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气象学与气候学第二章大气的热能和温度2第二章大气的热能和温度第一节太阳辐射第二节地面和大气的辐射第三节大气的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分布31.辐射的基本知识1.1辐射与辐射能辐射：自然界中的一切物体都以电磁波的方式向四周放射能量，这种传播能量的方式称为辐射。特点：辐射透过空间并不需要媒介物质，真空中也可以进行能量的传输辐射能：通过辐射传播的能量，称为辐射能，也简称为辐射。电磁波的波长范围：10-10µm(10-16m)~103m可见光：0.4µm~0.76µm4太阳短波辐射0.15~4µm/0.475μm地面和大气长波辐射3~120µm/10μm参加课本图2.156辐射通量密度（E，单位：W/m2）：单位时间内通过单位面积的辐射能量。入射辐射通量密度：投射来的辐射放射辐射通量密度：自物体表面射出的辐射辐射强度（I，单位：W/m2）：单位时间内，通过垂直于选定方向上的单位面积（对球面坐标系，即单位立体角）的辐射能。E与I的关系：平行光辐射情况下，I=E/cosθθ为辐射体表面的法向与选定方向间的夹角。71.2辐射光谱设一物体的辐射出射度为F（W/m2），在波长λ至λ+dλ间的辐射能为dF，则式中是单位波长间隔内的辐射出射度，它是波长的函数，称为分光辐射出射度，或单色辐射通量密度。任意波长范围内的辐射能：dFdFFdFd或llll==1122FFdllllll=òF8辐射光谱：辐射能量按照波长分布而变化的曲线。91.3物体对辐射的吸收、反射和透射设透射到物体上的总辐射能为Q0，被吸收的为Qa，被反射的为Qr，透过的为Qd，则Qa+Qr+Qd=Q0两边同除以Q0，得0001adrQQQQQQ++=ard++=1物体不透明：a+r=110几个概念：物体的吸收率、反射率和透射率大小随着辐射波长的不同而改变的特性，称为物体对辐射的吸收、反射和透射的选择性。黑体：完全吸收外来辐射而无任何反射的物体，其吸收率a＝1。黑体辐射强度仅与温度和波长有关，与物体性质无关。只要找到与其温度相等的黑体，任何物体在某波长上的辐射能力理论上都可计算模拟。111.4热辐射的基本定律（1）基尔霍夫定律：在热平衡条件下，一物体放射波长λ的辐射率和该物体对波长λ辐射的吸收率之比值，等于同温度、同波长时的黑体辐射率。对不同物体，辐射能力强，吸收能力也强；对同一物体，在温度T时辐射某一波长，则在同一温度下它也吸收这一波长的辐射。2.9TTbTIIK公式lll=12（2）斯蒂芬-玻耳兹曼定律随着温度的升高，黑体对各波长的放射能力都相应的增强，辐射通量密度也随温度增大。斯蒂芬-玻耳兹曼定律：黑体的总放射能力与绝对温度的四次方成正比，σ=5.67×10-8J·m-2·K-4·s-14TbFTs=13（3）维恩位移定律维恩位移定律：黑体光谱辐射率极大值对应的波长λm与绝对温度成反比，即其中C=2896µm·K。物体的温度越高，其单色辐射极大值所对应的波长越短，反之亦然。()mTC常数l=142.太阳辐射及其在大气中的衰减—被吸收、散射、反射2.1太阳辐射表面温度5780K中心达1.57×107K太阳黑子4000K15地球公转示意图平均日地距离：1.496×108km，称为一个天文单位。16（1）太阳辐射光谱三个光谱区：紫外线光谱区：波长小于0.4µm（7%）可见光光谱区：波长在0.4~0.76µm（50%）红外线光谱区：波长大于0.76µm（43%）7%50%43%太阳辐射中辐射能力按波长的分布，称为太阳辐射光谱。17太阳辐射通过星际空间到达地球表面，中间首先到达大气上界。在大气上界日地平均距离处，垂直于太阳光线的平面上，单位时间单位面积上接收到的所有波长的太阳辐射能，称为太阳常数（I0）。