1、大氣科學(xué)基礎(chǔ)大氣科學(xué)基礎(chǔ)期中復(fù)習(xí)期中復(fù)習(xí)大氣科學(xué)基礎(chǔ)大氣科學(xué)基礎(chǔ)大氣圈的基本結(jié)構(gòu)大氣圈的基本結(jié)構(gòu)大氣演變的描述大氣演變的描述基本氣象要素基本氣象要素大氣內(nèi)最基本的熱力、大氣內(nèi)最基本的熱力、動(dòng)力及相態(tài)變化過(guò)程動(dòng)力及相態(tài)變化過(guò)程靜力學(xué)和大氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)靜力學(xué)和大氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)大氣熱力學(xué)大氣熱力學(xué)輻射過(guò)程輻射過(guò)程大氣水分的相態(tài)變化大氣水分的相態(tài)變化主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：緒論緒論大氣概述、氣象要素的特征、變化和分布大氣概述、氣象要素的特征、變化和分布大氣靜力學(xué)大氣靜力學(xué)大氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)大氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)太陽(yáng)、地面和大氣的輻射太陽(yáng)、地面和大氣的輻射大氣概述大氣概述l大氣圈的組成大氣圈的組成 基本情況以及溫室氣體基本

2、情況以及溫室氣體l大氣圈的結(jié)構(gòu)大氣圈的結(jié)構(gòu) 垂直分層以及各層的特點(diǎn)垂直分層以及各層的特點(diǎn)從地面到從地面到100千米高度的大氣可看為三個(gè)部分組成：千米高度的大氣可看為三個(gè)部分組成：+干潔大氣：不包含水汽和氣溶膠粒子的純凈大氣干潔大氣：不包含水汽和氣溶膠粒子的純凈大氣+水汽：水汽：+氣溶膠質(zhì)粒：懸浮于空氣中的液體和固體粒子氣溶膠質(zhì)粒：懸浮于空氣中的液體和固體粒子Water vapor has several very important functional roles on our planet:1. It redistributes heat energy on the Earth throu

3、gh latent heat energy exchange. 2. The condensation of water vapor creates precipitation that falls to the Earths surface providing needed fresh water for plants and animals.3. It helps warm the Earths atmosphere through the greenhouse effect.+氣溶膠粒子對(duì)輻射的吸收和散射、云霧降氣溶膠粒子對(duì)輻射的吸收和散射、云霧降水的形成、大氣污染以及大氣光學(xué)與電學(xué)水的

4、形成、大氣污染以及大氣光學(xué)與電學(xué)現(xiàn)象的產(chǎn)生都具有重要的作用?，F(xiàn)象的產(chǎn)生都具有重要的作用。+氣溶膠粒子的來(lái)源可分為人工源和自然源氣溶膠粒子的來(lái)源可分為人工源和自然源兩大類(lèi)。兩大類(lèi)。大氣的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)無(wú)論在水平方向還是在垂直方大氣的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)無(wú)論在水平方向還是在垂直方向上都是不均勻的向上都是不均勻的按照大氣的化學(xué)成分劃分，大氣垂直方向可分為均質(zhì)層和按照大氣的化學(xué)成分劃分，大氣垂直方向可分為均質(zhì)層和非均質(zhì)層非均質(zhì)層按照大氣的壓力結(jié)構(gòu)劃分，大氣垂直方向可分為氣壓層和按照大氣的壓力結(jié)構(gòu)劃分，大氣垂直方向可分為氣壓層和逸散層逸散層按照大氣的電離結(jié)構(gòu)劃分，大氣可分為電離層和磁層按照大氣的電離結(jié)

5、構(gòu)劃分，大氣可分為電離層和磁層按照溫度變化劃分，大氣在垂直方向可分為：對(duì)流層、平按照溫度變化劃分，大氣在垂直方向可分為：對(duì)流層、平流層、中間層、熱層以及外層流層、中間層、熱層以及外層Vertical change in average global atmospheric temperature 氣象要素的特征、變化和分布?xì)庀笠氐奶卣?、變化和分布l 影響溫度變化的因子（輻射加熱、潛熱加熱以及與周?chē)绊憸囟茸兓囊蜃樱ㄝ椛浼訜?、潛熱加熱以及與周?chē)臒崃拷粨Q）的熱量交換）l溫度的時(shí)間演變特征溫度的時(shí)間演變特征l溫度的空間分布特征溫度的空間分布特征溫度溫度l大氣中常見(jiàn)的氣壓型大氣中常見(jiàn)的氣壓型l全

6、球氣壓分布的基本特征全球氣壓分布的基本特征氣壓氣壓l影響風(fēng)的因子（科氏力、地轉(zhuǎn)風(fēng)、摩擦力的作用等）影響風(fēng)的因子（科氏力、地轉(zhuǎn)風(fēng)、摩擦力的作用等）l山谷風(fēng)和海陸風(fēng)山谷風(fēng)和海陸風(fēng)l全球風(fēng)系（及其與氣壓型的聯(lián)系）全球風(fēng)系（及其與氣壓型的聯(lián)系）風(fēng)風(fēng)Measurement Scale Steam Point of Water Ice Point of Water Absolute Zero Fahrenheit212 32 -459 Celsius100 0 -273 Kelvin373 273 0 Temperature of absolute zero, the ice point of water

7、, and the stream point of water using various temperature measurement scales converts temperature from Fahrenheit to Celsius and vice versa :Celsius = (Fahrenheit - 32) * 5/9Fahrenheit = Celsius * 9/5 + 32converts temperature from Celsius to KelvinKelvin=Celsius +273 攝氏、華氏以及開(kāi)氏溫度的相互轉(zhuǎn)換攝氏、華氏以及開(kāi)氏溫度的相互轉(zhuǎn)換

