第二章氣候形成的輻射與熱力因素

第二章

氣候形成的輻射和熱力因素第一節(jié)氣候形成的輻射因素

一、太陽輻射二、地面輻射和大氣輻射三、地面有效輻射和輻射平衡四、地面熱量平衡第二節(jié)氣候形成的熱力因素

一、氣候系統(tǒng)的能量種類二、海陸表面的增熱和冷卻三、空氣的增熱和冷卻四、大氣溫度的時空變化第三節(jié)全球氣溫帶第二章第一節(jié)氣候形成的輻射因素

大氣的熱力狀況表現(xiàn)為氣候的冷暖變化，其實(shí)質(zhì)是空氣中熱量收支和多少的反映?？諝庵袩崃慷嗌俸妥兓?，又是太陽輻射、地面輻射、大氣輻射及其熱量交換、轉(zhuǎn)化的結(jié)果。一、太陽輻射幾個概念太陽輻射：指太陽以電磁波的形式向外傳遞能量。太陽輻射能：指太陽輻射所傳遞的能量。太陽輻射光譜：指太陽輻射能按波長的分布。第二章一、太陽輻射（一）大氣上界的太陽輻射大氣上界的太陽輻射取決于太陽高度、日地距離及日照時間長短。1．太陽高度的影響朗伯定律：太陽輻射強(qiáng)度與太陽高度的正弦成正比。即I=I0×sinh⊙2．日地距離的影響設(shè)某時刻的日地距離為b，則I=1/b2×I0×sinh⊙3．照時間的影響第二章太陽輻射Solarradiationbalance輻射平衡一、太陽輻射4．天文輻射及分布特點(diǎn)天文輻射：指由地球的天文位置（緯度φ、太陽赤緯δ、日地距離b）所決定的大氣上界太陽輻射擊到達(dá)量。其分布特點(diǎn)：①太陽輻射量的大小因緯度、時間而變化。②全年和冬半年獲得太陽輻射量最多的是赤道，隨緯度增高而減小，極點(diǎn)最?。欢肽瓯认陌肽赀f減快，到極點(diǎn)為0；夏半年太陽輻射最大值在20°—25°N的緯度帶，所以說熱赤道北移。③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，中緯度則較大。④極圈內(nèi)在極夜期間太陽輻射為零；極晝期間太陽輻射大于赤道。第二章一、太陽輻射（二）太陽輻射在大氣中的減弱過程太陽輻射通過大氣時被吸收、散射、反射，到達(dá)地面的輻射量減小，并且光譜組成也發(fā)生了變化。1．大氣對太陽輻射的吸收大氣中吸收太陽輻射的主要物質(zhì)有：臭氧、氧、水汽、二氧化碳、云、雨滴及氣溶粒子等，它們有選擇地吸收太陽輻射。2．大氣對太陽輻射的散射散射主要是改變了一部分輻射方向，使到達(dá)地面的輻射量減少。3．大氣對太陽輻射的反射大氣中反射太陽輻射的物質(zhì)主要是大氣中的云和顆粒較大的塵埃、水滴等氣溶膠粒子，云的反射作用最強(qiáng)平均反射率為50%—55%。

第二章一、太陽輻射（三）到達(dá)地面的太陽輻射到達(dá)地面的太陽輻射主要有兩部分：太陽直接輻射（S）和散射副射（D）。兩者之和稱為總輻射（S+D），它被地面反射的部分叫做反射輻射（S+D）×r。1．直接輻射①影響直接輻射的因素：太陽高度和大氣透明度。②受太陽高度影響，直接輻射有日變化、年變化和緯度變化。③大氣中云滴、灰塵、煙霧越多，大氣透明度越小，直接輻射削減越多；太陽高度越小，太陽輻射穿過的大氣層越厚，削弱越多，到達(dá)地面的直接輻射越小，反之越多。④直接輻射的年變化主要受云量及大氣透明度的影響。第二章一、太陽輻射2．散射輻射影響因素：太陽高度、大氣透明度、云天狀況、海拔高度等。太陽高度大，輻射量多散射輻射也多；大氣透明度差時，散射輻射的質(zhì)點(diǎn)多，散射輻射強(qiáng)，反之則弱；海拔越高，大氣中散射質(zhì)點(diǎn)越少，散射輻射越小。（天越藍(lán)）

