《現(xiàn)代氣候?qū)W》研究生全套教學(xué)課件

1、現(xiàn)代氣候?qū)W基礎(chǔ)參考書目王紹武，趙宗慈，龔道溢等現(xiàn)代氣候?qū)W概論， 北京：氣象出版社，2005；王紹武現(xiàn)代氣候?qū)W研究進(jìn)展，北京：氣象出版社，2001；葉篤正等. 當(dāng)代氣候研究，北京：氣象出版社，1991。 現(xiàn)代氣候?qū)W，北京：氣象出版社，2010作者：繆啟龍、江志紅、陳海山、余錦華 第一章 緒論 第二章 氣候系統(tǒng) 第三章 氣候系統(tǒng)的能量平衡 第四章 氣候系統(tǒng)的水分循環(huán) 第五章 大氣系統(tǒng)的平均狀態(tài) 第六章 海氣相互作用 第七章 陸面過程 第八章 冰雪圈與氣候 第九章 氣候變化第一章緒論1.1 “氣候”的概念1.2 現(xiàn)代氣候?qū)W和傳統(tǒng)氣候?qū)W1.3 氣候?qū)W的發(fā)展1.4 現(xiàn)代氣候?qū)W的任務(wù)1.1 “氣候”的概念

2、氣候系統(tǒng)的定義：大氣圈、與水圈（海洋）、冰雪圈、巖石圈和生物圈相互作用的整體。氣候是天-地-生相互作用下的大氣系統(tǒng)的較長(zhǎng)時(shí)間的平均狀態(tài)。 天氣：某一地區(qū)在某一瞬間或某一短時(shí)間內(nèi)大氣現(xiàn)象（風(fēng)、云、雨、雪、干、濕、雷、電等）及其狀態(tài)（溫度、壓強(qiáng)、濕度、密度等）的綜合。 氣候與天氣的聯(lián)系和區(qū)別： 時(shí)間尺度、變化特點(diǎn)、影響因子氣候的定義氣候是一定地點(diǎn)或一定地區(qū)上大氣的長(zhǎng)年?duì)顩r，用各種氣候要素的統(tǒng)計(jì)值表示；氣候是一地區(qū)天氣的平均狀態(tài)和一般過程，研究各種天氣系統(tǒng)、大氣環(huán)流的平均狀態(tài)；天氣的平均狀態(tài)在某一時(shí)間段內(nèi)氣候要素的平均值和變率的統(tǒng)計(jì)描述現(xiàn)代氣候的定義： 在太陽輻射和氣候系統(tǒng)各子系統(tǒng)相互作用下，地球上

3、某一區(qū)域在某一特定時(shí)段內(nèi)氣候要素的平均值和變率的統(tǒng)計(jì)狀態(tài)。 世界氣象組織（WMO）規(guī)定把30年（1971-2000年、1980-2010年）作為氣候標(biāo)準(zhǔn)時(shí)段。過去140年來地球表面平均氣溫變化情況1.2現(xiàn)代氣候?qū)W和傳統(tǒng)氣候?qū)W現(xiàn)代氣候?qū)W與傳統(tǒng)氣候?qū)W的區(qū)別： 傳統(tǒng)氣候?qū)W描述一定區(qū)域的氣候特點(diǎn) 現(xiàn)代氣候?qū)W氣候形成和變化的原因，要求預(yù)測(cè)某個(gè)地區(qū)或全球范圍的各個(gè)時(shí)間尺度的氣候變化，即圍繞平衡態(tài)的擾動(dòng)或?qū)ζ胶鈶B(tài)的偏差或距平1.2現(xiàn)代氣候?qū)W和傳統(tǒng)氣候?qū)W氣候變化的因子不單是大氣內(nèi)部的種種過程，還決定于發(fā)生大氣上、下界處得各種物理和化學(xué)過程現(xiàn)代氣候?qū)W的研究?jī)?nèi)容基本包括：(1) 研究氣候系統(tǒng)的一般特性，如大氣圈、

4、水圈、冰雪圈、陸地表面、生物圈等的組成物質(zhì)的微觀性質(zhì)(包括物質(zhì)組成、密度、范圍和結(jié)構(gòu)等)、宏觀性質(zhì)(包括熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)屬性等)；(2)研究氣候系統(tǒng)及其子系統(tǒng)中各種能量的源匯、性質(zhì)、轉(zhuǎn)換和輸送等；(3)研究氣候系統(tǒng)及其子系統(tǒng)在各種時(shí)空尺度上變化；(4)預(yù)報(bào)未來各種時(shí)空尺度上氣候系統(tǒng)的狀態(tài)；(5)研究氣候變化對(duì)自然環(huán)境和人類社會(huì)產(chǎn)生的影響，研究 由于人類活動(dòng)可能引起的氣候變化；(6)研究人類在何種程度上、以什么樣的方式影響氣候系統(tǒng)1.2現(xiàn)代氣候?qū)W和傳統(tǒng)氣候?qū)W分支：按研究尺度可分為：大氣候?qū)W、中氣候?qū)W和小氣候?qū)W；按研究所用的原理和方法可分為：天氣氣候?qū)W 、物理氣候?qū)W、動(dòng)力氣候?qū)W、衛(wèi)星氣候?qū)W、統(tǒng)計(jì)氣候

5、學(xué)和地理氣候?qū)W；按研究時(shí)段和所用資料可分為地質(zhì)時(shí)期氣候?qū)W、歷史時(shí)期氣候?qū)W和現(xiàn)代氣候?qū)W。氣候?qū)W研究的三種基本手段觀 測(cè)理論模式觀測(cè)分析揭示事實(shí)，數(shù)值模擬和理論解釋闡明機(jī)理1.3 氣候?qū)W的發(fā)展中國(guó)二十四節(jié)氣一、世界氣候?qū)W的發(fā)展簡(jiǎn)史萌芽時(shí)期：世紀(jì)中葉以前，感性和經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識(shí)階段，零碎的定性觀察和描述。1.3 氣候?qū)W的發(fā)展發(fā)展初期：世紀(jì)中葉世紀(jì)中葉觀測(cè)方面：氣象儀器的發(fā)明、建立地面氣象觀測(cè)站和觀測(cè)網(wǎng)，開始?xì)庀笠氐挠^測(cè)和積累發(fā)明時(shí)間發(fā)明者姓名發(fā)明者國(guó)籍發(fā)明的氣象觀測(cè)儀器1593伽利略意大利溫度表1643托里拆利意大利氣壓表1667胡克英國(guó)板式風(fēng)速器1783索修爾瑞士毛發(fā)濕度計(jì)理論研究方面氣象學(xué)和氣候?qū)W由單

6、純定性的描述進(jìn)入了可以定量分析的階段，逐漸發(fā)展為獨(dú)立的學(xué)科。時(shí)間姓名國(guó)籍研究成果1817洪堡德德國(guó)繪制世界平均氣溫分布圖1820布蘭德德國(guó)繪制世界上第一張?zhí)鞖鈭D1835科里奧利法國(guó)科里奧利力的概念1845貝格豪斯德國(guó)繪制世界降水分布圖1857白貝羅荷蘭風(fēng)壓關(guān)系定律1863菲茨羅伊英國(guó)氣旋模式1883漢恩德國(guó)氣候?qū)W大綱發(fā)展時(shí)期早期：19世紀(jì)末20世紀(jì)中葉觀測(cè)方面地面觀測(cè)內(nèi)容更加豐富和精確，觀測(cè)站網(wǎng)擴(kuò)大氣象觀測(cè)從地面向高空發(fā)展1928年蘇聯(lián)莫爾恰諾夫發(fā)明無線電探空儀理論研究方面鋒面氣旋學(xué)說長(zhǎng)波理論降雨學(xué)說氣候?qū)W方面：創(chuàng)立了氣候型的概念和幾種氣候分類法、出版了五卷氣候?qū)W手冊(cè)近期：20世紀(jì)中葉至今觀測(cè)

