氣候系統(tǒng)的能量平衡

氣候系統(tǒng)的能量平衡第1頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一輻射的基本定律基爾荷夫(kirchoff)定律(選擇吸收定律)

定律在一定溫度下，任何物體對(duì)于某一波長的放射能力(eλ,T)與物體對(duì)該波長的吸收率(aλ,T)的比值，只是溫度和波長的函數(shù)，而與物體的其它性質(zhì)無關(guān)。即:Eλ,T只是波長和溫度的函數(shù)。第2頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一

推論

對(duì)不同性質(zhì)的物體，放射能力較強(qiáng)的物體，吸收能力也較強(qiáng)；反之，放射能力弱者，吸收能力也弱，黑體的吸收能力最強(qiáng)，所以它也是放射能力最強(qiáng)的物體。對(duì)同一物體，如果在溫度T時(shí)它放射某一波長的輻射，那么，在同一溫度下它也吸收這一波長的輻射。第3頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一斯蒂芬—波爾茲曼(Stefan-Boltzmann)定律

第4頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一斯蒂芬—波爾茲曼(Stefan-Boltzmann)定律

定律黑體的總放射能力（ET）與它本身絕對(duì)溫度（T）的四次方成正比。即：ET＝σT4式中σ＝5.67×10-8W.m-2.K-4為斯蒂芬—波爾茲曼常數(shù)。

意義物體溫度愈高，其放射能力愈強(qiáng)。

第5頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一維恩(Wien)位移定律從圖中還可看出，黑色單體輻射極大值所對(duì)應(yīng)的波長是隨溫度升高而逐漸向波長較短的方向移動(dòng)第6頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一λm＝C/T或λmT=C

如果波長以nm為單位，則常數(shù)C＝2,897×103nm·K,于是上式為：維恩(Wien)位移定律

定律絕對(duì)黑體的放射能力最大值對(duì)應(yīng)的波長(λm)

與其本身的絕對(duì)溫度(T)成反比。即：λmT＝2897×103nm·K本定律由德國物理學(xué)家威廉·維恩（WilhelmWien）于1893年通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)提出第7頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一不同溫度下黑體輻射強(qiáng)度與溫度的關(guān)系

意義物體的溫度愈高，放射能量最大值的波長愈短，隨著物體溫度不斷增高，最大輻射波長由長向短位移。太陽輻射是短波輻射，人、地面和大氣輻射是長波輻射。第8頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一地球上的經(jīng)線和緯線緯線：垂直于地軸的平面同地球相割而成的圓經(jīng)線：南北線（子午線）本初子午線：通過英國Greenwich(格林尼治)天文臺(tái)的0°經(jīng)線（1884年確定）。第9頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一緯線和經(jīng)線緯線平面垂直于地軸,經(jīng)線平面都通過地軸

第10頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一經(jīng)度和緯度緯度：一地相對(duì)于赤道平面的南北方向和角度緯度是一種線面角，即本地法線與赤道平面的交角；緯度在本地經(jīng)線上度量，南北緯各分90度。共180度（-90°，90°）經(jīng)度：本地子午面的東西方向和角距離經(jīng)度是兩面角，本初子午面為起始面，本地子午面為終面；經(jīng)度通常在赤道上度量，東西經(jīng)各分180度。共360度（-180°,180°），或者（0,360°）第11頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一

經(jīng)度和緯度

緯度是線面角，即本地法線與赤道平面的交角；經(jīng)度是兩面角，即本地子午面與本初子午面的交角。第12頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一地理坐標(biāo)一地的經(jīng)度和緯度相結(jié)合，叫做該地的地理坐標(biāo)（x，y）（經(jīng)度，緯度）緯向（在同一緯度上）例如“緯向速度”或者“緯向風(fēng)”u經(jīng)向（在同一經(jīng)度上）例如“經(jīng)向速度”或者“經(jīng)向風(fēng)”v第13頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一經(jīng)線的間隔隨緯度增大而減小EastChinaNormalUniversity第14頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一地球圍繞太陽的公轉(zhuǎn)導(dǎo)致了地球出現(xiàn)了，季節(jié)變化、日輻射總量的變化（日出、日落時(shí)間的變化）太陽常數(shù)