3．總輻射影響因素就是影響直接輻射和散射輻射的因素。即太陽高度、大氣透明度、海拔高度、云等。我國的總輻射分布情況是西藏最多；新疆、青海和黃流流域次之；長江和大部分華南地區(qū)云雨多總輻射量少。

第二章一、太陽輻射4．地面對太陽輻射的反射①地面對太陽輻射的反射能力取決于地面的性質(zhì)（水面、陸面）和狀態(tài)（顏色深淺、粗滑、干濕）。一般陸地的反射率為10%—30%，雪面反射率最大，平均為60%，潔白的新雪可達(dá)90%—95%。水面的反射率隨太陽高度與水面平靜程度而變，波浪起伏的水平平均反射率為10%。②由于反射率的不同，導(dǎo)致同樣輻射條件下，地面溫度分布不均勻。③地球行星反射率：指由空氣質(zhì)點(diǎn)的逆輻射、反射、云的反射，以及地面反射所組成的整個地面的反射率。

第二章二、地面輻射和大氣輻射1．地面輻射：指地面以電磁波的方式發(fā)射指向大氣的輻射，為波長在3—80微米的長波輻射。屬于紅外輻射。2．大氣輻射：指大氣以電磁波的方式向四面八方發(fā)射長波輻射，波長范圍為7—120微米，屬于紅外輻射。3．大氣的保溫效應(yīng)①大氣逆輻射：指大氣輻射向下指向地面的部分，與地面輻射方向相反。②大氣保溫效應(yīng)：大氣中的水汽、二氧化碳等能透過太陽輻射，又強(qiáng)烈地吸收地面輻射并通過逆輻射又被地面所吸收，從而使地而不至于因輻射失熱過多，對地面起到保溫作用稱之，也叫溫室效應(yīng)。第二章三、地面有效輻射和輻射平衡1．地面有效輻射：指地面輻射與地面吸收的大氣逆輻射之差。表達(dá)式為：F0=Eg-δEAF0為地面有效輻射，Eg為地面輻射，EA為大氣逆輻射，δ為地面的相對吸收率。2．地面凈輻射：指一定時期內(nèi)，地面吸收太陽總輻射與地面有效輻射之差，也稱地面輻射差額或地面輻射平衡。表達(dá)式為：Rg=（S+D）（1－r）－F0，Rg表示地面凈輻射。3．地氣系統(tǒng)凈輻射：指一定時間內(nèi)地氣系統(tǒng)輻射能收入與支出的差。表達(dá)式為：Rs=（S+D）（1－r）+qa－F∞，Rs為地氣系統(tǒng)凈輻射；qa為大氣吸收的太陽輻射；F∞為地氣系統(tǒng)長波射出輻射。第二章四、地面熱量平衡1．地面熱量平衡及其方程式地面熱量平衡：指地面凈輻射與其轉(zhuǎn)化成其他形式的熱量收入與支出的守恒。表達(dá)式為：Rg+LE+P+A=0，這里L(fēng)E為地面與大氣間的潛熱交換（L為蒸發(fā)潛熱，E為蒸發(fā)量和凝結(jié)量）；P為大氣間的顯熱交換；A為地面與下層之間的熱量傳輸和平流輸送之和，年平均A=0。2．地球熱量平衡模式從全球長期來看，地球能量收支是平衡的。同時地面，大氣各作為一個整體而言，也都各自保持了能量平衡。

