氣候?qū)W與水文學(xué)課件

第三章大氣與氣候輻射過程第一節(jié)輻射概述一、輻射的基本知識

1、輻射與輻射能

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。通過輻射傳播的能量稱為輻射能，也簡稱為輻射。

2、輻射通量密度單位時間內(nèi)通過單位面積的輻射能量稱輻射通量密度（E），單位是W/m2。其數(shù)值大小反映物體反射能力的強弱。

電磁波的波長范圍很廣，從波長10-10μm的宇宙射線，到波長達(dá)幾千米的無線電波?？梢姽猓?.4—0.76μm的波長3、物體對輻射的吸收、反射和透射

設(shè)投射到物體上的總輻射能為Qo，被吸收的為Qa，被反射的為Qr，透過的為Qd

根據(jù)能量守恒原理Qa+Qr+Qd=Qo將上式等號兩邊除以Qo，得

式中左邊第一項為物體吸收的輻射與投射于其上的輻射之比，稱為吸收率（a）；第二項為物體反射的輻射與投射于其上的輻射之比，稱為反射率（r）；第三項為透過物體的輻射與投射于其上的輻射之比，稱為透射率（d），則

a+r+d=1a、r、d分別表示物體對輻射吸收、反射和透射的能力。二、有關(guān)輻射的基本定律

1、基爾荷夫（Kirchhoff）定律

在一定波長、一定溫度下，一個物體的吸收率等于該物體同溫度、同波長的放射率；同一物體在某一溫度時放射某一波長的輻射，那么在同一溫度下也吸收這一波長的輻射。2、斯蒂芬（Stefan）-玻耳茲曼（Boltzman）定律

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

式中σ=5.67×10-8W/（m2·K4）為斯蒂芬-波耳茲曼常數(shù)3、維恩（Wein）位移定律

黑體單色輻射強度極大值所對應(yīng)的波長與其絕對溫度成反比，即

λmT=C

物體的溫度愈高，輻射的波長愈短，反之，物體的溫度愈低，輻射的波長愈長。

一、太陽輻射

太陽以電磁波的形式向外傳遞能量，稱為太陽輻射1、太陽輻射光譜

太陽輻射中輻射能按波長的分布，稱為太陽輻射光譜

第二節(jié)大氣對太陽輻射的作用可見光區(qū)◆特點：輻射能中，波長在0.15—4.0?之間占99%以上，而且主要分布在可見光區(qū)（50%）和紅外區(qū)（43%），紫外區(qū)的太陽輻射很少，只占7%。2、太陽常數(shù)

就日地平均距離來說，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，稱太陽常數(shù)，用I0表示。太陽常數(shù)變動于1359—1418W/m2之間。多數(shù)文獻(xiàn)上采用1370W/m2

曲線4是進(jìn)一步考慮到粗粒散射作用后的光譜；

曲線5是將水汽吸收作用也考慮在內(nèi)的光譜，它也可近似地看成是地面所觀測到的太陽輻射光譜

二、大氣對太陽輻射的削弱作用

1、穿過大氣的太陽輻射光譜曲線1是大氣上界太陽輻射光譜

曲線2是臭氧層下的太陽輻射光譜；

曲線3是同時考慮到分子散射作用的光譜；主要變化：①總輻射能有明顯地減弱；②輻射能隨波長的分布變得極不規(guī)則；③波長短的輻射能減弱得更為顯著2、大氣對太陽輻射的吸收

水汽：在紅外區(qū)吸收最強，可減弱4%-15%

氧：能微弱地吸收太陽輻射，在小于0.2μm處吸收能力較強，在0.69和0.76μm附近，也有吸收帶，但吸收能力較弱。臭氧：在0.2-0.3μm為一強吸收帶，使得小于0.29μm的輻射不能到達(dá)地面。在0.6μm附近有一寬吸收帶，吸收能力雖然不強，但因位于太陽輻射最強烈的輻射帶里，所以吸收的太陽輻射量相對較多。二氧化碳：對紅外區(qū)4.3μm附近的輻射吸收較強，對整個太陽輻射的影響不大。懸浮的水滴、塵埃等雜質(zhì)：能吸收一部分太陽輻射，但量極少

大氣直接吸收的太陽輻射并不多，特別是對于對流層大氣來說，太陽輻射不是主要的直接熱源。3、大氣對太陽輻射的散射

太陽輻射遇到空氣分子、塵粒、云滴等質(zhì)點時，方向發(fā)生改變，使太陽輻射以質(zhì)點為中心向四面八方傳播，稱為散射分子散射（蕾利散射）：如果太陽輻射遇到直徑比波長小的空氣分子，散射能力與波長的四次方成反比，即輻射的波長愈短，散射得愈強空氣分子的短波散射成都粗粒散射（米散射）：如果太陽輻射遇到的直徑比波長大一些的質(zhì)點，散射是沒有選擇性的，即輻射的各種波長都同樣地被散射。

當(dāng)空氣中存在較多的塵?；蜢F粒，一定范圍的長、短波都被同樣的散射，使天空呈灰白色。4、大氣的云層和塵埃對太陽輻射的反射

云的反射作用最為顯著高云反射率約25％，中云為50％，低云為65％，稀薄的云層也可反射10％—20％。厚云層反射可達(dá)90％，一般情況下云的平均反射率為50％—55％。上述三種方式中，反射作用最主要，其次是散射，而吸收作用最小，太陽輻射約有30％被散射回宇宙（稱之為行星反射率），20％被大氣和云層直接吸收，50％到達(dá)地面被吸收。

厚云層的反射與散射三、到達(dá)地面的太陽輻射

太陽高度角越小，等量的太陽輻射散步的面積就越大，地面單位面積上獲得的太陽輻射就越?。环粗?，太陽高度角越大，單位面積上獲得的太陽輻射就越多。1、直接輻射

（1）太陽高度角的影響直接輻射：太陽以平行光的形式直接投射到地面上的輻射到達(dá)地面的總輻射散射輻射：經(jīng)過散射后從天空投射到地面的輻射

太陽高度角越小，太陽輻射穿過的大氣層越厚，被減弱的也越多，到達(dá)地面的直接輻射就越少，反之，太陽高度角越大，到達(dá)地面的直接輻射就越多解釋：大氣質(zhì)量數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)氣壓下，太陽光垂直投射到地面所經(jīng)路程中，單位面積的空氣柱的質(zhì)量成為一個大氣質(zhì)量。大氣質(zhì)量數(shù)隨太陽高度減小而增加，因此，大氣質(zhì)量數(shù)越大，輻射被消弱得越多，即，太陽高度角越小，輻射被消弱得越多

（2）大氣透明度的影響大氣透明度用“透明系數(shù)P”表示，即透過一個大氣質(zhì)量的輻射強度與進(jìn)入該大氣的輻射強度之比。大氣中的水汽、凝結(jié)物、塵粒越多，透明度越差，透明系數(shù)越小，太陽輻射被減弱的越多。

太陽輻射透過大氣層后的減弱與大氣透明系數(shù)和通過大氣質(zhì)量之間的關(guān)系，可用布格（Bouguer）公式表示

I=I0pm式中，I為到達(dá)地面的太陽輻射強度；I0為太陽常數(shù)；p為空氣透明系數(shù)；m為大氣質(zhì)量數(shù)思考：直接輻射的變化規(guī)律？2、散射輻射

太陽高度角增大時，到達(dá)近地面層的直接輻射增強，散射輻射也就相應(yīng)地增強大氣透明度不好時，參與散射作用的質(zhì)點增多，散射輻射增強

變化特點：一日內(nèi)正午最強，一年內(nèi)夏季最強3、總輻射

直接輻射與散射輻射之和稱總輻射日變化：日出前最少，隨時間的增加而增多，正午最多年變化：夏季最大，冬季最?。ǔ嗟栏浇猓┚暥茸兓旱途暥?，高緯少日出以前，只有散射輻射

日出以后，太陽直接輻射和散射輻射逐漸增加；但前者增加得較快，當(dāng)太陽高度升到約等于8°時，直接輻射與散射輻射相等

當(dāng)太陽高度為50°時，散射輻射值僅相當(dāng)總輻射的10％—20％；

到中午時太陽直接輻射與散射輻射強度均達(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規(guī)律受到破壞，因為云對直接輻射的減弱很顯著!我國年輻射總量區(qū)域差異：西北、華北多，長江流域、華南地區(qū)少。緯度（°N）64504030200可能總輻射139.3169.9196.4216.3228.2248.1有效輻射54.471.198.2120.8132.7108.8有效輻射的最大值不在赤道，而在20°N4、地面對太陽輻射的反射

