/s²，大气气体常数为8.31432J/kg/K。一般按照距地表的高度差异，可将大气层分为底层（lower）、中层（middle）和高层（upper）。受万有引力的影响，底层大气具有较高的浓度。随着高度的增加，高层大气逐渐稀薄。另外，根据大气温度的垂直变化特征，也可对大气进行分层。以US62标准大气模型为例，根据大气温度递减率的变化，垂直大气分为对流层（troposphere）、平流层（stratosphere）、中间层（mesosphere）、热层（thermosphere）和外逸层（exosphere）。

对流层紧挨地表，向上延伸的高度与纬度有关。随着纬度的增加，对流层高度逐渐降低。其中，低纬度地区对流层高度为16～18km，中纬度地区为10～12km，高纬度地区仅为7～9km。对流层内的大气温度随高度增大而减小，平均大气垂直递减率为6Kkm，即通常所说的海拔每增加100m温度降低0.6℃。对流层中集聚了75%的干洁大气、99%的大气水汽和绝大多数气溶胶颗粒，是凝云成雨、主导天气变化的主要场所。在对流层底部，可形成积云、层积云、层云和雨层云，中部可形成高积云和高层云，上部可形成卷积云、卷层云和卷云。此外，整个对流层内都可能形成积雨云，一直延伸到平流层内。

从对流层顶向上50～55km为平流层。平流层下部紧邻对流层，温度变化不大，上部则受到臭氧层吸收紫外线的影响，温度随高度增大而增加，出现逆温层。由于平流层下部温度变化不大，层内大气垂直对流小，以水平运动为主。平流层内大气水汽含量较低，但其作用不可忽视。平流层内大气水汽的变化被认为是主导近十年来全球增温放缓的决定性因素。由于水汽的存在，平流层下边界与对流层连接处可形成积雨云。

对流层和平流层大气水汽是遥感反演大气水汽的主要对象。为赤道附近1月和7月的平均大气水汽垂直分布图。高空部分的大气水汽数据来源于SAGE-II（Stratospheric Aerosol and Gas Experiment）遥感反演，低空部分数据来源于无线电探空仪，两种数据重叠部分的差异可能与无线电探空仪的高估有关。

可以看出，大气水汽含量在0～5km范围内随高度的增大急剧减少，高度大于5km时大气水汽含量基本保持不变。相对于对流层，平流层大气水汽在垂直方向的分布较为稳定。在平流层底部，大气水汽含量随高度的增加而减少，低纬度地区更为明显。在80mb高度，大气水汽含量降至最小值，随后随高度的增加而缓慢增加。平流层以上随高度的增加依次为中间层、热层和外逸层。中间层位于平流层层顶至大约85km高处。层内温度变化与对流层一致，随着高度的增大而减小。尽管中间层的大气水汽含量微乎其微，但其下边界处仍能形成一种特殊的夜光云。热层始于中间层层顶，其上边界可延伸至500km高度。受臭氧层吸收紫外线的影响，热层温度随高度的增加而显著上升，至200km处温度上升速率降低，400km处温度基本保持不变，可达1500K。外逸层在热层之外，层内大气极度稀薄，粒子运动速度快，彼此之间约束力小，能够脱离地球的引力逃逸到外太空，因此称为外逸层。在整层大气中，中间层、热层和外逸层大气水汽含量总和不足1%。