第二章大氣熱能與溫度

第二章大氣熱能與溫度第1頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)太陽輻射自然界中一切物理過程和現(xiàn)象，乃至生命活動和現(xiàn)象，都直接或間接地以輻射能為能源基礎(chǔ)，輻射能包括太陽輻射、地面輻射和大氣輻射。Visiblelight第二章大氣的熱能和溫度一、輻射基本知識第2頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)太陽輻射第二章大氣的熱能和溫度一、輻射基本知識輻射：物體以電磁波或粒子流形式向四周傳遞或交換能量的方式，傳遞交換的能量為輻射能?；咎攸c(diǎn)如下：（i）任何物體均能發(fā)出和吸收輻射，吸收輻射升溫，反之降溫。(ii)物體溫度越高，輻射越強(qiáng)，波長越短；反之輻射越弱，波長越(iii)不同物體對不同波長的輻射具有不同的吸收、反射和散射特性。(iv)輻射具有波粒二象性。

第3頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)太陽輻射第二章大氣的熱能和溫度一、輻射基本知識輻射波動性：輻射以電磁波形式傳播，波速(c)為光速，具有各種波長(λ)和頻率(f)，會發(fā)生反射、折射、散射和衍射等現(xiàn)象。主要結(jié)論如下：（i）輻射傳播無需介質(zhì)；(ii)波長與頻率成反比λ=c/f；(iii)短波輻射（如太陽輻射）和長波輻射（如地面和大氣輻射）。(iv)電磁波譜，包括γ射線、χ射線、

紫外線、可見光、紅外線、無線電波等。

第4頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三X-raysl<10nmUltraviolet(UV)10<l<400nmVisible0.4<l<0.7μmNear-Infrared(Near-IR)0.7<l<3.5μmMiddle-IR3.5<l<30μmFar-IR30<l<100μmMicrowave1mm<l<1m電磁波譜第5頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)太陽輻射第二章大氣的熱能和溫度一、輻射基本知識輻射粒子性：微觀而言，輻射由一系列以光速運(yùn)動的能量粒子（稱為光子photons）組成的粒子流。主要結(jié)論如下：（i）光子無質(zhì)量、無體積，以光速運(yùn)動；（ii）每個光子能量EL與頻率(f)成正比，即EL=hf比例系數(shù)為普朗克常數(shù)h，h=6.626×10-34j·s(iii)光子能量越高，則輻射頻率越高，反之亦然。

第6頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)太陽輻射第二章大氣的熱能和溫度一、輻射基本知識輻射的度量積分得球體的球面弧度Ω：（1）球面弧度（steradians,str）：球坐標(biāo)系中，半徑為r的球面上位于天頂角和方位角處的立體角微元dΩ定義為：rdldαdα=dl/r第7頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)太陽輻射第二章大氣的熱能和溫度一、輻射基本知識輻射的度量（2）輻射強(qiáng)度（Iλ）：沿一定方向單位時間內(nèi)垂直通過單位立體弧度角單位面積單位波長的輻射能，亦稱單色輻射強(qiáng)度，單位為Wm-2str-1μm-1；Iλ(3)寬帶輻射強(qiáng)度（I）：沿一定方向單位時間內(nèi)垂直通過單位立體弧度角單位面積的所有波長(0~∞)或波段（λ1~λ2）的輻射能，單位為Wm-2str-1；第8頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)太陽輻射第二章大氣的熱能和溫度一、輻射基本知識輻射的度量(4)輻射通量（Fλ）：單位時間內(nèi)通過單位面積單位波長的輻射能，單位為Wm-2μm-1。（5）輻射通量與輻射強(qiáng)度的關(guān)系：輻射通量（Fλ）包括向下和向上兩部分：和IλFλ第9頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)太陽輻射第二章大氣的熱能和溫度一、輻射基本知識輻射的度量(6)寬帶輻射通量（F）：單位時間內(nèi)通過單位面積的所有波長的輻射能，單位為Wm-2。第10頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)太陽輻射第二章大氣的熱能和溫度一、輻射基本知識輻射的度量(7)平行光輻射條件下，輻射通量與輻射強(qiáng)度的關(guān)系：θF平行光線Iabc推導(dǎo)：若能量無損耗，則FSab=ISbc∴F=ISbc/Sab=Icosθ第11頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三物體對輻射的作用