1)太陽光譜2)日地距離

3)太陽輻射強(qiáng)度

第一節(jié)太陽輻射第15頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一太陽光譜太陽表面溫度約6000oC,其發(fā)出的能量基本為短波輻射第16頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一黃道面就是地球的公轉(zhuǎn)軌道所在平面第17頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一黃道（ecliptic）地球繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道平面與天球相交的大圓

12星座即黃道12宮，是占星學(xué)描述太陽在天球上經(jīng)過黃道的12個(gè)區(qū)域第18頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一太陽常數(shù):大氣上界、日地平均距離處、垂直于太陽光線方向、單位時(shí)間、單位面積接收到的所有波長的太陽輻射能。數(shù)值及單位：日地平均距離：r0=1.496×108km近日點(diǎn)日地距離：1.471×108km遠(yuǎn)日點(diǎn)日地距離：1.521×108km第一節(jié)第19頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一大氣上界、任意日地距離時(shí)、垂直于太陽光線方向、單位時(shí)間、單位面積接收到的所有波長的太陽輻射能。(JM-2S-1)日地平均距離：r0=1.496×108km第20頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一太陽高度角是指太陽光的入射方向和地平面之間的夾角天頂角即入射光線與當(dāng)?shù)靥祉敺较颍ǖ孛娣ň€）的夾角（與太陽高度角互余）太陽高度角為90°時(shí)，地面接收的太陽輻射？第21頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一緯度–太陽高度角第22頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一太陽高度角高度角越大,能量越集中高度角越小,能量越分散第23頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一第24頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一第一節(jié)熱帶北溫帶南溫帶北寒帶南寒帶北極圈北回歸線赤道南回歸線南極圈地球的五帶第25頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一GeneralCirculationFig9.2Three-CellModel

第26頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一SeasonsFig3.3Reasonforseasons

第27頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一太陽高度角:太陽光線與地球水平面的夾角第一節(jié)ＡＢＣＤＡ１Ｂ１Ｃ１Ｄ１A1B1C1D1面:垂直于太陽光線ABCD面:平行于地球水平面任意時(shí)刻,大氣上界,單位時(shí)間、單位面積接收到的太陽輻射能為：(J/M2s)第28頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一基本圈：真地平基本要素：地平緯圈地平經(jīng)圈坐標(biāo)：地平緯度h（地平高度）地平經(jīng)度Ａ（方位角）

地平坐標(biāo)系零地平經(jīng)圈真地平第29頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一基本圈：天赤道基本要素：赤緯圈、赤經(jīng)圈（時(shí)圈）坐標(biāo)：赤經(jīng)度（時(shí)角）t赤緯XT==t時(shí)角坐標(biāo)系Q’第30頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一SeasonsFig3.6Sunpaths

第31頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一不同坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換Ｐ的地平高度Ｚ的赤緯z=第32頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一已知:δt,求ZAcosz=sinφsinδ

+cosφcosδcostsinzsinA

=cosδsintsinz

cosA

=-sinδcosφ+cosδsinφcostOT’T已知:Z、A,求δ、tsinδ

=sinφcosz–cosφsinzcosAcosδ

sint=sinzsinAcosδ

cost=coszcosφ+sinzsinφcosA第33頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一第一節(jié)的取值變化于冬至:春分,秋分:夏至:赤緯太陽赤緯又稱赤緯角，是地球赤道平面與太陽和地球中心的連線之間的夾角第34頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一第一節(jié)時(shí)角的取值:地方時(shí)中午12時(shí):向下午方向到地方時(shí)24時(shí):向上午方向到地方時(shí)24時(shí):=0=180=180第35頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一

照射時(shí)間:

