对流层--中文百科全书

简介

地球对流层位于大气的最低层，集中了约75%的大气的质量和90%以上的水汽质量。其下界与地面相接，上界高度随地理纬度和季节而变化。它的高度因纬度而不同，在低纬度地区平均高度为17~18公裏，在中纬度地区平均为10~12公裏，极地平均为8~9公裏，并且夏季高于冬季。

对流层从地球表面开始向高空伸展，直至对流层顶，即平流层的起点为止。在高纬度的地区，因为地表的摩擦力会影响气流，形成了一个平均厚2公裏的行星边界层。这一层的形成主要依靠地形而有所不同，而且亦会被逆流层的分隔而与对流层的其他部份分开。

英语裏的对流层一字"Troposphere"的字首，是由希腊语的"Tropos"(意即"旋转"或"混合")引伸而来。正因对流层是大气层中湍流最多的一层，喷射客机大多会飞越此层顶部(即平流层顶)用以避开影响飞行安全的气流。

在宇宙中恆星也有对流层，太阳内部能量向外传播除辐射，还有对流过程。即从太阳0.71个太阳半径向外到达太阳大气层的底部，这一区间叫对流层。这一层气体性质变化很大，很不稳定，形成明显的上下对流运动。这是太阳内部结构的最外层。

逆温现象

对流层中，气温随高度升高而降低，平均每上升100米，气温约降低0.65℃。气温随高度升高而降低是由于对流层大气的主要热源是地面长波辐射，离地面越高，受热越少，气温就越低。但在一定条件下，对流层中也会出现气温随高度增加而上升的现象，称之为"逆温现象"。由于受地表影响较大，气象要素(气温、湿度等)的水準分布不均匀。空气有规则的垂直运动和无规则的乱流混合都相当强烈。上下层水气、尘埃、热量发生交换混合。由于90%以上的水气集中在对流层中，所以云、雾、雨、雪等众多天气现象都发生在对流层。

分层

在对流层内，按气流和天气现象分布的特点又可分为下层、中层和上层。

对流层

(1)下层:下层又称扰动层或摩擦层。其範围一般是自地面到2公裏高度。随季节和昼夜的不同，下层的範围也有一些变动，一般是夏季高于冬季，白天高于夜间。在这层裏气流受地面的摩擦作用的影响较大，湍流交换作用特别强盛，通常，随着高度的增加，风速增大，风向偏转。这层受地面热力作用的影响，气温亦有明显的日变化。由于本层的水汽、尘粒含量较多，因而，低云、雾、浮尘等出现频繁。

(2)中层:中层的底界在摩擦层顶，上层高度约为6公裏。它受地面影响比摩擦层小得多，气流状况基本上可表征整个对流层空气运动的趋势。大气中的云和降水大都产生在这一层内。

(3)上层:上层的範围是从6公裏高度伸展到对流层的顶部。这一层受地面的影响更小，气温常年都在0℃以下，水汽含量较少，各种云都由冰晶和过冷水滴组成。在中纬度和热带地区，这一层中常出现风速等于或大于28米/秒的强风带，即所谓的急流。

此外，在对流层和平流层之间，有一个厚度为数百米到1~2公裏的过渡层，称为对流层顶。这一层的主要特征是，气温随高度而降低的情况有突然变化。其变化的情形有:温度随高度增加而降低很慢，或者几乎为等温。根据这一变化的起始高度确定对流层顶的位置。对流层顶的气温，在低纬地区平均约为-83℃，在高纬地区约为-53℃。对流层顶对垂直气流有很大的阻挡作用，上升的水汽、尘粒多聚集其下，使得那裏的能见度往往较差。