Q0QrQdQa反射率：r=Qr/Q0吸收率：a=Qa/Q0透射率：d=Qd/Q0關(guān)系：r+a+d=1規(guī)律：選擇性，即物體的吸收率、反射率和透射率大小隨著輻射的波長和物體的性質(zhì)而改變。黑體（Blackbody）：a=1,r=d=0灰體(Graybody)：d=0,a=1-r第一節(jié)太陽輻射第二章大氣的熱能和溫度一、輻射基本知識第12頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三普朗克函數(shù)（ThePlanckFunction）：黑體輻射強(qiáng)度IB(T,λ)與其溫度(T)和輻射的波長(λ)之間具有如下的關(guān)系：其中，h、k及c依次為普朗克常數(shù)、Boltzmann常數(shù)及光速，第一節(jié)太陽輻射第二章大氣的熱能和溫度一、輻射基本知識第13頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三基爾霍夫(Kirchhoff)定律：推論1：任何物體在一定溫度(T)時對一定波長(λ)的放射強(qiáng)度I(λ,T)與其吸收率(aλT)之比，只是溫度和波長的函數(shù)，即推論2：任何物體在一定溫度（T）下對一定波長（λ）的輻射強(qiáng)度IλT等于其發(fā)射率(eλT)與黑體輻射強(qiáng)度IB(λ，T)之積，即I(λ,T)=eλTIB(λ，T)。第一節(jié)太陽輻射第二章大氣的熱能和溫度一、輻射基本知識任何物體在一定溫度(T)時對一定波長(λ)輻射的吸收率(aλT)等于其在同溫度下對相同波長輻射的放射率（eλ,T），即第14頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三Stefan-Boltzmann定律：將普朗克函數(shù)IB

(λ,T)對波長(λ)積分，得黑體寬帶輻射強(qiáng)度（BT），即上式稱為Stefan-Boltzmann定律。表明物體溫度越高，其放射能力越強(qiáng)。因黑體輻射為各向同性，根據(jù)輻射通量和輻射強(qiáng)度的關(guān)系，得黑體輻射通量FT，為。推論：根據(jù)Stefan-Boltzmann定律計(jì)算的溫度稱為等效黑體溫度或亮度溫度（Brightnesstemperature）TB。第一節(jié)太陽輻射第二章大氣的熱能和溫度一、輻射基本知識第15頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三Wien定律：黑體輻射的光譜強(qiáng)度（單色輻射能力）最大值對應(yīng)的波長（λm）與其熱力學(xué)溫度(T)成反比，其中，常數(shù)C=2897×103nmK

太陽輻射(短波輻射):T=6000K,則λm=480nm;

地球輻射(長波輻射):T=288K,則λm=10.1×103nm;第一節(jié)太陽輻射第二章大氣的熱能和溫度一、輻射基本知識太陽輻射地球輻射第16頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三太陽常數(shù)(S0)：當(dāng)日地平均距離時，大氣上界垂直于太陽光線的單位面積上單位時間內(nèi)獲得的太陽輻射能量，稱為太陽常數(shù)S0，S0=1380W/m2。由于地球與太陽間的天體運(yùn)動，大氣上界的實(shí)際太陽輻射強(qiáng)度是有所變化的。第一節(jié)太陽輻射第二章大氣的熱能和溫度二、太陽輻射第17頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三太陽光譜：6000K黑體光譜大氣上界太陽光譜波長范圍：0.15μm~4μm可見光0.4~0.76μm，50%；紅外線＞0.76μm，43%；紫外線＜0.4μm，7%。第一節(jié)太陽輻射第二章大氣的熱能和溫度二、太陽輻射第18頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三太陽輻射通過大氣層時的減弱：第一節(jié)太陽輻射第二章大氣的熱能和溫度二、太陽輻射

