大气系统能量收支与平衡

1、3.1 3.1 v太阳太阳-电磁辐射，一年地球可获得电磁辐射，一年地球可获得5.510的的24 方方j的能量。认为太阳辐射能是地面的能量。认为太阳辐射能是地面和大气的唯一能量来源。和大气的唯一能量来源。v温度表示物体的冷热程度，是物体分子平温度表示物体的冷热程度，是物体分子平均动能的反应。均动能的反应。v对其加热时，空气分子运动速度加快，同对其加热时，空气分子运动速度加快，同时也将运动更远的距离，结果是空气的密时也将运动更远的距离，结果是空气的密度减小。相反，如果将这块空气冷却，分度减小。相反，如果将这块空气冷却，分子运动速度减慢，分子之间也更加接近，子运动速度减慢，分子之间也更加接近，从而使

2、空气密度增大。从而使空气密度增大。v暖空气密度小、冷空气密度大的特性暖空气密度小、冷空气密度大的特性 。一一 潜热潜热v水的相变水的相变v相变过程所需要的热能称为潜热相变过程所需要的热能称为潜热v潜热，潜热，“固定固定”、温度不变、温度不变v融化、蒸发、升华过程使环境空气温度下融化、蒸发、升华过程使环境空气温度下降。降。v凝结、冻结、凝华过程使环境空气温度升凝结、冻结、凝华过程使环境空气温度升高。高。v在在1个大气压个大气压0的情况下，的情况下，1千克质量的冰千克质量的冰转变成同温度的水，要吸收转变成同温度的水，要吸收79.6千卡的热千卡的热量。量。v升华热在数值上与熔解热和汽化热之和相升华热

3、在数值上与熔解热和汽化热之和相等等 。v潜热是大气能量的重要来源之一。潜热是大气能量的重要来源之一。二二 传导传导v以物质作为介质的以物质作为介质的热量传递方式称为热量传递方式称为传导。传导。v物质热传导率物质热传导率(w/m. )v表表 物质的热传导率物质的热传导率雪雪0.63砂岩砂岩2.6湿土壤湿土壤2.1花岗岩花岗岩2.7冰冰2.1铁铁80静止空气静止空气0.023干土壤干土壤0.25木材木材银0.08427水水0.60三，对流三，对流v通过流体（如水和空气）的运动进行的热通过流体（如水和空气）的运动进行的热量传递方式称为对流。量传递方式称为对流。v通过空气的水平运动产生的空气属性的输通

4、过空气的水平运动产生的空气属性的输送被称为平流。送被称为平流。四，辐射四，辐射v下面一些重要的事实和规律需要我们首先下面一些重要的事实和规律需要我们首先掌握：掌握：v 1所有物体（温度大于绝对零度），无所有物体（温度大于绝对零度），无论其大小如何，都向外发出辐射。论其大小如何，都向外发出辐射。v 2一个物体发出辐射的波长主要取决于一个物体发出辐射的波长主要取决于它的温度。物体温度越高，发出辐射的波它的温度。物体温度越高，发出辐射的波长越短。同样道理，物体温度越高，发出长越短。同样道理，物体温度越高，发出的辐射能最大值所对应的波长也越短。这的辐射能最大值所对应的波长也越短。这个辐射波长与温度的关

5、系称维恩定律（或个辐射波长与温度的关系称维恩定律（或维恩位移定律）：维恩位移定律）：v maxt=2897( umk)v3面积相同的高温物体与低温面积相同的高温物体与低温物体相比，在相同时间内发射的物体相比，在相同时间内发射的总辐射能更多。对同一物体来说，总辐射能更多。对同一物体来说，随着其温度升高，单位时间内也随着其温度升高，单位时间内也将向外界发射更多的总辐射能。将向外界发射更多的总辐射能。这种物体发射的总辐射能与温度这种物体发射的总辐射能与温度的关系，称为斯蒂芬玻尔兹曼的关系，称为斯蒂芬玻尔兹曼定律定律v式中式中= 5.67xl0-8 wm-2k-4，称为斯蒂芬玻尔兹曼常数。称为斯蒂芬玻

6、尔兹曼常数。4te太阳辐射太阳辐射 3.2大气的吸收、发射与温室效应大气的吸收、发射与温室效应v物体吸收和释放的能量相等时，其温度保持物体吸收和释放的能量相等时，其温度保持不变。不变。v黑体：物体完全吸收体，又是完全发射体。黑体：物体完全吸收体，又是完全发射体。v灰体灰体v地球吸收太阳辐射和发射长波辐射的速率相地球吸收太阳辐射和发射长波辐射的速率相等，辐射平衡温度保持不变。地球相应的辐等，辐射平衡温度保持不变。地球相应的辐射平衡温度约为射平衡温度约为255k（-18），而地球表），而地球表面平均温度面平均温度(288k，15)。？。？一，大气的选择性吸收与温室效应一，大气的选择性吸收与温室效应

