第二章大氣熱能與溫度

第二章大氣熱能與溫度第1頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)太陽(yáng)輻射自然界中一切物理過程和現(xiàn)象，乃至生命活動(dòng)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(yáng)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(shí)第2頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)太陽(yáng)輻射第二章大氣的熱能和溫度一、輻射基本知識(shí)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(zhǎng)越短；反之輻射越弱，波長(zhǎng)越(iii)不同物體對(duì)不同波長(zhǎng)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(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)太陽(yáng)輻射第二章大氣的熱能和溫度一、輻射基本知識(shí)輻射波動(dòng)性：輻射以電磁波形式傳播，波速(c)為光速，具有各種波長(zhǎng)(λ)和頻率(f)，會(huì)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(wú)需介質(zhì)；(ii)波長(zhǎng)與頻率成反比λ=c/f；(iii)短波輻射（如太陽(yáng)輻射）和長(zhǎng)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(wú)線電波等。

第4頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)太陽(yáng)輻射第二章大氣的熱能和溫度一、輻射基本知識(shí)輻射粒子性：微觀而言，輻射由一系列以光速運(yùn)動(dòng)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(wú)質(zhì)量、無(wú)體積，以光速運(yùn)動(dòng)；（ii）每個(gè)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(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)太陽(yáng)輻射第二章大氣的熱能和溫度一、輻射基本知識(shí)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(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)太陽(yáng)輻射第二章大氣的熱能和溫度一、輻射基本知識(shí)輻射的度量（2）輻射強(qiáng)度（Iλ）：沿一定方向單位時(shí)間內(nèi)垂直通過單位立體弧度角單位面積單位波長(zhǎng)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(shí)間內(nèi)垂直通過單位立體弧度角單位面積的所有波長(zhǎng)(0~∞)或波段（λ1~λ2）的輻射能，單位為Wm-2str-1；第8頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)太陽(yáng)輻射第二章大氣的熱能和溫度一、輻射基本知識(shí)輻射的度量(4)輻射通量（Fλ）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過單位面積單位波長(zhǎng)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(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)太陽(yáng)輻射第二章大氣的熱能和溫度一、輻射基本知識(shí)輻射的度量(6)寬帶輻射通量（F）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過單位面積的所有波長(zhǎng)的輻射能，單位為Wm-2。第10頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)太陽(yáng)輻射第二章大氣的熱能和溫度一、輻射基本知識(shí)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(wú)損耗，則FSab=ISbc∴F=ISbc/Sab=Icosθ第11頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月物體對(duì)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(zhǎng)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(yáng)輻射第二章大氣的熱能和溫度一、輻射基本知識(shí)第12頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月普朗克函數(shù)（ThePlanckFunction）：黑體輻射強(qiáng)度IB(T,λ)與其溫度(T)和輻射的波長(zhǎng)(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(yáng)輻射第二章大氣的熱能和溫度一、輻射基本知識(shí)第13頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月基爾霍夫(Kirchhoff)定律：推論1：任何物體在一定溫度(T)時(shí)對(duì)一定波長(zhǎng)(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(zhǎng)的函數(shù)，即推論2：任何物體在一定溫度（T）下對(duì)一定波長(zhǎng)（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(yáng)輻射第二章大氣的熱能和溫度一、輻射基本知識(shí)任何物體在一定溫度(T)時(shí)對(duì)一定波長(zhǎng)(λ)輻射的吸收率(aλT)等于其在同溫度下對(duì)相同波長(zhǎng)輻射的放射率（eλ,T），即第14頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Stefan-Boltzmann定律：將普朗克函數(shù)IB

(λ,T)對(duì)波長(zhǎng)(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(yáng)輻射第二章大氣的熱能和溫度一、輻射基本知識(shí)第15頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Wien定律：黑體輻射的光譜強(qiáng)度（單色輻射能力）最大值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)（λm）與其熱力學(xué)溫度(T)成反比，其中，常數(shù)C=2897×103nmK

太陽(yáng)輻射(短波輻射):T=6000K,則λm=480nm;

地球輻射(長(zhǎng)波輻射):T=288K,則λm=10.1×103nm;第一節(jié)太陽(yáng)輻射第二章大氣的熱能和溫度一、輻射基本知識(shí)太陽(yáng)輻射地球輻射第16頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月太陽(yáng)常數(shù)(S0)：當(dāng)日地平均距離時(shí)，大氣上界垂直于太陽(yáng)光線的單位面積上單位時(shí)間內(nèi)獲得的太陽(yáng)輻射能量，稱為太陽(yáng)常數(shù)S0，S0=1380W/m2。由于地球與太陽(yáng)間的天體運(yùn)動(dòng)，大氣上界的實(shí)際太陽(yáng)輻射強(qiáng)度是有所變化的。第一節(jié)太陽(yáng)輻射第二章大氣的熱能和溫度二、太陽(yáng)輻射第17頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月太陽(yáng)光譜：6000K黑體光譜大氣上界太陽(yáng)光譜波長(zhǎng)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(yáng)輻射第二章大氣的熱能和溫度二、太陽(yáng)輻射第18頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月太陽(yáng)輻射通過大氣層時(shí)的減弱：第一節(jié)太陽(yáng)輻射第二章大氣的熱能和溫度二、太陽(yáng)輻射

