现代气候学第三章气候系统的热力过程课件

第三章第三章 气候系统的热力过程气候系统的热力过程第一节第一节 太阳辐射太阳辐射第二节第二节 地地-气系统的长波辐射气系统的长波辐射第三节第三节 气候系统的辐射收支气候系统的辐射收支第四节第四节 气候系统的热量平衡气候系统的热量平衡第五节第五节 全球热量平衡全球热量平衡大气圈的平均温度大气圈的平均温度水圈、陆圈、冰雪圈及生物圈水圈、陆圈、冰雪圈及生物圈（地表圈层）的平均温度（地表圈层）的平均温度同一纬度水圈与陆圈的平均温度相比，同一纬度水圈与陆圈的平均温度相比，有怎样的差异？有怎样的差异？为什么海洋上气温的日、年较差小为什么海洋上气温的日、年较差小于陆地？于陆地？高于、等于或小于？第一节第一节 太阳辐射太阳辐射一一.天文辐射天文辐射二二.太阳辐射在大气中的减弱太阳辐射在大气中的减弱三三.到达地面的太阳辐射到达地面的太阳辐射四四.地面对太阳辐射的反射地面对太阳辐射的反射一一.天文辐射天文辐射 第第一一节节太阳辐射太阳辐射2.太阳常数太阳常数:大气上界、日地平均距离处、大气上界、日地平均距离处、单位时间、垂直于太阳光线的单位面积上单位时间、垂直于太阳光线的单位面积上通过全部波长的太阳辐射能。通过全部波长的太阳辐射能。数值及单位数值及单位：1.天文辐射：天文辐射：大气上界与地球表面同心大气上界与地球表面同心球面球面上接收到的太阳辐射，或者说不考虑大气圈上接收到的太阳辐射，或者说不考虑大气圈影响影响,地表面地表面接收到的太阳辐射称为天文辐射。接收到的太阳辐射称为天文辐射。一年里，照射气候系统的太阳一年里，照射气候系统的太阳辐射为多少？假设地球近似为辐射为多少？假设地球近似为一半径一半径R的球体。的球体。3.天文辐射日总量天文辐射日总量地球地球表面表面单位面积一单位面积一天内接收到的全部波长的太阳辐射能天内接收到的全部波长的太阳辐射能(J/m2)纬度纬度()；赤纬赤纬()；日落时角日落时角（弧度）；T 一天的秒数一天的秒数T=24 3600(s)某一天日地距离某一天日地距离日地平均距离日地平均距离r1r2第第一一节节1）日地距离）日地距离I1I24.天文辐射日总量的影响因素天文辐射日总量的影响因素地球公转示意图地球公转示意图大气上界、任意日地距离时、单位时间、大气上界、任意日地距离时、单位时间、垂直于太阳光线方向的单位面积上通过垂直于太阳光线方向的单位面积上通过全部波长的太阳辐射能：全部波长的太阳辐射能：(J/m2s)(日地平均距离日地平均距离)(某一天日地距离某一天日地距离)日地平均距离：日地平均距离：14960万万km近日点日地距离：近日点日地距离：14710万万km远日点日地距离：远日点日地距离：15210万万km太阳光线太阳光线地球表面地球表面大气上界大气上界2)太阳高度太阳高度ABhAhB第第一一节节地球水平面地球水平面太阳光太阳光hB太阳高度角太阳高度角:太阳光线与地球水太阳光线与地球水平面的夹角平面的夹角第第一一节节A1B1C1D1面:垂直于垂直于太阳光线的平面太阳光线的平面ABCD面:地球水平面地球水平面任意日地距离（一天）某个时刻、大气上任意日地距离（一天）某个时刻、大气上界、单位时间、地球界、单位时间、地球水平面单位面积水平面单位面积接收接收到的全部波长太阳辐射能为：到的全部波长太阳辐射能为：(J/m2s)h 3)日照时间日照时间 日出到日没的时间间隔日出到日没的时间间隔第第一一节节日出、日落时刻日出、日落时刻日出时角日出时角日落时角日落时角某一天的天文辐射日总量就是瞬时太阳某一天的天文辐射日总量就是瞬时太阳辐射能从日出积分到日落，即辐射能从日出积分到日落，即(J/m2)天纬度天文辐射日总量时空分布（天文辐射日总量时空分布（卡厘米卡厘米2）春春分分冬冬至至春春分分5.