7、方面先進(jìn)的觀測(cè)技術(shù)常規(guī)氣象觀測(cè)網(wǎng)的加密開展大規(guī)模的綜合觀測(cè)試驗(yàn)理論研究方面建立數(shù)值模式，進(jìn)行定量數(shù)值模擬試 驗(yàn)，使氣象學(xué)、氣候?qū)W進(jìn)入試驗(yàn)科學(xué)階段。氣候?qū)W領(lǐng)域中的科學(xué)革命國(guó)際上召開了一系列氣候?qū)W術(shù)會(huì)議、提出了氣候系統(tǒng)的概念和世界氣候計(jì)劃（）、成立了政府間氣候變化專業(yè)委員會(huì)（）、提出了世界氣候框架公約,2007年諾貝爾獎(jiǎng)時(shí)間地點(diǎn)會(huì)議名稱1972瑞典斯德哥爾摩聯(lián)合國(guó)環(huán)境大會(huì)1974瑞典斯德哥爾摩聯(lián)合國(guó)糧食大會(huì)1974瑞典斯德哥爾摩氣候的物理基礎(chǔ)及其模擬的國(guó)際討論會(huì)1979日內(nèi)瓦第一次世界氣候大會(huì)推動(dòng)建立了世界氣候計(jì)劃、世界氣候研究計(jì)劃（WCP）和政府間氣候變化專業(yè)委員會(huì)（IPCC）1990日內(nèi)瓦第二

8、次世界氣候大會(huì)推動(dòng)建立聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約和全球氣候觀測(cè)系統(tǒng)2009日內(nèi)瓦第三次世界氣候大會(huì)推動(dòng)建立“全球氣候服務(wù)框架”1992巴西里約熱內(nèi)盧世界環(huán)境與發(fā)展大會(huì)（聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約第1次締約方會(huì)議聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約（United Nations Framework Convention on Climate Change)，簡(jiǎn)稱框架公約)是年月日聯(lián)合國(guó)政府間談判委員會(huì)就氣候變化問題達(dá)成的公約，于年月日在巴西里約熱內(nèi)盧舉行的聯(lián)合國(guó)環(huán)發(fā)大會(huì)（地球首腦會(huì)議）上通過。政府間氣候變化專業(yè)委員會(huì)(IPCC, 2007年獲諾貝爾獎(jiǎng)):1988年由世界氣象組織和聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃所共同建立,其任務(wù)是對(duì)與

9、氣候變化有關(guān)的各種問題展開定期的科學(xué)技術(shù)社會(huì)經(jīng)濟(jì)評(píng)估,為保護(hù)環(huán)境和氣候提供重要的科學(xué)依據(jù).聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約是世界上第一個(gè)為全面控制二氧化碳等溫室氣體排放，以應(yīng)對(duì)全球氣候變暖給人類經(jīng)濟(jì)和社會(huì)帶來不利影響的國(guó)際公約，也是國(guó)際社會(huì)在對(duì)付全球氣候變化問題上進(jìn)行國(guó)際合作的一個(gè)基本框架。公約于年月日正式生效。截至年月，公約已擁有個(gè)締約方。 1992年1995年巴西里約熱內(nèi)盧德國(guó)柏林1996年瑞士日內(nèi)瓦1997年日本京都1998年布宜諾斯艾利斯1999年德國(guó)波恩2000年荷蘭海牙2001年摩洛哥馬拉喀什2002年印度新德里2003年意大利米蘭2004年布宜諾斯艾利斯2005年加拿大蒙特利爾2006年肯

10、尼亞內(nèi)羅畢2007年印尼巴厘島2008年波蘭波茲南2009年2010年丹麥哥本哈根墨西哥坎昆1997年 日本京都 149個(gè)國(guó)家和地區(qū)的代表在大會(huì)上通過了京都議定書，它規(guī)定從2008到2012年期間，主要工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的溫室氣體排放量減少的承諾。哥本哈根世界氣候大會(huì)全稱是聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約第15次締約方會(huì)議暨京都議定書第5次締約方會(huì)議，這一會(huì)議被稱為哥本哈根聯(lián)合國(guó)氣候變化大會(huì)，于2009年12月7日18日在丹麥?zhǔn)锥几绫竟匍_。/zhuanti/world/climate2009/192個(gè)國(guó)家的環(huán)境部長(zhǎng)和其他官員們?cè)诟绫竟匍_聯(lián)合國(guó)氣候會(huì)議，目的是商討京都議定書一期承諾到期后的后續(xù)方案，就未

11、來應(yīng)對(duì)氣候變化的全球行動(dòng)簽署新的協(xié)議。這是繼京都議定書后又一具有劃時(shí)代意義的全球氣候協(xié)議書，毫無疑問，對(duì)地球今后的氣候變化走向產(chǎn)生決定性的影響。這是一次被喻為“拯救人類的最后一次機(jī)會(huì)”的會(huì)議。中國(guó)中國(guó)宣布2020年減排目標(biāo) 碳排放下降40-45%美國(guó)2020年溫室氣體比2005年減排17%日本2020年日本溫室氣體排放量減少25%印度2020年排放比2005年少24%德國(guó)2020年溫室氣體的排放量比1990年減少40%俄羅斯完全有實(shí)力達(dá)減排40%目標(biāo)澳大利亞2020年溫室氣體排放削減25%巴西排放量在預(yù)期基礎(chǔ)上減少36.1%至38.9%非洲尋求650億美元環(huán)境賠償島國(guó)聯(lián)盟呼吁發(fā)達(dá)國(guó)家提高減排至

12、45%哥本哈根氣候會(huì)議結(jié)束，未獲得有約束力協(xié)議。但是，人類拯救地球的行動(dòng)不應(yīng)停止，中國(guó)爭(zhēng)取發(fā)展權(quán)的努力也還在繼續(xù)。二、我國(guó)的氣象事業(yè)發(fā)展1) 觀測(cè)方面50年代：開始大規(guī)模建立氣象觀測(cè)網(wǎng)70年代：開始建立天氣雷達(dá)網(wǎng)79年：實(shí)施中國(guó)青藏高原氣象科學(xué)試驗(yàn)85年：建立中國(guó)南極長(zhǎng)城站氣象站開展大規(guī)模野外綜合試驗(yàn)2) 理論研究方面1961年：曾慶存提出半隱士差分格式求解大氣運(yùn)動(dòng)原始方程組；1965年：開始數(shù)值天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)等等竺可楨的物候?qū)W、中國(guó)近五千年來氣候變遷的初步研究 ；1987年成立了國(guó)家氣候委員會(huì)、組織編寫了國(guó)家氣候藍(lán)皮書、制定了國(guó)家氣候研究計(jì)劃?，F(xiàn)代氣候?qū)W階段的三個(gè)特點(diǎn)（王紹武，2005）：從氣

13、候變化來研究氣候 ；從氣候系統(tǒng)來研究氣候；從氣候動(dòng)力學(xué)來研究氣候。1.4 現(xiàn)代氣候?qū)W的任務(wù)世界氣候計(jì)劃(WCP)的四個(gè)子計(jì)劃:世界氣候資料計(jì)劃（WCDP）、世界氣候知識(shí)應(yīng)用計(jì)劃（WCAP）、世界氣候影響研究計(jì)劃(WCIP) 世界氣候變化及變率研究計(jì)劃，后改稱為“世界氣候研究計(jì)劃”（WCRP）。世界氣候研究計(jì)劃”（WCRP）包括6個(gè)分計(jì)劃：氣候變率和可預(yù)報(bào)性研究計(jì)劃(CLIVAR):重點(diǎn)研究變化的大氣和緩慢變化的陸面、海洋和冰雪過程，人類的影響以及地球化學(xué)和生物物質(zhì)的變化。平流層過程及其在氣候中作用的研究計(jì)劃（SPARC）：研究平流層過程在氣候中的重要作用，包括平流層溫度的變化趨勢(shì)，大氣成分的變

