《大氣物理》本科全冊配套完整教學(xué)課件

《大氣物理》本科全冊配套完整教學(xué)課件云和降水的形成過程水汽小云滴大云滴上升凝結(jié)凝結(jié)碰并增長借助空氣的上升運(yùn)動（在一定的大氣層結(jié)穩(wěn)定度條件下才能產(chǎn)生），大氣的溫度、濕度和穩(wěn)定度在整個過程中都在不斷變化，由此大氣的熱力狀態(tài)也在不停變化，常伴有各種不同形式的能量轉(zhuǎn)化，這種轉(zhuǎn)化必然遵循熱力學(xué)一般規(guī)律，而大氣中能量的轉(zhuǎn)化又會引起大氣狀態(tài)及其運(yùn)動的變化。降水降落蒸發(fā)第三章大氣熱力學(xué)基礎(chǔ)§1熱力學(xué)定律在大氣過程中的應(yīng)用§2干絕熱過程§3濕絕熱過程和假絕熱過程§4絕熱混合過程§5等壓冷卻過程§6大氣熱力學(xué)圖解§7溫濕參量§8§9§10靜力穩(wěn)定度問題§1熱力學(xué)定律在大氣過程中的應(yīng)用一、預(yù)備知識二、大氣中的熱力學(xué)第一定律三、熱力學(xué)函數(shù)四、熱力學(xué)函數(shù)的計算系統(tǒng)：我們所研究的那部分物質(zhì)，即我們關(guān)心的那部分。環(huán)境：即系統(tǒng)的環(huán)境，是系統(tǒng)以外與之相聯(lián)系的那部分物質(zhì)。界面

物質(zhì)交換 系統(tǒng)<——————————>環(huán)境 能量交換（熱、功）熱力學(xué)基本概念—(1)系統(tǒng)&環(huán)境任意性熱力學(xué)基本概念—(1)系統(tǒng)&環(huán)境⑴孤立系統(tǒng)：與外界沒有任何相互作用的系統(tǒng)。⑵封閉系統(tǒng)：與外界有能量交換，但無物質(zhì)交換的系統(tǒng)。⑶開放系統(tǒng)：與外界既有能量交換，又有物質(zhì)交換的系統(tǒng)。熱力學(xué)系統(tǒng)（簡稱為系統(tǒng)）孤立系統(tǒng)經(jīng)過足夠長的時間，將會自動趨于一個各種宏觀性質(zhì)不隨時間變化的狀態(tài)，這種狀態(tài)稱為平衡狀態(tài)，簡稱為平衡態(tài)。平衡狀態(tài)：物質(zhì)交換（mass）能量交換（energy）封閉系統(tǒng)（closedsystem）NoYes隔離系統(tǒng)or孤立系統(tǒng)（isolatedsystem）NoNo敞開系統(tǒng)（opensystem）YesYes熱力學(xué)基本概念－系統(tǒng)&環(huán)境

熱力學(xué)狀態(tài)：靜止系統(tǒng)內(nèi)部的狀態(tài)，之后都簡稱狀態(tài)。狀態(tài)、熱力學(xué)平衡態(tài)熱力學(xué)基本概念——(2)狀態(tài)狀態(tài)函數(shù)、廣度量&強(qiáng)度量熱力學(xué)平衡態(tài)：在一定條件下，系統(tǒng)中各個相的宏觀性質(zhì)不隨時間變化，且將系統(tǒng)與環(huán)境隔離，系統(tǒng)的性質(zhì)仍不改變的狀態(tài)。系統(tǒng)處于平衡態(tài)所滿足的條件：系統(tǒng)內(nèi)部處于①熱平衡：系統(tǒng)有單一的溫度；②力平衡：系統(tǒng)有單一的壓力；③相平衡：宏觀上（處于動態(tài)平衡，微觀上不滿足）沒有任何一種物質(zhì)從一個相轉(zhuǎn)移到另一個相；④化學(xué)平衡：宏觀上系統(tǒng)內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)停止。Tpn相n物質(zhì)熱力學(xué)平衡(equilibriumstate)熱力學(xué)基本概念——(3)過程&途徑始態(tài)終態(tài)過程（具體可通過不同的途徑來實現(xiàn)）（1）等溫過程（isothermalprocess）（2）等壓過程（isobaricprocess）（3）等容過程（isochoricprocess）（4）絕熱過程（adiabaticprocess）（5）循環(huán)過程（cyclicprocess）異途同歸，值變相等；周而復(fù)始，數(shù)值還原狀態(tài)函數(shù)特點：狀態(tài)函數(shù)值只取決于系統(tǒng)所處狀態(tài)，系統(tǒng)由始態(tài)變化至末態(tài)狀態(tài)函數(shù)的變化值為始、末態(tài)狀態(tài)狀態(tài)函數(shù)之差，與變化經(jīng)歷的過程無關(guān)；狀態(tài)函數(shù)判定廣延量（廣度性質(zhì)）與強(qiáng)度量（強(qiáng)度性質(zhì)）的依據(jù)：性質(zhì)的數(shù)值是否與物質(zhì)的數(shù)量有關(guān)廣延量&強(qiáng)度量廣延量（ExtensiveQuantity）強(qiáng)度量（IntensiveQuantity）與系統(tǒng)的大?。臻g的范圍或自由度的數(shù)目）成正比的熱力學(xué)量。如：系統(tǒng)的質(zhì)量M，摩爾數(shù)n，體積V，內(nèi)能U,等等。不隨系統(tǒng)大小改變的熱力學(xué)量。例如：系統(tǒng)的壓強(qiáng)p，溫度T，密度ρ，磁化強(qiáng)度m，摩爾體積v，等等。廣延量/廣延量=強(qiáng)度量，廣延量×強(qiáng)度量=廣延量熱力學(xué)基本概念——(5)熱&功&熱力學(xué)能改變物體內(nèi)能的方式有兩個：做功和熱傳遞。加熱機(jī)械攪拌電阻絲加熱光強(qiáng)烈機(jī)械攪拌冷水熱水電流ΔU2=Qs

ΔU1=A

ΔU=ΔU1+ΔU2=Qs+AΔU=ΔU末態(tài)-ΔU初態(tài)=Qs+A

做功過程是其他形式的能與內(nèi)能相互轉(zhuǎn)化的過程；熱傳遞是物體間內(nèi)能轉(zhuǎn)移的過程。做功和熱傳遞都是過程量，描述物質(zhì)系統(tǒng)狀態(tài)變化過程的物理量，它們都與一定的物理過程相對應(yīng)。一般說來，物質(zhì)系統(tǒng)從某一個狀態(tài)變化為另一個狀態(tài)，如果經(jīng)歷不同的物理過程，雖然初始狀態(tài)與終了狀態(tài)相同，但過程量并不相同。內(nèi)能則是狀態(tài)量，即只與系統(tǒng)當(dāng)時所處的狀態(tài)有關(guān)。概念：系統(tǒng)&環(huán)境、狀態(tài)&狀態(tài)函數(shù)、過程&途徑、熱（Q）&功（W）、熱力學(xué)能（U）小結(jié)狀態(tài)函數(shù)的性質(zhì)，哪些量是狀態(tài)函數(shù)（T,p,V,U）§1熱力學(xué)定律在大氣過程中的應(yīng)用一、預(yù)備知識二、大氣中的熱力學(xué)第一定律三、熱力學(xué)函數(shù)四、熱力學(xué)函數(shù)的計算二、熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律是能量守恒和轉(zhuǎn)換定律在熱現(xiàn)象領(lǐng)域所具有的特殊形式。熱力學(xué)第一定律指出，熱能可以從一個物體傳遞給另一個物體，也可以與機(jī)械能或其他能量相互轉(zhuǎn)換，在傳遞和轉(zhuǎn)換過程中，能量的總值不變。熱力學(xué)第一定律含義有兩點：（1）說明了內(nèi)能、熱、功可以相互轉(zhuǎn)化；（2）說明了轉(zhuǎn)化時的數(shù)量關(guān)系。熱力學(xué)第一定律的通常說法：

一個系統(tǒng)處于確定狀態(tài)時，系統(tǒng)的熱力學(xué)能具有單一確定數(shù)值，系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化時，系統(tǒng)熱力學(xué)能的變化完全取決于系統(tǒng)的始態(tài)與終態(tài)，與狀態(tài)變化的途徑無關(guān)。熱力學(xué)第一定律的另一種表述：

