大氣熱能和溫度課件

1、第二章 氣候系統(tǒng)的輻射過(guò)程與能量平衡 第一節(jié) 太陽(yáng)輻射第二節(jié) 地面和大氣輻射第三節(jié) 大氣增溫和冷卻第四節(jié) 大氣溫度隨時(shí)間的變化第五節(jié)大氣溫度的空間變化第1頁(yè)，共45頁(yè)。第一節(jié) 太陽(yáng)輻射一、輻射的基本知識(shí) （一）輻射與輻射能 輻射：物體以電磁波的方式向四周放射能量，這種能量傳播方式稱輻射 輻射能：輻射傳播的能量稱輻射能 輻射通量密度：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的輻射能。 輻射通量密度沒(méi)有限定輻射方向，輻射接受面可以垂直射線或與之 成一定角度 輻射強(qiáng)度：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，通過(guò)垂直于選定方向的單位面積的輻射能。 第2頁(yè)，共45頁(yè)。（二）輻射光譜 輻射光譜：輻射能隨波長(zhǎng)分布的曲線第3頁(yè)，共45頁(yè)。（三）物體對(duì)輻

2、射的吸收、反射和透射第4頁(yè)，共45頁(yè)。（四）有關(guān)輻射的基本定律1、基爾霍夫定律2、斯蒂芬-玻耳茲曼定律3、維恩位移定律第5頁(yè)，共45頁(yè)。二、太陽(yáng)輻射（一）太陽(yáng)輻射光譜與太陽(yáng)常數(shù) 太陽(yáng)輻射光譜：太陽(yáng)輻射能按波長(zhǎng)的分布 太陽(yáng)輻射=黑體輻射 太陽(yáng)輻射波長(zhǎng)范圍：0.154.0um 可見(jiàn)光：0.40.76um 紫外線：0.76um 太陽(yáng)輻射最強(qiáng)的輻射波長(zhǎng)：0.475um(青光） 太陽(yáng)常數(shù)：日地平均距離時(shí)，大氣上界垂直太陽(yáng)光線的單位時(shí)間 內(nèi)單位積上獲得的太陽(yáng)輻射。第6頁(yè)，共45頁(yè)。（二）太陽(yáng)輻射在大氣中的減弱 由于大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收、散射和反射，使太陽(yáng)輻射穿過(guò)大氣后發(fā)生了變化： 1）總輻射能明顯減弱 2

3、）太陽(yáng)光譜變得極不規(guī)則 3）波長(zhǎng)短的輻射能減弱得為顯著 第7頁(yè)，共45頁(yè)。1、大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收大氣中某些成分選擇性地吸收了太陽(yáng)輻射。這些成分主要是：水汽、氧、臭氧、co2和固體雜質(zhì)。水汽雖然在可見(jiàn)光區(qū)和紅外區(qū)都有不少吸收帶，但吸收最強(qiáng)的是在紅外區(qū)，從0.932.85m之間的幾個(gè)吸收帶。最強(qiáng)的太陽(yáng)輻射能是短波部分，因此水汽從進(jìn)入大氣中的總輻射能量?jī)?nèi)吸收的能量并不多。據(jù)估計(jì)，太陽(yáng)輻射因水汽的吸收可以減弱415。所以大氣因直接吸收太陽(yáng)輻射而引起的增溫并不顯著。 大氣中的主要?dú)怏w是氮和氧，只有氧能微弱地吸收太陽(yáng)輻射，在波長(zhǎng)小于0.2m處為一寬吸收帶，吸收能力較強(qiáng)，在0.69和0.76m附近，各有一

4、個(gè)窄吸收帶，吸收能力較弱。第8頁(yè)，共45頁(yè)。臭氧在大氣中含量雖少，但對(duì)太陽(yáng)輻射能量的吸收很強(qiáng)。在0.20.3m為一強(qiáng)吸收帶，使得小于0.29m的輻射由于臭氧的吸收而不能到達(dá)地面。在0.6m附近又有一寬吸收帶，吸收能力雖然不強(qiáng)，但因位于太陽(yáng)輻射最強(qiáng)烈的輻射帶里，所以吸收的太陽(yáng)輻射量相當(dāng)多。二氧化碳對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收總的說(shuō)來(lái)是比較弱的，僅對(duì)紅外區(qū)4.3m附近的輻射吸收較強(qiáng)，但這一區(qū)域的太陽(yáng)輻射很微弱，被吸收后對(duì)整個(gè)太陽(yáng)輻射的影響不大。此外，懸浮在大氣中的水滴、塵埃等雜質(zhì)，也能吸收一部分太陽(yáng)輻射，但其量甚微。只有當(dāng)大氣中塵埃等雜質(zhì)很多（如有沙暴、煙幕或浮塵）時(shí)，吸收才比較顯著。第9頁(yè)，共45頁(yè)。由以上

