氣象學(xué)緒論

氣象與氣象學(xué)

氣象學(xué)的歷史、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)第一節(jié)氣象與氣象學(xué)氣象與氣象學(xué)的定義氣象在地球大氣中每時(shí)每刻都在發(fā)生著風(fēng)、雲(yún)、雨、雪、雷電、旱澇、寒暑等等各種各樣的自然現(xiàn)象，這些現(xiàn)象統(tǒng)稱為大氣現(xiàn)象，簡稱為氣象。

氣象學(xué)(meteorology)研究大氣中各種現(xiàn)象的成因和演變規(guī)律及如何利用這些規(guī)律為人類服務(wù)的科學(xué)。

氣象學(xué)的研究對(duì)象、氣象與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系

研究對(duì)象

大氣圈及大氣圈與水土巖石圈、生物圈之間的相互作用。太陽-大氣-水-陸地-海洋氣象與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)係（同學(xué)們列舉事例）：

氣象與農(nóng)林業(yè)

氣象與工業(yè)

氣象與漁業(yè)、海鹽生產(chǎn)

氣象與交通（飛行，航運(yùn)，高速公路，高鐵，步行……

氣象對(duì)人類健康的影響

氣象與軍事

氣象與旅遊………..氣象工作的三個(gè)內(nèi)容服務(wù)氣象…..資源氣象…..安全氣象……氣象學(xué)的學(xué)科分支

普通氣象學(xué)研究大氣及其物理現(xiàn)象的科學(xué)

大氣探測與遙感學(xué)

研究觀測方法與觀測數(shù)據(jù)計(jì)算，應(yīng)用各種氣象儀器設(shè)備和技術(shù)對(duì)地球大氣層及地表淺層進(jìn)行觀測與探測，包括定期觀測、運(yùn)載儀器、常規(guī)觀測儀器、地基遙感、空基遙感等

大氣物理學(xué)

研究大氣結(jié)構(gòu)、大氣熱力學(xué)特徵、大氣光電聲現(xiàn)象、雲(yún)物理及人工影響天氣等

氣候與氣候變化學(xué)

研究區(qū)域氣候、歷史時(shí)期氣候、近代氣候變化、氣候系統(tǒng)年際變化預(yù)報(bào)、地球物理因數(shù)對(duì)氣候的影響、氣候影響、氣候與氣候變化預(yù)測方法等

天氣與天氣預(yù)報(bào)學(xué)

研究短期預(yù)報(bào)、中期預(yù)報(bào)、長期預(yù)報(bào)，一般天氣學(xué)原理與方法、天氣診斷等

大氣化學(xué)

研究酸雨、氣溶膠、碳迴圈、降水化學(xué)、大氣成分、大氣中化學(xué)過程等

動(dòng)力氣象學(xué)

研究數(shù)值預(yù)報(bào)、大尺度大氣動(dòng)力學(xué)、氣候數(shù)值模擬、非線性動(dòng)力學(xué)等

邊界層氣象學(xué)

研究海上邊界層、陸地邊界層、大氣湍流、邊界層數(shù)值模擬、大氣擴(kuò)散與空氣污染等

大氣環(huán)流學(xué)

研究中高緯度系統(tǒng)、熱帶大氣環(huán)流與季風(fēng)、?！?dú)庀嗷プ饔谩⒋髿猸h(huán)流與遙相關(guān)等

應(yīng)用氣象學(xué)

研究農(nóng)業(yè)氣象、林業(yè)氣象、水文氣象、醫(yī)療氣象、局地氣候與小氣候、應(yīng)用氣候等

災(zāi)害氣象學(xué)

研究災(zāi)害性天氣（氣旋、颱風(fēng)、雷暴、陣雨、暴雨、龍卷、旋風(fēng)及積雲(yún)對(duì)流、鋒、颮線、中尺度對(duì)流等其他擾動(dòng)）、災(zāi)害性氣候及其損失評(píng)估等。

系統(tǒng)地、科學(xué)地解釋這些現(xiàn)象、作用和效應(yīng)，闡明它們的發(fā)生和演變規(guī)律；

氣象學(xué)的研究任務(wù)

觀測和研究各種各樣的大氣現(xiàn)象、大氣層與下墊面之間的相互作用及人類活動(dòng)所產(chǎn)生的氣象效應(yīng)

根據(jù)所認(rèn)識(shí)的規(guī)律分析、診斷和預(yù)測過去、現(xiàn)在和未來的天氣、氣候，為國民經(jīng)濟(jì)和人們的日常生活服務(wù)；

從理論和實(shí)踐上探索和模擬人為天氣過程、人為氣候環(huán)境，為人工影響天氣、氣候提供科學(xué)依據(jù)。

古氣象史時(shí)代

從人類有文字記載的歷史時(shí)期開始到十七世紀(jì)末葉。

氣象史的兩個(gè)時(shí)代一、氣象學(xué)的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀第二節(jié)歷史、現(xiàn)狀與趨勢(shì)

近代氣象史

從十七世紀(jì)末至今的三百多年。

近代氣象科學(xué)的四次飛躍

第一次飛躍:

（大約1700—1859年）

氣象儀器如溫度錶、雨量器、氣壓錶等相繼發(fā)明，導(dǎo)致對(duì)信風(fēng)和全球大氣環(huán)流的研究。

無線電探空儀的發(fā)明，高空觀測的迅速建立，Rossby提出了長波動(dòng)力學(xué)，創(chuàng)立了長波理論。Lorenz提出奇異吸引子與混沌理論。準(zhǔn)地轉(zhuǎn)理論、適應(yīng)理論、突變理論和不穩(wěn)定理論等相繼提出並應(yīng)用，大尺度天氣學(xué)進(jìn)入成熟階段。

第二次飛躍（1860—1940）

無線電報(bào)發(fā)明，地面氣象觀測網(wǎng)產(chǎn)生，天氣圖誕生，V.Bjerknes創(chuàng)立了鋒面學(xué)說，提出了著名的斜壓概念和環(huán)流理論，從此天氣學(xué)和動(dòng)力氣象學(xué)形成並得到發(fā)展。

第三次飛躍

（大約1941—1980年）第一節(jié)大氣的組成

幹潔大氣（即幹空氣）水汽懸浮在大氣中的固液態(tài)雜質(zhì)一、幹潔大氣

地球大氣由三個(gè)部分組成:

幹潔大氣的定義及其成分變化：

定義：

除去水汽及其他懸浮在大氣中的固、液體質(zhì)粒以外的整個(gè)混合氣體。

成分變化：

幹潔大氣的成分（高度25km以下）成分體積（%）臨界溫度（℃）臨界壓強(qiáng)（大氣壓）N278.08-147.233.5O220.95-118.940.7Ar0.93-122.048.0CO20.03231.073.0O30.00006-5.092.3幹潔大氣100-140.737.2臨界溫度:使物質(zhì)由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)的最高溫度。每種物質(zhì)都有一個(gè)特定的溫度，在這個(gè)溫度以上，無論怎樣增大壓強(qiáng)，氣態(tài)物質(zhì)都不會(huì)液化，這個(gè)溫度就是臨界溫度。臨界壓強(qiáng):物質(zhì)處於臨界狀態(tài)時(shí)的壓強(qiáng)，也就是液體在臨界溫度時(shí)的飽和蒸氣壓。N2cycle

N2

存在方式：以蛋白質(zhì)的形式存在於有機(jī)體中。

作用：是有機(jī)體的基本組成部分，也是合成氮肥的基本原料。

O2

是人類和動(dòng)植物維持生命活動(dòng)的極為重要的氣體；積極參加大氣中的許多化學(xué)過程；對(duì)有機(jī)物質(zhì)的燃燒、腐敗和分解起著重要的作用。

O3

時(shí)空變化：

時(shí)間變化：最大值出現(xiàn)在春季，最小值出現(xiàn)在夏季。

空間變化：水準(zhǔn)：由赤道向兩極增加。垂直：

55～60km，含量極少。

20～25km，達(dá)最大值，形成臭氧層；

12～15km以上，含量增加特別顯著；從10km向上，逐漸增加；近地面，含量很少；

對(duì)紫外線有著極其重要的調(diào)控製作用。

對(duì)高層大氣有明顯的增溫作用。Thedestructionoftheozonelayerbychlorofluorocarbons(CFCs).CFCsdischargedintotheatmospherebreakdowninsunlightreleasingchlorine,whichbreaksdowntheozonetoformchlorinemonoxideandafreeoxygenatom.Theseproductsreacttogethertoformoxygenandchlorine,leavingthechlorinetobreakdownanotherozonemolecule,andsoon.