天文辐射的时空分布特征天文辐射的时空分布特征1）年变化（季节变化）年变化（季节变化）：具有以一年为：具有以一年为周期的季节性变化特点，但不同纬度具有周期的季节性变化特点，但不同纬度具有不同的变化幅度，中高纬度的年变化显著，不同的变化幅度，中高纬度的年变化显著，低纬度的年变化小。低纬度的年变化小。2）空间变化）空间变化：具有随纬度增高而减小的：具有随纬度增高而减小的趋势。不同季节或不同区域这种趋势有强趋势。不同季节或不同区域这种趋势有强弱差异。冬季随纬度增高的减小趋势强，弱差异。冬季随纬度增高的减小趋势强，夏季弱。夏季弱。第第一一节节作业作业21计算北纬计算北纬20、40度处，度处，春分、夏至和冬至的春分、夏至和冬至的日照时间、中午时刻的太阳高度角和天文辐射日照时间、中午时刻的太阳高度角和天文辐射日总量（日地距离近似等于日地平均距离），日总量（日地距离近似等于日地平均距离），由此分析两纬度处日照时间、中午时刻的太阳由此分析两纬度处日照时间、中午时刻的太阳高度角和日射量的季节演变。高度角和日射量的季节演变。2 计算地球在近日点和远日点处，地球上照射计算地球在近日点和远日点处，地球上照射到的太阳辐射占日地平均距离处的比例。到的太阳辐射占日地平均距离处的比例。3北纬北纬30度处度处,南面建筑物的高度是南面建筑物的高度是20m,间隔间隔是是30m,试计算冬至和夏至该处的天文辐射日试计算冬至和夏至该处的天文辐射日总量。总量。二二.太阳辐射在大气中的减弱太阳辐射在大气中的减弱 第第一一节节1.大气中太阳辐射传输过程大气中太阳辐射传输过程单色光强度单色光强度 ：dldz经过的路径是经过的路径是 dl强度变化强度变化:d 地面称为大气对太阳辐射的质量削弱系数称为大气对太阳辐射的质量削弱系数(m2g-1)+dzh天顶距天顶距单位时间、垂直于单位时间、垂直于太阳光线方向上单太阳光线方向上单位面积、单位波长位面积、单位波长的辐射能的辐射能A0l=0l 平面平行大气：大气物理量水平面平行大气：大气物理量水平方向均匀，只考虑垂直方向平方向均匀，只考虑垂直方向上变化的大气模型上变化的大气模型从大气顶到从大气顶到Z高度积分高度积分,得得:大气上界波长为大气上界波长为的单色光辐射强度的单色光辐射强度为太阳辐射通过大气介质的质量为太阳辐射通过大气介质的质量,称为称为光学路径光学路径（只与大气有关？）（只与大气有关？）第第一一节节Z高度上波长为高度上波长为 的单色光辐射强度的单色光辐射强度大气质量大气质量:太阳光投射到太阳光投射到地面地面所经路程中所经路程中,单位截面积空气柱的质量单位截面积空气柱的质量.大气质量数大气质量数(m):实际投射条件下的大气质实际投射条件下的大气质量与垂直投射下的大气质量的比值量与垂直投射下的大气质量的比值.引入均质大气高度H0和密度第第一一节节大阳高度（h）906030105310大气质量 数（m）11.152.05.610.415.427.035.4第第一一节节h天顶距 大气透明度大气透明度如果介质的光学性质是均匀的如果介质的光学性质是均匀的,为常数为常数令:即为大气对单波即为大气对单波 辐射的透明系数辐射的透明系数描述大气对太阳辐射衰减的程度描述大气对太阳辐射衰减的程度,常用透明常用透明系数表示系数表示到达地面的单色辐射强度为到达地面的单色辐射强度为:对所有波长积分对所有波长积分,P 即为大气对太阳辐射所有波长的平均透明即为大气对太阳辐射所有波长的平均透明系数系数,简称简称大气透明系数大气透明系数.经过大气到达地面垂直于太阳光线方向上单经过大气到达地面垂直于太阳光线方向上单位面积，单位时间的太阳辐射能（位面积，单位时间的太阳辐射能（Jm2s1）受什么因素影响？