第二章第二節(jié)氣候形成的熱力因素一氣候系統(tǒng)的能量種類1．溫度與熱量第二章溫度熱量指標(biāo)≠能形式第二節(jié)氣候形成的熱力因素2．大氣中的基本能量（1）、大氣中的能量有，位能、動能、內(nèi)能、湍能、潛熱能和顯熱能等；靜止大氣主要有位能和內(nèi)能。（2）、大氣中能量的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換和消耗，是產(chǎn)生大氣運(yùn)動及維持運(yùn)動的主要原因；也是氣候形成和變化的重要方面。（3）、一定的大氣能量狀態(tài)，由一定的氣壓、溫度、濕度；不同的天氣和氣候是由大氣中不同能量狀態(tài)所組成:

等高線位能；等溫線內(nèi)能等濕線潛熱能氣流線、等風(fēng)速線動能第二章第二節(jié)氣候形成的熱力因素3．大氣中各種能量轉(zhuǎn)換過程（1）大氣中的輻射能和內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)變——可逆的。；（2）大氣中的輻射能與位能之間的轉(zhuǎn)換——可逆的；（3）大氣中內(nèi)能和位能之間的轉(zhuǎn)化——可逆的；（4）動能轉(zhuǎn)變?yōu)橥哪堋豢赡娴?。第二章第二?jié)氣候形成的熱力因素4．大氣動能的消耗與補(bǔ)償（1）大氣動能的耗散：空氣中的大氣由于湍流作用和地面摩擦力的影響，動能轉(zhuǎn)變?yōu)橥哪埽^而轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏纳?。?）大氣動能的補(bǔ)償：主要是通過位能和內(nèi)能轉(zhuǎn)變而來，并且亂流熱通量是補(bǔ)充大氣動能消耗的主要因素之一。第二章二、海陸表面的增溫和冷卻1．水陸熱力性質(zhì)的差異（1）吸收太陽輻射的能力不同：水體＞陸地；（2）透射太陽輻射不同：水深陸表；（3）傳遞能量的方式不同：陸靠分子水靠流；（4）比熱（熱容量）不同：性質(zhì)不同比熱異，陸土巖石比水小；（5）水分蒸發(fā)耗熱狀況不同：陸地＜水體第二章二、海陸表面的增溫和冷卻2．海陸表面的增溫和冷卻地球上海洋占70.9%，陸面積占29.1%。由于海陸熱力性質(zhì)的差異，大陸受熱快，冷卻也快，氣溫升降劇烈，變化幅度大。海洋受熱慢，氣溫升降暖和，變化幅度小。一般來說，冬季大陸溫度低于同緯度的海面，最冷月出現(xiàn)在1月，海洋則在2月。夏季陸地溫度高于同緯度的海面，最熱月出現(xiàn)在7月，海洋則出現(xiàn)在8月。年最高、最低溫出現(xiàn)時間海洋比陸地落后1—2個月。第二章三、空氣的增溫和冷卻1．大氣中的非絕熱過程（1）傳導(dǎo)：指依靠分子熱運(yùn)動，熱量從一個分子傳給另一個分子。（2）輻射：輻射以長波方式進(jìn)行，比傳導(dǎo)作用大4000倍，輻射使大氣凈增熱量。（3）對流與亂流對流：指由于地表性質(zhì)差異、受熱不均等所引起的空氣大規(guī)模有規(guī)則的升降運(yùn)動。小規(guī)模不規(guī)則的旋渦運(yùn)動稱亂流或湍流。（4）水相變化通過水分相變，地面失去熱量，大氣獲得熱量。該作用主要發(fā)生在對流層下半部。對熱帶地區(qū)熱量交換具有重要作用。第二章三、空氣的增溫和冷卻2．大氣中的絕熱過程氣溫的絕熱變化：指氣塊與外界沒有熱量交換，由于外界壓力變化，氣塊膨脹或收縮作功，引起內(nèi)部能量的轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的溫度變化。這種狀態(tài)變化過程稱為絕熱過程。干絕熱過程：指干空氣的絕熱過程。該過程中，氣塊對外作功所消耗的熱量，等于氣塊內(nèi)能減少量，也就等于溫度的變化量。絕熱直減率：指氣塊絕熱上升單位距離時的溫度降低值。干絕熱直減率：指干空氣或未飽和的濕空氣，絕熱上升單位距離時的溫度降低值，用rd表示，為0.985℃/百米。濕絕熱過程：指飽和濕空氣作垂直運(yùn)動時的絕熱變化過程。濕絕熱直減率：指濕空氣絕熱上升單位距離時的溫度降低值。第二章三、空氣的增溫和冷卻3．大氣靜力穩(wěn)定度大氣溫度層結(jié)：指大氣中溫度的垂直分布。氣溫直減率：指上升單位距離時氣溫的降低值。大氣穩(wěn)定度：指大氣溫度層結(jié)有使在其中做垂直運(yùn)動的氣塊返回或遠(yuǎn)離起始位置的趨勢和程度，稱為大氣層結(jié)穩(wěn)定度。又稱大氣靜力穩(wěn)定度。有三種情況：A、大氣穩(wěn)定：大氣溫度層結(jié)有使在其中做垂直運(yùn)動的氣塊返回起始位置的趨勢。B、大氣不穩(wěn)定：大氣溫度層結(jié)有使在其中做垂直運(yùn)動的氣塊遠(yuǎn)離起始位置的趨勢。C、大氣中性：指大氣溫度層結(jié)有使在其中做垂直運(yùn)動的氣塊隨移而安的。第二章四、大氣溫度的時空變化1．大氣溫度的時間變化氣溫的日變化：指氣溫以一日為周期的變化。日最高氣溫和最低氣溫的差值，稱氣溫日較差和日振幅。氣溫的年變化：指以一年為周期的氣溫變化。一年中最熱月的平均氣溫與最冷月的平均氣溫之差，稱氣溫的年較差。氣溫年變化根據(jù)年較差大小及最高和最低問出現(xiàn)的月份分為四類：赤道型、熱帶型、溫帶型、極地型——非周期性變化：指氣溫由于大規(guī)模的氣流交替而變化，沒有一定的周期。