這幅地圖顯示的是臭氧洞。1986年，南極的臭氧量僅是30年前的一半。

1988年，曾發(fā)現(xiàn)北半球上空臭氧層已比20年前要薄百分之三。這種變化足以使皮膚癌的病例增加。2000.9(NASA)2006.10NASA近地面是污染物Ocycle《關(guān)於消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書》和國際保護(hù)臭氧層日聯(lián)合國大會(huì)確立“國際保護(hù)臭氧層日”的目的是紀(jì)念1987年9月16日簽署的《關(guān)於消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書》。1995年1月23日，聯(lián)合國大會(huì)通過決議，確定從1995年開始，每年的9月16日為“國際保護(hù)臭氧層日”。/

CO2

來源：

生物的呼吸、化石燃料的燃燒、有機(jī)物質(zhì)的燃燒和分解、火山噴發(fā)作用等。

時(shí)空變化：

時(shí)間變化：

a)白天、晴天、夏季時(shí)的二氧化碳濃度小於黑夜、陰天、冬季。

b)工業(yè)革命前小於工業(yè)革命後。

空間變化：水準(zhǔn)：城市大於農(nóng)村；垂直：

0～20km，含量最高；

20km以上，含量顯著減少。

作用：

綠色植物進(jìn)行光合作用不可缺少的原料。

強(qiáng)烈吸收長波輻射（地面輻射、大氣輻射），使地面保持較高的溫度，產(chǎn)生“溫室效應(yīng)”。CcycleVariable&IncreasingGasesNitrogenandoxygenconcentrationsexperiencelittlechange,butcarbondioxide,methane,nitrousoxides,andchlorofluorocarbonsaregreenhousegasesexperiencingdiscernableincreasesinconcentration.Watervaporisalsoagreenhousegas.January2014:

397.80ppm

January2013:

395.54ppm能量-水-C-N-有機(jī)體地球是CO2的處理機(jī)能量-水-C-N-有機(jī)體（海洋）地球上CO2的分佈地球上CO2交換量C-Si的平衡生命演化和大氣/gmd/ccgg/trends/夏威夷的位置ThegraphshowsrecentmonthlymeancarbondioxidemeasuredatMaunaLoaObservatory,Hawaii

ThelastfourcompleteyearsoftheMaunaLoaCO2recordplusthecurrentyearareshown.DataarereportedasadryairmolefractiondefinedasthenumberofmoleculesofCO2dividedbythenumberofallmoleculesinair,includingCO2itself,afterwatervaporhasbeenremoved.Intheabovefigure,thedashedredlinerepresentsthemonthlymeanvalues,centeredonthemiddleofeachmonth.Theblacklinerepresentsthesame,aftercorrectionfortheaverageseasonalcycle.TheMaunaLoadataarebeingobtainedatanaltitudeof3400minthenorthernsubtropics,andmaynotbethesameasthegloballyaveragedCO2concentrationatthesurface.ArGreenhouseeffect二、水汽

來源：

主要來自江、河、湖、海、潮濕陸面的水分蒸發(fā)以及植物表面的蒸騰。

時(shí)間：夏季多於冬季

空間：一般低緯多於高緯，下層多於上層。

時(shí)空變化：

作用：

在天氣氣候變化中扮演了重要角色。

能強(qiáng)烈吸收地面放射的長波輻射並向地面和周圍大氣放出長波輻射，對(duì)大氣起著“溫室效應(yīng)”。

在大氣中懸浮著的各種固體和液體微粒（包括氣溶膠粒子和大氣污染物質(zhì)兩大部分）。二、大氣中的雜質(zhì)(Aerosols&Pollutants)

氣溶膠粒子：

定義：

分類：液體質(zhì)粒、固體質(zhì)粒

固體質(zhì)粒的來源：

有機(jī)質(zhì)數(shù)量較少，大多為植物花粉、微生物和細(xì)菌等；

大氣中沉降速率極小、尺度在10-4μm到100μm之間的固態(tài)和液態(tài)微粒。

無機(jī)質(zhì)數(shù)量較多，主要來源於：塵粒、煙粒、海洋中浪花飛濺的鹽粒，流星飛逝後留下的灰燼，火山塵埃等。

作用：

吸收太陽輻射，使空氣溫度增高，但也削弱了到達(dá)地面的太陽輻射；

緩衝地面輻射冷卻，部分補(bǔ)償?shù)孛嬉蜷L波有效輻射而失去的熱量；

降低大氣透明度，影響大氣能見度；

充當(dāng)水汽凝結(jié)核，對(duì)雲(yún)、霧及降水的形成有重要意義。

大氣中的污染物質(zhì)：

定義：

由於人類活動(dòng)或自然過程，使局部、甚至全球範(fàn)圍的大氣成分發(fā)生對(duì)生物界有害的變化。

分佈：

空間垂直：主要集中在3km以下的低層大氣中。水準(zhǔn)：城市多，農(nóng)村少；陸地多，海洋少；

時(shí)間：冬季多，夏季少；清晨和夜間多，午後少。

火山爆發(fā)、風(fēng)吹揚(yáng)沙和沙塵暴、雷擊森林失火等。

來源：

自然過程形成。

人為過程造成。

工業(yè)和交通上煤炭、石油、天然氣的使用，農(nóng)業(yè)上化肥、農(nóng)藥的噴施，生活上製冷採暖的排放與洩漏等。Aerosols&PollutantsHumanandnaturalactivitiesdisplacetinysoil,salt,andashparticlesassuspendedaerosols,aswellassulfurandnitrogenoxides,andhydrocarbonsaspollutants.Whateffects?Umbrellaeffect(陽傘效應(yīng))Figure1.6第二節(jié)大氣的垂直結(jié)構(gòu)大氣的垂直分層

對(duì)流層：

厚度變化空間：隨緯度增加，厚度降低。低緯地區(qū)：平均厚度為17～18km；中緯地區(qū)：平均為10～12km；高緯地區(qū)：平均為8～9km；時(shí)間：夏季大於冬季。

特點(diǎn)：

主要天氣現(xiàn)象均發(fā)生在此層。

溫度隨高度升高而降低。（平均高度每升高100m，氣溫下降0.65℃。）

空氣具有強(qiáng)烈的垂直運(yùn)動(dòng)和不規(guī)則的亂流運(yùn)動(dòng)。

氣象要素的水準(zhǔn)分佈不均勻。

平流層：對(duì)流層頂～55km

25km以下，氣溫保持不變；25km以上，氣溫隨高度增加而顯著升高。

空氣運(yùn)動(dòng)以水準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)為主，無明顯的垂直運(yùn)動(dòng)。

水汽和塵埃含量極少，晴朗少雲(yún)，大氣透明度好，氣流比較平穩(wěn)，適宜於飛機(jī)航行。

中間層：平流層頂～85km

氣溫隨高度增加迅速下降，頂部氣溫可降至-83℃以下。

空氣有強(qiáng)烈的垂直運(yùn)動(dòng)，故又稱之為“高空對(duì)流層”。

熱成層(熱層、暖層、電離層)：中間層頂～800km

氣溫隨高度增加迅速上升。

空氣質(zhì)點(diǎn)在太陽紫外輻射和宇宙高能粒子作用下，產(chǎn)生電離現(xiàn)象。RadioWavePropagationFigure1.11AMradiowavesarelongenoughtointerferewithionsinthesun-chargedDlayer,butatnighttheDlayerisweakandtheAMsignalpropagatesfurther,requiringstationsuselesspower.

