大气科学导论主要内容综合

《大气科《大气科学导论》主要内/atmoschem/index.php1、地球、大气及大气的演化2、辐射和地气系统的能量收支3、大气热力学和大气稳定度4、云和降水5、大气化学6、大气气溶胶7、大气边界层和大气湍流8、大气运动的基本原9、锋面和气10、雷暴、龙卷和台11、大气环流和大洋环12、气候系统和全球变13、大气探测和天气预14、行星大气和环期末考试：1/7或校外实习：上甸子本底站或国家气象局19Sep,19Sep,第二第二辐射和地气系统的能量阅读：MeteorologyToday，第二三AtmosphericScience,anIntroductorySurvey,第四本章本章主要1.辐射定律Planck定律，Wein定律，Stefan-Boltzmann定律，Kirchhoff定大气层的作用：温室效应(greenhouseeffect)，使地球温度升由此得出行星反射率(planetaryalbedo)辐射强(radiative包括温室气体，气溶胶，以及云对气候的辐射强引173,000引173,000TW173,000x101247辐射对流和湿对流clouds传导辐射transferof辐射transferofenergyintheformofelectromagnetic可以不需要介真空中传播速度为3×108s-对流transferofheatbyamassofthe需要介种形式传输到大气，实现热量的重新分传导transferofheatfrommoleculetomolecule传导transferofheatfrommoleculetomoleculewithina需要介质傅立叶定(Fourier’s正比于温度梯度(temperaturegradient)及介质的热导率(thermalconductivity) =−𝒌热导率反映了各种物质的导热能力注意：空气是热的不良导体。⽆⻛的天气，热传导只能使地面之上几公分大气厚度被有效加热。(kair2.5x10-Wm-K-1;=6x10-Wm-1K-因此主要依靠对流将地面及海面的热量传输到大气大气中其它的热传导过程云滴凝结增⻓及冰晶凝华增⻓时与周围空气的热传（非常重要，将在云物理学中讲授地气系统能地气系统能量收IPCC,单色辐射亮(单位投影面积、单位立体角方向的单色辐射通单色辐射亮(单位投影面积、单位立体角方向的单色辐射通量[Wm-nm-sr-辐射亮Intensity[Wm-2sr-𝑰𝑰𝝀单色辐射照(单位投影面积的单色辐射通量Monochromaticfluxdensity(monochromaticirradiance)[Wm-2nm-1]𝑭𝝀𝑰𝝀cos𝜽𝜽:zenith𝝓:azimuth辐射照Fluxdensity[Wm-𝑭𝑭𝝀黑体辐射可以用Planckfunction来描黑体:对所有波⻓的辐射都100%黑体辐射可以用Planckfunction来描黑体:对所有波⻓的辐射都100%吸收。即吸收率为1(Blackbodyradiantintensity,Wm-nm-sr-= −hPlanc常数Boltzmanc:光速；:B(T)（Wm-2nm-1)：（基于黑体辐射的各向同性）右图给右图给出的是Planck公式中黑体辐射亮度λ的分布，它有⼀个单⼀的峰值对应最大辐射能量的λmax值这就是Wien’sLaw𝝀max= 𝟑𝒌𝑻=𝟐.𝟖𝟗𝟕×𝟏𝟎𝟔nm Sun’s𝝀max=0.475 “Colortemperature”oftheSun=6100太阳的温太阳的温度~辐射峰值波⻓~0.47地球表面的温度~辐射峰值波⻓~10µm,IR波段(longwaveradiation)。可⻅光波(什么颜色所以太阳辐射也叫短波辐Stefan-描述黑体的辐射Stefan-描述黑体的辐射照(radiationfluxdensity,Wm-2)与温度的关系对Planck公式对整个半球立体角积分，并在整个波段进行积分，可以得到Stefan-Boltzmann定律∞𝑭𝝅𝑩𝝀𝒅𝝀=𝝈=5.67x10-Wm-2K-T:equivalentblackbodytemperaturefornon-太阳表面的辐射照度为Fsun=6.28×107Wm-太阳的辐射温度是5770=Emissivity:𝝐𝝀absorptivity:=Emissivity:𝝐𝝀absorptivity:𝐵𝝀==reflectivity:𝒂𝝀+𝑹𝝀+𝑻𝝀=非黑体在热平衡Kirchhoff’s黑体:对所有波⻓吸收率和放射率均为1灰体对所有波⻓的辐射都有相同的吸收能力，吸收率均为某⼀⼩于1的常PPT第22⻚）。简单计算时可假定大气是灰体，但在短波和⻓波吸收率不a地球所地球所见的太阳辐射光SolarradiationSolarradiation地球地球辐射光太阳常数SolarFS~1370Wm-Total太阳常数SolarFS~1370Wm-TotalradiationfromSun’ssurfaceRadiationfluxarrivingatEarth’s =𝑹𝑺==~1370Wm-d:Sun-Earth~1.5x1011TS~6000TotalsolarradiationinterceptedbyEarth[W]𝝅𝑹𝑬𝟐∙大气层顶（TOA）短波辐射通Meansolar大气层顶（TOA）短波辐射通MeansolarradiationfluxatEarth’sTOA[W]TotalsolarradiationinterceptedbyEarth[W]𝝅𝑹𝑬𝟐∙𝝅𝑹𝑬𝟐∙𝑭𝑺= 1370 1370Wm-AFsA:行星反射率（反照率44Earth’s1.假设地球没有大气1.