大气质量数m受什么因素影响？P 受什么因素影响？称为称为光学厚度光学厚度光谱透过率光谱透过率:光谱吸收率光谱吸收率:光谱吸收函数光谱吸收函数:第第一一节节定义:2.大气对太阳辐射的吸收大气对太阳辐射的吸收 1）定义定义：大气分子被入射太阳辐射激发，：大气分子被入射太阳辐射激发，由低能级跃迁到高能级的过程称为由低能级跃迁到高能级的过程称为吸收吸收。两能级的差就是大气吸收的辐射能量值两能级的差就是大气吸收的辐射能量值2）主要吸收气体）主要吸收气体氧氧(O2):发生在高层大气发生在高层大气,波长小于波长小于0.26第第一一节节远紫外波段：远紫外波段：0.175-0.2026 ,0.242-0.26第第一一节节臭氧臭氧(O3):主要集中在主要集中在25km的臭氧层的臭氧层,0.22-0.34，0.32-0.36在紫外光区的吸收可表示为在紫外光区的吸收可表示为在可见光区:为臭氧的光学厚度为臭氧的光学厚度U为单位面积垂直气柱内的臭氧含量为单位面积垂直气柱内的臭氧含量为天顶距的余旋为天顶距的余旋 水汽水汽(H2O):主要集中于红外光区主要集中于红外光区y是水汽的光学厚度是水汽的光学厚度太阳和地球太阳和地球黑体辐射黑体辐射整层大气的吸整层大气的吸收谱收谱11km以上大气以上大气的吸收谱的吸收谱不同气体成分不同气体成分的吸收谱的吸收谱3)大气的太阳加热率大气的太阳加热率0 zp0p0单色辐射通量单色辐射通量密度密度：单位时间、单位时间、单位水平面积单位水平面积通过通过单位波长的太阳辐射能单位波长的太阳辐射能A垂直坐标单位面积单位面积dz薄层的净辐射通量散度薄层的净辐射通量散度通过通过z高度的净向下辐射通量密度为高度的净向下辐射通量密度为通过通过z+dz高度的净向下辐射通量密度为高度的净向下辐射通量密度为0 or 40)2%4%裸地裸地7%20%水面水面(h=530)6%40%沙地沙地25%35%不同性质地面的反射率不同性质地面的反射率 几种典型下垫面实测的反射率光谱（Kondratyev，1973）带有冰盖的雪，h=38；大粒湿雪，h=37；湖面，h=56；土壤融雪后，h=24.5；青玉米，h=54；高的绿玉米，h=56；黄玉米，h=46；苏丹草，h=52；黑钙土，h=40；谷物茬子，h=35地地-气系统的长波辐射气系统的长波辐射 第第二二节节一一.地面辐射和大气长波辐射地面辐射和大气长波辐射.地面和大气辐射特点地面和大气辐射特点地面最强辐射波长为地面最强辐射波长为10,大气为大气为1015长波辐射长波辐射主要吸收气体:H2O_6.3m,20m1mm;CO2 _1216.3m,14.7m,4.3m和2.7m;O3_9.6m,4.7m,1.4m2,长波辐射传输方程长波辐射传输方程Z=0zA通过通过Z 高度高度 处处天顶距为天顶距为,方位角为方位角为方向上单位方向上单位面积、单位时间通面积、单位时间通过单位波长的长波过单位波长的长波辐射量（辐射量（dz）单色辐射强度单色辐射强度长波辐射传输方程长波辐射传输方程Z高度向上高度向上(01)的单色辐射强的单色辐射强度度:光学厚度光学厚度(1)(2)向上通过单位时间、单位向上通过单位时间、单位水平面面积水平面面积、单位波、单位波长的长波辐射量（长的长波辐射量（向上单色辐射通量密度向上单色辐射通量密度）假设地气系统放射辐射与方位角无关（假设地气系统放射辐射与方位角无关（各向同各向同性性），即），即大气底部大气底部(),向上辐射仅由地表发射造成向上辐射仅由地表发射造成,将地表将地表,大气在红外区近似当作黑体大气在红外区近似当作黑体,即即Z高度，向下的单色辐射强度高度，向下的单色辐射强度Z高度，向下的单色辐射通量密度高度，向下的单色辐射通量密度3.