氣象學與氣候?qū)W

第二章大氣的熱能和溫度第一節(jié)太陽輻射2006-09-132輻射的基本概念自然界中的一切物體都以電磁波的方式向四周放射能量，這種傳播能量的方式稱為輻射。通過輻射傳播的能量稱為輻射能，也簡稱為輻射。輻射是能量傳播方式之一，也是太陽能傳輸?shù)降厍虻奈ㄒ煌緩?。輻射能是通過電磁波的方式傳輸?shù)?。氣象學中，通常以焦耳（J）作為輻射能的單位。這種輻射能量的現(xiàn)象又叫熱輻射。熱輻射是傳遞熱量的一種方式，以光速傳播，既不靠介質(zhì)，也不靠對流。2006-09-133單位時間內(nèi)通過單位面積的輻射能量稱輻射通量密度（E），單位是W/m2。單位時間內(nèi)，通過垂直于選定方向上的單位面積（對球面坐標系，即單位立體角）的輻射能，稱為輻射強度（I）。其單位是W/m2

或W/sr。它們之間的關系：I=E/cosθ2006-09-134溫度升高，輻射的總功率就會增大，并且輻射的電磁波的波長將移向短波。例：鐵棒的加熱2006-09-135為了進一步描述輻射能的性質(zhì)，引入了一個能確定輻射能按波長分布的函數(shù)——單色輻射通量密度。它是波長與溫度的函數(shù)。2006-09-136物體對輻射的吸收、反射和透射：1=a+r+d。物體的吸收率、反射率和透射率大小隨著輻射的波長和物體的性質(zhì)而改變。絕對黑體有關輻射的三個基本定律：基爾荷夫定律（Kirchhoff）斯蒂芬—玻爾茲曼定律（Stefan-Boltzman）

維恩位移定律（Wein）

有此三個輻射定律，絕對黑體的輻射規(guī)律就容易確定，因為它們把黑體的溫度與其輻射光譜聯(lián)系起來了。即使對非黑體，只要知道它們的溫度和吸收率，利用基爾荷夫定律，它們的輻射能力也可以確定。2006-09-137太陽輻射光譜和太陽常數(shù)圖2.5太陽輻射光譜是如何繪出的？所以：

太陽表面溫度6000K，太陽輻射最強的波長為0.457微米，稱短波輻射，太陽中心為2萬多度。大氣約250K，大氣輻射稱長波輻射地面約300K，地面輻射稱長波輻射2006-09-138太陽常數(shù)：必須在日地平均距離條件下，在地球大氣上界，垂直于太陽光線的1cm2面積上，1min內(nèi)接受的太陽輻射能量稱為太陽常數(shù)。注意：日地平均距離大氣上界到達大氣上界的太陽輻射2006-09-139太陽輻射在大氣中的減弱主要是大氣中的水汽、CO2、微塵、氧、O3、及云滴、霧、冰晶、空氣分子的吸收、散射、反射。為什么雨后天晴時，天空多呈現(xiàn)青藍色？當天空中存在較多塵?；蜢F粒時，天空為什么會呈現(xiàn)灰白色？2006-09-1310到達地面的太陽輻射一般來講，全球平均而言：太陽輻射30%被散射和漫射——稱行星反射率

20%被大氣、云層吸收

50%到達地面被吸收（稱總輻射，它包括兩個部分：直接輻射和散射輻射。）2006-09-1311地面對太陽輻射的反射地表對太陽輻射的反射率，決定于地表面的性質(zhì)和狀態(tài)。陸地表面對太陽輻射的反射率約為10％—30％。其中深色土比淺色土反射能力小，粗糙土比平滑土反射能力小，潮濕土比干燥土反射能力小。雪面的反射率很大，約為60％，潔白的雪面甚至可達90％。水面的反射率隨水的平靜程度和太陽高度角的大小而變。當太陽高度角超過60°時，平靜水面的反射率為2％，高度角30°時為6％，10°時為35％，5°時為58％，2°時為79.8％，1°時為89.2％。對于波浪起伏的水面來說，其平均反射率為10％。因此，總的說來水面比陸面反射率稍小一些。2006-09-1312特別要注意的是：即使總輻射的強度一樣，不同性質(zhì)的地表真正得到的太陽輻射，仍有很大差異，這也是導致地表溫度分布不均勻的重要原因之一。氣象學與氣候?qū)W