第一類永動機(jī)不可能實現(xiàn)。熱力學(xué)第一定律的文字表述封閉系統(tǒng)“第一類永動機(jī)”某物質(zhì)循環(huán)一周回復(fù)到初始狀態(tài)，不吸熱而向外放熱或作功，這叫“第一類永動機(jī)”。這種機(jī)器不消耗任何能量,卻可以源源不斷的對外做功。既要馬兒跑又要馬兒不吃草??第三章大氣熱力學(xué)基礎(chǔ)§1熱力學(xué)定律在大氣過程中的應(yīng)用§2干絕熱過程§3濕絕熱過程和假絕熱過程§4絕熱混合過程§5等壓冷卻過程§6大氣熱力學(xué)圖解§7溫濕參量§8§9§10靜力穩(wěn)定度問題焚風(fēng)現(xiàn)象美國落基山焚風(fēng)吃雪者、玉蜀黍風(fēng)焚風(fēng)發(fā)生機(jī)制的模型五、焚風(fēng)1、定義：指氣流過山后形成的干而暖的地方性風(fēng)。2、焚風(fēng)形成原理上升（迎風(fēng)坡）：干絕熱，假絕熱下降（背風(fēng)坡）：干絕熱（或先濕絕熱，后干絕熱）焚風(fēng)是指氣流過山后形成的干而暖的地方性風(fēng)，潮濕氣流經(jīng)過山脈時受地形作用被近抬升按干絕熱減溫率變化，達(dá)到凝結(jié)高度后水汽開始凝結(jié)成云，此后氣塊繼續(xù)上升時凝結(jié)出的水分部分或全部降落，氣塊溫度按假絕熱減溫率變化，氣流越過山頂后，若氣塊內(nèi)的水分已部分降落，則氣塊先按濕絕熱過程下沉，再按干絕熱過程下沉，若或全部降落，氣塊按干絕熱過程下沉，因此在山的迎風(fēng)面和背風(fēng)面氣流的溫濕特性不同，背風(fēng)面形成溫度高而濕度小的干熱風(fēng)，稱之為焚風(fēng)。第三章大氣熱力學(xué)基礎(chǔ)§1熱力學(xué)定律在大氣過程中的應(yīng)用§2干絕熱過程§3濕絕熱過程和假絕熱過程§4絕熱混合過程§5等壓冷卻過程§6大氣熱力學(xué)圖解§7溫濕參量§8§9§10靜力穩(wěn)定度問題6.5絕熱混合過程可推得：1、混合前兩氣塊的溫度和水汽壓(T1，e1)和(T2，e2),2、假設(shè)這兩團(tuán)空氣的質(zhì)量相等，混合后(T3，e3）：

3、（T3，e3）處水汽壓大于飽和水汽壓，空氣過飽和的，發(fā)生凝結(jié)，凝結(jié)釋放潛熱使空氣增溫，進(jìn)而飽和水汽壓升高，凝結(jié)量減少，4、最終達(dá)到平衡態(tài)（T4，es（T4）），這時凝結(jié)出來的水量就形成云霧滴。當(dāng)溫、濕不同的兩塊接近飽和的空氣發(fā)生混合時，混合后可能達(dá)到飽和或過飽和。圖中實線表示層結(jié)曲線，假設(shè)其初始溫度遞減率小于干絕熱減溫率，該氣層為穩(wěn)定的氣層，若在穩(wěn)定氣層內(nèi)部發(fā)生湍流，在混合層上部熱量下傳，導(dǎo)致混合層內(nèi)溫度垂直分布趨于γd，混合層以上溫度分布保持不變，故其間形成一湍流逆溫層，逆溫層是絕對穩(wěn)定的，它對上下空氣的對流起著削弱抑制作用。同時，由于混合層下部的水汽經(jīng)湍流運(yùn)動向上輸送，導(dǎo)致水汽在逆溫層下聚集，與原大氣層結(jié)相比較，在混合層頂比混合前溫度低，濕度大，容易達(dá)到飽和發(fā)生凝結(jié)，形成云。對于近地面氣層，在睛熱的夏天由于太陽輻射對地面不斷加熱，使地面溫度逐漸升高，地表溫度有時比幾米處的氣溫高出2—3℃，地面通過湍流輸送作用加熱了貼地層的空氣，使其變成超絕熱層，這種超絕熱層是不穩(wěn)定的，由于下部位溫高，上部位溫低，通過湍流混合作用將下部的熱量往上部的氣層傳。

輸，使這個被加熱的氣層逐漸向上擴(kuò)展，最后達(dá)到熱平衡狀態(tài)時，湍流混合作用的結(jié)果使氣層內(nèi)上下位溫一致，溫度分布最終趨于干絕熱減溫率第三章大氣熱力學(xué)基礎(chǔ)§1熱力學(xué)定律在大氣過程中的應(yīng)用§2干絕熱過程§3濕絕熱過程和假絕熱過程§4絕熱混合過程§5等壓冷卻過程§6大氣熱力學(xué)圖解§7溫濕參量§8§9§10靜力穩(wěn)定度問題§5等壓冷卻過程以上兩式可用來估計等壓冷卻過程中凝結(jié)的液態(tài)水含量及釋放的熱量。第三章大氣熱力學(xué)基礎(chǔ)§1熱力學(xué)定律在大氣過程中的應(yīng)用§2干絕熱過程§3濕絕熱過程和假絕熱過程§4絕熱混合過程§5等壓冷卻過程§6大氣熱力學(xué)圖解§7溫濕參量§8§9§10靜力穩(wěn)定度問題§6大氣熱力學(xué)圖解優(yōu)點：簡單、直觀缺點：誤差比公式計算的大熱力學(xué)圖解法適用于：1）精度要求不高的業(yè)務(wù)工作；2）需要獲得直觀認(rèn)識的場合公式法適用于理論研究，精度要求高的業(yè)務(wù)工作。§6大氣熱力學(xué)圖解熱力學(xué)圖解要求：1、坐標(biāo)為實測氣象要素或其簡單函數(shù)，縱坐標(biāo)與高度成正比。2、各組線條是直線或近似直線。3、坐標(biāo)尺度設(shè)計使各組線條之間夾角盡可能大，便于區(qū)分各熱力過程。4、圖解上的面積與能量成正比，即為能量圖解?！?大氣熱力學(xué)圖解常用大氣熱力學(xué)圖解：?，攬D（溫度對數(shù)壓力圖）、溫熵圖、假絕熱圖圖解上的等值線：等溫線、等壓線、等飽和比濕線、干絕熱線（等位溫線）、假絕熱線（等假相當(dāng)位溫線）?！?大氣熱力學(xué)圖解一、?，攬D的構(gòu)造1、坐標(biāo)2、基本線條二、埃瑪圖的點繪三、?，攬D的應(yīng)用一、?，攬D的構(gòu)造(1)1、埃瑪圖坐標(biāo)：縱坐標(biāo)自下向上遞減，從1000hPa為基準(zhǔn)線，到200hPa。當(dāng)P<200hPa時，因1000～200hPa與250～50hPa的距離相等，故可重復(fù)使用坐標(biāo)，按括號內(nèi)的數(shù)字讀數(shù)。一、?，攬D的構(gòu)造(2)2、?，攬D基本線條：（1）等溫線：平行于縱軸的黃色直線(℃或K）（2）等壓線：平行于橫軸的黃色直線（hPa)

（3）等飽和比濕線：自右下方向左上方傾斜的綠色實線(g/kg)

一、埃瑪圖的構(gòu)造(2)（4）干絕熱線：黃色斜實線(θ)（5）假絕熱線：綠色虛線(θse)

