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1、,單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,其次章 氣候系統(tǒng)的輻射過程與能量平衡,第一節(jié) 太陽輻射,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) 大氣溫度隨時間的變化,第五節(jié)大氣溫度的空間變化,第一節(jié) 太陽輻射,一、輻射的根本學問,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：單位時間內(nèi)通過單位面積的輻射能。,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,輻射強度：單位時間內(nèi)，通過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：,輻射能隨波長分布的曲線,三物體對輻射的吸取、反射和透射,四有關輻射的根本定律,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、太陽輻射,一太陽輻射光譜與太陽常數(shù),太陽輻射光譜：太陽輻射能按波長的分布,太陽輻射=黑體輻射,太陽輻射波長范圍：0.154.0um,可見光：0.40.76um,紫外線：0.76um,太陽輻射最強的輻射波長：0.475um(青光,太陽常數(shù)：日地平均距離時，大氣上界垂直太陽光線的單位時間 內(nèi)單位積上獲得的太陽輻射。,二太陽輻射在大氣中的減弱,由于大氣對太陽輻射的吸取、散射和反射，使太陽輻射穿過大氣后發(fā)生了變化：,1總輻射能明顯減弱,2太陽光譜變得極不
3、規(guī)章,3波長短的輻射能減弱得為顯著,1、大氣對太陽輻射的吸取,大氣中某些成分選擇性地吸取了太陽輻射。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，但吸取最強的是在紅外區(qū)，從0.932.85m之間的幾個吸取帶。最強的太陽輻射能是短波局部，因此水汽從進入大氣中的總輻射能量內(nèi)吸取的能量并不多。據(jù)估量，太陽輻射因水汽的吸取可以減弱415。所以大氣因直接吸取太陽輻射而引起的增溫并不顯著。,大氣中的主要氣體是氮和氧，只有氧能微弱地吸取太陽輻射，在波長小于0.2m處為一寬吸取帶，吸取力氣較強，在0.69和0.76m四周，各有一個窄吸取帶，吸取力氣較弱。,臭氧在
4、大氣中含量雖少，但對太陽輻射能量的吸取很強。在0.20.3m為一強吸取帶，使得小于0.29m的輻射由于臭氧的吸取而不能到達地面。在0.6m四周又有一寬吸取帶，吸取力氣雖然不強，但因位于太陽輻射最猛烈的輻射帶里，所以吸取的太陽輻射量相當多。,二氧化碳對太陽輻射的吸取總的說來是比較弱的，僅對紅外區(qū)4.3m四周的輻射吸取較強，但這一區(qū)域的太陽輻射很微弱，被吸取后對整個太陽輻射的影響不大。,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輻射，但其量甚微。只有當大氣中塵埃等雜質(zhì)很多如有沙暴、煙幕或浮塵時，吸取才比較顯著。,由以上分析可知，大氣對太陽輻射的吸取具有選擇性，因而使穿過大氣后的太陽輻
5、射光譜變得極不規(guī)章。由于大氣中主要吸取物質(zhì)臭氧和水汽對太陽輻射的吸取帶都位于太陽輻射光譜兩端能量較小的區(qū)域，因而對太陽輻射的減弱作用不大。也就是說，大氣直接吸取的太陽輻射并不多，特殊是對于對流層大氣來說，太陽輻射不是主要的直接熱源。,2、大氣對太陽輻射的散射,太陽輻射遇到空氣分子、塵粒、云滴等質(zhì)點時就要發(fā)生散射。,分子散射：質(zhì)點的直徑小于輻射波長,選擇性 波長越短散射越猛烈,對稱性 光學對稱性,米散射：質(zhì)點的直徑大于輻射波長,無選擇性 漫射,偏不對稱性,3、大氣對太陽輻射的反射,大氣對太陽輻射有反射作用，尤其是云能猛烈地反射太陽輻射。,不同的云狀、云厚對太陽輻射反射不同,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，進入大氣的太陽輻射30%被漫射和散射回宇宙空間，20%被大氣吸取，50%穿過大氣到達地面。由此也可見，太陽,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，尤其是云層對太陽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，形成了到達地面的散射輻射；吸取作用相對最小。以全球平均而言，太陽輻射約有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到達地面被吸取。,三到達地面的太陽輻射,直射輻射：以平行光線到達地面的太陽輻射,散射輻射：以散
7、射光形式到達地面的太陽輻射,總輻射：直射輻射與散射輻射之和。,1、直射輻射,影響到達地面太陽直射輻射強弱的因子主要有二：,1)太陽高度角,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,影響到達地面太陽散射輻射強弱的因子主要有二：,1)太陽高度角,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,影響到達地面太陽總輻射強弱的主要因子,1)太陽高度角,2)大氣透亮度,年變化、日變化和隨緯度的變化,四地面對太陽輻射的反射,地面反射率：a=Q反/Q,到達地面的太陽總輻
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,太陽輻射能量集中在波長0.154.0um,而地面和大氣的輻射集中在3.0120.0um，因此我們稱太陽輻射為短波輻射，地面和大氣輻射,稱為長波輻射。,二地面、大氣長波輻射的特點,1、大氣對長波輻射的吸取,大氣窗口,2、大氣中長波輻射的特點,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,-23c-15c-38c 大氣保溫效應,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,R,g,0 時，即地面收入的太陽輻射大于地面有效輻射，地面有熱量收入。,當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后，返回或遠離原平衡位置的趨勢和程度。,一團空氣
10、受對流沖擊產(chǎn)生垂直運動，分三種狀況：,受力移動，漸漸減速，并有返回原來位置的趨勢，穩(wěn)定；,受力移動，漸漸加速，并有遠離原來位置的趨勢，不穩(wěn)定；,受力移動，既不加速，也不減速，中性。,準靜力學條件：,P=Pi，Ti、Di 與 T、D不等。,單位體積空氣受兩個力的作用：,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,實際上，空氣是否穩(wěn)定準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$Z(r-rd)/T,(r-rd)的符號準備了加速度a與擾動位移$Z 的方向是否全都，亦準備了大氣是否穩(wěn)定。,當r0，則ard，假設$Z 0，則a0，加速度與位移方向全都，層結不穩(wěn)定。,當r=rd，a=0,層結是中型的。,上述結論可以用層結曲線和狀態(tài)曲線來爭論,層結曲線：大氣溫度隨高度變化曲線,狀態(tài)曲線：上升空氣塊溫度隨高度變化曲線,Ti為空氣團溫度，T為空氣溫度,同理，飽和濕空氣垂直時,氣溫直減率rm,a=g$Z(r-rm)/T,當r0，則arm，假設$Z 0，則a0，加速度與位移方向全都，層結不穩(wěn)定。,當
12、r=rm，a=0,層結是中型的。,綜上爭論：,1、r愈大，大氣愈不穩(wěn)定。r愈小，甚至等于0，將阻礙垂直運動的進展。,2、當rrd，不管空氣是否到達飽和，大氣總是處于不穩(wěn)定狀態(tài)，稱確定不穩(wěn)定。,4、當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,
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