氣象學(xué)與氣候?qū)W第二章課件

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大氣的熱能和溫度212021/2/22氣象學(xué)與氣候?qū)W第二章氣象學(xué)與氣候?qū)W第二章氣象學(xué)與氣候?qū)W第二章第二章

大氣的熱能和溫度22021/2/22第二章

大氣的熱能和溫度22021/2/22鳳凰網(wǎng)資訊

:中國北方強(qiáng)降溫內(nèi)蒙迎今年首場降雪2010年09月17日07:59鳳凰衛(wèi)視受冷空氣東移的影響，中國北方部分地區(qū)出現(xiàn)大幅降溫天氣，內(nèi)蒙古甚至降下近幾年來、最早的一場雨夾雪。呼倫貝爾根河巿，15號降下了近幾年來，入秋后最早的一場雨雪。伴降著冰雹，風(fēng)雪持續(xù)了近六個小時。當(dāng)?shù)?6號最低溫度降至零下攝八度。32021/2/22鳳凰網(wǎng)資訊:中國北方強(qiáng)降溫內(nèi)蒙迎今年首場降雪受冷空氣東移第一節(jié)太陽輻射第二節(jié)地面和大氣輻射第三節(jié)大氣的增溫和冷卻章節(jié)介紹第四節(jié)大氣溫度隨時間的變化第五節(jié)大氣溫度的空間變化42021/2/22第一節(jié)太陽輻射第二節(jié)地面和大氣輻射第三節(jié)

1、輻射：自然界中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。2、輻射能：通過輻射傳播的能量稱為輻射能。它是通過電磁波的方式傳輸?shù)摹挝皇牵航苟↗）。3、輻射通量密度（E）：單位時間內(nèi)通過單位面積的輻射能量。它分為入射輻射通量密度和放射輻射通量密度。4、輻射強(qiáng)度（I）：單位時間內(nèi)，通過垂直于投射在單位面積上的輻射能。5、輻射光譜：是輻射能按波長分布的函數(shù)。它能確定物體的輻射特性。一、輻射的基本概念

52021/2/221、輻射：自然界中一切物體都以電磁波的方式向四周放射能量，6、吸收率（a）：物體吸收的輻射與投射于其上的輻射之比。7、反射率（r）：物體反射的輻射與投射于其上的輻射之比。8、透射率（d）：透過物體的輻射與投射于其上的輻射之比。物體的吸收率、反射率和透射率隨輻射的波長和物體的性質(zhì)而改變。62021/2/226、吸收率（a）：物體吸收的輻射與投射于其上的輻射之比。62電磁波譜72021/2/22電磁波譜72021/2/22二、輻射的基本定律基爾荷夫定律斯蒂芬-玻耳茲曼定律維恩位移定律82021/2/22二、輻射的基本定律基爾荷夫定律斯蒂芬-玻耳茲曼

它的基本形式為：KλT=eλT它表明：①對于不同物體而言，放射能力較強(qiáng)的，其吸收能力也強(qiáng)。黑體的吸收率最大，所以它也是最好的放射體。②對于同一物體而言，如果在溫度T時，它放射某一波長的輻射，那么在同樣T下，它也吸收同一波長的輻射。

基爾霍夫定律說明，不管什么物體，只要T、λ相同，它的放射率和吸收率的比值是一樣的。

基爾霍夫定律適用于處于輻射平衡的任何物體，對流層、平流層和地表均可看作是處于輻射平衡狀態(tài)，因此可直接應(yīng)用這一定律。

基爾霍夫定律92021/2/22它的基本形式為：KλT=eλT斯蒂芬-玻耳茲曼定律

由實(shí)驗(yàn)得知，物體的放射能力是隨溫度、波長而改變的。隨著溫度的升高，黑體對各波長的放射能力都相應(yīng)地增強(qiáng)。因而物體放射的總能量（即曲線與橫坐標(biāo)之間包圍的面積）也會顯著增大。根據(jù)研究，黑體的總放射能力與它本身的絕對溫度的四次方成正比。即

ETb=σT4

上式稱斯蒂芬-波耳茲曼定律。式中σ=5.67×10-8W/（m2·K4）為斯蒂芬-波耳茲曼常數(shù)。102021/2/22斯蒂芬-玻耳茲曼定律由實(shí)驗(yàn)得知，物體的放射黑體放射能力與波長、溫度的關(guān)系112021/2/22黑體放射能力與波長、溫度的關(guān)系112021/2/22維恩位移定律

黑體單色輻射極大值所對應(yīng)的波長（λm）是隨溫度的升高而逐漸向波長較短的方向移動的。根據(jù)研究，黑體單色輻射強(qiáng)度極大值所對應(yīng)的波長與其絕對溫度成反比，即

λmT=C

上式為維恩定律表明。如果波長以微米為單位常數(shù)C=2896μm.K。則：

λmT=2896μm.K

這表明：物體的溫度愈高，其單色輻射極大值所對應(yīng)的波長愈短；反之，物體的溫度愈低，其輻射的波長則愈長。

122021/2/22維恩位移定律黑體單色輻射極大值所對應(yīng)的波長三、太陽輻射太陽輻射光譜和太陽常數(shù)太陽輻射光譜——太陽輻射中，輻射能按波長大小的分布。大氣上界的太陽輻射光譜是在0.1-5微米的范圍內(nèi)，其中99%以上的能量集中在0.15-4微米之間，且主要分布在可見光和紅外區(qū)，其中可見光占太陽輻射總量的50%，并以0.475微米附近的輻射能量最強(qiáng)，這一波長相當(dāng)于青光；紅外區(qū)占總能的43%，紫外區(qū)只占7%。太陽常數(shù)——就日地平均距離而言，在大氣上界垂直于太陽光線的1cm2的面積，1分鐘獲得的太陽輻射能。用IO來表示。132021/2/22三、太陽輻射太陽輻射光譜和太陽常數(shù)太陽輻射光譜——太陽輻射中大氣對太陽輻射的吸收水汽——主要集中在紅外區(qū)。太陽輻射因水汽的吸收可以減少4-15%。所以，大氣因水汽直接吸收太陽輻射而引起的增溫并不顯著。臭氧——在可見光區(qū)、紫外區(qū)都有較強(qiáng)的吸收帶，但因大氣中臭氧含量甚微，故大氣因臭氧直接吸收太陽輻射而引起的增溫不顯著。CO2——對太陽輻射的吸收僅在紅外區(qū)的4.3微米處，該區(qū)域太陽輻射強(qiáng)度小，被吸收后對整個太陽輻射并無多大影響。結(jié)論：大氣對太陽輻射的吸收帶均位于太陽輻射光譜兩端的低能區(qū)，大氣成分對太陽輻射的減弱并不明顯。也即大氣因直接吸收了太陽輻射而引起的增溫不明顯。因此說，太陽輻射并不是低層大氣的直接熱源。---主要由于地面散射。太陽輻射在大氣中的減少142021/2/22大氣對太陽輻射的吸收水汽——主要集中在紅外區(qū)。太陽輻射因水汽1、當(dāng)太陽輻射遇到的是直徑比波長小的空氣質(zhì)點(diǎn)時，波長越短，散射越強(qiáng)。這被稱為分子散射或蕾利散射。解釋現(xiàn)象：雨過天晴，天空呈蔚藍(lán)色。2、當(dāng)太陽輻射遇到的是直徑比波長要大的空氣質(zhì)點(diǎn)時，此時各波段的電磁波均被散射，這叫粗粒散射、米散射或漫射。解釋現(xiàn)象：灰色而渾濁的天空大氣對太陽輻射的散射

