第二章大气的热能和温度

1、 大气的冷暖变化，在空间分布上不均衡，在时间上存在周大气的冷暖变化，在空间分布上不均衡，在时间上存在周期性变化和非周期性变化。期性变化和非周期性变化。 问题：这种变化是怎样形成的问题：这种变化是怎样形成的?能量来自何处能量来自何处? 本章将介绍地球上热量的基本来源本章将介绍地球上热量的基本来源太阳辐射太阳辐射，并着重分析，并着重分析太阳辐射通过下垫面引起大气增温、冷却的物理过程。在太阳辐射通过下垫面引起大气增温、冷却的物理过程。在此基础上，再讨论大气温度随时间变化和空间分布的一般此基础上，再讨论大气温度随时间变化和空间分布的一般规律。规律。 第二章第二章 大气的热能和温度大气的热能和温度一、一

2、、辐射的基本知识辐射的基本知识1.1.辐射的概念辐射的概念2.辐射的波粒二象性辐射的波粒二象性3.有关辐射的基本物理量有关辐射的基本物理量4.物体对辐射的吸收、反射和透射物体对辐射的吸收、反射和透射5.辐射的基本定律辐射的基本定律第一节第一节 太阳辐射太阳辐射定义：自然界中的一切物体，只要其温定义：自然界中的一切物体，只要其温度高于度高于绝对零度绝对零度，就会不停的以，就会不停的以电磁波或电磁波或粒子粒子的形式向外传递能量，这种传递能量的形式向外传递能量，这种传递能量的方式叫辐射，通过辐射的方式传递的能的方式叫辐射，通过辐射的方式传递的能量称为辐射能。量称为辐射能。 辐射是能量传播的方式之一，

3、并辐射是能量传播的方式之一，并且是太阳能传输到地球的唯一方式。且是太阳能传输到地球的唯一方式。K=273+ 1.辐射的概念辐射的概念 辐射的波动性辐射的波动性 辐射的粒子性辐射的粒子性 2.辐射的波粒二项性辐射的波粒二项性：电磁波的性质是用波长（电磁波的性质是用波长（ ）和频率（）和频率（）表示）表示 波长的单位波长的单位m(微米）或微米）或nm(纳米）纳米） 频率的单位是：赫兹频率的单位是：赫兹 1 m=10-6m 1nm= 10-9m C:光速光速3108m/sc辐射的波动性辐射的波动性v 电磁波谱电磁波谱：各种不同波长（或频率）的电磁波依次从大到小可：各种不同波长（或频率）的电磁波依次从

4、大到小可排列为一个谱系，称为电磁波谱排列为一个谱系，称为电磁波谱v 从长波到短波包括：从长波到短波包括： 长波无线电波长波无线电波、短波无线电波、红外短波无线电波、红外 线、可见光、紫外线、线、可见光、紫外线、 射线、射线、 射线、宇宙射线、射线、宇宙射线、v 包括：太阳、地球表面、大气辐射，包括：太阳、地球表面、大气辐射， 波长大致在波长大致在0.15-120m之间，之间， 紫外线紫外线 可见光可见光 红外线红外线 气象学研究电磁波谱的范围：气象学研究电磁波谱的范围：太阳辐射太阳辐射99%的能量的能量0.15-4.0 m地球表面和大气辐射地球表面和大气辐射3-120 m短波辐射短波辐射长波辐

5、射长波辐射 辐射的粒子学说认为，电磁辐射是辐射的粒子学说认为，电磁辐射是由具有一定质量、能量和动量的微粒组由具有一定质量、能量和动量的微粒组成，这些微粒称为量子或光量子成，这些微粒称为量子或光量子（quantumn)quantumn) 辐射的粒子性辐射的粒子性每个量子所具有的能量每个量子所具有的能量e(energy)可由可由普朗克第一定律普朗克第一定律：计算得出：计算得出cheheh：普朗克：普朗克常数常数 h=6.6310-34 JS例：例：0.4m是可见光中的蓝紫光，它的每个光量子是可见光中的蓝紫光，它的每个光量子所含能量是多少？所含能量是多少？e=hc/=6.63e=hc/=6.6310