大氣對(duì)太陽(yáng)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(yáng)輻射強(qiáng)度要遠(yuǎn)小于太陽(yáng)常數(shù)。第19頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月太陽(yáng)輻射通過大氣層時(shí)的減弱：第一節(jié)太陽(yáng)輻射第二章大氣的熱能和溫度二、太陽(yáng)輻射①大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收選擇性：大氣只吸收特定波段的太陽(yáng)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(gè)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(yáng)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(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月紅外窗口第21頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月太陽(yáng)輻射通過大氣層時(shí)的減弱：第一節(jié)太陽(yáng)輻射第二章大氣的熱能和溫度二、太陽(yáng)輻射②大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的散射定義：太陽(yáng)輻射遇到大氣分子或雜質(zhì)粒子等時(shí)轉(zhuǎn)向各個(gè)方向傳播；特點(diǎn)：

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

粒子散射（或米散射）：無(wú)選擇性。散射系數(shù)不隨波長(zhǎng)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(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月太陽(yáng)輻射通過大氣層時(shí)的減弱：第一節(jié)太陽(yáng)輻射第二章大氣的熱能和溫度二、太陽(yáng)輻射③大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的反射定義：太陽(yáng)光線遇到大氣中云層或較大尺度的顆粒時(shí)而改變傳播方向；特點(diǎn)：無(wú)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(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月太陽(yáng)輻射通過大氣層時(shí)的減弱：第一節(jié)太陽(yáng)輻射第二章大氣的熱能和溫度二、太陽(yáng)輻射④太陽(yáng)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(yáng)光通過大氣的路徑長(zhǎng)度與大氣層垂直厚度之比表示。隨太陽(yáng)高度角減小而增大。h大氣質(zhì)量數(shù)大氣m=1h23425第24頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月太陽(yáng)輻射通過大氣層時(shí)的減弱：第一節(jié)太陽(yáng)輻射第二章大氣的熱能和溫度二、太陽(yáng)輻射④太陽(yáng)輻射減弱的定量表示：b)大氣透明度系數(shù)P：太陽(yáng)輻射透過一個(gè)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(yáng)輻射強(qiáng)度隨P增大而增大、隨m增加而減小。Sm第25頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射通量第一節(jié)太陽(yáng)輻射第二章大氣的熱能和溫度二、太陽(yáng)輻射太陽(yáng)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(yáng)以平行光線的形式直接投射到地面上的，稱為太陽(yáng)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(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射通量第一節(jié)太陽(yáng)輻射第二章大氣的熱能和溫度二、太陽(yáng)輻射①太陽(yáng)直接輻射：以平行光線直接投射到地面上的太陽(yáng)輻射。直接輻射通量S為主要影響因素是太陽(yáng)高度角h和大氣透明度P。h地面太陽(yáng)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(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射通量第一節(jié)太陽(yáng)輻射第二章大氣的熱能和溫度二、太陽(yáng)輻射②太陽(yáng)散射輻射：

散射輻射的強(qiáng)弱也與太陽(yáng)高度角及大氣透明度有關(guān)。太陽(yáng)高度角增大時(shí)，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(yáng)高度角減小時(shí)，散射輻射也弱；大氣透明度不好時(shí)，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(yáng)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(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射通量第一節(jié)太陽(yáng)輻射第二章大氣的熱能和溫度二、太陽(yáng)輻射③太陽(yáng)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(yáng)高度升到約等于8°時(shí)，直接輻射與散射輻射相等；當(dāng)太陽(yáng)高度為50°時(shí)，散射輻射值僅相當(dāng)總輻射的10％—20％；到中午時(shí)太陽(yáng)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(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第30頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月太陽(yáng)高度角(h)對(duì)總輻射的影響定義：太陽(yáng)光線與地表水平面之間的夾角，變化范圍0o~90o；hSS0A0