到達(dá)地面的總輻射一部分被地面吸收轉(zhuǎn)變成熱能，另一部分被反射。

陸地表面的反射率約為10％—30％雪的反射率60%-90%水面的反射率與太陽高度角和水面平靜程度有關(guān)：若水面平靜，放射率雖太陽高度角的減小而增加；若水面波浪起伏，平均反射率為10%不同性質(zhì)地面的反射率地面反射率地面反射率地面反射率砂土29-35黑鈣土(干)14干草地29粘土20黑鈣土(濕)8小麥地10-25淺色土22-32耕地14新雪84-95深色土10-15綠草地26陳雪46-60第三節(jié)地面和大氣長波輻射太陽輻射雖然是地球上的主要能源，但因為大氣本身對太陽輻射直接吸收很少，而水、陸、植被等地球表面（又稱下墊面）卻能大量吸收太陽輻射，并經(jīng)轉(zhuǎn)化供給大氣，從這個意義來說，下墊面是大氣的直接熱源。一、地面和大氣長波輻射

1、為什么把地面和大氣輻射稱為長波輻射？

地面平均溫度約為300K，對流層大氣的平均溫度約為250K，熱輻射95%的能量集中在3-120μm的波長范圍內(nèi)。所以我們把地面和大氣的輻射稱為長波輻射，而把太陽輻射稱為短波輻射。假定地面平均溫度為15℃，根據(jù)維恩位移定律有：

λm=C/T=2896/288≈10μm

輻射能最強波段波長在10—15μm范圍內(nèi)

2、大氣對長波輻射的吸收

大氣對長波輻射的吸收非常強烈大氣在整個長波段，除8—12μm一段外，其余吸收率為1。

8—12μm處吸收率最小，透明度最大，稱為“大氣窗口”。這個波段的輻射，正好位于地面輻射能力最強處，所以地面輻射有20％的能量透過這一窗口射向宇宙空間。3、大氣中長波輻射的特點

第一，太陽直接輻射是作為定向的平行輻射進(jìn)入大氣的，而地面和大氣輻射是漫射輻射。第二，不僅考慮對長波輻射的吸收，還要考慮大氣本身的長波輻射。第三，長波輻射在大氣中傳播時，可以不考慮散射作用。二、大氣逆輻射與地面有效輻射

1、大氣逆輻射

大氣輻射指向地面的部分稱為大氣逆輻射如果沒有大氣，近地面的平均溫度應(yīng)為-23℃，但實際上近地面的均溫是15℃，也就是說大氣的存在使近地面的溫度提高了38℃。

2、地面有效輻射

地面放射的輻射（Eg）與地面吸收的大氣逆輻射（δEa）之差，稱為地面有效輻射。以F0表示F0=Eg-δEa影響因子：地面溫度，空氣溫度，空氣濕度和云況3、溫室效應(yīng)

太陽短波輻射可以透過大氣射入地面，而地面增暖后放出的長輻射卻絕大部分被大氣所吸收，又以大氣逆輻射返回地面，使地面因放射輻射而損耗的能量得到一定的補償，對地面有一種保暖作用，這種作用稱為大氣的溫室效應(yīng)（保溫效應(yīng)）地面有效輻射與地面溫度、空氣溫度、濕度和云況的關(guān)系濕熱天氣的有效輻射比干冷時小

有云覆蓋時比晴朗天空條件下有效輻射小

空氣混濁度大時比空氣干潔時有效輻射小

在夜間風(fēng)大時有效輻射小

海拔高度高的地方有效輻射大

當(dāng)近地層氣溫隨高度顯著降低時，有效輻射大

有逆溫時有效輻射小，甚至可出現(xiàn)負(fù)值

平滑地表面的有效輻射比粗糙地表面有效輻射小

有植物覆蓋時的有效輻射比裸地的有效輻射小地面有效輻射的日變化、年變化在白天，有效輻射在中午12—14時達(dá)最大在夜間，由于地面輻射冷卻的緣故，有效輻射值也逐漸減小，在清晨達(dá)到最小有效輻射的年變化夏季最大，冬季最小我國秦嶺、淮河以南地區(qū)有效輻射秋季最大，春季最小；華北、東北等地區(qū)有效輻射則春季最大，夏季最小，這是由于水汽和云況的影響第四節(jié)輻射差額一、地面輻射差額

1、基本概念某段時間內(nèi)單位面積地表面所吸收的總輻射和其有效輻射之差值，稱為地面的輻射差額Rg。即：

Rg=（Q+q）（1-a）-F0式中（Q+q）是到達(dá)地面的太陽總輻射；a為地面對總輻射的反射率；F0為地面的有效輻射

Rg＞0時，地面吸收的太陽總輻射大于地面的有效輻射，地面有熱量積累，反之，Rg＜0有熱量虧損。2、時空變化

日變化：夜間為負(fù)，白天為正，由負(fù)值轉(zhuǎn)到正值的時刻一般在日出后1h，由正值轉(zhuǎn)到負(fù)值的時刻一般在日落前1—1.5h。年變化：夏季輻射差額為正，冬季為負(fù)值輻射差額的年振幅隨地理緯度的增加而增大對同一地理緯度來說，陸地的年振幅大于海洋的年振幅全球各緯度絕大部分地區(qū)地面輻射差額的年平均值都是正值，只有在高緯度和某些高山終年積雪區(qū)才是負(fù)值就整個地球表面平均來說是收入大于支出的

二、地氣系統(tǒng)輻射差額

1、大氣輻射差額

若Ra表示整個大氣層的輻射差額，qa表示整個大氣層所吸收的太陽輻射，F(xiàn)0，F(xiàn)∞分別表示地面及大氣上界的有效輻射，則

Ra=qa+F0-F∞整個大氣層的輻射差額是負(fù)值波2、地-氣系統(tǒng)的輻射差額如果把地面和大氣看作為一個整體，其輻射能的凈收入為

R=（Q+q）（1-a）+qa-F∞整個地氣系統(tǒng)輻射差額的多年平均應(yīng)為零南北半球各緯度輻射收支情況：地-氣系統(tǒng)的輻射差額在緯度30°處是一轉(zhuǎn)折點。北緯35°以南的差額是正值，以北是負(fù)值，這種差異，推動大氣環(huán)流和洋流的運動。第三章大氣與氣候輻射過程第一節(jié)輻射概述一、輻射的基本知識

1、輻射與輻射能

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。通過輻射傳播的能量稱為輻射能，也簡稱為輻射。

2、輻射通量密度單位時間內(nèi)通過單位面積的輻射能量稱輻射通量密度（E），單位是W/m2。其數(shù)值大小反映物體反射能力的強弱。

電磁波的波長范圍很廣，從波長10-10μm的宇宙射線，到波長達(dá)幾千米的無線電波?？梢姽猓?.4—0.76μm的波長3、物體對輻射的吸收、反射和透射

設(shè)投射到物體上的總輻射能為Qo，被吸收的為Qa，被反射的為Qr，透過的為Qd

根據(jù)能量守恒原理Qa+Qr+Qd=Qo將上式等號兩邊除以Qo，得

式中左邊第一項為物體吸收的輻射與投射于其上的輻射之比，稱為吸收率（a）；第二項為物體反射的輻射與投射于其上的輻射之比，稱為反射率（r）；第三項為透過物體的輻射與投射于其上的輻射之比，稱為透射率（d），則

a+r+d=1a、r、d分別表示物體對輻射吸收、反射和透射的能力。二、有關(guān)輻射的基本定律

1、基爾荷夫（Kirchhoff）定律

在一定波長、一定溫度下，一個物體的吸收率等于該物體同溫度、同波長的放射率；同一物體在某一溫度時放射某一波長的輻射，那么在同一溫度下也吸收這一波長的輻射。2、斯蒂芬（Stefan）-玻耳茲曼（Boltzman）定律

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

式中σ=5.67×10-8W/（m2·K4）為斯蒂芬-波耳茲曼常數(shù)3、維恩（Wein）位移定律

黑體單色輻射強度極大值所對應(yīng)的波長與其絕對溫度成反比，即

λmT=C

物體的溫度愈高，輻射的波長愈短，反之，物體的溫度愈低，輻射的波長愈長。

一、太陽輻射

太陽以電磁波的形式向外傳遞能量，稱為太陽輻射1、太陽輻射光譜

太陽輻射中輻射能按波長的分布，稱為太陽輻射光譜

第二節(jié)大氣對太陽輻射的作用可見光區(qū)◆特點：輻射能中，波長在0.15—4.0?之間占99%以上，而且主要分布在可見光區(qū)（50%）和紅外區(qū)（43%），紫外區(qū)的太陽輻射很少，只占7%。2、太陽常數(shù)

