第二章氣候系統(tǒng)熱力過程

第二章氣候系統(tǒng)的熱力過程第一節(jié)太陽輻射第二節(jié)地-氣系統(tǒng)的長波輻射第三節(jié)氣候系統(tǒng)的輻射收支第四節(jié)氣候系統(tǒng)的熱量平衡第五節(jié)全球能量平衡天文輻射

第一節(jié)太陽輻射2.太陽常數(shù):大氣上界、日地平均距離處、單位時間、垂直于太陽光線的單位面積上通過全部波長的太陽輻射能。數(shù)值及單位：1.天文輻射：大氣上界與地球表面同心球面上接收到的太陽輻射，或者說不考慮大氣圈影響,地表面接收到的太陽輻射稱為天文輻射。一年里，照射氣候系統(tǒng)的太陽輻射為多少？假設(shè)地球近似為一半徑R的球體。3.天文輻射日總量—地球表面單位面積一天內(nèi)接收到的全部波長的太陽輻射能(J/m2)緯度(

)；赤緯(

)；日落時角（弧度）；T

一天的秒數(shù)T=243600(s)

某一天日地距離日地平均距離r1r2第一節(jié)1）日地距離I1I24.天文輻射日總量的影響因素地球公轉(zhuǎn)示意圖大氣上界、任意日地距離時、單位時間、垂直于太陽光線方向的單位面積上通過全部波長的太陽輻射能：(J/m2s)(日地平均距離)(某一天日地距離)日地平均距離：14960萬km近日點日地距離：14710萬km遠日點日地距離：15210萬km太陽光線地球表面大氣上界2)太陽高度ABhAhB第一節(jié)地球水平面太陽光太陽高度角:太陽光線與地球水平面的夾角第一節(jié)ＡＢＣＤＡ１Ｂ１Ｃ１Ｄ１A1B1C1D1面:垂直于太陽光線的平面ABCD面:地球水平面任意日地距離（一天）某個時刻、大氣上界、單位時間、地球水平面單位面積接收到的全部波長的太陽輻射能為：(J/m2s)h

3)日照時間

日出到日沒的時間間隔第一節(jié)日出、日落時刻日出時角日落時角某一天的天文輻射日總量就是瞬時太陽輻射能從日出積分到日落，即(J/m2)天緯度天文輻射日總量時空分布（卡／厘米2）

春分5.天文輻射的時空分布特征1）年變化：具有以一年為周期的季節(jié)性變化特點，但不同緯度具有不同的變化幅度，中高緯度的年變化顯著，低緯度的年變化小。2）空間變化：具有隨緯度增高而減小的趨勢。不同季節(jié)或不同區(qū)域這種趨勢有強弱差異。第一節(jié)作業(yè)21計算北緯20、40度處，春分、夏至和冬至的日照時間、中午時刻的太陽高度角和天文輻射日總量（日地距離近似等于日地平均距離），由此分析兩緯度處日照時間、中午時刻的太陽高度角和日射量的季節(jié)演變。2計算春分，從赤道向北每間隔10度的日照時間、中午時刻的太陽高度角和天文輻射日總量。3北緯30度處,南面建筑物的高度是20m,若要保證該建筑物北面樓房底層日照時間不少于2小時,試問南北樓房的間距至少要達到多少m?二.太陽輻射在大氣中的減弱

第一節(jié)1.大氣中太陽輻射傳輸過程單色光強度：dldz經(jīng)過的路徑是

dl強度變化:

d

地面稱為大氣對太陽輻射的質(zhì)量削弱系數(shù)(m2g-1)+dzh天頂距單位時間、垂直于太陽光線方向上單位面積、單位波長的輻射能A0l=0l

平面平行大氣：大氣物理量水平方向均勻，只考慮垂直方向上變化的大氣模型從大氣頂?shù)絑高度積分,得:大氣上界波長為的單色光輻射強度為太陽輻射通過大氣介質(zhì)的質(zhì)量,稱為光學(xué)路徑（只與大氣有關(guān)？）第一節(jié)Z高度上波長為的單色光輻射強度大氣質(zhì)量:太陽光投射到地面所經(jīng)路程中,單位截面積空氣柱的質(zhì)量.大氣質(zhì)量數(shù)(m):實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和密度第一節(jié)大陽高度（h）90

60

30

10

5

3

1

0

大氣質(zhì)量數(shù)（m）11.152.05.610.415.427.035.4第一節(jié)h

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:即為大氣對單波輻射的透明系數(shù)描述大氣對太陽輻射衰減的程度,常用透明系數(shù)表示到達地面的單色輻射強度為:對所有波長積分,得:P即為大氣對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)過大氣到達地面垂直于太陽光線方向上單位面積，單位時間的太陽輻射能（Jm-2s-1）稱為光學(xué)厚度光譜透過率:光譜吸收率:光譜吸收函數(shù):第一節(jié)定義:2.大氣對太陽輻射的吸收