6、10-34-34J.SJ.S3.03.010108 8m/s /0.4m/s /0.41010-6-6m m =4.97 =4.971010-19-19J J辐射通量：辐射通量： 单位单位 焦耳焦耳/ /秒秒 单位时间内通过或到达任意表面的辐射能单位时间内通过或到达任意表面的辐射能辐射通量密度：单位：瓦辐射通量密度：单位：瓦/ /米米2 2 单位面积上的辐射通量单位面积上的辐射通量3.3.有关辐射的基本物理量有关辐射的基本物理量 辐射通量密度辐射通量密度 因其没有限定方向，所以根据辐射方向的不同，将辐射通量密度分因其没有限定方向，所以根据辐射方向的不同，将辐射通量密度分为为u辐出度辐出度：放射

7、体表面所放出去的辐射通量密度：放射体表面所放出去的辐射通量密度 u辐照度辐照度：到达接受面的辐射通量密度：到达接受面的辐射通量密度可见光的度量不用能量单位而用光能单位可见光的度量不用能量单位而用光能单位 光照度（照度光照度（照度):):单位面积上接受的光通量单位面积上接受的光通量 单位：勒克斯（单位：勒克斯（LUX)LUX) 勒克斯：它是以勒克斯：它是以1 1国际烛光的点光源为中心，以一米为半径的国际烛光的点光源为中心，以一米为半径的球面上所得到的照度。（球面上所得到的照度。（1 1勒克斯勒克斯=1=1流明流明/1/1米米2 2） 对于自然界中的任何物体来讲，它既是一个放射体，对于自然界中的任

8、何物体来讲，它既是一个放射体，也是一个接收体，任何物体对于投射到它上面的辐射也是一个接收体，任何物体对于投射到它上面的辐射能都不会全部吸收，总是有一部分被反射，有一部分能都不会全部吸收，总是有一部分被反射，有一部分被透射。被透射。 反射辐射反射辐射 入射辐射入射辐射Q Q QrQr吸收吸收QaQaQtQt透射透射Q=Qa+Qr+QtQ=Qa+Qr+Qt4.4.物体对辐射的吸收、反射和透射物体对辐射的吸收、反射和透射 吸收率（吸收率（a) absorptivity 反射率反射率 (r) reflectivity 透射率透射率 (t) transmissivity物体对辐射物体对辐射吸收、反射吸收

9、、反射透射的透射的能力能力设投射到物体上的总辐射能量为设投射到物体上的总辐射能量为Q；被吸收、反射、；被吸收、反射、透射的量分别为透射的量分别为Q a、Qr、Qt。 根据能量守恒原理，则：根据能量守恒原理，则： Q a +Qr+Qt=Q 将上式两端除以将上式两端除以Q，则得：，则得：1QQtQQrQQa 式中左边第一项式中左边第一项 为吸收率；第二为吸收率；第二项项 ，称为反射率，称为反射率(物体反射的辐射与投物体反射的辐射与投射于其上的总辐射之比射于其上的总辐射之比)；第三项；第三项 ，称为，称为透射率透射率(透过物体的辐射与投射于其上的总辐射透过物体的辐射与投射于其上的总辐射之比之比) .

10、QQarQQrtQQt 即即a + r + t=11QQtQQrQQa 同种物体对不同波长的辐射有不同的吸收率、反射率、同种物体对不同波长的辐射有不同的吸收率、反射率、透射率。透射率。 例如：例如： 雪面对红外线雪面对红外线 雪面对可见光雪面对可见光物体对辐射吸收、反射、透射的物体对辐射吸收、反射、透射的选择性选择性： 黑体：黑体：a=1a=1 绝对黑体：对任何波长的绝对黑体：对任何波长的 a=1a=1 若某一物体只对某一波长的辐射全部吸收，则称此若某一物体只对某一波长的辐射全部吸收，则称此物体对该波长为黑体物体对该波长为黑体 灰体：灰体：a1,a0.76 0.76 m 43%m 43% 紫外

11、线：紫外线：0.4 0.4 m 7%m 7% 太阳辐射峰值的波长：太阳辐射峰值的波长：max =0.4750.475m m1、太阳辐射光谱、太阳辐射光谱 天文辐射：穿过可视为热透体的星际空间到达大气上界的天文辐射：穿过可视为热透体的星际空间到达大气上界的太阳辐射称为天文辐射。太阳辐射称为天文辐射。 太阳常数：在大气上界，当日地之间处于平均距离太阳常数：在大气上界，当日地之间处于平均距离（1.5108km)时，垂直入射光表面的太阳辐射的辐照度。时，垂直入射光表面的太阳辐射的辐照度。 单位：单位：Wm-2 数值：数值：1367+7 Wm-22、天文辐射、天文辐射（二）、太阳辐射在大气中的（二）、太

