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1、,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,其次章 氣候系統(tǒng)的輻射過(guò)程與能量平衡,第一節(jié) 太陽(yáng)輻射,其次節(jié) 地面和大氣輻射,第三節(jié) 大氣增溫存冷卻,第四節(jié) 大氣溫度隨時(shí)間的變化,第五節(jié)大氣溫度的空間變化,第一節(jié) 太陽(yáng)輻射,一、輻射的根本學(xué)問(wèn),一輻射與輻射能,輻射：物體以電磁波的方式向四周放射能量，這種能量傳播方式稱輻射,輻射能：輻射傳播的能量稱輻射能,輻射通量密度：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的輻射能。,輻射通量密度沒有限定輻射方向，輻射承受面可以垂直射線或與之 成確定角度,輻射強(qiáng)度：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，通過(guò)垂直于選定方向的單位面積的輻射能。,二輻射光譜,輻射光

2、譜：,輻射能隨波長(zhǎng)分布的曲線,三物體對(duì)輻射的吸取、反射和透射,四有關(guān)輻射的根本定律,1、基爾霍夫定律,2、斯蒂芬-玻耳茲曼定律,3、維恩位移定律,二、太陽(yáng)輻射,一太陽(yáng)輻射光譜與太陽(yáng)常數(shù),太陽(yáng)輻射光譜：太陽(yáng)輻射能按波長(zhǎng)的分布,太陽(yáng)輻射=黑體輻射,太陽(yáng)輻射波長(zhǎng)范圍：0.154.0um,可見光：0.40.76um,紫外線：0.76um,太陽(yáng)輻射最強(qiáng)的輻射波長(zhǎng)：0.475um(青光,太陽(yáng)常數(shù)：日地平均距離時(shí)，大氣上界垂直太陽(yáng)光線的單位時(shí)間 內(nèi)單位積上獲得的太陽(yáng)輻射。,二太陽(yáng)輻射在大氣中的減弱,由于大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的吸取、散射和反射，使太陽(yáng)輻射穿過(guò)大氣后發(fā)生了變化：,1總輻射能明顯減弱,2太陽(yáng)光譜變得極不

3、規(guī)章,3波長(zhǎng)短的輻射能減弱得為顯著,1、大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的吸取,大氣中某些成分選擇性地吸取了太陽(yáng)輻射。這些成分主要是：水汽、氧、臭氧、co2和固體雜質(zhì)。,水汽雖然在可見光區(qū)和紅外區(qū)都有不少吸取帶，但吸取最強(qiáng)的是在紅外區(qū)，從0.932.85m之間的幾個(gè)吸取帶。最強(qiáng)的太陽(yáng)輻射能是短波局部，因此水汽從進(jìn)入大氣中的總輻射能量?jī)?nèi)吸取的能量并不多。據(jù)估量，太陽(yáng)輻射因水汽的吸取可以減弱415。所以大氣因直接吸取太陽(yáng)輻射而引起的增溫并不顯著。,大氣中的主要?dú)怏w是氮和氧，只有氧能微弱地吸取太陽(yáng)輻射，在波長(zhǎng)小于0.2m處為一寬吸取帶，吸取力氣較強(qiáng)，在0.69和0.76m四周，各有一個(gè)窄吸取帶，吸取力氣較弱。,臭氧在

4、大氣中含量雖少，但對(duì)太陽(yáng)輻射能量的吸取很強(qiáng)。在0.20.3m為一強(qiáng)吸取帶，使得小于0.29m的輻射由于臭氧的吸取而不能到達(dá)地面。在0.6m四周又有一寬吸取帶，吸取力氣雖然不強(qiáng)，但因位于太陽(yáng)輻射最猛烈的輻射帶里，所以吸取的太陽(yáng)輻射量相當(dāng)多。,二氧化碳對(duì)太陽(yáng)輻射的吸取總的說(shuō)來(lái)是比較弱的，僅對(duì)紅外區(qū)4.3m四周的輻射吸取較強(qiáng)，但這一區(qū)域的太陽(yáng)輻射很微弱，被吸取后對(duì)整個(gè)太陽(yáng)輻射的影響不大。,此外，懸浮在大氣中的水滴、塵埃等雜質(zhì)，也能吸取一局部太陽(yáng)輻射，但其量甚微。只有當(dāng)大氣中塵埃等雜質(zhì)很多如有沙暴、煙幕或浮塵時(shí)，吸取才比較顯著。,由以上分析可知，大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的吸取具有選擇性，因而使穿過(guò)大氣后的太陽(yáng)輻