?，攬D為能量圖解，圖中每平方厘米面積等于74.5J/kg的能量。

氣象預(yù)報流程大氣探測：包括地面觀測、高空探測、特種觀測和遙感探測等。各氣象站的天氣記錄資料匯總，通過人工繪制或計算機(jī)繪制出天氣圖。根據(jù)天氣圖上各種氣象情況的發(fā)生、發(fā)展、減弱、消失等進(jìn)行詳細(xì)分析，再結(jié)合各地區(qū)當(dāng)時的天氣情況，運(yùn)用天氣變化規(guī)律和實踐經(jīng)驗，就可以預(yù)測各地區(qū)將出現(xiàn)什么天氣。得到大氣層結(jié)特性及濕空氣在升降過程中狀態(tài)的變化，判斷大氣靜力穩(wěn)定性及對流不穩(wěn)定性?！?大氣熱力學(xué)圖解一、?，攬D的構(gòu)造二、?，攬D的點繪1、繪制大氣層結(jié)曲線2、繪制氣塊的路徑曲線（狀態(tài)曲線）三、埃瑪圖的應(yīng)用二、?，攬D的點繪(1)1、繪制大氣層結(jié)曲線大氣層結(jié)：指一個地區(qū)上空大氣溫度和濕度的垂直分布。（1）繪制溫度層結(jié)曲線：即溫度―氣壓曲線，簡稱溫壓曲線。氣壓（hPa)1000900850800700溫度(℃)2320.517.012.04.5露點(℃)1910.47.66.8-1.1例：某日探空記錄：100023900(20.5，900)(17.0，850)(23，1000)100023900(20.5，900)(17.0，850)(4.5，700)(12.0，800)二、?，攬D的點繪(1)1、繪制大氣層結(jié)曲線大氣層結(jié)：指一個地區(qū)上空大氣溫度和濕度的垂直分布。（1）繪制溫度層結(jié)曲線：即溫度―氣壓曲線，簡稱溫壓曲線。（2）繪制露點層結(jié)曲線：即露點―氣壓曲線，簡稱露壓曲線。100019900(10.4，900)(7.6，850)(6.8，800)(-1.1，700)二、?，攬D的點繪(1)1、繪制大氣層結(jié)曲線大氣層結(jié)：指一個地區(qū)上空大氣溫度和濕度的垂直分布。（1）繪制溫度層結(jié)曲線：即溫度―氣壓曲線，簡稱溫壓曲線。（2）繪制露點層結(jié)曲線：即露點―氣壓曲線，簡稱露壓曲線。2、繪制氣塊的路徑曲線（狀態(tài)曲線）路徑曲線：空氣塊溫度隨氣壓（或高度）的變化曲線。23100090019干絕熱線23100090019過露點的等飽和比濕線LCL干絕熱線23100090019過露點的等飽和比濕線LCL干絕熱線假絕熱線露點層結(jié)曲線溫度層結(jié)曲線狀態(tài)曲線§6大氣熱力學(xué)圖解一、?，攬D的構(gòu)造1、坐標(biāo)2、基本線條二、?，攬D的點繪1、繪制大氣層結(jié)曲線2、繪制氣塊的路徑曲線（狀態(tài)曲線）三、埃瑪圖的應(yīng)用三、?，攬D的應(yīng)用1、確定濕度參量（1）求空氣的飽和比濕和實際比濕（2）求飽和水汽壓和實際水汽壓2、求抬升凝結(jié)高度3、求等壓面厚度4、求虛溫三、?，攬D的應(yīng)用1、確定濕度參量（1）求空氣的飽和比濕和實際比濕（2）求飽和水汽壓和實際水汽壓2、求抬升凝結(jié)高度3、求等壓面厚度4、求虛溫（1）求空氣的飽和比濕和實際比濕飽和比濕：根據(jù)給定的氣壓和溫度，在圖中找到一點A，讀出通過A點的等飽和比濕線的數(shù)值，即為所求的飽和比濕值（qs）A。例：當(dāng)P=1000hPa，t=25℃，則qs=20g/kg-1，如果圖上沒有正好通過該點的等飽和比濕線，可用內(nèi)插法。10002520（1）求空氣的飽和比濕和實際比濕實際比濕：因?qū)嶋H比濕q是露點為td時的飽和比濕，故可根據(jù)給定的氣壓和露點值找出一點D，讀出D點的等飽和比濕線上的飽和比濕值，即為所求之實際比濕。例：當(dāng)P=1000hPa，td=20℃，則q=14.7g/kg-1。1000201614三、?，攬D的應(yīng)用1、確定濕度參量（1）求空氣的飽和比濕和實際比濕（2）求飽和水汽壓和實際水汽壓2、求抬升凝結(jié)高度3、求等壓面厚度4、求虛溫（2）求飽和水汽壓和實際水汽壓飽和水汽壓：因（g/g），當(dāng)時，以百帕為單位的飽和水汽壓在數(shù)值上就等于同一溫度下的飽和比濕（g/kg）。根據(jù)給定的溫度t，找到t等溫線與622hPa等壓線的交點，讀出通過該點的等飽和比濕線的數(shù)值，即得到溫度t時的飽和水汽壓值。例：當(dāng)t=7℃，則es=10hPa。622710（2）求飽和水汽壓和實際水汽壓實際水汽壓：根據(jù)給定的露點，在露點td等溫線與622hPa等壓線的交點處，讀出通過該點的等飽和比濕線的數(shù)值，即得到該狀態(tài)點的實際水汽壓值。例：當(dāng)td=2℃，則e=7hPa。622286三、?，攬D的應(yīng)用1、確定濕度參量（1）求空氣的飽和比濕和實際比濕（2）求飽和水汽壓和實際水汽壓2、求抬升凝結(jié)高度3、求等壓面厚度4、求虛溫2、求抬升凝結(jié)高度若有一未飽和氣塊的初始狀態(tài)為它被外力抬升而干絕熱上升，要求其抬升凝結(jié)高度為多少？首先在埃瑪圖上確定初始狀態(tài)氣壓P0對應(yīng)的溫度T0(點A)和露點Td0（點D），過A點作干絕熱線，與過D點的等飽和比濕線相交，其交點即是凝結(jié)高度Zc。其對應(yīng)的氣壓和溫度分別稱為凝結(jié)氣壓Pc和凝結(jié)溫度Tc。例：當(dāng)P=850hPa，t=25℃，td=17℃時求Zc，則Zc=755hPa。850(P0)17(Td0)25(T0)ADzcTcPc=75514三、埃瑪圖的應(yīng)用1、確定濕度參量2、求抬升凝結(jié)高度3、求等壓面厚度4、求虛溫3、求等壓面厚度(1)等面積法：由（2—8）式得

曲邊梯形面積=矩形BDGF面積

(陰影CAEGF)3、求等壓面厚度(2)使用等面積法求等壓面厚度的關(guān)鍵就是在?，攬D上找出平均虛溫的大小，然后根據(jù)公式計算出等壓面厚度。如果考慮水汽的影響，需對層結(jié)曲線作虛溫訂正，畫出虛溫—壓強(qiáng)曲線，再用等面積法求出平均虛溫即為考慮了水汽影響后的氣層平均溫度。(3)各主要等壓面間的厚度：圖中黃色小圓點，標(biāo)出的數(shù)值代表各主要等壓面，在不同的等壓面間平均虛溫為時的厚度值，以十位勢米為單位。3、求等壓面厚度

例：P=920hPa，tv=0℃時，850到1000hPa等壓面間的厚度是1300位勢米。

P=700-850hPa，tv=17℃時，850到700hPa等壓面間的厚度是1650位勢米。P=770Tv=17165Tv=0P=92013070085010003、求等壓面厚度(4)確定各主要等壓面厚度小結(jié)：確定各主要等壓面之間厚度的方法是：先在圖上點繪出層結(jié)曲線，再根據(jù)等面積法確定等壓面間的平均虛溫，通過平均虛溫值分別讀出（用內(nèi)插法）各黃色小圓點的數(shù)值，即各主要等壓面間的厚度。對于不是?，攬D上規(guī)定的等壓面，可在求出平均虛溫后采用等溫大氣公式來計算兩等壓面間的厚度。三、?，攬D的應(yīng)用1、確定濕度參量2、求抬升凝結(jié)高度3、求等壓面厚度4、求虛溫4、求虛溫

虛溫訂正值各主要等壓線上，有許多綠色的“垂直”短線，兩相鄰短線的間隔所對應(yīng)的溫度差的數(shù)值即為虛溫訂正值。

4、求虛溫

虛溫訂正值各主要等壓線上，有許多綠色的“垂直”短線，兩相鄰短線的間隔所對應(yīng)的溫度差的數(shù)值即為虛溫訂正值。例：當(dāng)P=920hPa，t=30℃，td=21℃時求Tv。920t=30td=21900Δtv=2.94、求虛溫實際求解時，通過溫壓點B（P=920hPa，t=30℃）的露點A（P=920hPa，td=21℃）作平行于縱坐標(biāo)的直線，該直線與最鄰近的畫有短劃的等壓線（900hPa）相交于F點，量出F點兩旁兩短劃之間的距離，用橫坐標(biāo)上的度數(shù)來表示，精確到小數(shù)一位（2.9℃），然后將此數(shù)值與B點的溫度值相加，便得B點的虛溫，即

℃。如F點正好落在“垂直短劃線”上，則虛溫訂正值可取該線兩邊的飽和虛溫差的平均值，若F點正好落于兩等壓線之間，則虛溫訂正值可取同一溫度的上下兩主要等壓線上虛溫訂正值的平均值。大氣熱力圖解小結(jié)（1）對于快速了解大氣垂直結(jié)構(gòu)或某一區(qū)域的大氣特性有極大的輔助作用。通常包含一組溫度、壓力以及濕度等大氣探空資料，可提供1、估計熱力參數(shù)2、計算等壓面間大氣厚度3、分析大氣熱力過程其它用途：1、預(yù)報2、確定其它特征高度：（1）自由對流高度

（LevelofFreeConvective：LFC）（2）對流凝結(jié)高度

（ConvectiveCondensationLevel：CCL）（3）平衡高度

（EquilibriumLevel：EL）3、靜力穩(wěn)定度：（1）大氣垂直穩(wěn)定度判定（2）不穩(wěn)定能量等。大氣熱力圖解小結(jié)（2）謝謝Thanksforyourattention!第三章大氣熱力學(xué)基礎(chǔ)§1熱力學(xué)定律在大氣過程中的應(yīng)用§2干絕熱過程§3濕絕熱過程和假絕熱過程§4絕熱混合過程§5等壓冷卻過程§6大氣熱力學(xué)圖解§7溫濕參量§8§9§10靜力穩(wěn)定度問題第三章大氣熱力學(xué)基礎(chǔ)§1熱力學(xué)定律在大氣過程中的應(yīng)用§2干絕熱過程§3濕絕熱過程和假絕熱過程§4絕熱混合過程§5等壓冷卻過程§6大氣熱力學(xué)圖解§7溫濕參量§8§9§10靜力穩(wěn)定度問題流經(jīng)濕球的空氣提供熱量=水分繼續(xù)蒸發(fā)維持飽和耗熱量

