3章-大气基本物理过程省公开课一等奖全国示范课微课金奖课件

2024/8/181第三章

大气基本物理过程第1页2024/8/1828节，6课时第一节大气中雷电现象及过程第二节太阳短波辐射第三节地球大气辐射与传输第四节地球大气辐射收支第五节大气中相变过程与雨、雾、雪和冰雹第六节大气热力学第七节大气中绝热过程与位温第八节大气中静力平衡与静力稳定度第2页2024/8/183大气科学是研究地球大气状态演变和发生在大气中各种动力、物理和化学现象、过程及其机理。大气物理学是研究发生在大气中各种物理现象、过程及其机理科学。其研究对象包含：大气组成、成份与物理结构水相变与云雾降水形成辐射能吸收、放射、传输及其转换过程、能量交换大气中声、光、电现象第3页2024/8/184第一节

大气中雷电现象及过程第4页2024/8/185一、大气中雷电现象雷电由雷声与闪电组成雷电是主要自然灾害：影响航天、航空、通讯毁坏建筑、电设备致人伤亡。第5页2024/8/186年9月20日到26日四川共发生雷电闪击近12万次

四川在线消息：四川省气象台公布近期雷电气象统计信息。22日晚到26日盆地西部出现了强雷暴和连续性暴雨天气过程，连续时间长、局地强度大。20日到26日，全省共发生雷电闪击118611次，创本省有雷电监测资料以来最高纪录。上图24日凌晨，成都再度遭遇强雷暴天气

闪电在云与地表之间发生，称为云地闪（下列图）。在云中发生，称为云内闪。第6页2024/8/187雷电知识雷电是一个常见大气放电现象。在夏天午后或黄昏，地面热空气携带大量水汽不停地上升到高空，形成大范围积雨云，积雨云不一样部位聚集着大量正电荷或负电荷，形成雷雨云，而地面因受到近地面雷雨云电荷感应，也会带上与云底相反符号电荷。第7页2024/8/188雷电知识当云层里电荷越积越多，到达一定强度时，就会把空气击穿，打开一条狭窄通道强行放电。当云层放电时，因为云中电流很强，通道上空气瞬间被烧得灼热，温度高达6000--0℃，所以发出刺眼强光，这就是闪电，而闪道上高温会使空气急剧膨胀，同时也会使水滴汽化膨胀，从而产生冲击波，这种强烈冲击波活动形成了雷声。一次雷击或者一次云闪所释放出能量大约在300千瓦以上，假如把这些能量全部利用起来，可供一个普通家庭使用2个月以上。因为雷电释放能量相当大，它所产生强大电流、灼热高温、猛烈冲击波、剧变静电场和强烈电磁辐射等物理效应给人们带来了各种危害。第8页2024/8/189(一)“云地闪”过程又称天地闪，破坏力大。分四个阶段：梯级先导第1次回返闪电直窜先导第2次回返闪击第9页2024/8/1810云地闪形成与演变过程图梯级先导第1次回闪直窜先导第2次回闪第10页2024/8/1811云地闪形成当雷雨云移到某处时，云中下部是强大负电荷中心，云底相正确下垫面变成正电荷中心，在云底与地面间形成强大电场。在电荷越积越多，电场越来越强情况下，云底首先出现大气被强烈电离一段气柱，称梯级先导。这种电离气柱逐层向地面延伸，每级梯级先导是直径约5米、长50米、电流约100安培暗淡光柱，它以平均约150000米/秒高速度一级一级地伸向地面，在离地面5─50米左右时，地面便突然向上回击，回击通道是从地面到云底，沿着上述梯级先导开辟出电离通道。第11页2024/8/1812云地闪形成回击以5万公里/秒更高速度从地面驰向云底，发出光亮无比光柱，历时40微秒，经过电流超出1万安培，这即第一次回闪。相隔几秒之后，从云中一根暗淡光柱，携带巨大电流，沿第一次闪击路径飞驰向地面，称直窜先导，当它离地面5─50米左右时，地面再向上回击，再形成光亮无比光柱，这即第二次回闪。接着又类似第二次那样产生第三、四次闪击。通常由3─4次闪击组成一次闪电过程。第12页2024/8/1813(二)“云内闪”过程雷暴云内部闪电表现为云内移动火花或先导在云中正、负电荷区之间活动产生暗淡而连续光第13页2024/8/1814(三)雷声发生原因：闪电通道中空气因放电而猛烈升温，气压猛升，闪电通道很快向周围大膨胀，产生猛烈冲击波，其中一部分大振幅声波，这就是雷声。雷声总是伴伴随闪电而发生但先看到闪电，后听到雷声因为光波比声波传输快光每秒能走30公里，而声音只能走340米。普通25km外就听不到雷声了第14页2024/8/1815(三)雷声美国富兰克林1752年风筝试验雷暴带电雷本质就是电近代观察，云中强烈起电现象常出现于霰或雹等强烈降水过程起电理论热电效应起电感应起电第15页2024/8/1816二、雷电产生原因