气温变化

对流层气温随高度的变化

对流层，因为其主要热量的直接来源是地面辐射，所以气温随高度升高而降低。青藏高原地区的对流层比相同高度的其它地区温度明显高，就是因为它提高了地面辐射的位置。

对流层随高度变化的普遍规律:高度每上升100米，气温下降0.65℃。

由于气温的这种变化，故形成空气对流运动强烈的特点。

平流层，则因离地面远，地面辐射对其影响可忽略，其热量来自臭氧吸收的太阳紫外辐射。所以下冷上热，大气以水準流动为主。

中间层，又称高空对流层，它也是上冷下热，对流明显。(离臭氧层又远了)

在近地面，气温高的地方空气呈上升运动，而气温低的地方空气呈下沉运动，从而形成了空气的对流。对流层气温下面高，上面低，容易发生空气对流。显着的对流运动和充足的水汽，使对流层的天气现象复杂多变，云，雨，雪，雷电等主要的天气现象都发生在这一层。对流层的各种天气变化影响着生物的生存和行为，对流层是大气层中与人们生活和生产关系最密切的一层。

大气环流

大规模的大气环流，其基本结构大致上都维持不变。地球上的风带和湍流由三个对流环流(三圈环流)所推动:哈得莱(低纬度)环流、费雷尔(中纬度)环流、以及极地环流。这三个对流环流带领盛行风及由赤道传递热能到极地方向。

因为对流运动显着，而且富含水汽和杂质，所以天气现象复杂多变。如雾、雨、雪等与水的相变有关的都集中在本层。

区分

对流层内的区分

虽然位于对流层下层的大气会与地表产生摩擦，但上层的空气却没有受这种摩擦力所影响。所以在对流层上层及下层的天气现象都会有所不同。基于这种现象的差别，对流层会再被分开三层。从海平面0米至100米的地方是接地层、从100米至1公裏的是艾克曼层及从1公裏至对流层顶的11公裏处则称为自由大气。接地层会受到与地面的摩擦比较大，所以其大气的运动及喘流甚为不规则且较为活跃。艾克曼层则会受到科裏奥利力、气压倾度力和与地面的摩擦力这三道力量摩合而运动。至于自由大气故名思意，它不受地面的摩擦力所影响，大气处于一个自由运动的状态之中。

自由大气的上层部份，即对流层的上部会有急流流动着。其高度大约于离地面11公裏附近，是风速最高的地方。如在日本上空流动的西风带亦是位于离地11公裏的高度附近，且风速最高。虽然急流可说是于对流层内，作水準方向的大气运动之中最大规模的一种，但在垂直方向的大气运动中也属于大规模。又例如在热带地区热空气上升，到达亚热带高压带下降的哈得莱环流之类的大气环流就是其中一个例子。这样地在对流层裏不断地出现作水準及垂直方向的大气运动，自由大气就是这类大气运动繁盛的一层。

物质组成

对流层蕴含以下成份:

氮 (N2)

氧 (O2)

二氧化碳(CO2)

甲烷(CH4)

一氧化二氮 (N2O)

一氧化碳(CO)

臭氧 (O3)

硫酸 (SO4)

二氧化氮 (NO2)

氢氧根 (OH-)

传播方式

对流层传播方式

不包括云和降水的影响。

对流层中主要的传播方式或效应有:大气折射、波导传播、对流层散射、多径传播、大气吸收，以及水汽凝结体和其他大气微粒的吸收和散射。

对流层传播除可按传播方式分类外，也可按传播範围和频段分类。按传播範围分，有视距传播、超视距传播和地空传播等。地空传播也可归入视距传播。视距传播的基本方式是直射传播，但受对流层和地面的复杂影响。超视距对流层传播的常见方式是对流层散射，有时也可能是波导传播。按频段来分，有超短波传播、微波传播、毫米波与亚毫米波传播和光波传播等。超短波和较长的微波可作视距传播，也可作超视距传播。10吉赫以上频段的无线电波和光波，一般都只限于视距传播。