太阳常数值常不一致，多数文献采用1370W/m2太阳常数存在周期性变化，变化范围1%~2%-太阳黑子（2）太阳常数182.2大气对太阳辐射的吸收大气对太阳辐射的减弱作用：吸收、散射、反射减弱的效果：透射到大气上界的太阳辐射不能完全到达地面，即II07%0%50%40%43%60%19吸收光谱大气中吸收太阳辐射的主要成分O2，O3（在紫外区0.2~0.3μm），H2O（在红外区）CO2，CH4，N2O、杂质大气的吸收光谱2021影响大气的温度结构通过大气后的太阳辐射光谱变得不规则到达地面的太阳辐射减弱吸收的效应：222.3大气对太阳辐射的散射散射：指每一个散射分子或散射质点将入射的辐射重新向各方向辐射出去的一种现象。散射的效应：使到达地面的太阳直接辐射减少使整个天空大气层变得明亮散射的特性依赖于粒子尺度与入射辐射波长的相对大小23瑞利散射瑞利散射：空气分子散射，散射强度与入射光的波长四次方成反比，且各方向的散射光强度不同。能量向所有方向散射前、后向辐射量最大散射能力与波长的四次方成反比主要散射短波辐射24蓝天与夕阳蓝天：太阳光经过大气层时，与空气分子（其半径远小于可见光的波长）发生瑞利散射，因为蓝光比红光波长短，瑞利散射发生的比较激烈，被散射的蓝光布满了整个天空，从而使天空呈现蓝色，25米散射（Miescattering）大气悬浮颗粒对光的无限制性全散射或漫射能量主要集中在前向引起灰蒙蒙的天空262.4大气的云层和尘埃对太阳辐射的反射云层、尘埃具有强烈的反射作用，但反射强度受云层的性状和厚度的影响反射对各种波长没有选择性，因而反射光呈白色。随着云层增厚反射能力也增强，平均为50%~55%大气对太阳辐射的减弱，依次为：反射散射吸收从全球平均状况来看：大气直接吸收的太阳辐射占20%，散射占到30%，只有50%到达地面被吸收。273.到达地面的太阳辐射直接辐射、散射辐射、地面反射3.1到达地面的太阳辐射组成太阳以平行光线形式直接投射到地面上的辐射，称为太阳直接辐射经过散射后自天空投射到地面的辐射，称为散射辐射到达地面的太阳直接辐射与散射辐射之和，称为总辐射283.2直接辐射影响直接辐射的重要因子：太阳高度角大气透明度29太阳高度角h30(1)太阳高度角：太阳光线与地球水平面的夹角ＡＢＣＤＡ1Ｂ1Ｃ1Ｄ1A1B1C1D1面:垂直于太阳光线ABCD面:平行于地球水平面任意时刻,大气上界,单位时间、单位面积接收到的太阳辐射能为：0sinIIh¢=(J·M-2·s)31太阳高度角a)太阳高度角越小，等量的太阳辐射散布的面积就越大，因而地表单位面积上所获得的太阳辐射就越小。32b)太阳高度角越小，太阳穿过的大气层越厚，被吸收、散射、反射的能量越多，太阳辐射被减弱也较多，到达地面的太阳辐射也就少了。33•大气质量:在地面为标准气压时，太阳光垂直投射到地面所经路程中,单位截面积的空气柱的质量。•大气质量数(m):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。大阳高度（h）906030105310大气质量数（m）11.152.05.610.415.427.035.400lzdlmdzrr=òò34在相同的大气质量下，到达地面的太阳辐射也不完全一样，还受到大气透明度的影响。透明度的表征：透明系数（P）当太阳位于天顶时，到达地面的太阳直接辐射通量密度与大气上界太阳辐射通量密度之比。P值表示太阳辐射透过大气后的削弱程度。大气透明度的影响因素水汽、水汽凝结物、尘粒杂质0=IPI(2)大气透明度35到达地表太阳辐射与P和m的关系布格公式I=I0PmP为到达地面的所有波长范围内的平均透明系数I为到达地面的太阳辐射强度I0为太阳常数P值一定时，m等差增加，I则会以等比衰减36太阳直接辐射时空间的变化规律主要取决于太阳高度角的时空变化。同一地点，在同一天，日出日暮时太阳高度角最小，直接辐射最弱；中午太阳高度角最大直接辐射最强。在一年中，夏季最强；冬季最弱。不同纬度，低纬度一年各季太阳高度角都很大，地面得到的直接辐射较中、高纬度大得多。