酸沉积
“酸”本质上是任何溶解在水中会释放氢离子(H+)的物质。几种大气微量成分解离成正离子和负离子溶解于水中时，有的呈不同程度的酸性。大气水体中最强的酸是溶解的硫酸(H2S04)和硝酸(HN03)。大气中还发现了许多其他酸性物质，如二氧化硫(S02)、有机酸、盐酸(HCl)、二氧化碳(C02)，甚至水本身，但这些物质要么是相对较弱的酸，要么浓度相对较小，因此通常对测量的酸度没有明显的贡献。对于任何溶液，溶解的正离子和负离子的浓度相等，云水和降水中典型的离子平衡为
[H +] + [Na +] + [NH4 +] +[土壤离子]=(正离子)
= 2 [S04 =] +[不,——]+ [Cr] + [HCOj -](负离子)
Na~”和Cl~离子来自溶解的海盐气溶胶，通常以近似相等的浓度存在。NH4”是溶解的氨，“土壤离子”是指钙和镁阳离子，通常与碳酸盐有关
(HC03~)为土壤粉尘，S04=和HN03~为硫酸和硝酸。由于大气水体中始终保持离子平衡，H+的浓度为
[H +] = 2 [S04 =] + [N < V] + [HCO3 -] - [NH4 +](土壤离子)
因此，氢离子的浓度与硫酸盐、硝酸盐、碳酸氢盐(溶解的二氧化碳)、氨和溶解在云水和降水中的含碳酸盐土壤粉尘的浓度成正比。测量到的H+浓度在几个数量级上变化，因此使用对数pH标度来量化水中的酸性水平pH = -log10[H+]
以pH值计，pH值每降低一个单位，就相当于酸度或H+浓度增加10倍。此外，随着pH值的降低，H+的浓度和酸度增加。纯水与大气中的二氧化碳平衡时，其pH值接近5.6，但云和雨水中的硫酸盐、硝酸盐、氨或土壤阳离子的浓度通常大大超过溶解的二氧化碳的浓度，即使在偏远地区也是如此。典型的“干净”大气水的pH值为4.5到5.5。在污染较严重的地区，降水ph值在3到4之间，在一些低液态水含量的云中，ph值已被测量到低至2到3。
酸的形成。硫酸和硝酸是由大气氧化剂和排放的硫和氮氧化物(S02和NOt)之间的反应产生的ios版雷竞技官网入口 燃烧和其他工业活动．将S02转化为硫酸的主要反应包括与云中过氧化氢(H202)和空气中羟基自由基(HO)的反应。硝酸是由HO自由基氧化N02产生的，也可以在夜间通过臭氧、N02和N03自由基的多相反应产生。大气中形成酸的氧化剂是通过一系列复杂的光化学反应，在大气云或气溶胶中溶解的气体成分之间发生一些产酸的化学反应。通常，排放的NO-在一天或更短的时间内转化为硝酸，S02在排放后几天内转化为硫酸。氧化剂的浓度和化学反应的时间尺度随着季节、纬度、一天中的时间、阳光强度、NOj和有机化合物的本底浓度以及许多其他化学和气象因素而有很大变化。
强酸对水有亲和力，因此吸湿性增长或与水蒸气结合，形成含有硫酸、硝酸和不同程度中和氨(NH3)的“雾霾”气溶胶，特别是当大气相对湿度高于60 - 70%时。通常情况下，氨和硝酸以气体和气体的形式存在大气中的气溶胶，而硫酸盐主要划分为凝聚的气溶胶。这些含有硫酸盐、硝酸盐和氨的气溶胶颗粒构成了云凝结核(CCN)的很大一部分，因此含酸的气溶胶很容易被纳入云中。
因此，在云中形成的降水包含溶解的CCN和其他可溶性气体，如HN03和NH3。
不良的影响。在高浓度或高浓度下，酸性溶液会与表面产生许多不良反应。与其他污染物一起，酸沉积对水生、农业和森林生态系统有潜在的有害影响。已在森林生态系统和地表水中测量到归因于大气酸性沉积的化学变化。
湖泊中酸的浓度与大气中酸的浓度和沉积速率有关，湖泊和溪流中酸的高浓度会对鱼类种群产生不利影响。人体接触含酸微粒对健康的影响仍然是一个不确定的领域，因为目前对这些影响的研究太有限，无法明确地辨别人体中的剂量-反应关系。大气中的酸沉积已被证明会加速裸露金属、油漆饰面、混凝土或石材表面的劣化速度。
在工业化地区，云水和降水中硫酸和硝酸的浓度比不受人为污染物逆风排放影响的地区的测量值高50至100倍。沉积硫和氮酸的相对浓度与大范围内硫和氮污染物的相对排放速率相关。
降水中的酸度受到许多气象和化学因素以及前体硫和氮污染物的排放率的强烈影响。因此，全面了解大尺度气象学、云动力学和微物理学以及大气化学是充分量化和研究大气酸性的必要条件
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分别为水平速度Vh的二向分量。变量oj定义为
Dt，在(x,y,p)坐标系中，成为竖直速度w的替代品。