5、射光譜變得極不規(guī)章。由于大氣中主要吸取物質(zhì)臭氧和水汽對(duì)太陽(yáng)輻射的吸取帶都位于太陽(yáng)輻射光譜兩端能量較小的區(qū)域，因而對(duì)太陽(yáng)輻射的減弱作用不大。也就是說(shuō)，大氣直接吸取的太陽(yáng)輻射并不多，特殊是對(duì)于對(duì)流層大氣來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)輻射不是主要的直接熱源。,2、大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的散射,太陽(yáng)輻射遇到空氣分子、塵粒、云滴等質(zhì)點(diǎn)時(shí)就要發(fā)生散射。,分子散射：質(zhì)點(diǎn)的直徑小于輻射波長(zhǎng),選擇性 波長(zhǎng)越短散射越猛烈,對(duì)稱性 光學(xué)對(duì)稱性,米散射：質(zhì)點(diǎn)的直徑大于輻射波長(zhǎng),無(wú)選擇性 漫射,偏不對(duì)稱性,3、大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的反射,大氣對(duì)太陽(yáng)輻射有反射作用，尤其是云能猛烈地反射太陽(yáng)輻射。,不同的云狀、云厚對(duì)太陽(yáng)輻射反射不同,一般而言，高云反射率2

6、5%，中云反射率50%，低云反射率65%，淡薄的云10-20%，平均反射率50-55%。,總之，進(jìn)入大氣的太陽(yáng)輻射30%被漫射和散射回宇宙空間，20%被大氣吸取，50%穿過(guò)大氣到達(dá)地面。由此也可見，太陽(yáng),輻射并非大氣的直接熱源。,上述三種方式中，反射作用最重要，尤其是云層對(duì)太陽(yáng)輻射的反射最為明顯，另外還包括大氣散射回宇宙以及地面反射回宇宙的局部；散射作用次之，形成了到達(dá)地面的散射輻射；吸取作用相對(duì)最小。以全球平均而言，太陽(yáng)輻射約有30被散射和漫射回宇宙，稱之為行星反射率，20被大氣和云層直接吸取，50到達(dá)地面被吸取。,三到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射,直射輻射：以平行光線到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射,散射輻射：以散

7、射光形式到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射,總輻射：直射輻射與散射輻射之和。,1、直射輻射,影響到達(dá)地面太陽(yáng)直射輻射強(qiáng)弱的因子主要有二：,1)太陽(yáng)高度角,2)大氣透亮度,大氣質(zhì)量數(shù)(m)、大氣透亮系數(shù)(p),I/I0=p,布格定律：,I=Io pm,直接輻射有顯著的年變化、日變化和隨緯度的變化,2、散射輻射,影響到達(dá)地面太陽(yáng)散射輻射強(qiáng)弱的因子主要有二：,1)太陽(yáng)高度角,2)大氣透亮度,散射輻射也有顯著的年變化、日變化和隨緯度的變化,3、總輻射,影響到達(dá)地面太陽(yáng)總輻射強(qiáng)弱的主要因子,1)太陽(yáng)高度角,2)大氣透亮度,年變化、日變化和隨緯度的變化,四地面對(duì)太陽(yáng)輻射的反射,地面反射率：a=Q反/Q,到達(dá)地面的太陽(yáng)總輻

8、射其中一局部被反射。,地面反射率取決于地面的性質(zhì)和狀態(tài)。,陸地平均反射率約為1030%。,土壤顏色、潮濕程度、起伏等影響反射率。,雪面、水面不同狀態(tài)也影響反射率。,其次節(jié) 地面和大氣的輻射,水面、陸面、植被等地球外表吸取了大量的太陽(yáng)輻射，并經(jīng)轉(zhuǎn)化傳給大氣。下墊面是大氣的直接熱源。,一、地面、大氣的輻射和地面有效輻射,一地面和大氣輻射的表示,太陽(yáng)輻射能量集中在波長(zhǎng)0.154.0um,而地面和大氣的輻射集中在3.0120.0um，因此我們稱太陽(yáng)輻射為短波輻射，地面和大氣輻射,稱為長(zhǎng)波輻射。,二地面、大氣長(zhǎng)波輻射的特點(diǎn),1、大氣對(duì)長(zhǎng)波輻射的吸取,大氣窗口,2、大氣中長(zhǎng)波輻射的特點(diǎn),三大氣逆輻射和地面

