大氣的熱力狀況課件

大氣的熱力狀況（一）、輻射的基本知識

輻射：自然界中的一切物體均以電磁波的形式向外放射能量，這種能量傳播的方式即為輻射。各種輻射的波長范圍一、太陽輻射是地球上的能量源泉輻射能：通過輻射傳播的能量稱為輻射能，單位為焦耳。輻射通量密度：單位時間通過任意表面的輻射能稱為輻射通量，輻射通量除以所通過的面積，即輻射通量密度，單位是W/m2。太陽的輻射通量是3.9×1026W輻射強度：單位時間內垂直通過單位面積的輻射能，單位是W/m2(即輻照度)。（二）、輻射的基本定律普朗克定律絕對黑體：能夠全部吸收投射到物體上的各種波長的電磁波的物體。絕對黑體單色波輻射出射率與黑體溫度和波長的關系為維恩位移定律黑體單色輻射強度所對應的波長與其絕對溫度成反比。斯蒂芬-玻爾茲曼定律黑體的總放射能力與它本身的絕對溫度的4次方成正比黑體放射能力與波長、溫度的關系基爾霍夫定律如果物體能強烈吸收某一波長的輻射，則一定也能強烈地發(fā)射某一波長的輻射，或者說，在一定波長和一定溫度下，一個物體的吸收率等于該物體同溫度、同波長的輻射率，即輻射能力[J/(cm2

·min·μm)]0246810120.20.40.81.02.03.0波長(μm)紫外區(qū)可見光區(qū)紅外區(qū)太陽輻射的波長范圍（三）、太陽輻射的波長范圍及能量分布（四）、太陽常數(shù)（SolarConstant）：

大氣頂界(energyatthetopoftheatmosphere)垂直于太陽光線的單位面積上每分鐘接受的輻射(1367W/m2)。

大氣的上界，通常有以下兩種分法：一是著眼于大氣的某些物理現(xiàn)象，把極光出現(xiàn)的高度1200㎞作為大氣上界，稱為大氣的物理上界；二是根據(jù)大氣的密度，用接近星際的氣體的密度估計大氣的上界，為2000-3000㎞。二、大氣的熱力作用（一）、大氣對太陽的削弱作用1、削弱的形式削弱的形式吸收臭氧（平流層）二氧化碳、水汽（對流層）紅外線紫外線有選擇性反射云層顆粒較大的塵埃各種波長的太陽輻射都被反射無選擇性多云的白天氣溫不高散射分子散射空氣分子微小塵埃波長較短的可見光（藍、紫光）有選擇性粗粒散射顆粒較大的塵埃霧粒、小水滴各種波長的太陽輻射都被散射無選擇性晴朗的天空呈蔚藍色天空呈灰白色臭氧層O3在臭氧層紫外線被臭氧吸收在對流層紅外線被CO2和H2O吸收CO2、H2O①吸收作用地面大氣的反射作用：云（無選擇性）②反射作用③大氣對太陽輻射的散射作用空氣分子分子散射：散射能力與波長的4次方成反比；具有選擇性；質點散射對于其光學特性來說呈對稱球性。米散射：散射能力與波長無關；不具有選擇性；質點散射對于其光學特性來說不呈對稱性，從而天空呈現(xiàn)白色，該種散射又稱粗粒散射。共性削弱射向地面的太陽輻射⑴有選擇性⑵吸收的能量少⑴無選擇性⑵多云和多固體顆粒時反射多⑴有選擇性⑵波長較短的藍、紫光易散射水汽、二氧化碳主要吸收紅外線臭氧主要吸收紫外線夏季，白天多云，氣溫不會太高晴朗的天空呈現(xiàn)蔚藍色十字路口的指示燈不用藍色形式吸收反射散射特點舉例說明①太陽高度地平線大氣大氣上界太陽輻射H1H2

2、影響因素太陽高度與受熱面大小的關系

低緯地區(qū)太陽高度大，地面獲得太陽輻射多；而且太陽高度越大，太陽輻射經過大氣的路程越短，被大氣削弱得越少，到達地面的太陽輻射就越多。重慶散射輻射的日變化②天氣狀況、云層厚薄北半球年總輻射隨緯度的分布（二）、大氣的保溫效應太陽輻射太陽輻射（短）大氣上界地面地面增溫大氣輻射（長）大氣逆輻射射向宇宙空間射向宇宙空間大氣保溫地面地面輻射（長）被大氣中的吸收

CO2、H2O選擇性吸收（放過短波，吸收長波）大氣增溫被大氣吸收（少）1、大氣的保溫作用——大氣逆輻射2、四種輻射的關系太陽太陽輻射地面地面輻射大氣大氣逆輻射保溫作用大氣輻射宇宙空間多少削弱作用（吸、反、散）3、大氣的熱力作用的意義①、減少了氣溫的日較差。②、大氣的保溫效應，使地面的平均溫度在15oC，形成適宜人類生存的溫度環(huán)境。地面有效輻射

地面放射的輻射能與地面吸收的大氣逆輻射之差，即為地面有效輻射：

輻射差額：物體收入輻射能與支出輻射能的差值，稱為輻射差額或凈輻射，即輻射差額=收入輻射-支出輻射。三、輻射平衡1、幾個重要概念2、輻射平衡的全球性規(guī)律

以南、北緯30o為轉折點，在北半球30N以南的輻射差額為正值，以北為負值。某地晴天輻射差額的日變化3、輻射平衡的日變化與季節(jié)變化輻射差額的季節(jié)變化四、大氣的溫度（Temperature）氣溫是大氣熱力狀況的數(shù)量度量?？諝庵袣怏w分子運動的平均動能與絕對溫度成正比。絕對溫度、攝氏溫度、華氏溫度：（1）絕對溫度=攝氏溫度+273.15

