搜索
（六）云量•云是悬浮在大气中的小水滴、冰晶微粒或二者混合物的可见聚合群体。底部不与地面接触。•云的观测包括云量、云状、云高等•云量指云遮蔽天空视野的成数。将地平以上全部天空划分为10份，为云所遮蔽的份数即为云量。•如：天空无云，或云量不到1/20，云量为0天空一半为云所覆盖，云量为5云布满天空，云量为10天空被云所遮，但在云层中有少量空隙，而空隙总量不到天空的1/20，则云量记为10欧美有的国家将天空划为8份（七）能见度•单位：m、km•能见度是了解大气稳定度和垂直结构的根据之一，能见度不好的区域一般标志大气比较稳定或空中有逆温层；反之，是不稳定的。从而可以鉴别气团、分析天气。•由于现代交通运输事业的发展，能见度已成为保证运输安全，特别是保证空中运输安全的一个极为重要的因素了。二、空气状态方程•反映空气状态的方程，进一步而言，是反映空气在发生变化时各要素之间相互关系的方程。•空气状态常用ρ、V、P、T来表示，ρ=M/V，对于一定质量的空气而言（M一定），它的V、P、T有密切关系，概括这些量的关系，就可以得到空气状态变化的基本规律—状态方程。基本公式，推导1、理想气体的状态方程•大量实验证明，常温常压下，一定质量气体的P乘以V，再除以T，其商不变：•P1V1/T1=P2V2/T2=···=PnVn/Tn，即•PV/T=常量•凡严格符合这个方程的气体，称理想气体。•实际上并不存在。在常温常压下，干（洁）空气和未饱和的湿空气都十分接近理想气体，可把它们当作理想气体处理。下面求出“常量”：讨论一摩尔的气体(含有6.02×1023个该气体分子）（1mol的任何气体在标准状态下体积是一样的）。标准状态下：Po=1013.25hpa，To=273K，Vo=22.4升/摩尔=22.4L/molPVTPoVoTo==R＊R＊1.01325×105Pa×2.24×10-4m3/mol273K==8.31441Pam3/mol·K≈8.31J/mol·K这个值对1mol任何气体都适用，叫普适气体常数。对于质量为M克的理想气体•设1mol气体的质量为µ（分子量）、体积为V1，标准状态下，M克气体的体积为：•V=M/µ·V1=M/µ·R*T/P或•PV=M/µ·R*T•这是通用的质量为M克的理想气体的状态方程，又叫门捷列夫—克拉珀珑方程。•它表明气体在任何状态下P、V、T、M四个量之间的关系。在气象学中，常用单位体积的空气块作为研究对象PV=Mμ·R*TP=MVR*μTR=R*μρ=MVP=ρRTR—比气体常数可见：T一定时，P与ρ成正比；ρ一定时，P与T成正比。分子运动论：气压大小决定于器壁单位面积上单位时间内受到的碰撞次数及每次碰撞的平均动能大小。ρ大，分子数量多，碰撞次数多，P大；T高，分子平均动能大，P大。这种形式在气象上应用最广。2、干空气状态方程•P=ρdRdT•Rd=R*/μ=8.31/28.97=0.287J/g·K3、湿空气状态方程含有水汽的空气称为湿空气。P=ρ’R’T，P—湿空气的总压强，ρ’—湿空气密度R’=R*/μ’，μ’—湿空气的分子量，因湿空气中水汽含量是变化的，所以μ’是变量，R’也是变量，上式不能直接用。因为P=ρRT，所以ρ=P/RTρ’=ρw+ρd=eRwT+P-eRdTRw为水汽的比气体常数Rw=R*/μw=8.31/18=0.4615J/gKRw与Rd的换算关系：Rw=R*μw=μdR*μwμd=1.608Rdρ’=e1.608RdT+P-eRdT=PRdT(1-0.378eP)ρ=PRdT(1+0.378e/P)P=ρRdT(1+0.378e/P)•为了让湿空气状态方程的形式与理想气体状态方程一致，引进一个假想的温度—虚温（Tv）•Tv=T(1+0.378e/P)•P=ρRdTv•干、湿空气状态方程中都是Rd，可简记作RP=ρRTP=ρRTv状态方程在气象上的重要作用•气象领域内有大量问题必须要用状态方程来描述、计算，在气象上再没有哪一种关系式比它更基本和重要了。