若知干濕球溫度差和濕球溫度，利用“空氣相對濕度查算表”可得相對濕度。四、各溫濕參量關(guān)系（1）四、各溫濕參量關(guān)系（2）穩(wěn)定度問題穩(wěn)定中性不穩(wěn)定第三章大氣熱力學(xué)基礎(chǔ)§8大氣的靜力穩(wěn)定度§9厚氣層靜力穩(wěn)定度§10整層氣層升降時穩(wěn)定度的變化§8大氣的靜力穩(wěn)定度思路：首先引入靜力穩(wěn)定度的概念，利用穩(wěn)定度的判別方法—氣塊法，通過氣塊運(yùn)動方程，導(dǎo)出薄層大氣中穩(wěn)定度的三種判據(jù)：

1、用氣塊與環(huán)境大氣的溫度差來作判據(jù)；

2、用氣塊與環(huán)境大氣的垂直減溫率來作判據(jù)；

3、用位濕、假相當(dāng)位溫隨高度的變化作判據(jù)?！?大氣的靜力穩(wěn)定度一、定義及判別方法1、靜力穩(wěn)定度：層結(jié)大氣所具有的影響空氣團(tuán)塊垂直運(yùn)動的特性。2、穩(wěn)定度判別法平衡位置受擾動作微小位移dz穩(wěn)定平衡位置受擾動作微小位移dz穩(wěn)定不穩(wěn)定平衡位置受擾動作微小位移dz穩(wěn)定不穩(wěn)定中性§8大氣的靜力穩(wěn)定度2、穩(wěn)定度判別法—氣塊法以在靜止大氣中受到垂直方向沖擊力的一氣塊，在不同大氣層結(jié)的影響下所產(chǎn)生的不同運(yùn)動狀態(tài)來判斷大氣層結(jié)的穩(wěn)定情況的方法?！?大氣的靜力穩(wěn)定度假設(shè)某一塊空氣塊在某一平衡位置處于平衡狀態(tài)，它的溫度、壓力和密度與周圍大氣相同，當(dāng)它受到某種擾動而偏離其平衡位置作一微小的位移時,

?

氣塊不和環(huán)境混合；?

氣塊運(yùn)動不對環(huán)境大氣造成擾動；?

過程為絕熱的；?在任意高度，氣塊和環(huán)境氣壓相同；?環(huán)境大氣滿足靜力平衡條件。

§8大氣的靜力穩(wěn)定度

通過分析空氣塊作垂直位移后，其加速度與其位移方向的關(guān)系，以決定大氣穩(wěn)定度。（1）若周圍大氣溫、濕垂直分布，使氣塊有回到原來位置的趨勢,則稱大氣是穩(wěn)定的;

（2）若促使氣塊繼續(xù)運(yùn)動，偏離原來位置的趨勢,則稱大氣是不穩(wěn)定的;

（3）若受擾氣塊既無回到原來位置又無遠(yuǎn)離原來位置的趨勢，則稱大氣為中性的。氣塊垂直運(yùn)動方程環(huán)境大氣B：作用在單位質(zhì)量氣塊上的的力，是重力和氣壓梯度力的合力，稱為氣塊的浮力。因此：

氣塊運(yùn)動方程推導(dǎo)：環(huán)境大氣氣塊因

p=pe

，所以因此有二、薄層大氣靜力穩(wěn)定度判據(jù)°°°°°°°°第三章大氣熱力學(xué)基礎(chǔ)§8大氣的靜力穩(wěn)定度§9厚氣層靜力穩(wěn)定度§10整層氣層升降時穩(wěn)定度的變化§9厚氣層靜力穩(wěn)定度一、氣層的不穩(wěn)定能量氣塊在不穩(wěn)定氣層中作垂直運(yùn)動時，速度會不斷增大，動能相應(yīng)會增加。增加的這部分動能是由不穩(wěn)定大氣所儲藏的一部分能量轉(zhuǎn)化而來。這部分可以轉(zhuǎn)化為氣塊運(yùn)動動能的能量，稱為大氣的不穩(wěn)定能量。大氣的不穩(wěn)定能量二、利用不穩(wěn)定能量分析大氣穩(wěn)定度可不作虛溫訂正氣塊路徑曲線、大氣層結(jié)曲線和等壓線P0，P所包圍的陰影面積pp0二、利用不穩(wěn)定能量分析大氣穩(wěn)定度可不作虛溫訂正氣塊路徑曲線、大氣層結(jié)曲線和等壓線P0，P所包圍的陰影面積pp0路徑曲線層結(jié)曲線三、條件性不穩(wěn)定的類型在利用埃瑪圖分析厚氣層靜力穩(wěn)定度時，首先根據(jù)探空資料點繪大氣層結(jié)溫、濕曲線，然后根據(jù)需要在某一高度取一空氣塊，繪制其垂直上升的路徑曲線，根據(jù)層結(jié)曲線和路徑曲線配置，分析不穩(wěn)定能量大小，判斷該厚氣層的穩(wěn)定狀況。通?？砂汛髿夥譃槿N類型：

1、潛在不穩(wěn)定型

2、絕對穩(wěn)定型

3、絕對不穩(wěn)定型幾個重要參量：

LFC自由對流高度、CCL對流凝結(jié)高度、EL平衡高度CAPE對流有效勢能、CIN對流抑制能量1、絕對不穩(wěn)定型A+P0P1、絕對不穩(wěn)定型TvA+P0P1、絕對不穩(wěn)定型TvTveA+P0P2、絕對穩(wěn)定型A-2、絕對穩(wěn)定型A-Tv2、絕對穩(wěn)定型A-TvTve3、潛在不穩(wěn)定型BFA-FDA+D以上A-

B上升氣塊的路徑曲線與層結(jié)曲線有幾個交點，既有正面積，又有負(fù)面積。TvTve3、潛在不穩(wěn)定型B層結(jié)曲線與狀態(tài)曲線相交，若在起始位置處有較強(qiáng)的向上沖擊力，使氣塊抬升越過F點，以后ΔEK>0，對流有可能得以發(fā)展。TvTveF：自由對流高度LFCD：平衡高度EL（對流上限）

N：等面積高度（理論上積云云頂高度）N3、潛在不穩(wěn)定型B層結(jié)曲線與狀態(tài)曲線相交，若在起始位置處有較強(qiáng)的向上沖擊力，使氣塊抬升越過F點，以后ΔEK>0，對流有可能得以發(fā)展。TvTveF：自由對流高度LFCD：平衡高度EL（對流上限）

N：等面積高度（理論上積云云頂高度）

BFA-CIN（對流抑制能量）

FDA+CAPE（對流有效勢能）

D以上A-N真潛不穩(wěn)定：自由對流高度以上的正面積區(qū)大于它以下的負(fù)面積區(qū)，對流易發(fā)展。（如圖a）假潛不穩(wěn)定：自由對流高度以上的正面積區(qū)小于它以下的負(fù)面積區(qū)，對流難以發(fā)展（如圖b）A+A+A-A-08時層結(jié)曲線：黑色實線氣塊路徑曲線：紅色虛線起始位置溫度為T0露點為Td比濕為q0（假定比濕不變）四、熱雷雨的預(yù)測等q0線

T0

Td

Tr

C一般情況下，用早晨08時探空，再加上天氣圖，可預(yù)報午后的熱雷雨。08時層結(jié)曲線：黑色實線氣塊路徑曲線：紅色虛線起始位置溫度為T0露點為Td比濕為q0則zc為抬升凝結(jié)高度大氣屬真潛不穩(wěn)定型四、熱雷雨的預(yù)測等q0線

A-

A+

T0

Td

Tr

一般情況下，用早晨08時探空，再加上天氣圖，可預(yù)報午后的熱雷雨。C日出后地面增溫，湍流輸送加熱貼地氣層貼地氣層地面溫度T0超絕熱層Q湍流混合干絕熱層T1P1P1日出后地面增溫，湍流輸送加熱貼地氣層貼地氣層地面溫度T0超絕熱層Q湍流混合干絕熱層T1太陽輻射增強(qiáng)，地面溫度不斷增高，被加熱氣層增厚T2P1P1日出后地面增溫，湍流輸送加熱貼地氣層貼地氣層地面溫度T0超絕熱層Q湍流混合干絕熱層T1太陽輻射增強(qiáng)，地面溫度不斷增高，被加熱氣層增厚T2TrQP2P2日出后地面增溫，湍流輸送加熱貼地氣層貼地氣層地面溫度T0超絕熱層Q湍流混合干絕熱層T1太陽輻射增強(qiáng)，地面溫度不斷增高，被加熱氣層增厚T2TrQP1P2P3CP3