日出到日沒的時(shí)間間隔第36頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一大氣上界,某一天,水平面單位面積接受的日輻射量:(JM-2)T=1天=24h=86400s-ω0

為日出時(shí)間，ω0

為日落時(shí)間第37頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一

不同的緯度帶：春秋分時(shí)：赤緯=0，ω0

=π/2，赤道上：=0，ω0

=π/2，不同的時(shí)間（季節(jié)）：極地上：=±π/2，夏半年ω0

=π：任一時(shí)刻：任一天：第38頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一極地在夏半年ω0

=π，在“夏至”收到的日輻射總量最大：=23.5赤道上=0，ω0

=π/2，春秋分時(shí)收到的日輻射總量最大：=0極地最大的日輻射總量與赤道最大的日輻射總量的比值：π·sin23.5=1.25倍書上P23

③極地最大的日輻射總量與同時(shí)的赤道日輻射總量的比值：π·tg23.5=1.36倍第39頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一取太陽常數(shù)為1366W/m2，算出的日平均日射值Q隨緯度和一年中各天的分布。陰影區(qū)為零日射區(qū)。春分、夏至秋分和冬至的位置以實(shí)線給出，太陽赤緯以虛線繪出。第40頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一SeasonsFig3.4MidnightsuninAlaska

第41頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一Question：北極夏季輻射量最大，氣溫最高？每年總有15天左右可升到零上，極端最高氣溫一般不超過5度第42頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一Fig3.5radiantenergyreceivedonJune21

第43頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一SeasonsTab3.1Lengthoftimefromsunrisetosunset

第44頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一3.2大氣中的輻射傳輸過程大氣對(duì)短波的影響吸收散射反射吸收逆輻射大氣對(duì)長波的影響第45頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一IncomingSolarEnergyFig2.15Lightscattering第46頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一RadiationFig2.9Sunandearthradiation第47頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一RadiationFig2.10Sun’sspectrum

第48頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一太陽輻射光譜太陽輻射能隨波長的分布曲線。大氣上界的太陽輻射光譜圖中：實(shí)線是大氣上界的太陽輻射光譜；虛線是溫度在6,000K時(shí)的黑體輻射光譜。

第49頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一幾個(gè)重要波段名稱波段(nm)占總能量的比例（%）效應(yīng)作用可見光400—76050光效應(yīng)植物光合作用紅外區(qū)>76043熱效應(yīng)加熱地球、大氣和生物紫外區(qū)<4007化學(xué)效應(yīng)殺菌消毒、促進(jìn)種子萌發(fā)波譜隨太陽高度角h的變化太陽高度角降低，直接輻射光譜中，波長較長的部分逐漸增加，波長較短的部分逐漸減少。太陽直接輻射波譜隨h的變化第50頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一散射輻射光譜隨太陽高度角、大氣透明系數(shù)和云量而變化。干潔空氣中，h降低，散射輻射中波長較短的部分逐漸減少，波長較長部分逐漸增多，而波長在400nm-600nm的可見光幾乎不隨h而變化。h（度）<400400～600>60035.953.340.81514.658.227.23020.456.123.54523.254.822.06024.654.221.29025.853.520.7不同太陽高度角時(shí)各散射光譜段的相對(duì)比率

當(dāng)天空中有較多粗粒或全天有云時(shí)，散射輻射光譜中的長波部分能量增加，其最大輻射能力波長也向長波方向移動(dòng)。太陽散射輻射波譜隨h的變化第51頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一第52頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一碧空和陰天時(shí)散射光譜能量的分布

當(dāng)天空中有較多粗?；蛉煊性茣r(shí)，散射輻射光譜中的長波部分能量增加，其最大輻射能力波長也向長波方向移動(dòng)。第53頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一大氣中太陽輻射傳輸過程單色光強(qiáng)度：dldz經(jīng)過的路徑是：強(qiáng)度減弱:地面稱為大氣對(duì)太陽輻射的質(zhì)量削弱系數(shù)(m2g-1)+d

