第二章气候形成的辐射与热力因素

第二章

气候形成的辐射和热力因素第一节气候形成的辐射因素

一、太阳辐射二、地面辐射和大气辐射三、地面有效辐射和辐射平衡四、地面热量平衡第二节气候形成的热力因素

一、气候系统的能量种类二、海陆表面的增热和冷却三、空气的增热和冷却四、大气温度的时空变化第三节全球气温带第二章第一节气候形成的辐射因素

大气的热力状况表现为气候的冷暖变化，其实质是空气中热量收支和多少的反映。空气中热量多少和变化，又是太阳辐射、地面辐射、大气辐射及其热量交换、转化的结果。一、太阳辐射几个概念太阳辐射：指太阳以电磁波的形式向外传递能量。太阳辐射能：指太阳辐射所传递的能量。太阳辐射光谱：指太阳辐射能按波长的分布。第二章一、太阳辐射（一）大气上界的太阳辐射大气上界的太阳辐射取决于太阳高度、日地距离及日照时间长短。1．太阳高度的影响朗伯定律：太阳辐射强度与太阳高度的正弦成正比。即I=I0×sinh⊙2．日地距离的影响设某时刻的日地距离为b，则I=1/b2×I0×sinh⊙3．照时间的影响第二章太阳辐射Solarradiationbalance辐射平衡一、太阳辐射4．天文辐射及分布特点天文辐射：指由地球的天文位置（纬度φ、太阳赤纬δ、日地距离b）所决定的大气上界太阳辐射击到达量。其分布特点：①太阳辐射量的大小因纬度、时间而变化。②全年和冬半年获得太阳辐射量最多的是赤道，随纬度增高而减小，极点最小；冬半年比夏半年递减快，到极点为0；夏半年太阳辐射最大值在20°—25°N的纬度带，所以说热赤道北移。③太阳辐射年较差随纬度增高而增大；赤道地区和两极附近太阳辐射量的水平梯度都比较小，中纬度则较大。④极圈内在极夜期间太阳辐射为零；极昼期间太阳辐射大于赤道。第二章一、太阳辐射（二）太阳辐射在大气中的减弱过程太阳辐射通过大气时被吸收、散射、反射，到达地面的辐射量减小，并且光谱组成也发生了变化。1．大气对太阳辐射的吸收大气中吸收太阳辐射的主要物质有：臭氧、氧、水汽、二氧化碳、云、雨滴及气溶粒子等，它们有选择地吸收太阳辐射。2．大气对太阳辐射的散射散射主要是改变了一部分辐射方向，使到达地面的辐射量减少。3．大气对太阳辐射的反射大气中反射太阳辐射的物质主要是大气中的云和颗粒较大的尘埃、水滴等气溶胶粒子，云的反射作用最强平均反射率为50%—55%。

第二章一、太阳辐射（三）到达地面的太阳辐射到达地面的太阳辐射主要有两部分：太阳直接辐射（S）和散射副射（D）。两者之和称为总辐射（S+D），它被地面反射的部分叫做反射辐射（S+D）×r。1．直接辐射①影响直接辐射的因素：太阳高度和大气透明度。②受太阳高度影响，直接辐射有日变化、年变化和纬度变化。③大气中云滴、灰尘、烟雾越多，大气透明度越小，直接辐射削减越多；太阳高度越小，太阳辐射穿过的大气层越厚，削弱越多，到达地面的直接辐射越小，反之越多。④直接辐射的年变化主要受云量及大气透明度的影响。第二章一、太阳辐射2．散射辐射影响因素：太阳高度、大气透明度、云天状况、海拔高度等。太阳高度大，辐射量多散射辐射也多；大气透明度差时，散射辐射的质点多，散射辐射强，反之则弱；海拔越高，大气中散射质点越少，散射辐射越小。（天越蓝）

3．总辐射影响因素就是影响直接辐射和散射辐射的因素。即太阳高度、大气透明度、海拔高度、云等。我国的总辐射分布情况是西藏最多；新疆、青海和黄流流域次之；长江和大部分华南地区云雨多总辐射量少。