8、影響局地氣溫變化的因子影響局地氣溫變化的因子l太陽(yáng)輻射加熱太陽(yáng)輻射加熱l冷暖平流冷暖平流l凝結(jié)、蒸發(fā)潛熱凝結(jié)、蒸發(fā)潛熱l云覆蓋云覆蓋冷（暖）平流冷（暖）平流空氣的溫度平流空氣的溫度平流空氣平流運(yùn)動(dòng)傳熱過(guò)程引起局地氣溫變化稱(chēng)為溫度平流空氣平流運(yùn)動(dòng)傳熱過(guò)程引起局地氣溫變化稱(chēng)為溫度平流TvtThhh)(warmcoldT1T2T3T4warmcoldT1T2T3T4ThhvThhv如果風(fēng)向與水平溫度梯度如果風(fēng)向與水平溫度梯度的交角小于的交角小于900暖平流暖平流如果風(fēng)向與水平溫度梯度如果風(fēng)向與水平溫度梯度的交角大于的交角大于900冷平流冷平流氣溫的空間變化氣溫的空間變化l熱帶地區(qū)溫度高，中高緯度地區(qū)

9、溫度低熱帶地區(qū)溫度高，中高緯度地區(qū)溫度低l夏季海洋比陸地溫度低，冬季海洋比陸地溫度高夏季海洋比陸地溫度低，冬季海洋比陸地溫度高l海洋上溫度分布相對(duì)均勻海洋上溫度分布相對(duì)均勻l由于下墊面的不均勻，形成了許多的冷暖中心由于下墊面的不均勻，形成了許多的冷暖中心（如：西伯利亞、格陵蘭等是冷中心；澳大利亞、（如：西伯利亞、格陵蘭等是冷中心；澳大利亞、非洲等地形成暖中心）非洲等地形成暖中心）l山脈南麓氣溫高，北麓氣溫低山脈南麓氣溫高，北麓氣溫低天氣圖中最常見(jiàn)的5種氣壓形勢(shì)高壓低壓鞍型場(chǎng)槽線脊線全球氣壓分布特征全球氣壓分布特征l全球氣壓帶的分布特征是由太陽(yáng)輻射、地球全球氣壓帶的分布特征是由太陽(yáng)輻射、地球自轉(zhuǎn)

10、效應(yīng)、海陸分布等因子決定的。自轉(zhuǎn)效應(yīng)、海陸分布等因子決定的。l總體而言，可分為四大氣壓帶，即：極地高總體而言，可分為四大氣壓帶，即：極地高壓帶壓帶(Polar High)、副極地低壓帶、副極地低壓帶(Subpolar Low)、副熱帶高壓帶、副熱帶高壓帶(Subtropical High)、赤、赤道低壓帶道低壓帶(Equatorial Low)l由于由于海陸分布的差異，上述的氣壓帶并由于由于海陸分布的差異，上述的氣壓帶并不隨緯度均勻分布，在海平面氣壓圖上表現(xiàn)為不隨緯度均勻分布，在海平面氣壓圖上表現(xiàn)為永久性和季節(jié)性的大氣活動(dòng)中心永久性和季節(jié)性的大氣活動(dòng)中心海平面氣壓場(chǎng)上的大氣活動(dòng)中心半永久性活動(dòng)

11、中心太平洋副高、大西洋副高、冰島低壓、阿留申低壓、格陵蘭高壓季節(jié)性活動(dòng)中心西伯利亞高壓、北美高壓、亞洲熱低壓、北美低壓為什么半永久性活動(dòng)中心出現(xiàn)于海洋，而季節(jié)性活動(dòng)中心出現(xiàn)于大陸？地球自轉(zhuǎn)作用三圈環(huán)流的形成 赤道地區(qū)受熱上升的氣流，流向極地；在地球自轉(zhuǎn)偏向力的作用下，逐步變?yōu)槠鳉饬鳎铚丝諝獾谋鄙?，?00附近積聚下沉；下沉到達(dá)地面后一支回流赤道，形成了Hadley環(huán)流圈；另一支繼續(xù)北上，與極地下沉的南流氣流在600附近匯合上升；上升到高空一支南流形成中緯度Ferrel環(huán)流圈；一支北流形成極地環(huán)流圈。與三圈環(huán)流相對(duì)應(yīng)，是所謂的“三風(fēng)四帶”，即：極地東風(fēng)(Polar Easterlies)中

12、緯度西風(fēng)(Westerlies)低緯度信風(fēng)(Trades)極地高壓帶(Polar High)副極地低壓帶(Subpolar Low)副熱帶高壓帶(Subtropical High)赤道低壓帶(Equatorial Low)赤道低壓帶又稱(chēng)為熱帶輻合帶赤道低壓帶又稱(chēng)為熱帶輻合帶(InterTropical Convergence Zone)，簡(jiǎn)稱(chēng)簡(jiǎn)稱(chēng)ITCZ，它是南北半球兩支信風(fēng)，它是南北半球兩支信風(fēng)在赤道地區(qū)匯合而形成的低氣壓區(qū)在赤道地區(qū)匯合而形成的低氣壓區(qū)大氣中水汽的含量雖然不多，卻是大氣中極其活躍的成分，在天氣和氣候大氣中水汽的含量雖然不多，卻是大氣中極其活躍的成分，在天氣和氣候中扮演著重要

13、的角色。大氣中的水汽含量有很多種測(cè)量方法，日常生活中中扮演著重要的角色。大氣中的水汽含量有很多種測(cè)量方法，日常生活中人們最關(guān)心的是水汽壓、絕對(duì)濕度和相對(duì)濕度。人們最關(guān)心的是水汽壓、絕對(duì)濕度和相對(duì)濕度。水汽壓水汽壓（e）是大氣壓力中水汽的分壓力，和氣壓一樣用百帕來(lái)度量。）是大氣壓力中水汽的分壓力，和氣壓一樣用百帕來(lái)度量。以前氣壓和水汽壓常以水銀柱的毫米數(shù)來(lái)測(cè)度，以前氣壓和水汽壓常以水銀柱的毫米數(shù)來(lái)測(cè)度，1百帕百帕0.75008毫米水銀毫米水銀柱。在一定溫度下空氣中水汽達(dá)到飽和時(shí)的分壓力，稱(chēng)為飽和水汽壓柱。在一定溫度下空氣中水汽達(dá)到飽和時(shí)的分壓力，稱(chēng)為飽和水汽壓(E)。飽和水汽壓隨著氣溫的升高而迅