大氣對太陽輻射有一定的吸收、散射和反射作用，因此，到達(dá)地球表面的太陽輻射強(qiáng)度要遠(yuǎn)小于太陽常數(shù)。第19頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三太陽輻射通過大氣層時的減弱：第一節(jié)太陽輻射第二章大氣的熱能和溫度二、太陽輻射①大氣對太陽輻射的吸收選擇性：大氣只吸收特定波段的太陽輻射。O2強(qiáng)烈吸收λ<200nm、O3強(qiáng)吸收帶200nm~320nm及弱吸收帶600nm、CO2主要吸收紅外線（2.5/4.3/14.7μm）、H2O吸收紅光和紅外線，0.72~2μm間有多個吸收帶,另外吸收帶包括2~3μm、4~7μm。

特點(diǎn)：大氣直接吸收太陽輻射比例很小，約占19%。但是，大氣能強(qiáng)烈吸收地面紅外輻射，8×103nm~13×103nm波段除外，該波段即所謂的“紅外窗口（IRWindows）”。第20頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三紅外窗口第21頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三太陽輻射通過大氣層時的減弱：第一節(jié)太陽輻射第二章大氣的熱能和溫度二、太陽輻射②大氣對太陽輻射的散射定義：太陽輻射遇到大氣分子或雜質(zhì)粒子等時轉(zhuǎn)向各個方向傳播；特點(diǎn)：

分子散射（Rayleigh散射）：有選擇性。波長越短，散射越強(qiáng)，故晴天為蔚藍(lán)色；

粒子散射（或米散射）：無選擇性。散射系數(shù)不隨波長而變，又稱漫散，雨或霧天天空為乳白色正是米散射結(jié)果。第22頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三太陽輻射通過大氣層時的減弱：第一節(jié)太陽輻射第二章大氣的熱能和溫度二、太陽輻射③大氣對太陽輻射的反射定義：太陽光線遇到大氣中云層或較大尺度的顆粒時而改變傳播方向；特點(diǎn)：無選擇性，平均反射率為50％~55％。地-氣系統(tǒng)平均反射率約30%，稱為行星反射率(Albedo)云高越低，反射越強(qiáng)；云量越多，反射越強(qiáng)；云層越厚，反射越強(qiáng)。aba=b第23頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三太陽輻射通過大氣層時的減弱：第一節(jié)太陽輻射第二章大氣的熱能和溫度二、太陽輻射④太陽輻射減弱的定量表示：取決于大氣厚度和粒子含量，前者以大氣光學(xué)質(zhì)量(m)表示，后者以大氣透明度系數(shù)(P)表示。a)大氣光學(xué)質(zhì)量m：以太陽光通過大氣的路徑長度與大氣層垂直厚度之比表示。隨太陽高度角減小而增大。h大氣質(zhì)量數(shù)大氣m=1h23425第24頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三太陽輻射通過大氣層時的減弱：第一節(jié)太陽輻射第二章大氣的熱能和溫度二、太陽輻射④太陽輻射減弱的定量表示：b)大氣透明度系數(shù)P：太陽輻射透過一個大氣質(zhì)量數(shù)后，其強(qiáng)度與通過前的強(qiáng)度之比。h大氣質(zhì)透明度系數(shù)大氣m=1h2345S0S0S0S0S0S1S2S3S4S5整理得Bouguer-Lambert定律：表明地表太陽輻射強(qiáng)度隨P增大而增大、隨m增加而減小。Sm第25頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三到達(dá)地面的太陽輻射通量第一節(jié)太陽輻射第二章大氣的熱能和溫度二、太陽輻射太陽輻射經(jīng)過大氣的吸收、反射和散射后，約有51%到達(dá)地面，這部分輻射包括兩部分：太陽以平行光線的形式直接投射到地面上的，稱為太陽直接輻射/Directsolarradiation(S)；經(jīng)過大氣散射后投射到地面的，稱為散射輻射/Diffuseradiation(D)，兩者之和稱為總輻射/TotalincomingsolarradiationorInsolation(K↓)，即K↓=S+D第26頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三到達(dá)地面的太陽輻射通量第一節(jié)太陽輻射第二章大氣的熱能和溫度二、太陽輻射①太陽直接輻射：以平行光線直接投射到地面上的太陽輻射。直接輻射通量S為主要影響因素是太陽高度角h和大氣透明度P。h地面太陽直接輻射強(qiáng)度S大氣mS0SmhS地面直接輻射有顯著的年變化、日變化和隨緯度的變化。第27頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三到達(dá)地面的太陽輻射通量第一節(jié)太陽輻射第二章大氣的熱能和溫度二、太陽輻射②太陽散射輻射：