14、化趨勢(shì)（如水汽）以及臭氧的垂直分布與變化等。1.4 現(xiàn)代氣候?qū)W的任務(wù)世界氣候研究計(jì)劃（WCRP）包括6個(gè)分計(jì)劃：全球能量和水分循環(huán)計(jì)劃（GEWEX）：研究氣候系統(tǒng)中的水份循環(huán)及其對(duì)全球變化的反應(yīng)，特別是對(duì)溫室氣體增加的反應(yīng)。世界大洋環(huán)流計(jì)劃（WOCE）：重點(diǎn)研究深海結(jié)構(gòu)的作用以及大尺度海洋環(huán)流及其在氣候系統(tǒng)中的作用。北極氣候系統(tǒng)研究（ACSYS）和極地氣候計(jì)劃：是一個(gè)多學(xué)科的專門研究北冰洋水文和大陸架調(diào)查的研究計(jì)劃。熱帶海洋和全球大氣計(jì)劃（TOGA）：（1985-1994年）把大氣的相互作用與熱帶海洋環(huán)流緊密聯(lián)系起來。成果之一是能夠提前一年或更長(zhǎng)的時(shí)間來預(yù)測(cè)El Nino現(xiàn)象。1.4 現(xiàn)代氣候

15、學(xué)的任務(wù)TOGA太平洋海區(qū)的海洋觀測(cè)系統(tǒng)潮汐站（白圈），漂定浮標(biāo)（彎曲箭頭），錨定浮標(biāo)（菱形）、海流錨定浮標(biāo)（正方形）TOGA海洋觀測(cè)一覽表TOGA大氣觀測(cè)系統(tǒng)一覽表1.4 國(guó)內(nèi)外氣候研究計(jì)劃中國(guó)氣候試驗(yàn)與研究計(jì)劃(“九五”期間)：“南海季風(fēng)試驗(yàn)”（SCSMEX）項(xiàng)目“青藏高原地-氣系統(tǒng)物理過程及其對(duì)全球奇虎和中國(guó)災(zāi)害性天氣影響的觀測(cè)和理論研究”項(xiàng)目（簡(jiǎn)稱高原試驗(yàn)，TIPEX）“淮河流域能量和水分循環(huán)試驗(yàn)”項(xiàng)目（簡(jiǎn)稱淮河試驗(yàn),GAME-HUBEX）“海峽兩岸及鄰近地區(qū)暴雨試驗(yàn)研究”項(xiàng)目（簡(jiǎn)稱華南暴雨試驗(yàn),HUAMEX）“內(nèi)蒙古半干旱草原土壤-植被-大氣相互作用”項(xiàng)目（簡(jiǎn)稱草原試驗(yàn),IMGARS

16、S）國(guó)務(wù)院下發(fā)加快氣象事業(yè)發(fā)展的若干意見 充分認(rèn)識(shí)加快氣象事業(yè)發(fā)展的重要性和緊迫性；加快氣象事業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)思想和奮斗目標(biāo)；加強(qiáng)氣象基礎(chǔ)保障能力建設(shè) ；發(fā)揮氣象綜合保障作用；科學(xué)合理開發(fā)利用氣候資源；推進(jìn)氣象工作的法制、體制和機(jī)制建設(shè) 實(shí)施氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警與應(yīng)急工程；推進(jìn)氣候變化應(yīng)對(duì)（一期）工程 ；加快建設(shè)空中云水資源化工程 ；完成新一代天氣雷達(dá)工程 ；繼續(xù)實(shí)施氣象衛(wèi)星工程 ；實(shí)施北京高性能計(jì)算機(jī)應(yīng)用中心建設(shè)工程 “十一五”時(shí)期我國(guó)將巨資建國(guó)家級(jí)六大氣象工程 加快發(fā)展具有我國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的氣象衛(wèi)星體系，實(shí)現(xiàn)“雙星運(yùn)行”目標(biāo)。建立滿足業(yè)務(wù)需求的氣象衛(wèi)星遙感應(yīng)用體系，實(shí)施風(fēng)云二號(hào)D、E、F三顆氣象衛(wèi)星及

17、運(yùn)載火箭的系統(tǒng)工程建設(shè)，風(fēng)云二號(hào)應(yīng)用系統(tǒng)擴(kuò)建工程，風(fēng)云三號(hào)AM1和PM1兩顆氣象衛(wèi)星、兩發(fā)運(yùn)載火箭的研制生產(chǎn)，風(fēng)云三號(hào)應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)，風(fēng)云四號(hào)氣象衛(wèi)星研制及應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)。第二章氣候系統(tǒng)2.1 氣候系統(tǒng)的組成2.2 氣候系統(tǒng)的物理、化學(xué)過程2.3 氣候系統(tǒng)的基本特性2.4 氣候系統(tǒng)的可預(yù)報(bào)性2.5 氣候系統(tǒng)的研究第二節(jié)2.1 氣候系統(tǒng)的組成氣候系統(tǒng)的定義：大氣圈、與水圈（海洋）、冰雪圈、巖石圈和生物圈相互作用的整體。氣候系統(tǒng)及其相互作用示意圖大氣+水 = 氣候的內(nèi)系統(tǒng)全部陸地+地球外的宇宙 = 氣候的外系統(tǒng)氣候系統(tǒng)的變化中最為重要的外強(qiáng)迫因子太陽輻射、地球本身的結(jié)構(gòu)作用大氣圈1) 結(jié)構(gòu)2) 組成及

18、特性:干潔空氣、水汽、固態(tài)和液態(tài)微粒（氣溶膠粒子）溫室氣體包括：水汽(H2O)、二氧化碳(CO2)、 氧化亞氮 (N2O)、甲烷(CH4)和臭氧(O3)3) 動(dòng)力、熱力性質(zhì): 熱慣性和動(dòng)力慣性小,特征時(shí)間為15個(gè)天左右. 根據(jù)垂直方向上大氣溫度變化、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、密度及成分的變化等,將大氣分為:對(duì)流層,平流層,中間層,熱層和外逸層.大氣結(jié)構(gòu)50T為循環(huán)的溫度;dT為循環(huán)的溫差;L為熱量，這里為汽化潛熱（相變熱）;為飽和蒸汽的比容;為液體的比容;e為飽和水汽壓克勞修斯 克拉珀方程clausius clapeyron equation 對(duì)流層平流層中間層熱成層臭氧層溫度隨高度變化分子量主要?dú)怏w成分空氣

19、中的含量/按體積平均滯留期/ 年氮（N2）氧（O2）氬（Ar）二氧化碳臭氧（O3）干潔空氣78.0820.950.930.03（可變）0.000 001（可變）100.0010610410915？28.0232.0039.9444.0048.0028.96 干潔空氣氣體的主要成分及含量 對(duì)于具體的大氣成分來說，隨著高度的變化，其濃度變化也十分顯著。 二氧化碳CO2,大氣中集中在大氣圈底部，從地面到20 km高度以下這一薄層。在20 km以下的大氣中一般占0.03%，到了20 km以上含量顯著減少。 它的天然源主要是海洋脫氣、甲烷轉(zhuǎn)化、生物過程、巖石的風(fēng)化和沉積，比如，火山噴發(fā)，動(dòng)植物的呼吸和有

20、機(jī)物的腐爛、燃燒等；人為源主要是煤、石油、天然氣等礦物燃料的燃燒過程以及大量砍伐森林，隨著人類活動(dòng)的不斷加劇，大氣中CO2的濃度不斷增加。臭氧隨高度的分布大氣臭氧的季節(jié)變化和緯度分布南極臭氧洞：南極地區(qū)上空大氣臭氧總含量大幅度異常下降的一種現(xiàn)象 。CFCs對(duì)臭氧分析子的破壞過程1987年9月16日：簽署的關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書； 1995年1月23日：聯(lián)合國(guó)大會(huì)通過決議，確定從1995年開始，每年的9月16日為“國(guó)際保護(hù)臭氧層日”。1974年，羅蘭（Rowland）和穆連（Molina）發(fā)現(xiàn)氯氟碳化合物(CFCs)會(huì)破壞平流層臭氧1976年，國(guó)家科學(xué)院發(fā)布了證實(shí)羅蘭（Rowland

21、）和穆連（Molina）發(fā)現(xiàn)的報(bào)告1976年，食品和藥品局和環(huán)境保護(hù)機(jī)構(gòu)宣布階段性終止溶膠劑中的氯氟碳化合物(CFCs)1978年，氯氟碳化合物(CFCs)在溶膠劑中的使用在美國(guó)禁止1984年，約瑟夫 法文（Josph Farman）領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際研究組探測(cè)到南半球春天南極上空4%的臭氧缺損1985年，美國(guó)宇航局的衛(wèi)星數(shù)據(jù)證實(shí)了南極上空臭氧空洞的存在。1987年，簽定蒙特利爾協(xié)議,呼吁全球范圍的氯氟碳化合物(CFCs)減少50%1988年，美國(guó)全票批準(zhǔn)蒙特利爾協(xié)議1996年，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)氯氟碳化合物(CFCs)的全面禁止開始實(shí)施1989年，科學(xué)家宣布了在北冰洋上空臭氧層空洞的先期發(fā)現(xiàn)1995年，F(xiàn).