14、速增加。飽和水汽壓隨著氣溫的升高而迅速增加。絕對(duì)濕度絕對(duì)濕度(a)指單位體積濕空氣中含有的水汽質(zhì)量，也就是空氣中的水指單位體積濕空氣中含有的水汽質(zhì)量，也就是空氣中的水汽密度，單位為克汽密度，單位為克/厘米厘米3或千克或千克/米米3。絕對(duì)濕度不容易直接測(cè)量，實(shí)際使用。絕對(duì)濕度不容易直接測(cè)量，實(shí)際使用比較少。比較少。 相對(duì)濕度相對(duì)濕度(f)指空氣的水汽壓指空氣的水汽壓e與同一溫度下的飽和水汽壓與同一溫度下的飽和水汽壓E之比，以百之比，以百分?jǐn)?shù)表示。相對(duì)濕度的大小表示空氣接近飽和的程度。當(dāng)分?jǐn)?shù)表示。相對(duì)濕度的大小表示空氣接近飽和的程度。當(dāng)f=100時(shí)，表時(shí)，表示空氣已經(jīng)達(dá)到飽和；未飽和時(shí)，示空氣已經(jīng)

15、達(dá)到飽和；未飽和時(shí)，f0時(shí)時(shí)dp0，說(shuō)明氣壓隨高度是下降的，說(shuō)明氣壓隨高度是下降的l由于由于g隨高度的變化很小，所以氣壓隨高度下降的隨高度的變化很小，所以氣壓隨高度下降的快慢主要取決于密度。大氣層低層密度大，氣壓隨快慢主要取決于密度。大氣層低層密度大，氣壓隨高度下降快；大氣層高層密度小，氣壓隨高度下降高度下降快；大氣層高層密度小，氣壓隨高度下降的慢的慢l將靜力學(xué)方程從任意高度將靜力學(xué)方程從任意高度z積分到大氣上界，得積分到大氣上界，得zzgdzp表明任意高度表明任意高度z處的氣壓等于從該高度到大氣上界的處的氣壓等于從該高度到大氣上界的單位截面積氣柱所受的重力。單位截面積氣柱所受的重力。均質(zhì)大氣

16、的壓高公式均質(zhì)大氣的壓高公式所謂均質(zhì)大氣，即假定大氣密度不隨高度變化所謂均質(zhì)大氣，即假定大氣密度不隨高度變化（密度為常數(shù)）的大氣。對(duì)靜力學(xué)方程積分：（密度為常數(shù)）的大氣。對(duì)靜力學(xué)方程積分：zppgdzdpz000gzppz00均質(zhì)大氣均質(zhì)大氣壓高公式壓高公式等溫大氣的壓高公式等溫大氣的壓高公式dzTRgpdpgdzTRpgdzdp00氣溫不隨高度變化的大氣稱(chēng)為等溫大氣氣溫不隨高度變化的大氣稱(chēng)為等溫大氣HzzTRgzdzepepporzTRgppd000ln積分后可得積分后可得多元大氣的壓高公式多元大氣的壓高公式溫度隨高度線性遞減的大氣，稱(chēng)為多元大氣。當(dāng)溫度的垂直溫度隨高度線性遞減的大氣，稱(chēng)為多

17、元大氣。當(dāng)溫度的垂直遞減率為遞減率為zT時(shí)，時(shí)，z高度處的溫度可表示為高度處的溫度可表示為zTT0這樣，靜力學(xué)方程這樣，靜力學(xué)方程gdzdp可表示為可表示為zTdzRgpdpd0上式積分后可得上式積分后可得dRgzTzTpp)(000多元大氣中，氣壓隨高度變化與溫度的垂直遞多元大氣中，氣壓隨高度變化與溫度的垂直遞減率有關(guān)，溫度隨高度遞減得快，氣壓隨高度減率有關(guān)，溫度隨高度遞減得快，氣壓隨高度遞減得也快。遞減得也快。壓高公式的應(yīng)用壓高公式的應(yīng)用1、利用壓高公式可以計(jì)算出不同高度的氣壓值、利用壓高公式可以計(jì)算出不同高度的氣壓值2、利用壓高公式分析天氣系統(tǒng)的垂直結(jié)構(gòu)、利用壓高公式分析天氣系統(tǒng)的垂直結(jié)

18、構(gòu)到底哪種類(lèi)型的氣旋、反氣旋能延伸到較高的高度呢？到底哪種類(lèi)型的氣旋、反氣旋能延伸到較高的高度呢？深厚系統(tǒng)：暖高壓、冷低壓（冷渦）深厚系統(tǒng)：暖高壓、冷低壓（冷渦）淺薄系統(tǒng)：冷高壓、熱低壓淺薄系統(tǒng)：冷高壓、熱低壓 另外另外氣旋中心隨高度向冷區(qū)傾斜氣旋中心隨高度向冷區(qū)傾斜反氣旋中心隨高度向暖區(qū)傾斜反氣旋中心隨高度向暖區(qū)傾斜0,010101ppphereppRTppRTppRTpRTpmmmmmm上述現(xiàn)象可以用壓高公式進(jìn)行解釋溫度高時(shí)，同一溫度高時(shí)，同一等壓面位勢(shì)高度等壓面位勢(shì)高度增加的快增加的快低壓系統(tǒng)向冷區(qū)傾斜高壓系統(tǒng)向暖區(qū)傾斜淺薄的熱低壓淺薄的冷高壓g - pequation chydrost