散射輻射的強(qiáng)弱也與太陽高度角及大氣透明度有關(guān)。太陽高度角增大時，到達(dá)近地面層的直接輻射增強(qiáng)，散射輻射也就相應(yīng)地增強(qiáng)；相反，太陽高度角減小時，散射輻射也弱；大氣透明度不好時，參與散射作用的質(zhì)點(diǎn)增多，散射輻射增強(qiáng)；反之，減弱。云也能強(qiáng)烈地增大散射輻射。太陽散射輻射也具有日和年變化，一日內(nèi)正午前后最強(qiáng)，一年內(nèi)夏季最強(qiáng)。第28頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三到達(dá)地面的太陽輻射通量第一節(jié)太陽輻射第二章大氣的熱能和溫度二、太陽輻射③太陽總輻射：日變化：日出前，總輻射中只有散射輻射；日出后，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(qiáng)度均達(dá)到最大值；以后二者又按相反的次序變化。年變化：總輻射強(qiáng)度（月平均值）夏季最大、冬季最小。地理分布：緯度愈低，總輻射愈大。反之就愈小。第29頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三第30頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三太陽高度角(h)對總輻射的影響定義：太陽光線與地表水平面之間的夾角，變化范圍0o~90o；hSS0A0

A太陽光線地面影響：若不考慮大氣影響，則地面太陽輻射通量(S)與太陽高度角(h)關(guān)系為特點(diǎn)：日變化，h早晚最小，中午最大；年變化，h冬至最小，夏至最大；地理變化，h高緯度較小，低緯度較大。計(jì)算公式：略第31頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三總輻射的日、年變化第32頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三第33頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三總輻射的地理分布S0S1S0S2地面大氣大氣S2<S1第34頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三到達(dá)地面的太陽輻射通量第一節(jié)太陽輻射第二章大氣的熱能和溫度二、太陽輻射④地面對太陽總輻射的反射：投射到地面的太陽輻射，并非完全被地面所吸收，其中一部分被地面所反射。地表對太陽輻射的反射率稱為行星反射率/Albedo(r)。決定于地表面的性質(zhì)和狀態(tài)，約為10％~30％。⑤太陽總輻射減去地面反射部分后稱為凈太陽輻射或短波輻射/Netshort-waveradiation，用K*表示，K*=K↓(1-r)=(S+D)(1-r)第35頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三第36頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三地面輻射第二節(jié)地面和大氣輻射第二章大氣的熱能和溫度一、地面、大氣輻射、地面有效輻射定義：地面吸收了凈太陽短波輻射后，按其本身溫度不斷地向外放射的輻射能。波長：地面輻射波長范圍為3~80μm，最大單色輻射強(qiáng)度的波長為10μm，因此，地面輻射又稱長波輻射/TerrestrialLongwaveRadiation(L↑)。特點(diǎn)：①地面輻射絕大部分被大氣（水汽和二氧化碳等溫室氣體）所吸收，只有小部分（8~13μm）透過大氣層進(jìn)入太空，形成所謂的“紅外窗口”；②白天，地面吸收的太陽總輻射大于地面輻射，故地面升溫；③夜晚，沒有太陽輻射，地面輻射使地面降溫。第37頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三紅外窗口地面輻射與大氣窗第38頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三大氣輻射第二節(jié)地面和大氣輻射第二章大氣的熱能和溫度一、地面、大氣輻射、地面有效輻射定義：大氣按其本身溫度不斷地向外放射的輻射能，其向下部分稱為大氣逆輻射/Longwaveatmosphericcounter-radiation(L↓)。波長：95％以上的能量集中在3~120μm的波長范圍內(nèi)（紅外輻射），其輻射能最大段波長在10~15μm范圍內(nèi)，因此大氣輻射和地面輻射一樣也為長波輻射。。特點(diǎn)：