散逸層：

這一層中的大氣物質(zhì)具有向星際空間散逸的特性，是大氣圈與星際空間的過渡地帶。二、大氣上界

根據(jù)大氣中極光出現(xiàn)的最大高度，大氣上界的高度為1,000～1,200km。

另一種是以大氣密度接近星際氣體密度的高度作為標(biāo)準(zhǔn)，大氣上界約在2,000～3,000km高度處。

AuroraaustralisEarthEnvironmentNearly150millionkilometersseparatethesunandearth,yetsolarradiationdrivesearth'sweather.地球宇宙環(huán)境網(wǎng)站http://210.0.142.166/Library/libClone/2_project/sciSpace/content_page.htm第三節(jié)大氣的物理性質(zhì)一、大氣的品質(zhì)

假定大氣是均質(zhì)的，以氣溫0℃時(shí)、45°N（或45°S）處、海平面上的大氣密度ρ0為標(biāo)準(zhǔn)（ρ0=1.293kg.m-3），則此時(shí)大氣厚度（Z0）經(jīng)理論計(jì)算約為8,000m。於是單位截面積的大氣柱中空氣的品質(zhì)為：m0=ρ0·Zo=1.293×8000=10344kg.m-2

假定條件下的大氣品質(zhì)：據(jù)此推算，地球表面大氣的總品質(zhì)大約有5×1015t。

ρz為Z高度處的大氣密度；ρ0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的大氣密度；Z0為均質(zhì)大氣的高度，Z為對(duì)應(yīng)於要計(jì)算ρz的高度。

大氣密度的計(jì)算公式：（2-1）

二、氣象要素

定義：表示大氣狀態(tài)和特徵的物理量和物理現(xiàn)象。

內(nèi)容：

日射、溫度、濕度、氣壓、風(fēng)、雲(yún)、降水、蒸發(fā)、能見度和天氣現(xiàn)象等。

天氣現(xiàn)象：

在大氣中或地面上產(chǎn)生的降水、水汽凝結(jié)物（雲(yún)除外）、凍結(jié)物、幹質(zhì)懸浮物和光、電的現(xiàn)象，也包括一些風(fēng)的特徵。

大風(fēng)、颮

常見天氣現(xiàn)象：

雨、陣雨、毛毛雨

雪、陣雪、雨夾雪、陣性雨夾雪、霰、米雪、冰粒、冰雹、冰針

霧、輕霧、露、霜、雨淞、霧淞

吹雪、雪暴、龍卷、積雪、結(jié)冰

沙塵暴、揚(yáng)沙、浮塵、煙幕、霾、塵卷風(fēng)

雷暴、閃電、極光ImpactsofWeatherFigure1.15ImpactsofWeather3/5Figure1.16ImpactsofWeatherFigure1.17ImpactsofWeatherFigure1.18物體以輻射的方式傳遞交換的能量。第一節(jié)輻射的基本知識(shí)一、輻射及其特性

輻射物體以電磁波或粒子流形式向周圍傳遞或交換能量的方式。

輻射能

特性波粒二象性二、輻射的基本定律

基爾荷夫(Kirchoff)定律(選擇吸收定律)

定律

在一定溫度下，任何物體對(duì)於某一波長的放射能力(eλ,T)與物體對(duì)該波長的吸收率(aλ,T)的比值，只是溫度和波長的函數(shù)，而與物體的其他性質(zhì)無關(guān)。即:…………(3-4)Eλ,T只是波長和溫度的函數(shù)。

推論

對(duì)不同性質(zhì)的物體，放射能力較強(qiáng)的物體，吸收能力也較強(qiáng)；反之，放射能力弱者，吸收能力也弱，黑體的吸收能最強(qiáng)，所以它也是最強(qiáng)的放射物體。

對(duì)同一物體，如果在溫度T時(shí)它放射某一波長的輻射，那麼，在同一溫度下它也吸收這一波長的輻射。

斯蒂芬—波爾茲曼(Stefan-Boltzmann)定律

定律

黑體的總放射能力（ET）與它本身絕對(duì)溫度（T）的四次方成正比。即：ET＝σT4

…………(3-5)式中σ＝5.67×10-8W.m-2.K-4為斯蒂芬—波爾茲曼常數(shù)。

意義物體溫度愈高，其放射能力愈強(qiáng)。

λm＝C/T或λmT=C…………(3-6)

如果波長以nm為單位，則常數(shù)C＝2,897×103nm·K,於是(3-6)式為：

維恩(Wien)位移定律

定律

絕對(duì)黑體的放射能力最大值對(duì)應(yīng)的波長(λm)

與其本身的絕對(duì)溫度(T)成反比。即：λmT＝2897×103nm·K不同溫度下黑體輻射強(qiáng)度與溫度的關(guān)係

意義

物體的溫度愈高，放射能量最大值的波長愈短，隨著物體溫度不斷增高，最大輻射波長由長向短位移。

太陽輻射是短波輻射，人、地面和大氣輻射是長波輻射。Longwave&ShortwaveRadiationThehotsunradiatesatshorterwavelengthsthatcarrymoreenergy,andthefractionabsorbedbythecoolerearthisthenre-radiatedatlongerwavelengths,aspredictedbyWein'slaw.Radiation-HeatTransferRadiationtravelsaswavesofphotonsthatreleaseenergywhenabsorbed.Allobjectsabove0°Kreleaseradiation,anditsheatenergyvalueincreasestothe4thpowerofitstemperature.ElectromagneticSpectrumSolarradiationhaspeakintensitiesintheshorterwavelengths,dominantintheregionweknowasvisible,butextendsatlowintensityintolongwaveregions.

