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1、,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,其次章 气候系统的辐射过程与能量平衡,第一节 太阳辐射,其次节 地面和大气辐射,第三节 大气增温存冷却,第四节 大气温度随时间的变化,第五节大气温度的空间变化,第一节 太阳辐射,一、辐射的根本学问,一辐射与辐射能,辐射：物体以电磁波的方式向四周放射能量，这种能量传播方式称辐射,辐射能：辐射传播的能量称辐射能,辐射通量密度：单位时间内通过单位面积的辐射能。,辐射通量密度没有限定辐射方向，辐射承受面可以垂直射线或与之 成确定角度,辐射强度：单位时间内，通过垂直于选定方向的单位面积的辐射能。,二辐射光谱,辐射光
2、谱：,辐射能随波长分布的曲线,三物体对辐射的吸取、反射和透射,四有关辐射的根本定律,1、基尔霍夫定律,2、斯蒂芬-玻耳兹曼定律,3、维恩位移定律,二、太阳辐射,一太阳辐射光谱与太阳常数,太阳辐射光谱：太阳辐射能按波长的分布,太阳辐射=黑体辐射,太阳辐射波长范围：0.154.0um,可见光：0.40.76um,紫外线：0.76um,太阳辐射最强的辐射波长：0.475um(青光,太阳常数：日地平均距离时，大气上界垂直太阳光线的单位时间 内单位积上获得的太阳辐射。,二太阳辐射在大气中的减弱,由于大气对太阳辐射的吸取、散射和反射，使太阳辐射穿过大气后发生了变化：,1总辐射能明显减弱,2太阳光谱变得极不
3、规章,3波长短的辐射能减弱得为显著,1、大气对太阳辐射的吸取,大气中某些成分选择性地吸取了太阳辐射。这些成分主要是：水汽、氧、臭氧、co2和固体杂质。,水汽虽然在可见光区和红外区都有不少吸取带，但吸取最强的是在红外区，从0.932.85m之间的几个吸取带。最强的太阳辐射能是短波局部，因此水汽从进入大气中的总辐射能量内吸取的能量并不多。据估量，太阳辐射因水汽的吸取可以减弱415。所以大气因直接吸取太阳辐射而引起的增温并不显著。,大气中的主要气体是氮和氧，只有氧能微弱地吸取太阳辐射，在波长小于0.2m处为一宽吸取带，吸取力气较强，在0.69和0.76m四周，各有一个窄吸取带，吸取力气较弱。,臭氧在
4、大气中含量虽少，但对太阳辐射能量的吸取很强。在0.20.3m为一强吸取带，使得小于0.29m的辐射由于臭氧的吸取而不能到达地面。在0.6m四周又有一宽吸取带，吸取力气虽然不强，但因位于太阳辐射最猛烈的辐射带里，所以吸取的太阳辐射量相当多。,二氧化碳对太阳辐射的吸取总的说来是比较弱的，仅对红外区4.3m四周的辐射吸取较强，但这一区域的太阳辐射很微弱，被吸取后对整个太阳辐射的影响不大。,此外，悬浮在大气中的水滴、尘埃等杂质，也能吸取一局部太阳辐射，但其量甚微。只有当大气中尘埃等杂质很多如有沙暴、烟幕或浮尘时，吸取才比较显著。,由以上分析可知，大气对太阳辐射的吸取具有选择性，因而使穿过大气后的太阳辐
5、射光谱变得极不规章。由于大气中主要吸取物质臭氧和水汽对太阳辐射的吸取带都位于太阳辐射光谱两端能量较小的区域，因而对太阳辐射的减弱作用不大。也就是说，大气直接吸取的太阳辐射并不多，特殊是对于对流层大气来说，太阳辐射不是主要的直接热源。,2、大气对太阳辐射的散射,太阳辐射遇到空气分子、尘粒、云滴等质点时就要发生散射。,分子散射：质点的直径小于辐射波长,选择性 波长越短散射越猛烈,对称性 光学对称性,米散射：质点的直径大于辐射波长,无选择性 漫射,偏不对称性,3、大气对太阳辐射的反射,大气对太阳辐射有反射作用，尤其是云能猛烈地反射太阳辐射。,不同的云状、云厚对太阳辐射反射不同,一般而言，高云反射率2
6、5%，中云反射率50%，低云反射率65%，淡薄的云10-20%，平均反射率50-55%。,总之，进入大气的太阳辐射30%被漫射和散射回宇宙空间，20%被大气吸取，50%穿过大气到达地面。由此也可见，太阳,辐射并非大气的直接热源。,上述三种方式中，反射作用最重要，尤其是云层对太阳辐射的反射最为明显，另外还包括大气散射回宇宙以及地面反射回宇宙的局部；散射作用次之，形成了到达地面的散射辐射；吸取作用相对最小。以全球平均而言，太阳辐射约有30被散射和漫射回宇宙，称之为行星反射率，20被大气和云层直接吸取，50到达地面被吸取。,三到达地面的太阳辐射,直射辐射：以平行光线到达地面的太阳辐射,散射辐射：以散