对于大尺度运动，速度的垂直分量通常比水平速度小几个数量级，垂直加速度可以被忽略，得到一个很好的近似。动量方程的垂直分量则简化为诊断方程，可表示为
dp p
用R空气的气体常数和T温度。
这个坐标系中的质量连续性方程就变成了
最后，热力学能方程变成
Cp是空气在恒压下的比热。变量Q是非绝热升温速率。对于平流层，Q通常是辐射加热速率，可以计算为其他因变量的函数，知道辐射活跃物种的分布，如臭氧、水蒸气和二氧化碳(Goody, 1995)。
式(1)至式(4)表示(x,y,p)坐标系中的原方程，形成变量u, v, to，
根据厄特尔势涡量n，即无摩擦绝热条件，可以从原始方程[见Pedlosky(1979)的推导]中推导出具有基本重要性的关系。这里，II由n = -(£+/)V©给出
注意，在式(6)中，总导数现在用笛卡尔坐标系(x, y, z)表示为
同样，Eq.(6)中的V现在是(x, y, z)坐标系中的三维梯度算子，p为密度，t为相对涡度(速度V的旋度)，©为势温。对于无摩擦绝热流动，这种关系要求II在运动后守恒。从物理上讲，势涡量是流体涡旋柱的旋转与涡旋柱深度之比的代表。可压缩流体的势涡守恒可以看作是类似于固体的角动量守恒。II的这种守恒性质代表了对运动的一个非常强大的约束，特别是在平流层较低的地方，式(5)是一个合理的近似值，时间尺度可达10天左右。n在等熵表面(即等位温表面)上的分布代表了保守的动态示踪，并且，正如我们稍后将看到的那样，提供了对输运性质的许多有用的见解。
2垂直温度结构
将地球大气划分为具有不同特征区域的传统方法源于对垂直温度结构的考虑。使用美国标准大气(1976)汇编的数据，中纬度的参考温度剖面作为几何高度的函数显示在图1中。平流层和对流层之间的差异垂直温度剖面是显而易见的。请注意，在对流层中，温度T随着高度z的增加而降低，直到对流层顶的水平。相比之下，平流层下部的温度几乎是恒定的，然后随着高度的增加而增加，穿过平流层的中部和上部，直到达到平流层顶。就是这个差异温度递减率， r，其中这导致了两者之间的稳定性特性的差异大气区域．
大气是静态稳定的，如果一个空气包裹在垂直维度上绝热位移后，作用在包裹上的合力趋于恢复
与对流层的典型情况相比，在对流层中，空气团可以在与最大雷暴有关的非常强的对流活动的时间尺度上在几天甚至几分钟内在地表和对流层顶之间垂直运输(Wallace and Hobbs, 1977)。
这种稳定的分层和相对缓慢的垂直混合是对平流层环流的重要影响，并导致氯氟烃(CFC)等长寿成分在平流层中的停留时间较长[CFC-11约为50年，CFC-12为100年，这是两种最丰富的CFC化合物(气象组织，1994年)]。在这里，长寿是指化学变化的特征时间尺度比与一种成分的迁移相关的时间尺度大得多。
气温和纬向风的纬向平均气候学
图2a和2b分别显示了温度和纬向风(东西向分量)的纬向平均(在恒定纬度的空间平均值)值的气候学随高度和纬度的变化。对图2a所示的温度横截面的检查显示，平流层中冬季和夏季半球的温度有明显的变化。请注意，赤道上方的对流层顶比极地上方的高度高得多，在中纬度的对流层顶出现明显的不连续或“断裂”。在较低的夏季平流层，温度从赤道向极点升高。相比之下，在冬季平流层较低的地方有一个中纬度暖带(Rama-nathan and Grose, 1978)。冬天最冷的温度出现在南极地区的平流层下部。北极地区在冬季表现出更多的动力变化，通常不那么冷。在平流层上层，温度从冬季到夏季极点呈单调增长。
相应的纬向风截面如图2b所示。注意到东风(从东向西)在夏季的半球和西风(从西向东)在平流层。夏季的季节反转东风到冬季，每个半球的西风带是平流层环流的一个显著特征。冬季西风急流的轴随着平流层高度的降低而向极地倾斜，从而在平流层下部形成高纬度急流，即所谓的极夜急流。
纬向平均经向环流
纬向平均风、经向风(南北分量)和垂直风平均而言，至少比前一节所述的纬向风小一个数量级。在经向平面(纬度与高度)的环流的有用描述，最初是由Murgatroyd和Singleton(1961)推导出来的。
图3至日条件下的非绝热环流流线示意图。S是夏季极点，W是冬季极点(Dunkerton, 1978)。
70公里
60 30 eo
30 60
图3至日条件下的非绝热环流流线示意图。S是夏季极点，W是冬季极点(Dunkerton, 1978)。