平面平行大氣：大氣水平方向均勻，只考慮垂直方向上變化的大氣模型zh太陽高度角單位時(shí)間、垂直于太陽光線方向上單位面積、單位波長的輻射能0l第54頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一從大氣頂?shù)絑高度積分,得大氣上界波長為的單色光輻射強(qiáng)度為太陽輻射通過大氣介質(zhì)的質(zhì)量,稱為大氣光學(xué)路徑Z高度上波長為的單色輻射強(qiáng)度第55頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一大氣質(zhì)量（單位面積*光學(xué)路徑）:光在大氣中經(jīng)過一定長度傾斜路徑到達(dá)地表面時(shí),其經(jīng)歷空間中所含大氣物質(zhì)的質(zhì)量大氣質(zhì)量數(shù)(m):實(shí)際投射條件下的大氣質(zhì)量與垂直投射下的大氣質(zhì)量的比值.引入均質(zhì)大氣高度H0和密度第56頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一不同太陽高度角下的大氣質(zhì)量

m的計(jì)算當(dāng)h在30°～90°時(shí),m可近似地表示為：均質(zhì)大氣第57頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一大陽高度（h）906030105310大氣質(zhì)量數(shù)（m）11.152.05.610.415.427.035.4第58頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一

大氣透明度如果介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)是均勻的,為常數(shù)令:即為大氣對(duì)單波的透明系數(shù)描述大氣對(duì)太陽輻射衰減的程度,常用透明系數(shù)表示到達(dá)地面的單色輻射強(qiáng)度為:引入均質(zhì)大氣高度H0和密度第59頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一到達(dá)地面的單色輻射強(qiáng)度為:對(duì)所有波長積分,得:Pm

即為大氣對(duì)太陽輻射所有波長的平均透明系數(shù),簡稱大氣透明系數(shù).經(jīng)過大氣到達(dá)地面垂直于太陽光線方向上單位面積，單位時(shí)間的太陽輻射能（Jm-2s-1）第60頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一第61頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一

吸收作用

氧、臭氧、水汽和CO2氣體成分強(qiáng)吸收波段弱吸收波段氧<200nm的紫外光690~760nm的可見光臭氧200~320nm的紫外光600nm的可見光水汽930~1500nm的紅外光（三個(gè)強(qiáng)吸收帶）600~700nm的可見光（三個(gè)弱吸收帶）減弱方式主要的吸收成分各成分的吸收波段吸收的定義：大氣分子被入射太陽輻射激發(fā)，由低能級(jí)躍遷到高能級(jí)的過程稱為吸收。兩能級(jí)的差就是大氣吸收的輻射能量值．第62頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/3063躍遷原子光譜氫原子的發(fā)射和吸收示意圖第63頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一主要集中于紅外光區(qū)主要集中在25km的平流層發(fā)生在高層大氣第64頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一第65頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一第66頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一

散射作用

散射

當(dāng)太陽輻射通過大氣時(shí)，遇到大氣中的各種質(zhì)點(diǎn)，太陽輻射能的一部分散向四面八方，稱為散射。分類由入射輻射波長與散射質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)大小r，將散射分為分子散射（瑞利散射）和米（Mie）散射。

r《

時(shí)，分子散射。

r~

時(shí)，米散射。散射強(qiáng)烈地依賴于粒子尺度與入射波長的相對(duì)大小米散射:塵埃或灰塵（氣溶膠）直徑比波長大,各種波長的散射能力相等.第67頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一瑞利分子散射定律

當(dāng)大氣干潔，質(zhì)點(diǎn)半徑小于200nm時(shí)，散射值與入射光波長的四次方成反比。即：定律意義入射光波長愈短，散射能力愈強(qiáng)。漫射當(dāng)大氣混濁，質(zhì)點(diǎn)半徑＞10,000nm時(shí)，入射光的各種波長具有同等散射能力，散射系數(shù)不再隨波長改變，稱之為漫射。第68頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一第69頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一第70頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一