22、希拉伍德 羅蘭 （F. Sherwood Rowland）和馬里奧 穆連Mario Molina因在天氣化學(xué)領(lǐng)域的研究而被授予諾貝爾獎(jiǎng)) 溫室效應(yīng)（Greenhouse Effect）太陽輻射長(zhǎng)波輻射溫室效應(yīng)（大氣的保溫效應(yīng)）：大氣中的溫室氣體對(duì)太陽輻射的吸收很少，但卻能強(qiáng)烈地吸收地面輻射，同時(shí)又向地面放射長(zhǎng)波輻射，補(bǔ)償?shù)孛嬉蚍派漭椛涠鴵p失的能量，使地面氣溫升高的效應(yīng)主要溫室氣體對(duì)全球氣溫升高的貢獻(xiàn)CH4N2OCO2煙 囪 林 立固態(tài)顆粒來源 工廠、地表茅山的黃棕壤玉龍雪山密林深處固態(tài)顆粒來源 植物、大海（鹽粒）海洋挑戰(zhàn)者陽傘效應(yīng)火山灰 露 珠液體顆粒水滴、過冷水滴小 雪 花陽傘效應(yīng)氣溶膠對(duì)太

23、陽輻射的散射和吸收，使到達(dá)地面的太陽輻射減弱，引起地面氣溫的下降，其效應(yīng)類似于陽傘效果，故稱為陽傘效應(yīng)水圈（海洋）、陸圈（巖石圈）、冰雪圈和生物圈水圈（海洋） 組成：海洋、河流、湖泊、地下水和地表上的一切液態(tài)水。 結(jié)構(gòu)：海陸水平分布、海溫垂直結(jié)構(gòu)地球表面海洋占地球表面積的70%，由于海水熱容量大，若僅考慮100m深的表層海水，其熱容量占整個(gè)氣候系統(tǒng)總熱量的95%海洋可以分成 1.混合層（上層水團(tuán)） 2.溫躍層 3.深層水團(tuán)（恒溫層）大平洋典型溫度垂直面海洋上層的溫度受到大氣影響，在海洋表面向下的幾十米的水層里，風(fēng)浪和海流引起的湍流混合十分強(qiáng)烈，海水溫度的垂直變化很小，因此被稱為混合層。但到某一

24、個(gè)高度以后，很快遇到一個(gè)較薄的水層，其海水溫度隨深度的變化特別劇烈，這一區(qū)域被稱之為溫躍層。溫躍層混和層大洋平均溫度典型垂直分布圖6 大洋中典型的密度鉛直向分布1、大氣逆溫層由于太陽短波輻射從地面反射到空氣的，加熱是越接近地面越顯著的，因此隨高度增加，氣溫亦越來越低。一種和此情況相反的，溫度隨高度的增加而增加，稱為逆溫現(xiàn)象；受逆溫現(xiàn)象影響的一段垂直厚度大氣則稱之為逆溫層。 2、平流層 3、海洋溫躍層 溫躍層是位于海面以下溫度和密度有巨大變化的薄薄一層，是上層的薄暖水層與下層的厚冷水層間出現(xiàn)水溫急劇下降的層。溫躍層把變化緩慢的深海與變化迅速的上層海洋分隔開來。 3、鋒面 分隔冷、暖兩種不同性質(zhì)氣

25、團(tuán)之間的狹窄的過渡帶。這個(gè)過渡帶自地面向高空冷氣團(tuán)一側(cè)傾斜。海水密度大于純水，是溫度、鹽度和壓力的函數(shù)鹽度增加時(shí)密度增大；溫度升高時(shí)（高于最大密度的溫度）密度減小海水最大密度的溫度隨鹽度增加而降低51015202503035-1-2-301234-1.332 C溫度(C)鹽度()24.695最大密度的溫度海水冰點(diǎn) 動(dòng)力、熱力性質(zhì)：反射率小、熱容量大、流速小，動(dòng)力、熱力慣性大。變化的時(shí)間尺度：幾個(gè)月幾年(上層海洋) 世紀(jì)尺度(深層海洋) 對(duì)氣候的影響：（1）對(duì)溫度的調(diào)節(jié)作用、水汽源地；（2）海-氣相互作用第二節(jié)巖石圈（陸圈） 組成及結(jié)構(gòu)：地球表層的固體表面，由巖石、土壤和沉積物組成。包括高原、平

26、原、山地、丘陵、盆地等。 熱力性質(zhì): 熱容量小,熱慣性小. 變化的時(shí)間尺度: 山脈形成:105108年;大陸漂移: 106109年;陸塊位置和高度變化:109年以上. 對(duì)氣候的影響：地形的動(dòng)力作用、地表的熱力作用、陸面水循環(huán)冰雪圈 組成及結(jié)構(gòu)：大陸冰原、高山冰川、海冰和地面雪蓋。 熱力性質(zhì)：反射率大 變化的時(shí)間尺度：陸地雪蓋：季節(jié)年際變化;海冰：季節(jié)幾十年際變化;大陸冰原和高山冰川：幾百年幾百萬年. 對(duì)氣候的影響：冰雪面-大氣相互作用冰島的Eyiafjalla冰川(制高點(diǎn)1666m)天山的積雪和冰川這張由美國(guó)航空航天局發(fā)布的衛(wèi)星照片顯示了2006年9月北極地區(qū)海冰的景象 ,面積約為530.95

27、萬平方公里，為自有衛(wèi)星監(jiān)測(cè)以來的最小面積 生物圈 組成：陸地和海洋中的植物，空氣、海洋和陸地生活的動(dòng)物，包括人類本身。 動(dòng)力、熱力、水文等特性：反射率、粗糙度、蒸發(fā)、蒸騰、水份循環(huán)、CO2平衡 變化的時(shí)間尺度：季節(jié)千年 人類活動(dòng)通過改變地表特性和大氣成分對(duì)氣候產(chǎn)生影響。植被2.2 氣候系統(tǒng)的物理、化學(xué)過程在太陽輻射加熱作用下，在大氣中生成了風(fēng)，在海洋中產(chǎn)生了洋流。風(fēng)和洋流反過來又將熱量從過剩的地區(qū)輸送到熱量不足地區(qū)。赤道與極地溫差、地表和大氣高層的溫差、海陸的熱力差異、海陸分布引起的南北半球的熱力差異等等1) 熱力屬性: 空氣、水、陸地表面和冰雪面的溫度2) 動(dòng)力屬性：風(fēng)、洋流及其垂直運(yùn)動(dòng)和冰