1）定義：大氣分子被入射太陽輻射激發(fā)，由低能級躍遷到高能級的過程稱為吸收。兩能級的差就是大氣吸收的輻射能量值．2）主要吸收氣體氧(O2):發(fā)生在高層大氣,波長小于0.26第一節(jié)遠紫外波段：0.175-0.2026,0.242-0.26第一節(jié)臭氧(O3):主要集中在25km的臭氧層,0.22-0.34，0.32-0.36在紫外光區(qū)的吸收可表示為在可見光區(qū):為臭氧的光學(xué)厚度U為單位面積垂直氣柱內(nèi)的臭氧含量為天頂距的余旋

水汽(H2O):主要集中于紅外光區(qū)y是水汽的光學(xué)厚度第一節(jié)3)大氣的太陽加熱率0zp0p0單色輻射通量密度：單位時間、單位水平面積通過單位波長的太陽輻射能A垂直坐標(biāo)單位面積dz薄層的凈輻射通量散度通過z高度的凈輻射通量密度為通過z+dz高度的凈輻射通量密度為>0or<0?根據(jù)熱力學(xué)第一定律,單位面積dz薄層吸收太陽輻射的加熱率滿足:4）效應(yīng)：影響大氣的溫度結(jié)構(gòu)；通過大氣后的太陽輻射光譜變得極不規(guī)則；到達地面的太陽輻射減弱。第一節(jié)3.大氣對太陽輻射的散射

第一節(jié)1）定義：大氣質(zhì)點將入射輻射重新向各個方向輻射出去的一種現(xiàn)象．2）特點：強烈地依賴于粒子尺度與入射波長的相對大小，分為瑞利散射和米散射．大氣散射特征第一節(jié)瑞利(分子)散射:空氣分子直徑比波長小,散射能力與波長的四次方成反比入射米散射:空氣分子直徑比波長大,各種波長的散射能力相等.第一節(jié)3)效應(yīng)：到達地面的太陽輻射減??；整個天空大氣亮堂.4.大氣對太陽輻射的反射

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：對各種波長無選擇性，云的反射作用最顯著．3)效應(yīng)：到達地面的太陽輻射顯著減弱.第一節(jié)三.到達地面的太陽輻射

1.到達地面的太陽直接輻射

1)定義：太陽以平行光的形式直接投射到地面的輻射2)影響因子：太陽高度角、大氣透明度.直接輻射:(Jm-2s-1)3)各項的影響效應(yīng)：4)氣候特征:日、年變化和隨緯度的變化2.到達地面的太陽散射輻射

定義：太陽輻射經(jīng)過大氣散射后自天空投射到地面的輻射.2)

影響因子：太陽高度角、大氣透明度、云3）各項的影響效應(yīng)：3.到達地面的太陽總輻射

(地表總輻射)定義:實際大氣條件下,到達地面的直接輻射和散射輻射之和.2)

影響因子:太陽高度角(天文輻射)、云量、大氣透明度.3)

各因子的影響效應(yīng)：總輻射儀直接輻射和散射輻射儀4)地表總輻射的氣候?qū)W計算Qs

、Q0天文輻射和晴天總輻射;f(a,b)大氣透明狀況;n云量(s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-s(2)根據(jù)散點圖,擬合經(jīng)驗公式

全球地表總輻射年平均通量密度（Js-1m-2)的分布中國年平均總輻射通量密度的分布(Wm-2)四.地面對太陽輻射的反射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(h>40o)2%~4%裸地7%~20%水面(h=5~30o)6%~40%沙地15%~25%不同性質(zhì)地面的反射率地-氣系統(tǒng)的長波輻射

第二節(jié)一.地面輻射和大氣長波輻射

１.地面和大氣輻射特點地面最強輻射波長為10,大氣為10~15長波輻射主要吸收氣體:H2O_6.3

m,20

m~1mm;CO2

_12~16.3

m,14.7

m,4.3

m和2.7

m;O3_9.6

m,4.7

m,1.4

m2,長波輻射傳輸方程Z=0zA通過Z高度處天頂距為,方位角為方向上單位面積、單位時間通過單位波長的長波輻射量（dz）長波輻射傳輸方程Z高度向上(0

1)的單色輻射強度:光學(xué)厚度(1)(2)向上通過單位時間、單位水平面面積、單位波長的長波輻射量（向上單色輻射通量密度）假設(shè)地氣系統(tǒng)放射輻射與方位角無關(guān)（各向同性），即大氣底部(),向上輻射僅由地表發(fā)射造成,將地表,大氣在紅外區(qū)近似當(dāng)作黑體,即Z高度，向下的單色輻射強度Z高度，向下的單色輻射通量密度3.紅外輻射冷卻率高度z處（光學(xué)厚度）凈輻射通量密度高度z+dz處(光學(xué)厚度)凈輻射通量密度

