自然地理學(xué)4.2

1、第四章 氣候第二節(jié) 大氣形成的輻射和熱力因素 一 氣候形成的輻射因素 輻射與輻射能 輻射自然界中的一切物體都以電磁波的方式向四周放射能量，這種傳播能量的方式稱為輻射。 通過輻射形式傳播的能量稱為輻射能。 輻射能通過電磁波的方式傳播的，電磁波的波長范圍很廣，從波長10-10um的宇宙射擊線，到波長達(dá)幾千米的無線電波。（一）太陽輻射 太陽輻射-太陽以電磁波的形式向外傳遞能量。 太陽輻射所傳遞的能量，稱太陽輻射能。 太陽輻射光譜太陽輻射中輻射按波長的分布，稱為太陽輻射光譜。 大氣上界太陽輻射光譜在0.15um的范圍； 太陽輻射中99%的能量在0.154um的范圍，其中 0.40.76um為可見光區(qū)，

2、0.76um的為紅外區(qū)，0.4um為紫外區(qū)。 太陽輻射能主要分布在可見光區(qū)和紅外光區(qū)，其中，可見光占太陽輻射總能量的50%，并以0.47um附近最強(qiáng)，紅外區(qū)占43%； 紫外區(qū)的太陽輻射能很少，只占7%。 太陽常數(shù)在大氣上界，垂直于太陽光線的1cm2面積內(nèi)，1min內(nèi)獲得的太陽輻射能量，稱為太陽常數(shù)。1. 影響太陽天文輻射的因素：1）太陽高度角（H）是太陽直射光與地表面測點(diǎn)切線間的夾角。假設(shè)等量的太陽光熱直射在AC面上，其輻射強(qiáng)度為I0斜射在AB面的輻射強(qiáng)度為I。，于是IAB= I。AC則I=AC/ABI。=sinh. I。得：H越大，I也越大；H越小，I也越小。2）日地距離：I與日地距離平方成

3、反比。I=1/b2 .I。sinh，b為某時(shí)刻的日地距離。南、北半球冬夏的溫差不同，南半球夏季（1月）近日，獲得太陽輻射多于北半球夏季（7月）；南半球冬季（7月）遠(yuǎn)日，獲得太陽輻射少于北半球冬季（1月）。因而南半球冬夏溫差大于北半球。 3）日照時(shí)間日照時(shí)間成正比。北半球夏季，晝長夜短，可照時(shí)間長，太陽輻射到達(dá)量大；冬季，晝短夜長，可照時(shí)間短，太陽輻射到達(dá)量少。南半球正好相反。 天文輻射隨緯度、季節(jié)的分布情況春秋分時(shí)，赤道最多；夏至?xí)r，90ON最多；冬至?xí)r，90OS最多。全年和冬半年獲得太陽輻射最多的是赤道，隨緯度增高而減小，到極點(diǎn)達(dá)最??；冬半年遞減比夏半年快；夏半年太陽輻射量最大值在20O25

4、O的緯度帶。所以熱赤道北移。 ）太陽輻射年較差隨緯度增高而增大；赤道地區(qū)和兩極附近太陽輻射量的水平梯度都比較小，而中緯度水平梯度較大； ）極圈內(nèi)有極晝極夜現(xiàn)象；極夜期間。太陽輻射為零，極晝期間，極圈內(nèi)太陽輻射大于赤道，北半球夏至日，極地的太陽輻射量比赤道大0.365倍。 2. 太陽輻射在大氣中的減弱 大氣對太陽輻射的吸收：大氣對太陽輻射的吸收是有選擇性的，主要集中在太陽輻射光譜兩端能量較小的區(qū)域，因此大氣直接吸收的太陽能并不多，對大氣來說太陽輻射不是主要直接熱源。 大氣對太陽輻射的散射：只是改變輻射的方向，使太陽輻射以質(zhì)點(diǎn)為中心四面八方傳播因而經(jīng)過散射同部分太陽輻射就到不了地面。 大氣的云層和

5、塵埃地太陽輻射的反射。反射能力取決于云的厚?。淮髿鉁啙岫仍酱?，對太陽輻射的削弱也越大。3. 到達(dá)地面的太陽輻射（總輻射）：（ 1）直接輻射（S）：太陽光以平行光線形式直接投射到地面的輻射。影響直接輻射的因素有：A）太陽高度角： B）大氣透明度：S=I0Pm,其中m為大氣質(zhì)量數(shù)。（ 2）散射輻射（D）：太陽光經(jīng)散射后到達(dá)地面的部分。影響散射輻射的因素：太陽高度角、透明度、云量A）太陽高度角大，入射輻射量多，散射輻也相應(yīng)地增強(qiáng)；B）透明度差，參與散射作用的質(zhì)點(diǎn)多，散射輻射也強(qiáng)；C）云量大，散射輻射大。總輻射（W=S+D） 1）影響太陽總輻射的因素： 太陽高度角越大，W也越大； 云量越多，W越?。ㄒ?/p>