红外辐射冷却率红外辐射冷却率高度高度z处（光学厚度）净辐射通量密度处（光学厚度）净辐射通量密度高度高度z+dz处处(光学厚度光学厚度 )净辐射通量密度净辐射通量密度 Z高度，单位面积高度，单位面积dz薄层大气的长波辐射冷却率薄层大气的长波辐射冷却率(0 or 0?)薄层薄层dz净辐射通量散度净辐射通量散度二二.地地气间的长波辐射交换气间的长波辐射交换 第第二二节节1.1.大气对地面辐射的吸收大气对地面辐射的吸收 特点特点:强烈地吸收强烈地吸收,且具有选择性且具有选择性.大气窗大气窗:812位于地面辐射波段最强处位于地面辐射波段最强处,大气大气的吸收率最小的吸收率最小,透射率最大透射率最大,这一这一波段能量透过大气射向宇宙空间波段能量透过大气射向宇宙空间,将这一波段称为大气窗将这一波段称为大气窗.第第二二节节2.地面有效辐射地面有效辐射 1)定义定义：地面放射辐射与地面吸收的大气逆地面放射辐射与地面吸收的大气逆辐射之差辐射之差.2)影响因子影响因子：地面温度、空气温度、空气地面温度、空气温度、空气湿度和云量湿度和云量.3)各因子的影响效应各因子的影响效应:4)气候特点气候特点：日、年变化特征与气温的日日、年变化特征与气温的日,年变化相似年变化相似.地表状地表状况况干沙干沙湿沙湿沙黑沙黑沙沙壤沙壤土土针叶叶林林粘土粘土相相对辐射率射率0.950.960.950.940.970.97地表状地表状况况腐殖腐殖土土白霜白霜煤灰煤灰新雪新雪水水草原草原相相对辐射率射率0.990.990.970.990.950.98 各种地表的相对辐射率各种地表的相对辐射率(灰体系数、放射率）5)有效辐射的气候学计算有效辐射的气候学计算地面放射率地面放射率T 1.5米处的气温米处的气温e 1.5米处的水汽压米处的水汽压无云时无云时（1）埃斯川姆公式）埃斯川姆公式（2）布朗特公式）布朗特公式晴天大气逆辐射晴天大气逆辐射晴天大气逆辐射晴天大气逆辐射有云时有云时n 云量云量m 1.52非线性非线性：线性：线性：第第三三节节一一.地面辐射差额地面辐射差额 1.定义定义:单位地表面面积所吸收的总辐射单位地表面面积所吸收的总辐射和有效辐射之差和有效辐射之差,称为地面的辐射差额称为地面的辐射差额.2.方程方程:气候系统的辐射收支气候系统的辐射收支3.影响因子影响因子:地表总辐射、地表总辐射、地面反射率、地面反射率、地面有效辐射地面有效辐射.4.各因子的影响效应：各因子的影响效应：5.气候特征：气候特征：日、年变化及空间分布日、年变化及空间分布第第三三节节云对地面辐射差额的影响云对地面辐射差额的影响1.云使总辐射减弱云使总辐射减弱2.云使有效辐射减小云使有效辐射减小辐射差额辐射差额R g减小减小辐射差额辐射差额R g增大增大白天或夏季（特别是低纬地区），云的减弱作用白天或夏季（特别是低纬地区），云的减弱作用强于增大作用，云量增多，辐射差额减小；强于增大作用，云量增多，辐射差额减小；夜间或冬季（特别是高纬地区），夜间或冬季（特别是高纬地区），云的减弱作用云的减弱作用弱于增大作用，云量增多弱于增大作用，云量增多，辐射差额增大。，辐射差额增大。第第三三节节第第三三节节日变化图日变化图:年变化图年变化图第第三三节节第第三三节节地表净辐射通量密度年总量地表净辐射通量密度年总量（Kcalcm-2）的地理分布）的地理分布 中国地表净辐射年平均中国地表净辐射年平均通量密度分布通量密度分布(W/m2)第第三三节节二二.