日出后地面增溫很快并通過湍流輸送加熱貼地空氣層，使其變成超絕熱層，這種超絕熱層與其它氣層湍流混合，變?yōu)楦山^熱層，隨著地面溫度逐漸升高，這個干絕熱層不斷向上擴(kuò)展，層結(jié)曲線發(fā)生變化。四、熱雷雨的預(yù)測等q0線

A-

A+

T0

Td

Tr

C

當(dāng)?shù)孛鏈囟葟腡0上升到Tr時，圖中下部不穩(wěn)定能量的負(fù)面積區(qū)消失。只需一點沖擊力，對流即可發(fā)展。

C點為對流凝結(jié)高度CCL(ConvectiveCondensationLevel)，它兼有凝結(jié)高度和自由對流高度的性質(zhì)。

四、熱雷雨的預(yù)測等q0線

A-

A+

Tr

T0

Td

C（CCL）

C點高度可用來估計氣團(tuán)內(nèi)部局地?zé)釋α鳟a(chǎn)生的對流云云底高度。四、熱雷雨的預(yù)測等q0線

A-

A+

Tr

T0

Td

（CCL）

C（CCL）

熱雷雨預(yù)報方法：繪制了08時層結(jié)曲線找出其與過地面露點的等飽和比濕線的交點C

四、熱雷雨的預(yù)測等q0線

A-

A+

Tr

T0

Td

（CCL）

C（CCL）

熱雷雨預(yù)報方法：繪制了08時層結(jié)曲線找出其與過地面露點的等飽和比濕線的交點C

過C點作干絕熱線與地面氣壓線交點對應(yīng)溫度為Tr。

四、熱雷雨的預(yù)測等q0線

A-

A+

Tr

T0

Td

（CCL）

C（CCL）

熱雷雨預(yù)報方法：

根據(jù)預(yù)報當(dāng)天最高氣溫可達(dá)到或超過Tr值，則可估計午后有對流產(chǎn)生，并根據(jù)地面氣溫達(dá)到Tr的時刻，估計對流形成時刻。四、熱雷雨的預(yù)測等q0線

A-

A+

Tr

T0

Td

（CCL）

C（CCL）

第三章大氣熱力學(xué)基礎(chǔ)§8大氣的靜力穩(wěn)定度§9厚氣層靜力穩(wěn)定度§10整層氣層升降時穩(wěn)定度的變化§10整層氣層升降時穩(wěn)定度的變化大氣中常出現(xiàn)大范圍的空氣層上升或下沉運(yùn)動，其水平范圍在幾百公里左右，持續(xù)時間幾小時甚至幾天，垂直升降的速度約為厘米每秒的數(shù)量級。這種大范圍的升降運(yùn)動常是由天氣系統(tǒng)引起的。整層氣層升降會導(dǎo)致大氣溫度遞減率和濕度垂直分布的變化，從而使氣層的穩(wěn)定度發(fā)生變化，導(dǎo)致強(qiáng)烈對流或者使氣層更穩(wěn)定，因此是很重要的。如大范圍的升降運(yùn)動，整層抬升，高壓區(qū)整層下沉等情況。假設(shè)：（1）氣層絕熱，無質(zhì)量交換發(fā)生；（2）氣層內(nèi)無湍流混合，各部分相對位置不變。討論兩種情況：（1）升降過程中始終未達(dá)到飽和的氣層（2）潮濕氣層一、始終未飽和氣層情況總質(zhì)量不變：一、始終未飽和氣層情況總質(zhì)量不變：虛位溫及虛位溫差不變：討論：（1）下沉，水平輻散時，

a、若氣層原來為穩(wěn)定層結(jié)，氣層趨向于穩(wěn)定，甚至有可能使而形成逆溫層。下沉逆溫（1）下沉，水平輻散時，

a、若氣層原來為穩(wěn)定層結(jié)，氣層趨向于穩(wěn)定，甚至有可能使而形成逆溫層。討論：（1）下沉，水平輻散時，

b、若氣層原來為不穩(wěn)定層結(jié)，氣層變得不穩(wěn)定，但處于絕對不穩(wěn)定狀態(tài)的氣層在實際大氣中是極少見的。討論：（1）下沉，水平輻散時，

c、若氣層原來為中性，氣層為中性。討論：（1）下沉，水平輻散時，a、若氣層原來為穩(wěn)定層結(jié)，氣層趨向于穩(wěn)定，甚至有可能使而形成逆溫層。b、若氣層原來為不穩(wěn)定層結(jié)，氣層變得不穩(wěn)定，但處于絕對不穩(wěn)定狀態(tài)的氣層在實際大氣中是極少見的。c、若氣層原來為中性，氣層為中性。討論：（2）抬升，水平輻合時，a、原來穩(wěn)定的氣層穩(wěn)定度減小，甚至條件不穩(wěn)定。（圖）討論：（2）抬升，水平輻合時，a、原來穩(wěn)定的氣層穩(wěn)定度減小，甚至條件不穩(wěn)定。b、原來不穩(wěn)定的氣層仍是不穩(wěn)定，只是不穩(wěn)定度減小。c、中性層結(jié)不變二、潮濕氣層情況下降時，潮濕氣層未飽和，故穩(wěn)定度變化和干燥氣層類似。上升時，因潮濕易達(dá)到飽和：當(dāng)某部分氣層達(dá)飽和時，上升時就按濕絕熱變化。對整個氣層，氣層不同部位達(dá)到飽和的先后與相對濕度的垂直分布有關(guān)。凝結(jié)潛熱釋放改變溫濕分布，從而改變穩(wěn)定度。取一絕對穩(wěn)定的濕空氣為例，Γ＜Γs1、2、經(jīng)抬升達(dá)飽和的氣層情況A1（濕）B1（干）A2B2（1）對流性不穩(wěn)定氣層取一未飽和氣層，氣層下濕上干層結(jié)曲線：抬升前A1B1穩(wěn)定2、經(jīng)抬升達(dá)飽和的氣層情況A1（濕）B1（干）A2B2（1）對流性不穩(wěn)定氣層取一未飽和氣層，氣層下濕上干層結(jié)曲線：抬升前A1B1穩(wěn)定抬升后A2B2

不穩(wěn)可發(fā)生強(qiáng)烈對流，形成雷暴、暴雨、冰雹等天氣。

對流性不穩(wěn)定2、經(jīng)抬升達(dá)飽和的氣層情況A1（干）B1（濕）A2B2（2）對流性穩(wěn)定氣層取一未飽和氣層，氣層上濕下干層結(jié)曲線：抬升前A1B1穩(wěn)定2、經(jīng)抬升達(dá)飽和的氣層情況A1（干）B1（濕）A2B2（2）對流性穩(wěn)定氣層取一未飽和氣層，氣層上濕下干層結(jié)曲線：抬升前A1B1穩(wěn)定抬升后A2B2更穩(wěn)對流性穩(wěn)定2、經(jīng)抬升達(dá)飽和的氣層情況B1A2B2（3）對流性中性氣層

未飽和氣層抬升，底部和頂部達(dá)到飽和時的凝結(jié)高度位于同一條濕絕熱線上，此后對流性中性A12、經(jīng)抬升達(dá)飽和的氣層情況B1A2B2（3）對流性中性氣層