①大氣逆輻射極大部分被地面所吸收，使地面輻射降溫程度大大減小，形成所謂的“溫室效應(yīng)/Greenhouseeffect”；②大氣輻射向上的部分是地球大氣系統(tǒng)向外支出熱量，以保持地球熱量平衡的主要途徑。第39頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三地面有效輻射第二節(jié)地面和大氣輻射第二章大氣的熱能和溫度一、地面、大氣輻射、地面有效輻射定義：地面輻射（L↑）與其吸收的大氣逆輻射（δL↓）之差(δ為吸收率)，稱為地面有效輻射/NetLongwaveRadiation，若用L*表示，則L*=L↑-δL↓

大氣δL↓L↑地面地面有效輻射的影響因子：地面溫度，空氣溫度，空氣濕度和云況。有效輻射通常為正，即下墊面通過有效輻射向大氣供熱，但有效輻射的日變化和年變化不是很明顯。第40頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三地面輻射差額第二節(jié)地面和大氣輻射第二章大氣的熱能和溫度二、地面及地-氣系統(tǒng)的輻射差額定義：地表面吸收的太陽總輻射（K*）與地面有效輻射（L*）之差，稱為地面輻射差額/NetRadiation，若用Q*表示，則Q*=K*-L*=（S+D）(1-r)-（L↑-δL↓）

特點(diǎn)：①日變化——白天Q*>0，地面升溫；夜晚Q*<0，地面降溫；②年變化——低緯度Q*>0，地面熱盈余；高緯度Q*<0，地面熱虧損；③隨天氣狀況而變——晴天，白天Q*正值越大、夜晚負(fù)值越大；陰天，白天Q*正值越小、夜晚負(fù)值越小大氣K*地面L*第41頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三第42頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三地面輻射差額日變化第43頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三地面輻射差額隨緯度變化第44頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三大氣輻射差額第二節(jié)地面和大氣輻射第二章大氣的熱能和溫度二、地面及地-氣系統(tǒng)的輻射差額定義：整個大氣層的輻射差額(Qa*)等于其吸收的太陽短波輻射(Sa)和地面有效輻射(L*)減去向太空的長波輻射（L∞），Qa*=Sa+L*-L∞=Sa–(L∞-

L*)

特點(diǎn)：由于大氣直接吸收的太陽短波輻射很少，整個大氣層的輻射差額是負(fù)值，大氣要維持熱平衡，還要靠地面以其它的方式，例如對流及潛熱等來輸送一部分熱量給大氣。大氣地面L*L∞Sa第45頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三地-氣系統(tǒng)的輻射差額第二節(jié)地面和大氣輻射第二章大氣的熱能和溫度二、地面及地-氣系統(tǒng)的輻射差額定義：若將地面和大氣看作為一個整體，其輻射差額(Qe*)等于地面輻射差額與大氣輻射差額之和，即等于地面、大氣吸收的太陽短波輻射(K*+Sa)減去大氣上界的長波輻射（L∞）：Qe*=Q*+Qa*=K*+Sa-L∞

特點(diǎn)：整個地氣系統(tǒng)多年平均，Qe*=0；35°N~35°S間,Qe*>0；35°N以北和35°S以南，Qe*<0。因此，為維持能量平衡，需將低緯地區(qū)盈余的熱量輸送至高緯地區(qū)，這種熱量的輸送主要是由大氣環(huán)流和海洋環(huán)流來完成。大氣K*地面L∞Sa第46頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三第47頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三地面有效輻射L*=L↑-δL↓=390-324=66地面輻射差額Q*=K*-L*=168-66=102大氣輻射差額Qa*=Sa+L*-L∞=67+66-235=-102地氣系統(tǒng)輻射差額Qe*=Q*+Qe*=K*+Sa-L∞=168+67-235=0第48頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三全球年均地面太陽輻射分布Annualglobaldistributionofinsolation(Kcal/cm2)第49頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三全球年均地面輻射差額分布Annualglobaldistributionofnetradiation(Kcal/cm2)第50頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三全球地-氣熱交換Globaldistributionofsensibleheat