波動(dòng)性V＝λf

…………(3-1)

波動(dòng)性的反映

電磁波譜名稱波長範(fàn)圍紫外線100埃～0.4微米可見光0.4微米～0.76微米紅外線近紅外0.76微米～3.0微米中紅外3.0微米～6.0微米遠(yuǎn)紅外6.0微米～15微米超遠(yuǎn)紅外15微米～1000微米微波毫米波1～10毫米釐米波1～10釐米分米波10釐米～1米色彩名稱波長範(fàn)圍紫0.40～0.43微米藍(lán)0.43～0.47微米青0.47～0.50微米綠0.50～0.56微米黃0.56～0.59微米橙0.59～0.62微米紅0.62～0.76微米不同電磁波的具體波長範(fàn)圍可見光波長範(fàn)圍光的折射分析

粒子性…………

(3-2)其中h＝6.626×10-34J·s，稱為普朗克常數(shù)。

輻射的度量和單位輻射通量、輻射通量密度

輻射通量及單位：定義：單位時(shí)間通過任意面積上的輻射能量。單位：J·s-1或W光通量、照度

光通量及單位定義：表徵輻射通量而產(chǎn)生光感覺的量。光通量（luminousflux）指人眼所能感覺到的輻射功率，它等於單位時(shí)間內(nèi)某一波段的輻射能量和該波段的相對(duì)視見率的乘積。由於人眼對(duì)不同波長光的相對(duì)視見率不同，所以不同波長光的輻射功率相等時(shí)，其光通量並不相等。單位：流明（lm）

照度及單位定義：單位面積上接受的光通量。單位：lx，音譯為勒克斯，1lx=1lm·m-2

物體對(duì)輻射的吸收、反射和透射

概念吸收率(a)

：a=Qa/Q

反射率(r)

：r=Qr/Q

透射率(d)

：d=Qd/Q

入射反射吸收透射

a、r、d的變化黑體：對(duì)於投射到該物體上所有波長的輻射都能全部吸收的物體稱為絕對(duì)黑體。故有：a＝１，r＝d＝０?；殷w：透射率d＝０，吸收率a＝（１－r），且a不隨波長而變化的物體。

第二節(jié)太陽輻射一、太陽輻射強(qiáng)度和太陽常數(shù)

太陽輻射強(qiáng)度

太陽輻射強(qiáng)度及單位定義：單位時(shí)間內(nèi)投射到單位面積上的太陽輻射能量。單位：W·m-2

太陽常數(shù)（S0）

太陽常數(shù)及變化範(fàn)圍定義：當(dāng)?shù)厍蛭混度盏仄骄嚯x時(shí)(約為1.496×108km)，在地球大氣上界投射到垂直於太陽光線平面上的太陽輻射強(qiáng)度。變化範(fàn)圍：1325W·m-2

～1457W·m-2

我國採用的太陽常數(shù)值為1382

W·m-2

。

太陽光量常數(shù)及範(fàn)圍定義：大氣上界，太陽輻射產(chǎn)生的平均光照強(qiáng)度。範(fàn)圍：1.35×105～1.4×105lxSeasons&Sun'sDistanceEarth'ssurfaceis5millionkilometersfurtherfromthesuninsummerthaninwinter,indicatingthatseasonalwarmthiscontrolledbymorethansolarproximity.

定義Sm′＝Sm·

＝Sm·sinh二、太陽高度角、太陽方位角和晝長

太陽高度角（h）太陽光線與地表水平面之間的夾角。(0°≤h≤90°)

水平面上太陽輻射的計(jì)算

Sm和Sm′與h的關(guān)係圖

…………

(3-8)

Seasons&SolarIntensitySolarintensity,definedastheenergyperarea,governsearth'sseasonalchanges.Asunlightbeamthatstrikesatanangleisspreadacrossagreatersurfacearea,andisalessintenseheatsourcethanabeamimpingingdirectly.LocalSolarChangesNorthernhemispheresunrisesareinthesoutheastduringwinter,butinthenortheastinsummer.Summernoontimesunisalsohigherabovethehorizonthanthewintersun.

水平面上得到的太陽輻射能隨著h的增加而增加。

h的計(jì)算公式sinh＝sinφsinδ+cosφcosδcosω…………(3-9)式中：φ為觀測點(diǎn)緯度，δ為赤緯，ω是時(shí)角。

δ的計(jì)算

δ的含義：太陽直射點(diǎn)緯度(即太陽直射光線與赤道平面之間的夾角)。

計(jì)算公式：

δ＝23.5sinN°…………(3-10)

說明：式中N°以度為單位，是距春分日或秋分日最近的總天數(shù)。春分日至秋分日取正值，否則，取負(fù)值。

特殊日期δ的值：春分日(21/3)或秋分日(23/9)：δ＝0°

夏至日(22/6)：δ＝23.5°

冬至日(22/12)：δ＝-23.5°（23.5°S）

ω的確定ω是用角度表示的時(shí)間，每15°為一小時(shí)正午：ω＝0；上午：ω＜0；下午：ω＞0，。

正午時(shí)刻h的計(jì)算公式h正午＝90°-φ+δ…………(3-11)

…………(3-12)

太陽方位角（A）

定義太陽光線在水平面上的投影和當(dāng)?shù)刈游缇€的夾角。

計(jì)算公式式中A值：正南：A=0

正南以西：A>0

正南以東：A<0

日出日沒時(shí)（h=0）…………

（3-13）

北半球A的季節(jié)變化

除北極外，一年中只有春分日和秋分日，日出正東日沒正西。

夏半年內(nèi)，日出東偏北方向，日沒西偏北方向；且愈近夏至日，日出日沒方位愈偏北。

冬半年內(nèi)，日出東偏南方向，日沒西偏南方向；且愈近冬至日，日出日沒方位愈偏南。

Solstice&EquinoxFigure3.3Earth'stiltof23.5°andrevolutionaroundthesuncreatesseasonalsolarexposureandheatingpatterns.Asolsticetiltkeepsapolarregionwitheither24hoursoflightordarkness.Aequinoxtiltperfectlyprovides12hoursofnightand12hoursofdayforallnon-polarregions.

晝長的變化規(guī)律夏季晝長隨緯度升高而加長，冬季晝長隨緯度升高而縮短，春、秋分則不隨緯度升高而變。

相同緯度，晝長冬短夏長，春秋介於二者之間。

可照時(shí)數(shù)、實(shí)照時(shí)數(shù)和日照百分率

可照時(shí)數(shù)（晝長）

定義：不受任何遮蔽時(shí)每天從日出到日落的總時(shí)數(shù)。

單位：小時(shí)、分

計(jì)算公式：可照時(shí)數(shù)=…………(3-14)

此時(shí)：cosω＝-tgφtgδ…………

(3-15)

實(shí)照時(shí)數(shù)地面上用日照計(jì)實(shí)際測量的日照時(shí)數(shù)。

日照百分率日照百分率＝—————×100%實(shí)照時(shí)數(shù)可照時(shí)數(shù)

光照時(shí)間光照時(shí)間＝可照時(shí)數(shù)＋曙暮光時(shí)間一般曙暮光隨緯度升高而加長；夏季尤為顯著。

曙暮光

在日出前和日落後，太陽光線在地平線以下0°～6°時(shí)，光通過大氣散射到地表產(chǎn)生一定的光照強(qiáng)度，這種光稱為曙光和暮光。24HoursofDaylightSummernorthofthearticcirclewillrevealaperiodof24hoursunlight,wheretheearth'ssurfacedoesnotrotateoutofsolarexposure,butinsteadexperiencesamidnightsun.三、大氣對(duì)太陽輻射的減弱太陽輻射在大氣中的減弱

吸收作用

氧、臭氧、水汽和CO2氣體成分強(qiáng)吸收波段弱吸收波段氧<200nm的紫外光690~760nm的可見光臭氧200~320nm的紫外光600nm的可見光水汽930~1500nm的紅外光（三個(gè)強(qiáng)吸收帶）600~700nm的可見光（三個(gè)弱吸收帶）

減弱方式

主要的吸收成分

各成分的吸收波段AtmosphericAbsorptionSolarradiationpassesratherfreelythroughearth'satmosphere,butearth'sre-emittedlongwaveenergyeitherfitsthroughanarrowwindoworisabsorbedbygreenhousegasesandre-radiatedtowardearth.