19、ati thebecomes Which g - zp 1 - 0fu - yp 1 - dtdvfv xp 1 - dtduz影響風(fēng)的因子影響風(fēng)的因子l氣壓梯度力氣壓梯度力lCoriolis力力l摩擦力摩擦力g - cosu 2 zp 1 - dtdwsin u 2 - yp 1- dtdv cos w 2 - sin v 2 xp 1 - dtduEventhoughtheequationhasbeensimplifiedbyexcludingFrictionaleffectsandcombiningtheCentrifugalforcewiththeGravitationalforce,

20、itisstillacomplicatedequation.Tofurthersimplify,aprocessknownasScaleanalysisisemployed.WesimplyassigntypicalscalevaluestoeachelementandtheneliminatethosevalueswhichareSIGNIFICANTLYsmallerthantherestg - pequation chydrostati thebecomes Which g - zp 1 - 0fu - yp 1 - dtdvfv xp 1 - dtduz+（1）地轉(zhuǎn)風(fēng)）地轉(zhuǎn)風(fēng)+（2）梯

21、度風(fēng)）梯度風(fēng)+（3）熱成風(fēng)）熱成風(fēng)+地轉(zhuǎn)風(fēng)是在水平氣壓梯度力與水平地轉(zhuǎn)偏地轉(zhuǎn)風(fēng)是在水平氣壓梯度力與水平地轉(zhuǎn)偏向力達(dá)到平衡的風(fēng)，無(wú)加速度、無(wú)摩擦的向力達(dá)到平衡的風(fēng)，無(wú)加速度、無(wú)摩擦的空氣水平運(yùn)動(dòng)空氣水平運(yùn)動(dòng)LH980 mb984 mb988 mbPGFCoVEventually the Coriolis and PGF balance each other. Sincethere is no unbalanced force, there is no acceleration.The wind continues to move at constant speed in a straightli

22、ne (remember, no Friction). This is called:Geostrophic Windypfug1xpfvg1kPfVkjypixpfjxpfiypfVhgg1)(111地轉(zhuǎn)風(fēng)的矢量公式：地轉(zhuǎn)風(fēng)的矢量公式：地轉(zhuǎn)風(fēng)與等壓線平行，在北半球，地轉(zhuǎn)風(fēng)指向氣壓梯地轉(zhuǎn)風(fēng)與等壓線平行，在北半球，地轉(zhuǎn)風(fēng)指向氣壓梯度力的右方，在南半球，地轉(zhuǎn)風(fēng)指向低壓梯度力的左度力的右方，在南半球，地轉(zhuǎn)風(fēng)指向低壓梯度力的左方。即背風(fēng)而立，北半球低壓在左，高壓在右；南半方。即背風(fēng)而立，北半球低壓在左，高壓在右；南半球相反，低壓在右，高壓在左，這就是風(fēng)壓定律或稱(chēng)球相反，低壓在右，高壓在左，這就是風(fēng)壓定

23、律或稱(chēng)白貝羅定律。白貝羅定律。+地轉(zhuǎn)風(fēng)只解釋了大氣作等速直線運(yùn)動(dòng)的情地轉(zhuǎn)風(fēng)只解釋了大氣作等速直線運(yùn)動(dòng)的情況，但大氣的運(yùn)動(dòng)通常是曲線運(yùn)動(dòng)。況，但大氣的運(yùn)動(dòng)通常是曲線運(yùn)動(dòng)。無(wú)切向加速度，無(wú)摩擦的大氣水平運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為無(wú)切向加速度，無(wú)摩擦的大氣水平運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為梯度風(fēng)。梯度風(fēng)。The balance of forces that create a gradient wind in the Northern Hemisphere (PGF = pressure gradient force; CF = Coriolis force; Ce = centripetal force; http:/regentspre

24、/Regents/physics/phys06/bcentrif/ ). In this diagram, CF = Ce + PGF for the low, and PGF = CF + Ce for the high.fVnpRVt12梯度風(fēng)是水平氣壓梯度力、水平地轉(zhuǎn)偏向力和慣性梯度風(fēng)是水平氣壓梯度力、水平地轉(zhuǎn)偏向力和慣性離心力三者相平衡時(shí)的風(fēng)。離心力三者相平衡時(shí)的風(fēng)。012fVnpRVt+由于溫度水平分布不均勻引起的地轉(zhuǎn)風(fēng)隨高由于溫度水平分布不均勻引起的地轉(zhuǎn)風(fēng)隨高度會(huì)發(fā)生變化度會(huì)發(fā)生變化+熱成風(fēng)是上層地轉(zhuǎn)風(fēng)與下層地轉(zhuǎn)風(fēng)的矢量差熱成風(fēng)是上層地轉(zhuǎn)風(fēng)與下層地轉(zhuǎn)風(fēng)的矢量差用水平位勢(shì)梯

25、度表示的地轉(zhuǎn)風(fēng)公式用水平位勢(shì)梯度表示的地轉(zhuǎn)風(fēng)公式12ggTVVVkHfgVpg0在給定的兩個(gè)等壓面之間，只要有平均溫度的水平在給定的兩個(gè)等壓面之間，只要有平均溫度的水平梯度存在，就必定有熱成風(fēng)，這時(shí)地轉(zhuǎn)風(fēng)一定隨高梯度存在，就必定有熱成風(fēng)，這時(shí)地轉(zhuǎn)風(fēng)一定隨高度而變。度而變。熱成風(fēng)方向與氣層的水平平均溫度梯度相垂直。在北熱成風(fēng)方向與氣層的水平平均溫度梯度相垂直。在北半球，熱成風(fēng)指向水平平均溫度梯度的右方，在南半半球，熱成風(fēng)指向水平平均溫度梯度的右方，在南半球，熱成風(fēng)指向水平平均溫度梯度的左方；換言之，球，熱成風(fēng)指向水平平均溫度梯度的左方；換言之，背熱成風(fēng)而立，在北半球，低溫區(qū)在左，高溫區(qū)在右；背熱