第二章四、大氣溫度的時空變化2．大氣溫度的空間分布（1）氣溫的水平分布全球平均輻射平衡自赤道向極地遞減，氣溫也向極地遞減?！葴鼐€：指同一水平面上氣溫相等的各點(diǎn)的連線?！?dú)鉁厮教荻龋簡挝痪嚯x內(nèi)氣溫的變化值。等溫線表達(dá)的信息：Ⅰ、等溫線稀疏表示各地氣溫相差不大；等溫線密集表示各地氣溫差異懸殊。Ⅱ、等溫線平直，表示影響氣溫的因素少；等溫線彎曲，表示影響氣溫分布的因素多。Ⅲ、等溫線沿東西向排列，表示氣溫受緯度影響；等溫線與海岸平行，表示氣溫主要受離海遠(yuǎn)近影響。第二章世界1月氣溫（攝氏度）的分布世界7月氣溫（攝氏度）的分布四、大氣溫度的時空變化（2）對流層中氣溫的垂直分布隨高度升高氣溫降低，每升高100米，氣溫下降0.65℃。此外還逆溫現(xiàn)象。——逆溫：指對流層中出現(xiàn)的氣溫隨高度增加而升高的現(xiàn)象，因原因不同分為輻射逆溫、平流逆溫、亂流逆溫、下沉逆溫幾鋒面逆溫等?！鏈貙樱褐赋霈F(xiàn)氣溫逆增的大氣層。

第二章第三節(jié)全球氣溫帶熱帶：年平均氣溫20℃以上等溫線之間的地帶。溫帶：年平均氣溫20℃等溫線與最熱月10℃等溫線之間的地帶。寒帶：年平均氣溫10℃等溫線與最熱月10℃等溫線之間的