12、阳辐射在大气中的减弱减弱大气对太阳辐射大气对太阳辐射的削弱作用的削弱作用吸收作用吸收作用散射作用散射作用反射作用反射作用大气中吸收太阳辐射的主要成分：大气中吸收太阳辐射的主要成分：水汽、液态水、水汽、液态水、CO2、O2、 O3、固体杂质、固体杂质、尘埃等尘埃等1、大气对太阳辐射的吸收作用、大气对太阳辐射的吸收作用 水汽、液态水：水汽、液态水： 0.932.85 m CO2：2.7、4.3 m O3 ：0.20.3m、0.440.75m O2 ：0.2m 固体杂质、尘埃等吸收红外固体杂质、尘埃等吸收红外线，但作用就小得多了线，但作用就小得多了大气对太阳辐射的吸收作用具有选择性大气对太阳辐射的吸

13、收作用具有选择性 大气对太阳辐射吸收作用的大气对太阳辐射吸收作用的特点特点： 由于大气中主要吸由于大气中主要吸收物质收物质(臭氧和水汽臭氧和水汽)对太阳辐射的吸收对太阳辐射的吸收带都位于太阳辐射带都位于太阳辐射光谱两端能量较小光谱两端能量较小的区域，因而对太的区域，因而对太阳辐射的减弱作用阳辐射的减弱作用不大。也就是说，不大。也就是说，大气直接吸收的太大气直接吸收的太阳辐射并不多，特阳辐射并不多，特别是对于对流层大别是对于对流层大气来说，太阳辐射气来说，太阳辐射不是主要的直接热不是主要的直接热源。源。 散射作用：散射作用： 太阳辐射通过大气，遇到空气分子、尘粒、云滴等质点时，太阳辐射通过大气，

14、遇到空气分子、尘粒、云滴等质点时，都要发生散射。都要发生散射。 但散射并不像吸收那样把辐射转变为热能，而只是改变辐射但散射并不像吸收那样把辐射转变为热能，而只是改变辐射的方向，使太阳辐射以质点为中心向四面八方传播的方向，使太阳辐射以质点为中心向四面八方传播 2.大气对太阳辐射的散射作用大气对太阳辐射的散射作用 大气中的散射物质：大气中的散射物质： 空气分子、尘粒、云雾滴等空气分子、尘粒、云雾滴等 散射的分类散射的分类（根据散射质点的直径的大小）（根据散射质点的直径的大小） 分子散射分子散射(Rayleigh)：具有选择性：具有选择性 粗粒散射粗粒散射（米散射）（米散射） (mie )：不具选择

15、性：不具选择性2.大气对太阳辐射的散射作用大气对太阳辐射的散射作用对称不对称 定义：散射质点的直径定义：散射质点的直径入射辐射波长入射辐射波长 如：空气分子如：空气分子 分子散射具有选择性：分子散射具有选择性： 散射能力与波长的散射能力与波长的4次方成反比次方成反比 如表所示：如表所示：分子散射分子散射波长波长0.70.620.570.520.470.440.30颜色颜色红红橙橙黄黄绿绿蓝蓝紫紫紫外紫外散射系数散射系数（相对值）（相对值）1.01.62.23.34.96.430.0 粗粒散射粗粒散射(漫射漫射) 当散射质点增大当散射质点增大(如云滴、雾滴、尘埃等如云滴、雾滴、尘埃等)，半，半径

16、大于径大于10 m时，此时散射量不再随波长而改变，时，此时散射量不再随波长而改变，即散射强度与波长无关，称即散射强度与波长无关，称粗粒散射粗粒散射(或漫射或漫射)。 空气比较混浊或阴天时的天空呈乳白色，就是空气比较混浊或阴天时的天空呈乳白色，就是因大气中的尘埃等粗粒较多，大气散射以漫射为主，因大气中的尘埃等粗粒较多，大气散射以漫射为主，散射光谱与辐射光谱相同的散射光谱与辐射光谱相同的 缘故。缘故。 反射物质：云、尘埃反射物质：云、尘埃 云的反射能力与云状、云量、云厚有关云的反射能力与云状、云量、云厚有关 云的平均反射率云的平均反射率50-55%，其中，其中高云高云25%、中云中云50%、低低云