就日地平均距離來說，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，稱太陽常數(shù)，用I0表示。太陽常數(shù)變動于1359—1418W/m2之間。多數(shù)文獻(xiàn)上采用1370W/m2

曲線4是進(jìn)一步考慮到粗粒散射作用后的光譜；

曲線5是將水汽吸收作用也考慮在內(nèi)的光譜，它也可近似地看成是地面所觀測到的太陽輻射光譜

二、大氣對太陽輻射的削弱作用

1、穿過大氣的太陽輻射光譜曲線1是大氣上界太陽輻射光譜

曲線2是臭氧層下的太陽輻射光譜；

曲線3是同時考慮到分子散射作用的光譜；主要變化：①總輻射能有明顯地減弱；②輻射能隨波長的分布變得極不規(guī)則；③波長短的輻射能減弱得更為顯著2、大氣對太陽輻射的吸收

水汽：在紅外區(qū)吸收最強，可減弱4%-15%

氧：能微弱地吸收太陽輻射，在小于0.2μm處吸收能力較強，在0.69和0.76μm附近，也有吸收帶，但吸收能力較弱。臭氧：在0.2-0.3μm為一強吸收帶，使得小于0.29μm的輻射不能到達(dá)地面。在0.6μm附近有一寬吸收帶，吸收能力雖然不強，但因位于太陽輻射最強烈的輻射帶里，所以吸收的太陽輻射量相對較多。二氧化碳：對紅外區(qū)4.3μm附近的輻射吸收較強，對整個太陽輻射的影響不大。懸浮的水滴、塵埃等雜質(zhì)：能吸收一部分太陽輻射，但量極少

大氣直接吸收的太陽輻射并不多，特別是對于對流層大氣來說，太陽輻射不是主要的直接熱源。3、大氣對太陽輻射的散射

太陽輻射遇到空氣分子、塵粒、云滴等質(zhì)點時，方向發(fā)生改變，使太陽輻射以質(zhì)點為中心向四面八方傳播，稱為散射分子散射（蕾利散射）：如果太陽輻射遇到直徑比波長小的空氣分子，散射能力與波長的四次方成反比，即輻射的波長愈短，散射得愈強空氣分子的短波散射成都粗粒散射（米散射）：如果太陽輻射遇到的直徑比波長大一些的質(zhì)點，散射是沒有選擇性的，即輻射的各種波長都同樣地被散射。

當(dāng)空氣中存在較多的塵埃或霧粒，一定范圍的長、短波都被同樣的散射，使天空呈灰白色。4、大氣的云層和塵埃對太陽輻射的反射

云的反射作用最為顯著高云反射率約25％，中云為50％，低云為65％，稀薄的云層也可反射10％—20％。厚云層反射可達(dá)90％，一般情況下云的平均反射率為50％—55％。上述三種方式中，反射作用最主要，其次是散射，而吸收作用最小，太陽輻射約有30％被散射回宇宙（稱之為行星反射率），20％被大氣和云層直接吸收，50％到達(dá)地面被吸收。

厚云層的反射與散射三、到達(dá)地面的太陽輻射

太陽高度角越小，等量的太陽輻射散步的面積就越大，地面單位面積上獲得的太陽輻射就越??；反之，太陽高度角越大，單位面積上獲得的太陽輻射就越多。1、直接輻射

（1）太陽高度角的影響直接輻射：太陽以平行光的形式直接投射到地面上的輻射到達(dá)地面的總輻射散射輻射：經(jīng)過散射后從天空投射到地面的輻射

太陽高度角越小，太陽輻射穿過的大氣層越厚，被減弱的也越多，到達(dá)地面的直接輻射就越少，反之，太陽高度角越大，到達(dá)地面的直接輻射就越多解釋：大氣質(zhì)量數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)氣壓下，太陽光垂直投射到地面所經(jīng)路程中，單位面積的空氣柱的質(zhì)量成為一個大氣質(zhì)量。大氣質(zhì)量數(shù)隨太陽高度減小而增加，因此，大氣質(zhì)量數(shù)越大，輻射被消弱得越多，即，太陽高度角越小，輻射被消弱得越多

（2）大氣透明度的影響大氣透明度用“透明系數(shù)P”表示，即透過一個大氣質(zhì)量的輻射強度與進(jìn)入該大氣的輻射強度之比。大氣中的水汽、凝結(jié)物、塵粒越多，透明度越差，透明系數(shù)越小，太陽輻射被減弱的越多。

太陽輻射透過大氣層后的減弱與大氣透明系數(shù)和通過大氣質(zhì)量之間的關(guān)系，可用布格（Bouguer）公式表示

I=I0pm式中，I為到達(dá)地面的太陽輻射強度；I0為太陽常數(shù)；p為空氣透明系數(shù)；m為大氣質(zhì)量數(shù)思考：直接輻射的變化規(guī)律？2、散射輻射

太陽高度角增大時，到達(dá)近地面層的直接輻射增強，散射輻射也就相應(yīng)地增強大氣透明度不好時，參與散射作用的質(zhì)點增多，散射輻射增強

變化特點：一日內(nèi)正午最強，一年內(nèi)夏季最強3、總輻射

直接輻射與散射輻射之和稱總輻射日變化：日出前最少，隨時間的增加而增多，正午最多年變化：夏季最大，冬季最?。ǔ嗟栏浇猓┚暥茸兓旱途暥啵呔暽偃粘鲆郧?，只有散射輻射

日出以后，太陽直接輻射和散射輻射逐漸增加；但前者增加得較快，當(dāng)太陽高度升到約等于8°時，直接輻射與散射輻射相等

當(dāng)太陽高度為50°時，散射輻射值僅相當(dāng)總輻射的10％—20％；

到中午時太陽直接輻射與散射輻射強度均達(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規(guī)律受到破壞，因為云對直接輻射的減弱很顯著!我國年輻射總量區(qū)域差異：西北、華北多，長江流域、華南地區(qū)少。緯度（°N）64504030200可能總輻射139.3169.9196.4216.3228.2248.1有效輻射54.471.198.2120.8132.7108.8有效輻射的最大值不在赤道，而在20°N4、地面對太陽輻射的反射

到達(dá)地面的總輻射一部分被地面吸收轉(zhuǎn)變成熱能，另一部分被反射。

陸地表面的反射率約為10％—30％雪的反射率60%-90%水面的反射率與太陽高度角和水面平靜程度有關(guān)：若水面平靜，放射率雖太陽高度角的減小而增加；若水面波浪起伏，平均反射率為10%不同性質(zhì)地面的反射率地面反射率地面反射率地面反射率砂土29-35黑鈣土(干)14干草地29粘土20黑鈣土(濕)8小麥地10-25淺色土22-32耕地14新雪84-95深色土10-15綠草地26陳雪46-60第三節(jié)地面和大氣長波輻射太陽輻射雖然是地球上的主要能源，但因為大氣本身對太陽輻射直接吸收很少，而水、陸、植被等地球表面（又稱下墊面）卻能大量吸收太陽輻射，并經(jīng)轉(zhuǎn)化供給大氣，從這個意義來說，下墊面是大氣的直接熱源。一、地面和大氣長波輻射

1、為什么把地面和大氣輻射稱為長波輻射？

地面平均溫度約為300K，對流層大氣的平均溫度約為250K，熱輻射95%的能量集中在3-120μm的波長范圍內(nèi)。所以我們把地面和大氣的輻射稱為長波輻射，而把太陽輻射稱為短波輻射。假定地面平均溫度為15℃，根據(jù)維恩位移定律有：

λm=C/T=2896/288≈10μm

輻射能最強波段波長在10—15μm范圍內(nèi)

2、大氣對長波輻射的吸收

大氣對長波輻射的吸收非常強烈大氣在整個長波段，除8—12μm一段外，其余吸收率為1。

8—12μm處吸收率最小，透明度最大，稱為“大氣窗口”。這個波段的輻射，正好位于地面輻射能力最強處，所以地面輻射有20％的能量透過這一窗口射向宇宙空間。3、大氣中長波輻射的特點

第一，太陽直接輻射是作為定向的平行輻射進(jìn)入大氣的，而地面和大氣輻射是漫射輻射。第二，不僅考慮對長波輻射的吸收，還要考慮大氣本身的長波輻射。第三，長波輻射在大氣中傳播時，可以不考慮散射作用。二、大氣逆輻射與地面有效輻射

1、大氣逆輻射

大氣輻射指向地面的部分稱為大氣逆輻射如果沒有大氣，近地面的平均溫度應(yīng)為-23℃，但實際上近地面的均溫是15℃，也就是說大氣的存在使近地面的溫度提高了38℃。