散射作用

散射

當(dāng)太陽輻射通過大氣時(shí)，遇到大氣中的各種質(zhì)點(diǎn)，太陽輻射能的一部分散向四面八方，稱為散射。

分類

由入射輻射波長與散射質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)大小r，將散射分為分子散射（雷萊散射）和米（Mie）散射。

r《

時(shí)，分子散射。r~

時(shí)，米散射。

雷萊分子散射定律

當(dāng)大氣幹潔，質(zhì)點(diǎn)半徑小於200nm時(shí)，散射值與入射光波長的四次方成反比。即：…………(3-16)

定律

意義入射光波長愈短，散射能力愈強(qiáng)。

漫射

當(dāng)大氣混濁，質(zhì)點(diǎn)半徑＞10,000nm時(shí)，入射光的各種波長具有同等散射能力，散射係數(shù)不再隨波長改變，稱之為漫射。ScatteredLightSolarradiationpassingthroughearth'satmosphereisscatteredbygases,aerosols,anddust.Atthehorizonsunlightpassesthroughmorescatterers,leavinglongerwavelengthsandreddercolorsrevealed.

反射作用

參與反射作用的物質(zhì)大氣中較大的塵粒和雲(yún)滴、雲(yún)層

雲(yún)的反射作用

其反射能力隨雲(yún)狀、雲(yún)量和雲(yún)厚而不同。雲(yún)量愈多，雲(yún)層愈厚，反射愈強(qiáng)。雲(yún)層平均反射率為50%～55%。

減弱因素

大氣品質(zhì)(m)

定義太陽光通過大氣路徑的長度與大氣鉛直厚度之比。

m隨h的變化在各太陽高度時(shí)的大氣品質(zhì)h(度)906030105310m11.152.05.610.415.427.035.4

大氣品質(zhì)m隨太陽高度的增高而減小，當(dāng)太陽高度低時(shí)，m值的增大特別迅速。不同太陽高度角下的大氣品質(zhì)

m的計(jì)算

當(dāng)h在30°～90°時(shí),m可近似地表示為：…………(3-17)

…………(3-18)

大氣透明係數(shù)(P)

定義

透過一個(gè)大氣品質(zhì)(m＝1)後的太陽輻射強(qiáng)度(S1)與透過前的太陽輻射強(qiáng)度(S0)之比，即：

影響因數(shù)海拔、水汽、微塵、雲(yún)霧

布格爾—蘭勃特(Bouguer-Lambert)定律Sm＝Sm-1P＝S0Pm

…………(3-19)

表明：地表垂直於太陽光線平面上的太陽輻射強(qiáng)度隨大氣透明係數(shù)增大而增大，隨大氣量增加而減小。四、到達(dá)地面的太陽輻射強(qiáng)度

到達(dá)地面的太陽總輻射由太陽直接輻射強(qiáng)度和天空輻射強(qiáng)度組成。

太陽直接輻射強(qiáng)度

定義

單位時(shí)間內(nèi)以平行光形式投射到地表單位水平面積上的太陽輻射能。

計(jì)算公式S′＝Sm′＝S0Pmsinh…………

(3-20)

ds

大氣透明係數(shù)(P)、大氣量(m)和太陽高度角（h）影響，此外，緯度、海拔、坡度坡向和雲(yún)量有間接或直接的影響。

影響因數(shù)

天空散射輻射強(qiáng)度(D)

定義

陽光被大氣散射後，單位時(shí)間內(nèi)以散射光形式到達(dá)地表單位水平面積上的太陽輻射能。dsD=S0(1-Pm)sinh…………(3-21)

計(jì)算公式

假設(shè)散射輻射的一半回到宇宙空間，另一半忽略大氣吸收。

計(jì)算公式的假定條件

影響因數(shù)

主要受太陽高度角（h）、大氣透明度(P)和大氣量(m)影響，此外，緯度、海拔、雲(yún)量有直接和間接的影響。

太陽總輻射強(qiáng)度及其影響因素

太陽總輻射強(qiáng)度

到達(dá)地面的太陽總輻射強(qiáng)度是太陽直接輻射強(qiáng)度和天空輻射強(qiáng)度的總和。Q=S′+D…………(3-22)

影響因數(shù)

太陽高度角(h)太陽總輻射與太陽高度呈正相關(guān)關(guān)係。

大氣透明度(P)大氣透明度差，到達(dá)地面的太陽直接輻射減少，故太陽總輻射減少。

大氣品質(zhì)(m)大氣品質(zhì)m愈大，到達(dá)地面的太陽總輻射愈少。

緯度緯度愈高，太陽總輻射愈低。

海拔海拔愈高，地面接受的太陽總輻射愈強(qiáng)。

坡度坡向北半球北回歸線(23.5°N)以北地區(qū)，緯度愈高，愈是表現(xiàn)出南坡向陽、北坡背陰，冬季比夏季顯著。

雲(yún)一般雲(yún)愈厚，愈多，太陽直接輻射愈弱，散射輻射的比例增大。

地面反射的太陽輻射

地面反射率

地面反射的太陽總輻射R與投射到地面的太陽總輻射Q的百分比。

不同性質(zhì)下墊面的反射率種類反射率（%）種類反射率（%）幹的新雪80~95棉花20~22一般雪面60~70甜菜18~25污穢雪面40~50馬鈴薯19~27幹黑土14水稻田17~22濕黑土8牧草田15~25新耕地17針葉林10~15冬小麥16~23闊葉林15~20

深色土壤小於淺色土壤。

潮濕土壤小於乾燥土壤。

新雪表面大於陳雪表面。GlobalAlbedoIncomingSolarRadiationSolarradiationisscatteredandreflectedbytheatmosphere,clouds,andearth'ssurface,creatinganaveragealbedoof30%.Atmosphericgasesandcloudsabsorbanother19units,leaving51unitsofshortwaveabsorbedbytheearth'ssurface.太陽輻射的分配

(100)S′:直接輻射(Directradiate)D:散射輻射(Scatteringradiate)(D+S):總輻射(約占太陽常數(shù)的51%)19%被大氣吸收,30%(5%地面,20%雲(yún),6%大氣)反射五、太陽輻射光譜

定義太陽輻射能隨波長的分佈曲線。大氣上界的太陽輻射光譜圖中：實(shí)線是大氣上界的太陽輻射光譜；虛線是溫度在6,000K時(shí)的黑體輻射光譜。

幾個(gè)重要波段名稱波段(nm)占總能量的比例（%）效應(yīng)作用可見光400—76050光效應(yīng)植物光合作用紅外區(qū)>76043熱效應(yīng)加熱地球、大氣和生物紫外區(qū)<4007化學(xué)效應(yīng)殺菌消毒、促進(jìn)種子萌發(fā)

波譜隨h的變化

太陽高度角降低，直接輻射光譜中，波長較長的部分逐漸增加，波長較短的部分逐漸減少。

太陽直接輻射波譜隨h的變化輻射波譜（nm）太陽高度角（度）0.551020305090紫外線（295～400）00.41.02.02.73.24.7可見光（400～760）31.238.641.042.743.743.945.3其中:

紫光（400～440）00.60.82.63.84.55.4藍(lán)光（440～495）02.14.67.17.88.29.0綠光（495～565）1.72.75.98.38.89.29.2黃光（565～595）4.18.010.010.29.89.710.1紅光（595～760）25.425.219.714.513.512.211.5紅外線（＞760）68.861.058.055.353.552.950.0不同太陽高度時(shí)太陽直接輻射光譜中各部分的相對(duì)強(qiáng)度(總輻射量＝100％)散射輻射光譜隨太陽高度角、大氣透明係數(shù)和雲(yún)量而變化。

幹潔空氣中，h降低，散射輻射中波長較短的部分逐漸減少，波長較長部分逐漸增多，而波長在400nm-600nm的可見光幾乎不隨h而變化。h（度）<400400～600>60035.953.340.81514.658.227.23020.456.123.54523.254.822.06024.654.221.29025.853.520.7不同太陽高度角時(shí)各散射光譜段的相對(duì)比率