7、射光形式到达地面的太阳辐射,总辐射：直射辐射与散射辐射之和。,1、直射辐射,影响到达地面太阳直射辐射强弱的因子主要有二：,1)太阳高度角,2)大气透亮度,大气质量数(m)、大气透亮系数(p),I/I0=p,布格定律：,I=Io pm,直接辐射有显著的年变化、日变化和随纬度的变化,2、散射辐射,影响到达地面太阳散射辐射强弱的因子主要有二：,1)太阳高度角,2)大气透亮度,散射辐射也有显著的年变化、日变化和随纬度的变化,3、总辐射,影响到达地面太阳总辐射强弱的主要因子,1)太阳高度角,2)大气透亮度,年变化、日变化和随纬度的变化,四地面对太阳辐射的反射,地面反射率：a=Q反/Q,到达地面的太阳总辐
8、射其中一局部被反射。,地面反射率取决于地面的性质和状态。,陆地平均反射率约为1030%。,土壤颜色、潮湿程度、起伏等影响反射率。,雪面、水面不同状态也影响反射率。,其次节 地面和大气的辐射,水面、陆面、植被等地球外表吸取了大量的太阳辐射，并经转化传给大气。下垫面是大气的直接热源。,一、地面、大气的辐射和地面有效辐射,一地面和大气辐射的表示,太阳辐射能量集中在波长0.154.0um,而地面和大气的辐射集中在3.0120.0um，因此我们称太阳辐射为短波辐射，地面和大气辐射,称为长波辐射。,二地面、大气长波辐射的特点,1、大气对长波辐射的吸取,大气窗口,2、大气中长波辐射的特点,三大气逆辐射和地面
9、有效辐射,1、大气逆辐射和大气保温效应,-23c-15c-38c 大气保温效应,2、地面有效辐射,物理意义,影响因子：地面温度、空气温度、空气湿度、云况,年变化、日变化,二、地面及地气系统辐射差额,辐射差额=收入辐射 支出辐射,一地面的辐射差额,Q+q+Q反-Ea+Eg-,R,g,=(Q+q)(1-a)F,o,当,R,g,0 时，即地面收入的太阳辐射大于地面有效辐射，地面有热量收入。,当Rg0,dqs0,则 (dqs/dz)0.,rm 是变量，是气压和温度的函数。,分析表2-4,四、大气稳定度,一大气稳定度的概念,大气稳定度是指气块受任意方向扰动后，返回或远离原平衡位置的趋势和程度。,一团空气
10、受对流冲击产生垂直运动，分三种状况：,受力移动，渐渐减速，并有返回原来位置的趋势，稳定；,受力移动，渐渐加速，并有远离原来位置的趋势，不稳定；,受力移动，既不加速，也不减速，中性。,准静力学条件：,P=Pi，Ti、Di 与 T、D不等。,单位体积空气受两个力的作用：,浮力 Dg，重力 Dig。,合力：,f=Dg-Dig,单位质量空气的加速度：,a=(Dg-Dig)/Di,现将状态方程 D=P/RT、Di=Pi/RTi 和 P=Pi代入,a=(Ti T)g/T,实际上，空气是否稳定准备于气块温度与四周大气温度的比较。,二推断大气稳定度的根本方法,大气是否稳定，通常用rd 或rm与 r的比较来推断
11、,由于T=To-rd$Z、Ti=Tio-rd$Z，由于起始高度一样To=Tio,a=g$Z(r-rd)/T,(r-rd)的符号准备了加速度a与扰动位移$Z 的方向是否全都，亦准备了大气是否稳定。,当r0，则ard，假设$Z 0，则a0，加速度与位移方向全都，层结不稳定。,当r=rd，a=0,层结是中型的。,上述结论可以用层结曲线和状态曲线来争论,层结曲线：大气温度随高度变化曲线,状态曲线：上升空气块温度随高度变化曲线,Ti为空气团温度，T为空气温度,同理，饱和湿空气垂直时,气温直减率rm,a=g$Z(r-rm)/T,当r0，则arm，假设$Z 0，则a0，加速度与位移方向全都，层结不稳定。,当
12、r=rm，a=0,层结是中型的。,综上争论：,1、r愈大，大气愈不稳定。r愈小，甚至等于0，将阻碍垂直运动的进展。,2、当rrd，不管空气是否到达饱和，大气总是处于不稳定状态，称确定不稳定。,4、当rm r rd，称条件不稳定。,三不稳定能量的概念,第四节 大气温度随时间的变化,一、气温的周期性变化,一气温的日变化,日较差,二气温的年变化,年较差,二、气温的非周期性变化,第五节 大气温度的空间分布,一、气温的水平分布,等温线的分布特征,一月、七月世界气温分布特征,二、对流层中气温的垂直分布,辐射逆温,湍流逆温,平流逆温,下沉逆温,东北地区温度与世界同纬度地区比较,东北地区温度分布图,辐射逆温,湍流逆温,平流逆温,下沉逆温,
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