152021/2/221、當(dāng)太陽輻射遇到的是直徑比波長小的空氣質(zhì)點(diǎn)時，波長越短，散云的反射最強(qiáng)，對太陽輻射的反射可達(dá)50-55%。結(jié)論：在吸收、散射和反射三種方式中，反射最主要，散射次之，吸收最少。---從大氣對太陽輻射的減弱的影響程度。就全球平均狀況而言，太陽輻射有30%被反射和散射到宇宙空間，20%被吸收，50%可直接到達(dá)地面。解釋現(xiàn)象：日出、日落，太陽四周呈紅色。云層、塵埃的反射

162021/2/22云的反射最強(qiáng)，對太陽輻射的反射可達(dá)50-55%。結(jié)論：在吸收到達(dá)地面的太陽輻射

太陽輻射經(jīng)過大氣層的吸收、反射和散射后剩余的50%就可到達(dá)地面。到達(dá)地面的太陽輻射有兩部分：一是太陽以平行光線的形式直接投射到地面上的，稱為太陽直接輻射；一是經(jīng)過散射后自天空投射到地面的，稱為散射輻射，兩者之和稱為總輻射。

一、直接輻射二、散射輻射三、總輻射172021/2/22到達(dá)地面的太陽輻射太陽輻射經(jīng)過大氣層的吸收太陽直接輻射的強(qiáng)弱和許多因子有關(guān)，其中最主要的有兩個，即太陽高度角和大氣透明度。太陽高度角的大小對太陽直接輻射的影響有兩個方面。①高度大小不同，影響到太陽輻射投射到地面上的面積的大小。

②太陽高度角的大小，還直接影響到太陽輻射通過大氣層的厚度和大氣質(zhì)量。一般以太陽高度角為90o（直射），在地面為標(biāo)準(zhǔn)氣壓（海平面壓力為1013hPa）時，太陽光垂直投射到地面所經(jīng)路程中，單位截面積的空氣柱的質(zhì)量，稱為一個大氣質(zhì)量。直接輻射182021/2/22太陽直接輻射的強(qiáng)弱和許多因子有關(guān)，其中最主要的有兩個，即太陽大氣透明度在相同的大氣質(zhì)量下，到達(dá)地面的太陽輻射也不完全一樣，因?yàn)檫€受大氣透明度的影響。一個地區(qū)在一天中大氣透明度的變化很小，所以影響直接輻射的主要因子是太陽高度角。192021/2/22大氣透明度192021/2/22直接輻射有顯著的年變化、日變化和隨緯度的變化。這種變化主要由太陽高度角決定。①同一地區(qū)，在一天當(dāng)中日出、日沒時太陽高度最小，直接輻射最弱；中午太陽高度角最大，直接輻射最強(qiáng)。同樣道理，在一年當(dāng)中，直接輻射在夏季最強(qiáng)，冬季最弱。但是，有的地區(qū)夏季云量多，云層厚直接輻射的最大值在盛夏前后。②不同地區(qū)，低緯度地區(qū)一年各季太陽高度角都很大，地表面得到的直接輻射較中、高緯度地區(qū)大得多。太陽輻射的時空變化202021/2/22直接輻射有顯著的年變化、日變化和隨緯度的變化。這種變化主要由

散射輻射也要受太陽高度、大氣透明度的影響，同時與云量、海拔高度有關(guān)。在上述因子影響下，表現(xiàn)為隨高度腳增大而增大，隨大氣透明度變小而增大，隨云量增多而增多，隨海拔增大而減小。散射輻射212021/2/22

地面獲得的總輻射一般來說是隨著太陽高度的增大而增大隨大氣透明度的提高而增大。一天中，日出以前，地面上總輻射的收入不多，其中只有散射輻射；日出以后，隨著太陽高度的升高，太陽直接輻射和散射輻射逐漸增加。但前者增加得較快，即散射輻射在總輻射中所占的成分逐漸減?。坏街形鐣r太陽直接輻射與散射輻射強(qiáng)度均達(dá)到最大值；中午以后二者又按相反的次序變化。云的影響可以使這種變化規(guī)律受到破壞。例如，中午云量突然增多時，總輻射的最大值可能提前或推后，這是因?yàn)橹苯虞椛涫墙M成總輻射的主要部分，有云時直接輻射的減弱比散射輻射的增強(qiáng)要多的緣故。在一年中總輻射強(qiáng)度（指月平均值）在夏季最大，冬季最小。

總輻射隨緯度的分布一般是，緯度愈低，總輻射愈大。反之就愈小。太陽總輻射大時，地面獲得的熱量就多，地面溫度就高，所以地面溫度的年際變化實(shí)質(zhì)上就是太陽總輻射的年際變化?？傒椛?22021/2/22地面獲得的總輻射一般來說是隨著太陽高度的增大而增大隨大氣透明投射到地面的太陽輻射，并非完全被地面所吸收，其中一部分被地面所反射。地表對太陽輻射的反射率，決定于地表面的性質(zhì)和狀態(tài)。陸地表面對太陽輻射的反射率約為10％—30％。地面對太陽輻射的反射