第二章一、太阳辐射4．地面对太阳辐射的反射①地面对太阳辐射的反射能力取决于地面的性质（水面、陆面）和状态（颜色深浅、粗滑、干湿）。一般陆地的反射率为10%—30%，雪面反射率最大，平均为60%，洁白的新雪可达90%—95%。水面的反射率随太阳高度与水面平静程度而变，波浪起伏的水平平均反射率为10%。②由于反射率的不同，导致同样辐射条件下，地面温度分布不均匀。③地球行星反射率：指由空气质点的逆辐射、反射、云的反射，以及地面反射所组成的整个地面的反射率。

第二章二、地面辐射和大气辐射1．地面辐射：指地面以电磁波的方式发射指向大气的辐射，为波长在3—80微米的长波辐射。属于红外辐射。2．大气辐射：指大气以电磁波的方式向四面八方发射长波辐射，波长范围为7—120微米，属于红外辐射。3．大气的保温效应①大气逆辐射：指大气辐射向下指向地面的部分，与地面辐射方向相反。②大气保温效应：大气中的水汽、二氧化碳等能透过太阳辐射，又强烈地吸收地面辐射并通过逆辐射又被地面所吸收，从而使地而不至于因辐射失热过多，对地面起到保温作用称之，也叫温室效应。第二章三、地面有效辐射和辐射平衡1．地面有效辐射：指地面辐射与地面吸收的大气逆辐射之差。表达式为：F0=Eg-δEAF0为地面有效辐射，Eg为地面辐射，EA为大气逆辐射，δ为地面的相对吸收率。2．地面净辐射：指一定时期内，地面吸收太阳总辐射与地面有效辐射之差，也称地面辐射差额或地面辐射平衡。表达式为：Rg=（S+D）（1－r）－F0，Rg表示地面净辐射。3．地气系统净辐射：指一定时间内地气系统辐射能收入与支出的差。表达式为：Rs=（S+D）（1－r）+qa－F∞，Rs为地气系统净辐射；qa为大气吸收的太阳辐射；F∞为地气系统长波射出辐射。第二章四、地面热量平衡1．地面热量平衡及其方程式地面热量平衡：指地面净辐射与其转化成其他形式的热量收入与支出的守恒。表达式为：Rg+LE+P+A=0，这里LE为地面与大气间的潜热交换（L为蒸发潜热，E为蒸发量和凝结量）；P为大气间的显热交换；A为地面与下层之间的热量传输和平流输送之和，年平均A=0。2．地球热量平衡模式从全球长期来看，地球能量收支是平衡的。同时地面，大气各作为一个整体而言，也都各自保持了能量平衡。

第二章第二节气候形成的热力因素一气候系统的能量种类1．温度与热量第二章温度热量指标≠能形式第二节气候形成的热力因素2．大气中的基本能量（1）、大气中的能量有，位能、动能、内能、湍能、潜热能和显热能等；静止大气主要有位能和内能。（2）、大气中能量的产生、转换和消耗，是产生大气运动及维持运动的主要原因；也是气候形成和变化的重要方面。（3）、一定的大气能量状态，由一定的气压、温度、湿度；不同的天气和气候是由大气中不同能量状态所组成:

等高线位能；等温线内能等湿线潜热能气流线、等风速线动能第二章第二节气候形成的热力因素3．大气中各种能量转换过程（1）大气中的辐射能和内能之间的转变——可逆的。；（2）大气中的辐射能与位能之间的转换——可逆的；（3）大气中内能和位能之间的转化——可逆的；（4）动能转变为湍能——不可逆的。第二章第二节气候形成的热力因素4．大气动能的消耗与补偿（1）大气动能的耗散：空气中的大气由于湍流作用和地面摩擦力的影响，动能转变为湍能，继而转变为热能而耗散。（2）大气动能的补偿：主要是通过位能和内能转变而来，并且乱流热通量是补充大气动能消耗的主要因素之一。第二章二、海陆表面的增温和冷却1．水陆热力性质的差异（1）吸收太阳辐射的能力不同：水体＞陆地；（2）透射太阳辐射不同：水深陆表；（3）传递能量的方式不同：陆靠分子水靠流；（4）比热（热容量）不同：性质不同比热异，陆土岩石比水小；（5）水分蒸发耗热状况不同：陆地＜水体第二章二、海陆表面的增温和冷却2．海陆表面的增温和冷却地球上海洋占70.9%，陆面积占29.1%。由于海陆热力性质的差异，大陆受热快，冷却也快，气温升降剧烈，变化幅度大。海洋受热慢，气温升降暖和，变化幅度小。一般来说，冬季大陆温度低于同纬度的海面，最冷月出现在1月，海洋则在2月。夏季陆地温度高于同纬度的海面，最热月出现在7月，海洋则出现在8月。年最高、最低温出现时间海洋比陆地落后1—2个月。第二章三、空气的增温和冷却1．大气中的非绝热过程（1）传导：指依靠分子热运动，热量从一个分子传给另一个分子。（2）辐射：辐射以长波方式进行，比传导作用大4000倍，辐射使大气净增热量。（3）对流与乱流对流：指由于地表性质差异、受热不均等所引起的空气大规模有规则的升降运动。小规模不规则的旋涡运动称乱流或湍流。（4）水相变化通过水分相变，地面失去热量，大气获得热量。该作用主要发生在对流层下半部。对热带地区热量交换具有重要作用。第二章三、空气的增温和冷却2．大气中的绝热过程气温的绝热变化：指气块与外界没有热量交换，由于外界压力变化，气块膨胀或收缩作功，引起内部能量的转换所产生的温度变化。这种状态变化过程称为绝热过程。干绝热过程：指干空气的绝热过程。该过程中，气块对外作功所消耗的热量，等于气块内能减少量，也就等于温度的变化量。绝热直减率：指气块绝热上升单位距离时的温度降低值。干绝热直减率：指干空气或未饱和的湿空气，绝热上升单位距离时的温度降低值，用rd表示，为0.985℃/百米。湿绝热过程：指饱和湿空气作垂直运动时的绝热变化过程。湿绝热直减率：指湿空气绝热上升单位距离时的温度降低值。第二章三、空气的增温和冷却3．大气静力稳定度大气温度层结：指大气中温度的垂直分布。气温直减率：指上升单位距离时气温的降低值。大气稳定度：指大气温度层结有使在其中做垂直运动的气块返回或远离起始位置的趋势和程度，称为大气层结稳定度。又称大气静力稳定度。有三种情况：A、大气稳定：大气温度层结有使在其中做垂直运动的气块返回起始位置的趋势。B、大气不稳定：大气温度层结有使在其中做垂直运动的气块远离起始位置的趋势。C、大气中性：指大气温度层结有使在其中做垂直运动的气块随移而安的。第二章四、大气温度的时空变化1．大气温度的时间变化气温的日变化：指气温以一日为周期的变化。日最高气温和最低气温的差值，称气温日较差和日振幅。气温的年变化：指以一年为周期的气温变化。一年中最热月的平均气温与最冷月的平均气温之差，称气温的年较差。气温年变化根据年较差大小及最高和最低问出现的月份分为四类：赤道型、热带型、温带型、极地型——非周期性变化：指气温由于大规模的气流交替而变化，没有一定的周期。

第二章四、大气温度的时空变化2．大气温度的空间分布（1）气温的水平分布全球平均辐射平衡自赤道向极地递减，气温也向极地递减。——等温线：指同一水平面上气温相等的各点的连线。——气温水平梯度：单位距离内气温的变化值。等温线表达的信息：Ⅰ、等温线稀疏表示各地气温相差不大；等温线密集表示各地气温差异悬殊。Ⅱ、等温线平直，表示影响气温的因素少；等温线弯曲，表示影响气温分布的因素多。Ⅲ、等温线沿东西向排列，表示气温受纬度影响；等温线与海岸平行，表示气温主要受离海远近影响。第二章世界1月气温（摄氏度）的分布世界7月气温（摄氏度）的分布四、大气温度的时空变化（2）对流层中气温的垂直分布随高度升高气温降低，每升高100米，气温下降0.65℃。此外还逆温现象。——逆温：指对流层中出现的气温随高度增加而升高的现象，因原因不同分为辐射逆温、平流逆温、乱流逆温、下沉逆温几锋面逆温等。——逆温层：指出现气温逆增的大气层。

第二章第三节全球气温带热带：年平均气温20℃以上等温线之间的地带。温带：年平均气温20℃等温线与最热月10℃等温线之间的地带。寒带：年平均气温10℃等温线与最热月10℃等温线之间的