第51頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三全球蒸發(fā)潛熱分布Globaldistributionoflatentheat.第52頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三反射率不同陸面反射率比水面的大約10％~20；第三節(jié)大氣的增溫和冷卻第二章大氣的熱能和溫度一、海陸的增溫和冷卻的差異熱傳導(dǎo)差異海水易流動、熱傳導(dǎo)快；蒸發(fā)量差異海面蒸發(fā)遠(yuǎn)大于陸面蒸發(fā)；熱容量差異海水熱容量遠(yuǎn)大于陸地。第53頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三海陸熱力差異對大氣溫度影響海陸熱力過程的差異決定了陸地上氣溫變化大而快，海洋上氣溫變化小而慢。因此，某地方氣溫的變化很大程度上取決于其是否臨近大片水域（海洋或湖泊等），而陸地對于一地區(qū)天氣和氣候的這種熱力影響稱為大陸度（Continentality）。第三節(jié)大氣的增溫和冷卻第二章大氣的熱能和溫度一、海陸的增溫和冷卻的差異第54頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)大氣的增溫和冷卻第二章大氣的熱能和溫度二、空氣的增溫和冷卻空氣溫度反映了其內(nèi)能變化，可由熱量交換引起或外界壓力作功引起。前者氣溫變化稱為非絕熱變化(Diabaticprocess)，如輻射、分子/湍流傳導(dǎo)、對流/平流、蒸發(fā)/凝結(jié)潛熱；后者氣溫變化稱絕熱變化(Adiabaticprocess)，如絕熱膨脹（上升）/壓縮（下降）。絕熱壓縮升溫絕熱膨脹降溫第55頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三（一）氣溫的非絕熱變化第三節(jié)大氣的增溫和冷卻第二章大氣的熱能和溫度二、空氣的增溫和冷卻①輻射（Radiation）：如前所述，近地面大氣對太陽短波輻射直接吸收很少，主要通過吸收地面有效輻射(L*)而增溫。白天隨著太陽高度角增大，L*逐漸增大，氣溫隨之上升；夜晚隨地面溫度下降，L*逐漸減小，氣溫也隨之下降。第56頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)大氣的增溫和冷卻第二章大氣的熱能和溫度二、空氣的增溫和冷卻②熱傳導(dǎo)（Conduction）：空氣與下墊面、相鄰空氣層之間，通過分子熱運(yùn)動進(jìn)行的熱量交換，又稱感熱交換/SensibleHeatTransfer(H)。單位時間里通過單位面積向上（下）輸送的熱量H為Tz其中，k為熱擴(kuò)散系數(shù)，CV為空氣定容比熱，為氣溫垂直梯度ρa(bǔ)空氣密度。當(dāng)<0，則H>0，向上輸熱；當(dāng)>0，則H<0，向下輸熱。（一）氣溫的非絕熱變化第57頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)大氣的增溫和冷卻第二章大氣的熱能和溫度二、空氣的增溫和冷卻③對流/平流（Convection/Advection）：空氣垂直運(yùn)動/水平運(yùn)動所引起的熱量輸送。若不考慮空氣的壓縮性，則對流（垂直）和平流（水平）引起的熱通量分別為其中，u和w分別為x和z方向的空氣運(yùn)動速度。xzHx+Hx-uw（一）氣溫的非絕熱變化第58頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)大氣的增溫和冷卻第二章大氣的熱能和溫度二、空氣的增溫和冷卻④蒸發(fā)潛熱（LatentHeatTransfer(LE)：下墊面上水分（主要是海洋）蒸發(fā)時吸收其熱量，這部分熱量以潛熱形式隨水汽向上輸送，在高空當(dāng)水汽凝結(jié)時，潛熱釋放，從而大氣間接地從下墊面或周圍空氣獲得熱量。（一）氣溫的非絕熱變化H=αLE其中，L為蒸發(fā)潛熱，J/kg，E為蒸發(fā)量mm，α為單位換算系數(shù)。。第59頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三（二）氣溫的絕熱變化第三節(jié)大氣的增溫和冷卻第二章大氣的熱能和溫度二、空氣的增溫和冷卻①絕熱過程：任一氣塊與外界之間無熱量交換時的狀態(tài)變化過程，叫做絕熱過程(Adiabaticprocess)