•大气密度（ρ）是一个在气象上非常重要的状态参量，但无法直接测量，它只能通过状态方程用容易观测的气压（P）和气温（T）计算出来。小结•气候系统包括大气圈、水圈、陆地表面、冰雪圈和生物圈五个子系统。•主要讲述大气成分、大气结构和大气的物理性状。•空气是各种气体的混合物，大气成分及其比例在90km以下基本上是不变的；水汽是大气中唯一可以发生相变的成分，是天气变化的主角，它随高度的升高而很快减少，大都集中在2—3km以下的气层中；水汽、臭氧、CO2和各种杂质，影响大气温度的分布和变化。•根据大气的物理性质和垂直运动，可在垂直方向上把大气分为五层，其中对流层集中了绝大部分空气质量和水汽，是天气变化最复杂的层次。•气象要素表征了大气的宏观物理状态，包括气温、气压、湿度等。•空气状态方程表明了定量气体的压力、体积、温度之间的关系。第二章大气的热能和温度本章：重点、难点•大气的热能和温度是天气变化的一个基本因素，也是气候系统状态及演变的主要控制因子。•观测表明，大气的冷暖变化，在空间上分布很不均衡，在时间上有周期性和非周期性变化。这些变化是如何发生的？能量来自哪里？•地球上能量的基本来源是太阳辐射。能量的传输方式：三种•1、传导：指热或电从物体的一部分传到另一部分，靠物质的分子运动传递•2、对流：是物体本身实质上的转移•3、辐射：电磁能通过媒质或真空传递的唯一转移形式•传导和对流交换需要一定的分子作媒介，在真空里热量就无法传递。•太阳与地球的距离十分遥远，在这漫长的距离中，绝大部分空间是真空地带，•太阳能依传导和对流的形式传递是不可能的，唯一传递能量的形式就是辐射。第一节太阳辐射•一年中整个地球可由太阳获得5.44×1024J的辐射能量一、辐射的基本知识•（一）辐射与辐射能•在物体中，带电粒子在原子或分子内部的振动可以产生电磁波。由于带电粒子作热运动时具有加速度，而且有不同的频率，因而发出各种不同波长的电磁波。•自然界中的一切物体都以电磁波的方式向四周放射能量。•辐射就是以各种各样电磁波的形式放射或输送能量。•由辐射传播的能量称为辐射能，也简称辐射。电磁波的波长范围很广：10-10μmkmP22:图2．1宇宙射线γ射线x射线紫外线可见光红外线无线电波波长0.40.76紫蓝青绿黄橙红除了可见光外，肉眼都不能看见，但用仪器可以测量出来。气象学着重研究的是：太阳、地球、大气的热辐射0.15~120μm其中：太阳辐射0.15~4μm地面和大气辐射3~120μm短波辐射长波辐射两个概念（一般性了解）：•辐射通量密度（E）•单位时间内通过单位面积的辐射能量•入射辐射通量密度•放射辐射通量密度：辐射能力/放射能力•辐射强度（I）•点辐射源在单位立体角内所放射的辐射通量•通过垂直于选定方向上的单位面积的辐射能•E与I关系密切（二）物体对辐射的吸收、反射和透射入射辐射吸收反射透射QoQaQrQd能量守恒：Qa+Qr+Qd=QoQa/Qo+Qr/Qo+Qd/Qo=1a+r+d=1吸收率反射率透射率分别表示物体对辐射吸收、反射和透射的能力•物体的a、r、d具有随辐射波长和物体性质而改变的特性，这种特性称为物体对辐射吸收、反射和透射的选择性。•如：•干洁空气，对红外线近似透明，d≈1•水汽，对红外线强烈吸收，a大•雪面，对太阳辐射反射率大，r大；对地面、大气辐射全部吸收，a=1•某种物体，如能把投射来的所有波长的辐射全部吸收，a=1，r=0，d=0，这种物体称为黑体。该物体被任何波长的光照射时均呈黑色。•黑体是理想的辐射体，实际上自然界并不存在真正的黑体，但是为了研究方便，在一定条件下（例如在一定的波长范围内），可以把某些物体近似地看成黑体。（三）有关辐射的基本定律1，基尔荷夫定律：1859年，基尔荷夫通过实验得出的定律，它说明物体的放射能力与吸收率之间的关系。