232021/2/22投射到地面的太陽輻射，并非完全被地面所吸收，其中一部分被地面第二節(jié)地面和大氣的輻射

一、地面和大氣的輻射

二、地面有效輻射三、地面及地-氣系統(tǒng)的輻射差額242021/2/22第二節(jié)地面和大氣的輻射

一、地面和大氣的輻射二

地面和大氣一方面要吸收太陽輻射，同時也依據(jù)其本身的溫度時刻不停的向外放出輻射。地面的平均溫度為300K（27℃），對流層的平均溫度約為250K（-23℃）。在這樣的溫度下，地面和大氣的輻射主要集中在3—120μm的波長范圍內(nèi)，這些都是用肉眼直接看不到的紅外輻射。太陽輻射波長的波長范圍為0.15—4μm，地面輻射和大氣輻射要比太陽輻射長的多。因此地面和大氣輻射為長波輻射，太陽輻射為短波輻射。長波輻射是地面和大氣之間進(jìn)行熱量交換的重要方式，大氣直接吸收的太陽輻射很少，僅占整個大氣層太陽輻射的24%，所以大氣主要靠地面的長波輻射而增溫。一、地面和大氣的輻射252021/2/22地面和大氣一方面要吸收太陽輻射，同時也依據(jù)其大氣對地面的保溫作用大氣上界地面地面增溫地面輻射射向宇宙空間大氣吸收“太陽暖大地”“大氣還大地”“大地暖大氣”大氣輻射射向地面太陽輻射大氣吸收地面吸收大氣反射與散射`262021/2/22大氣對地面的保溫作用大氣上界地面地面增溫地射向宇宙空間大氣

地面有效射是指地面通過長波輻射向外放出的輻射（Eg）與地面吸收的大氣逆輻射（δEa）之差，以F0表示，則F0=Eg-δEa(2·20)。地面有效射也即地面通過長波輻射實(shí)際損失的熱量。由于地面溫度高于大氣溫度，地面有效輻射為正值。這意味著通過長波輻射的放射和吸收，地表面經(jīng)常失去熱量。地面有效輻射的大小，同地面溫度和底層大氣溫度之間差值有關(guān)，差值越大，有效輻射也越大。同時地面有效輻射的大小還與大氣濕度、云況和云量等有關(guān)系。云不僅能強(qiáng)烈吸收地面輻射，同時也能強(qiáng)烈的向地面放出輻射，以增強(qiáng)大氣逆輻射，從而緩解地面失熱的程度。正因如此，在冬季有云的夜晚通常比無云的夜晚要暖一些。在冬季，釋放“人造夜幕彈”防霜凍的原理也即如此。P322、大氣中長波輻射的特點(diǎn)（一，二，三）地面有效輻射272021/2/22地面有效射是指地面通過長波輻射向外放出的輻射輻射差額=收入輻射-支出輻射在沒有其它方式進(jìn)行熱交換時，輻射差額決定物體的升溫或降溫。輻射差額不為零，表明物體收支的輻射能不平衡，會有升溫或降溫產(chǎn)生。輻射差額為零時，物體的溫度保持不變。地面的輻射差額地面輻射能的與支出之差，稱為地面的輻射差額。輻射差額數(shù)值的大小，可反映溫度升降的程度。因此，地面溫度與近地面空氣溫度的高低變化特點(diǎn)，在很大程度上決定于地面輻射差額的大小。

1、地面輻射差額表達(dá)式：Rg=（Q+q）（1-a）-F0（2·21）式中Rg表示單位水平面積、單位時間的輻射差額，（Q+q）是到達(dá)地面的太陽總輻射，即太陽直接輻射和散射輻射之和；a為地面對總輻射的反射率；F0為地面的有效輻射。

地面及地-氣系統(tǒng)的輻射差額282021/2/22輻射差額=收入輻射-支出輻射地面的輻射差額1、地面輻射差額表

一天中，地面輻射的差額白天為正值，夜間為負(fù)值。由負(fù)值轉(zhuǎn)到正值的時刻一般在日出后1h左右，由正值轉(zhuǎn)到負(fù)值的時刻一般在日落前1h左右。年變化隨緯度而異，緯度愈低，輻射差額保持正值的月份愈多，反之愈少。我國大部分地區(qū)處中緯度地帶，其輻射差額的年際變化隨緯度和地理條件而異。就全國而言，夏季輻射差額大，冬季小。但在個別地區(qū)也有差異，如昆明的輻射差額的最大值出現(xiàn)在濕季來臨前的春末夏初。（干季——熱季——濕季）地面輻射差額的時空分布292021/2/22一天中，地面輻射的差額白天為正值，夜間為負(fù)值輻射差額以南、北緯30°附近為轉(zhuǎn)折點(diǎn)。在北半30°N以南的輻射差額為正值，以北為負(fù)值。輻射差額的這種分布，使低緯度地區(qū)有多余能量以大氣環(huán)流和洋流形式輸往高緯度地區(qū)。有明顯的日變化和年變化。在一日內(nèi)白天收入的太陽輻射超過支出的長波輻射，故輻射平衡為正值，夜間輻射平衡為負(fù)值。正轉(zhuǎn)負(fù)和負(fù)轉(zhuǎn)正的時刻，分別出現(xiàn)在日沒前和日出后1小時302021/2/22輻射差額以南、北緯30°附近為轉(zhuǎn)折點(diǎn)。在北半30°N以南的大氣輻射差額Ra=qa+F0-F∞Qa表示整個大氣吸收的太陽輻射，F(xiàn)0和F∞分別表示地面及大氣上界的有效輻射。312021/2/22大氣輻射差額Ra=qa+F0-F∞Qa表示整個大氣吸收的太陽地-氣系統(tǒng)的輻射差額

單獨(dú)地去研究地面或大氣輻射差額是很麻煩的，但如果把地面和大氣看作一個系統(tǒng)（整體）來研究就方便的多。其總輻射差額為：Rs=（Q+q）（1-a）+qa-F∞