反射作用

參與反射作用的物質(zhì)大氣中較大的塵粒和云滴、云層。云的反射作用其反射能力隨云狀、云量和云厚而不同。云量愈多，云層愈厚，反射愈強(qiáng)。云層平均反射率為50%～55%。

定義：大氣中云層和較大顆粒的塵埃將太陽輻射中的一部分能量反射到宇宙空間去的過程．2)特點(diǎn)：對(duì)各種波長無選擇性，云的反射作用最顯著．3)效應(yīng)：到達(dá)地面的太陽輻射顯著減弱.第71頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一IncomingSolarEnergyTab2.2Surfacealbedo第72頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一二、大氣對(duì)地球輻射的影響大氣窗:7~13位于地面輻射波段最強(qiáng)處,大氣的吸收率最小,透射率最大,這一波段能量透過大氣射向宇宙空間,將這一波段稱為大氣窗.1.大氣對(duì)長波輻射的吸收

特點(diǎn):強(qiáng)烈地吸收,且具有選擇性.

（P27，圖3.2d）第73頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一第74頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一溫室效應(yīng)大氣中各種微塵和二氧化碳成分的存在，猶如溫室覆蓋的玻璃一樣，阻擋了地面向外的輻射，增強(qiáng)大氣逆輻射，對(duì)地面有保溫和增溫作用，這種現(xiàn)象稱為大氣溫室效應(yīng)。2.大氣的保溫效應(yīng)

第75頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一BalancingActFig2.13Greenhouseeffects第76頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一3.3氣候系統(tǒng)的輻射平衡3.3.1地球面的輻射平衡S=太陽直接輻射(經(jīng)過大氣吸收和散射）D=散射輻射Q=地表總輻射A=地表反射輻射F=地面長波有效輻射R=地表凈輻射(吸收的短波-放出的長波）R=

Q–A–F=(S+D)–A–F=Q(1–a)–F第77頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一太陽直接輻射（1）定義：太陽輻射經(jīng)過大氣的吸收和散射的消弱后，沿投射方向直接到達(dá)地表面的那部分太陽輻射能量稱為太陽直接輻射。(J/m2s)是時(shí)角ω和m的函數(shù)，難以確定，因此應(yīng)用上式計(jì)算太陽直接輻射日總量比較困難，一般只能求助于經(jīng)驗(yàn)方法第78頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一參數(shù)化S太陽直接輻射（地面）S0

天文輻射量S1

日照百分比（日照時(shí)數(shù)）S=S0(aS1+bS12)全陰天S1=0，S=0;全晴天S1=1，S/S0=a+b晴天相對(duì)輻射a、b為局地參數(shù)化的值

第79頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一（2）影響因子：太陽高度角、大氣透明度.第80頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一大氣透明度大氣透明度是指透過一個(gè)大氣質(zhì)量數(shù)后的輻射強(qiáng)度與透過前的輻射強(qiáng)度之比，表示輻射通過大氣后的削弱程度。不同波長的削弱也不相同，a僅表征對(duì)各種波長的平均削弱情況。大氣透明系數(shù)與大氣中的水汽、水汽凝結(jié)物、塵埃雜質(zhì)等有關(guān)。這些物質(zhì)越多，大氣透明程度越差，透明系數(shù)越小，太陽輻射受到的減弱越強(qiáng)，地面獲得的太陽輻射越少。a是一個(gè)小于1的數(shù)，其取值是：當(dāng)天空特別晴朗，污染較少時(shí)a=0.9；當(dāng)污染特別嚴(yán)重，天空特別混濁時(shí)a=0.6；一般情況下a=0.84左右。第81頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一（3）氣候特征:日、年變化和隨緯度的變化第82頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一2.散射輻射大氣混濁度太陽輻射經(jīng)大氣散射后到達(dá)地面的比例系數(shù)（1）定義：當(dāng)太陽輻射通過大氣時(shí)，受到大氣中的氣體分子、塵埃、氣溶膠、水汽等的散射作用，使太陽輻射的一部分以漫射形式從天空的各個(gè)角度到達(dá)地表，這一部分輻射量成為散射輻射地表得到的散射輻射隨太陽高度角增大而增加，隨大氣的混濁度的增大而增加第83頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一（2）影響因子：太陽高度角、大氣透明度、云第84頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一3.地表總輻射----到達(dá)地面的太陽總輻射實(shí)際大氣條件下到達(dá)地表的太陽直接輻射與散射輻射之和，是地表面得到的太陽輻射的總能量，稱為地表總輻射影響因子:太陽高度角(天文輻射)、云量、大氣透明度.第85頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一由于大氣透明度系數(shù)難以精確確定，所以為了獲得某一地區(qū)地面總輻射量的多年平均值，通常采用經(jīng)驗(yàn)方法即氣候?qū)W計(jì)算方法確定。第86頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一地表總輻射的氣候?qū)W計(jì)算S0