26、成風(fēng)而立，在北半球，低溫區(qū)在左，高溫區(qū)在右；南半球反之。南半球反之。(1)摩擦對(duì)風(fēng)的影響摩擦對(duì)風(fēng)的影響(2)局地風(fēng)環(huán)流局地風(fēng)環(huán)流為什么低氣壓往往與降水等天氣相伴隨？而高為什么低氣壓往往與降水等天氣相伴隨？而高氣壓區(qū)卻總是晴朗天氣？氣壓區(qū)卻總是晴朗天氣？因?yàn)榈蜌鈮簠^(qū)伴隨著上升運(yùn)動(dòng)，而高氣壓區(qū)卻因?yàn)榈蜌鈮簠^(qū)伴隨著上升運(yùn)動(dòng)，而高氣壓區(qū)卻總是下沉運(yùn)動(dòng)。總是下沉運(yùn)動(dòng)。為什么低氣壓往往伴隨著上升運(yùn)動(dòng)？而高氣壓為什么低氣壓往往伴隨著上升運(yùn)動(dòng)？而高氣壓區(qū)卻總是下沉運(yùn)動(dòng)？區(qū)卻總是下沉運(yùn)動(dòng)？l自由大氣的大尺度運(yùn)動(dòng)是準(zhǔn)地轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，亦即是自由大氣的大尺度運(yùn)動(dòng)是準(zhǔn)地轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，亦即是地轉(zhuǎn)偏向力和氣壓梯度力的平衡。地轉(zhuǎn)偏向力和

27、氣壓梯度力的平衡。l在北半球，地轉(zhuǎn)偏向力與風(fēng)向垂直，且偏向右在北半球，地轉(zhuǎn)偏向力與風(fēng)向垂直，且偏向右側(cè)側(cè)l因此，在北半球，低氣壓對(duì)應(yīng)著逆時(shí)針的氣旋因此，在北半球，低氣壓對(duì)應(yīng)著逆時(shí)針的氣旋運(yùn)動(dòng)；高氣壓對(duì)應(yīng)著順時(shí)針的反氣旋運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)；高氣壓對(duì)應(yīng)著順時(shí)針的反氣旋運(yùn)動(dòng)邊界層中風(fēng)向與水平氣邊界層中風(fēng)向與水平氣壓場(chǎng)的關(guān)系：壓場(chǎng)的關(guān)系：在北半球，背風(fēng)而立，在北半球，背風(fēng)而立，高壓在右后方，低壓在高壓在右后方，低壓在左前方，南半球反之。左前方，南半球反之。邊界層摩擦作用使氣旋區(qū)輻合上升，反氣旋區(qū)邊界層摩擦作用使氣旋區(qū)輻合上升，反氣旋區(qū)輻散下沉輻散下沉局地風(fēng)環(huán)流局地風(fēng)環(huán)流l局地?zé)崃π?yīng)所產(chǎn)生的環(huán)流局地?zé)崃π?yīng)所產(chǎn)

28、生的環(huán)流l山谷風(fēng)山谷風(fēng)l海陸風(fēng)海陸風(fēng)第三章第三章 太陽(yáng)、地面和大氣的輻射太陽(yáng)、地面和大氣的輻射1 輻射的基本知識(shí)輻射的基本知識(shí)2 2 太陽(yáng)輻射太陽(yáng)輻射3 3 地面和大氣輻射地面和大氣輻射4 4 地面、大氣及地氣系統(tǒng)的輻射平衡地面、大氣及地氣系統(tǒng)的輻射平衡5 5 溫室氣體效應(yīng)溫室氣體效應(yīng)1 1 輻射的基本知識(shí)輻射的基本知識(shí)（1）輻射和輻射能）輻射和輻射能（2）輻射光譜）輻射光譜（3）物體對(duì)輻射的吸收、反射和透射）物體對(duì)輻射的吸收、反射和透射（4）輻射的基本定律）輻射的基本定律輻輻射射：以電磁波傳遞能量的過(guò)程熱熱輻射輻射：由于熱的原因而發(fā)生的輻射fc 熱輻射是電磁波，它有一般電磁波的共性，即它是以

29、光速在空間傳播的。有下列關(guān)系成立：式中：C 速度 f 頻率 波長(zhǎng)（1）輻射和輻射能）輻射和輻射能輻射輻射，指物體以電磁波形式傳播能量的過(guò)程，通過(guò)輻射過(guò)程傳播的能量成為輻射能。 所有物體，只要它的溫度高于絕對(duì)0度，都要以電磁波形式向外輻射能量； 輻射能的傳播不需要介質(zhì)； 輻射能在傳播過(guò)程中會(huì)被吸收或者被反射； 物體在輻射過(guò)程中會(huì)消耗能量：消耗本身內(nèi)能或者需要外界供給能量； 傳播輻射能的電磁波具有不同的波長(zhǎng)。熱輻射（溫度輻射），熱輻射（溫度輻射），物體減少本身的內(nèi)能或者是物體吸收外界傳來(lái)的熱量而產(chǎn)生的輻射。太陽(yáng)輻射的波長(zhǎng)范圍主要在0.15-4微米太陽(yáng)短波輻射太陽(yáng)短波輻射地面和大氣的輻射波長(zhǎng)范圍在3

30、-120微米地面長(zhǎng)波輻射、大氣長(zhǎng)波輻射地面長(zhǎng)波輻射、大氣長(zhǎng)波輻射Suns energy 0.35 m； Earths energy 350 mThis accounts for about half of the suns output. About 10% is UV, and 40% is infrared.Earths output focus on thermal infrared.輻射通量、輻射通量密度、輻射強(qiáng)度和輻射亮度物輻射通量、輻射通量密度、輻射強(qiáng)度和輻射亮度物理意義理意義輻射通量：?jiǎn)挝粫r(shí)間燈泡的總輻射能量（輻射通量：?jiǎn)挝粫r(shí)間燈泡的總輻射能量（W）輻射通量密度：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位面積