A太陽(yáng)光線地面影響：若不考慮大氣影響，則地面太陽(yáng)輻射通量(S)與太陽(yáng)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(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月總輻射的日、年變化第32頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第33頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月總輻射的地理分布S0S1S0S2地面大氣大氣S2<S1第34頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射通量第一節(jié)太陽(yáng)輻射第二章大氣的熱能和溫度二、太陽(yáng)輻射④地面對(duì)太陽(yáng)總輻射的反射：投射到地面的太陽(yáng)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(duì)太陽(yáng)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(yáng)總輻射減去地面反射部分后稱為凈太陽(yáng)輻射或短波輻射/Netshort-waveradiation，用K*表示，K*=K↓(1-r)=(S+D)(1-r)第35頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第36頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月地面輻射第二節(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(yáng)短波輻射后，按其本身溫度不斷地向外放射的輻射能。波長(zhǎng)：地面輻射波長(zhǎng)范圍為3~80μm，最大單色輻射強(qiáng)度的波長(zhǎng)為10μm，因此，地面輻射又稱長(zhǎng)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(yáng)總輻射大于地面輻射，故地面升溫；③夜晚，沒有太陽(yáng)輻射，地面輻射使地面降溫。第37頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月紅外窗口地面輻射與大氣窗第38頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月大氣輻射第二節(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(zhǎng)：95％以上的能量集中在3~120μm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)（紅外輻射），其輻射能最大段波長(zhǎng)在10~15μm范圍內(nèi)，因此大氣輻射和地面輻射一樣也為長(zhǎng)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(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(yáng)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(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第42頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月地面輻射差額日變化第43頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月地面輻射差額隨緯度變化第44頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(gè)大氣層的輻射差額(Qa*)等于其吸收的太陽(yáng)短波輻射(Sa)和地面有效輻射(L*)減去向太空的長(zhǎng)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(yáng)短波輻射很少，整個(gè)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(duì)流及潛熱等來(lái)輸送一部分熱量給大氣。大氣地面L*L∞Sa第45頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月地-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(gè)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(yáng)短波輻射(K*+Sa)減去大氣上界的長(zhǎng)波輻射（L∞）：Qe*=Q*+Qa*=K*+Sa-L∞

特點(diǎn)：整個(gè)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(lái)完成。大氣K*地面L∞Sa第46頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第47頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月地面有效輻射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(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月全球年均地面太陽(yáng)輻射分布Annualglobaldistributionofinsolation(Kcal/cm2)第49頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月全球年均地面輻射差額分布Annualglobaldistributionofnetradiation(Kcal/cm2)第50頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月全球地-氣熱交換Globaldistributionofsensibleheat

第51頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月全球蒸發(fā)潛熱分布Globaldistributionoflatentheat.第52頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(dòng)、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(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月海陸熱力差異對(duì)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(duì)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(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三節(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(duì)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(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（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(duì)太陽(yáng)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(yáng)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(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三節(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(dòng)進(jìn)行的熱量交換，又稱感熱交換/SensibleHeatTransfer(H)。單位時(shí)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(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三節(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(duì)流/平流（Convection/Advection）：空氣垂直運(yùn)動(dòng)/水平運(yùn)動(dòng)所引起的熱量輸送。若不考慮空氣的壓縮性，則對(duì)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(dòng)速度。xzHx+Hx-uw（一）氣溫的非絕熱變化第58頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三節(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(shí)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(shí)，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(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（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(wú)熱量交換時(shí)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(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（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(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（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(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（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(shí)，不是常數(shù)，是氣溫和氣壓的函數(shù)。第63頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三節(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(gè)別變化和局地變化（一）氣溫的個(gè)別變化熱力學(xué)第一定律：熱流量方程：熱流率：氣溫個(gè)別變化：表示某一（運(yùn)動(dòng)）空氣質(zhì)點(diǎn)（微團(tuán)）氣溫隨時(shí)間的變化率。TT+dTxzy0第64頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三節(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(duì)時(shí)間求導(dǎo)，得氣溫局地變化：固定空間點(diǎn)處氣溫度隨時(shí)間的變化率，。T(t,x,y,z)T+dTxzy0三、氣溫的個(gè)別變化和局地變化第65頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三節(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(duì)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(gè)別變化（熱力學(xué)定律）；②結(jié)論：氣溫局地變化=個(gè)別變化+平流變化+對(duì)流變化三、氣溫的個(gè)別變化和局地變化（二）氣溫的局地變化第66頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月-20°C蒙古36小時(shí)后-10°C蒙古平流變化：=-（10-（-20））=-30°C個(gè)別變化：=-10-（-20）=10°C局地變化：=10-30=-20°C36小時(shí)后北京氣溫為T36=T0+△T=10-20=-10℃北京10°C第67頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三節(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(duì)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(gè)別變化和局地變化（二）氣溫的局地變化第68頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三節(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(gè)別變化和局地變化（二）氣溫的局地變化第69頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三節(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(duì)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(gè)別變化和局地變化（二）氣溫的局地變化T’T第70頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三節(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(gè)別變化和局地變化（二）氣溫的局地變化第71頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三節(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(dòng)后，返回或遠(yuǎn)離原平衡位置的趨勢(shì)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(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三節(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(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三節(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(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三節(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(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三節(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(duì)不穩(wěn)定（b）條件不穩(wěn)定（c）絕對(duì)穩(wěn)定T0z0第76頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)大氣溫度隨時(shí)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(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)大氣溫度隨時(shí)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(gè)最高值和一個(gè)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(gè)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(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(yáng)輻射變化而引起的周期性變化外，還因大氣運(yùn)動(dòng)而引起的非周期性變化。如冷空氣活動(dòng)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(shí)間的變化第79頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第五節(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