（2·23）地-氣系統(tǒng)的輻射差額隨緯度的增高而由正值變?yōu)樨?fù)值。在S、N35°之間為正值，在此范圍之外的中高緯地區(qū)為負(fù)值。也就是說在低緯地區(qū)有熱量盈余，高緯有熱量虧損。如果高低緯之間沒有熱量交換，那么低緯地區(qū)的溫度將因?yàn)橛袩崃坑喽粩嗌撸呔晞t下降。但多年觀測表明，高、低緯地區(qū)的溫度變化非常微弱。因此，高低緯間必然存在著熱量交換，其中熱量輸送者正是大氣運(yùn)動和海水運(yùn)動322021/2/22地-氣系統(tǒng)的輻射差額單獨(dú)地去研究地面或大氣

海陸的增溫和冷卻的差異水面與陸面的比熱不同水面和陸面對太陽輻射的吸收和反射不同水面和陸面的導(dǎo)熱方式不同。海水對太陽輻射基本上是透明的海水有充足的水源，它的蒸發(fā)量大，失熱較多，水溫不易升高。海面之上水汽較多，故氣溫不易下降。陸面正好相反第三節(jié)大氣的增溫和冷卻

所以：大陸受熱快、冷卻也快、溫度升降變化大。而海洋則溫度變化緩慢。332021/2/22海陸的增溫和冷卻的差異水面與陸面的比熱不同水

空氣內(nèi)能變化的原因：氣溫的非絕熱變化:是空氣與地面和太陽有熱量交換，因而引起空氣內(nèi)能的增減；氣溫的絕熱變化:是做升降運(yùn)動的氣塊在升降過程中，同周圍大氣間熱量交換很少，但由于體積的大小隨氣壓的變化而變化，進(jìn)而影響到內(nèi)能的增減。這兩種形式都可導(dǎo)致空氣內(nèi)能的增減，進(jìn)而導(dǎo)致氣溫的升降。非絕熱變化是引起對流層大氣溫度變化的根本原因;絕熱變化只發(fā)生在某一做升降運(yùn)動的氣塊中，對整個對流層大氣來講沒任何影響。因而非絕熱變化和絕熱變化兩者性質(zhì)不同。

空氣的增溫和冷卻342021/2/22空氣內(nèi)能變化的原因：空氣的增溫傳導(dǎo)；輻射；對流；湍流；蒸發(fā)和凝結(jié)（包括升華、凝華）多種方式同時存在的。氣溫的非絕熱變化

是空氣與地面和太陽有熱量交換，

熱交換形式：352021/2/22傳導(dǎo)；氣溫的非絕熱變化

是空氣與地面和太陽有熱量交換，

熱交氣溫的絕熱變化

絕熱變化是指氣塊與外界無熱量交換的情況下，由于內(nèi)部能量的轉(zhuǎn)化而引起的溫度變化。這種變化一般出現(xiàn)在垂直運(yùn)動的氣塊中。

氣溫的絕熱變化又視氣塊內(nèi)有無水的三態(tài)變化（相變）而分為兩種情況：一是如果氣塊在升降過程中無水的三態(tài)變化，與外界無熱量交換，這叫干絕熱變化；二是如果氣塊在垂直運(yùn)動過程中有水的三態(tài)變化，則叫濕絕熱變化。362021/2/22氣溫的絕熱變化絕熱變化是指氣塊與外界無熱量干絕熱方程---泊松方程

干空氣和濕空氣的絕熱過程飽和濕空氣在垂直方向上上升時，氣體因膨脹降溫，但水汽因冷卻發(fā)生凝結(jié)時釋放潛熱。濕空氣絕熱方程372021/2/22干絕熱方程---泊松方程干空氣和濕空氣的絕熱過程飽和濕空氣濕絕熱直減率：飽和濕空氣在垂直方向上上升或下降單位距離的溫度變化值，用γm來表示。氣溫直減率：為整個對流層的平均氣溫直減率；γ干絕熱直減率：為干空氣塊做絕熱升降運(yùn)動時的氣溫直減率，是氣塊內(nèi)部本身的溫度變化。常數(shù)。濕絕熱直減率：為濕空氣塊做絕熱升降運(yùn)動時的氣溫直減率，γm可能大于γ，也可能小于γ，但永遠(yuǎn)小于γd干絕熱直減率:干空氣塊上升或下降單位距離時的溫度變化值，稱干絕熱直減率，以γd表示。0.98℃

/100m氣溫直減率：周圍大氣的溫度隨高度的分布情況，用γ表示。382021/2/22濕絕熱直減率：飽和濕空氣在垂直方向上上升或下降單位距離的溫度空氣溫度的個別變化和局地變化三個方面的因子：空氣平流運(yùn)動傳熱過程；空氣垂直運(yùn)動傳熱過程；熱流入。392021/2/22空氣溫度的個別變化和局地變化三個方面的因子：392021/2大氣穩(wěn)定度大氣穩(wěn)定度：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。表示大氣層是否易于發(fā)生發(fā)生對流運(yùn)動。大氣穩(wěn)定度的判斷的方法：

402021/2/22大氣穩(wěn)定度大氣穩(wěn)定度：氣塊受任意方向擾動后，返回或遠(yuǎn)離原平衡大氣穩(wěn)定度判斷的結(jié)論：⑴γ愈大，大氣愈不穩(wěn)定；γ愈小，大氣愈穩(wěn)定。如果γ很小，甚至等于零（等溫）或小于零（逆溫），那將是對流發(fā)展的障礙。所以習(xí)慣上常將逆溫、等溫以及γ很小的氣層稱為阻擋層。⑵當(dāng)γ＜γm時，不論空氣是否達(dá)到飽和，大氣總是處于穩(wěn)定狀態(tài)的，因而稱為絕對穩(wěn)定；當(dāng)γ＞γd時則相反，因而稱為絕對不穩(wěn)定。⑶當(dāng)γd＞γ＞γm時，對于作垂直運(yùn)動的飽和空氣來說，大氣是處于不穩(wěn)定狀態(tài)的；對于作垂直運(yùn)動的未飽和空氣來說，大氣又是處于穩(wěn)定狀態(tài)的。這種情況稱為條件性不穩(wěn)定狀態(tài)。

412021/2/22大氣穩(wěn)定度判斷的結(jié)論：412021/2/22第四節(jié)大氣溫度隨時間的變化氣溫的周期性變化日變化年變化氣溫的非周期性變化422021/2/22第四節(jié)大氣溫度隨時間的變化氣溫的周期性變化日變化年變化氣氣溫的日變化特點(diǎn)1：1天中有1個氣溫最大值和1個最小值，最大值出現(xiàn)在午后2點(diǎn)鐘左右，最小值出現(xiàn)在日出前后。