2、地面有效輻射

地面放射的輻射（Eg）與地面吸收的大氣逆輻射（δEa）之差，稱為地面有效輻射。以F0表示F0=Eg-δEa影響因子：地面溫度，空氣溫度，空氣濕度和云況3、溫室效應(yīng)

太陽短波輻射可以透過大氣射入地面，而地面增暖后放出的長輻射卻絕大部分被大氣所吸收，又以大氣逆輻射返回地面，使地面因放射輻射而損耗的能量得到一定的補償，對地面有一種保暖作用，這種作用稱為大氣的溫室效應(yīng)（保溫效應(yīng)）地面有效輻射與地面溫度、空氣溫度、濕度和云況的關(guān)系濕熱天氣的有效輻射比干冷時小

有云覆蓋時比晴朗天空條件下有效輻射小

空氣混濁度大時比空氣干潔時有效輻射小

在夜間風(fēng)大時有效輻射小

海拔高度高的地方有效輻射大

當(dāng)近地層氣溫隨高度顯著降低時，有效輻射大

有逆溫時有效輻射小，甚至可出現(xiàn)負(fù)值

平滑地表面的有效輻射比粗糙地表面有效輻射小

有植物覆蓋時的有效輻射比裸地的有效輻射小地面有效輻射的日變化、年變化在白天，有效輻射在中午12—14時達(dá)最大在夜間，由于地面輻射冷卻的緣故，有效輻射值也逐漸減小，在清晨達(dá)到最小有效輻射的年變化夏季最大，冬季最小我國秦嶺、淮河以南地區(qū)有效輻射秋季最大，春季最??；華北、東北等地區(qū)有效輻射則春季最大，夏季最小，這是由于水汽和云況的影響第四節(jié)輻射差額一、地面輻射差額

1、基本概念某段時間內(nèi)單位面積地表面所吸收的總輻射和其有效輻射之差值，稱為地面的輻射差額Rg。即：

Rg=（Q+q）（1-a）-F0式中（Q+q）是到達(dá)地面的太陽總輻射；a為地面對總輻射的反射率；F0為地面的有效輻射

Rg＞0時，地面吸收的太陽總輻射大于地面的有效輻射，地面有熱量積累，反之，Rg＜0有熱量虧損。2、時空變化

日變化：夜間為負(fù)，白天為正，由負(fù)值轉(zhuǎn)到正值的時刻一般在日出后1h，由正值轉(zhuǎn)到負(fù)值的時刻一般在日落前1—1.5h。年變化：夏季輻射差額為正，冬季為負(fù)值輻射差額的年振幅隨地理緯度的增加而增大對同一地理緯度來說，陸地的年振幅大于海洋的年振幅全球各緯度絕大部分地區(qū)地面輻射差額的年平均值都是正值，只有在高緯度和某些高山終年積雪區(qū)才是負(fù)值就整個地球表面平均來說是收入大于支出的

二、地氣系統(tǒng)輻射差額

1、大氣輻射差額

若Ra表示整個大氣層的輻射差額，qa表示整個大氣層所吸收的太陽輻射，F(xiàn)0，F(xiàn)∞分別表示地面及大氣上界的有效輻射，則

Ra=qa+F0-F∞整個大氣層的輻射差額是負(fù)值波2、地-氣系統(tǒng)的輻射差額如果把地面和大氣看作為一個整體，其輻射能的凈收入為

R=（Q+q）（1-a）+qa-F∞整個地氣系統(tǒng)輻射差額的多年平均應(yīng)為零南北半球各緯度輻射收支情況：地-氣系統(tǒng)的輻射差額在緯度30°處是一轉(zhuǎn)折點。北緯35°以南的差額是正值，以北是負(fù)值，這種差異，推動大氣環(huán)流和洋流的運動。

地球上水的性質(zhì)與分布地球上的水是指地球上水圈內(nèi)所有形式的水，如海洋水、河流水、湖泊水、沼澤水、冰川水、地下水、土壤水、生物水、大汽水等。在地理環(huán)境要素中，水是最活躍的因子，在其循環(huán)運動過程中，與大氣圈、巖石圈、生物圈之間，處于相互聯(lián)系、相互作用之中。使其水量與水質(zhì)不斷地發(fā)生變化。水又是寶貴的自然資源，是保證人類生活和發(fā)展工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要物質(zhì)條件之一。第一節(jié)

地球上水的物理性質(zhì)一、水的形態(tài)及其轉(zhuǎn)化（一）水分子存在形式由于水分子具有極性，在自然界，水不完全是單水分子H2O，而更多的情況下是水分子的聚合體。水分子聚合體包括：單水分子（H2O）雙水分子（H2O）2三水分子（H2O）3（二）水的三態(tài)及其轉(zhuǎn)化

隨著水溫的變化，三態(tài)水分子的聚合體也在不斷的變化。1）隨著水溫的升高，水分子聚合體不斷地減少，而單水分子不斷地增多。2）隨著溫度的降低，水分子聚合體不斷增多，單水分子不斷減少。3）水溫在3.98℃時，結(jié)合緊密的二水分子最多，所以此時水的密度最大，比重為1。

不同水溫水分子聚合體的分布（%）分子式冰水0℃0℃4℃38℃98℃H2O019202936（H2O）24158595051（H2O）35923212113二、水的熱學(xué)性質(zhì)水變成水汽或冰融成水都要吸收熱量。相反，水汽凝結(jié)和水結(jié)成冰都要放出熱量，而且吸收或放出的熱量是相等的。這種吸收或放出的熱量稱為水的潛熱。水在0℃直接蒸發(fā)，其潛熱為2500J/g；在100℃時，汽化潛熱為2257J/g；冰在0℃時，融解潛熱為1401J/g；冰直接升華，潛熱為1401+2500=3901J/g。水的熱容量與潛熱特性，對整個地球上的熱量變化具有重要的調(diào)節(jié)作用，使冬季不致過冷，夏季不致過熱。

三、水溫（一）海水溫度1.海水熱量的收支海水的熱量收支收入支出1、太陽和天空的短波輻射1、海面輻射2、大氣長波輻射2、海水蒸發(fā)3、地殼內(nèi)熱3、洋流輸送4、凝結(jié)釋熱4、海水垂直交換5、洋流熱量輸送6、海水垂直交換7、化學(xué)、生物、放射性物質(zhì)放出的熱量

8、海水運動產(chǎn)生的熱量

2.海水溫度的分布1）海水溫度的水平分布三大洋表面年平均水溫約為17.4℃，其中太平洋最高，達(dá)19.1℃；印度洋17.0℃；大西洋16.9℃。三大洋表面年平均水溫的分布特點是：水溫從低緯向高緯遞減,在南北回歸線之間熱帶海區(qū)水溫最高；大洋東西兩側(cè)，水溫分布有明顯差異；在寒暖流交匯處等溫線特別密集，水溫水平梯度很大；夏季大洋表面水溫普遍高于冬季，而水溫的水平梯度則冬季大于夏季。北半球高于南半球：在南北緯0°—30°之間以印度洋水溫最高。在南北緯50°—60°之間大西洋水溫相差懸殊。2）水溫的垂直分布——從海面向海底呈不均勻遞減。在南北緯40°之間，海水垂直結(jié)構(gòu)可分兩層：表層暖水對流層：（一般深度達(dá)600—1000米）表層暖水對流層的最上一層（約0—100米）受氣候影響明顯，紊動混合強烈，對流旺盛，水溫垂直分布均勻，垂直梯度極小，故稱為表層擾動層。在此層下部與冷水之間形成一個溫躍層，水溫垂直梯度遞減率達(dá)最大值。深層冷水平流層。海水溫度年較差海區(qū)海水年較差（℃）北半球南半球赤道和熱帶不超過1-21-2，熱帶東部3-5熱帶西部7-124-6東部4.5-6溫帶西部14-174-5東部5-8寒帶（亞極地）海洋4-52-2.53.海水溫度的時間變化1）水溫的日變：水溫的日變很小，日較差不超過0.4℃，隨緯度的增加而減小2）水溫的年變：從赤道和熱帶海區(qū)向中緯增大，然后向高緯減小，大洋西側(cè)較東側(cè)變幅大，北半球較南半球大。4.海冰