假设地球没有大气TF1E4 4TE255Effective240Wm-TEEarth’sDistancefrom1Distancefrom1可⻅光窗红外窗可⻅光窗红外窗O2,O3Absorptivityoremissivity气体辐射气体辐射吸…requiresquantumtransitionininternalenergyofTHREETYPESOFElectronictransition电子跃迁UVradiation(<0.4Jumpofelectronfromvalenceshelltohigher-energysometimesresultsindissociation(example:O3+hVibrationaltransition振荡跃迁near-IR(0.7-20IncreaseinvibrationalfrequencyofagivenrequireschangeindipolemomentofRotationaltransition旋转跃迁far-IR(20-100IncreaseinangularmomentumaroundrotationGasesthatabsorbradiationnearthespectralmaximumofterrestrialemission(10m)arecalledgreenhousegases;thisrequiresvibrationalorvibrational-rotationaltransitionsMajorgreenhousegases:H2O,CO2,CH4,O3,N2O,CFCs,…Notgreenhousegases:N2,O2,Ar,…VibrationtransitionmodesVibrationtransitionmodesandIR4.318VibrationtransitionmodesVibrationtransitionmodesandIRSaharaatQ1:SaharaatQ1:WhereonEartharetheseIRspectraobserved?Q2:BandsintheIRspectrumappeartofitBBradiationofdifferenttemperatures.Why?MildrexlerMildrexleretal.(2011),太空太空所⻅地球辐射光大气温室效Greenhouseeffect:最简单模Fs11f 44014fT24T01f:emissivity大气温室效Greenhouseeffect:最简单模Fs11f 44014fT24T01f:emissivityabsorptivityofATMinIR，对短波不吸收Fs1TfT014 4fT04fTF11s4240Wm-4T14T0T0288T1241大气的温室效温室大气的温室效温室气体的辐射效果很象温室的玻璃，它允许太阳光通过，但允许红外辐射通过（玻璃对红外辐射的吸收系数很大）。温室的温度就要比温室外高但是，大气的温室效应与温室玻璃还有着根本的区别温室玻璃隔绝了温室内外的热对流和热交换，这⼀保温作用甚比其不让红外辐射透过的作用更强。相比之下，大气的温室效并不隔绝热对流和热交换Iffisthe<>=288Iffisthe<>=288K<>=241K<>=241KfFs14fT1240Wm-4T0增加大气温室增加大气温室气体的影ExampleofaGHGabsorbingat111.Initial2.AddtoatmosphereaGHGabsorbingat11m;emissionat11mdecreases(wedon’tseethesurfaceanymoreatthat,buttheatmosphere)3.Atnewsteadystate,totalemissionintegratedoverall’smustbeconservedEmissionatother’smustTheEarthmust太空所太空所⻅地球辐射光Q:Forthesamegas,ifthegaslayerishigherintheatmosphere,isitsGHElargerorsmaller?有效的GHG有效的GHG(8-13m)ComparisonofH2CO2CH4NO:2GasSurfacetemperatureComparisonofH2CO2CH4NO:2GasSurfacetemperatureAtmoswithoutAtmoswithoutAtmoswithoutwaterandAtmoswithoutOnlyN2ONoGHGs------太阳能量被地面吸收51%，大气吸收19%，大气及地面反射---地面吸收了太阳能量，通过对流将部分能量传输给大气但在近地面层（几公分左右），几乎没有空气运动，热量靠热传(conduction)，水汽靠扩散(diffusion)，被输送到几公分以上的高度---地面及大气放射红外辐射(注意图中标注的是netemission)---大气吸收地面放射的红外辐射IPCC,TOAIncomingsolarIPCC,TOAIncomingsolar¼S0=342Wm-SurfaceIRAtmosphereIRradiationtosurface=324Wm-NetIRradiationofthesurface:-66Wm-2NetIRradiationofatmosphere:-169Wm-2T45.672884Wm-SurfaceIRradiationabsorbedby=350Wm-FluctuationFluctuationoftheSolar“Constant”SolaractivitiesFluctuationofFluctuationoftheSolarforcingat65oNMilankovitchVariations 地球 地球和大气对太阳辐射的散射/反下面介绍这些散射/反射过程地球—大气地球—大气系统的反射率（行星反射率接收了多少能量。