31、的輻射能量輻射通量密度：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位面積的輻射能量（ Wm-2）輻射強(qiáng)度：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位立體角的輻射能量（輻射強(qiáng)度：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位立體角的輻射能量（ Wsr-1）輻射亮度輻射亮度(L)：選定方向上，單位立體角中單位面積：選定方向上，單位立體角中單位面積的輻射通量的輻射通量（2）輻射光譜）輻射光譜輻射能，輻射能，以電磁波的形式傳播的。對(duì)于一個(gè)輻射體，它所發(fā)射的輻射能可以包含各種各樣的波長(zhǎng)。為了準(zhǔn)確地描述輻射能的性質(zhì)，需要引入一個(gè)能確定輻射能按照波長(zhǎng)分布的函數(shù)輻射光譜輻射光譜設(shè)一物體的輻射通量密度為F，在波長(zhǎng)至+d的輻射能力為dF，則：ddFFordFdFF是單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)的輻射出射度，它隨波長(zhǎng)而變，

32、稱(chēng)為分光輻射出射度分光輻射出射度，或稱(chēng)為單色輻射通量密度單色輻射通量密度，又稱(chēng)為輻射能隨波長(zhǎng)的分布函數(shù)輻射能隨波長(zhǎng)的分布函數(shù)。不同的輻射體有不同的分布函數(shù)。輻射體全波長(zhǎng)的輻射能可由積分得到：dFF0（3）物體對(duì)輻射的吸收、反射和透射）物體對(duì)輻射的吸收、反射和透射70 光輻射大家是熟悉的。當(dāng)一束光投在一物體上后，一部分被吸收，一部分被反射，還有一部分穿過(guò)物體。熱輻射也有同樣的性質(zhì)。 投射輻射為Q, 如圖，其中： QQQQ1/QQQQQQ吸收：Q 反射：Q 穿透：Q 輻射能守恒：或：QQQ /吸收比吸收比(率率)： 反射比反射比(率率)： 穿透比穿透比(率率)：QQ /QQ /（3）輻射的基本定律

33、）輻射的基本定律 Kirchhoffs Laws Planck Radiation Law（黑體輻射） The Wien and Stefan-Boltzmann Laws （黑體輻射）任何0K以上溫度的物體都會(huì)發(fā)射各種波長(zhǎng)的電磁波，這種由于物體中的分子、原子受到熱激發(fā)而發(fā)射電磁波的現(xiàn)象稱(chēng)為熱輻射。熱輻射具有連續(xù)的輻射譜，波長(zhǎng)自遠(yuǎn)紅外區(qū)到紫外區(qū)，并且輻射能按波長(zhǎng)的分布主要決定于物體的溫度。下面介紹熱輻射的一些基本定律。 Kirchhoffs Laws基爾霍夫定律，基爾霍夫定律，研究熱輻射的基礎(chǔ)，它說(shuō)明了一定溫度下物體輻射能力與吸收率之間的關(guān)系； 基爾霍夫定律表明，在輻射平衡條件下，任一物體的單

34、色輻射能力與物體對(duì)該波長(zhǎng)的吸收率之比值，是一個(gè)溫度與波長(zhǎng)的普適函數(shù)，而與物體的性質(zhì)無(wú)關(guān)：)()()()()(2211TETTFTTFvvvvv 如果該物體對(duì)某一波長(zhǎng)為黑體，吸收率等于1，這樣普適函數(shù)就和黑體的輻射能力相等。因此，基爾霍夫定律也可以表達(dá)為：任何物體的輻射能力與其吸收率之比等于相同溫度下的黑體輻射能力。 基爾霍夫定律的意義意義：把物體的吸收率、放射率和黑體輻射聯(lián)系在一起。 Planck Radiation LawThe primary law governing blackbody radiation is the Planck Radiation Law, which gover

35、ns the intensity of radiation emitted by unit surface area into a fixed direction (solid angle) from the blackbody as a function of wavelength for a fixed temperature. 對(duì)應(yīng)任一溫度，單色輻射出射度隨波長(zhǎng)連續(xù)變化，且只有一個(gè)峰值，對(duì)應(yīng)不同溫度的曲線不相交。因而溫度能唯一確定單色輻射出射度的光譜分布和輻射出射度（即曲線下的面積）單色輻射出射度隨溫度的升高而增大單色輻射出射度的峰值隨溫度的升高向短波方向移動(dòng) The Wien and

36、Stefan-Boltzmann LawsThe Wien Displacement Law, and the Stefan-Boltzmann Law are illustrated in the following equations. 對(duì)普朗克公式積分可得對(duì)普朗克函數(shù)求波長(zhǎng)曲線極值可得2 2 太陽(yáng)輻射太陽(yáng)輻射（1）太陽(yáng)光譜和太陽(yáng)常數(shù)）太陽(yáng)光譜和太陽(yáng)常數(shù)（2）大氣上界的太陽(yáng)輻射）大氣上界的太陽(yáng)輻射（3）太陽(yáng)輻射在大氣中的衰減）太陽(yáng)輻射在大氣中的衰減（4）到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射）到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射（1 1）太陽(yáng)光譜和太陽(yáng)常數(shù)）太陽(yáng)光譜和太陽(yáng)常數(shù)太陽(yáng)輻射能量隨波長(zhǎng)的分布稱(chēng)為太陽(yáng)輻射光譜太陽(yáng)輻射能量

37、隨波長(zhǎng)的分布稱(chēng)為太陽(yáng)輻射光譜根據(jù)根據(jù)Stefan-Boltzmann定律推算太陽(yáng)表面溫度約為定律推算太陽(yáng)表面溫度約為6000K。根據(jù)根據(jù)Wien位移定律可以計(jì)算出太陽(yáng)輻射能力峰值所位移定律可以計(jì)算出太陽(yáng)輻射能力峰值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為0.475微米（相當(dāng)于青光部分）微米（相當(dāng)于青光部分）太陽(yáng)的全部輻射能中，波長(zhǎng)在太陽(yáng)的全部輻射能中，波長(zhǎng)在0.15-4.00微米之間的微米之間的占占99%以上。紫外光區(qū)（以上。紫外光區(qū)（0.76微米）占微米）占43%。因此，太陽(yáng)輻射被稱(chēng)為短波。因此，太陽(yáng)輻射被稱(chēng)為短波輻射。輻射。太陽(yáng)光譜太陽(yáng)光譜 太陽(yáng)輻射光譜太陽(yáng)輻射光譜(2) (2) 大氣上界的太陽(yáng)輻射大氣