17、云65%3、大气对太阳辐射的反射、大气对太阳辐射的反射 在以上所讲的大气对太阳辐射衰减的三种方式在以上所讲的大气对太阳辐射衰减的三种方式中中: 反射作用反射作用最重要最重要,尤其是云层尤其是云层 对太阳辐射对太阳辐射 的反射作用的反射作用 散射作用散射作用第二第二 吸收作用吸收作用相对最小相对最小以全球平均而言，太阳辐射约有以全球平均而言，太阳辐射约有30被散射和漫射回宇被散射和漫射回宇宙，称之为行星反射率，宙，称之为行星反射率，20被大气和云层直接吸收，被大气和云层直接吸收，50 到达地面被吸收到达地面被吸收 直接辐射：直接辐射：Sb (Direct beam solar radiation

18、) 太阳以平行光的形式直接投射到地面上的太阳以平行光的形式直接投射到地面上的 散射辐射：散射辐射： Sd (Diffuse solar radiation) 经过大气散射后以散射光的形式到达地面经过大气散射后以散射光的形式到达地面 总辐射：总辐射： St (solar radiation) 水平面上直接辐射与散射辐射之和，水平面上直接辐射与散射辐射之和， Sb + Sd（三）、到达地面的太阳辐射（三）、到达地面的太阳辐射1.直接辐射直接辐射太阳直接辐射的强弱和许多因子有关，其中最主要的太阳直接辐射的强弱和许多因子有关，其中最主要的有两个，即太阳高度角和大气透明度。有两个，即太阳高度角和大气透明

19、度。 （1）太阳高度角）太阳高度角(h)：太阳平行光线与水平面的交角太阳平行光线与水平面的交角由这两幅图看到了由这两幅图看到了什么规律？什么规律？ 太阳太阳平行光线平行光线与水平面之间的夹角与水平面之间的夹角 太阳高度角的大小直接影响着到达地面的太阳辐射太阳高度角的大小直接影响着到达地面的太阳辐射的强弱的强弱 （1）太阳高度角）太阳高度角h (1)太阳高度角愈大，等量的太阳辐射散布的面积太阳高度角愈大，等量的太阳辐射散布的面积就愈小就愈小 (2)太阳高度角愈大，太阳辐射穿过的大气层愈薄太阳高度角愈大，太阳辐射穿过的大气层愈薄 所以，太阳高度角越大，到达地面的太阳直接辐所以，太阳高度角越大，到达

20、地面的太阳直接辐射越强，反之，越弱。射越强，反之，越弱。 那么，太阳高度角的大小又和什么因素有关呢？那么，太阳高度角的大小又和什么因素有关呢？ sin h= = sinsin+coscoscos: 地理纬度地理纬度：赤纬：赤纬 ：时角，：时角， = 15o(t-12）太阳高度角的计算公式：太阳高度角的计算公式：太阳高度角太阳高度角(h)：太阳平行光线与水平面的交角：太阳平行光线与水平面的交角 纬度纬度升高，太阳高度角变小纬度升高，太阳高度角变小 定义：太阳光垂直照射地球的位置，用当地的地理纬度定义：太阳光垂直照射地球的位置，用当地的地理纬度表示。太阳直射地球的纬度。表示。太阳直射地球的纬度。

21、赤纬值在北半球取正值，南半球取负值赤纬值在北半球取正值，南半球取负值 变化变化： 年变化范围：年变化范围：-23.50+23.50 随季节变化情况：夏至：随季节变化情况：夏至： 冬至：冬至： 春、秋分：春、秋分：太阳赤纬：太阳赤纬：太阳高度角存在日变化sin h= = sinsin+coscoscos = 15o(t-12）正午正午=0，上午，上午0 地方时地方时t: 根据太阳位置确定的时刻称地方时根据太阳位置确定的时刻称地方时正午时刻（正午时刻（t=12）太阳高度角的表达式：）太阳高度角的表达式： 正午时刻的太阳高度角正午时刻的太阳高度角的大小是反映某地太阳辐的大小是反映某地太阳辐射强弱的一