含有鹽分的海水，其冰點和最大密度溫度都隨鹽度的增加而降低；

當(dāng)海水的鹽度大于24.695×10-3時，冰點溫度高于最大密度溫度；而鹽度小于24.695×10-3時，冰點溫度低于最大密度溫度；只有鹽度在24.695×10-3時，海水的冰點溫度與最大密度溫度相同。（二）河水溫度影響因素：太陽輻射、氣溫、補給源等。河流水溫在空間分布上大體與氣溫一致。略高于當(dāng)?shù)氐哪昶骄鶜鉁?，但差值不大，但在封凍期長、冬季氣溫低的地區(qū)，差值增大；河流水溫年變化主要受季節(jié)影響，春季河水熱量收入比支出大，因而河水溫度升高，最高水溫多出現(xiàn)在盛夏；秋冬河水熱量收入比支出小，溫度降低，最低水溫多出現(xiàn)在冬季氣溫最低的時候。一般在清晨，表面水溫低，愈向河底水溫愈高，成逆溫現(xiàn)象。在14時左右，表面水溫高，愈向河底水溫愈低，成正溫現(xiàn)象，河水溫度的日變幅較小。（三）湖泊、水庫水溫1.水溫的分布正溫層：上層水溫高，下層水溫低，但不低于4℃，逆溫層：出現(xiàn)上層水溫低，下層水溫高，但不高于4℃。2.湖水溫度的變化日變化：表層最明顯，隨溫度的增加日變幅逐漸減小，最高水溫一般出現(xiàn)在每天的14—18時，最低水溫出現(xiàn)在5—8時，水溫日變幅在陰天和晴天之間的差別也較大。年變化：與當(dāng)?shù)貧鉁啬曜兿嗨?，但最高、最低水溫出現(xiàn)的時間要遲半個月到一個月左右。水溫月平均最高值多出現(xiàn)在7、8月，月平均最低值多出現(xiàn)在1、2月。

湖溫年較差比氣溫年較差小，大湖較小湖小。我國湖面水溫年變幅最大是太湖，最大值可達(dá)38℃。高山、高原區(qū)湖泊水溫年變幅最小。（四）地下水的水溫在日常溫層以上，水溫有明顯的晝夜變化；在年常溫層以上，水溫具有季節(jié)性變化。在年常溫層中，地下水溫度變化很少，一般不超過0.1℃。而在年常溫層以下，地下水溫則隨深度的增加而逐漸升高，其變化規(guī)律決定于一個地區(qū)的地?zé)嵩鰷丶?。地?zé)嵩鰷丶壥侵冈诔貙右韵拢瑴囟让可?℃所需增加的深度，單位為m/℃。各處地?zé)嵩鰷丶壊煌话銥?3m/℃。在不同地區(qū)，地下水溫度差異很大。如在新火山地區(qū)，地下水溫可達(dá)100℃以上；而在寒帶、極地及高山、高原地區(qū)，地下水的溫度很低，有的可低至-5℃。地下水的溫度差異可分為如下幾類（表1-4）。地下水溫度分類（℃）類別非常冷水極冷水冷水溫水熱水極熱水沸騰水溫度<00-44-2020-3737-4242-100>100

地下水在一定地質(zhì)條件下，因受地球內(nèi)部熱能的影響而形成地下熱水。它通過一定的通道，例如，沿斷裂破碎帶、鉆孔等上涌，致使地?zé)嵩鰷丶壌蟠筇岣?，這種地區(qū)叫地?zé)岙惓^(qū)。具有良好的地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)條件的地?zé)岙惓^(qū)，有可能形成大量地下熱水或天然蒸汽的地?zé)崽铩５叵聼崴疁囟确诸愊酂崴愋蜔崴Q溫度界限（℃）主要用途液相熱水低溫?zé)崴?0-40灌溉、浴療、洗滌中溫?zé)崴?0-60生活、取暖、鍋爐用水、調(diào)節(jié)灌溉水源高溫?zé)崴?0-100取暖、工業(yè)熱供水、鍋爐用水、發(fā)電液氣相過熱水低溫過熱水>100發(fā)電、動力高溫過熱水>374發(fā)電、動力四、水的密度（一）純水的密度純水密度與溫度的關(guān)系水溫（℃）-20-10（冰）0（水）03.9810（水）100密度（g/cm3)0.94030.91860.91670.99991.0000.99970.9584（二）海水密度

海水密度是指單位體積內(nèi)所含海水的質(zhì)量，其單位為g/cm3。

習(xí)慣上使用的密度是指海水的比重，即指在一個大氣壓力條件下，海水的密度與水溫3.98℃時蒸餾水密度之比。因此在數(shù)值上密度和比重是相等的。海水的密度狀況，是決定海流運動的最重要因子之一。海水的密度與溫度、鹽度和壓力的關(guān)系比較復(fù)雜，凡是影響海水溫度和鹽度變化的地理因素，都影響密度變化。密度分布規(guī)律：大洋表面密度隨緯度的增高而增大，等密度線大致與緯線平行。赤道地區(qū)由于溫度很高，鹽度較低，因而表面海水的密度很小。亞熱帶海區(qū)鹽度雖然很高，但那里的溫度也很高，所以密度仍然不大,極地海區(qū)由于溫度很低，所以密度最大。在垂直方向上，海水的結(jié)構(gòu)總是穩(wěn)定的，密度向下遞增。

五、水色與透明度（一）水色影響因素：水體的光學(xué)性質(zhì)、水中懸浮物質(zhì)及浮游生物的顏色、天空狀況、水體底質(zhì)的顏色。如海水水色多呈蔚藍(lán)色、綠色；水色常用水色計測定（二）透明度透明度是表示各種水體能見程度的一個量度。影響因素：水體的清濁程度、水面波動、天氣狀況、太陽光照等。透明度的測定：通常是把透明度板（白色圓盤直徑為30厘米）放到水中，從水面上方垂直用肉眼向下注視圓盤，測出直到看不見圓盤時為止的深度，單位以米表示。

水色和透明度，都反映了水體的光學(xué)特性。水面上光線越強，透入越深，透明度就越大；反之則小。水色越高透明度越大，水色越低透明度越小。大洋水色與透明度對照水色號1-22-55-99-1011-13水色藍(lán)青藍(lán)青綠綠黃透明度（m）26.723.216.215.55.0世界上透明度最大的海洋——馬尾藻海馬尾藻海（SargassoSea），是大西洋北部的一個海，因海面漂浮大量馬尾藻而得名。馬尾藻海是世界上唯一一個沒有海岸線的海，嚴(yán)格來說，它只是被幾條主要洋流圍出的一個特定的區(qū)域。墨西哥灣暖流在其西，北大西洋暖流在其北，加那利寒流在其東，北赤道暖流在其南，約長3200公里，寬1100公里。地理位置約在西經(jīng)40度至70度，北緯25度至35度。百慕大群島位于該海的西部。

第二節(jié)地球上水的化學(xué)性質(zhì)一、天然水的化學(xué)成分目前各種水體里已發(fā)現(xiàn)80多種元素。天然水中各種物質(zhì)按性質(zhì)通常分為三大類：懸浮物質(zhì)：膠體物質(zhì)：溶解物質(zhì)：

礦化度是天然水中各種元素的離子、分子與化合物的總量二、天然水的礦化過程(各種溶解質(zhì)在天然水中的累積和轉(zhuǎn)化)溶濾作用:

土壤和巖石中某些成分進(jìn)入水中的過程稱溶濾作用。吸附性陽離子交替作用:

天然水中離子從溶液中轉(zhuǎn)移到膠體上,同時膠體上原來吸附的離子轉(zhuǎn)移到溶液中的陽離子交換過程。氧化作用:

天然水中的氧化作用，包括使圍巖的礦物氧化和使水中有機物氧化。還原作用:

在還原環(huán)境里，天然水若與含有機物的圍巖（油泥、石油等）接觸，或受到過量的有機物污染，碳?xì)浠衔锟梢允顾械牧蛩猁}還原。蒸發(fā)濃縮作用:

蒸發(fā)濃縮作用主要出現(xiàn)在干旱地區(qū)?；旌献饔?