第二章大氣的熱能和溫度大氣溫度的時間變化和空間分布2006-9-3014大氣穩(wěn)定度(atmosphericstability)空氣在上升過程中的絕熱變化是大氣中降溫最快的過程；上升過程中的絕熱變化會導致水汽的凝結(jié)，這是大氣中云、霧、雨、雪形成的最重要的原因；因此，判斷大氣中是否會產(chǎn)生云霧，主要就是看大氣中是否會產(chǎn)生上升運動；判斷空氣是否會產(chǎn)生上升運動，就要看空氣在鉛直方向上位置穩(wěn)定的程度，即大氣穩(wěn)定度。2006-9-3015大氣穩(wěn)定度(atmosphericstability)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。它表示在大氣層中的個別空氣塊是否安于原在的層次，是否易于發(fā)生垂直運動，即是否易于發(fā)生對流。假如有一團空氣受到對流沖擊力的作用，產(chǎn)生了向上或向下的運動，那末就可能出現(xiàn)三種情況：1、如果空氣團受力移動后，逐漸減速，并有返回原來高度的趨勢，這時的氣層，對于該空氣團而言是穩(wěn)定的(stable)

；2、如空氣團一離開原位就逐漸加速運動，并有遠離起始高度的趨勢，這時的氣層，對于該空氣團而言是不穩(wěn)定的(unstable)；3、如空氣團被推到某一高度后，既不加速也不減速，這時的氣層，對于該空氣團而言是中性氣層(neutral)。2006-9-3016判斷大氣穩(wěn)定度的基本方法氣塊在受到擾動后上升z高度后自身產(chǎn)生的加速度取決于氣塊受到的合力。氣塊受到的合力為浮力與重力之差：

F=mg-m’g=(

－

’)Vg

單位質(zhì)量氣塊所受的力就是加速度，所以合力產(chǎn)生的加速度：

0,P0,T0

0,P0,T0

’,P’,T’

,P

,T

z

用狀態(tài)方程代入：

由此可見空氣的穩(wěn)定度取決于氣塊與周圍空氣的溫度差。

2006-9-30172006-9-30182006-9-30192006-9-30202006-9-3021③用層結(jié)曲線（大氣溫度隨高度變化曲線）和狀態(tài)曲線（即上升空氣塊的溫度隨高度的變化曲線）的分布來判斷大氣穩(wěn)定度。2006-9-3022穩(wěn)定度的綜合判定方法:綜合干空氣和未飽和濕空氣的判定方法，可歸納如下：<

m

絕對穩(wěn)定

m<

<

d

對干空氣穩(wěn)定，濕空氣不穩(wěn)定，此為條件性不穩(wěn)定；>

d絕對不穩(wěn)定。以上判定方法可用如下的數(shù)軸表示：

m

d絕對穩(wěn)定絕對不穩(wěn)定條件性不穩(wěn)定干穩(wěn)濕中性干中性濕不穩(wěn)2006-9-3023不穩(wěn)定能量不穩(wěn)定能量就是氣層中可使單位質(zhì)量空氣塊離開初始位置后作加速運動的能量。氣層能提供給氣塊的不穩(wěn)定能可分為下述三種情況：2006-9-3024大氣穩(wěn)定度對大氣污染的影響大氣穩(wěn)定度對煙流擴散有很大的影響，不同穩(wěn)定度導致從煙囪排出的煙羽形狀不同。下面是與穩(wěn)定度有關的五種典型煙流：2006-9-3025大氣溫度隨時間的變化氣溫隨時間的變化有兩種周期：年變化和日變化。氣溫的周期性變化類似于正弦函數(shù)的變化，因此可用與正弦函數(shù)類似的幾個特征量來表示其變化規(guī)律。表示正弦函數(shù)的特征量有：平均值振幅位相2006-9-3026類似地可引出表示溫度變化的特征量：平均溫度(meantemperature)：日平均溫度、年平均溫度振幅(amplitude)—