22、个重要特征量射强弱的一个重要特征量 例：北纬例：北纬40度地区，夏至日正午时刻太阳高度角？度地区，夏至日正午时刻太阳高度角？090h随时间的变化随时间的变化日变化：正午最大，早晚最小日变化：正午最大，早晚最小年变化：在南北回归线之间，每年太阳可直射两次，年变化：在南北回归线之间，每年太阳可直射两次，北半球，北回归线以北地区，夏至日最大，冬至日最北半球，北回归线以北地区，夏至日最大，冬至日最小小随纬度变化：随纬度变化：随纬度的升高，太阳高度角减小随纬度的升高，太阳高度角减小太阳高度角的变化规律太阳高度角的变化规律(2)太阳高度角愈小，太阳辐射穿过的大气层愈厚太阳高度角愈小，太阳辐射穿过的大气层愈

23、厚 这样大气对太阳辐射的削弱作用就越强，到达地面这样大气对太阳辐射的削弱作用就越强，到达地面的太阳辐射就越小。的太阳辐射就越小。 太阳辐射穿过大气层的厚度，用大气质量数（太阳辐射穿过大气层的厚度，用大气质量数（m）表示表示 定义：在地面为标准气压定义：在地面为标准气压(1013hPa)时，太阳光垂直投时，太阳光垂直投射到地面所经路程中，单位截面积的空气柱的质量，射到地面所经路程中，单位截面积的空气柱的质量，称为一个大气质量。称为一个大气质量。 大气质量数大气质量数h 90604030 20 10 53210m11.151.552.02.95.610.415.3619.7926.9635.4高度

24、高度( (千米千米) )0 01 15 53 30 05 55 57 7O O9 90 0m m1 10 0O.85O.850 07 70 05 50 04 4O O3 3 大气质量对太阳直接辐射大小的影响大气质量对太阳直接辐射大小的影响（2)大气质量数大气质量数sinh1mm1 当太阳高度相同时，到达地面的直接辐射是否想等呢？当太阳高度相同时，到达地面的直接辐射是否想等呢？ 定义：透过一个大气质量数后的辐射强度与透过之前的辐射强度之定义：透过一个大气质量数后的辐射强度与透过之前的辐射强度之比，用比，用p表示，表示，p1 p的大小表明了太阳辐射穿过大气后的削弱程度的大小表明了太阳辐射穿过大气后

25、的削弱程度 影响大气透明系数的因子影响大气透明系数的因子 大气成分：大气中水汽、水汽凝结物、尘埃等大气成分：大气中水汽、水汽凝结物、尘埃等 辐射的波长：长波光透明系数大，短波光透明系数小辐射的波长：长波光透明系数大，短波光透明系数小 时间时间:（3）大气透明系数）大气透明系数光线光线 紫外线紫外线 紫光紫光 蓝光蓝光 绿光绿光 黄光黄光 红光红光 红外线红外线 a 0.32 0.55 0.64 0.72 0.76 0.78 0.80 p p、m m、 h h、这三个因子对到达地面的直接辐射的影响用这三个因子对到达地面的直接辐射的影响用公式表示：公式表示： Sb = p = pm m So si

26、nh sinh 随太阳高度角的增大而增大随太阳高度角的增大而增大 随大气透明系数增大而增大随大气透明系数增大而增大 随大气质量数的增大而减小随大气质量数的增大而减小p p、m m、 h h对太阳直接辐射的影响对太阳直接辐射的影响 直接辐射有显著的年变化、日变化和随纬度的变化。这直接辐射有显著的年变化、日变化和随纬度的变化。这种变化主要由太阳高度角决定。种变化主要由太阳高度角决定。 日变化日变化 年变化年变化 随纬度变化随纬度变化 随海拔高度变化随海拔高度变化太阳直接辐射的变化情况太阳直接辐射的变化情况月份月份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Rsb(w/m2) 202 2

27、79 314 453 460 419 384 342 349 258 188 167北京直接辐射的月平均值北京直接辐射的月平均值 散射辐射的强弱也与太阳高度角及大气透明度有关。散射辐射的强弱也与太阳高度角及大气透明度有关。 太阳高度角增大时，到达近地面层的直接辐射增强，太阳高度角增大时，到达近地面层的直接辐射增强，散射辐射也就相应地增强；相反，太阳高度角减小时，散射辐射也就相应地增强；相反，太阳高度角减小时，散射辐射也弱。散射辐射也弱。 大气透明度不好时，参与散射作用的质点增多，散射大气透明度不好时，参与散射作用的质点增多，散射辐射增强；反之，减弱。云也能强烈地增大散射辐射。辐射增强；反之，减弱。云也能强烈地增大散射辐射。2、散射辐射、散射辐射Sd 当天空中有较多当天空中有较多粗