设有一个空腔(真空恒温器)，内壁为黑体，内部为真空，与外界无物质与能量交换，温度为T在其中用绝热线悬挂一个非黑体物体，温度亦为TT设内壁放出的黑体辐射为IλTb非黑体的辐射强度为IλT，吸收率为KλT(1)内壁与非黑体之间将达到辐射平衡，或：内壁支出与收入相等IλTb=IλT+(1-KλT)IλTbKλT=IλT/IλTb放射率：某物体的辐射强度与黑体在该温度下辐射强度之比eλT=IλT/IλTb所以：KλT=eλT这是基尔荷夫定律的一种表达式KλT=eλT它表明：1、辐射能力强的物质，吸收能力也强；辐射能力弱的物质，吸收能力也弱。2、同一物体在温度为T时放射某一波长的辐射，那么在同一温度下也吸收这一波长的辐射。•上式还可写成：IλT/KλT=IλTb•这是基尔荷夫定律的另一种表达形式•它表明：•某温度、某波长的一个物体的辐射强度与其吸收率之比值等于同温度、同波长时的黑体辐射强度。•在同温度条件下，这条规律适用各种波长的辐射体，因此基尔荷夫定律又可写成：•IT/KT=ITb•上面讨论表明：•在辐射平衡条件下，一物体在某波长的辐射强度和对该波长的吸收率之比值与物体的性质无关，这一比值只是某波长λ和温度T的函数。基尔荷夫定律•表明了物体放射能力和吸收率之间的关系。•把一般物体的辐射、吸收与黑体辐射联系起来，从而有可能通过对黑体辐射的研究来了解一般物体的辐射，极大地简化了一般辐射的问题。•适用于处于辐射平衡的任何物体。•对流层和平流层大气以及地球表面都可认为是处于辐射平衡的，因而可直接应用这一定律。2、斯蒂芬—玻耳兹曼定律•由实验得知，物体的放射能力是随温度和波长而改变的。•随着温度的升高，黑体对各波长的放射能力都相应地增强，因而物体放射的总能量也会显著增大。•黑体的总放射能力与它本身的绝对温度的四次方成正比：•ETb=σT4，σ为斯—玻常数。•可计算出黑体在T时的辐射强度，也可由黑体的辐射强度求得其表面温度。3、维恩位移定律•黑体最大放射能力所对应的波长与其绝对温度成反比•λmT=C，C—常数•表明：物体的温度愈高，其辐射能力极大值所对应的波长愈短；物体的温度愈低，其辐射能力极大值所对应的波长愈长。•当T=6000K时，λm=0.475微米，相当于青光部分。•有此三个基本定律，绝对黑体的辐射规律就容易确定。•对非黑体，只要知道它们的温度和吸收率，利用基尔荷夫定律，它们的辐射能力也可以确定。二、太阳辐射•太阳是一个炽热的气态球体，其表面温度为6000K左右，而内部的温度估计高达107K，•它不断以电磁波形式向四周发射光和热，总称为太阳辐射。（一）太阳辐射光谱和太阳常数•太阳辐射中辐射能按波长的分布，称太阳辐射光谱。•可把太阳辐射看作为黑体辐射，斯—玻定律和维恩定律都可应用于太阳辐射。•太阳辐射最强的波长为0.475μm，相当于青光。•为什么太阳不是以青色为主，而看起来偏黄？•太阳辐射光谱曲线不对称，并不是以0.475μm为中峰线，其余均衡分布在两侧；而是大部分次强波长在波长偏长的黄、红一侧，所以看起来偏黄。•三个分区：•紫外区，0.15~0.4μm，7%可见光区，0.4~0.76μm，50%红外区，0.76~4μm，43%太阳常数：•就日地平均距离而言，在大气上界，垂直于太阳光线的一平方厘米的面积内，一分钟内获得的太阳辐射能量，I0•数值不一致1957年；1380W/m2(1.98卡/厘米2·分)1981年：1367W/m2(1.95卡/厘米2·分)1987年：1370W/m2•有周期性变化：1~2%与太阳黑子的活动周期有关。（二）太阳辐射在大气中的减弱•太阳辐射通过大气圈，然后到达地表。•由于大气对太阳辐射有一定的吸收、散射和反射作用，使投射到大气上界的太阳辐射不能完全到达地面，所以在地表获得的太阳辐射强度比I0小。•主要变化：1，总辐射能明显减弱2，辐射能随波长的分布变得极不规则3，波长短的辐射能减弱得更为显著1、大气对太阳辐射的吸收•水汽：曲线5，可见光区、红外区最强的太阳辐射能是短波部分，水汽吸收能量并不多，4~15%•氧：＜0.2μm，0.69μm、0.76μm•臭氧：量少，但吸收强；平流层；曲线20.2~