當(dāng)天空中有較多粗?；蛉煊须?yún)時(shí)，散射輻射光譜中的長波部分能量增加，其最大輻射能力波長也向長波方向移動(dòng)。

太陽散射輻射波譜隨h的變化

碧空和陰天時(shí)散射光譜能量的分佈

地面晝夜不停的向外放射輻射能，稱為地面輻射(Ee)。

日變化二、大氣輻射大氣逆輻射(Ea)：大氣輻射中傳向地面的輻射。第三節(jié)地面輻射差額一、地面輻射(Ee)

定義

波長範(fàn)圍3,000nm～80,000nm，最大放射能力波長約為10,000nm。白天>夜間

定義大氣輻射：大氣向外的輻射。Absorption&EmissionSolarradiationisselectivelyabsorbedbyearth'ssurfacecover.Darkerobjectsabsorbshortwaveandemitlongwavewithhighefficiency(e.g.Kirchoff'slaw).Inaforest,thislongwaveenergymeltssnow.7,000nm～120,000nm，最大放射能力波長約為15,000nm。

波長範(fàn)圍三、地面有效輻射(E0)

定義地面輻射與被地面吸收的大氣逆輻射之差。亦稱淨(jìng)紅外輻射。

計(jì)算公式E0＝Ee-δEa…………(3-23)

其中：δ為吸收率，δEa為被地面吸收的大氣逆輻射。

影響因數(shù)

地面溫度、空氣溫度、空氣濕度、雲(yún)況、風(fēng)力、海拔、地面狀況和植被等。四、大氣溫室效應(yīng)和陽傘效應(yīng)

溫室效應(yīng)

大氣中各種微塵和二氧化碳成分的存在，猶如溫室覆蓋的玻璃一樣，阻擋了地面向外的輻射，增強(qiáng)大氣逆輻射，對(duì)地面有保溫和增溫作用，這種現(xiàn)象稱為大氣溫室效應(yīng)。

大氣中微塵和二氧化碳的增加，猶如在陽光下?lián)瘟艘话褌?，減弱了到達(dá)地面的太陽輻射，對(duì)地面有降溫作用，這種現(xiàn)象稱之為大氣陽傘效應(yīng)。

陽傘效應(yīng)R

＝(S′+

D

)(1

–α)

-E0

…………(3-24)

白天，R>0，靠近正午時(shí)B達(dá)到最大值。夜間，R<0，R=-E0。B由正變負(fù)的時(shí)間在日落前1小時(shí)；由負(fù)變正在日出後1小時(shí)。

影響因素五、地面輻射差額(B)

定義

在單位時(shí)間內(nèi)，單位面積地面所吸收的輻射與放出的輻射之差，稱為地面輻射差額(R)。也稱地面淨(jìng)輻射。

計(jì)算公式

太陽輻射

天氣狀況有雲(yún)的情況下，會(huì)使R的絕對(duì)值減小。

緯度緯度愈低，R保持正值的月份愈多。地面輻射平衡公式Earth-AtmosphereEnergyBalanceEarth'ssurfaceabsorbsthe51unitsofshortwaveand96moreoflongwaveenergyunitsfromatmosphericgasesandclouds.These147unitsgainedbyearthareduetoshortwaveandlongwavegreenhousegasabsorptionandemittance.Earth'ssurfacelosesthese147unitsthroughconduction,evaporation,andradiation.Earth'sEnergyBalanceEarth'sannualenergybalancebetweensolarinsolationandterrestrialinfraredradiationisachievedlocallyatonlytwolinesoflatitude.Heatfromtheequatorialregiontransferringtowardthepoles.How?第一節(jié)熱量收支

熱量平衡過程

地球表面吸收太陽輻射能後，會(huì)通過各種熱量收支方式，產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)換和輸送而達(dá)到平衡，這樣的物理過程稱為熱量平衡過程。一、物質(zhì)的熱屬性

熱容量

定義：

在一定過程中，物體溫度變化１℃所需吸收或放出的熱量。

分類：品質(zhì)熱容量（比熱、比熱容）容積熱容量

品質(zhì)熱容量：

定義：單位品質(zhì)的物質(zhì)，溫度變化１℃所需吸收或放出的熱量。

單位：J/(kg·℃)(或J/(g·℃))

計(jì)算：…………(4-1)

容積熱容量：

定義：單位體積的物質(zhì)，溫度變化１℃所需吸收或放出的熱量。(4-2)…………(4-3)

單位：J/(m3·℃)(或J/(cm3·℃))

計(jì)算：Cm

、Cv

之間的關(guān)係：

土壤熱容量分析：土壤成分容積熱容量（J/（㎝3·℃））土壤礦物質(zhì)土壤有機(jī)質(zhì)水空氣1.9252.7084.1860.0013

在土壤的組成物質(zhì)中，空氣的熱容量最小，水的熱容量最大，固體成分介於兩者之間。

導(dǎo)熱率（熱導(dǎo)率）

定義及單位：

定義：指物體在單位厚度間、保持單位溫度差時(shí)，其相對(duì)的兩個(gè)面在單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的熱流量。

單位：J/（m·S·℃）(或Ｗ/（m·℃）)

熱流量方程：…………（4-4）Λ：導(dǎo)熱率，Q：熱容量；ΔT/ΔZ：溫度梯度，負(fù)號(hào)表示熱流方向由高溫指向低溫。

方程的意義：

當(dāng)其他條件相同時(shí)，導(dǎo)熱率大的物質(zhì)，熱流量大，傳熱速度快；反之則小。土壤成分導(dǎo)熱率（W/（㎝·℃））土壤礦物質(zhì)土壤有機(jī)質(zhì)水空氣0.02930.019970.006280.0002093土壤中固體成分的導(dǎo)熱率最大，水居中，空氣最小。

土壤導(dǎo)熱率分析：

土壤導(dǎo)熱率影響因數(shù)：

土壤含水量

土壤孔隙度

單位：ｍ2/S(或㎝2/S)

…………（4-5）

Ｋ：導(dǎo)溫率，λ：導(dǎo)熱率，Ｃ：容積熱容量。

定義：單位容積的物質(zhì)，通過熱傳導(dǎo)，由垂直方向獲得或失去λ焦耳（J）的熱量時(shí)，溫度升高或降低的數(shù)值稱為導(dǎo)溫率。

計(jì)算公式：

土壤導(dǎo)溫率分析：砂土的熱特性與土壤濕度的關(guān)係

土壤濕度較小的情況下，導(dǎo)溫率隨著土壤濕度的增大而增加；

當(dāng)土壤濕度增加到一定程度後，土壤到溫率卻呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)。二、熱量收支(交換)方式

輻射熱交換

任何溫度在絕對(duì)零度以上的物體，通過輻射的放射和吸收而進(jìn)行的熱量交換方式。

分子傳導(dǎo)熱交換

物質(zhì)通過分子碰撞，所產(chǎn)生的表現(xiàn)為熱量傳導(dǎo)的動(dòng)能交換方式。

流體流動(dòng)熱交換

流體在各個(gè)方向上流動(dòng)時(shí)，熱量隨流體流動(dòng)而輸送的熱量交換方式。根據(jù)流體流動(dòng)的方向性分為：對(duì)流、平流和亂流。