38、上界的太陽(yáng)輻射太陽(yáng)輻射在大氣上界的時(shí)空變化是由太陽(yáng)和地球間太陽(yáng)輻射在大氣上界的時(shí)空變化是由太陽(yáng)和地球間的天文位置決定的，又稱(chēng)為天文輻射。除太陽(yáng)本身的天文位置決定的，又稱(chēng)為天文輻射。除太陽(yáng)本身的變化外，太陽(yáng)在大氣上界輻射量主要取決于日地的變化外，太陽(yáng)在大氣上界輻射量主要取決于日地距離、太陽(yáng)高度和白晝長(zhǎng)度距離、太陽(yáng)高度和白晝長(zhǎng)度3 3個(gè)因子。個(gè)因子。日地距離因子的影響日地距離因子的影響假定太陽(yáng)輻射能恒定不變，我假定太陽(yáng)輻射能恒定不變，我們有們有0220020244SrrSSrSrr0日地平均距離日地平均距離S0太陽(yáng)常數(shù)太陽(yáng)常數(shù)r太陽(yáng)到大氣層上界的實(shí)際距太陽(yáng)到大氣層上界的實(shí)際距離離S到達(dá)大氣層上界的

39、太陽(yáng)輻到達(dá)大氣層上界的太陽(yáng)輻射射大氣上界與陽(yáng)光垂直的表面上太陽(yáng)輻射強(qiáng)度與日大氣上界與陽(yáng)光垂直的表面上太陽(yáng)輻射強(qiáng)度與日地距離平方成反比。地距離平方成反比。（3 3）太陽(yáng)輻射在大氣中的衰減）太陽(yáng)輻射在大氣中的衰減可以看出，到達(dá)地表的太陽(yáng)輻射同大氣上界的太陽(yáng)輻射具有很大的差別。這是因?yàn)樘?yáng)輻射通過(guò)大氣時(shí)，大氣對(duì)輻射有吸收、散射、反射等作用，太陽(yáng)光譜中不同的波長(zhǎng)將受到不同程度的削弱，使投射到大氣上界的太陽(yáng)輻射不能完全到達(dá)地面。太陽(yáng)輻射在大氣中的散射太陽(yáng)輻射在大氣中的散射光通過(guò)密度或折射率分布不均的介質(zhì)光通過(guò)密度或折射率分布不均的介質(zhì)時(shí)，除光的傳播方向外，在其它方向也時(shí)，除光的傳播方向外，在其它方向也可

40、見(jiàn)到光，這種現(xiàn)象稱(chēng)為散射，在傳播可見(jiàn)到光，這種現(xiàn)象稱(chēng)為散射，在傳播方向以外的光稱(chēng)為散射光。方向以外的光稱(chēng)為散射光。瑞利散射（分子散射），太陽(yáng)輻射遇瑞利散射（分子散射），太陽(yáng)輻射遇到直徑比其波長(zhǎng)小的空氣分子發(fā)生的散到直徑比其波長(zhǎng)小的空氣分子發(fā)生的散射。瑞利散射是有選擇性的，波長(zhǎng)越短射。瑞利散射是有選擇性的，波長(zhǎng)越短散射越強(qiáng)。太陽(yáng)輻射通過(guò)大氣時(shí)，由于散射越強(qiáng)。太陽(yáng)輻射通過(guò)大氣時(shí)，由于空氣分子散射的結(jié)果，波長(zhǎng)較短的光被空氣分子散射的結(jié)果，波長(zhǎng)較短的光被散射得較多。雨后天晴，天空呈青蘭色散射得較多。雨后天晴，天空呈青蘭色就是因?yàn)檩椛渲星嗵m色波長(zhǎng)較短，容易就是因?yàn)檩椛渲星嗵m色波長(zhǎng)較短，容易被大氣散射的緣

41、故。被大氣散射的緣故。粗顆粒散射粗顆粒散射（米散射米散射），太陽(yáng)輻射遇到懸浮在空氣中的煙塵、水滴等比波長(zhǎng)尺度大的顆粒時(shí)所發(fā)生的散射。粗顆粒散射是沒(méi)有選擇性的，各個(gè)波長(zhǎng)的輻射都同樣的被散射，因此也稱(chēng)為漫散射。如空氣中存在較多的塵埃或霧粒，一定范圍的長(zhǎng)短波都被同樣的散射，使天空呈灰白色的。太陽(yáng)輻射在大氣中的反射太陽(yáng)輻射在大氣中的反射 大氣中云層和較大顆粒的埃塵能將太陽(yáng)輻射中的大氣中云層和較大顆粒的埃塵能將太陽(yáng)輻射中的一部分能量反射到宇宙空間去。反射對(duì)各波長(zhǎng)沒(méi)一部分能量反射到宇宙空間去。反射對(duì)各波長(zhǎng)沒(méi)有選擇性，所以反射光呈白色。有選擇性，所以反射光呈白色。 其中反射最明顯的是云。不同的云量，不同的云

42、其中反射最明顯的是云。不同的云量，不同的云狀，云的不同厚度所發(fā)生的反射是不同的。高云狀，云的不同厚度所發(fā)生的反射是不同的。高云平均反射平均反射25，中云平均反射，中云平均反射50，低云平均反，低云平均反射射65，很厚的云層反射可達(dá)，很厚的云層反射可達(dá)90?；\統(tǒng)地講，。籠統(tǒng)地講，云量反射平均達(dá)云量反射平均達(dá)5055。(4) 到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射包括了直接投射到地面上的直到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射包括了直接投射到地面上的直接輻射和以散射的形式到達(dá)地面的散射輻射兩部份接輻射和以散射的形式到達(dá)地面的散射輻射兩部份 直接輻射直接輻射太陽(yáng)以平行光線的形式，投射到地面上的那一部份太

