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,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章 气候系统的辐射过程与能量平衡,第一节 太阳辐射,第二节 地面和大气辐射,第三节 大气增温和冷却,第四节 大气温度随时间的变化,第五节大气温度的空间变化,第一节 太阳辐射,一、辐射的基本知识,（一）辐射与辐射能,辐射：,物体以电磁波的方式向四周放射能量，这种能量传播方式称辐射,辐射能：,辐射传播的能量称辐射能,辐射通量密度：,单位时间内通过单位面积的辐射能。,辐射通量密度没有限定辐射方向，辐射接受面可以垂直射线或与之 成一定角度,辐射强度：,单位时间内，通过垂直于选定方向的单位面积的辐射能,。,（二）辐射光谱,辐射光谱：,辐射能随波长分布的曲线,（三）物体对辐射的吸收、反射和透射,（四）有关辐射的基本定律,1、基尔霍夫定律,2、斯蒂芬-玻耳兹曼定律,3、维恩位移定律,二、太阳辐射,（一）太阳辐射光谱与太阳常数,太阳辐射光谱：,太阳辐射能按波长的分布,太阳辐射=黑体辐射,太阳辐射波长范围：0.154.0um,可见光：0.40.76um,紫外线：0.76um,太阳辐射最强的辐射波长：0.475um(青光）,太阳常数：,日地平均距离时，大气上界垂直太阳光线的单位时间 内单位积上获得的太阳辐射。,（二）太阳辐射在大气中的减弱,由于大气对太阳辐射的吸收、散射和反射，使太阳辐射穿过大气后发生了变化：,1）总辐射能明显减弱,2）太阳光谱变得极不规则,3）波长短的辐射能减弱得为显著,1、大气对太阳辐射的吸收,大气中某些成分选择性地吸收了太阳辐射。这些成分主要是：水汽、氧、臭氧、co2和固体杂质。,水汽虽然在可见光区和红外区都有不少吸收带，但吸收最强的是在红外区，从0.932.85m之间的几个吸收带。最强的太阳辐射能是短波部分，因此水汽从进入大气中的总辐射能量内吸收的能量并不多。据估计，太阳辐射因水汽的吸收可以减弱415。所以大气因直接吸收太阳辐射而引起的增温并不显著。,大气中的主要气体是氮和氧，只有氧能微弱地吸收太阳辐射，在波长小于0.2m处为一宽吸收带，吸收能力较强，在0.69和0.76m附近，各有一个窄吸收带，吸收能力较弱。,臭氧在大气中含量虽少，但对太阳辐射能量的吸收很强。在0.20.3m为一强吸收带，使得小于0.29m的辐射由于臭氧的吸收而不能到达地面。在0.6m附近又有一宽吸收带，吸收能力虽然不强，但因位于太阳辐射最强烈的辐射带里，所以吸收的太阳辐射量相当多。,二氧化碳对太阳辐射的吸收总的说来是比较弱的，仅对红外区4.3m附近的辐射吸收较强，但这一区域的太阳辐射很微弱，被吸收后对整个太阳辐射的影响不大。,此外，悬浮在大气中的水滴、尘埃等杂质，也能吸收一部分太阳辐射，但其量甚微。只有当大气中尘埃等杂质很多（如有沙暴、烟幕或浮尘）时，吸收才比较显著。,由以上分析可知，大气对太阳辐射的吸收具有选择性，因而使穿过大气后的太阳辐射光谱变得极不规则。由于大气中主要吸收物质（臭氧和水汽）对太阳辐射的吸收带都位于太阳辐射光谱两端能量较小的区域，因而对太阳辐射的减弱作用不大。也就是说，大气直接吸收的太阳辐射并不多，特别是对于对流层大气来说，太阳辐射不是主要的直接热源。,2、大气对太阳辐射的散射,太阳辐射遇到空气分子、尘粒、云滴等质点时就要发生散射。,分子散射,：质点的直径小于辐射波长,选择性 波长越短散射越强烈,对称性 光学对称性,米散射,：质点的直径大于辐射波长,无选择性 漫射,偏不对称性,3、大气对太阳辐射的反射,大气对太阳辐射有反射作用，尤其是云能强烈地反射太阳辐射。,不同的云状、云厚对太阳辐射反射不同,一般而言，高云反射率25%，中云反射率50%，低云反射率65%，稀薄的云10-20%，平均反射率50-55%。,总之，进入大气的太阳辐射30%被漫射和散射回宇宙空间，20%被大气吸收，50%穿过大气到达地面。由此也可见，太阳,辐射并非大气的直接热源。,上述三种方式中，反射作用最重要，尤其是云层对太阳辐射的反射最为明显，另外还包括大气散射回宇宙以及地面反射回宇宙的部分；散射作用次之，形成了到达地面的散射辐射；吸收作用相对最小。以全球平均而言，太阳辐射约有30被散射和漫射回宇宙，称之为行星反射率，20被大气和云层直接吸收，50到达地面被吸收。,（三）到达地面的太阳辐射,直射辐射：,以平行光线到达地面的太阳辐射,散射辐射：,以散射光形式到达地面的太阳辐射,总辐射：,直射辐射与散射辐射之和。