Z高度，單位面積dz薄層大氣的長波輻射冷卻率(>0or<0?)薄層dz凈輻射通量密度散度二.地—氣間的長波輻射交換

第二節(jié)1.大氣對地面輻射的吸收

特點:強烈地吸收,且具有選擇性.大氣窗:8~12位于地面輻射波段最強處,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.第二節(jié)2.地面有效輻射

定義：地面放射輻射與地面吸收的大氣逆輻射之差.2)影響因子：地面溫度、空氣溫度、空氣濕度和云量.3)各因子的影響效應(yīng):4)氣候特點：日、年變化特征與氣溫的日,年變化相似.地表狀況干沙濕沙黑沙沙壤土針葉林粘土相對輻射率0.950.960.950.940.970.97地表狀況腐殖土白霜煤灰新雪水草原相對輻射率0.990.990.970.990.950.98

各種地表的相對輻射率(

灰體系數(shù)、放射率）5)有效輻射的氣候?qū)W計算地面放射率T1.5米處的氣溫e1.5米處的水汽壓無云時（1）埃斯川姆公式（2）布朗特公式晴天大氣逆輻射晴天大氣逆輻射有云時n

云量m1.5~2非線性：線性：第三節(jié)一.地面輻射差額

1.定義:單位地表面面積所吸收的總輻射和有效輻射之差,稱為地面的輻射差額.2.方程:氣候系統(tǒng)的輻射收支3.影響因子:地表總輻射、地面反射率、地面有效輻射.4.各因子的影響效應(yīng)：5.氣候特征：日、年變化及空間分布第三節(jié)云對地面輻射差額的影響云使總輻射減弱云使有效輻射增加輻射差額Rg減小輻射差額Rg增大白天或夏季（特別是低緯地區(qū)），云的減弱作用強于增大作用，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。第三節(jié)第三節(jié)日變化圖:年變化圖第三節(jié)第三節(jié)地表凈輻射年總量（Kcal·cm-2）的地理分布中國地表凈輻射年平均通量密度分布(W/m2)

第三節(jié)2大氣的輻射差額定義：單位面積大氣柱的輻射收入與輻射支出的差額．方程:為通過大氣上界逸出的長波輻射Ｒa:單位面積大氣柱的輻射差額

該大氣柱吸收的太陽輻射Ｆ：地面有效輻射3)特點第三節(jié)地面大氣頂UG地面,大氣的長波吸收率大氣輻射收入:大氣輻射支出:大氣吸收地面反射的大氣逆輻射大氣輻射差額:大氣輻射差額隨緯度的分布第三節(jié)第三節(jié)3地-氣系統(tǒng)的輻射差額或S0

為天文輻射(大氣上界的太陽輻射通量密度);1)定義：單位面積的地面和大氣柱整體的輻射收入與支出的差2)方程:地-氣系統(tǒng)對太陽輻射的反射率(行星反射率)

3)特點:年平均南北緯35

之間的Rs為正值;其他緯度為負值.第三節(jié)地-氣系統(tǒng)各緯度的輻射收支第三節(jié)第三節(jié)全球年均單位時間(1秒)吸收的太陽輻射為全球單位時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)則第四節(jié)氣候系統(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，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層的分子輸送，長期平均，其獲得的輻射差額與支出達到平衡稱為地面的熱量平衡。2.地面熱量平衡方程地面輻射差額地面與大氣的潛熱通量地面與大氣的湍流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)1）地面與下層間的熱量交換第四節(jié)土壤導(dǎo)熱系數(shù)為土壤溫度土壤導(dǎo)溫系數(shù)土壤密度土壤比熱（J/g