大气的辐射差额大气的辐射差额1 定义定义：单位面积大气柱的辐射收入与辐射单位面积大气柱的辐射收入与辐射支出的差额支出的差额2 方程方程:为通过大气上界逸出的长为通过大气上界逸出的长波辐射波辐射a:单位面积大气柱的辐射差额单位面积大气柱的辐射差额该大气柱吸收的太阳辐射该大气柱吸收的太阳辐射：地面有效辐射地面有效辐射3 特点特点第第三三节节地面地面大气顶大气顶UG地面地面,大气的大气的长波长波吸吸收率收率大气辐射收入大气辐射收入:大气辐射支出大气辐射支出:大气吸收地面反射的大气逆辐射大气辐射差额大气辐射差额:大气辐射各分量随纬度的分布大气辐射各分量随纬度的分布大气短波吸收大气短波吸收第第三三节节三.地-气系统的辐射差额或或S0 为天文辐射为天文辐射(大气上界的太阳辐射通量密度大气上界的太阳辐射通量密度);1 定义定义：单位面积的地面和大气柱单位面积的地面和大气柱整体的辐射收入与支出的差整体的辐射收入与支出的差2 方程方程:地地-气系统对太阳辐射的反射率气系统对太阳辐射的反射率(行星反射率行星反射率)第第三三节节行星反照率年平均值行星反照率年平均值 地地-气系统各纬度的辐射收支气系统各纬度的辐射收支第第三三节节第第三三节节3 特点特点:年平年平均南北纬均南北纬35 之间的之间的Rs为正为正值值;其他纬度为其他纬度为负值负值.全球年均单位时间全球年均单位时间(1秒秒)吸收的太阳辐射为吸收的太阳辐射为全球单位时间向外射出长波辐射为全球单位时间向外射出长波辐射为 r为地球半径为地球半径,Te为地表辐射平衡温度为地表辐射平衡温度(K)设设则第四节气候系统的热量平衡气候系统的热量平衡一、地表热量平衡一、地表热量平衡1.定义：定义：地面在获得辐射差额时，一方地面在获得辐射差额时，一方面要升高地表温度，另一方面将盈余的面要升高地表温度，另一方面将盈余的热量以热量以湍流显热湍流显热和和潜热潜热向大气输送以及向大气输送以及向地表活动层的分子输送，长期平均，向地表活动层的分子输送，长期平均，其获得的辐射差额与支出达到平衡称为其获得的辐射差额与支出达到平衡称为地面的热量平衡地面的热量平衡。2.地面热量平衡方程地面热量平衡方程地地面面辐辐射射差差额额地地面面与与大大气气的的湍湍流流潜潜热热通通量量地地面面与与大大气气的的湍湍流流感感热热通通量量地地表表与与下下层层的的热热量量交交换换地地表表与与上上层层生生物物体体的的化化学学、生生物物过过程程有有关关的的能能通通量量第四节3.方程中各项的物理意义和气候意义方程中各项的物理意义和气候意义3.1 物理意义物理意义R 地面辐射差额，大于零表示辐射有盈余；地面辐射差额，大于零表示辐射有盈余；LE 地面与大气的潜热通量，大于零表示地地面与大气的潜热通量，大于零表示地面蒸发面蒸发,潜热从地面输向大气；潜热从地面输向大气；H 地面与大气的湍流热通量，大于零表示地面与大气的湍流热通量，大于零表示热量从地面输送给大气，使气温升高；热量从地面输送给大气，使气温升高；Qs 地面与下层土壤的分子热交换，大于零地面与下层土壤的分子热交换，大于零表示热量从地面向下层土壤输送。表示热量从地面向下层土壤输送。3.2 气候意义气候意义R 为正，地面温度升高为正，地面温度升高LE 增大，近地层获得的水汽增多，空气增大，近地层获得的水汽增多，空气潮湿，反之空气干燥；潮湿，反之空气干燥；H 增大，近地层获得的热量增多，空气温增大，近地层获得的热量增多，空气温度升高。度升高。