28、體運(yùn)動(dòng)3) 水分屬性：空氣濕度、云量、降水量、土壤濕度、河湖水位、冰雪等。4) 靜力屬性：大氣和海水的密度、壓強(qiáng)、大氣的組成、海水鹽度及氣候系統(tǒng)的幾何邊界和物理常數(shù)等。圈層和代表物質(zhì)大氣圈空氣水圈水冰雪圈冰(純)、雪(新鮮)陸地表面粘土(干)生物圈森林密度（103 kg/m3）0.00121.000.920.101.60比熱容（103 J/kg.K)1.004.192.102.090.89熱容量(106J/m3.K)0.00124.191.930.211.42熱傳導(dǎo)(W/m.K)0.0260.582.240.080.25熱擴(kuò)散(10-6m2/s)21.50.141.160.380.18傳導(dǎo)能力

29、(103J/m2.K.s1/2)0.0061.572.080.130.60日穿透深度(m)2.30.20.50.30.2年穿透深度(m)443.610.26.03.9反射率(%)272107084952020連續(xù)性好好可壓縮性較強(qiáng)較弱弱弱粘性小較大大大流動(dòng)性好好差差氣候系統(tǒng)各組成部分屬性的對(duì)比氣候系統(tǒng)的物理過程與生命周期為2-3周以內(nèi)的大尺度天氣系統(tǒng)的物理過程相比，氣候系統(tǒng)的外部加熱起著舉足輕重的作用。大尺度天氣系統(tǒng)的第一近似可視為絕熱系統(tǒng)，而氣候系統(tǒng)則必須考慮非絕熱加熱。這些過程包括：輻射過程、云過程、陸面過程、海洋過程、冰雪過程、氣溶膠過程、碳循環(huán)及生物過程2.3 氣候系統(tǒng)的基本特性氣候系

30、統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的、高度非線性的、開放的局系統(tǒng)有規(guī)則的周期性變化：日變化、年變化等較規(guī)則的周期性變化：準(zhǔn)雙周振蕩、準(zhǔn)兩年振蕩等不規(guī)則的變化：百年增暖、大氣環(huán)流的突變 氣候系統(tǒng)的反饋過程 反饋：氣候系統(tǒng)不同屬性（變量）之間的相互作用，引起氣候?qū)傩缘淖兓Q為反饋。包括正反饋過程和負(fù)反饋過程。正反饋：反饋過程造成的氣候變化與原變化同號(hào)，使氣候變化加劇，產(chǎn)生氣候不穩(wěn)定稱為正反饋。負(fù)反饋：反饋過程造成的氣候變化與原變化反號(hào)，抑制氣候的變化和異常，使氣候趨于穩(wěn)定，稱為負(fù)反饋。正反饋： 冰雪反射率溫度 水汽含量紅外逸出輻射溫度 CO2 海溫 高云（云頂高度）逸出輻射溫度負(fù)反饋： （中低）云量多太陽輻射少穩(wěn)定度

31、大云量少 蒸發(fā)量大水面溫度低蒸發(fā)量小 赤道、極地溫差大熱量輸送大赤道、極地溫差小全球增暖是正反饋、還是負(fù)反饋？2.4 氣候系統(tǒng)的可預(yù)報(bào)性第一類氣候預(yù)報(bào)：對(duì)未來某一具體時(shí)段氣候狀態(tài)的預(yù)報(bào)，其可預(yù)報(bào)性取決于作用于氣候系統(tǒng)的外力和氣候系統(tǒng)相互作用對(duì)大氣影響的可預(yù)報(bào)性。第二類氣候預(yù)報(bào)：與時(shí)間無關(guān)，預(yù)測(cè)氣候?qū)δ骋挥绊懸蛩刈兓捻憫?yīng)。氣候系統(tǒng)的可預(yù)報(bào)性與驅(qū)動(dòng)力外力周期性：日、年變化、米氏周期（米蘭科維奇理論）、銀河周期非周期性：火山爆發(fā)、地震等內(nèi)力周期性：系統(tǒng)內(nèi)部各因子之間相互耦合而成的自持振蕩（ENSO等)非周期性：隨機(jī)性內(nèi)部因子2.5 氣候系統(tǒng)的研究氣候檢測(cè)、氣候診斷、氣候重建、氣候模擬、氣候預(yù)測(cè)，從

32、預(yù)報(bào)角度，大氣運(yùn)動(dòng)分：1.初始場(chǎng)外推中、短期天氣預(yù)測(cè)2.與初始場(chǎng)無關(guān)敏感性試驗(yàn)3.距初始場(chǎng)較遠(yuǎn)短期氣候預(yù)測(cè)第三章氣候系統(tǒng)的能量平衡3.1 太陽輻射3.2 大氣中的輻射傳輸過程3.3 氣候系統(tǒng)的輻射平衡3.4 地氣系統(tǒng)的熱量平衡3.5 全球熱量平衡地球上的經(jīng)線和緯線緯線：垂直于地軸的平面同地球相割而成的圓經(jīng)線：南北線（子午線）本初子午線：通過英國(guó)Greenwich(格林尼治)天文臺(tái)的0經(jīng)線（1884年確定）。緯線和經(jīng)線緯線平面垂直于地軸,經(jīng)線平面都通過地軸經(jīng)度和緯度緯度：一地相對(duì)于赤道平面的南北方向和角度緯度是一種線面角，即本地法線與赤道平面的交角；緯度在本地經(jīng)線上度量，南北緯各分90度。共18

33、0度 （-90，90 ）經(jīng)度：本地子午面的東西方向和角距離經(jīng)度是兩面角，本初子午面為起始面，本地子午面為終面；經(jīng)度通常在赤道上度量，東西經(jīng)各分180度。共360度 （-180 ,180 ），或者（0,360 ） 經(jīng)度和緯度 緯度是線面角，即本地法線與赤道平面的交角； 經(jīng)度是兩面角，即本地子午面與本初子午面的交角。地理坐標(biāo)一地的經(jīng)度和緯度相結(jié)合，叫做該地的地理坐標(biāo) （x，y）（經(jīng)度，緯度）緯向（在同一緯度上） 例如“緯向速度”或者 “緯向風(fēng)” u經(jīng)向（在同一經(jīng)度上） 例如“經(jīng)向速度”或者 “經(jīng)向風(fēng)” v經(jīng)線的間隔隨緯度增大而減小East China Normal University地球圍繞太陽

34、的公轉(zhuǎn)導(dǎo)致了地球出現(xiàn)了，季節(jié)變化、日輻射總量的變化（日出、日落時(shí)間的變化）太陽常數(shù) 1)太陽光譜 2)日地距離 3)太陽輻射強(qiáng)度 第一節(jié)太陽輻射太陽光譜太陽表面溫度約6000oC,其發(fā)出的能量基本為短波輻射日地幾何關(guān)系示意圖春分點(diǎn)Vernal equinoxSummer solstice秋分autumnal equinoxWinter solsticePerihelionaphelion黃道面就是地球的公轉(zhuǎn)軌道所在平面黃道（ecliptic）地球繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道平面與天球相交的大圓 12星座即黃道12宮，是占星學(xué)描述太陽在天球上經(jīng)過黃道的12個(gè)區(qū)域太陽常數(shù): 大氣上界、日地平均距離處、垂直于太

35、陽光線方向、單位時(shí)間、單位面積接收到的所有波長(zhǎng)的太陽輻射能。數(shù)值及單位：日地平均距離： r0=1.496108km近日點(diǎn)日地距離：1.471108km遠(yuǎn)日點(diǎn)日地距離：1.521108km第一節(jié)地球的赤道平面與黃道平面并不重合，而是有一個(gè)交角（二面角），就是黃赤交角。在公元2000年，這個(gè)交角為232621。 太陽高度角是指太陽光的入射方向和地平面之間的夾角天頂角即入射光線與當(dāng)?shù)靥祉敺较颍ǖ孛娣ň€）的夾角（與太陽高度角互余）太陽高度角為90時(shí)，地面接收的太陽輻射？緯度 太陽高度角太陽高度角高度角越大,能量越集中高度角越小,能量越分散第一節(jié)熱帶北溫帶南溫帶北寒帶南寒帶北極圈北回歸線赤道南回歸線南極