对流层传播研究的发展与通信的关系十分密切。第二次世界大战后，由于远距离、高质量的多路通信的需要，促成了对流层散射传播机製的发现。这一发现不仅导致了对流层散射通信的出现，而且导致了电离层散射通信和流星余迹通信的出现。卫星通信的出现及其进一步发展的需要，促进了地空传播方面特别是在10吉赫以上频段的研究。由于对流层传播与对流层特徵紧密相关，对流层传播研究与对流层探测技术也互相促进。许多技术用于对流层折射率和云雾降水的巨观结构和微观结构的探测,促进了对流层传播研究;有关对流层结构与所产生的信号特徵之间的联系方面的传播研究结果，也为有关无线电探测手段的产生和完善提供了探测基础。精密雷达都採用对流层传播方式，特别是视距传播方式。尤其在微波和更高频段，雷达与目标之间的对流层效应是突出的传播问题。微波和毫米波遥感也直接或间接地利用大气吸收和云雾衰减效应。

云和降水的影响

现代对流层传播的研究，主要集中于10吉赫以上频段的电波传播问题、广播和移动通信中的传播问题以及多径效应等。毫米波在实用上具有突出的优点(见10 GHz 以上电波传播),因此对流层传播研究正向毫米波方向扩展。

对流层散射传播是对流层散射通信的技术基础。利用对流层散射传播机理设计的对流层散射传输系统，可以实现超视距传输;同时具有适中的传输容量、传输性能和可靠度，以及特别强的抗核爆能力。对流层散射传输系统因为有其特别属性，在多种多样的传输系统之中，特别是在各种无线传输系统之中，始终佔据不可替代的特定位置。

中国在20世纪50年代开始对流层散射传播机理研究，上世纪，60年代开始研製和套用对流层散射通信系统。60年代末到70年代初，本人在从事对流层散射传输系统研製中，曾经与张明高院士合作。具体地说，是根据他关于对流层散射传播理论的研究成果，进行对流层散射传输系统整体设计。70年代初，张明高院士对国内外对流层散射传播的理论研究和实验结果进行了全面的分析和总结，提出了广义散射截面理论模型;并在此理论基础上，对各种传播特徵做了系统的模式研究，提出了一套比较完整的适于我国条件的传输损耗统计预测模式，其后，一直用于国内对流层散射通信系统设计;并且被CCIR(国际无线电咨询委员会，现ITU R)採纳于CCIR238 3报告(超视距无线电中继系统所需传播资料)之中。80年代，CCIR颁布全球对流层散射资料库后，张明高院士据以进行了更为全面、深入的研究，从而提出了全球适用的对流层散射传输损耗统计预测方法，并得到世界各国同行专家公认，替代了国际上沿用20多年的美国NBS(国家标準局)同类方法，形成了CCIR238 6报告(地面超视距系统所需传播资料和预测方法)，并且形成了CCIR617 1建议(超视距无线电中继系统设计所需传播预测技术与资料)。

探测

对对流层无线电气象资料的测量。对流层探测分为折射率测量和水汽凝结物测量两类。前者包括温度、湿度、压强、折射率、湍流和层结等的测量;后者包括云、雾，特别是降水的测量。对流层探测资料是对流层电波传播研究的物理依据。

折射率

折射率常由温度、湿度和压强等测量资料按下式决定

式中N为折射率(N单位);T为温度(K);

为水汽压强(毫巴);P为大气压强(毫巴)。利用折射率仪也可以直接测得折射率。折射率仪有多种，在以圆柱或同轴腔体为敏感元件的折射率仪中,空气折射率N的变化N引起腔体谐振频率Π变化(Π)，其关系为

N=-( Π/Π×10

因此，测量腔体谐振频率的变化，就可以确定折射率的变化。有的折射率仪用空气电容器作为敏感元件。

各地地面折射率、地面以上1公裏以及100米以内的折射率梯度的短期平均值及其分布，一般可利用常规气象台、站的地面温度、湿度、压强记录和探空资料求得。但精细的折射率结构及其变化则需要进行专门测量才能获得。测量有直接测量和遥感两类方法。