（2）攝氏溫度=5/9×（華氏溫度-32）（3）華氏溫度=9/5×攝氏溫度+32

（一）氣溫的周期性變化

氣溫的日變化：大氣主要因為吸收地面長波輻射而增溫。太陽輻射有日變化，氣溫也相應呈現(xiàn)日變化特征。一天之內，最高溫度與最低溫度之差，稱為氣溫日較差。氣溫的年變化：一年之內，最熱月與最冷月平均氣溫之差，稱為氣溫年較差。（二）氣溫的水平分布世界1月海平面氣溫分布圖

世界7月海平面氣溫分布圖

等溫線分布的總趨勢大致與緯圈平行。同緯度夏季海面氣溫低于陸面，冬季海面氣溫高于陸面，等溫線發(fā)生彎曲。洋流對海面氣溫的分布有很大影響。近赤道地區(qū)有一個高溫帶，月平均溫度高于24℃，稱為熱赤道。南半球無論冬、夏，最低氣溫均出現(xiàn)在南極；北半球最低氣溫冬季出現(xiàn)在高緯度大陸，夏季出現(xiàn)在北極地區(qū)。氣溫水平分布的特點：ABC15°12°9°15°≤TA≤18°;12°≤TC≤15°;15°≤TB≤18°（三）氣溫的垂直分布

對流層內，氣溫隨海拔升高而降低。平均為0.65℃/100m。氣溫隨高度的變化，稱為氣溫垂直遞減率，簡稱氣溫直減率。一般而言，夏季和白天氣溫直減率大，冬季和夜晚氣溫直減率小。但在特殊情況下，某些氣層的溫度隨高度而增加，即r=-

T/

Z<0，稱為逆溫層。A輻射逆溫:晴朗無云或少云的夜間（尤其冬季），地面輻射降溫。空氣平流。當暖空氣移動到冷的地面或水面上，會發(fā)生接觸冷卻的作用。B平流逆溫C鋒面逆溫D下沉逆溫鋒面因素產生的逆溫。有關逆溫的危害城市上空氣溫高于近地面（逆溫），大氣垂直運動受阻,污染物匯集于地面，擴散較難，加重了污染。

（四）、絕熱過程（Adiabaticprocess）

1、在氣象上，將任一氣塊與外界之間無熱量交換時的狀態(tài)變化過程，稱為絕熱過程。在大氣中，作垂直運動的氣塊，其狀態(tài)變化通常接近于絕熱過程。2、絕熱過程中氣塊溫度的變化

絕熱過程中氣塊的溫度是隨外界氣壓的改變而變化。當氣塊絕熱上升時，由于外界氣壓減小而膨脹，就要抵抗外界壓力而作功，這個功只能依靠消耗本身內能來補償，所以氣塊溫度下降。當氣塊絕熱下沉時，由于外界氣壓增大，對其壓縮而作功，這個功轉化為內能，因而氣塊溫度隨之升高。所以在垂直運動中，氣塊的溫度是隨外界氣壓的改變而變化。氣塊上升時溫度降低，氣塊下沉時溫度升高。這是氣塊在垂直運動中的一個重要特性。

絕熱方程（1）

干絕熱方程與干絕熱直減率

當氣塊在垂直運動中，既沒有與外界進行熱量交換，又沒有發(fā)生水相變化的過程，稱為干絕熱過程。

假設在絕熱過程中，氣塊從狀態(tài)1（T1，P1）變到狀態(tài)2（T2，P2）：干絕熱方程（2）由于在干絕熱過程中，氣塊每上升（或下降）單位距離時，溫度的降低（或升高）值，稱為干絕熱直減率。

將絕熱方程（1）兩邊同除以dz，并整理得到：

假設氣塊滿足準靜力條件，即氣塊的氣壓與四周大氣的氣壓相等，根據(jù)靜力學基本方程：再運用狀態(tài)方程，得到并注意到T/T1≈1干絕熱直減率濕絕熱直減率

飽和濕空氣在垂直運動中，沒有與外界進行熱量交換，但有水相變化，稱為濕絕熱過程。在濕絕熱過程中，氣塊每上升單位距離時，溫度降低值，稱為濕絕熱直減率，以γm代表。飽和濕空氣在絕熱上升時，由于溫度降低而達到飽和，將產生凝結。在絕熱過程中，水汽凝結釋放的潛熱可使氣塊增溫，從而補償因氣塊上升、體積膨脹所消耗的內能。所以飽和濕空氣每上升100米時，氣溫降低值小于1.0℃。同理，飽和濕空氣絕熱下降時，溫度升高，出現(xiàn)蒸發(fā)要消耗內能。所以氣塊每下降100米，空氣增溫要小于1℃。濕絕熱直減率思考：在氣壓一定時，高溫時濕絕熱直減率為何小于低溫時濕絕熱直減率？（五）、位溫

干空氣塊在絕熱過程中，其溫度不斷發(fā)生變化。這就給處在不同高度上的兩氣塊進行熱狀況的比較時造成一定的困難。把各層中的氣塊均訂正在1000hPa，此時氣塊所具有的溫度稱為位溫。根據(jù)Poisson方程可得到位溫的表達式：（六）大氣層結穩(wěn)定度

1、穩(wěn)定度：指氣塊在瞬時外力的作用下，返回或遠離平衡位置的趨勢和程度。是判別大氣是否發(fā)生對流的重要依據(jù)，與氣溫的垂直分布聯(lián)系緊密。（1）根據(jù)溫度判斷大氣穩(wěn)定度

對于單位體積的氣塊受到兩個力的作用，這兩個力的作用結果就產生了