C）Z（1）理論公式3、地表熱量平衡的計算土壤成分粘土礦物土壤有機物花崗巖水空氣（20

C）冰（0

C）比熱（J/g

C）0.75

0.962.500.8374.181.0042.101熱容量（J/cm3

C）2.048

2.4242.7082.1774.180.0011.900土壤各種成分的比熱和熱容量第四節(jié)土壤種類干沙土濕沙土壤土花崗巖水（20

C）空氣冰導(dǎo)熱系數(shù)（J/sm

C）0.15242.25720.1884.0540.6280.02092.1736導(dǎo)溫系數(shù)（cm2/s）0.00130.0120.0070.0190.00150.1610.012幾種物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)溫系數(shù)（2）氣候?qū)W計算土壤5cm與20cm的土溫差地-氣溫差（1）湍流:流體不規(guī)則運動_渦動.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(擾動)量之和,流動也一樣,即

（2）湍流（渦動）通量:單位時間內(nèi)湍流運動輸送的物理量(熱量、水汽等）垂直方向渦動熱通量=垂直方向渦動水汽通量=垂直方向渦動動量通量=TZz1z2TZz2z1大氣靜力絕對不穩(wěn)定情形大氣靜力絕對穩(wěn)定情形（3）大氣邊界層湍流及湍流通量與垂直湍流通量相比，垂直平均流通量通?？梢院雎圆挥?

湍流通量輸送量級比分子擴散要大幾個量級。

湍流運動是邊界層大氣運動的主要特征。地表加熱不均、地表對氣流的摩擦拖曳以及地面物體的阻擋都可以形成湍流；（1）渦動相關(guān)法分別是垂直速度、溫度、比濕和水平運動的脈動值，湍流脈動儀觀測采樣頻率一般為10Hz3）.地氣界面湍流輸送通量的計算KT

為空氣熱量湍流交換系數(shù)，Cp空氣定壓比熱空氣密度，T

氣溫第四節(jié)（2）湍流擴散理論

感（顯）熱輸送通量

潛熱輸送通量L

蒸發(fā)潛熱，L

2500(J/g),q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)第四節(jié)

動量輸送通量（湍流應(yīng)力）動量交換系數(shù)V

風(fēng)速第四節(jié)（3）總體空氣動力學(xué)方法

熱量總體輸送系數(shù)

T0,T地面及z高度的溫度U1.5m高度風(fēng)速

感（顯）熱輸送通量第四節(jié)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

動量輸送通量第四節(jié)動量總體輸送系數(shù)，也稱動力拖曳系數(shù)（4）近地層相似理論

近地層概念大氣邊界層貼地層近地層Ekman層靠近地面，幾厘米厚，以分子交換為主常值通量層，厚度為邊界層的1/10第四節(jié)

感（顯）熱輸送通量分別為常值通量層摩擦速度和摩擦溫度,在近地層的常值通量層近似不變。

潛熱輸送通量第四節(jié)常值通量層摩擦濕度

動量通量參考文獻:余錦華等，長江三角洲常熟地區(qū)近地層湍流特征的研究，南京氣象學(xué)院學(xué)報，2001.24（4）：536-544.——渦動方法余錦華等，青藏高原西部地表通量的年/日變化特征，高原氣象，2004，353-359.——近地層相似理論思考題：1.物理量通過物質(zhì)輸送(交換)的方式有哪些?2.為什么地-氣間熱量，水份及動量的輸送（交換）稱著湍流交換？是否意味著只有這種輸送方式？第四節(jié)（5）彭門公式波文比：長期平均，熱量平衡方程近似為令干濕表常數(shù)

水面蒸發(fā)水面上的蒸發(fā)為最大可能蒸發(fā)，即蒸發(fā)力，用E0表示Ts,Ta分別是水面溫度和氣溫es,ed分別是水面溫度下的飽和水汽壓和空氣實際水汽壓道爾頓公式:用空氣飽和水汽壓ea

代替es,則空氣的可能蒸發(fā)(或空氣的干燥力):令可供蒸發(fā)耗熱的熱量條件空氣濕度飽和差和水汽輸送的動力條件實際地表蒸發(fā)與水面蒸發(fā)的關(guān)系

E=cE0c(<1)是與地表性質(zhì)有關(guān)的經(jīng)驗系數(shù)(1)(2)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5）地表熱量平衡的分布

地表面與大氣間感熱輸送年總量分布

（單位：kcal·cm-2·a-1）

中國年平均感熱通量密度的分布（單位：kcal·cm-2.a-1）

全球潛熱輸送年總量的地理分布（Kcal·cm-2）

中國年平均潛熱通量密度的分布（瓦/米2）

洋面與深層水體的熱量輸送年總量的地理分布(Kcal·cm-2)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92113401884242826803098330833083140297125961842146520936709631047963796134023872554188411721214921921113025137783714651884175892174512561800138292154496396318001680376846475066519153175108456438523014192638101281968280540194563489943544154473144383433213514653433921795670586293293293251377461461251377377--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）

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右側(cè)支出為正，收入為