。氣塊內(nèi)部沒有發(fā)生水相變化的絕熱過程，稱作干絕熱過程(Dryadiabaticprocess)。氣塊內(nèi)部有發(fā)生水相變化的絕熱過程，稱作濕絕熱過程(Wetadiabaticprocess)。第60頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三（二）氣溫的絕熱變化第三節(jié)大氣的增溫和冷卻第二章大氣的熱能和溫度二、空氣的增溫和冷卻②干絕熱方程（Poisson方程）：作功dW=PdαT0、P0

α0T、P

α熱力學(xué)第一定律：dQ=dU+dW狀態(tài)方程：Pα=RT兩邊微分得：Pdα+αdP=RdT代入并整理得：dQ=CpdT-RTdP/p定容比熱與定壓比熱關(guān)系：CP=CV+R熱流量dQ內(nèi)能增量dU=CVdTdUPoisson方程：dQ=0第61頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三（二）氣溫的絕熱變化第三節(jié)大氣的增溫和冷卻第二章大氣的熱能和溫度二、空氣的增溫和冷卻③干絕熱直減率（）：干絕熱過程中，氣塊溫度隨高度的遞減率。T0、P0T、Pz0T0TzT所以：P*≈P證明：第62頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三（二）氣溫的絕熱變化第三節(jié)大氣的增溫和冷卻第二章大氣的熱能和溫度二、空氣的增溫和冷卻④濕絕熱直減率（）：濕絕熱過程中，氣塊溫度隨高度的遞減率?？勺C明：T0、P0T、Pz0T0TzTTL蒸發(fā)潛熱，qs飽和比濕，因此，同時，不是常數(shù)，是氣溫和氣壓的函數(shù)。第63頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)大氣的增溫和冷卻第二章大氣的熱能和溫度三、氣溫的個別變化和局地變化（一）氣溫的個別變化熱力學(xué)第一定律：熱流量方程：熱流率：氣溫個別變化：表示某一（運(yùn)動）空氣質(zhì)點(diǎn)（微團(tuán)）氣溫隨時間的變化率。TT+dTxzy0第64頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)大氣的增溫和冷卻第二章大氣的熱能和溫度（二）氣溫的局地變化令故由于，為速度分量，對時間求導(dǎo)，得氣溫局地變化：固定空間點(diǎn)處氣溫度隨時間的變化率，。T(t,x,y,z)T+dTxzy0三、氣溫的個別變化和局地變化第65頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)大氣的增溫和冷卻第二章大氣的熱能和溫度氣溫局地變化：稱為氣溫局地變化。①稱為對流變化（未考慮絕熱變化效應(yīng)）；④稱為平流變化（取決于風(fēng)速和兩地溫差）；③稱為氣溫個別變化（熱力學(xué)定律）；②結(jié)論：氣溫局地變化=個別變化+平流變化+對流變化三、氣溫的個別變化和局地變化（二）氣溫的局地變化第66頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三-20°C蒙古36小時后-10°C蒙古平流變化：=-（10-（-20））=-30°C個別變化：=-10-（-20）=10°C局地變化：=10-30=-20°C36小時后北京氣溫為T36=T0+△T=10-20=-10℃北京10°C第67頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)大氣的增溫和冷卻第二章大氣的熱能和溫度氣溫局地變化方程（考慮絕熱變化效應(yīng)）：平流（風(fēng)速）變化項(xiàng)對流-絕熱變化項(xiàng)熱流量變化項(xiàng)氣溫局地變化三、氣溫的個別變化和局地變化（二）氣溫的局地變化第68頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)大氣的增溫和冷卻第二章大氣的熱能和溫度①溫度平流變化項(xiàng)：三、氣溫的個別變化和局地變化（二）氣溫的局地變化第69頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)大氣的增溫