目前测量结果是全球平均值地面对太阳地面对太阳辐射的---Palleetal.(2004),•ThealbedoPalleetal.(2004),•Thealbedodecreaseimpliesaclimateforcingof~7Wm-2Thisis“equivalent”toa~2%increaseinthesolarirradianceoverjusttwodecadesSolarirradiancevariationsfrommaximatominimaareabout0.1%Factor20!!Globalwarmingsince1900duetoGHGisestimatedtobearound~2.4Wm-2Differenttimescales,needtoknowwhathappensatlongertimescales.•Theearth’salbedomaybemuchmorevariablethanpreviouslythoughtClimatemodelsfailtoreproducethisresults.NoexplanationsofarWhyisthealbedo(clouds)changing?ThatmaybeamajorcontributiontoGW••••••空气分子空气分子和气溶胶对太阳辐射的吸收和散大气中的散射过程瑞利散射和米散大气中的散射过程瑞利散射和米散𝒙=尺度数（表⽰粒子半径与波⻓的相对大⼩粒子的散射特性依据x的不同可用三种不同的理论来处理瑞利散射（空气分子对太阳光的散射当x米散射（气溶胶，云滴对太阳光的散射当0.1x几何光当x大气中的大气中的散射过程 瑞利散射和米散瑞利散射(Rayleigh瑞利散射(RayleighLordRayleigh(1842-1919)在试图解释天空为何呈现蓝色这1871年他假设散射粒子是半径远⼩于光波波⻓、球形的各1899年瑞利放弃了弹性固体以太学说，用Maxwell电磁理论瑞利散∝散射光强度和波⻓的瑞利散∝散射光强度和波⻓的4当入射光为自然光时，散射光强度的空间分布简单地服从1+cos2θ的关系，当入射光为自然光时，散射光在90米散射（Mie1908米散射（Mie1908年,G.Mie给出了均匀的球状粒子散射问题的精确解，即米散射理论在外电场激发下，---各子波在空间和时间上具有位相差---当子波迭加形成光的波⻓、粒子的⼩、折射率及散射角米散尺度米散尺度数x增大时，散射光强度增状态，当入射光是自然光时，前向散射光也是非偏振的。散射光偏振度最大的方向出现在散射角为85~120之间。当x很⼩时，和瑞利散射⼀样，散射光强度与波⻓四次方成反比；当x增大后当x相当大时，和波⻓⽆明显关系（云是白色的)(25~65degree散射角(25~65degree散射角25655近些年来，很多讨论集中于人类活动对气候的5近些年来，很多讨论集中于人类活动对气候的影响。例如CO2的•度增加，或气溶胶的浓度增加，对全球气候产生什么影响。这时常常引入辐射强迫这个名词讨论辐射强迫时先要确定⼀个参考时间，常用⼯业⾰命之•（1750年），假定那时候人类活动对气候的影响不大，大气能收支处于平衡状态。而现在CO2增加了，因此增加了大气对地面射的⻓波辐射的吸收，放射的红外辐射也增加，使地面要增温这是⼀个正的辐射强迫气候模式计算表明，由于CO2浓度倍增，即比⼯业⾰命之前的浓•增加⼀倍 560ppm），大气顶出射的⻓波辐射要减4w/m2，即辐射强迫为正的4w/m2。实际上从1750–2000年变化从280–365ppm，辐射强迫约1.5w/m2现在我们已经知道，许多温室气体的增加•等）都有正的辐射强迫RadiativeRadiative增加大气温室气增加大气温室气体的影ExampleofaGHGabsorbingat111.Initial2.AddtoatmosphereaGHGabsorbingat11m;emissionat11mdecreases(wedon’tseethesurfaceanymoreatthat,buttheatmosphere)3.Atnewsteadystate,totalemissionintegratedoverall’smustbeconservedEmissionatother’smustTheEarthmust辐射强辐射强水汽增加的水汽增加的辐射强••气溶胶的直接和间接辐射强气溶胶的直接和间接辐射强•气溶胶的直接辐射强迫：指气溶胶浓度增加后，对太阳辐射的•射和吸收会增加的太阳辐射减少，对地面是负的辐射气溶胶的间接辐射强迫：气溶胶作为云凝结核，浓度增加有可•使云滴数目增加，云反照率增加（第⼀间接效应）；另外降水程被抑制，云量增加，云的生命时间延⻓。这就使云对太阳辐的反射增加，因此是负的辐射强迫大气气溶胶的气候效应将在第六章讲授气溶胶的直接气溶胶的直接及间接辐射效IPCC,直接效RadiativeforcingfromIPCCRadiativeforcingfromIPCCAR5散射性气溶胶vs.Scattering散射性气溶胶vs.ScatteringsulfateandorganicaerosoloverMassachusettsPartlyabsorbingdustaerosoldownwindofSaharaAbsorbingaerosols(blackcarbon,dust)warmtheclimatebyabsorbingsolarRadiativeeffectsofdifferentcloudRadiativeeffectsofdifferentcloud WWarmCold作业画出太阳和地作业画出太阳和地球辐射的Planck曲线利用⼀层大气模型，如果大气对⻓波的吸收率由0.8变为0.9（室气体增加），求地球和大气的温度