(一)热电效应这种起电理论是基于冰热电效应对冰条一端加热——〉温度差水分子分解正负离子及差异（热一端离子多）离子浓度不均，产生迁移正离子迁移率大，负离子几乎不迁移温度低一端+电荷，温度高一端-电荷形成一个电位差第16页2024/8/1817(二)雷暴云热电效应起电机制（两种）1．第1种起电机制含冰块和霰粒混合云水滴、冰晶与冰块相碰过冷水滴释放潜热，雹块升温冰晶带正电，雹块带负电雹块下降，冰晶上升雷暴云上部正电荷，下部负电荷形成强电位差第17页2024/8/1818(二)雷暴云热电效应起电机制（两种）2.第2种起电机制假设有过冷却水滴与雹块相碰表面结成冰壳就向水滴内部增厚，冰壳内表面与水相接，温度为0度，而冰壳外部低于0度，冰壳内外形成温度梯度，冰壳外表带正电从冰壳外表飞出小冰屑带正电，而冰块带负电小冰屑上升，冰块下落从而也形成了强电位差。第18页2024/8/1819

(三)雷暴云感应起电机制云质粒与降水质粒受到极化，极化结果使它们下半部带正电，上半部带负电。当云质粒与向下落降水质粒下部相碰时，云质粒负电荷会传到降水质粒上，若云质粒从降水质粒弹开来则带负电降水质粒向下运动，而带正电荷云质粒随上升气流向上运动这就会使雷暴云中上部带正电，而下部带负电，从而产生雷暴云电位差。第19页2024/8/1820三、雷电防护

(一)避雷针技术装置避雷针是防止雷击有效方法。在房屋最高处竖一金属棒，棒下端连一条足够粗铜线，铜线下端连一块金属板埋入地下深处潮湿处。金属棒上端是一个尖头或分叉为几个尖头当空中有带电云时，避雷针尖端因静电感应就集中了异种电荷，发生尖端放电，与云内电相中和，防止发生激烈雷电，这就是避雷针能避雷首先。但这种作用颇慢，假如云中积电很快，或一块带有大量电荷云突然飞来，有时来不及按上述方式中和，于是有强烈放电，雷电仍会发生。因为避雷针高过周围物体，它尖端又集中了与云中电异号电荷，假如雷电是在云和地面物之间发生，放电电流主要经过避雷针流入大地所以，不会打在房屋或附近人身上，只会打在避雷针上了。由此可见，避雷针尖端放电作用会降低地面物与云之间打雷可能性；到了不可防止时，它自己就负担了雷打击，房屋与人得到了安全。第20页北京展览馆埃菲尔铁塔