43、陽(yáng)以平行光線的形式，投射到地面上的那一部份輻射能，稱(chēng)為直接輻射。通常以到達(dá)水平面上的太輻射能，稱(chēng)為直接輻射。通常以到達(dá)水平面上的太陽(yáng)直接輻射的輻照度來(lái)表示直接輻射的大小。陽(yáng)直接輻射的輻照度來(lái)表示直接輻射的大小。由于太陽(yáng)常數(shù)變化很小，及日地距離的變化影響不由于太陽(yáng)常數(shù)變化很小，及日地距離的變化影響不大，所以太陽(yáng)直接輻射的大小主要是由太陽(yáng)高度角大，所以太陽(yáng)直接輻射的大小主要是由太陽(yáng)高度角和大氣透明度所決定的。和大氣透明度所決定的。 散射輻射散射輻射太陽(yáng)輻射在通過(guò)大氣時(shí)受到散射，其中散射向地面太陽(yáng)輻射在通過(guò)大氣時(shí)受到散射，其中散射向地面的那一部份能量以及云層等向地面反射的一部份太的那一部份能量以及云

44、層等向地面反射的一部份太陽(yáng)輻射，統(tǒng)稱(chēng)為天空漫射輻射，習(xí)慣上稱(chēng)為散射輻陽(yáng)輻射，統(tǒng)稱(chēng)為天空漫射輻射，習(xí)慣上稱(chēng)為散射輻射。所以散射輻射可以說(shuō)是地平面上每單位時(shí)間在射。所以散射輻射可以說(shuō)是地平面上每單位時(shí)間在單位面積上接收到的來(lái)自天空一切方向的散射輻射單位面積上接收到的來(lái)自天空一切方向的散射輻射及反射的短波輻射量。及反射的短波輻射量。 總輻射總輻射同時(shí)到達(dá)地面（水平面）的太陽(yáng)直接輻射和散射輻同時(shí)到達(dá)地面（水平面）的太陽(yáng)直接輻射和散射輻射之和，稱(chēng)為總輻射。射之和，稱(chēng)為總輻射。顯然，總輻射量的大小決定于直接輻射和散射輻射。顯然，總輻射量的大小決定于直接輻射和散射輻射。也就是說(shuō)它與太陽(yáng)高度角、大氣透明系數(shù)、

45、云量等也就是說(shuō)它與太陽(yáng)高度角、大氣透明系數(shù)、云量等因子有關(guān)，但主要決定于直接輻射因子有關(guān)，但主要決定于直接輻射。 地面對(duì)太陽(yáng)輻射的反射地面對(duì)太陽(yáng)輻射的反射直接輻射和散射輻射到達(dá)地面時(shí)，將要受到地面的反直接輻射和散射輻射到達(dá)地面時(shí)，將要受到地面的反射。射。對(duì)于研究地面的輻射能收入來(lái)說(shuō)，必須知道地面的反對(duì)于研究地面的輻射能收入來(lái)說(shuō)，必須知道地面的反射輻射的能力。地面的反射輻射能力可以用反射率來(lái)射輻射的能力。地面的反射輻射能力可以用反射率來(lái)表示。對(duì)于不同性質(zhì)的下墊面，其反射率的大小是不表示。對(duì)于不同性質(zhì)的下墊面，其反射率的大小是不一樣的。一樣的。 3 3 地面和大氣輻射地面和大氣輻射（1）地面和大氣

46、的長(zhǎng)波輻射）地面和大氣的長(zhǎng)波輻射（2）大氣對(duì)長(zhǎng)波輻射的吸收）大氣對(duì)長(zhǎng)波輻射的吸收（3）大氣逆輻射和地面有效輻射）大氣逆輻射和地面有效輻射（4）射出長(zhǎng)波輻射）射出長(zhǎng)波輻射（1）地面和大氣的長(zhǎng)波輻射）地面和大氣的長(zhǎng)波輻射地面輻射地面輻射，由地面發(fā)射的指向大氣的電磁波輻射。它大部分被大氣吸收，只有小部分直達(dá)宇宙空間。大氣輻射大氣輻射，大氣發(fā)射的長(zhǎng)波輻射，它一部分向下到達(dá)地面，一部分被周?chē)髿馕眨挥行〔糠值竭_(dá)宇宙空間。44TETEag式中，和分別地面和大氣的相對(duì)輻射率，又稱(chēng)為比輻射比輻射率率。因?yàn)榈厍虮砻婧痛髿獠皇菄?yán)格的黑體，因此要乘上和這兩個(gè)系數(shù)。Stefan-Boltzmann Law 不同性質(zhì)下墊面的相對(duì)輻射率不同性質(zhì)下墊面的相對(duì)輻射率下墊面性質(zhì)黑土黃黏土淺草表地沙土石灰?guī)r沙礫雪海水相對(duì)輻射率0.870.850.840.930.890.910.910.9950.96地面的平均溫度約為300K，對(duì)流層大氣的平均溫度約為250K，在這樣的溫度下，它們的熱輻射， 95以上的能量集中在3120m的波長(zhǎng)范圍內(nèi)。都是屬于肉眼不能直接看見(jiàn)的紅外輻射。其輻射能最大所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)在1015 m范圍內(nèi)。地面和大氣的輻射稱(chēng)為長(zhǎng)波輻地面和大氣的輻射稱(chēng)為長(zhǎng)波輻射射。 （2）地面和大氣長(zhǎng)波輻射的特點(diǎn)）地面和大氣長(zhǎng)波輻射的特點(diǎn) 大氣對(duì)長(zhǎng)波輻射的吸收大氣對(duì)長(zhǎng)波輻射的吸收 大氣對(duì)長(zhǎng)波輻