未飽和氣層抬升，底部和頂部達(dá)到飽和時的凝結(jié)高度位于同一條濕絕熱線上，此后對流性中性A16.10逆溫層自學(xué)熱力學(xué)小結(jié)1、討論大氣中的熱力過程時，以熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)形式為基本出發(fā)點，并討論了廣泛應(yīng)用熱力學(xué)函數(shù)熵S、焓H和吉布斯函數(shù)G。（1）掌握：熱力學(xué)第一定律在大氣中的應(yīng)用形式，熵、比熵、焓、比焓、吉布斯函數(shù)、化學(xué)勢等的基本表達(dá)形式和式中各項物理含義。等熵過程為絕熱可逆過程，等焓過程為絕熱等壓過程。熱力學(xué)小結(jié)2、空氣的多種熱力過程中，以干絕熱過程及濕絕熱過程（可逆飽和絕熱過程）最為重要，它們都是可逆過程。在假絕熱過程中，凝結(jié)物一旦形成便完全降落，是不可逆的。空氣塊垂直上升時，濕絕熱過程和假絕熱過程的減溫率差異很小，故常用假絕熱過程的垂直減溫率作為濕絕熱減溫率。（1）概念：干絕熱過程、濕絕熱過程、假絕熱過程、位溫、假相當(dāng)位溫、焚風(fēng)（包括解釋原理）（2）掌握：泊松公式應(yīng)用，位溫計算，位溫垂直分布與大氣垂直減溫率關(guān)系，抬升凝結(jié)高度計算，干濕絕熱減溫率關(guān)系。熱力學(xué)小結(jié)3、研究大氣熱力學(xué)問題常用圖解法。我國臺站上廣泛使用的是溫度對數(shù)壓力圖即?，攬D，它是用來分析預(yù)報雷雨、冰雹、颮線等強(qiáng)對流天氣的一種基本圖表。各種圖解上都有等溫線、等壓線、干絕熱線、濕（假）絕熱線及飽和等比濕線五組基本曲線。（1）掌握：?，攬D的構(gòu)造，利用?，攬D確定比濕、飽和比濕、水汽壓、飽和水汽壓、抬升凝結(jié)高度、求等壓面厚度和虛溫、位溫、假相當(dāng)位溫等。（2）概念：路徑曲線、層結(jié)曲線、相當(dāng)溫度、濕球溫度、假濕球溫度、假濕球位溫、假相當(dāng)溫度、假相當(dāng)位溫，各溫濕參量的大小關(guān)系和保守性。熱力學(xué)小結(jié)4、處于靜力平衡的大氣層中，其溫度和濕度的垂直分布關(guān)系到對流運(yùn)動是否發(fā)展，這種特性稱為大氣的靜力穩(wěn)定度。通常用“氣塊法”根據(jù)其垂直位移時氣塊溫度的個別變化率和環(huán)境大氣的垂直減溫率判斷薄氣層的穩(wěn)定度，分為絕對穩(wěn)定、絕對不穩(wěn)定及條件不穩(wěn)定三種形態(tài)。對于厚氣層或整層大氣的穩(wěn)定度，根據(jù)不穩(wěn)定能量的大小和正負(fù)，可將氣層分成絕對不穩(wěn)定、絕對穩(wěn)定和潛在不穩(wěn)定（包括真潛和假潛）三種類型。有外力抬升時，真潛不穩(wěn)定的氣層很快發(fā)展成對流運(yùn)動。熱力學(xué)小結(jié)（1）概念：氣塊法，靜力穩(wěn)定度，自由對流高度、平衡高度、潛在不穩(wěn)定、真潛、假潛、對流凝結(jié)高度、CAPE、CIN（2）薄層大氣靜力穩(wěn)定度判據(jù)（與，和判據(jù)，與判據(jù)）分為絕對穩(wěn)定、絕對不穩(wěn)定及條件不穩(wěn)定三種形態(tài)；厚氣層或整層大氣的穩(wěn)定度（不穩(wěn)定能量判據(jù)）分成絕對不穩(wěn)定、絕對穩(wěn)定和潛在不穩(wěn)定（包括真潛和假潛）三種類型；熱對流的預(yù)報；熱力學(xué)小結(jié)5、影響氣層穩(wěn)定度的因子很多，整層氣層的抬升和下沉，高空冷暖平流，垂直混合等作用都會使層結(jié)發(fā)生變化，改變穩(wěn)定度。整層氣層的下沉伴隨水平輻散將會趨向于穩(wěn)定或不穩(wěn)定度有所增加；而整層氣層被抬升時，若氣層下濕上干則下部先達(dá)到飽和，則會趨于不穩(wěn)定。這種原來穩(wěn)定的氣層，由于被抬升到凝結(jié)高度以上而變成不穩(wěn)定，稱為對流性不穩(wěn)定，它也是一種潛在的不穩(wěn)定。若氣層上濕下干，則會趨于穩(wěn)定，稱為對流性穩(wěn)定。熱力學(xué)小結(jié)（1）概念：對流性不穩(wěn)定、對流性穩(wěn)定、對流性中性（2）對流性不穩(wěn)定判據(jù)，下沉逆溫判據(jù)，整層氣層升降穩(wěn)定度變化大氣物理學(xué)第四章地面和大氣中的輻射過程

程志剛手機(jī)箱：chengzg@QQ：24820045成都信息工程學(xué)院-大氣科學(xué)學(xué)院ChengduUniversityofInformationTechnology-CollegeofAtmosphericSciences第四章地面和大氣中的輻射過程§1輻射的基本概念§2輻射的物理規(guī)律§3大氣對輻射的吸收和散射§4太陽輻射在地球大氣中的傳輸§5地球—大氣系統(tǒng)的長波輻射§6地面、大氣及地氣系統(tǒng)的輻射平衡194194195大氣運(yùn)動的能量來源于太陽輻射，地面和大氣中的輻射過程從大尺度開始控制了地球大氣系統(tǒng)的能量平衡，從而決定了地球氣候的基本特征。研究輻射能在地球-大氣系統(tǒng)內(nèi)傳輸和轉(zhuǎn)換的規(guī)律及其應(yīng)用，屬大氣物理學(xué)的一個重要分支。是天氣學(xué)、氣候?qū)W、動力氣象學(xué)、應(yīng)用氣象學(xué)、大氣化學(xué)和大氣遙感等學(xué)科的理論基礎(chǔ)之一。大氣輻射學(xué)195輻射平衡196196197學(xué)習(xí)、研究的意義輻射能是地面和大氣的基本能量來源，輻射是地氣系統(tǒng)與宇宙空間能量交換的唯一方式輻射傳輸規(guī)律是大氣遙感的理論基礎(chǔ)數(shù)值天氣預(yù)報中需要定量化考察大氣輻射過程氣候問題——輻射強(qiáng)迫197§1輻射的基本概念電磁波1981981991輻射的基本知識自然界一切物體都時刻不停地以電磁波的形式向四周傳遞能量，同時也接收外界投射來的電磁波，這種能量傳遞的方式稱為輻射。以這種方式傳遞的能量，稱為輻射能，速度即光速，1991輻射的基本知識200電磁波描述波長

頻率f

波數(shù)ν

波速c

2001輻射的基本知識201例1：波長10mm對應(yīng)的波數(shù)和頻率？2011輻射的基本知識2022021輻射的基本知識203不同波長的電磁波有不同的物理特性，因此可以用波長來區(qū)分輻射，并給以不同的名稱，稱之為電磁波譜。203γ射線＜X射線＜紫外線＜可見光＜紅外線（＜微波）＜無線電波太陽、地球和大氣輻射的波長范圍：0.1—120μm，即紫外、可見光和紅外波段，(μm)2041輻射的基本知識204名稱波長范圍紫外線100埃～0.4微米可見光0.4微米～0.76微米紅外線近紅外0.76微米～3.0微米中紅外3.0微米～6.0微米遠(yuǎn)紅外6.0微米～15微米超遠(yuǎn)紅外15微米～1000微米微波毫米波1～10毫米厘米波1～10厘米分米波10厘米～1米色彩名稱波長范圍紫0.40～0.43微米藍(lán)0.43～0.47微米青0.47～0.50微米綠0.50～0.56微米黃0.56～0.59微米橙0.59～0.62微米紅0.62～0.76微米不同電磁波的具體波長范圍可見光波長范圍2051輻射的基本知識2051輻射場物理量輻射能Q能量:焦耳、熱力學(xué)卡（1k=4.1840J）輻射通量Φ（radiantflux輻射功率W）單位時間內(nèi)通過任意表面的輻射能量，單位為J/s，即W1輻射場物理量207輻射強(qiáng)度L(radiance輻亮度、輻射率)單位立體角、單位波長、單位面積所通過的輻射功率，單位為W/m2srμm（W·m-2·sr-1·μm-1）1輻射場物理量208輻射強(qiáng)度L(radiance輻亮度、輻射率)光度計示意圖1輻射場物理量209CE318自動跟蹤太陽分光光度計

各向同性：L與觀測方向（θ，φ）無關(guān)（L與方向有關(guān)—各向異性。）

均勻輻射：L與觀測位置（x,y,z）無關(guān)（L是觀測位置的函數(shù)—非均勻輻射。）

定常輻射：L與時間t無關(guān)（L是時間t的函數(shù)—非定常輻射。）

朗伯體：輻亮度不隨方向而變化的輻射體，通常我們把太陽、陸地表面都看作是朗伯體。1輻射場物理量2102101輻射場物理量輻射通量密度E(radiantfluxdensity)單位時間通過單位面積的輻射能量，單位為W/m2。設(shè)面元為dA：表示面元接受的輻射時，又稱輻照度（irradiance）表示從物體表面發(fā)射出的輻射，又稱輻出度、輻射度、輻射能力（emittance）,用F表示。2212輻射通量密度根據(jù)發(fā)射和接收對象不同分為輻照度和輻出度兩個概念。輻照度：單位時間單位面積接收到的輻射功率輻出度：單位時間單位面積發(fā)射出的功率輻照度輻出度1輻射場物理量212213平面平行大氣考慮到大氣中各種變量在水平方向的變化率遠(yuǎn)小于垂直方向的變化率，因此經(jīng)常可假設(shè)大氣是水平均一的，相應(yīng)的大氣模型在大氣輻射學(xué)中稱為平面平行大氣。1輻射場物理量213214平面平行大氣可把從各個方向射來的輻亮度在垂直方向的分量累加起來，其計算公式為1輻射場物理量214215凈輻射通量密度或凈輻照度計算水平面上的輻射通量密度，分別對從上半球和下半球入射輻射的垂直分量進(jìn)行積分凈輻照度1輻射場物理量215216凈輻射通量密度或凈輻照度輻射能收支為正：氣層溫度升高；反之降溫。1輻射場物理量216指物體溫度為T時，單位時間內(nèi)從單位表面發(fā)出的波長在dλ附近單位波長間隔內(nèi)的電磁波能量，它表示熱輻射能量按波長的分布，單位為W·m-2·μm-1。