雨水滲入補給地下水，地下水補給河水，河水注入湖泊或大海，河口段的潮水上溯，濱海含水層的海水入侵等，都是天然水的混合，混合后礦化度和化學(xué)組成發(fā)生變化。

三、天然水的分類

按礦化度分類:天然水按礦化度分類（g/l）類型低礦化

（淡水）弱礦化

（微咸水）中度礦化

（咸水）強礦化

（鹽水）高礦化

（鹵水）礦化度<11-2424-3535-50>50按水的硬度分類:

水的硬度是指水中鈣、鎂離子的含量。含量越高，硬度越大。硬度單位通常采用“德國度”，“德國度”一度相當(dāng)于一升水中含氧化鈣10毫克或氧化鎂7.2毫克。水的硬度表

鈣、鎂離子毫克當(dāng)量數(shù)極軟水<1.5軟水1.5-3.0弱硬水3.0-6.0硬水6.0-9.0極硬水>9.0

四、水體的化學(xué)性質(zhì)（一）大氣水的化學(xué)組成及特性大氣降水含有多種離子及微生物和灰塵。1、降水中的物質(zhì)來源：海面上汽包崩解和浪花卷起的泡沫飛濺彌散在空中，水滴蒸發(fā)成極細(xì)的干鹽粒。風(fēng)從地面吹起的揚塵；火山爆發(fā)噴入大氣的易溶物質(zhì)及塵埃；人類活動向大氣排放的廢氣和煙塵。2、大氣水的化學(xué)成分和性質(zhì)有以下特點：溶解氣體的含量近于飽和降水普遍顯酸性（二）海水的化學(xué)組成及特點1.海水的化學(xué)組成大量元素：氯、鈉、鎂、硫、鈣、鉀、溴、碳、鍶、硼、硅、氟等12種，其含量約占全部海水化學(xué)元素含量的99.8—99.9%。微量元素：其它元素在海洋中含量極少，都在1毫克/升以下。海水化學(xué)元素最大特點之一是上述12種主要離子濃度之間的比例幾乎不變，因此稱為海水組成的恒定性。

2.海水的鹽度海水鹽度是指單位質(zhì)量海水中所含溶解物質(zhì)的質(zhì)量。

海水中鹽類的來源對海水中鹽類的來源說法不一。一種說法是，海水中的鹽類是由河流帶來的。另一種說法是，由于海底火山活動使海洋中的氯化物和硫酸鹽增多。（三）河水化學(xué)成分的特點河水的礦化度普遍低,一般小于1克/升，平均只有0.15—0.35克/升。河水中各種離子的含量差異很大。河水化學(xué)組成的空間分布有差異性。河水化學(xué)組成的時間變化明顯。（四）湖水化學(xué)成分的特點1.湖水的礦化度有差異。按照礦化度，通常將湖泊分為淡水湖、微咸水湖、、咸水湖、鹽湖幾種類型。2.湖中生物作用強烈。營養(yǎng)元素（N、P）在湖水、生物體、底質(zhì)中循環(huán)，各地的淡水湖泊都有不同程度的富營養(yǎng)化的趨勢。3.湖水交替緩慢，深水湖有分層性，隨著水深的增加，溶解氧的含量降低，CO2的含量增加。（五）地下水的化學(xué)特征1.土壤和巖石圈各種元素及化合物都可能存在于地下水中。2.礦化度變化范圍大。3.地下水的化學(xué)成分的時間變化極為緩慢，常需以地質(zhì)年代衡量。4.地下水與大氣接觸有很大的局限性，僅限于距地表最近的含水層，此層可溶入氧氣成為地下水氧化作用帶。CO2的含量比較多。第三節(jié)地球上水的分布與水資源

水是地球上分布最廣泛的物質(zhì)之一。它以氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)三種形式存在于空中、地表與地下，成為大氣水、海水、陸地水，以及存在于所有動、植物有機體內(nèi)的生物水，組成了一個統(tǒng)一的相互聯(lián)系的水圈。水的類型分布面積（104km2）水量（104km3）水深(m）世界水儲量中的（%）占總儲量占淡水儲量海洋水36130133800370096.5

地下水1348023401741.7

其中地下淡水134801053780.7630.1土壤水82001.650.20.0010.05冰川和永久雪蓋1622.752406.4114631.7468.7永凍土底冰2.130.0140.2220.86淡水湖泊123.649.173.60.0070.26咸水湖泊82.238.54103.80.006

沼澤水268.261.1474.280.00080.03河床水14.880.2120.0140.00020.006生物水510000.1120.0020.00010.003大氣水510001.1290.0250.0010.04總量51000138598.4612718100

淡水儲量1480035029.21235(?)2.53100一、地球上水的分布二、水資源涵義與特性（一）水資源的涵義廣義水資源:世界上一切水體。狹義水資源：指在一定時期內(nèi)，能被人類直接或間接開發(fā)利用的那一部分動態(tài)水體，主要指河流、湖泊、地下水和土壤水等淡水，個別地方還包括微咸水。（二）水資源的特性水資源的循環(huán)再生性與其有限性：時空分布的不均勻性。利用的廣泛性和不可代替性。利與害的兩重性三、世界水資源包括南極冰川在內(nèi)，世界各大洲陸地年徑流總量為4.68萬，1971年全世界人口為36.4億，人均年徑流量為12900立方米；1982年世界人口增到45億，則人均占有徑流量減為10400立方米；1990年世界人均水資源占有徑流量下降為7800立方米，我國人均為2338立方米。大陸

徑流量占總徑流量的（%）(mm)(km3)歐洲30632107亞洲3321441031非洲151457010北美洲339820017南美洲6611176025澳洲4533481大洋洲161020404南極洲15623105總陸面31446800100表1-21主要國家人均徑流水量（1985）國家巴西加拿大美國印度尼西亞中國印度平均年徑流量（億m3）519123122029702281132711517800人口（萬人）119092409229801475010310069389人均水量（m3/人）43700129600129201900026322450目前世界上60％的地區(qū)面臨淡水不足的困境，40多個國家的水資源嚴(yán)重匱缺。根據(jù)聯(lián)合國的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，每天大約有11億人口得不到干凈的水，每天大約有6000名兒童死于不衛(wèi)生的水和不合格的衛(wèi)生條件所引起的疾病。隨著水污染造成的危害加劇，“環(huán)境難民”不斷增加。世界上許多國家正面臨著水資源的危機。同時，水資源危機帶來的生態(tài)系統(tǒng)惡化和生物多樣性破壞，也將嚴(yán)重威脅人類生存。世界水日？

四、我國水資源（一）水資源總量一個區(qū)域水資源總量，為當(dāng)?shù)亟邓纬傻牡乇硭偷叵滤目偤?。（二）水資源時空變化1.總趨勢是由東南沿海向西北內(nèi)陸遞減。按照年降水和年徑流的多少，全國大致可劃分為水資源條件不同的5個地帶。多雨-豐水帶：年降水量大于1600毫米濕潤-多水帶：年降水量800—1600毫米半濕潤-過渡帶：年降水量400—800毫米半干旱-少水帶：年降水量200—400毫米干旱-干涸帶：年降水量小于200毫米3.季節(jié)變化按照河流補給情況，全國大致可分為三區(qū)：秦嶺以南主要為雨水補給區(qū)，河川徑流量的季節(jié)變化主要受降水季節(jié)分配的影響，夏汛比較突出。東北地區(qū)、華北部分地區(qū)、黃河上游和西北一些河流，為雨水和冰雪融水補給區(qū)。有春秋兩次汛期。西北內(nèi)陸地區(qū)主要由高山冰雪融水補給，徑流量的變化與氣溫有密切關(guān)系，年內(nèi)分配比較均勻。2.多年變化全國水資源豐枯變化規(guī)律大致可歸納為三種類型：比較明顯的60—80年長周期、比較明顯的30—40年短周期、沒有明顯的周期性變化。（三）水資源條件和問題1.水資源總量不少，但人均、畝均水量較少。2.水資源的地區(qū)分布很不均勻，與人口、耕地的分布不相適應(yīng)3.水量的年內(nèi)、年際變化大，水旱災(zāi)害頻繁4.水土流失和泥沙淤積嚴(yán)重。5.地下水是我國重要水資源。6.天然水質(zhì)相當(dāng)良好，但人為污染日趨嚴(yán)重。

黃河渭河渭河嘉陵江塔里木河3月22日，印度新德里的一位母親幫助孩子從公共水龍頭處喝水。聯(lián)合國表示，11億人無法飲用足夠的潔凈水，而到2030年這樣的人還將增加至18億。第二節(jié)大氣水分和降水大氣中的水分第一節(jié)蒸發(fā)和凝結(jié)一、水相變化

水的三相：氣態(tài)（水汽）、液態(tài)（水）、固態(tài)（冰）

1、水相變化的物理過程

從分子運動論看，水相變化是水的各相之間分子交換的過程；分子運動的劇烈程度與溫度有關(guān)，因而水相的變化主要受溫度影響。2、水相變化的判據(jù)

N＞n蒸發(fā)（未飽和）N=n動態(tài)平衡（飽和）N＜n凝結(jié)（過飽和）E＞e蒸發(fā)（未飽和）E=e動態(tài)平衡（飽和）E＜e凝結(jié)（過飽和）二、水相變化