又叫變幅、較差(range)，即一個周期中最高值與最低值之差。日較差(diurnalrange)：一天中氣溫最高值與最低值之差。年較差(annualrange)：一年內(nèi)最熱月與最冷月的月平均溫度之差。位相(phase)：溫度最高值與最低值出現(xiàn)的時間。2006-9-3027氣溫的周期性變化

(1)氣溫的日變化(diurnalvariation):

近地層氣溫的變化主要取決于下墊面溫度的變化，變化特點有：

1、位相比地面落后，且隨高度的升高而推遲。1.5m高處日最高溫度出現(xiàn)在14~15時左右，最低氣溫出現(xiàn)在日出前后。

2、振幅隨高度的升高而減小。2006-9-3028影響氣溫日較差的因素：

1)

緯度(latitude)

：日較差隨緯度減小。因高緯度白天氣溫低、夜間有效輻射少。

2)

季節(jié)(season)：夏季大、冬季小，但最大在春季，最小在冬季

3)

地形(geographicalrelief)：凸地變幅小，凹地變幅大，因為凹地白天散熱慢，夜間有效輻射強

4)

下墊面性質(zhì)(featuresofunderlyingsurface)：水面上日較差小，陸地上大

5)

天氣(weather)：晴天日較差大于陰天2006-9-3029(2)氣溫的年變化(annualvariation)

特點：回歸線以外的地區(qū)為單波型：最高為7月,最低為1月,海上落后一個月；回歸線之間赤道附近地區(qū)為雙波型：最高為4、10月，最低為7，1月。原因：太陽直射點的季節(jié)變化，在赤道附近地區(qū)，一年有兩次太陽直射。2006-9-3030地面太陽輻射日總量的時空分布

(設透明系數(shù)a=0.7，用數(shù)值積分法計算)

輻射日總量(J/m2·d)夏至秋分冬至春分冬至0102030405060708090緯度2006-9-3031年較差的影響因素：

1、緯度：這是對氣溫年較差影響最大的因素。一般來說，氣溫年較差隨緯度的升高而增大。原因：太陽輻射的年變化幅度隨緯度的增高而增大。因為一年中晝夜長短的變化幅度隨緯度增大。

2、海陸分布3、海拔4、氣候干濕5、雨季2006-9-3032由太陽直接輻射日總量的分布可知年較差的變化

2006-9-30332.氣溫的非周期性變化(non-periodicvariationofairtemperature)

變化原因：天氣突變大規(guī)模冷暖空氣的活動2006-9-3034大氣溫度的空間分布氣溫垂直梯度：氣溫隨高度的分布，稱為溫度層結(jié)(temperaturestratification)。大氣溫度的鉛直分布一般用氣溫垂直梯度（氣溫直減率，verticaltemperaturegradient）來表示。氣溫直減率（

）：實際氣層中高度每變化單位高度時氣溫的降低值。在對流層中，氣溫隨高度的升高而降低，

>0。但

的值是隨時、隨地改變的，不是常數(shù)！

請注意

與

d

、

m的區(qū)別！2006-9-3035逆溫1、定義：溫度隨高度的增加而增加，此時。2、逆溫與研究污染有關的因素：

①逆溫層的消失時間；

②逆溫層底的高度；

③逆溫層的厚度；

④逆溫的強度（溫度隨高度的變化情況）。不同季節(jié)都應掌握上述數(shù)據(jù)。逆溫的最危險狀況是逆溫層正好處于煙囪排放口。3、逆溫形成的過程形成逆溫的過程多種多樣，最主要有以下幾種：

①輻射逆溫（較常見）；②平流逆溫；③鋒面逆溫；

④湍流逆溫；⑤下沉逆溫。2006-9-3036輻射逆溫(radiationinversion)：晴朗微風的夜晚，地面因強烈的有效輻射而降溫，形成溫度上高下低的現(xiàn)象。平流逆溫(advectioninversion)：暖空氣流到冷的下墊面上而形成的逆溫。下沉逆溫(subsiden