①直接测量:将测量仪器放在气象塔、系留气球或飞机上，直接测量仪器所在点的折射率。气象塔可得到连续的、同时的折射率或温度、湿度和压强记录，但受高度和地点的限製;系留气球可对 500米内的折射率结构进行较精细的测量，但只适用于较好的天气;机载折射率仪的测量高度範围较大，能对层结和湍流等进行相当精细的测量，但不能全天候测量。

②遥感:用辐射计、雷射雷达、声雷达或微波雷达遥感测量折射率。辐射计一般通过60吉赫氧辐射带的辐射强度测量而反演大气温度的垂直分布，通过水汽吸收带的太阳辐射衰减或大气亮点温度的测量，以确定水汽密度的高度分布;雷射雷达利用氮气的罗曼后向散射测量温度。这种后向散射强度与散射点的温度有关。如果雷射雷达工作在两个波长上，其中一个有水汽吸收衰减，比较两个波长的回波衰减即可推算出水汽含量。声波对温度和水汽变化的反应比电波灵敏得多，利用单站声波系统可以探测逆温层的强度和位置。无线电声波系统用电波测量声波在空中的传播速度，借以得到温度的高度分布。由于水汽对声波的吸收是频率和湿度的函式，利用多频声波系统就可以测量湿度剖面;微波雷达也能测量层结和湍流结构等。

人们已经测知地面折射率和地面以上 1公裏以内範围的折射率梯度的月平均值全球分布;地面以上100米内的折射率梯度统计分布也已有多种经验模式;在一些地区还较详细地调查了大气层结、波导和小不均匀性。

降水测量

包括降雨测量和降雪测量。测量项目有降雨率或降雪率及其时空变化、降雨或降雪的微观结构(粒子形状、倾角、末速度和滴度分布等)。降雨率测量多用时间解析度相当高的快速回响雨量计或翻斗雨量计进行。气象部门的常规测雨资料经过积分时间修正后，可作为较大範围内的资料，并已提出世界各类雨气候区的参考性降雨率长期分布和有关降雨率时空变化的初步模式。雨滴形状和倾角等可通过照相测量。雨滴一般为扁球状,雨滴越大,则形状越扁。在电波传播研究中，大多採用普鲁帕切-皮特雨滴形状模式。通常,雨滴大小不超过8毫米，对称轴接近垂直线,在风速垂直梯度作用下略有倾斜。

R.耿和G.D.肯泽採用电子装置测量雨滴末速，取得了较好的测量结果。选定滴度的带电水滴在降落中次第通过两个感应圈，在与感应圈连线的真空管栅极先后产生两个势脉沖。根据感应圈距离和两个脉沖的时差即可确定水滴末速。雨滴末速随雨滴增大而增加，起初速率增加较快，待滴度超过2毫米后减缓。

降雨率分布测量方法有多种，包括粉法、过滤纸法、沖击感测法、静电感测法和光学检测法等。粉法和过滤纸法分别根据雨滴在面盘内形成的粉球和在带染料的过滤纸上形成的斑痕大小来确定雨滴大小。沖击感测器一般称雨滴分布仪，它把作用在刚性膜片上的沖量或沖水变成电脉沖。由于雨滴的质量、末速和沖击时间都是雨滴滴度的函式，根据电脉沖幅度分布可换算出雨滴滴度分布。静电感测器和光学检测器则分别通过测量雨滴的电荷和雨滴通过光束时所形成影子的大小来确定雨滴大小。传播研究中使用较多的雨滴滴度分布模式是劳斯-帕森斯分布和马歇尔-帕尔默负指数分布。