積分輻出度F：對物體所發(fā)射的所有波長范圍內(nèi)的分光輻出度積分。Fλλdλ1輻射場物理量218點輻射源假設(shè)點源向四周發(fā)射是均勻的，發(fā)射輻射的功率為Φ0，以點源為中心畫一個半徑為r的球面，則通過球表面的輻照度為點源的輻照度（或輻射通量密度）將隨r2減小。1輻射場物理量218219平行輻射當(dāng)光源的距離足夠遠(yuǎn)時，所有來自該光源的輻射傳輸方向可以認(rèn)為是相互平行的，這種輻射常被稱為平行輻射(或平行光)特點：在不考慮吸收散射等因素時，平行光的輻射通量密度應(yīng)當(dāng)是常數(shù)，即在任何位置上設(shè)置一個和輻射傳輸方向相垂直的平面，通過這平面的輻射通量密度都應(yīng)當(dāng)是一個常數(shù)。1輻射場物理量219220平行輻射大氣輻射中，常把來自太陽的直接輻射看作平行光。因為地球離太陽的距離為149,597,890km，而大氣輻射學(xué)中討論的最大尺度是地球半徑的尺度，即6,371km。在這樣一個范圍中，太陽輻射的強(qiáng)度僅變化((149597890+6371)/149597890)2=1.000085。因此把太陽輻射當(dāng)作平行光，其輻照度不隨距離變化是合理的。1輻射場物理量220221平行輻射對于平行輻射，由于輻射能是在同一個方向傳播，射線所張的立體角為零，此時輻射強(qiáng)度的概念不再適用。這種情況下，只需要知道平行輻射的方向和輻射通量密度即可。地面接收的太陽輻射通量密度1輻射場物理量221222朗伯體（Lambert）光源輻射強(qiáng)度不隨方向變化的面輻射源---朗伯體如太陽、陸地表面。例5.1(朗伯定律)P661輻射場物理量222§2輻射的物理規(guī)律2.1吸收率、反射率和透射率2.2平衡輻射的基本規(guī)律2.3太陽輻射和地球輻射的區(qū)別223223224能量守恒 Q0=Qa

+Qr

+Qt

吸收率A=Qa/Q0反射率R=Qr/Q0透射率

=Qt/Q0(透過率)A+R+

T

=1

2.1吸收率、反射率和透射率224各種地表對太陽輻射的反射率（%）地表反射率地表反射率森林3～10雪地（新雪）80田地（綠色）3～15雪地（陳雪）50～70田地（已開墾的干地）20～25冰50～70草地15～30水面hθ＞40°2～4裸地7～20水面hθ=5～30°6～40沙地15～252.1吸收率、反射率和透射率226對于單色輻射，稱為單色吸收率、反射率和透射率。分別記為Al,Rl

,Tl

各種物體對不同波長的輻射具有不同的吸收率與放射率，構(gòu)成了該物體的吸收光譜或輻射光譜。反照率：物體表面的反射輻射通量與入射輻射通量之比2.1吸收率、反射率和透射率226227絕對黑體所有波長吸收率均為1A=1單色黑體某一波長吸收率為1Al

=1

灰體吸收率不隨波長變化但小于1黑色物體?2.1吸收率、反射率和透射率227黑色物體與黑體黑色物體與黑體的區(qū)別？？？

黑色物體只表明它對可見光的反射性質(zhì)，而對非可見光的吸收無法判定，而黑體是對整個電磁波譜范圍內(nèi)所有波長或某一特定波長而言，它對輻射是全部吸收的，它考慮的是對輻射的吸收性質(zhì)。2282.1吸收率、反射率和透射率228實驗室黑體：密閉空腔，內(nèi)涂煙黑，煙黑吸收率>90%Q02292.1吸收率、反射率和透射率2292.2平衡輻射的基本規(guī)律1、輻射平衡

當(dāng)物體放射出的輻射能等于它吸收的輻射能時，則稱該物體處于輻射平衡狀態(tài)，這時物體處于熱平衡態(tài)，可用一態(tài)函數(shù)—溫度T來描述，因此平衡輻射又稱為溫度輻射。230230基爾霍夫定律

（1）在一定溫度下，對某一特定波長而言，任何物體的輻出度與吸收率之比是一個普適函數(shù)，該函數(shù)只與溫度和波長有關(guān)，而與物體的其它性質(zhì)無關(guān)。

FB(λ,T)—絕對黑體的分光輻出度；Fλ,T—物體的輻出度Aλ,T—物體的吸收率231231（2）比輻射率：物體的放射能力和黑體的輻射能力之。

（3）基爾霍夫定律的意義：它將物體的放射與吸收聯(lián)系起來了，只要知道某物體的吸收率就可以知道其放射率，反之亦然。它把各種物質(zhì)的吸收、放射與黑體的輻射能力聯(lián)系起來。使我們有可以通過研究黑體的輻射來了解一般物體的輻射。而對于黑體的研究，無論從理論上還是實驗上都比較簡單。基爾霍夫定律233對于絕對黑體物質(zhì)，單色輻射通量密度與發(fā)射物質(zhì)的溫度和輻射波長或頻率的關(guān)系Planck定律：第一輻射常數(shù)第二輻射常數(shù)普朗克定律233由于絕對黑體是朗伯體，根據(jù)朗伯定律，

B(λ,T)：絕對黑體的分光輻亮度，也稱普朗克函數(shù)，單位為絕對黑體輻亮度絕對黑體輻出度234234235黑體輻射與物質(zhì)組成無關(guān)黑體輻射強(qiáng)度隨溫度增高而增大Stefan-BoltzmannLaw最大強(qiáng)度的波長隨溫度增高而減小Wien位移定律普朗克定律235斯蒂芬-玻爾茲曼定律黑體的積分輻出度FT與溫度T的四次方成正比。

（σ=5.6696×10-8W·m-2·K-4）FT—黑體的積分輻出度σ—斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，

有效溫度Te：將物體視作絕對黑體時計算出的溫度。237黑體的積分輻射通量密度與溫度的4次方成正比由溫度可以求出絕對黑體的積分輻射通量密度；反之，也可由積分輻射通量密度反求其溫度，這就是用輻射方法測量物體溫度的基礎(chǔ)。將太陽視作絕對黑體而計算出的溫度稱為太陽的有效溫度，約為6000K，與太陽表面的實際溫度略有差異。如果不是絕對黑體，反演出的溫度就會偏低。斯蒂芬-玻爾茲曼定律237維恩定律黑體輻射光譜極大值對應(yīng)的波長(λmax)與其本身溫度(T)的乘積為一常數(shù)。

（b=2897.8μm·K）顏色溫度Tc：由光譜測定物體溫度。238238239黑體輻射最大單色通量密度與它的溫度成反比例如對6000K黑體，lmax=0.48mm（藍(lán)色光）由輻射最強(qiáng)的波長也可以確定絕對黑體的溫度，——光譜方法測定物體溫度的基礎(chǔ)。由維恩位移定律求出的溫度稱為顏色溫度或色溫。維恩定律239240普朗克定律斯蒂芬-波爾茲曼（Stefan-Boltzmann）定律維恩（Wien）位移定律基爾霍夫定律前三個定律均是描述絕對黑體的定律黑體~~~一般物體240241小結(jié)：普朗克定律給出絕對黑體的分光輻出度與波長、溫度的關(guān)系，從而繪出黑體輻射光譜曲線，而Wien位移定律描述了曲線中輻射能力最強(qiáng)對應(yīng)的波長與溫度的關(guān)系，Stefan-BoltzmannLaw則描述了黑體積分輻射能力與溫度的四次方成正比，基爾霍夫定律把任何物體和絕對黑體聯(lián)系起來。普朗克定律維恩位移定律斯蒂芬-波爾茲曼定律基爾霍夫定律2412.3太陽輻射與地球輻射的差別太陽近似為溫度為6000K的黑體，地面近似溫度為300K的黑體。242242太陽輻射與地球輻射的差別太陽近似為溫度為6000K的黑體，地面近似溫度為300K的黑體。太陽輻射的能量集中在0.1

m至4.0

m之間，地球大氣輻射的能量主要集中在4

m至120

m之間。太陽輻射為短波輻射，稱地氣輻射為長波輻射。短波和長波輻射以4

m分界。243243244244§3大氣對輻射的吸收和散射3.1、大氣對輻射的吸收3.2、大氣對輻射的散射3.3、輻射能在介質(zhì)中的傳輸2452453.1大氣吸收的物理過程吸收：投射到介質(zhì)上面的輻射能中的一部分被轉(zhuǎn)變?yōu)槲镔|(zhì)本身的內(nèi)能或其它形式的能量大氣中有各種氣體成分及氣溶膠粒子