36、圈地球的五帶地球公轉(zhuǎn)示意圖第一節(jié)為什么南北回歸線都是23.5 ？如果地球的黃道面與赤道面夾角為0或者90 ，會(huì)怎么樣？大氣上界、任意日地距離時(shí)、垂直于太陽光線方向、單位時(shí)間、單位面積接收到的所有波長(zhǎng)的太陽輻射能。(JM-2S-1)日地平均距離： r0=1.496108km太陽高度角: 太陽光線與地球水平面的夾角第一節(jié)A1B1C1D1面: 垂直于太陽光線ABCD面: 平行于地球水平面任意時(shí)刻,大氣上界,單位時(shí)間、單位面積接收到的太陽輻射能為：(J/M2s)第一節(jié)的取值變化于冬至:春分,秋分:夏至:赤緯太陽赤緯又稱赤緯角，是地球赤道平面與太陽和地球中心的連線之間的夾角 第一節(jié)時(shí)角的取值:地方時(shí)中午

37、12時(shí):向下午方向到地方時(shí)24時(shí):向上午方向到地方時(shí)24時(shí):12時(shí)24時(shí)0時(shí)6時(shí)18時(shí)=0=180 = 180= 180=90=0 =90 =180 h + - = 90太陽赤緯又稱赤緯角，是地球赤道平面與太陽和地球中心的連線之間的夾角 3)照射時(shí)間 日出到日沒的時(shí)間間隔第一節(jié)大氣上界,某一天,水平面單位面積接受的日輻射量:(JM-2)T =1天 = 24h =86400s-0 為日出時(shí)間， 0 為日落時(shí)間 第一節(jié)春秋分時(shí)：赤緯=0，那么0 =/2，不同的緯度帶：赤道上： =0，那么0 =/2，不同的時(shí)間（季節(jié)）：極地上： =/2 ，那么夏半年0 =，冬半年0=0：極地在夏半年0 =，在“夏至

38、”收到的日輻射總量最大：=23.5赤道上： =0，那么0 =/2，春秋分時(shí)=0 ：極地最大的日輻射總量與赤道最大的日輻射總量的比值：sin23.5=1.25倍書上P23 極地最大的日輻射總量與同時(shí)的赤道日輻射總量的比值：tg23.5=1.36倍取太陽常數(shù)為1366 W/m2，算出的日平均日射值Q隨緯度和一年中各天的分布。陰影區(qū)為零日射區(qū)。春分、夏至秋分和冬至的位置以實(shí)線給出，太陽赤緯以虛線繪出。大氣外界日射分布1、由于地球每年一月份最接近太陽，因此南北半球日射不對(duì)稱，南半球大于北半球。2、最大值出現(xiàn)在極點(diǎn)的夏至，因?yàn)闃O晝的緣故。3、低緯年變化小于高緯，低緯年總量大于高緯。4、日射隨緯度變化，夏

39、季小于冬季。3.2 大氣中的輻射傳輸過程大氣對(duì)短波的影響吸收散射反射吸收逆輻射大氣對(duì)長(zhǎng)波的影響第二節(jié)大氣中太陽輻射傳輸過程單色光強(qiáng)度 ：dldz經(jīng)過的路徑是：強(qiáng)度減弱: 地面稱為大氣對(duì)太陽輻射的質(zhì)量削弱系數(shù)(m2g-1)+d 平面平行大氣：大氣水平方向均勻，只考慮垂直方向上變化的大氣模型zh太陽高度角單位時(shí)間、垂直于太陽光線方向上單位面積、單位波長(zhǎng)的輻射能0l=0l從大氣頂?shù)絑高度積分,得大氣上界波長(zhǎng)為的單色光輻射強(qiáng)度為太陽輻射通過大氣介質(zhì)的質(zhì)量,稱為光學(xué)路徑Z高度上波長(zhǎng)為 的單色輻射強(qiáng)度大氣質(zhì)量（單位面積*光學(xué)路徑）:光在大氣中經(jīng)過一定長(zhǎng)度傾斜路徑到達(dá)地表面時(shí), 其經(jīng)歷空間中所含大氣物質(zhì)的質(zhì)

40、量大氣質(zhì)量數(shù)(m):實(shí)際投射條件下的大氣質(zhì)量與垂直投射下的大氣質(zhì)量的比值.引入均質(zhì)大氣高度H0和密度dldz地面+d 平面平行大氣zhAh大陽高度（h）906030105310大氣質(zhì)量數(shù)（m）11.152.05.610.415.427.035.4 大氣透明度如果介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)是均勻的,為常數(shù)令:即為大氣對(duì)單波 的透明系數(shù)描述大氣對(duì)太陽輻射衰減的程度,常用透明系數(shù)表示到達(dá)地面的單色輻射強(qiáng)度為:到達(dá)地面的單色輻射強(qiáng)度為:對(duì)所有波長(zhǎng)積分,得:P 即為大氣對(duì)太陽輻射所有波長(zhǎng)的平均透明系數(shù),簡(jiǎn)稱大氣透明系數(shù).經(jīng)過大氣到達(dá)地面垂直于太陽光線方向上單位面積，單位時(shí)間的太陽輻射能（Jm-2s-1）原子光譜躍遷

41、2022/10/12139氫原子的發(fā)射和吸收示意圖SOLAR SPECTRUM(2).大氣對(duì)太陽輻射的吸收 1）定義：大氣分子被入射太陽輻射激發(fā)，由低能級(jí)躍遷到高能級(jí)的過程稱為吸收。兩能級(jí)的差就是大氣吸收的輻射能量值2）主要吸收氣體氧(O2): 發(fā)生在高層大氣,波長(zhǎng)小于0.26遠(yuǎn)紫外波段,0.175-0.2026 ,0.242-0.26(3).大氣對(duì)太陽輻射的散射 1）定義：大氣質(zhì)點(diǎn)將入射輻射重新向各個(gè)方向輻射出去的一種現(xiàn)象2）特點(diǎn)：強(qiáng)烈地依賴于粒子尺度與入射波長(zhǎng)的相對(duì)大小，分為瑞利散射和米散射大氣散射特征瑞利散射:空氣分子 直徑比波長(zhǎng)小(遠(yuǎn)小于可見光的波長(zhǎng)),散射能力與波長(zhǎng)的四次方成反比米散

42、射:塵?；蚧覊m（氣溶膠）直徑比波長(zhǎng)大,各種波長(zhǎng)的散射能力相等.Mie散射理論是對(duì)處于均勻介質(zhì)中的各向均勻同性的單個(gè)介質(zhì)球在單色平行光照射下的Maxwell方程邊界條件的嚴(yán)格數(shù)學(xué)解。其中 入射光的光強(qiáng)分布數(shù) 3) 效應(yīng)： 到達(dá)地面的太陽輻射減小； 整個(gè)天空大氣亮堂.(4)大氣對(duì)太陽輻射的反射 定義：大氣中云層和較大顆粒的塵埃將太陽輻射中的一部分能量反射到宇宙空間去的過程2) 特點(diǎn)：對(duì)各種波長(zhǎng)無選擇性，云的反射作用最顯著3) 效應(yīng)：到達(dá)地面的太陽輻射顯著減弱.第二節(jié)3.2.2 大氣對(duì)地面輻射的吸收 特點(diǎn): 強(qiáng)烈地吸收,且具有選擇性.大氣窗:713位于地面輻射波段最強(qiáng)處,大氣的吸收率最小,透射率最大

43、,這一波段能量透過大氣射向宇宙空間,將這一波段稱為大氣窗.輻射能是地面和大氣的基本能量來源，在地球系統(tǒng)能量平衡系統(tǒng)中，輻射是最重要的能量形式，其次才是潛熱、感熱有大氣逆輻射3.3 氣候系統(tǒng)的輻射平衡3.3.1 地球面的輻射平衡 S =太陽直接輻射 (經(jīng)過大氣吸收和散射） D =散射輻射 Q =地表總輻射 A =地表反射輻射 F =地面長(zhǎng)波有效輻射 R =地表凈輻射 (吸收的短波-放出的長(zhǎng)波） R= Q A F =(S+D) A F = Q(1a) F參數(shù)化S 太陽直接輻射 （地面）S0 天文輻射量S1 日照百分比（日照時(shí)數(shù)）S =S0 (aS1+bS12) 全陰天S1=0，S=0 ;全晴天S1