變化的原因特點(diǎn)2：氣溫的日較差大小與緯度、季節(jié)和其它自然地理條件有關(guān)。

日較差432021/2/22氣溫的日變化特點(diǎn)1：1天中有1個氣溫最大值和1個最小值，最大氣溫的年變化變化規(guī)律：北半球陸地、海洋最熱月分別是7月、8月；最冷月分別是1月、2月。氣溫年較差442021/2/22氣溫的年變化變化規(guī)律：北半球陸地、海洋最熱月分別是7月、8月氣溫的非周期性變化452021/2/22氣溫的非周期性變化452021/2/22第五節(jié)氣溫的空間分布一、水平分布二、對流層中氣溫的垂直分布影響水平分布的因素水平分布的描述全球海平面氣溫分布特征垂直分布情況逆溫462021/2/22第五節(jié)氣溫的空間分布一、水平分布二、對流層中氣溫的垂直分布?xì)鉁氐乃椒植加绊懛植嫉囊蛩?/p>

太陽輻射海陸分布大氣環(huán)流海拔高度水平分布：P54-55472021/2/22氣溫的水平分布影響分布的因素太陽輻射海陸分布大氣環(huán)流對流層中氣溫的垂直分布對流層氣溫垂直分布情況：r=0.65℃/100mR為變量，在不同層次上r值并不同。逆溫輻射逆溫平流逆溫湍流逆溫鋒面逆溫下沉逆溫482021/2/22對流層中氣溫的垂直分布對流層氣溫垂直分布情況：r=0.65℃一、基本概念可見光譜長波輻射短波輻射黑體白體灰體輻射三定律太陽常數(shù)蕾利（分子）散射米散射（漫射）1個大氣質(zhì)量大氣之窗大氣逆輻射溫室效應(yīng)地面以及地氣系統(tǒng)輻射差額干（濕）絕熱直減率位溫與假相當(dāng)位溫大氣穩(wěn)定度氣溫年較差逆溫（各種逆溫類型）

復(fù)習(xí)思考題二、基本問題1、什么是地面總輻射，與大氣上界的太陽輻射相比有什么變化？2、太陽輻射在大氣中的減弱方式與具體過程，由此可得出什么結(jié)論？3、解釋下列現(xiàn)象：雨過天晴，天空呈蔚藍(lán)色；日出、日落太陽呈紅色；空氣渾濁，天空呈灰色；人造煙幕彈可防霜凍；霜打洼地。4、地面輻射差額的含義及其對氣溫日變化的影響。5、海陸之間的熱力差異。6、大氣穩(wěn)定度的含義及判斷方法。7、全球海平面氣溫分布的特點(diǎn)。492021/2/22一、基本概念復(fù)習(xí)思考題二、基本問題492021/2/22謝謝！502021/2/22謝謝！502021/2/22氣象學(xué)與氣候?qū)W第二章氣象學(xué)與氣候?qū)W第二章氣象學(xué)與氣候?qū)W第二章第二章

大氣的熱能和溫度2512021/2/22氣象學(xué)與氣候?qū)W第二章氣象學(xué)與氣候?qū)W第二章氣象學(xué)與氣候?qū)W第二章第二章

大氣的熱能和溫度522021/2/22第二章

大氣的熱能和溫度22021/2/22鳳凰網(wǎng)資訊

:中國北方強(qiáng)降溫內(nèi)蒙迎今年首場降雪2010年09月17日07:59鳳凰衛(wèi)視受冷空氣東移的影響，中國北方部分地區(qū)出現(xiàn)大幅降溫天氣，內(nèi)蒙古甚至降下近幾年來、最早的一場雨夾雪。呼倫貝爾根河巿，15號降下了近幾年來，入秋后最早的一場雨雪。伴降著冰雹，風(fēng)雪持續(xù)了近六個小時。當(dāng)?shù)?6號最低溫度降至零下攝八度。532021/2/22鳳凰網(wǎng)資訊:中國北方強(qiáng)降溫內(nèi)蒙迎今年首場降雪受冷空氣東移第一節(jié)太陽輻射第二節(jié)地面和大氣輻射第三節(jié)大氣的增溫和冷卻章節(jié)介紹第四節(jié)大氣溫度隨時間的變化第五節(jié)大氣溫度的空間變化542021/2/22第一節(jié)太陽輻射第二節(jié)地面和大氣輻射第三節(jié)

1、輻射：自然界中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。2、輻射能：通過輻射傳播的能量稱為輻射能。它是通過電磁波的方式傳輸?shù)摹挝皇牵航苟↗）。3、輻射通量密度（E）：單位時間內(nèi)通過單位面積的輻射能量。它分為入射輻射通量密度和放射輻射通量密度。4、輻射強(qiáng)度（I）：單位時間內(nèi)，通過垂直于投射在單位面積上的輻射能。5、輻射光譜：是輻射能按波長分布的函數(shù)。它能確定物體的輻射特性。一、輻射的基本概念

552021/2/221、輻射：自然界中一切物體都以電磁波的方式向四周放射能量，6、吸收率（a）：物體吸收的輻射與投射于其上的輻射之比。7、反射率（r）：物體反射的輻射與投射于其上的輻射之比。8、透射率（d）：透過物體的輻射與投射于其上的輻射之比。物體的吸收率、反射率和透射率隨輻射的波長和物體的性質(zhì)而改變。562021/2/226、吸收率（a）：物體吸收的輻射與投射于其上的輻射之比。62電磁波譜572021/2/22電磁波譜72021/2/22二、輻射的基本定律基爾荷夫定律斯蒂芬-玻耳茲曼定律維恩位移定律582021/2/22二、輻射的基本定律基爾荷夫定律斯蒂芬-玻耳茲曼

它的基本形式為：KλT=eλT它表明：①對于不同物體而言，放射能力較強(qiáng)的，其吸收能力也強(qiáng)。黑體的吸收率最大，所以它也是最好的放射體。②對于同一物體而言，如果在溫度T時，它放射某一波長的輻射，那么在同樣T下，它也吸收同一波長的輻射。