、Q0天文輻射和晴天總輻射；f(S1,n)天空遮避度函數(shù)；n云量；S1

日照百分率(1)分析地表總輻射與影響因子間的關(guān)系Q-,Q-S1(2)根據(jù)散點(diǎn)圖,擬合經(jīng)驗(yàn)公式(a,b取決于大氣平均透明系數(shù)，云的透射系數(shù)，日照計(jì)的靈敏度等）第87頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一天文輻射：第88頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一經(jīng)驗(yàn)公式：輻射觀測臺(tái)站的日射資料第89頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一全球地表總輻射年平均通量密度（Wm-2)的分布地表總輻射第90頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一第91頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一中國年平均總輻射通量密度的分布(Wm-2)主要取決于云量和地理緯度第92頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一α

反射率α=A/Q影響反射率的因素：太陽高度角（圖3.5）、下墊面顏色、干濕度、表面粗糙度歸一化差分植被指數(shù)：NDVI=（CH2-CH1）/（CH2+CH1）（圖3.6）4.地表反射輻射第93頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一IncomingSolarEnergyTab2.2Surfacealbedo第94頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一行星反照率：地球-大氣系統(tǒng)的反照率稱為行星反照率，它表示地球作為行星對(duì)入射的太陽輻射的反射能力。行星反照率分為各地區(qū)行星反照率和全球行星反照率。赤道：約為0.2，甚至更小

極地：0.6，甚至達(dá)到0.95目前全球的行星反照率可?。?.30,它是地球表面的平均反照率(約為0.15),云的高反照率和大氣的后向散射作用的綜合結(jié)果第95頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一5.地表長波有效輻射F=地面長波有效輻射U=地面輻射（地面向上放射的長波輻射）G=大氣逆輻射（大氣向下放射的長波輻射）ε=大氣相對(duì)輻射率εG=地面吸收的大氣逆輻射F=U-εG第96頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一第97頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一6.地表凈輻射地表凈輻射量由短波輻射收入與地面有效輻射之間的差值決定R=

Q–A–F=(S+D)–A–F=Q(1–a)–F第98頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一第99頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一第100頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一第101頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一第102頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一地表凈輻射年總量（Kcal·cm-2）的地理分布第103頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一中國地表凈輻射年平均通量密度分布(W/m2)

第104頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一云對(duì)地面凈輻射的影響云使總輻射減弱（云的反射）云使有效輻射增加（大氣逆輻射）地面凈輻射R

減小地面凈輻射R

增大白天或夏季（特別是低緯地區(qū)），云的減弱作用強(qiáng)于增大作用，云量增多，輻射差額減??；夜間或冬季（特別是高緯地區(qū)），云的減弱作用弱于增大作用，云量增多，輻射差額增大。云的反射Ga=大氣逆輻射（長波輻射，向地面方向）第105頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一3.3.2地—?dú)庀到y(tǒng)的輻射平衡Q=地表總輻射；a=地表反射率Q(1–a)=地表吸收的短波輻射Qa=大氣吸收的短波輻射as=行星反照率Fs=F∞=地-氣系統(tǒng)向外宇宙逸出的長波輻射Rs=