·

蒸發(fā)——由水變成水汽；

·

凝結(jié)——由水汽變成水；

·

凍結(jié)——由水變成冰；

·

融解——由冰變成水；

·

凝華——由水汽直接變成冰；

·

升華——由冰直接變成水汽。

◆水的相變過程伴隨著能量轉(zhuǎn)化和交換，這種能量稱為潛熱（能）。3、水相變化中的潛熱

蒸發(fā)潛熱L與溫度的關(guān)系L=（2500-2.4t）×103（J/kg）≈2.5×106J/kg升華潛熱Ls：融解潛熱為3.34×105J/kgLs=（2.5×106+3.34×105）J/kg

≈2.8×106J/kg

蒸發(fā)、融解、升華——吸收潛熱凝結(jié)、凍結(jié)、凝華——釋放潛熱溫度-30-20-100102030計算值0.5271.2732.8736.1112.3223.7043.60實驗值

2.8656.1112.2823.3842.43各種溫度下的飽和水汽壓(hPa)：二、飽和水汽壓

1、飽和水汽壓與溫度的關(guān)系飽和水汽壓隨溫度的升高而增加，高溫時的飽和水汽壓比低溫時大！2、飽和水汽壓與蒸發(fā)面性質(zhì)的關(guān)系

（1）冰面和過冷卻水面的飽和水汽壓不同溫度下過冷卻水面飽和水汽壓(Es)和冰面飽和水汽壓(Ei)及其差值(ΔE)：溫度0-5-10-11-12-15Es6.1084.2152.8632.6442.4411.942Ei6.1084.0152.5972.3762.1721.652ΔE00.2000.2660.2680.2690.260溫度-20-25-30-35-40-50Es1.2540.8070.5090.3140.1890.064Ei1.0320.6320.3800.2230.1280.039ΔE0.2220.1750.1290.0910.0610.025（2）溶液面的飽和水汽壓在同一溫度下，溶液面的飽和水汽壓比純水面的小，且溶液的濃度越大，飽和水汽壓越小。同溫度下，冰面的飽和水汽壓小于過冷卻水的飽和水汽壓！(零度時除外)3、飽和水汽壓與蒸發(fā)面形狀的關(guān)系

同溫下，凸面的飽和水汽壓最大，平面次之，凹面最小；凸面的曲率越大，飽和水汽壓越大；凹面的曲率越大，飽和水汽壓越小。三、蒸發(fā)及其影響因素影響因素：水源、熱源、飽和差、風(fēng)速與湍流擴(kuò)散

·

水源：沒有水源不可能蒸發(fā)；

·

熱源：蒸發(fā)必須消耗熱量；

·

飽和差：飽和差越大，蒸發(fā)速度越快。當(dāng)e＜E時，出現(xiàn)蒸發(fā)；當(dāng)e＞

E時，則出現(xiàn)凝結(jié)。

·

風(fēng)速與湍流擴(kuò)散：無風(fēng)時蒸發(fā)慢，有風(fēng)湍流強，蒸發(fā)快四、濕度隨時間的變化

1、水汽壓隨時間的變化

雙峰型：主要在大陸上湍流混合較強的夏季出現(xiàn)，在一日內(nèi)有兩個最高值和兩個最低值。最低值出現(xiàn)在清晨溫度最低時和午后湍流最強時，最高值出現(xiàn)在9—10時和21—22時單波型：以海洋上、沿海地區(qū)和陸地上湍流不強的秋冬季節(jié)為多見，最低值出現(xiàn)在清晨氣溫最低時，最高值出現(xiàn)在午后氣溫最高時。水汽壓的年變化與溫度的年變化相似，最高值出現(xiàn)在溫度高、蒸發(fā)強的7—8月份，最低值出現(xiàn)在溫度低、蒸發(fā)弱的1—2月份。2、相對濕度隨時間的變化

相對濕度的日變化與溫度日變化相反，其最高值基本上出現(xiàn)在清晨溫度最低時，最低值出現(xiàn)在午后溫度最高時相對濕度的年變化一般以冬季最大，夏季最小。季風(fēng)盛行地區(qū)，由于夏季盛行風(fēng)來自于海洋，冬季盛行風(fēng)來自于內(nèi)陸，相對濕度反而夏季大，冬季小五、大氣中水汽凝結(jié)的條件

1、一般條件

一是有凝結(jié)核或凝華核的存在。二是大氣中水汽要達(dá)到飽和或過飽和狀態(tài)2、凝結(jié)核

在實驗室里發(fā)現(xiàn)，在純凈的空氣中，相對濕度為300％—400％，也不會發(fā)生凝結(jié)。大氣的吸濕性微粒物質(zhì)，對水分子吸引力大，從而有利于水汽分子在其表面上的集聚，使其成為水汽凝結(jié)核心，稱其為凝結(jié)核。

3、空氣中水汽的飽和或過飽和（1）暖水面蒸發(fā)（2）空氣的冷卻A、絕熱冷卻：指空氣在上升過程中，因體積膨脹對外做功而導(dǎo)致空氣本身的冷卻B、輻射冷卻：指在晴朗無風(fēng)的夜間，由于地面的輻射冷卻，導(dǎo)致近地面層空氣的降溫C、平流冷卻：暖濕空氣流經(jīng)冷的下墊面時，將熱量傳遞給冷的地表，造成空氣本身溫度降低D、混合冷卻：當(dāng)溫差較大，且接近飽和的兩團(tuán)空氣水平混合后，也可能產(chǎn)生凝結(jié)三、水汽凝結(jié)現(xiàn)象第二節(jié)水汽的凝結(jié)現(xiàn)象一、地表面的水汽凝結(jié)物

(一)露和霜1、定義：傍晚或夜間，地面或地面物體因輻射冷卻，使貼近地表面的空氣層也隨之降溫。當(dāng)溫度降到露點之下時，空氣達(dá)到飽和在地面地物的表面產(chǎn)生的水汽凝結(jié)?！ぢ叮寒?dāng)Td>0時,地面或地面物體上出現(xiàn)極其微小的水滴，稱為露?！に寒?dāng)Td<0時,地面或地面物體上出現(xiàn)白色晶體結(jié)構(gòu)的水汽凝華物稱為霜。

露霜霜

2、霜與霜凍的區(qū)別

霜凍：指在植物生長季節(jié)里，地面和植物表面溫度下降到足以引起農(nóng)作物遭受傷害或者死亡的低溫。黑霜：當(dāng)?shù)蜏?gt;Td時，有霜凍而無霜白霜：當(dāng)?shù)蜏?lt;Td時，即有霜凍又有霜

霜：白色的凝華物因此，農(nóng)業(yè)上要預(yù)防的是霜凍而不是霜，霜和露都是好天氣的標(biāo)志。

霜凍預(yù)防的一般措施:(1)熏煙法：在霜凍之夜，在田間熏煙可有效地減輕或避免霜凍災(zāi)害。但要注意兩點：一是煙火點應(yīng)適當(dāng)密些，使煙幕能基本全覆蓋；二是點燃時間要適當(dāng)，應(yīng)在上風(fēng)方向，午夜至凌晨2～3點鐘點燃，直至日出前仍有煙幕籠罩在地面，這樣效果最好。(2)噴水法：在霜凍發(fā)生前，用噴霧器對植株表面噴水，可使其體溫下降緩慢，而且可以增加大氣中水蒸氣含量，水汽凝結(jié)放熱，以緩和霜害。明顯的霜凍天，可多次噴水。(3)濕地法：潮濕的土壤熱容量大，導(dǎo)熱率也大，表層冷卻慢，所以在霜凍發(fā)生前，澆濕地面，可減輕霜凍強度，此方法一般與噴水法同時采用。(4)覆蓋法：用草簾、薄膜將農(nóng)作物覆蓋。此法適用較小面積，成本較大。(5)洗霜法：萬一遭霜凍，在太陽出來以前，澆水或噴清水洗霜，可減輕作物霜凍危害。2、形成條件：

露晴朗的夜晚——有利于地物或地面迅速輻射冷卻微風(fēng)——保證有足夠多的水汽供應(yīng)凝結(jié)霜晴朗的夜晚——有利于地物或地面迅速輻射冷卻冷平流過后可以形成平流霜洼地或山谷中，冷空氣聚集易形成洼地霜

（二）霧凇和雨凇

1、霧凇

霧凇是形成于樹枝上、電線上或其它地物迎風(fēng)面上的白色疏松的微小冰晶或冰粒。（1）晶狀霧?。河蛇^冷卻霧滴蒸發(fā)后，直接由水汽凝華而成

特點：結(jié)構(gòu)松散，稍有震動就脫落條件：有霧、微風(fēng)、T≤-15℃（2）粒狀霧?。哼^冷卻霧滴碰到冷的物體表面后迅速凍結(jié)而成的冰晶特點：結(jié)構(gòu)緊密條件：有霧，風(fēng)速較大，T=-2到-7℃危害：能壓斷電線、樹枝、影響交通和通訊霧凇霧凇2、雨凇