7、v水汽水汽(h20)和二氧化碳和二氧化碳(c02)强烈吸收红外强烈吸收红外辐射，但很少吸收太阳辐射中的可见光部辐射，但很少吸收太阳辐射中的可见光部分。大气中吸收相对较弱的选择性吸收气分。大气中吸收相对较弱的选择性吸收气体还有一氧化二氮体还有一氧化二氮(n20)、甲烷、甲烷(ch4)和臭和臭氧氧(03，主要存在于平流层，主要存在于平流层)等，它们在大气等，它们在大气中的含量远小于水汽和二氧化碳。中的含量远小于水汽和二氧化碳。v增大空气的平均动能，结果使得气温增高。增大空气的平均动能，结果使得气温增高。地球表面发射的大部分红外辐射被用于低地球表面发射的大部分红外辐射被用于低层大气的增暖层大气的增暖

8、。图图 大气的吸收谱（引自大气的吸收谱（引自millermiller，19661966） 图图1 大气层外和海平面上的太阳辐射通量与大气层外和海平面上的太阳辐射通量与6000k黑体辐射的比黑体辐射的比 v水汽和二氧化碳除了选择性吸收之外，同水汽和二氧化碳除了选择性吸收之外，同时选择性地向各个方向发射红外辐射，其时选择性地向各个方向发射红外辐射，其中一部分朝向地球的辐射可能到达地球表中一部分朝向地球的辐射可能到达地球表面并被吸收，从而使地表温度升高。同时面并被吸收，从而使地表温度升高。同时地表向上发射的红外辐射又被低层大气吸地表向上发射的红外辐射又被低层大气吸收，使近地层大气增温。收，使近地层大

9、气增温。v大气的垂直结构。大气的垂直结构。v“温室效应温室效应”、大气效应、大气温室效应。、大气效应、大气温室效应。v8至至11微米，大气窗口。微米，大气窗口。v当有云存在时，关闭了大气窗口。当有云存在时，关闭了大气窗口。v云的存在往往使夜间温度升高而白天温云的存在往往使夜间温度升高而白天温度降低。度降低。v使地球表面的温度保持在一个适宜的水使地球表面的温度保持在一个适宜的水平平。二，温室效应的增强二，温室效应的增强v基本上达成共识，认为过去基本上达成共识，认为过去100年来地球表面气年来地球表面气温大约升高了温大约升高了0.60c。v全球变暖的主要原因是化石燃料燃烧和森林砍伐全球变暖的主要原

10、因是化石燃料燃烧和森林砍伐导致二氧化碳这一温室气体浓度的不断升高。然导致二氧化碳这一温室气体浓度的不断升高。然而，其他一些温室气体而，其他一些温室气体(如甲烷如甲烷(ch4)，氧化亚氮，氧化亚氮(n20)氯氟烃化合物氯氟烃化合物(cfc)等）的浓度在近年来也等）的浓度在近年来也在不断升高，这些气体共同产生的温室效应也相在不断升高，这些气体共同产生的温室效应也相当可观。当可观。vch4和和n20能强烈吸收红外辐射，氯氟烃化合物能强烈吸收红外辐射，氯氟烃化合物中的中的cfc-12能吸收能吸收811微米大气窗区的辐射。微米大气窗区的辐射。从对红外辐射的吸收能力来看，大气中一个从对红外辐射的吸收能力来

11、看，大气中一个cfc-12分子的作用相当于大气中增加了分子的作用相当于大气中增加了1万个二氧化万个二氧化碳分子。碳分子。v总体而言，水汽在大气温室效应中起到约总体而言，水汽在大气温室效应中起到约60%的作用，二氧化碳的作用约占的作用，二氧化碳的作用约占26%，其他温室气体的作用约占其他温室气体的作用约占14%。v水汽的反馈水汽的反馈v云、海洋的反馈云、海洋的反馈( ipcc ar4, 2007 ) 2005年二氧化碳浓度远超过近65万年以来的自然变化（180-330ppm），其在近十年的增长速率为每年1.9ppm，高于有连续直接观测以来的平均每年1.4ppm。 2005年甲烷浓度远超过近65万

12、年以来的自然变化（320-790ppb），自20世纪90年代以来，其增长速率已下降。 2005年氧化亚氮浓度为319ppb，远高于工业化前的约270ppb，其增长速率自1980年以来已大致稳定。浓度浓度coco2 2(ppmv)(ppmv)温度距平温度距平( () )年距今年距今人类活人类活动扰动动扰动目前的目前的coco2 2浓度是浓度是4242万年来的最大值。万年来的最大值。8383万年来，仍是最大值万年来，仍是最大值南极东方站（南极东方站（vostokvostok）测量的）测量的大气大气coco2 2浓度变化浓度变化（ipcc，2001）工业化（工业化（1750年）以来，大气中温室气体明