1）地面与下层间的热量交换）地面与下层间的热量交换第四节土壤导热系数土壤导热系数为土壤温度为土壤温度土壤导温系数土壤导温系数土壤密度土壤密度土壤比热（土壤比热（J/g C）Z（1）理论理论公式公式4、地表热量平衡的计算、地表热量平衡的计算土壤成土壤成分分粘土粘土矿物物土壤土壤有机有机物物花花岗岩岩 水水空气空气（20 C）冰冰（0 C）比热（J/gC）0.750.962.500.8374.181.0042.101热容量（J/cm3C）2.0482.4242.7082.1774.180.0011.900土壤各种成分的比热和热容量土壤各种成分的比热和热容量第四节土壤土壤种种类干沙干沙土土湿沙湿沙土土壤土壤土花花岗岩岩水水（20 C）空气空气冰冰导热系数系数（J/sm C）0.15242.25720.188 4.054 0.628 0.02092.1736导温温系数系数（cm2/s）0.00130.012 0.007 0.019 0.00150.161 0.012几种物质的导热系数几种物质的导热系数 和导温系数和导温系数（2）气候学计算气候学计算土壤土壤5cm与与20cm的土温差的土温差地地-气温差气温差（1）湍流湍流:流体不规则运动流体不规则运动_涡动涡动.2）湍流与湍流通量）湍流与湍流通量任何物理量都可以表示为平均量与脉任何物理量都可以表示为平均量与脉动动(扰动、涡动扰动、涡动)量之和量之和,流动也一样流动也一样,即即（2）湍流（涡动）通量湍流（涡动）通量:单位时间内单位时间内湍流运动输送的物理量湍流运动输送的物理量(热量、水汽等）热量、水汽等）垂直方向涡动热通量垂直方向涡动热通量=垂直方向涡动水汽通量垂直方向涡动水汽通量=垂直方向涡动动量通量垂直方向涡动动量通量=TZz1z2TZz2z1大气静力绝对不大气静力绝对不稳定情形稳定情形大气静力绝对大气静力绝对稳定情形稳定情形（3）大气边界层湍流及湍流通量大气边界层湍流及湍流通量与垂直与垂直湍流通量湍流通量相比，垂直相比，垂直平均流平均流通量通量通常可以忽略不计通常可以忽略不计;湍流通量输送量级比分子扩散要大湍流通量输送量级比分子扩散要大几个量级。几个量级。湍流运动是边界层大气运动的主要特湍流运动是边界层大气运动的主要特征。地表加热不均、地表对气流的摩征。地表加热不均、地表对气流的摩擦拖曳以及地面物体的阻挡都可以形擦拖曳以及地面物体的阻挡都可以形成湍流；成湍流；（1）涡动相关法涡动相关法分别是垂直速度、温度、比湿和分别是垂直速度、温度、比湿和水平运动的脉动值，湍流脉动仪水平运动的脉动值，湍流脉动仪观测采样频率一般为观测采样频率一般为10Hz 3）.地气界面湍流输送通量的计算地气界面湍流输送通量的计算（JM2s1)（Nm2)KT 为空气热量湍流交换系数，与风速、大气为空气热量湍流交换系数，与风速、大气稳定度、地表性质等有关；稳定度、地表性质等有关；Cp 空气定压比热定压比热空气密度空气密度，T 气温气温第第四四节节（2）湍流扩散理论湍流扩散理论 感（显）热输送通量感（显）热输送通量JM2s1 潜热输送通量潜热输送通量L 蒸发潜热，蒸发潜热，L 2500(J/g),q 比湿（单位湿空气中的水汽质量，比湿（单位湿空气中的水汽质量，g/g)水汽湍流交换系数水汽湍流交换系数第第四四节节(JM2s1)动量输送通量（湍流应力）动量输送通量（湍流应力）动量交换系数动量交换系数V 风速风速第第四四节节（3）总体空气动力学方法总体空气动力学方法 热量总体输送系数热量总体输送系数 T0,T 地面及地面及z高度的温度高度的温度U 1.5m高度风速高度风速 感（显）热输送通量感（显）热输送通量第第四四节节第第四四节节水汽总体输送系数水汽总体输送系数地面及地面及z高度比湿高度比湿 潜热输送通量潜热输送通量 动量输送通量动量输送通量第第四四节节动量总体输送系数，也称动力动量总体输送系数，也称动力拖曳系数拖曳系数（4）近地层相似理论近地层相似理论 近地层概念近地层概念大大气气边边界界层层贴地层贴地层近地层近地层Ekman层层靠近地面，几厘米厚，以分靠近地面，几厘米厚，以分子交换为主子交换为主常值通量层，厚度为边界常值通量层，厚度为边界层的层的1/10第第四四节节 感（显）热输送通量感（显）热输送通量分别为常值通量层摩擦速度和分别为常值通量层摩擦速度和摩擦温度摩擦温度,在近地层的常值通量在近地层的常值通量层近似不变层近似不变。