基爾霍夫定律說明，不管什么物體，只要T、λ相同，它的放射率和吸收率的比值是一樣的。

基爾霍夫定律適用于處于輻射平衡的任何物體，對流層、平流層和地表均可看作是處于輻射平衡狀態(tài)，因此可直接應(yīng)用這一定律。

基爾霍夫定律592021/2/22它的基本形式為：KλT=eλT斯蒂芬-玻耳茲曼定律

由實(shí)驗(yàn)得知，物體的放射能力是隨溫度、波長而改變的。隨著溫度的升高，黑體對各波長的放射能力都相應(yīng)地增強(qiáng)。因而物體放射的總能量（即曲線與橫坐標(biāo)之間包圍的面積）也會顯著增大。根據(jù)研究，黑體的總放射能力與它本身的絕對溫度的四次方成正比。即

ETb=σT4

上式稱斯蒂芬-波耳茲曼定律。式中σ=5.67×10-8W/（m2·K4）為斯蒂芬-波耳茲曼常數(shù)。602021/2/22斯蒂芬-玻耳茲曼定律由實(shí)驗(yàn)得知，物體的放射黑體放射能力與波長、溫度的關(guān)系612021/2/22黑體放射能力與波長、溫度的關(guān)系112021/2/22維恩位移定律

黑體單色輻射極大值所對應(yīng)的波長（λm）是隨溫度的升高而逐漸向波長較短的方向移動的。根據(jù)研究，黑體單色輻射強(qiáng)度極大值所對應(yīng)的波長與其絕對溫度成反比，即

λmT=C

上式為維恩定律表明。如果波長以微米為單位常數(shù)C=2896μm.K。則：

λmT=2896μm.K

這表明：物體的溫度愈高，其單色輻射極大值所對應(yīng)的波長愈短；反之，物體的溫度愈低，其輻射的波長則愈長。

622021/2/22維恩位移定律黑體單色輻射極大值所對應(yīng)的波長三、太陽輻射太陽輻射光譜和太陽常數(shù)太陽輻射光譜——太陽輻射中，輻射能按波長大小的分布。大氣上界的太陽輻射光譜是在0.1-5微米的范圍內(nèi)，其中99%以上的能量集中在0.15-4微米之間，且主要分布在可見光和紅外區(qū)，其中可見光占太陽輻射總量的50%，并以0.475微米附近的輻射能量最強(qiáng)，這一波長相當(dāng)于青光；紅外區(qū)占總能的43%，紫外區(qū)只占7%。太陽常數(shù)——就日地平均距離而言，在大氣上界垂直于太陽光線的1cm2的面積，1分鐘獲得的太陽輻射能。用IO來表示。632021/2/22三、太陽輻射太陽輻射光譜和太陽常數(shù)太陽輻射光譜——太陽輻射中大氣對太陽輻射的吸收水汽——主要集中在紅外區(qū)。太陽輻射因水汽的吸收可以減少4-15%。所以，大氣因水汽直接吸收太陽輻射而引起的增溫并不顯著。臭氧——在可見光區(qū)、紫外區(qū)都有較強(qiáng)的吸收帶，但因大氣中臭氧含量甚微，故大氣因臭氧直接吸收太陽輻射而引起的增溫不顯著。CO2——對太陽輻射的吸收僅在紅外區(qū)的4.3微米處，該區(qū)域太陽輻射強(qiáng)度小，被吸收后對整個太陽輻射并無多大影響。結(jié)論：大氣對太陽輻射的吸收帶均位于太陽輻射光譜兩端的低能區(qū)，大氣成分對太陽輻射的減弱并不明顯。也即大氣因直接吸收了太陽輻射而引起的增溫不明顯。因此說，太陽輻射并不是低層大氣的直接熱源。---主要由于地面散射。太陽輻射在大氣中的減少642021/2/22大氣對太陽輻射的吸收水汽——主要集中在紅外區(qū)。太陽輻射因水汽1、當(dāng)太陽輻射遇到的是直徑比波長小的空氣質(zhì)點(diǎn)時，波長越短，散射越強(qiáng)。這被稱為分子散射或蕾利散射。解釋現(xiàn)象：雨過天晴，天空呈蔚藍(lán)色。2、當(dāng)太陽輻射遇到的是直徑比波長要大的空氣質(zhì)點(diǎn)時，此時各波段的電磁波均被散射，這叫粗粒散射、米散射或漫射。解釋現(xiàn)象：灰色而渾濁的天空大氣對太陽輻射的散射

652021/2/221、當(dāng)太陽輻射遇到的是直徑比波長小的空氣質(zhì)點(diǎn)時，波長越短，散云的反射最強(qiáng)，對太陽輻射的反射可達(dá)50-55%。結(jié)論：在吸收、散射和反射三種方式中，反射最主要，散射次之，吸收最少。---從大氣對太陽輻射的減弱的影響程度。就全球平均狀況而言，太陽輻射有30%被反射和散射到宇宙空間，20%被吸收，50%可直接到達(dá)地面。解釋現(xiàn)象：日出、日落，太陽四周呈紅色。云層、塵埃的反射

662021/2/22云的反射最強(qiáng)，對太陽輻射的反射可達(dá)50-55%。結(jié)論：在吸收到達(dá)地面的太陽輻射

太陽輻射經(jīng)過大氣層的吸收、反射和散射后剩余的50%就可到達(dá)地面。到達(dá)地面的太陽輻射有兩部分：一是太陽以平行光線的形式直接投射到地面上的，稱為太陽直接輻射；一是經(jīng)過散射后自天空投射到地面的，稱為散射輻射，兩者之和稱為總輻射。

一、直接輻射二、散射輻射三、總輻射672021/2/22到達(dá)地面的太陽輻射太陽輻射經(jīng)過大氣層的吸收太陽直接輻射的強(qiáng)弱和許多因子有關(guān)，其中最主要的有兩個，即太陽高度角和大氣透明度。太陽高度角的大小對太陽直接輻射的影響有兩個方面。①高度大小不同，影響到太陽輻射投射到地面上的面積的大小。