定義：流體在垂直方向上有規(guī)律的升降運(yùn)動(dòng)。

作用：使上下層空氣混合，產(chǎn)生熱量交換。

定義：流體在水準(zhǔn)方向上的流動(dòng)。

分類：

對(duì)流：

分類熱力對(duì)流動(dòng)力對(duì)流

平流：

作用：對(duì)大規(guī)模的熱量傳遞和緩和地區(qū)之間、緯度之間溫度的差異起著很大作用。

亂流（湍流）：

定義：流體在各方向上的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)。

分類：熱力亂流動(dòng)力亂流

亂流交換係數(shù)：

當(dāng)單位品質(zhì)的空氣渦團(tuán)所含物理屬性的梯度等於１時(shí)，因亂流作用所引起該物理屬性的通量。單位：ｍ2/S

近地氣層亂流強(qiáng)度的時(shí)空變化：

陸地比海面強(qiáng)

山地比平原強(qiáng)

白天比夜間強(qiáng)

夏季比冬季強(qiáng)

潛熱交換物質(zhì)在進(jìn)行相態(tài)變化時(shí)所發(fā)生的熱量交換。三、熱量收支(平衡)

活動(dòng)層和活動(dòng)面

活動(dòng)層（作用層）：

定義：

能夠調(diào)節(jié)自身內(nèi)部及相鄰其他物質(zhì)層的輻射、熱量、水分分佈完全吸收的物質(zhì)層。

不同物質(zhì)活動(dòng)層厚度：

砂土：幾mm

水：幾m～幾十m

雪被和冰域：幾分之一mm

疏鬆的耕地：幾cm農(nóng)田：作物層

活動(dòng)面（作用面）：

定義：

凡是輻射能、熱能和水分交換最活躍，從而能調(diào)節(jié)鄰近氣層（或土層）的輻射收支、溫度高低或濕度大小的物質(zhì)面。

農(nóng)田內(nèi)、外活動(dòng)面（作物封行後）：

外活動(dòng)面：作物最密集的部位

內(nèi)活動(dòng)面：地面

地面熱量收支RLEPBRLEPB（白天）

地表面熱量收支示意圖

（夜間）

地表面晝夜熱量收支平衡方程：白天：R-P-B-LE=0夜間：-R+P+B+LE=0

地表層晝夜熱量收支平衡方程：Qs

Qs

RLEPBLERPB（白天）（夜間）地表層熱量收支示意圖白天：R-P-B-LE=Q夜間：-R+P+B+LE=-Q第二節(jié)地面和土壤溫度

表徵溫度變化的幾個(gè)物理量

較差：指一定週期內(nèi)，溫度最高值與最低值之差。

日較差：一日內(nèi)最高溫度與最低溫度之差。

年較差：一年中最熱月平均溫度與最冷月平均溫度之差。

絕對(duì)年較差：年極端最高氣溫與極端最低氣溫之差。

位相：最高溫度與最低溫度出現(xiàn)的時(shí)間差。

一、地面溫度和熱量收支的關(guān)係地面溫度變化與地面熱量收支示意圖1．地面溫度日變化曲線；2．地面熱量支出日變化曲線；3．地面熱量收入日變化曲線。Tm：地面最低溫度；TM：地面最高溫度

一天中地面最高溫度、地面最低溫度出現(xiàn)在地面熱量收支相抵（平衡）的時(shí)刻。

一年中地面最熱月溫度，一般出現(xiàn)在７月或８月，地面最冷月溫度一般出現(xiàn)在１月或２月。

二、土壤溫度的變化

時(shí)間變化

日變化

日恒溫層（土溫日不變層）：土壤溫度日較差為零時(shí)的深度。

日恒溫層深度：一般深度約為40～80㎝，平均為60㎝。

日恒溫層的影響因數(shù)：緯度、季節(jié)、土壤熱特性

土壤溫度位相：

土壤溫度位相落後於地面溫度，土層越深，位相落後越多。

土壤溫度的年變化

年恒溫層（年溫度不變層）：土壤溫度的年較差為零時(shí)的深度。

影響因數(shù)緯度

垂直分佈

日分佈

日射型（受熱型）：土壤溫度垂直分佈圖中13時(shí)

輻射型（放熱型）：圖中01時(shí)

上午轉(zhuǎn)變型（由輻射型向日射型過渡）：圖中07時(shí)

傍晚轉(zhuǎn)變型（由日射型向輻射型過渡）：圖中19時(shí)

年分佈放熱型、受熱型和過渡型。

影響土溫變化的因素

土壤本身的物理特性：

土壤濕度

土壤顏色

土壤機(jī)械組成及腐殖質(zhì)

外界條件：

地面覆蓋物

地形和天氣條件第三節(jié)水體的溫度一、水體熱量傳播的特點(diǎn)

水體中的輻射特點(diǎn)

水體反射率小於陸地

水體吸收率達(dá)於陸地

太陽輻射能在水體中傳播，不同深度水體的傳播情況遵循比爾定律。即…………

（4-8）

水體易吸收長波，散射短波，水中懸浮物散射長波。SZ：Z深度處的太陽輻射通量密度；S0：水體表面的太陽輻射通量密度；Z：測點(diǎn)深度；α：水體消光係數(shù)。

水體中的熱量平衡特性

熱量平衡公式R0＝H＋LE＋ΔQ＋ΔA

…………

（4-9）R0：水體淨(jìng)輻射量，H：水面與大氣熱量交換的感熱通量（也叫做顯熱通量，是指由於溫度變化而引起的大氣與下墊面之間發(fā)生的湍流形式的熱交換）密度；LE：水體的潛熱通量密度；ΔQ：水體熱儲(chǔ)存變數(shù)；ΔA：因水體流動(dòng)產(chǎn)生的水準(zhǔn)方向的熱輸送通量密度。

特性

海洋熱量平衡的主要輸出項(xiàng)是水體蒸發(fā)潛熱。

海洋可以通過洋流來在水準(zhǔn)方向傳送熱量。

水體溫度的變化

時(shí)間變化

日變化：

水面最高溫度出現(xiàn)在午後15～16h，最低溫度出現(xiàn)在日出後的2～3h內(nèi)。

年變化：

水面最高溫度一般出現(xiàn)在8月，最低溫度則出現(xiàn)在2～3月。

日、年較差：均小於陸地

位相：

最高溫度和最低溫度出現(xiàn)的時(shí)間，大約每深入60ｍ落後一個(gè)月。

垂直變化

琵琶湖水溫的垂直分布

夏季：水錶層趨於等溫分佈。在等溫層以下有一個(gè)躍變層。躍變層以下是等溫層。

冬季：水溫的垂直分佈幾乎呈等溫狀態(tài)。當(dāng)水面溫度降到4℃以下時(shí)，表層冷水不再下沉，使水面以下的水溫在4℃左右。

第四節(jié)空氣溫度一、大氣中的熱量交換方式

交換方式平流、對(duì)流、亂流、潛熱交換。

作用

平流：主宰季節(jié)更替和天氣冷暖變化。

對(duì)流：是對(duì)流性降水的主要原因。

亂流：對(duì)一些低雲(yún)和霧的生消起重要的作用。

潛熱交換：對(duì)氣溫的升降、大氣中水分的三態(tài)相變起著不可替代的作用。二、空氣溫度的時(shí)間變化

空氣內(nèi)能變化運(yùn)算式△U=△W+△Q

絕熱與非絕熱變化絕熱變化：空氣內(nèi)能變化過程中，未與外界進(jìn)行熱量交換。非絕熱變化：空氣內(nèi)能變化過程中，與外界進(jìn)行熱量交換。

近地層氣溫的日變化

極值溫度出現(xiàn)的時(shí)間

影響氣溫日較差的因數(shù)