37到达地面太阳辐射383.3到达地表的散射辐射散射辐射的强度取决于太阳高度角、大气透明度、云量、海拔高度，并受地面反射率影响。无云时，散射辐射基本上决定于太阳高度和大气透明度。有云时，到达地表的散射辐射还与云量、云状和地面反射率都有关系。随太阳高度角的减小，散射辐射也减小；大气透明度差，散射粒子较多，散射辐射增强。反射率大，可能反复反射，加大散射辐射。39重庆散射辐射的日变化403.4到达地面的总辐射1)影响因子太阳高度角(天文辐射)云量大气透明度2)变化特点：日、年变化和随纬度的变化3)我国年平均总辐射的分布：西藏﹥青海、新疆、黄河流域﹥长江流域、华南地区41总辐射日变化日变化日出前日出后h＝8°h＝50°中午午后日落后直接辐射0快速增加总辐射的50％总辐射的80－90％最大快速减弱0散射辐射少量增加总辐射的50％总辐射的10－20％最大减弱少量42低纬度地带总辐射量大；全球有效辐射（去除大气和云削减作用后）最大在北纬20°附近。43443.5地面对太阳辐射的反射投射到地面的太阳辐射吸收反射地表反射率变化0.01，等效于太阳常数变化1%影响因子：地表面的性质和状态太阳高度角云量45地表反射率地表反射率森林3%~10%雪地(新雪)80%田地(绿色)3%~15%雪地(陈雪)50%~70%田地(已开垦的干地)20%~25%冰50%~70%草地15%~30%水面(h40º)2%~4%裸地7%~20%水面(h=5~30º)6%~40%沙地15%~25%不同性质地面的反射率深色土壤小于浅色土壤。潮湿土壤小于干燥土壤。46年平均地表反照率47小结太阳辐射抵达地球大气层上界的能量为1370W/m2。穿过大气层时受大气层（云）的反射、散射和吸收作用，以直接辐射和散射辐射的形式到达地表的量仅为200W/m2左右。地表最终能获得的热量还要看地表反射率大小，若是水面大概能获得这个量的90％，冰雪表面只能获得10％。48第二章大气的热能第一节太阳辐射第二节地面和大气的辐射第三节大气的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分布491.地面和大气的辐射地面吸收太阳辐射后（45%-反射掉）转变为热能后，使地面增温，然后日夜不停的向外放射辐射，这就是地面辐射。大气对太阳辐射的吸收很少（24%）但能强烈的吸收地面的辐射，大气主要靠吸收地面辐射后升温，它也日夜不停的向外放出辐射，叫大气辐射。50地面平均温度约300K，对流层大气平均温度约250K300K地面和大气辐射长波辐射3～120μm/10μm辐射能346W/m2短波辐射0.15～4μm/0.5μm辐射能1370W/m2511.1地面和大气辐射的表示近似把地面和大气的辐射看成灰体辐射根据斯蒂芬-波耳兹曼定律，辐射通量密度：式中，Eg和Ea分别表示地面和大气的辐射通量密度Eb和Eb’分别表示与地面和大气同温度的黑体辐射通量密度δ和δ’分别为地面和大气的比辐射率Tg和Ta分别为地面和大气的温度4gbgEETdds=='''4abaEETdds==521.2地面和大气长波辐射的特点(1)大气对长波辐射的吸收水汽、CO2和O3、气溶胶和液态水强烈地吸收，且具有选择性大气窗:8~12m位于地面辐射波段最强处,大气的吸收率最小,透射率最大,这一波段能量透过大气射向宇宙空间,将这一波段称为大气窗.53大气吸收谱与放射谱CO2H2OO3CO2H2O54(2)大气中长波辐射的特点：长波辐射在大气中的传输过程与太阳辐射的传输过程有很大不同。项目长波辐射太阳辐射辐射类型漫射辐射平行辐射大气本身的长波辐射考虑不考虑散射作用不考虑考虑55月球表面没有大气，因而没有大气的保温效应，白天太阳辐射的地方温度可达127℃，夜晚则降到-183℃。(1)大气逆辐射与大气的保温效应：大气逆辐射：由大气到达地面的那部分长波辐射。地面辐射是向上的，大气辐射既有向上的，也有向下的，大气辐射中向下的那一部分因为