5、分析可知，大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收具有選擇性，因而使穿過(guò)大氣后的太陽(yáng)輻射光譜變得極不規(guī)則。由于大氣中主要吸收物質(zhì)（臭氧和水汽）對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收帶都位于太陽(yáng)輻射光譜兩端能量較小的區(qū)域，因而對(duì)太陽(yáng)輻射的減弱作用不大。也就是說(shuō)，大氣直接吸收的太陽(yáng)輻射并不多，特別是對(duì)于對(duì)流層大氣來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)輻射不是主要的直接熱源。第10頁(yè)，共45頁(yè)。2、大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的散射 太陽(yáng)輻射遇到空氣分子、塵粒、云滴等質(zhì)點(diǎn)時(shí)就要發(fā)生散射。 分子散射：質(zhì)點(diǎn)的直徑小于輻射波長(zhǎng) 選擇性 波長(zhǎng)越短散射越強(qiáng)烈 對(duì)稱性 光學(xué)對(duì)稱性 米散射：質(zhì)點(diǎn)的直徑大于輻射波長(zhǎng) 無(wú)選擇性 漫射 偏不對(duì)稱性第11頁(yè)，共45頁(yè)。 3 、大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的反射 大氣對(duì)

6、太陽(yáng)輻射有反射作用，尤其是云能強(qiáng)烈地反射太陽(yáng)輻射。 不同的云狀、云厚對(duì)太陽(yáng)輻射反射不同 一般而言，高云反射率25%，中云反射率50%，低云反射率65%，稀薄的云10-20%，平均反射率50-55%。 總之，進(jìn)入大氣的太陽(yáng)輻射30%被漫射和散射回宇宙空間，20%被大氣吸收，50%穿過(guò)大氣到達(dá)地面。由此也可見(jiàn)，太陽(yáng) 輻射并非大氣的直接熱源。 第12頁(yè)，共45頁(yè)。上述三種方式中，反射作用最重要，尤其是云層對(duì)太陽(yáng)輻射的反射最為明顯，另外還包括大氣散射回宇宙以及地面反射回宇宙的部分；散射作用次之，形成了到達(dá)地面的散射輻射；吸收作用相對(duì)最小。以全球平均而言，太陽(yáng)輻射約有30被散射和漫射回宇宙，稱之為行星反

7、射率，20被大氣和云層直接吸收，50到達(dá)地面被吸收。第13頁(yè)，共45頁(yè)。（三）到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射 直射輻射：以平行光線到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射 散射輻射：以散射光形式到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射 總輻射：直射輻射與散射輻射之和。 1、直射輻射 影響到達(dá)地面太陽(yáng)直射輻射強(qiáng)弱的因子主要有二： 1) 太陽(yáng)高度角 2) 大氣透明度第14頁(yè)，共45頁(yè)。第15頁(yè)，共45頁(yè)。大氣質(zhì)量數(shù)(m)、大氣透明系數(shù)(p)I/I0 =p布格定律：I =Io pm第16頁(yè)，共45頁(yè)。直接輻射有顯著的年變化、日變化和隨緯度的變化2、散射輻射 影響到達(dá)地面太陽(yáng)散射輻射強(qiáng)弱的因子主要有二： 1) 太陽(yáng)高度角 2) 大氣透明度 散射輻射也有顯著

8、的年變化、日變化和隨緯度的變化3、總輻射 影響到達(dá)地面太陽(yáng)總輻射強(qiáng)弱的主要因子 1) 太陽(yáng)高度角 2) 大氣透明度 年變化、日變化和隨緯度的變化 第17頁(yè)，共45頁(yè)。（四）地面對(duì)太陽(yáng)輻射的反射 地面反射率：a=Q反/Q 到達(dá)地面的太陽(yáng)總輻射其中一部分被反射。 地面反射率取決于地面的性質(zhì)和狀態(tài)。 陸地平均反射率約為1030%。 土壤顏色、濕潤(rùn)程度、起伏等影響反射率。 雪面、水面不同狀態(tài)也影響反射率。第18頁(yè)，共45頁(yè)。第二節(jié) 地面和大氣的輻射 水面、陸面、植被等地球表面吸收了大量的太陽(yáng)輻射，并經(jīng)轉(zhuǎn)化傳給大氣。下墊面是大氣的直接熱源。 一、地面、大氣的輻射和地面有效輻射 （一）地面和大氣輻射的表示