雨凇是形成在地面或地物迎風(fēng)面上的透明的或毛玻璃狀的緊密冰層，主要是過冷卻雨滴降到溫度低于0℃的地面或地物上凍結(jié)而成的。

雨凇的破壞性很大，它能壓斷電線、折損樹木，對交通運輸、電訊、輸電以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)都有很大影響。雨凇雨凇二、大氣中的水汽凝結(jié)物（一）霧

1、定義：懸浮于近地面空氣中的大量水滴或冰晶，使水平能見度小于1km的汽凝結(jié)物。

2、條件：近地面空氣中水汽充足有充足的凝結(jié)核有使水汽凝結(jié)的冷卻過程風(fēng)力微弱、層結(jié)穩(wěn)定（r<rm）3、預(yù)示天氣狀況：“十霧九晴”霧

鋒面霧

氣團(tuán)霧

蒸發(fā)霧 混合霧

冷卻霧

輻射霧

平流霧

上坡霧

3、分類：根據(jù)霧的形成天氣條件進(jìn)行分類

（1）輻射霧：由于地面輻射冷卻，使近地面的空氣相應(yīng)變冷，當(dāng)空氣溫度在露點溫度之下時，空氣中的水汽產(chǎn)生凝結(jié)而形成的霧。條件：近地面空氣中水汽充足；

晴朗少云的夜晚；微風(fēng)；大氣層結(jié)穩(wěn)定

特點：日變化強，一般半夜形成，日出后逐漸散開季節(jié)性強，一般在冬半年的陸地上形成地方性強，比如谷地、盆地等地形（2）平流霧：暖濁空氣移到冷的下墊面上使低層空氣冷卻而形成的霧

條件：下墊面與暖濕空氣的溫差大；

暖空氣濕度大；適宜的風(fēng)向和風(fēng)速（每秒2—7米）；大氣層結(jié)穩(wěn)定。城市之霧2為什么霧天會加劇大氣污染、危害人體健康呢？原來，當(dāng)細(xì)小的水珠飄浮在

低空形成霧時，小水珠會溶解和吸附一些地表的有害物質(zhì)，如酸、堿、苯、酚以

及塵埃、病原微生物等。霧的形成使這些有害物質(zhì)滯留、積聚，濃度較高而又得

不到擴(kuò)散、稀釋，污染就相應(yīng)加重。如果冬霧持續(xù)數(shù)日，空氣中污染物會迅速增

加。在霧中鍛煉，人吸入或接觸過多有害物質(zhì)，可引起氣管炎、喉炎、肺炎、鼻

炎、眼結(jié)膜炎，以及過敏性疾病。

晨練者在運動時，由于肌肉和骨骼的活動加強，體內(nèi)的產(chǎn)熱量增加，為了維

持熱平衡，需要借助排汗來散發(fā)體熱。但是，大霧時，氣壓高，空氣濕度大，汗

液不易蒸發(fā)，不利于皮膚的散熱，有礙肺泡的氣體交換，這樣，就會使人感到悶

熱和周身不適，出現(xiàn)胸悶、憋氣、疲勞、頭昏等供氧不足的癥狀，并且容易引起

傷風(fēng)感冒，誘發(fā)高血壓、冠心病、呼吸系統(tǒng)疾病和腦溢血。

歷史上曾經(jīng)發(fā)生過多起煙霧“殺人”的事件。比利時馬斯河谷地區(qū)1930年12

月持續(xù)一周的煙霧，致60人死亡；1948年10月底，美國多諾拉持續(xù)5天大霧彌漫，

17人致死；最可怕的是1952年12月5日至9日的英國倫敦?zé)熿F事件，造成4000人死

亡……這些都說明霧對人體的危害。因此，濃霧天最好不要到戶外進(jìn)行體育鍛煉，

特別是患有呼吸道疾病和心血管疾病的人，以及年老體弱者，更應(yīng)當(dāng)心。此時，

可暫時改在室內(nèi)做徒手操、打太極拳等，或者推遲時間，待霧散后再去鍛煉。閱讀:（二）云1、定義：云是指高懸于空中、由水汽凝結(jié)（凝華）而成的小水滴或小冰晶構(gòu)成的可見集合體。

云是氣塊上升過程絕熱冷卻降溫，使水汽達(dá)到飽和或過飽和發(fā)生凝結(jié)而成。2、云的成因：對流運動——主要形成積狀云；動力抬升——主要形成層狀云；大氣波動——主要形成波狀云；地形抬升——比較復(fù)雜，可以形成各種云。3、云的分類：按國際分類法，根據(jù)云的形成高度，結(jié)合云的形態(tài)特征、結(jié)構(gòu)、成因，將云分為3族10屬29種。云的類型云族云屬符號特征低云100——2000m積云Cu由水滴組成，云底平坦，垂直向上發(fā)展，常常產(chǎn)生大量降水及陣性降水。積雨云Cb層積云Sc層云St雨層云Ns中云＜6000m高層云As由水滴和冰晶組成，可降水或變雨層云。高積云Ac高云＞6000m卷云Ci由冰晶組成，一般不產(chǎn)生降水。卷層云Cs卷積云Cc4、各類云的形成及特點：（1）積狀云：屬于垂直發(fā)展的云塊，是由于空氣對流上升絕熱冷卻，使水汽產(chǎn)生凝結(jié)而形成的云。多形成于夏季午后。特點：頂部孤立，分散，個體分明；底部平坦，水平范圍小，云內(nèi)不穩(wěn)定，垂直發(fā)展的云塊。類型：淡積云

濃積云

積雨云積云，平底，向上發(fā)展B淡積云C濃積云D積雨云積雨云在13分鐘內(nèi)的發(fā)展積雨云在13分鐘內(nèi)的發(fā)展強烈發(fā)展的積雨云1強烈發(fā)展的積雨云強烈發(fā)展的積雨云2強烈發(fā)展的積雨云強烈發(fā)展的積雨云3強烈發(fā)展的積雨云積狀云日變化：上午：多淡積云，隨著對流增強，逐漸發(fā)展為濃積云。下午：對流旺盛，發(fā)展為積雨云；傍晚：對流減弱，消散根據(jù)積狀云的變化判斷短期天氣變化：·

一天都只是淡積云，空氣穩(wěn)定，連續(xù)晴天?！?/p>

夏天很早出現(xiàn)濃積云，空氣不穩(wěn)定，雷雨征兆。（2）層狀云：包括卷層云、卷云、高層云及雨層云。特征：均勻幕狀云層，具有較大的水平范圍。形成：大規(guī)模的系統(tǒng)性上升運動產(chǎn)生，主要是鋒面上的上升運動引起。卷云1卷云卷云2卷云卷云3卷云卷層云1卷層云卷層云2

“日暈風(fēng)，月暈雨”卷層云卷層云3卷層云高層云雨層云（3）波狀云：包括卷積云、高積云、層積云、層云。特征：波浪起伏或魚鱗狀的云層。形成：空氣存在波動，波峰處空氣上升絕熱冷卻形成云，波谷空氣下沉。根據(jù)波狀云的變化判斷短期天氣變化：·

波狀云出現(xiàn)表明氣層比較穩(wěn)定，天氣少變化。·“瓦塊云，曬死人”、“天上鯉魚斑，明天曬谷不用翻”卷積云高積云波狀云2（4）特殊云堡狀云：云體細(xì)長，底部水平，頂部并列突起，是由于氣流突破穩(wěn)定氣層而致。

“天上云城堡，地下雷雨鳴”

絮狀云：邊緣破碎，是由于潮濕氣流不穩(wěn)定且有強烈的湍流混合而致。

“朝有破絮云，午后雷雨臨”

莢狀云：是上升氣流與下降氣流相匯合而成的，呈豆莢狀。一般晴天黃昏時出現(xiàn)，屬于連晴天的標(biāo)志。堡狀云莢狀云（地形云）絮狀云懸球云火山云美國圣勞倫斯火山火山云是火山爆發(fā)時形成的。火山爆發(fā)時釋放出巨大的能量，在火山口附近會激起強烈的對流活動，于是形成“火山云”。UFO云

（地形云）法國第三節(jié)降水——指從云層中降落到地面的液態(tài)或固態(tài)水。包括雨、雪、霰、雹等。雨：自云體中降落至地面的液體水滴。雪：從混合云中降落到地面的雪花形態(tài)的固體水。霰：從云中降落至地面的不透明的球狀