9、有效輻射,1、大氣逆輻射和大氣保溫效應(yīng),-23c-15c-38c 大氣保溫效應(yīng),2、地面有效輻射,物理意義,影響因子：地面溫度、空氣溫度、空氣濕度、云況,年變化、日變化,二、地面及地氣系統(tǒng)輻射差額,輻射差額=收入輻射 支出輻射,一地面的輻射差額,Q+q+Q反-Ea+Eg-,R,g,=(Q+q)(1-a)F,o,當(dāng),R,g,0 時(shí)，即地面收入的太陽(yáng)輻射大于地面有效輻射，地面有熱量收入。,當(dāng)Rg0,dqs0,則 (dqs/dz)0.,rm 是變量，是氣壓和溫度的函數(shù)。,分析表2-4,四、大氣穩(wěn)定度,一大氣穩(wěn)定度的概念,大氣穩(wěn)定度是指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。,一團(tuán)空氣

10、受對(duì)流沖擊產(chǎn)生垂直運(yùn)動(dòng)，分三種狀況：,受力移動(dòng)，漸漸減速，并有返回原來(lái)位置的趨勢(shì)，穩(wěn)定；,受力移動(dòng)，漸漸加速，并有遠(yuǎn)離原來(lái)位置的趨勢(shì)，不穩(wěn)定；,受力移動(dòng)，既不加速，也不減速，中性。,準(zhǔn)靜力學(xué)條件：,P=Pi，Ti、Di 與 T、D不等。,單位體積空氣受兩個(gè)力的作用：,浮力 Dg，重力 Dig。,合力：,f=Dg-Dig,單位質(zhì)量空氣的加速度：,a=(Dg-Dig)/Di,現(xiàn)將狀態(tài)方程 D=P/RT、Di=Pi/RTi 和 P=Pi代入,a=(Ti T)g/T,實(shí)際上，空氣是否穩(wěn)定準(zhǔn)備于氣塊溫度與四周大氣溫度的比較。,二推斷大氣穩(wěn)定度的根本方法,大氣是否穩(wěn)定，通常用rd 或rm與 r的比較來(lái)推斷

11、,由于T=To-rd$Z、Ti=Tio-rd$Z，由于起始高度一樣To=Tio,a=g$Z(r-rd)/T,(r-rd)的符號(hào)準(zhǔn)備了加速度a與擾動(dòng)位移$Z 的方向是否全都，亦準(zhǔn)備了大氣是否穩(wěn)定。,當(dāng)r0，則ard，假設(shè)$Z 0，則a0，加速度與位移方向全都，層結(jié)不穩(wěn)定。,當(dāng)r=rd，a=0,層結(jié)是中型的。,上述結(jié)論可以用層結(jié)曲線和狀態(tài)曲線來(lái)爭(zhēng)論,層結(jié)曲線：大氣溫度隨高度變化曲線,狀態(tài)曲線：上升空氣塊溫度隨高度變化曲線,Ti為空氣團(tuán)溫度，T為空氣溫度,同理，飽和濕空氣垂直時(shí),氣溫直減率rm,a=g$Z(r-rm)/T,當(dāng)r0，則arm，假設(shè)$Z 0，則a0，加速度與位移方向全都，層結(jié)不穩(wěn)定。,當(dāng)

12、r=rm，a=0,層結(jié)是中型的。,綜上爭(zhēng)論：,1、r愈大，大氣愈不穩(wěn)定。r愈小，甚至等于0，將阻礙垂直運(yùn)動(dòng)的進(jìn)展。,2、當(dāng)rrd，不管空氣是否到達(dá)飽和，大氣總是處于不穩(wěn)定狀態(tài)，稱確定不穩(wěn)定。,4、當(dāng)rm r rd，稱條件不穩(wěn)定。,三不穩(wěn)定能量的概念,第四節(jié) 大氣溫度隨時(shí)間的變化,一、氣溫的周期性變化,一氣溫的日變化,日較差,二氣溫的年變化,年較差,二、氣溫的非周期性變化,第五節(jié) 大氣溫度的空間分布,一、氣溫的水平分布,等溫線的分布特征,一月、七月世界氣溫分布特征,二、對(duì)流層中氣溫的垂直分布,輻射逆溫,湍流逆溫,平流逆溫,下沉逆溫,東北地區(qū)溫度與世界同緯度地區(qū)比較,東北地區(qū)溫度分布圖,輻射逆溫,湍流逆溫,平流逆溫,下沉逆溫,