對輻射具有選擇吸收的特性

是分子和原子結(jié)構(gòu)及其所處運(yùn)動狀態(tài)決定的。246246氣體分子或原子內(nèi)的電子能級躍遷、原子和分子的振動和轉(zhuǎn)動等所發(fā)射和吸收的輻射譜是非連續(xù)性的，構(gòu)成原子的線光譜和分子的帶光譜。單個分子，當(dāng)它處于某一特定運(yùn)動狀態(tài)時，其分子內(nèi)部總能量E由三部分組成E=Ee+Ev+Er Ee：繞原子核轉(zhuǎn)動的外層電子的動能和靜電位能Ev：原子在其平衡位置附近振動的能量Er：分子繞其質(zhì)量中心轉(zhuǎn)動的能量

分子光譜247247選擇性吸收是指介質(zhì)的分子被入射輻射激發(fā)，從低能級躍遷到高能級，兩個能級的差就是介質(zhì)吸收的輻射能量。由于分子能量的變化是不連續(xù)的，從而吸收的輻射須滿足一定波長，也就是氣體分子對輻射的吸收具有波長選擇性。而輻射過程正好相反。吸收系數(shù)單個粒子的吸收截面σab：粒子所吸收的輻射通量相當(dāng)于面積σab從入射輻射場中所截獲的輻射通量。體積吸收系數(shù)：單位體積中各粒子吸收截面之和。

N：單位體積中吸收氣體的分子數(shù)；

σab：單個粒子的吸收截面光化反應(yīng)分子吸收足夠的輻射能分裂為原子，不穩(wěn)定的原子結(jié)合成較穩(wěn)定的分子釋放多余的輻射能。

光化反應(yīng)所要求的輻射波譜可以為連續(xù)譜，只要其中的波長短到使一個光子所提高的化學(xué)能足以造成分子的光解。其它能量轉(zhuǎn)化為原子的動能，使氣體的溫度增高。地球大氣中，大多數(shù)光化反應(yīng)需要有紫外輻射和可見光輻射。光致電離任何原子都能被波長非常短的輻射所電離。具有足夠能量的光子把電子從繞原子核旋轉(zhuǎn)的外層軌道上剝離開來，這種過程稱為光致電離。也象光化反應(yīng)那樣，光致電離要求輻射具有低于一定的臨界能量波長的連續(xù)波。引起電離的輻射波長通常小于0.1m。251251大氣吸收光譜（1）氣體分子的波長選擇性短波輻射：主要是水汽，其次是氧、臭氧，而CO2

吸收不多；

長波輻射：主要是水汽，其次是CO2和臭氧。（2）氣體吸收對大氣輻射平衡的重要性取決于：一是吸收的強(qiáng)度二是吸收氣體的含量及其空間分布。

252252H2O吸收約20%的太陽能量幾乎覆蓋長波輻射整個波段6.3m振動帶大于12m轉(zhuǎn)動帶大氣吸收光譜253253H2OH2O主要集中在大氣下層，吸收作用主要在對流層，特別是對流層下層。液態(tài)水：吸收帶與氣態(tài)對應(yīng)，波段向長波方向移動。大氣吸收光譜254254O2主要在小于0.25m的紫外區(qū)：舒曼—龍格（Schumann-Runge）吸收帶赫茲堡（Herzberg）帶因小于0.25m的太陽輻射能量不到0.2%，而且O2在可見光波段的兩吸收帶較弱，所以對太陽輻射的削弱不大。大氣吸收光譜255255O3強(qiáng)吸收在的紫外區(qū)：哈特來（Hartley）帶—最強(qiáng)哈金斯（Huggins）帶—較弱可見光區(qū)：查普尤（Chappuis）帶—較弱O3層吸收太陽輻射的2%—平流層溫度高的原因紅外區(qū)：4.7m、9.6m、14.1m較強(qiáng)吸收帶大氣吸收光譜2562561932年：采用照相光度術(shù)，精確測定了臭氧在全部紫外區(qū)域（215-345納米）的吸收系數(shù)，并發(fā)現(xiàn)了若干新光帶國際臭氧委員會把嚴(yán)濟(jì)慈精確測定的吸收系數(shù)定為標(biāo)準(zhǔn)值，各國氣象學(xué)家用以每日測定高空臭氧層厚度的變化。大氣吸收光譜257257CO2大于2m的紅外區(qū)：較強(qiáng)中心：2.7m、4.3m、15m（圖）對長波輻射，以15m最重要大氣吸收光譜258258吸收氣體吸收光譜對輻射的作用H2O水汽主要為紅外區(qū)：最強(qiáng)為6.3μm振轉(zhuǎn)帶和>12μm轉(zhuǎn)動帶；液態(tài)水吸收帶與水汽對應(yīng)，但向長波移動吸收了約20%太陽能量。幾乎覆蓋地氣長波輻射全波段。O2主要<0.25μm紫外區(qū)：舒曼-龍格帶（0.125-0.2026）、赫茲堡帶(0.242-0.26)吸收作用很強(qiáng)，但吸收能量不多，對太陽輻射削弱不大。O3最強(qiáng)在紫外區(qū)：哈特來帶（0.22-0.30）、哈金斯帶(0.32-0.36)可見光：查普尤帶O3層吸收太陽輻射能量的2%左右，是導(dǎo)致平流層上部溫度較高的原因。CO2>2μm紅外區(qū)（2.7μm、4.3μm、15μm）對長波輻射，以>15μm吸收帶最為重要。太陽輻射：紫外<0.29μm幾乎全吸收，可見光吸收不強(qiáng)，紅外主要是水汽吸收，其次為CO2、CH4。

地面輻射：>14μm遠(yuǎn)紅外輻射幾乎全吸收，吸收率1。紫外可見紅外遠(yuǎn)紅外大氣吸收光譜260260大氣光譜窗：除了9.6μm附近臭氧有一個較強(qiáng)的吸收帶外，在8~12μm波段，整層大氣對長波輻射吸收很弱，稱為大氣光譜窗。大氣吸收光譜§3大氣對輻射的吸收和散射3.1、大氣對輻射的吸收3.2、大氣對輻射的散射3.3、輻射能在介質(zhì)中的傳輸262262氣體分子以及氣溶膠粒子內(nèi)含有多個分立的電子和質(zhì)子，當(dāng)電磁波照射到粒子上后，使正負(fù)電荷中心產(chǎn)生偏移，構(gòu)成電偶極子或多極子，并在電磁波激發(fā)下作受迫振動，向各方向發(fā)射次生電磁波，這種次生電磁波就是散射輻射。散射和吸收不同：（1）它不產(chǎn)生分子內(nèi)能狀態(tài)的變化，應(yīng)以電磁波理論和物質(zhì)的電子理論來解釋；吸收是因能態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生的，需要用量子理論來解釋。（2）散射不是選擇性的，它在電磁波譜的各個波長上都會發(fā)生，因而是全波段的。3.2大氣對輻射的散射263定義無量綱尺度參數(shù)α：尺度數(shù)；r：粒子半徑；λ：入射輻射波長

當(dāng)α<<1時：Rayleigh散射，也稱分子散射。如空氣分子對短波輻射的散射。當(dāng)0.1<α<50：Mie散射，如大氣中的云滴等氣溶膠粒子對短波輻射的散射。當(dāng)α>50：幾何光學(xué)：折射。如大雨滴對可見光的折射、反射。散射過程分類264散射過程分類散射類型是由入射輻射波長與質(zhì)點半徑的相對大小來確定。r(μm)265265散射過程分類分子散射α<<1：散射能力與波長的四次方成反比，散射能量分布呈對稱球形。米散射0.1<α<50：散射對所有波長的輻射都同樣地發(fā)生，散射能量在入射光方向伸長，散射質(zhì)點越大，偏離對稱越多。幾何光學(xué)散射α>50：屬于幾何光學(xué)范疇，比如虹，暈就是光在雨滴或者冰晶上的反射折射造成的。266266散射削弱系數(shù)一個粒子的散射截面σsc，表示當(dāng)有輻照度為E的輻射射入時，將把Eσsc的能量散射到四面八方，而使入射波的能量減少Eσsc。若單位體積中有N個相同的顆粒，則