应县塔美国国会大厦第21页2024/8/1822

(一)避雷针技术因为避雷针结构和作用，我们要尤其注意保持避雷针良好导电性。一旦有一处联接不好，或断了，断口以上一段就成为一个隔离导电系统。假如放电，强大放电电流只能经过建筑物放出大量热量，于是引发雷击。这么不但不能避雷，反而还招来雷祸。为防意外，高大建筑物最好竖起几条避雷针。另外，每一又避雷针只能保护一定建筑面积，对于较大建筑物也需要竖起几条避雷针。第22页2024/8/1823人闪电防护雷鸣电闪时在室外人，为防雷击，应该遵从四条标准。一是人体应尽可能降低自己，以免作为凸出尖端而被闪电直接击中。二是人体与地面接触面要尽可能缩小以预防因“跨步电压”造成伤害。所谓跨步电压是雷击点附近，两点间很大电位差，若人两脚分得很开，分别接触相距远两点，则两脚间便形成较大电位差，有强电流经过人体使人受伤害。第三是不可到孤立大树下和无避雷装置高大建筑体附近，不可手持金属体高举头顶。第四是不要进水中，因水体导电好，易遭雷击。总之，应该到较低处，双脚合拢地站立或蹲下，以降低遭遇雷机会。雷电期间在室内者，不要靠近窗户、尽可能远离电灯、电话、室外天线引线等；在没有避雷装置建筑物内，应防止接触烟囱、自来水管、暖气管道、钢柱等。第23页2024/8/1824第24页2024/8/1825

(二)雷电定位技术（闪电定位）近年来发展起来雷电防护技术之一，它能够提供雷击点准确地理位置及时间演变特征使电站、电网和通讯设备设计，避开多雷击发生处为航天、航空服务发觉森林雷击处，预防森林火灾含有主要应用价值。第25页2024/8/1826闪电定位仪

探测闪电发生强度、方向、频率及其改变仪器。第26页2024/8/1827

(三)人工引雷技术20世纪70年代末以来，用火箭拖带接地细金属导线对雷电进行人工引发，它能够使人们能够在一个能够控制环境中研究雷电物理过程及其雷电与建筑物、目标物相互作用。人工引雷实质是在雷暴强电场作用下，火箭和细导线尖端处上行电荷激发和传输并造成云中电荷对地释放，这与普通目标物受雷击物理过程是一样此技术可用来研究雷电危害机理和检验各种避雷装备防雷性能。在军事、能源利用上前景辽阔。人工防雷技术试验广泛在法、美、日和我国进行。中国科学院寒旱所（兰州）在这方面已经有很多试验结果。第27页2024/8/1828(四)消雷装置从20世纪70年代以来，世界各地创造了各种消雷装置如美国消散阵系统英国雷电抑制器我国半导体长针消雷器。这些装置虽能够大大降低建筑物或电讯设备遭受雷击危害，但迄今有些设计原理还不十分清楚。总之，雷电危害大，物理机制复杂，防雷技术不完美，还需深入深入研究。气象业务多轨道——雷电视频：闪电第28页2024/8/1829第二节太阳短波辐射第29页2024/8/1830地球大气能量几乎全部来自太阳。太阳不停地向地球大气和地表面发射电此磁波因为太阳辐射99％以波长小于4μm电磁波辐射，故又称短波辐射。太阳辐射经过大气要被散射、吸收，并被地表面反射，其过程是很复杂。第30页2024/8/1831一、相关辐射几个定律