潜热输送通量潜热输送通量第第四四节节常值通量层摩擦湿度常值通量层摩擦湿度 参考文献参考文献:余锦华等，长江三角洲常熟地区余锦华等，长江三角洲常熟地区近地层湍流特征的研究，南京气象学院学近地层湍流特征的研究，南京气象学院学报，报，2001.24（4）：）：536-544.涡动相涡动相关方法关方法余锦华等，青藏高原西部地表通量的年余锦华等，青藏高原西部地表通量的年/日日变化特征变化特征，高原气象，2004，353359.近地层相似理论近地层相似理论感（显）热通量的计算感（显）热通量的计算涡动相关法涡动相关法湍流相似理论湍流相似理论总体输送法总体输送法近地层相似理论近地层相似理论4）.地面冷、热源地面冷、热源（1）定义定义：某一地区地表有湍流热量某一地区地表有湍流热量向大气输送，称该地区为热源，反之为向大气输送，称该地区为热源，反之为地面冷源（热汇）。地面冷源（热汇）。（2）方程式：热源热源冷源5）地表热量平衡的分布地表热量平衡的分布 地表面与大气间感热输送年总量分布地表面与大气间感热输送年总量分布（单位：kcalcm2 a1）中国年平均感热通量密度的分布（单位：中国年平均感热通量密度的分布（单位：kcalcm-2.a-1）全球潜热输送年总量的地理分布（全球潜热输送年总量的地理分布（Kcalcm 2）中国年平均潜热通量密度的分布（瓦中国年平均潜热通量密度的分布（瓦/米米2）洋面与深层水体的热量输送年总量的地理分布(Kcalcm 2)6）地表面热量平衡的纬圈平均地表面热量平衡的纬圈平均纬度带陆地海洋全球RLEHRLEHC0RLEHC07060N60505040403030202010100010S10202030304040505060全年平均92113401884242826803098330833083140297125961842146520936709631047963796134023872554188411721214921921113025137783714651884175892174512561800138292154496396318001680376846475066519153175108456438523014192638101281968280540194563489943544154473144383433213514653433921795670586293293293251377461461251377377-1256-963-795-837-209-1265449210-335-4262884092115492261318239354564477348574689418736842972192633078371382188427213140397838943768410336843182209314652763461544754963879670418377586754586293377544-377-377-377-502-84-844617120-251-84586840全球表面热量平衡各分量的年纬圈平均值全球表面热量平衡各分量的年纬圈平均值 (MJ/m2）二、大气的热量平衡大气的热量平衡1.定义：自地面伸展到大气顶的单位截面定义：自地面伸展到大气顶的单位截面积垂直空气柱内所有热通量的代数和等于积垂直空气柱内所有热通量的代数和等于其热含量变化，长期平均达到平衡。其热含量变化，长期平均达到平衡。2.方程方程大气柱辐射差额大气柱热含量变化热平流引起的热交换降水的潜热释放地气感热交换 大气中的热量平衡分布大气中的热量平衡分布 3.