和冷卻第二章大氣的熱能和溫度ZTT’TT0TZTT’T0②溫度垂直對流變化項(xiàng)：，其中若上升，ω<0，則若下降，ω>0，則若上升，ω<0，則若下降，ω>0，則三、氣溫的個別變化和局地變化（二）氣溫的局地變化T’T第70頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)大氣的增溫和冷卻第二章大氣的熱能和溫度③溫度熱流變化項(xiàng)：若dQ/dt>0，則，即局地氣溫升高；若dQ/dt<0，則，即局地氣溫降低；三、氣溫的個別變化和局地變化（二）氣溫的局地變化第71頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)大氣的增溫和冷卻第二章大氣的熱能和溫度（一）大氣靜力穩(wěn)定度概念四、大氣靜力穩(wěn)定度氣塊受任意方向擾動后，返回或遠(yuǎn)離原平衡位置的趨勢和程度：不穩(wěn)定、穩(wěn)定、中性。大氣層z0z0+Δzz0-Δz穩(wěn)定不穩(wěn)定穩(wěn)定不穩(wěn)定第72頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)大氣的增溫和冷卻第二章大氣的熱能和溫度（二）判斷大氣穩(wěn)定度的基本方法四、大氣靜力穩(wěn)定度①直接判斷法z0z0+ΔzaT于是不穩(wěn)定中性穩(wěn)定第73頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)大氣的增溫和冷卻第二章大氣的熱能和溫度四、大氣靜力穩(wěn)定度②間接判斷法——干空氣T0z0T(a)(c)T于是不穩(wěn)定(a)中性(b)穩(wěn)定(c)（二）判斷大氣穩(wěn)定度的基本方法第74頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)大氣的增溫和冷卻第二章大氣的熱能和溫度四、大氣靜力穩(wěn)定度T0z0TacT不穩(wěn)定a中性b穩(wěn)定c（二）判斷大氣穩(wěn)定度的基本方法②間接判斷法——飽和濕空氣第75頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)大氣的增溫和冷卻第二章大氣的熱能和溫度四、大氣靜力穩(wěn)定度（a）（c）（b）（二）判斷大氣穩(wěn)定度的基本方法③大氣穩(wěn)定度三種情形（a）絕對不穩(wěn)定（b）條件不穩(wěn)定（c）絕對穩(wěn)定T0z0第76頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三第四節(jié)大氣溫度隨時間的變化第二章大氣的熱能和溫度一、氣溫的周期性變化（一）日變化特點(diǎn)：晝高夜低，最高和最低溫度，最高氣溫出現(xiàn)在14點(diǎn)左右，最低氣溫出現(xiàn)在清晨4點(diǎn)左右。日較差：一日中最高氣溫與最低氣溫之差。低緯＞高緯；陸上＞海上；夏季＞冬季；晴天＞陰天；低海撥＞高海撥。第77頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三第四節(jié)大氣溫度隨時間的變化第二章大氣的熱能和溫度一、氣溫的周期性變化（二）年變化特點(diǎn)：夏高冬低，月平均氣溫有一個最高值和一個最低值。陸地：北半球七月最高、一月最低，南半球相反；海洋：比陸地遲后一個月左右。年較差：一年中月平均最高氣溫與月平均最低氣溫之差。高緯＞低緯；陸＞海；低海拔＞高海拔；年變化類型：赤道型（1）、熱帶型（2）（3）、溫帶型（4）、極地型（5）。第78頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三第二章大氣的熱能和溫度二、氣溫的非周期性變化氣溫除由于太陽輻射變化而引起的周期性變化外，還因大氣運(yùn)動而引起的非周期性變化。如冷空氣活動引起突然轉(zhuǎn)冷，或受暖空氣影響而突然回暖（詳見以后有關(guān)章節(jié)）。第四節(jié)大氣溫度隨時間的變化第79頁，共91頁，2023年，2月20日，星期三第五節(jié)大氣溫度的空間分布第二章大氣的熱能和溫度一、水平分布表示法：等溫線——地面上氣溫相等的各地點(diǎn)的連