②太陽高度角的大小，還直接影響到太陽輻射通過大氣層的厚度和大氣質(zhì)量。一般以太陽高度角為90o（直射），在地面為標(biāo)準(zhǔn)氣壓（海平面壓力為1013hPa）時，太陽光垂直投射到地面所經(jīng)路程中，單位截面積的空氣柱的質(zhì)量，稱為一個大氣質(zhì)量。直接輻射682021/2/22太陽直接輻射的強(qiáng)弱和許多因子有關(guān)，其中最主要的有兩個，即太陽大氣透明度在相同的大氣質(zhì)量下，到達(dá)地面的太陽輻射也不完全一樣，因?yàn)檫€受大氣透明度的影響。一個地區(qū)在一天中大氣透明度的變化很小，所以影響直接輻射的主要因子是太陽高度角。692021/2/22大氣透明度192021/2/22直接輻射有顯著的年變化、日變化和隨緯度的變化。這種變化主要由太陽高度角決定。①同一地區(qū)，在一天當(dāng)中日出、日沒時太陽高度最小，直接輻射最弱；中午太陽高度角最大，直接輻射最強(qiáng)。同樣道理，在一年當(dāng)中，直接輻射在夏季最強(qiáng)，冬季最弱。但是，有的地區(qū)夏季云量多，云層厚直接輻射的最大值在盛夏前后。②不同地區(qū)，低緯度地區(qū)一年各季太陽高度角都很大，地表面得到的直接輻射較中、高緯度地區(qū)大得多。太陽輻射的時空變化702021/2/22直接輻射有顯著的年變化、日變化和隨緯度的變化。這種變化主要由

散射輻射也要受太陽高度、大氣透明度的影響，同時與云量、海拔高度有關(guān)。在上述因子影響下，表現(xiàn)為隨高度腳增大而增大，隨大氣透明度變小而增大，隨云量增多而增多，隨海拔增大而減小。散射輻射712021/2/22

地面獲得的總輻射一般來說是隨著太陽高度的增大而增大隨大氣透明度的提高而增大。一天中，日出以前，地面上總輻射的收入不多，其中只有散射輻射；日出以后，隨著太陽高度的升高，太陽直接輻射和散射輻射逐漸增加。但前者增加得較快，即散射輻射在總輻射中所占的成分逐漸減?。坏街形鐣r太陽直接輻射與散射輻射強(qiáng)度均達(dá)到最大值；中午以后二者又按相反的次序變化。云的影響可以使這種變化規(guī)律受到破壞。例如，中午云量突然增多時，總輻射的最大值可能提前或推后，這是因?yàn)橹苯虞椛涫墙M成總輻射的主要部分，有云時直接輻射的減弱比散射輻射的增強(qiáng)要多的緣故。在一年中總輻射強(qiáng)度（指月平均值）在夏季最大，冬季最小。

總輻射隨緯度的分布一般是，緯度愈低，總輻射愈大。反之就愈小。太陽總輻射大時，地面獲得的熱量就多，地面溫度就高，所以地面溫度的年際變化實(shí)質(zhì)上就是太陽總輻射的年際變化?？傒椛?22021/2/22地面獲得的總輻射一般來說是隨著太陽高度的增大而增大隨大氣透明投射到地面的太陽輻射，并非完全被地面所吸收，其中一部分被地面所反射。地表對太陽輻射的反射率，決定于地表面的性質(zhì)和狀態(tài)。陸地表面對太陽輻射的反射率約為10％—30％。地面對太陽輻射的反射

732021/2/22投射到地面的太陽輻射，并非完全被地面所吸收，其中一部分被地面第二節(jié)地面和大氣的輻射

一、地面和大氣的輻射

二、地面有效輻射三、地面及地-氣系統(tǒng)的輻射差額742021/2/22第二節(jié)地面和大氣的輻射

一、地面和大氣的輻射二

地面和大氣一方面要吸收太陽輻射，同時也依據(jù)其本身的溫度時刻不停的向外放出輻射。地面的平均溫度為300K（27℃），對流層的平均溫度約為250K（-23℃）。在這樣的溫度下，地面和大氣的輻射主要集中在3—120μm的波長范圍內(nèi)，這些都是用肉眼直接看不到的紅外輻射。太陽輻射波長的波長范圍為0.15—4μm，地面輻射和大氣輻射要比太陽輻射長的多。因此地面和大氣輻射為長波輻射，太陽輻射為短波輻射。長波輻射是地面和大氣之間進(jìn)行熱量交換的重要方式，大氣直接吸收的太陽輻射很少，僅占整個大氣層太陽輻射的24%，所以大氣主要靠地面的長波輻射而增溫。一、地面和大氣的輻射752021/2/22地面和大氣一方面要吸收太陽輻射，同時也依據(jù)其大氣對地面的保溫作用大氣上界地面地面增溫地面輻射射向宇宙空間大氣吸收“太陽暖大地”“大氣還大地”“大地暖大氣”大氣輻射射向地面太陽輻射大氣吸收地面吸收大氣反射與散射`762021/2/22大氣對地面的保溫作用大氣上界地面地面增溫地射向宇宙空間大氣

地面有效射是指地面通過長波輻射向外放出的輻射（Eg）與地面吸收的大氣逆輻射（δEa）之差，以F0表示，則F0=Eg-δEa(2·20)。地面有效射也即地面通過長波輻射實(shí)際損失的熱量。由于地面溫度高于大氣溫度，地面有效輻射為正值。這意味著通過長波輻射的放射和吸收，地表面經(jīng)常失去熱量。地面有效輻射的大小，同地面溫度和底層大氣溫度之間差值有關(guān)，差值越大，有效輻射也越大。同時地面有效輻射的大小還與大氣濕度、云況和云量等有關(guān)系。云不僅能強(qiáng)烈吸收地面輻射，同時也能強(qiáng)烈的向地面放出輻射，以增強(qiáng)大氣逆輻射，從而緩解地面失熱的程度。正因如此，在冬季有云的夜晚通常比無云的夜晚要暖一些。在冬季，釋放“人造夜幕彈”防霜凍的原理也即如此。P322、大氣中長波輻射的特點(diǎn)（一，二，三）地面有效輻射772021/2/22地面有效射是指地面通過長波輻射向外放出的輻射輻射差額=收入輻射-支出輻射在沒有其它方式進(jìn)行熱交換時，輻射差額決定物體的升溫或降溫。輻射差額不為零，表明物體收支的輻射能不平衡，會有升溫或降溫產(chǎn)生。輻射差額為零時，物體的溫度保持不變。地面的輻射差額地面輻射能的與支出之差，稱為地面的輻射差額。輻射差額數(shù)值的大小，可反映溫度升降的程度。因此，地面溫度與近地面空氣溫度的高低變化特點(diǎn)，在很大程度上決定于地面輻射差額的大小。