这种循环现在一般称为非绝热循环。它在概念上是有用的，因为它说明了在子午平面上实际质量运动的意义。利用Murgatroyd和Singleton最初为至日条件编制的净辐射加热速率，Dunkerton(1978)推导出了平衡这些加热速率所必需的垂直速度。从质量连续性的考虑，计算出相应的子午速度。图3显示了Dunkerton(1978)从计算的速度场推断出的结果流线。经向面的大尺度平流层环流在夏季半球表现出上升运动，并在冬季极上空缓慢(季节性或较长的时间尺度)经向漂移和下沉(Andrews等，1987年)。图2b所示，与经向漂移相关的科里奥利转矩影响平流层夏季(冬季)纬向平均东风(西风)的产生。
5种波动
如前所述，前两节所讨论的大尺度平流层环流的描述是纬向平均视角。然而，已知从对流层垂直传播的类波干扰(通常称为“波”)在决定平流层中成分的循环和传输方面非常重要，这种扰动产生了对带状对称的偏离。
图2a和图2b所示的气候学纬向平均状态的重要偏离是平流层突然变暖、准两年振荡(QBO)和半年振荡(SAO)的结果。后两种现象的出现目前被认为至少部分是由于垂直传播的开尔文波、罗斯比重力波和/或重力波。QBO表现为赤道平流层下部西风带和东风带交替出现的纬向风振荡。振荡的周期各不相同，但平均约为27个月。SAO也是赤道纬向风的振荡，西风带和东风带交替出现，但这种现象发生在平流层的上层(和下层)中间层)，顾名思义，每半年进行一次。QBO和SAO的机制是完全不同的。有兴趣的读者可参阅Andrews等人(1987)了解更多细节。
平流层突然变暖现象在某些年份发生，与进入冬季平流层的垂直传播的行星尺度扰动振幅的异常增强有关。主要变暖事件的特征是极地温度急剧升高(一周或更短时间内升高50 - 70k)和冬季西风带严重中断极地漩涡高纬度地区的东纬带取代西纬带。这些变暖事件可能发生在任何一个半球，尽管一般来说，南半球的变暖事件往往不如北半球的变暖事件那么壮观。
各种不同类型的波[e。重力波、罗斯比波、开尔文波，和罗斯比引力波;参见Andrews等人(1987)，关于这些波和其他类型波的进一步描述]通常由负责产生波状运动的恢复机制来区分。特别是，重力波和罗斯比波在平流层观测到的大尺度运动和伴随的成分传输方面起着最重要的作用。
重力波的恢复力为浮力，与N2成正比，是稳定的密度分层在大气中。重力波向上传播到平流层的最重要后果之一是它们在决定平流层喷流结构方面的作用。引力波向上传播，并在平流层或中间层的某个水平上“断裂”(Lindzen, 1981)。随着重力波振幅的增加，断裂发生，最终产生一个不稳定的递减率湍流和混合．动量沉积是破碎过程的结果，有效地对纬向动量收支产生净阻力，并使纬向平均流减速。平流层下部的重力波断裂被认为是造成对流层和平流层喷流分离的原因，如图2b所示。以类似的方式，在中间层中重力波的破碎有助于减速并在中间层的平流层喷流上方关闭。
Rossby波恢复力最终来自科里奥利参数中的纬度梯度，/，
其中Q为地球自转的角速度，
同时观测到的臭氧(Leovy et al.， 1985)显示与位涡度分布有非常高的相关性，并证明了Mclntyre和Palmer(1983)关于热带外平流层传输和混合的Rossby波浪破坏范式的本质正确性。
6总结
地球的大气层是一层薄薄的气体，它与地球一起旋转，并受到太阳的差动辐射加热的外部作用力。这里所展示的平流层大尺度环流的简化图，为了方便起见被分为两个组成部分，一个是纬向平均表示，另一个是波状扰动的贡献。这里描述的纬向平均环流是一个受热驱动的环流，空气团在低纬度被加热和上升，缓慢地向极地漂移，最后在高纬度冷却和下降。同时，向上传播的波状扰动产生偏离纬向平均状态。这些扰动传递并混合热量、动量和组分。应该提醒读者，化学转化也在发生，不仅改变平流层的组成，但也会影响辐射加热，因为成分的变化(主要是臭氧、水蒸气和二氧化碳的变化)。还应注意到空气进入和离开平流层(平流层-对流层)的过程交换过程)比这里描述的要复杂得多。最近关于平流层-对流层交换的全面综述可以在Hoi ton等人(1995)中找到。平流层应该被看作是一个非常复杂的系统，其中辐射、化学和动力过程相互作用，决定了其结构和组成。
图4 1979年1月17日(a)和1979年1月27日(b) 850K等熵面位涡度分布。最外层纬度圈20°N的极平面投影(来自Mclntyre和Palmer, 1983)。
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