Q(1–a)+Qa–F∞

（地吸收+氣吸收-放出長波）=S0(1–as)–Fs（地氣系統(tǒng)吸收-放出長波）Q(1–a)QaF∞

地氣系統(tǒng)

地-氣系統(tǒng)凈輻射的地理分布取決于天文輻射隨緯度的變化、地-氣系統(tǒng)行星反照率的分布及行星長波輻射（圖3.11）特點(diǎn):年平均南北緯30之間的Rs為正值;其他緯度為負(fù)值.第106頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一零維能量平衡模式，Rs=0第107頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一全球年均單位時(shí)間(1秒)吸收的太陽輻射為全球單位時(shí)間向外射出長波輻射為

r為地球半徑,Te為地表輻射平衡溫度(K)設(shè)則零維能量平衡模式，Rs=0第108頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一第109頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一地球大氣的溫室效應(yīng)第110頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一大氣頂?shù)孛娴?11頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一第112頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一Qa=大氣吸收的短波輻射Ua=大氣吸收的長波輻射Ga=大氣逆輻射（長波輻射，向地面方向）U∞=大氣向外宇宙逸出的長波輻射F∞=地-氣系統(tǒng)向外宇宙逸出的長波輻射F=地面長波有效輻射Ra=

Qa+Ua–(Ga+U∞)=Qa+(F–F∞)（大氣短波吸收+放出長波）U∞大氣3.3.3大氣系統(tǒng)的輻射平衡第113頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一Ra=Qa+(F–F∞)大氣對(duì)短波輻射吸收Qa很小,大氣輻射平衡值主要取決于（F-F∞),而地面有效輻射F遠(yuǎn)小于大氣頂?shù)囊莩鲩L波輻射，所以Ra<0,即大氣輻射收入的凈通量總是負(fù)，其所需能量則直接來自地表的感熱和潛熱的輸送，來維持大氣運(yùn)動(dòng)。第114頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一上節(jié)課要點(diǎn)氣候系統(tǒng)的輻射平衡地面輻射差額（地面輻射平衡方程）

大氣輻射差額3.地-氣系統(tǒng)的輻射差額第115頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一第四節(jié)3.4地-氣系統(tǒng)的熱量平衡一、地表熱量平衡1.定義：地面在獲得輻射差額時(shí)，一方面要升高地表溫度，另一方面將盈余的熱量以湍流顯熱和潛熱向大氣輸送以及向地表活動(dòng)層的分子輸送，長期平均，其獲得的輻射差額與支出達(dá)到平衡稱為地面的熱量平衡。第116頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一3.4.1地面熱量平衡方程地面輻射差額地面潛熱通量感熱通量地表與下層的熱量交換地表與上層生物體的化學(xué)、生物過程有關(guān)的能通量第四節(jié)第117頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一KT

為空氣熱量湍流交換系數(shù)，Cp為定壓比熱，為空氣密度，T

為氣溫第四節(jié)1）湍流擴(kuò)散理論

感（顯）熱輸送通量

潛熱輸送通量L

為蒸發(fā)潛熱，L2500(J/g),q

為比濕（單位濕空氣中的水汽質(zhì)量，g/g)水汽湍流交換系數(shù)第118頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一（1）湍流:流體不規(guī)則運(yùn)動(dòng)_渦動(dòng).2）湍流與湍流通量任何物理量都可以表示為平均量與脈動(dòng)(擾動(dòng))量之和,流動(dòng)也一樣,即第119頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一