13、显增加。年）以来，大气中温室气体明显增加。年100012001400160018002000280300320340360浓度(ppmv)co2南极南极law domelaw dome冰芯资料显示的近冰芯资料显示的近10001000年大气年大气coco2 2浓度浓度（ipcc，2001）年夏威夷夏威夷mauna loamauna loa观象台观象台测量的大气测量的大气coco2 2浓度变化浓度变化38031032033034035036037019601970198019902000浓度co2(ppmv)20032003年年5 5月已达到月已达到379ppmv (379ppmv (百万分之一体

14、积百万分之一体积) )。coco2 2浓度浓度20062006年已达到年已达到382.49ppmv382.49ppmv。过去。过去1010年中大气年中大气coco2 2浓度以浓度以1.8ppmv/1.8ppmv/年年 的速率增长，而的速率增长，而过去过去5050年平均仅为年平均仅为1ppmv/1ppmv/年。年。（ipcc，2001）中国气象局瓦里关全球大气本底站大气co2浓度测量结果co2浓度浓度2006年已高达年已高达384.65ppmv。年增长率。年增长率1.77ppmvbaseline station at waliguan, west china(cams/cma)瓦里关和manna

15、 loa的甲烷测量比较2006年ch4浓度上线：瓦里关：1861.06ppb，年增长率：4.25ppb/yr。 下线：mauna loa ：1809.05ppb，年增长率：3.74ppb/yr。(cams/cma)1979-2005年地表（上左），对流层（上右）线性全球温度趋势分布。下图是年全球平均温度曲线（点）。红线是线性趋势（1850-2005）。仪器观测头70年（1850-1919）到最近5年（2001-2005）的温度变化为0.780.18(ipcc,ar4,2007)平流层下部对流层中上部对流层下部地表ipcc ar4大气气温各层的变化2004年5月28日全球同步放映美国大片后天后天

16、剧情：研究气候变化的科学家哈尔教剧情：研究气候变化的科学家哈尔教授，他根据观测和研究古气候的规律，授，他根据观测和研究古气候的规律，提出提出严重的温室效应将造成气温剧降，严重的温室效应将造成气温剧降，地球将再次进入冰河世纪地球将再次进入冰河世纪的假设。结的假设。结果，这个预言变成了现实，龙卷风、果，这个预言变成了现实，龙卷风、海啸和暴风雪接踵而至，人类陷入了海啸和暴风雪接踵而至，人类陷入了一场空前的末日浩劫。一场空前的末日浩劫。 2004年5月28日全球同步放映美国大片后天该片的科学依据是有一天由于气候变暖，使温盐环流关闭。三，地面加热空气三，地面加热空气v太阳辐射向下传输时受大气的影响较小，

17、到达地太阳辐射向下传输时受大气的影响较小，到达地面后首先加热地面。面后首先加热地面。v传导从地面获得能量并向上运动。传导从地面获得能量并向上运动。v地面以上几厘米厚的贴地气层。地面以上几厘米厚的贴地气层。v暖空气上升和冷空气下沉形成热泡，对流将热量暖空气上升和冷空气下沉形成热泡，对流将热量向上传递到较高的高度。向上传递到较高的高度。v水汽凝结为云滴，并释放出潜热使空气温度升高。水汽凝结为云滴，并释放出潜热使空气温度升高。v与此同时，地球持续地向上发射红外辐射，一部与此同时，地球持续地向上发射红外辐射，一部分被温室气体（如水汽、二氧化碳等）吸收分被温室气体（如水汽、二氧化碳等）吸收v低层大气的增

18、温是从地面开始的。低层大气的增温是从地面开始的。3.3太阳辐射与地球能量平衡太阳辐射与地球能量平衡v一，散射与反射一，散射与反射v太阳常数取为太阳常数取为1367w/m2v太阳辐射进入大气层后将与大气发生多种相互作太阳辐射进入大气层后将与大气发生多种相互作用。用。v吸收、散射。吸收、散射。v由于空气分子的大小远远小于可见光的波长，它由于空气分子的大小远远小于可见光的波长，它们散射波长较短的辐射（如蓝光）远比散射波长们散射波长较短的辐射（如蓝光）远比散射波长较长的辐射（如红光）更有效。较长的辐射（如红光）更有效。v天空是蓝色的。天空是蓝色的。v正午太阳颜色就接近白色。正午太阳颜色就接近白色。v在日出和日落时，看到的太阳呈红、黄色。在日出和日落时，看到的太阳呈红、黄色。有选择性有选择性 当太阳辐射在大气中遇到空气分子或微小尘埃当太阳辐射