(一)发射能力和吸收能力从试验结果可知，在单位时间内从某一物体单位面积上向各个方向所发射频率范围内辐射能量可写成：E是频率和温度函数，称为该物体在温度T时发射频率为ν(读nu)辐射能量发射能力。另外，当一定量辐射照射在某物体表面时，其中一部分会被该物体吸收，其余部分则被反射或散射，或透过物体。我们将物体吸收到辐射与照射到辐射总量之比称为吸收能力，记为A。一样，A也是辐射频率和物体温度函数。第31页2024/8/1832(二)基尔霍夫辐射定律辐射与热平衡假定一物体与其它物体之间只能经过辐射和吸收来交换能量，当该物体发出辐射能量比吸收能量多时，它温度就会下降，这时辐射就会减弱；反之，当发射辐射能量比吸收能量少时，温度就会上升，辐射就会增强。假如这一系统是封闭，则经过一段时间后，物体之间就会建立起热平衡状态，此时各物体在单位时间内发出辐射能量恰好等于吸收能量因而，在热平衡状态下，辐射能力较强物体，其吸收能力也就较强；反之，辐射能力较弱物体，其吸收能力也较弱。第32页2024/8/1833(二)基尔霍夫辐射定律对地球大气，基尔霍夫定律都是成立。只要气体分子碰撞频率与吸收和发射频率相比是较大，那么基尔霍夫定律就适合用于该种气体。而在地球大气中，一直到60km高度（包含对流层和平流层），这个条件都是满足，因而基尔霍夫定律是适用。第33页2024/8/1834(三)普朗克黑体辐射定律也简称作普朗克定律或黑体辐射定律依据黑体定义，黑体它吸收全部波长辐射，即吸收能力为1，又能发射全部波长电磁波依据基尔霍夫定律，黑体发射能力完全由它温度和辐射频率所决定。黑体所发射单色辐射强度可写成：德国物理学家马克斯·普朗克第34页2024/8/1835(三)普朗克黑体辐射定律即普朗克定律（1901年）是用于描述在任意温度T下，从一个黑体中发射电磁辐射辐射率与电磁辐射频率关系公式。电磁波波长和频率关系为：λ=c/νh=6.626×10-34J·s称为普朗克常数k=1.38×10-23J/K称为玻尔兹曼常数c=3.0×108m/s为光速温度为T时，波长λ发射辐射能量第35页2024/8/1836(四)斯蒂芬-波尔兹曼定律将上述普朗克定律在全部频率范围内积分，可得到黑体辐射通量如右式即斯蒂芬－玻尔兹曼定律说明黑体辐射只与物体温度相关黑体辐射能力与其绝对温度四次方成正比放射体温度越高，放射能量就越大σ＝5.67032×10-8W/m2·K4σ(sigma)称为斯蒂芬-玻尔兹曼常数第36页2024/8/1837(五)维恩位移定律由普朗克定律（黑体发射能力完全由它温度和辐射频率[波长]所决定）得知，最大辐射强度波长λm满足下式

λmT=bb=2.8978×10-3m·K，是一常数上式就是维恩位移定律。它表明：当黑体温度增高时，最大辐射强度向短波方向移动。当黑体温度不高时，辐射能量主要集中在长波区域；温度较高时，辐射能量主要部分在短波区域。第37页2024/8/1838(五)维恩位移定律温度高于绝对温度为零度物体都向外放射辐射，即电磁波。放射体温度越高，放射能量就越大（斯蒂芬-波尔兹曼定律），而且放射能量最大波长也缩短（维恩位移定律）。因而，实际上，不但是太阳和地球，全部物体都发射电磁波。可见光波长范围：0.35~0.7μm第38页2024/8/1839辐射规律大致能够归纳为以下四点：(1)全部物体不论其温度怎样，都向外放射辐射能。高温太阳和地球都在不停地向外辐射能量。(2)温度较高物体单位面积放射总能量，要比温度低物体放射多。如太阳表面温度为6000°K，而地球表面平均温度为288°K，因而，太阳表面单位面积上放射能量要比地球表面放射能量大几百万倍。(3)物体温度愈高，其放射最大辐射波长愈短；反之，物体温度愈低，其放射最大辐射波长愈长。比如，太阳放射最大辐射波长0.5微米，而地球放射最大辐射波长为10微米。(4)辐射能力强物体，其吸收辐射能力也强；反之，辐射能力弱物体，吸收能力也弱。黑体吸收能力最强，放射能力也最强。地球和太阳，对于它们各自温度而言，都是吸收和放射能力很强物体，可看作是近似黑体。而地球大气则是选择性吸收和辐射体。对于某种确定波长辐射可让其透过(即不吸收)；对于另外波长辐射，则近乎不透明(即吸收很强)。第39页2024/8/1840无线电波——波长从几千米到0.3米左右，普通电视和无线电广播波段就是用这种波；微波——波长从0.3米到10-3米，这些波多用在雷达或其它通讯系统；红外线——波长从10-3米到7.8×10-7米；可见光——这是人们所能感光极狭窄一个波段。波长从（78～3.8）×10-6厘米。紫外线——波长从3×10-7米到6×10-10米。X射线（伦琴射线）——波长从2×10-9米到6×10-12米。γ射线——是波长从10-10～10-14米电磁波。第40页2024/8/1841二、太阳辐射太阳辐射，大部分能量分布在波长0.2～4μm范围内，在0.5μm处辐射最强，其中大约有二分之一集中在可见光区域地球所发出电磁波是红外线，其波长范围为4～100μm可将辐射能量分成二种类型：太阳短波辐射和地球长波辐射。太阳（左图）和地球（右图）所产生黑体辐射第41页2024/8/1842(一)太阳辐射常数多年观察表明，太阳辐射强度没有很大改变，因而，能够引入太阳常数概念。定义：在日地平均距离处，与辐射方向成垂直单位面积上，在单位时间内接收太阳辐射量，其值为1.38×103W/m2这个值是指太阳辐射未受到地球大气吸收、散射和云反射时值。第42页2024/8/1843(二)地球上所接收太阳辐射改变地球有自转，有公转，所以，地球上所接收太阳辐射不但有日改变，而且还有季节改变。太阳高度角第43页2024/8/1844(二)地球上所接收太阳辐射改变若忽略地球大气对太阳辐射散射和吸收，则在地面上单位面积所接收太阳辐射强度比应是