降雪以雪花形式出现，其直径为几毫米到十几毫米。照相测量表明，雪花最大水準粒度与高度之比变化範围很大,平均接近于1。角变动一般在10°以下，末速随雪的粒度和质量的增加而增加，一般为几米/秒。对于雪花粒度分布，K.L.S.耿和J.S.马歇尔提出了在形式上和马歇尔-帕尔默雨滴滴度分布完全相象的负指数模式,仅参数不同而已。

多参数雷达，包括双频雷达、双极化雷达和多普勒雷达，已成为降水测量方面十分重要的工具。多普勒雷达可以测定相应于各种雨滴速度的频移谱。雨滴速度是滴度的函式,因此,频移谱可以换算成雨滴滴度分布。双极化雷达至少可以测定两个正交极化的反射率，它们正好可用于确定负指数粒子粒度分布模式中的两个参数。如果同时测定两种极化接收信号的相关性和相对相移，还可以同时确定降水粒子的取向。冰雹的双极化差分反射率和衰减与雨不同，因此利用双极化和双频雷达可把冰雹和雨分开。

同名杂志

基本信息

《对流层》杂志是由90后作家黄天问、朱惠莲创刊，"H.Z.工作室"主办的90后青春文学杂志。H.Z.工作室是一支由90后青年组成的团队。现有成员:黄天问、朱惠莲、木文月、徐婷婷、辛晓阳、马佳丽、娃娃、璐小猪、浅墨、瑟瑟、yellowy、慕凉猫。工作室主要从事杂志《对流层》的製作，杂志前期是电子刊物，将在适时的时候转为实体。2011年4月即将推出实体试刊第一期。

对流层是风雨雷电产生的地方。蕴含着可以撼动自然的力量。也暗喻着杂志将在文坛引起一场新的文学风暴。

编委成员

主编:黄天问

副主编:朱惠莲

主编助理:徐婷婷文编:木文月/李迪/林落白/辛晓阳/箬雪鸢

美编:瑟瑟/yellowy/浅墨

宣传部:娃娃/璐小猪

策划/财务部:马佳丽

流程监製:向暖

顾问:方慧/王立衡/胡杉杉/辜妤洁

恆星对流层

对流层是在恆星内部以对流为传输能量主要方式的半径区域。在辐射层，能量经由辐射传递。恆星的对流包括内部等离子的质量移动，通常是形成热等离子上升，冷等离子下沉的回路。

在史瓦西準则下，恆星内部的不稳定条件会产生对流。一个气体包裹略微上升就会发现自己处在一个压力比原本低的环境中，结果是，气体包裹将会膨胀和冷却。如果上升的气体冷却到比新环境周围的温度更低，由于它密度比周围的环境高，在缺乏浮力的情况下，将导致它下沉回到它原来的地方。然而，如果温度梯度的渐变足够陡峭(也就是说温度变化相对于恆星中心的距离是迅速的)，或是这种气体有很高的热容量(即它的温度变化相较于体积的扩张是缓慢的)，于是上升中的气体包裹依然比周围的新环境温暖和密度较低，它的浮力会导致它继续上升。发生这种情况的区域，就是恆星的对流层。

质量大于太阳1.3倍的恆星，在核心进行的氢融合成氦的反应是以CNO迴圈取代了质子-质子链反应。CNO迴圈对温度相当敏感，所以核心的温度非常高，但是温度下降的也很快。因此，核心区域会形成氢燃料与氦产物均匀混合的对流层。这些恆星核心的对流层叠加在热平衡，但只有少量或没有混和的辐射层之上。

在质量大约低于10倍太阳质量的恆星，外层会包含一个电离的氢和氦的气壳，使热容量增加。由于较重的元素会造成较高的温度梯度，在这个区域的相对低温同时造成不透明度。这样的组合会在外面也造成一个对流层，在太阳最表面可以看见的就是米粒组织。低质量的主序星，像是质量低于0.35太阳质量的红矮星，以及还在林轨迹上的前主序星没有辐射层，整颗恆星都是对流层。