各分量的经向分布各分量的经向分布三、地气系统的热量平衡1.定义：下垫面及其以下活动层（温度日、定义：下垫面及其以下活动层（温度日、年变化波及的深度）和大气柱内的热通量年变化波及的深度）和大气柱内的热通量收支差额等于其热含量变化，长期平均达收支差额等于其热含量变化，长期平均达到平衡。到平衡。2.方程方程大洋上：陆地上：第二章第二章 气候系统的热力过程气候系统的热力过程第一节第一节 太阳辐射太阳辐射第二节第二节 地地-气系统的长波辐射气系统的长波辐射第三节第三节 气候系统的辐射收支气候系统的辐射收支第四节第四节 气候系统的热量平衡气候系统的热量平衡第五节第五节 全球能量平衡全球能量平衡全球热量平衡全球热量平衡第第五五节节一、热量的经向输送一、热量的经向输送地地-气系统年平均吸收辐射气系统年平均吸收辐射(曲线曲线I)和射出辐射（曲线和射出辐射（曲线）以及指向极地的能量输送）以及指向极地的能量输送(曲线曲线)1.热量输送方式热量输送方式 大气显热、大气潜热、海洋显热大气显热、大气潜热、海洋显热xyvABCDdxdzA1B1C1D1第第五五节节z2、大气热量输送计算、大气热量输送计算单位时间通过单位时间通过ABCD面的空气质量面的空气质量,通过的通过的显热显热:水汽水汽输送输送Js1kgs1从地面到某一高度从地面到某一高度,单位单位x方向距离的方向距离的显热输送显热输送潜热输送潜热输送Js1m1kgs1m1地气系统向极能量输送各分量(以1019千卡为单位)的年平均纬度分布 3、热量输送的经向分布、热量输送的经向分布二、全球能量平衡模型二、全球能量平衡模型10020云云大大气气散散射射6大气吸大气吸收收16云滴吸云滴吸收收454地面吸收地面吸收50地地面面反反射射大气吸大气吸收收10964951156潜热潜热23显热显热7本章小结本章小结地表总辐射地表总辐射地表有效辐射地表有效辐射天文辐射天文辐射大气的影响大气的影响大气逆辐射大气逆辐射地表放射辐射地表放射辐射地表辐地表辐射差额射差额地地-气热量，水分湍流气热量，水分湍流交换，地面与下层的交换，地面与下层的热量交换热量交换地表热量平衡地表热量平衡热量经向输送热量经向输送全球热量平衡全球热量平衡地表温度地表温度局地气温和湿度局地气温和湿度全球气候全球气候辐射过程在气候形成和变化中的作用：辐射过程在气候形成和变化中的作用：天文气候天文气候 大气环流形成的原动力大气环流形成的原动力 辐射过程是下垫面性质对气候影响的首要辐射过程是下垫面性质对气候影响的首要途径。途径。1.什么是地面热量平衡？写出其方程，说明方程中各什么是地面热量平衡？写出其方程，说明方程中各项的物理意义和气候意义。比较同一纬度海洋与陆地项的物理意义和气候意义。比较同一纬度海洋与陆地各项的差异各项的差异;2.假设地假设地-气系统的灰体系数为气系统的灰体系数为0.95，行星反射率为，行星反射率为0.3，试求地，试求地-气系统的平均温度与黑体时的比值气系统的平均温度与黑体时的比值;3.若视大气为一薄层，它对太阳辐射的吸收率为若视大气为一薄层，它对太阳辐射的吸收率为0.1，对地球辐射的吸收率为对地球辐射的吸收率为0.8，设地表面具有黑体性质，设地表面具有黑体性质，大气向上和向下的辐射通量密度相等，试计算地球表大气向上和向下的辐射通量密度相等，试计算地球表面和大气的辐射平衡温度（注：地面和大气的辐射平衡温度（注：地-气系统的反射率气系统的反射率=0.34，太阳常数，太阳常数I 0=1370W/m2）。）。4.推导大气辐射差额方程推导大气辐射差额方程.作业作业3附加题：利用NCEP/NCAR等压面月平均资料，计算 90120 E，2050N区域19712000年平均对流层大气感热和潜热输送的收支情况。