（2）湍流（渦動(dòng)）通量:單位時(shí)間內(nèi)湍流運(yùn)動(dòng)輸送的物理量(熱量、水汽等）垂直方向渦動(dòng)熱通量=垂直方向渦動(dòng)水汽通量=垂直方向渦動(dòng)動(dòng)量通量=第120頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一2）渦動(dòng)相關(guān)法分別是垂直速度、溫度、比濕和水平運(yùn)動(dòng)的脈動(dòng)值，湍流脈動(dòng)儀觀測采樣頻率一般為10Hz第121頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一3）總體空氣動(dòng)力學(xué)方法

熱量總體輸送系數(shù)

T0,T地面及z高度的溫度U

是z高度風(fēng)速

感（顯）熱輸送通量第四節(jié)水汽總體輸送系數(shù)地面及z高度比濕

潛熱輸送通量第122頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一（3）地面與下層間的熱量交換為土壤導(dǎo)熱系數(shù)，為土壤溫度為土壤導(dǎo)溫系數(shù)為土壤密度為土壤比熱（J/gC）Z（1）理論公式第123頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一（4）.地面冷、熱源（1）定義：某一地區(qū)地表有湍流熱量向大氣輸送，稱該地區(qū)為熱源，反之為地面冷源（熱匯）。（2）方程式：熱源冷源第124頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一5）地表熱量平衡的分布感熱輸送年總量分布

（單位：kcal·cm-2·a-1）第125頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一

中國年平均感熱通量密度的分布（單位：kcal·cm-2.a-1）

第126頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一全球潛熱輸送年總量的地理分布（Kcal·cm-2）

第127頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一中國年平均潛熱通量密度的分布（W/m2）

第128頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一

洋面與深層水體的熱量輸送年總量的地理分布(Kcal·cm-2)第129頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一6）地表面熱量平衡的緯圈平均緯度帶陸地海洋全球RLEHRLEHC0RLEHC070～60oN60～5050～4040～3030～2020～1010～00～10oS10～2020～3030～4040～5050～60全年平均921134018842428268030983308330831402971259618421465209367096310479637961340238725541884117212149219211130251377837146518841758921745125618001382921544963963180016803768464750665191531751084564385230141926381012981968280540194563489943544154473144383433213514653433921795670586293293293251377461461251377377-1256-963-795-837-209-1265449210-335-4262884092115492261318239354564477348574689418736842972192633078371382188427213140397838943768410336843182209314652763461544754963879670418377586754586293377544-377-377-377-502-84-844617120-251-84586840全球表面熱量平衡各分量的緯圈年平均值(MJ/m2）

第130頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一Rs=R+RaR=LE+H+C0R參考圖3.7第131頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一二、大氣的熱量平衡1.定義：自地面伸展到大氣頂?shù)膯挝唤孛娣e垂直空氣柱內(nèi)所有熱通量的代數(shù)和。2.方程式大氣柱輻射差額大氣柱熱含量變化熱平流引起的熱交換降水的潛熱釋放等號(hào)右側(cè)支出為正，收入為負(fù)第132頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一

大氣中的熱量平衡分布

3.各分量的經(jīng)向分布Rs=R+RaRa=Lr+H+CaR參考圖3.12第133頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一等號(hào)右側(cè)支出為正，收入為負(fù)Rs=R+Ra第134頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一三、地-氣系統(tǒng)的熱量平衡1.定義：下墊面及其以下活動(dòng)層（溫度日、年變化波及的深度）和大氣柱內(nèi)的熱量收支狀況。2.方程大洋上：陸地上：等號(hào)右側(cè)支出為正，收入為負(fù)第135頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一3.5全球熱量平衡第五節(jié)一、熱量的經(jīng)向輸送地-氣系統(tǒng)年平均吸收輻射(曲線I)射出輻射（曲線Ⅱ）指向極地的能量輸送(曲線Ⅲ)

第136頁，共147頁，2023年，2月20日，星期一137Unequalheatingoftropicsandpoles太陽輻射的不均勻分布：低緯地區(qū)要向高緯地區(qū)輸送熱量；但對(duì)地球表面、大氣和地-氣系