1、地面輻射差額表達(dá)式：Rg=（Q+q）（1-a）-F0（2·21）式中Rg表示單位水平面積、單位時間的輻射差額，（Q+q）是到達(dá)地面的太陽總輻射，即太陽直接輻射和散射輻射之和；a為地面對總輻射的反射率；F0為地面的有效輻射。

地面及地-氣系統(tǒng)的輻射差額782021/2/22輻射差額=收入輻射-支出輻射地面的輻射差額1、地面輻射差額表

一天中，地面輻射的差額白天為正值，夜間為負(fù)值。由負(fù)值轉(zhuǎn)到正值的時刻一般在日出后1h左右，由正值轉(zhuǎn)到負(fù)值的時刻一般在日落前1h左右。年變化隨緯度而異，緯度愈低，輻射差額保持正值的月份愈多，反之愈少。我國大部分地區(qū)處中緯度地帶，其輻射差額的年際變化隨緯度和地理條件而異。就全國而言，夏季輻射差額大，冬季小。但在個別地區(qū)也有差異，如昆明的輻射差額的最大值出現(xiàn)在濕季來臨前的春末夏初。（干季——熱季——濕季）地面輻射差額的時空分布792021/2/22一天中，地面輻射的差額白天為正值，夜間為負(fù)值輻射差額以南、北緯30°附近為轉(zhuǎn)折點(diǎn)。在北半30°N以南的輻射差額為正值，以北為負(fù)值。輻射差額的這種分布，使低緯度地區(qū)有多余能量以大氣環(huán)流和洋流形式輸往高緯度地區(qū)。有明顯的日變化和年變化。在一日內(nèi)白天收入的太陽輻射超過支出的長波輻射，故輻射平衡為正值，夜間輻射平衡為負(fù)值。正轉(zhuǎn)負(fù)和負(fù)轉(zhuǎn)正的時刻，分別出現(xiàn)在日沒前和日出后1小時802021/2/22輻射差額以南、北緯30°附近為轉(zhuǎn)折點(diǎn)。在北半30°N以南的大氣輻射差額Ra=qa+F0-F∞Qa表示整個大氣吸收的太陽輻射，F(xiàn)0和F∞分別表示地面及大氣上界的有效輻射。812021/2/22大氣輻射差額Ra=qa+F0-F∞Qa表示整個大氣吸收的太陽地-氣系統(tǒng)的輻射差額

單獨(dú)地去研究地面或大氣輻射差額是很麻煩的，但如果把地面和大氣看作一個系統(tǒng)（整體）來研究就方便的多。其總輻射差額為：Rs=（Q+q）（1-a）+qa-F∞

（2·23）地-氣系統(tǒng)的輻射差額隨緯度的增高而由正值變?yōu)樨?fù)值。在S、N35°之間為正值，在此范圍之外的中高緯地區(qū)為負(fù)值。也就是說在低緯地區(qū)有熱量盈余，高緯有熱量虧損。如果高低緯之間沒有熱量交換，那么低緯地區(qū)的溫度將因?yàn)橛袩崃坑喽粩嗌撸呔晞t下降。但多年觀測表明，高、低緯地區(qū)的溫度變化非常微弱。因此，高低緯間必然存在著熱量交換，其中熱量輸送者正是大氣運(yùn)動和海水運(yùn)動822021/2/22地-氣系統(tǒng)的輻射差額單獨(dú)地去研究地面或大氣

海陸的增溫和冷卻的差異水面與陸面的比熱不同水面和陸面對太陽輻射的吸收和反射不同水面和陸面的導(dǎo)熱方式不同。海水對太陽輻射基本上是透明的海水有充足的水源，它的蒸發(fā)量大，失熱較多，水溫不易升高。海面之上水汽較多，故氣溫不易下降。陸面正好相反第三節(jié)大氣的增溫和冷卻

所以：大陸受熱快、冷卻也快、溫度升降變化大。而海洋則溫度變化緩慢。832021/2/22海陸的增溫和冷卻的差異水面與陸面的比熱不同水

空氣內(nèi)能變化的原因：氣溫的非絕熱變化:是空氣與地面和太陽有熱量交換，因而引起空氣內(nèi)能的增減；氣溫的絕熱變化:是做升降運(yùn)動的氣塊在升降過程中，同周圍大氣間熱量交換很少，但由于體積的大小隨氣壓的變化而變化，進(jìn)而影響到內(nèi)能的增減。這兩種形式都可導(dǎo)致空氣內(nèi)能的增減，進(jìn)而導(dǎo)致氣溫的升降。非絕熱變化是引起對流層大氣溫度變化的根本原因;絕熱變化只發(fā)生在某一做升降運(yùn)動的氣塊中，對整個對流層大氣來講沒任何影響。因而非絕熱變化和絕熱變化兩者性質(zhì)不同。

空氣的增溫和冷卻842021/2/22空氣內(nèi)能變化的原因：空氣的增溫傳導(dǎo)；輻射；對流；湍流；蒸發(fā)和凝結(jié)（包括升華、凝華）多種方式同時存在的。氣溫的非絕熱變化

是空氣與地面和太陽有熱量交換，

熱交換形式：852021/2/22傳導(dǎo)；氣溫的非絕熱變化

是空氣與地面和太陽有熱量交換，

熱交氣溫的絕熱變化

絕熱變化是指氣塊與外界無熱量交換的情況下，由于內(nèi)部能量的轉(zhuǎn)化而引起的溫度變化。這種變化一般出現(xiàn)在垂直運(yùn)動的氣塊中。

氣溫的絕熱變化又視氣塊內(nèi)有無水的三態(tài)變化（相變）而分為兩種情況：一是如果氣塊在升降過程中無水的三態(tài)變化，與外界無熱量交換，這叫干絕熱變化；二是如果氣塊在垂直運(yùn)動過程中有水的三態(tài)變化，則叫濕絕熱變化。862021/2/22氣溫的絕熱變化絕熱變化是指氣塊與外界無熱量干絕熱方程---泊松方程

干空氣和濕空氣的絕熱過程飽和濕空氣在垂直方向上上升時，氣體因膨脹降溫，但水汽因冷卻發(fā)生凝結(jié)時釋放潛熱。濕空氣絕熱方程872021/2/22干絕熱方程---泊松方程干空氣和濕空氣的絕熱過程飽和濕空氣濕絕熱直減率：飽和濕空氣在垂直方向上上升或下降單位距離的