6、為云量多時(shí)，直接輻射減小的幅度在于散射輻射增加的幅度） 2）總輻射的時(shí)空分布規(guī)律： 總輻射，在夜間為零，日出后逐漸上升，中午最大；一年中夏季大，冬季小。 一般是緯度越低，總輻射越大，反之越小。 世界年總輻射量最小值在南北半球的極區(qū)，最大值在非洲東北的沙漠地帶。4、地面對太陽輻射的反射： 到達(dá)地面的太陽輻射只有一部分被地面吸收，另一部他則被地面反射出去。地面對入射太陽輻射的反射取決于地面的反射率（r）。而r又取決于地面的性質(zhì)。一般地：陸地表面的r約為10%30%，且隨著太陽高度的減小而增大，深色土比淺色土小，粗糙土比平滑土?。?水面隨著太陽高度角和平靜度而變，太陽高度角愈小，其反射率愈大，波浪起

7、伏的水面，其平均反射率為10%，對陸地稍小。（二）地面輻射和大氣輻射。1、地面輻射：地面以電磁波的方式向大氣傳遞能量。 其大小取決于地面溫度。2、大氣輻射：大氣靠吸收（其吸收具有選擇性）地面長波輻射而增溫。大氣獲得熱量后，以電磁波的方式晝夜不斷地向四面八方發(fā)射長波輻射，其輻射能力取決于大氣溫度、濕度和云量狀況。氣溫越高，水汽和液態(tài)水的含量愈多，大氣輻射能力越大。3、大氣的保溫效應(yīng)（溫室效應(yīng)）：大氣逆輻射是大氣輻射中指向地面的那部分輻射。大氣逆輻射幾乎被地面全部吸收，這就使得地面因輻射所損耗的能量得到一定的補(bǔ)償，因而大氣對地面有保溫作用。（三）地面有效輻射和輻射平衡1、地面有效輻射（F0）地面輻

8、射Eg與地面吸收的大氣逆輻射EA之差，稱為地面有效輻射。即F0=Eg- EA，為地面的相對吸收率。 影響的F0因素。A）地溫上升時(shí)，Eg也上升，當(dāng)濕度、云等條件不變時(shí)，則F0上升；B）氣溫上升，EA也上升，當(dāng)濕度、云等條件不變時(shí)，則F0下降；C）云量增多，大氣逆溫輻射增強(qiáng)，則F0減弱，地面損失熱量少，地面降溫少。故F0的大小，可作為預(yù)報(bào)地面最低溫度及霜凍的重要依據(jù)。2、地面凈輻射（Rg）（）概念：在一定時(shí)期內(nèi)，地面吸收太陽總輻射與地面有效輻射這差值。即RgS+D（r）F0（）Rg的時(shí)空分布）日、年變化：日變化：Rg白天為正值，夜間為負(fù)值；由正轉(zhuǎn)為負(fù)值時(shí)在日落前一小時(shí)；由負(fù)轉(zhuǎn)正值時(shí)在日出前一小時(shí)

9、。Rg年變化：隨緯度而異。緯度越低，Rg保持正值的月份越多；緯度越高，Rg保持正值的月份越少。）地理分布：由于海洋表面的反射率小，故海洋上的Rg比陸地大；Rg在海、陸上均為正值，僅在長期有冰雪覆蓋地區(qū)才為負(fù)值。3、地氣系統(tǒng)凈輻射（RS）（1）概念地面和大氣吸收的太陽輻射減去返回宇宙的地面和大氣的長波輻射。 RS=（S+D）（-r）+q（）隨緯度分布規(guī)律：350N350S之間為正值，在這范圍以外的中高緯度地區(qū)為負(fù)值，RS的這樣分布，說明熱帶和副熱帶地區(qū)有熱量盈余，而溫帶和寒帶地區(qū)在熱量虧損，因此必然會發(fā)生從赤道到兩極的輸送，這種能量的輸送主要由大氣環(huán)流和海上洋流來實(shí)現(xiàn)。（四）地面熱量平衡 1、地