9、 太陽(yáng)輻射能量集中在波長(zhǎng)0.154.0um, 而地面和大氣的輻射集中在3.0120.0um，因此我們稱太陽(yáng)輻射為短波輻射，地面和大氣輻射 稱為長(zhǎng)波輻射。 第19頁(yè)，共45頁(yè)。（二）地面、大氣長(zhǎng)波輻射的特點(diǎn) 1、大氣對(duì)長(zhǎng)波輻射的吸收 大氣窗口 2、大氣中長(zhǎng)波輻射的特點(diǎn) （三）大氣逆輻射和地面有效輻射 1、大氣逆輻射和大氣保溫效應(yīng) -23c- 15c - 38c 大氣保溫效應(yīng) 2、地面有效輻射 物理意義 影響因子：地面溫度、空氣溫度、空氣濕度、云況 年變化、日變化第20頁(yè)，共45頁(yè)。二、地面及地氣系統(tǒng)輻射差額 輻射差額=收入輻射 支出輻射 （一）地面的輻射差額 Q+ q+ Q反- Ea+ Eg-

10、Rg=(Q+q)(1-a) Fo當(dāng)Rg0 時(shí)，即地面收入的太陽(yáng)輻射大于地面有效輻射，地面有熱量收入。當(dāng)Rg0, dqs0, 則(dqs/dz)0; 當(dāng)dz0, 則 (dqs/dz)0. rm 是變量，是氣壓和溫度的函數(shù)。 分析表2-4第28頁(yè)，共45頁(yè)。第29頁(yè)，共45頁(yè)。四、大氣穩(wěn)定度（一）大氣穩(wěn)定度的概念 大氣穩(wěn)定度是指氣塊受任意方向擾動(dòng)后，返回或遠(yuǎn)離原平衡位置的趨勢(shì)和程度。 一團(tuán)空氣受對(duì)流沖擊產(chǎn)生垂直運(yùn)動(dòng)，分三種情況： 受力移動(dòng)，逐漸減速，并有返回原來(lái)位置的趨勢(shì)，穩(wěn)定； 受力移動(dòng)，逐漸加速，并有遠(yuǎn)離原來(lái)位置的趨勢(shì)，不穩(wěn)定； 受力移動(dòng)，既不加速，也不減速，中性。 準(zhǔn)靜力學(xué)條件： P=Pi

11、， Ti、 Di 與 T、D不等。 第30頁(yè)，共45頁(yè)。單位體積空氣受兩個(gè)力的作用： 浮力 Dg ，重力 Dig。 合力： f = Dg - Dig 單位質(zhì)量空氣的加速度： a = (Dg - Dig)/ Di 現(xiàn)將狀態(tài)方程 D =P/RT、 Di =Pi/RTi 和 P=Pi代入 a =(Ti T)g/T 實(shí)際上，空氣是否穩(wěn)定決定于氣塊溫度與周?chē)髿鉁囟鹊谋容^。第31頁(yè)，共45頁(yè)。（二）判斷大氣穩(wěn)定度的基本方法 大氣是否穩(wěn)定，通常用rd 或rm與 r的比較來(lái)判斷 因?yàn)門(mén)=To - rd $Z 、 Ti =Tio - rd $Z ，由于起始高度相同To =Tio a =g $Z (r-rd)/

12、T (r-rd)的符號(hào)決定了加速度a與擾動(dòng)位移$Z 的方向是否一致，亦決定了大氣是否穩(wěn)定。 當(dāng)r0，則ard ，若 $Z 0，則a0，加速度與位移方向一致，層結(jié)不穩(wěn)定。 當(dāng)r=rd ，a=0, 層結(jié)是中型的。第32頁(yè)，共45頁(yè)。第33頁(yè)，共45頁(yè)。上述結(jié)論可以用層結(jié)曲線和狀態(tài)曲線來(lái)討論層結(jié)曲線：大氣溫度隨高度變化曲線狀態(tài)曲線：上升空氣塊溫度隨高度變化曲線Ti為空氣團(tuán)溫度，T為空氣溫度第34頁(yè)，共45頁(yè)。同理，飽和濕空氣垂直時(shí),氣溫直減率rm a =g $Z (r-rm)/T 當(dāng)r0，則arm ，若 $Z 0，則a0，加速度與位移方向一致，層結(jié)不穩(wěn)定。 當(dāng)r=rm ，a=0, 層結(jié)是中型的。 第35頁(yè)，共45頁(yè)。綜上討論：1、r愈大，大氣愈不穩(wěn)定。r愈小，甚至等于0，將阻礙垂直運(yùn)動(dòng)的發(fā)展。2、當(dāng)rrd，不論空氣是否達(dá)到飽和，大氣總是處于不穩(wěn)定狀態(tài)，稱絕對(duì)不穩(wěn)定。4、當(dāng)rm r rd，稱條件不穩(wěn)定。第36頁(yè)，共45頁(yè)。（三）不穩(wěn)定能量的概念第37頁(yè)，共45頁(yè)。第四節(jié) 大氣溫度隨時(shí)間的變化一、氣溫的周期性變化 （ 一）氣溫的日變化 日較差 （二）氣溫的年變化 年較差二、氣溫的非周期性變化