,1,、,直射辐射,影响到达地面太阳直射辐射强弱的因子主要有二：,1),太阳高度角,2)大气透明度,大气质量数(m)、大气透明系数(p),I/I,0,=p,布格定律：,I=I,o,p,m,直接辐射有显著的年变化、日变化和随纬度的变化,2、散射辐射,影响到达地面太阳散射辐射强弱的因子主要有二：,1),太阳高度角,2)大气透明度,散射辐射也有显著的年变化、日变化和随纬度的变化,3、总辐射,影响到达地面太阳总辐射强弱的主要因子,1),太阳高度角,2)大气透明度,年变化、日变化和随纬度的变化,（四）地面对太阳辐射的反射,地面反射率：a=Q,反,/Q,到达地面的太阳总辐射其中一部分被反射。,地面反射率取决于地面的性质和状态。,陆地平均反射率约为1030%。,土壤颜色、湿润程度、起伏等影响反射率。,雪面、水面不同状态也影响反射率。,第二节 地面和大气的辐射,水面、陆面、植被等地球表面吸收了大量的太阳辐射，并经转化传给大气。下垫面是大气的直接热源。,一、地面、大气的辐射和地面有效辐射,（一）地面和大气辐射的表示,太阳辐射能量集中在波长0.154.0um,而地面和大气的辐射集中在3.0120.0um，因此我们称太阳辐射为短波辐射，地面和大气辐射,称为长波辐射。,（二）地面、大气长波辐射的特点,1、大气对长波辐射的吸收,大气窗口,2、大气中长波辐射的特点,（三）大气逆辐射和地面有效辐射,1、大气逆辐射和大气保温效应,-23c-15c-38c 大气保温效应,2、地面有效辐射,物理意义,影响因子：地面温度、空气温度、空气湿度、云况,年变化、日变化,二、地面及地气系统辐射差额,辐射差额=收入辐射 支出辐射,（一）地面的辐射差额,Q+q+Q,反,-E,a,+E,g,-,R,g,=(Q+q)(1-a)F,o,当,R,g,0 时，即地面收入的太阳辐射大于地面有效辐射，地面有热量收入。,当Rg0,dqs0,则 (dqs/dz)0.,rm 是变量，是气压和温度的函数。,分析表2-4,四、大气稳定度,（一）大气稳定度的概念,大气稳定度是指气块受任意方向扰动后，返回或远离原平衡位置的趋势和程度。,一团空气受对流冲击产生垂直运动，分三种情况：,受力移动，逐渐减速，并有返回原来位置的趋势，稳定；,受力移动，逐渐加速，并有远离原来位置的趋势，不稳定；,受力移动，既不加速，也不减速，中性。,准静力学条件：,P=P,i,，T,i,、D,i,与 T、D不等。,单位体积空气受两个力的作用：,浮力 Dg，重力 D,i,g。,合力：,f=Dg-D,i,g,单位质量空气的加速度：,a=(Dg-D,i,g)/D,i,现将状态方程 D=P/RT、D,i,=P,i,/RT,i,和 P=P,i,代入,a=(T,i,T)g/T,实际上，空气是否稳定决定于气块温度与周围大气温度的比较。,（,二）判断大气稳定度的基本方法,大气是否稳定，通常用r,d,或r,m,与 r的比较来判断,因为T=T,o,-r,d,$Z、Ti=T,io,-r,d,$Z，由于起始高度相同T,o=,T,io,a=g$Z(r-r,d,)/T,(r-r,d,)的符号决定了加速度a与扰动位移$Z 的方向是否一致，亦决定了大气是否稳定。,当r0，则ar,d,，若$Z 0，则a0，加速度与位移方向一致，层结不稳定。,当r=r,d,，a=0,层结是中型的。,上述结论可以用层结曲线和状态曲线来讨论,层结曲线：大气温度随高度变化曲线,状态曲线：上升空气块温度随高度变化曲线,Ti为空气团温度，T为空气温度,同理，饱和湿空气垂直时,气温直减率r,m,a=g$Z(r-r,m,)/T,当r0，则ar,m,，若$Z 0，则a0，加速度与位移方向一致，层结不稳定。,当r=r,m,，a=0,层结是中型的。,综上讨论：,1、r愈大，大气愈不稳定。r愈小，甚至等于0，将阻碍垂直运动的发展。,2、当rr,d,，不论空气是否达到饱和，大气总是处于不稳定状态，称绝对不稳定。,4、,当r,m,r,r,d,，称条件不稳定。,（,三）不稳定能量的概念,第四节 大气温度随时间的变化,一、气温的周期性变化,（一）气温的日变化,日较差,（二）气温的年变化,年较差,二、气温的非周期性变化,第五节 大气温度的空间分布,一、气温的水平分布,等温线的分布特征,一月、七月世界气温分布特征,二、对流层中气温的垂直分布,辐射逆温,湍流逆温,平流逆温,下沉逆温,东北地区温度与世界同纬度地区比较,东北地区温度分布图,辐射逆温,湍流逆温,平流逆温,下沉逆温,
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