44、=1 ， S/ S0 =a+ba、b為局地參數(shù)化的值 散射輻射 太陽輻射 經(jīng)大氣散射后到達(dá)地面的比例系數(shù)大氣渾濁度全球地表總輻射年平均通量密度（Wm-2 )的分布地表總輻射中國(guó)年平均總輻射通量密度的分布(Wm-2) 地表反射輻射 反射率=A/Q影響反射率的因素：太陽高度角、下墊面顏色、干濕度、表面粗糙度植被指數(shù)：NDVI=（CH2-CH1）/（ CH2+CH1）地表長(zhǎng)波有效輻射F =地面長(zhǎng)波有效輻射U =地面輻射（地面向上放射的長(zhǎng)波輻射）G =大氣逆輻射（大氣向下放射的長(zhǎng)波輻射） =大氣相對(duì)輻射率G =地面吸收的大氣逆輻射F = U-G普朗克Planck Law (1901)1901年P(guān)lan

45、ck提出量子化輻射的假設(shè)，對(duì)于絕對(duì)黑體物質(zhì)，單色輻射通量密度與發(fā)射物質(zhì)的溫度和輻射波長(zhǎng)或頻率的關(guān)系。從理論上得出，與實(shí)驗(yàn)精確符合Planck函數(shù)：2022/10/12157第一輻射常數(shù) C1：第二輻射常數(shù) C2：光速 c = 3.0108 m s-1，普朗克常數(shù) h = 6.626210-34 J s-1，波爾茲曼常數(shù) k=1.380610-23 J K-1。由普朗克定律可以得出各種溫度下絕對(duì)黑體的輻射光譜曲線。 2022/10/12158Planck Law (1901)黑體輻射與物質(zhì)組成無關(guān)1、任何溫度的絕對(duì)黑體都放射波長(zhǎng) 0 無窮 mm 的輻射，但溫度不同，輻射能量集中的波段不同。 2、

46、溫度越高，各波段放射的能量均加大。積分輻射能力也隨溫度升高而迅速加大。但能量集中的波段則向短波方向移動(dòng)。（例：鐵） 3、每一溫度下，都有輻射最強(qiáng)的波長(zhǎng)l max，即光譜曲線有一極大值，而且隨溫度升高，l max變小。2022/10/121592022/10/12160620 K380 K斯蒂芬玻耳茲曼定律 Stefan-Boltzmann普朗克定律提出之前，1879年Stefan從實(shí)驗(yàn)得出，后經(jīng)Boltzmann于1884年從熱力學(xué)理論上予以證明。即黑體總輻射通量密度隨溫度的增加而迅速增加，它與絕對(duì)溫度的四次方成正比。因此，溫度的微小變化，就會(huì)引起輻射通量密度很大的變化。 是Stefan-Bo

47、ltzmann常數(shù)，5.66961*10-8Wm2K42022/10/121611893年維恩從熱力學(xué)理論推導(dǎo)出：黑體輻射最大強(qiáng)度的波長(zhǎng)與它的溫度成反比。黑體溫度越高，lmax 愈小。即：隨著溫度的升高，輻射最大值對(duì)應(yīng)的峰值波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)。例如對(duì)6000 K黑體， l max = 0.47 m （藍(lán)色光）由輻射最強(qiáng)的波長(zhǎng)也可以確定絕對(duì)黑體的溫度，光譜方法測(cè)定物體溫度的基礎(chǔ)。維恩Wien位移定律地表凈輻射年總量（Kcalcm-2）的地理分布 地表凈輻射中國(guó)地表凈輻射年平均通量密度分布(W/m2) 3.3.2 地球面的輻射平衡 Q =地表總輻射； a =地表反射率 Q(1a) = 地表吸收的短

48、波輻射 Qa =大氣吸收的短波輻射 as=行星反照率 Fs= F =地-氣系統(tǒng)向外宇宙逸出的長(zhǎng)波輻射 Rs= Q(1a)+ Qa F （地吸收+氣吸收-放出長(zhǎng)波） =S0(1as) Fs （地氣系統(tǒng)吸收-放出長(zhǎng)波）Q(1a) Qa F 地氣系統(tǒng) 全球年均單位時(shí)間(1秒)吸收的太陽輻射為全球單位時(shí)間向外射出長(zhǎng)波輻射為 r為地球半徑,Te為地表輻射平衡溫度(K)設(shè)則Rs = R + Ra地-氣系統(tǒng)凈輻射大氣凈輻射地表凈輻射3.3.3 大氣系統(tǒng)的輻射平衡 Qa =大氣吸收的短波輻射 Ua =大氣吸收的長(zhǎng)波輻射 Ga= 大氣逆輻射（長(zhǎng)波輻射，向地面方向） U =大氣向外宇宙逸出的長(zhǎng)波輻射 F =地-氣

49、系統(tǒng)向外宇宙逸出的長(zhǎng)波輻射 F =地面長(zhǎng)波有效輻射 Rs= Qa+ Ua (Ga+U) = Qa+ (F F) （大氣短波吸收+放出長(zhǎng)波）U大氣大氣輻射差額隨緯度的分布Qa+ Ua Ga+URa Rs= Qa+ Ua (Ga+U)云對(duì)地面凈輻射的影響云使總輻射減弱（云的反射）云使有效輻射增加（大氣逆輻射）地面凈輻射R 減小地面凈輻射R 增大白天或夏季（特別是低緯地區(qū)），云的減弱作用強(qiáng)于增大作用，云量增多，輻射差額減小；夜間或冬季（特別是高緯地區(qū)），云的減弱作用弱于增大作用，云量增多，輻射差額增大。 云的反射Ga= 大氣逆輻射（長(zhǎng)波輻射，向地面方向）第四節(jié)地-氣系統(tǒng)的熱量平衡一、地表熱量平衡1.

50、 定義：地面在獲得輻射差額時(shí)，一方面要升高地表溫度，另一方面將盈余的熱量以湍流顯熱和潛熱向大氣輸送以及向地表活動(dòng)層的分子輸送，長(zhǎng)期平均，其獲得的輻射差額與支出達(dá)到平衡稱為地面的熱量平衡。3.4.1地面熱量平衡方程地面輻射差額地面潛熱通量感熱通量地表與下層的熱量交換地表與上層生物體的化學(xué)、生物過程有關(guān)的能通量第四節(jié)KT 為空氣熱量湍流交換系數(shù)，Cp為定壓比熱，為空氣密度，T 為氣溫第四節(jié)1） 湍流擴(kuò)散理論 感（顯）熱輸送通量 潛熱輸送通量L 為蒸發(fā)潛熱，L 2500(J/g),q 為比濕（單位濕空氣中的水汽質(zhì)量，g/g)水汽湍流交換系數(shù)（1） 湍流: 流體不規(guī)則運(yùn)動(dòng)_渦動(dòng).2）湍流與湍流通量任何

51、物理量都可以表示為平均量與脈動(dòng)(擾動(dòng))量之和,流動(dòng)也一樣,即 （2） 湍流（渦動(dòng)）通量: 單位時(shí)間內(nèi)湍流運(yùn)動(dòng)輸送的物理量(熱量、水汽等）垂直方向渦動(dòng)熱通量=垂直方向渦動(dòng)水汽通量=垂直方向渦動(dòng)動(dòng)量通量=2） 渦動(dòng)相關(guān)法分別是垂直速度、溫度、比濕和水平運(yùn)動(dòng)的脈動(dòng)值，湍流脈動(dòng)儀觀測(cè)采樣頻率一般為10Hz 3） 總體空氣動(dòng)力學(xué)方法 熱量總體輸送系數(shù) T0,T 地面及z高度的溫度U 是z高度風(fēng)速 感（顯）熱輸送通量第四節(jié)水汽總體輸送系數(shù)地面及z高度比濕 潛熱輸送通量（3）地面與下層間的熱量交換為土壤導(dǎo)熱系數(shù)，為土壤溫度為土壤導(dǎo)溫系數(shù)為土壤密度為土壤比熱（J/gC）Z（1） 理論公式（4）.地面冷、熱源（