緯度：隨緯度增加而減小。

季節(jié)：夏季＞冬季，一年中春季氣溫日較差最大。季節(jié)最高氣溫最低氣溫夏季14～15h05～06h冬季13～14h04～05h

天氣狀況：

下墊面性質(zhì)：陸地＞海洋覆蓋地＞裸地沙土、深色土、幹松土＞粘土、淺色土、潮濕土晴天＞陰天

近地層氣溫的年變化

最冷、最熱月出現(xiàn)的時(shí)間

最熱月最冷月大陸性氣候區(qū)季風(fēng)氣候區(qū)7月1月海洋性氣候區(qū)8月2月

地形：凹地＞平地＞凸地

氣溫年較差的影響因數(shù)

緯度：隨緯度增加而增大。

距海遠(yuǎn)近：遠(yuǎn)海區(qū)＞近海區(qū)

地形及天氣狀況：同與日較差

近地層氣溫的非週期變化三、氣溫的空間變化

近地層氣溫的水準(zhǔn)分佈

等溫線大部分（尤其是南半球）趨向於接近東西向排列，氣溫從赤道向兩極逐漸降低。

冬季北半球的等溫線在大陸上大致凸向赤道，在海洋上大致凸向極地，而夏季則相反。

最高溫度不位於赤道，冬季在5～10°N，夏季在20°N。

赤道附近的氣溫年變化很小，隨著緯度的增加，年變化幅度也增加。

世界冷極在南極，為－90℃（喬治峰），熱極在索馬里境內(nèi)，為63℃。

近地層氣溫的垂直分佈近地氣層溫度的垂直分佈

日射型：圖中12時(shí)

輻射型：圖中0時(shí)

上午轉(zhuǎn)變型：圖中06時(shí)

傍晚轉(zhuǎn)變型：圖中18時(shí)

對(duì)流層氣溫的垂直變化

氣溫直減率

定義：氣溫隨高度變化的程度。

運(yùn)算式：

…………

（4-10）ΔZ：兩高度高度差，ΔT兩高度相應(yīng)的氣溫差；負(fù)號(hào)表示氣溫垂直分佈的方向。γ＞0，氣溫隨高度的增加而降低；γ＜0，氣溫隨高度的增高而升高。γ的絕對(duì)值越大，氣溫隨高度變化差異越大。

各個(gè)層次上的氣溫直減率

整個(gè)對(duì)流層平均氣溫直減率：0.65℃/hm

對(duì)流層上層：0.65~0.75℃/hm

對(duì)流層中層：0.5~0.6℃/hm

對(duì)流層下層：0.3~0.4℃/hm

空氣幹絕熱變化

熱力學(xué)第一定律

任一孤立系統(tǒng)由狀態(tài)Ⅰ微小變化至狀態(tài)Ⅱ時(shí)，從外界吸收的熱量dＱ，等於該系統(tǒng)內(nèi)能的變化dＵ和對(duì)外作功dＷ之和?！?/p>

（4-11）

四、空氣絕熱變化

幹絕熱過程的幾個(gè)概念

幹絕熱過程

空氣是幹空氣或未飽和的濕空氣（沒有水汽凝結(jié)），與外界之間無熱量交換時(shí)（dQ=0）的狀態(tài)變化過程。

絕熱增溫

當(dāng)空氣塊下降過程中，因外界氣壓增大，外界對(duì)氣塊作功，在絕熱的條件下，所作的功只能用於增加氣塊的內(nèi)能，因而氣塊溫度升高。這種因氣塊下沉而使溫度上升的現(xiàn)象，稱為絕熱增溫。

絕熱冷卻

當(dāng)空氣塊上升過程中，因外界氣壓減小，氣塊體積膨脹，對(duì)外作功，在絕熱的條件下，作功所需的能量，只能由其本身內(nèi)能來負(fù)擔(dān)，因而氣塊溫度下降。這種因氣塊絕熱上升而使溫度下降的現(xiàn)象，稱為絕熱冷卻。

幹絕熱直減率（γd

）

在大氣靜力平衡的條件下，幹空氣和未飽和的濕空氣因作幹絕熱升降運(yùn)動(dòng)而引起氣塊溫度隨高度的變化率，稱之為幹絕熱直減率?！?/p>

（4-12）

概念

濕絕熱過程

飽和濕空氣在上升或下降的絕熱變化過程中，會(huì)產(chǎn)生水的相變，從而釋放或吸收熱量使空氣塊的內(nèi)能發(fā)生變化，稱此過程為濕絕熱過程。

濕絕熱過程中的溫度變化率。

對(duì)γm變化的解釋?duì)胢不是常數(shù)，它是氣壓和溫度的函數(shù)，隨著氣壓的減小、溫度的升高而減小。

空氣濕絕熱變化

濕絕熱直減率（γm

）五、大氣靜力穩(wěn)定度

大氣靜力穩(wěn)定度的概念

處在靜力平衡狀態(tài)中的大氣，空氣因受外力因數(shù)的擾動(dòng)後，大氣層結(jié)（溫度和濕度的垂直分佈）有使其返回或遠(yuǎn)離原來平衡位置的趨勢(shì)或程度，稱之為大氣靜力穩(wěn)定度。

定義

分類

穩(wěn)定

假如有一塊空氣在外力的作用下，產(chǎn)生垂直運(yùn)動(dòng)，但外力除去後：

若氣塊逐漸減速，趨於回到原位，這時(shí)氣塊所處的氣層，對(duì)於該氣塊而言是穩(wěn)定的。

中性

若既無回到原位，有無繼續(xù)加速先前的趨勢(shì)，而是保持原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這時(shí)氣塊所處的氣層，對(duì)於該氣塊而言是中性的。

不穩(wěn)定

若氣塊按原方向加速運(yùn)動(dòng)，這時(shí)氣塊所處的氣層，對(duì)於該氣塊而言是不穩(wěn)定的。Stability&MovementArock,likeaparcelofair,thatisinstableequilibriumwillreturntoitsoriginalpositionwhenpushed.Iftherockinsteaddepartsinthedirectionofthepush,itwasinunstableequilibrium.

大氣靜力穩(wěn)定度的判斷

判斷標(biāo)準(zhǔn)

通常用氣溫直減率（γ）與上升氣塊的幹絕熱直減率（γd）或濕絕熱直減率（γm）的對(duì)比來判斷。

判斷方法擾動(dòng)方向高度（m）10020030013℃12℃11℃13℃12℃11℃13℃12℃11℃γ=0.8γ=1.0γ=1.211.2℃12.0℃12.8℃11.0℃12.0℃13.0℃10.8℃12.0℃13.2℃G>FG<FG=FG=FG>FG<FA:γ<γd穩(wěn)定B:γ=γd中性C:γ>γd不穩(wěn)定合力方向Movement&TemperatureRisingairexpands,usingenergytopushout,whichslowsandadiabaticallycoolstheair.Aparcelofairmaybeforcedtoriseorsink,andchangetemperaturerelativetoenvironmentalair,whichissampledusingradiosondeballoons.

對(duì)於未飽和空氣γ>γd不穩(wěn)定；γ=γd中性；γ<γd穩(wěn)定。

對(duì)於飽和濕空氣γ>γm不穩(wěn)定；γ=γm中性；γ<γm穩(wěn)定。

綜合判據(jù)γ愈大，大氣愈不穩(wěn)定；γ＜γm＜γd時(shí)，大氣為絕對(duì)穩(wěn)定；γm<γ<γd時(shí)，大氣為條件性不穩(wěn)定。五、大氣中的逆溫

概念

逆溫

在一定條件下，氣溫隨高度的增高而增加，氣溫直減率為負(fù)值的這種現(xiàn)象稱為逆溫。

阻塞層

當(dāng)發(fā)生逆溫時(shí)，冷而重的空氣在下，暖而輕