10、面熱量平衡及其方程式 地面凈輻射只表示地面以輻射形式獲得或損失能量，當(dāng)（1）凈輻射為正值時(shí)，表示有能量盈余，一方面地面溫度升高，另一方面盈余的熱量以湍流顯熱或蒸發(fā)潛熱的形式向空氣輸送，以調(diào)節(jié)空氣溫度并供給空氣水分，使地面和大氣在垂直方向上進(jìn)行顯熱和潛熱的交換，通過大氣環(huán)流和洋流進(jìn)行水平方向的顯熱或潛熱輸送。還有同地表（海面）以下的土層進(jìn)行熱量交換，改變土壤（或海水）溫度的分布。（2）凈輻射為負(fù)值時(shí)，則地面溫度降低，所虧損的熱量通過湍流或水汽凝結(jié)潛熱從空氣中獲得，使空氣降溫，或由土壤（或海水）下層向上輸送。2. 地面熱量平衡及其方程式 地面熱量平衡地面凈輻射擊與其轉(zhuǎn)換成其他形式的熱量收入與支出的

11、守恒，稱為地面熱量平衡。 Rg +LE+P+A=0， 其中：LE為地面與大氣間的潛熱交換（L為蒸發(fā)潛熱，E為蒸發(fā)量或凝結(jié)量），P為地面與大氣的顯熱交換，A為地面與下層間的熱量傳輸與平流輸送之和。二、 氣候形成的熱力因素（一）、氣候系統(tǒng)的能量系統(tǒng) 1、地球的熱量： 地球的熱量主要由太陽能轉(zhuǎn)換而來，一般不僅與溫度變化有關(guān)，而且還與壓力、密度等狀態(tài)參數(shù)變化有關(guān)。 大氣的熱量主要來自于地球表面，地球接受太陽輻射的同時(shí)，本身又放射熱輻射，影響地面和大氣的溫度。全球長期平均而言，熱量是保持平衡的，但在不同緯度、不同高度、不同性質(zhì)的地表、不同的天氣條件，各地區(qū)的熱量收支不同。地球熱量分布是不均勻，要通過大氣

12、的水平運(yùn)動、垂直運(yùn)動以及水相變化來進(jìn)行輸送。2、大氣中的基本能量及其轉(zhuǎn)換過程 （1）基本能量：大氣中的能量有位能、動能、內(nèi)能、湍能、潛熱能、顯熱能。對于靜止大氣而言，主要是內(nèi)能和位能 (2)各種能量的轉(zhuǎn)換過程 （3）大氣動能的消耗與補(bǔ)償 大氣運(yùn)動由于湍流作用和磨擦力的影響，動能要轉(zhuǎn)變?yōu)橥哪?，繼而變?yōu)闊崮芏纳ⅰＨ绻麤]有動能的補(bǔ)充，大氣就將在幾天之內(nèi)停止運(yùn)動。但實(shí)際上大氣是在不停地運(yùn)動著，而且整個(gè)大氣的動能并不出現(xiàn)顯著的變化，這意味著消耗了的動能是不斷得到補(bǔ)充的，這種補(bǔ)充主要是由位能和內(nèi)能轉(zhuǎn)變而來，而亂流熱量是補(bǔ)充大氣動能消耗的主要因素之一 （二）、海陸表面的增熱和冷卻 1、水陸熱力性質(zhì)的差異

13、（1）吸收太陽輻射的能力不同，水體吸收太陽輻射的能力比陸地強(qiáng)。（陸對太陽的反射率為15%-30%，而水面的為10%-20%） （2）透射太陽輻射不同，水體對太陽輻射基本上是透明的，除紅色光和紅外線之外，可見光和紫外光都可透射到水體深層，使太陽輻射分散到較厚的水層中。而地面對太陽光則是不透明，太陽輻射熱集中在陸地的表面上； （3）傳遞能量的方式不同，陸地一般都先靠分子的熱傳導(dǎo)，且導(dǎo)熱率低，而水體能流動，有平流、對流、湍流、波浪、洋流。 （4）比熱（熱容量）不同； （5）水分蒸發(fā)耗熱狀況不同，水體水分供應(yīng)充足，蒸發(fā)耗熱量大，失熱多，使表面溫度不易升高，而水體上的空氣因水分蒸發(fā)而具有較多的水汽，以致