52、1）定義：某一地區(qū)地表有湍流熱量向大氣輸送，稱該地區(qū)為熱源，反之為地面冷源（熱匯）。（2）方程式：熱源冷源5） 地表熱量平衡的分布感熱輸送年總量分布 （單位：kcalcm-2a-1） 中國(guó)年平均感熱通量密度的分布（單位：kcalcm -2.a -1） 全球潛熱輸送年總量的地理分布（Kcalcm -2） 中國(guó)年平均潛熱通量密度的分布（W/m2） 洋面與深層水體的熱量輸送年總量的地理分布(Kcalcm -2) 6） 地表面熱量平衡的緯圈平均緯度帶陸地海洋全球RLEHRLEHC0RLEHC07060N60505040403030202010100010S10202030304040505060全年平

53、均92113401884242826803098330833083140297125961842146520936709631047963796134023872554188411721214921921113025137783714651884175892174512561800138292154496396318001680376846475066519153175108456438523014192638101298196828054019456348994354415447314438343321351465343392179567058629329329325137746146125

54、1377377-1256-963-795-837-209-1265449210-335-4262884092115492261318239354564477348574689418736842972192633078371382188427213140397838943768410336843182209314652763461544754963879670418377586754586293377544-377-377-377-502-84-844617120-251-84586840全球表面熱量平衡各分量的緯圈年平均值 (MJ/m2） Rs = R + RaR = LE+H+C0R 參考圖

55、3.7二、大氣的熱量平衡1.定義：自地面伸展到大氣頂?shù)膯挝唤孛娣e垂直空氣柱內(nèi)所有熱通量的代數(shù)和。2. 方程式大氣柱輻射差額大氣柱熱含量變化熱平流引起的熱交換降水的潛熱釋放等號(hào)右側(cè)支出為正，收入為負(fù) 大氣中的熱量平衡分布 3.各分量的經(jīng)向分布Rs = R + RaRa = Lr+H+CaR 參考圖3.12等號(hào)右側(cè)支出為正，收入為負(fù)Rs = R + Ra三、地-氣系統(tǒng)的熱量平衡1.定義：下墊面及其以下活動(dòng)層（溫度日、年變化波及的深度）和大氣柱內(nèi)的熱量收支狀況。2.方程大洋上：陸地上：等號(hào)右側(cè)支出為正，收入為負(fù)全球熱量平衡第五節(jié)一、熱量的經(jīng)向輸送地-氣系統(tǒng)年平均吸收輻射(曲線I)射出輻射（曲線）指向

56、極地的能量輸送(曲線) 地氣系統(tǒng)向極能量輸送各分量(以1019千卡為單位)的年平均緯度分布 3、熱量輸送的經(jīng)向分布RsCaQwL(E-r)洋流熱通量：與橫軸交于2N，由此分別向南、北輸送高點(diǎn)： 20 附近，74%凈通量：年平均：40附近最大；季節(jié)：冬季大、夏季小潛熱熱通量：與橫軸交于5N、23附近，由此分別向南、北輸送40 附近、10 附近大氣熱通量：與橫軸交于5N（熱赤道），由此分別向南、北輸送。兩個(gè)高點(diǎn)：20附近、5060間本章小結(jié)地表總輻射地表有效輻射天文輻射大氣的影響大氣逆輻射地表放射輻射地表輻射差額地-氣熱量，水分湍流交換，地面與下層的熱量交換地表熱量平衡熱量經(jīng)向輸送全球熱量平衡地表

57、溫度局地氣溫和濕度全球氣候第四章氣候系統(tǒng)的水循環(huán)第一節(jié) 水的物理性質(zhì)第二節(jié) 氣候系統(tǒng)中的水第三節(jié) 水分循環(huán)第四節(jié) 地表面蒸發(fā)第五節(jié) 大氣中的水分第六節(jié) 降水第七節(jié) 徑流第八節(jié) 氣候系統(tǒng)的水分平衡第一節(jié) 水的物理性質(zhì)第二節(jié) 氣候系統(tǒng)中的水一、水的物理性質(zhì)熱力屬性：傳熱率、比熱容二、氣候系統(tǒng)中的水1、氣候系統(tǒng)的水組成海洋水：海洋是水圈的主體，是地球上水的最大源地。約占地球總水量的96%97%。陸地水：河流；湖泊；沼澤；地下水；冰川。2、氣候系統(tǒng)水的更新速度水體類別更新時(shí)間（年）水體類別更新時(shí)間極地冰川10000土壤水1年海洋2500河流水16日高山冰川1600大氣水8日深部地下水1400生物水幾個(gè)

58、小時(shí)湖泊水17全球2400年沼澤水5地球上各種水體重水的更新時(shí)間25.2106km3全球水圈系統(tǒng)大氣圈中的水雨、霧、露雪、雹、霰、水水蒸汽生物圈中的水體液（細(xì)胞外液）細(xì)胞液（細(xì)胞內(nèi)液）生物聚合水化物（鍵合水）地表圈中的水陸地水海洋水泉水、沼澤水池水、塘水、湖水、冰蓋和雪蓋江水、河水、冰川河口區(qū)水淺海水大洋水海洋沉積物孔隙水巖石圈中的水地下水巖漿水聚合水土壤水1350106km3占全球總水量的97%0.0006106km30.013106km38.4106km34.3 氣候系統(tǒng)的水分循環(huán) 海洋13501015m3陸地33.61015m3大氣0.0131015m3冰川25地下水（活躍）8.4湖河0

59、.2生物圈0.0006E=3611012m3/YearR0=371012m3/YearP=3611012m3/YearE=621012m3/YearP=991012m3/Year1117140385425水循環(huán)1.定義： 水分循環(huán)：水在氣候系統(tǒng)各圈層間的永無 休止的循環(huán)運(yùn)動(dòng)；外循環(huán)（大循環(huán)）：水分由海洋輸送到陸 地，又回到海洋的循環(huán)；內(nèi)循環(huán)（小循環(huán)）：由海洋（陸地）通過 蒸發(fā)的水汽，再以降水的形式直接落 到海洋（陸地）的循環(huán)。水循環(huán)土壤水分(w)陸地水循環(huán)海洋水循環(huán)全球水循環(huán)裸地蒸發(fā)雪3851112.水分循環(huán)的成因：水循環(huán)內(nèi)因：水的三種狀態(tài)及其 相互轉(zhuǎn)化外因：熱力（太陽輻射）和動(dòng)力 （地球引力

60、）條件3.水分循環(huán)尺度 全球水循環(huán)區(qū)域水循環(huán)水-土-植系統(tǒng)水循環(huán)地表徑流下滲降水植物截流土壤水分儲(chǔ)蓄滲透毛管水淺層地下水儲(chǔ)蓄越流補(bǔ)給深層地下水儲(chǔ)蓄植物蒸騰土壤蒸發(fā)地下水蒸發(fā)陸 面 蒸 發(fā)降水地表徑流壤中徑流不透水面降水蒸發(fā)河 川 儲(chǔ) 蓄河川徑流海洋蒸發(fā)降水水面蒸發(fā)水汽輸送地下徑流 氣候系統(tǒng)內(nèi)不同尺度水分循環(huán) 4. 水分循環(huán)的意義 ：將氣候系統(tǒng)各圈層緊密聯(lián)系在一起，形成有機(jī)整體；輸送地球上的能量和物質(zhì)；使海洋和陸地聯(lián)系更緊密；可再生資源。 都江堰長(zhǎng)江三峽大壩“之最世界防洪效益最為顯著水利工程；世界最大的電站；世界工程量最大的水利工程；世界施工難度最大的水利工程；施工期流量最大的水利工程；世界泄洪