14、有較大的吸收長波輻射的能力，使空氣溫度增溫，又以逆輻射形式還于水面，使水面及附近大氣不易強(qiáng)烈降溫，水體上空，云量多，使熱量不致于急劇散失，故大水體及附近地區(qū)溫度變化和緩2、海陸表面的增溫和冷卻 冬季：大陸最冷月出現(xiàn)在1月，而海洋出現(xiàn)在2月， 夏季：大陸最熱月出現(xiàn)在7月，而海洋出現(xiàn)在8月。 由于水陸熱力性質(zhì)不同，陸地獲得熱量時(shí)，因熱量集中在表面薄層，導(dǎo)致溫度急升；相反，陸地失熱時(shí)，難以得到地表下層熱量的補(bǔ)償和大氣的調(diào)節(jié)，致使溫度急降。故大陸受熱快，冷卻也快，氣溫升降劇烈。而海洋受熱慢，氣溫升降緩和，變化幅度小。（三）空氣的增熱和冷卻 空氣增熱時(shí)，分子運(yùn)動加劇，內(nèi)能增加，溫度升高，空氣冷卻時(shí)，分子

15、運(yùn)動速度減慢，內(nèi)能減少，溫度下降 ,有兩種形式。 1、大氣中的非絕熱過程 空氣與外界互相交換熱量，引起氣溫變化，其方式有：傳導(dǎo)、輻射對流與遄流和水相。 2、大氣中的絕熱過程 氣塊與外界無熱量交換的情況下，由于外界壓力變化，使氣塊膨脹作功，引起內(nèi)部能量轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的溫度變化 2、大氣中的絕熱過程 （1）干絕熱過程和泊松方程 A）干絕熱過程干空氣或未飽和的濕空氣進(jìn)行垂直運(yùn)動時(shí)，外界沒有熱量交換，只因體積膨脹（或收縮）作功引起內(nèi)能增減和溫度變化過程。 B)松泊公式：T/T0=(P/P0)0.286 干絕熱遞減率（ rd）氣塊（干空氣或未飽和空氣）絕熱上升時(shí)，單位距離時(shí)的溫度降低值。（2）濕絕熱過程飽和

16、濕空氣作垂直運(yùn)動時(shí)的絕熱變化過程。濕絕熱遞減率（rm）飽和濕空氣塊絕熱上升單位距離時(shí)的溫度降低值 rm是一個(gè)變量，是氣壓、溫度的函數(shù)。 rdrm3、大氣靜力穩(wěn)定度（1）大氣穩(wěn)定度的概念指氣塊受任意方向擾動后，返回或遠(yuǎn)離原平衡位置的趨勢和程度。（2）大氣層結(jié)：大氣中的溫度、濕度隨高度的分布。（3）空氣團(tuán)受對流沖擊的作用后，產(chǎn)生三種現(xiàn)象。（1） 空氣團(tuán)受對流沖擊的作用后，產(chǎn)生三種現(xiàn)象。C）中性氣層：如氣團(tuán)被推到某一高度后，既不加速也不減速。起始位位置B）空氣團(tuán)穩(wěn)定：周圍大氣有使它返回原來位置的趨勢。A）空氣團(tuán)不穩(wěn)定：周圍大氣使它更加遠(yuǎn)離原來位置起始位置（1） 穩(wěn)定度的判 如下圖為氣塊擾動前后的狀態(tài)

17、根據(jù)牛頓第二定律：F=ma=f-mgP，T，P0，T0，0平衡不平衡P，T，P0，T0，0ZP，T，單位體積受力分析浮力g重力，g4、大氣靜力穩(wěn)定度的判據(jù)方法 大氣是否穩(wěn)定通常用周圍空氣的溫度直減率r與上升空氣塊的干絕熱直減率rd或濕絕熱直減率rm的對比來判斷。（1）干空氣和未飽和空氣的穩(wěn)定度判斷 當(dāng)rrd時(shí)，大氣層結(jié)無論對干絕熱過程或濕絕熱過程都是不穩(wěn)定的，故稱為絕對不穩(wěn)定； 當(dāng)rrm ,層結(jié)不穩(wěn)定 r= rm ,層結(jié)中性 當(dāng)rmrrd時(shí)，大氣層結(jié)對干絕熱過程來說是穩(wěn)定的，對濕絕熱過程都是不穩(wěn)定的，故稱為條件性不穩(wěn)定；（四）、大氣溫度的時(shí)空變化： 1、大氣溫度的時(shí)間變化 （1）、氣溫的日變化：這種以一日為周期的變化，稱為氣溫的日變化。 氣溫的日較差日最高氣溫與日最低氣溫之差。 氣溫日較差隨緯度、季節(jié)、地表性質(zhì)、形態(tài)、高度和天氣狀況而不同。 （2）、氣溫的年變化：以一年為周期的氣溫變化，稱為氣