IH＝I0sinαIH是与太阳光线垂直相交单位面积上所接收太阳辐射I0是太阳辐射强度第44页2024/8/1845(二)地球上所接收太阳辐射改变因为地球自转轴与公转轴成66.5°角，这就是说，地球赤道面与它轨道面成23.5°角。所以，在北半球夏至(6月22日）太阳位于北纬23.5°北回归线，这就是说夏至这一日，位于北回归线地方正中午时，太阳高度角是90°；相反，在冬至（12月22日），位于南回归线地方正中午时，太阳高度角是90°。第45页2024/8/1846(二)地球上所接收太阳辐射改变所以，太阳高度角可为下式：

α=90°-φ+δφ为某地所在纬度δ为赤纬，即太阳光线与赤道面上交角sinα=sinφsinδ+cosδcoshh是时角因为地球绕太阳每小时运转15°故地方时与时角关系为

h=15°×（地方时-12时）第46页2024/8/1847(二)地球上所接收太阳辐射改变sinα=sin(90°-φ+δ)=cos(φ-δ)能够看出：h不一样，sinα改变大，地球上所接收太阳辐射随太阳高度角改变有很大日改变。春、夏、秋、冬其赤纬有很大不一样，故sinα就有很大改变，所以，地球上所接收太阳辐射随季节有很大改变。地球上所接收太阳辐射随纬度而改变。由地球上某地点所在纬度，以及从所要求某月、某日和某时便可得知太阳高度角，再由（3.2.5）式便可求出该地点某月、某日、某时大气上界单位面积所接收太阳辐射量（见图3.2.3）。第47页纬度赤纬时角第48页2024/8/1849(三)地球大气对太阳辐射吸收与散射1、地球大气对太阳辐射吸收入射到地球大气太阳辐射量一部分要被大气所吸收与散射，一部分透过大气层抵达地面而抵达地面太阳辐射一部分要被地表面反射至大气这就是说，入射太阳辐射量等于地面反射辐射量，大气吸收辐射量，透过气层辐射量之和。太阳光谱中存在许多吸收带和吸收线，其中有些是因为太阳大气吸收作用，对这些吸收带或吸收线进行分析，能够知道太阳大气组成成份。第49页2024/8/1850地气系统的辐射平衡第50页2024/8/1851(三)地球大气对太阳辐射吸收与散射另外吸收带和吸收线则是因为地球大气吸收作用，吸收太阳辐射大气气体主要成份有臭氧、氮气、水汽、甲烷等。波长小于0.3μm太阳辐射（紫外线、X射线）主要被20km以上臭氧、氧气和氮气所吸收，在大气高层，因含有很强能量远紫外线和X射线作用，产生了电离层。在平流层，因氧气和臭氧作用，对太阳辐射吸收主要在近紫外线区域。以上吸收使得在能够进入大气对流层太阳辐射中，波长小于0.3μm辐射相当弱。第51页2024/8/1852(三)地球大气对太阳辐射吸收与散射臭氧是吸收紫外线主要大气成份，臭氧层是使地球生物圈免受过强紫外线伤害保护层。电冰箱使用，氟里昂扩散，致使臭氧层遭到破坏，并带来严重重环境问题。臭氧降低会造成射到地球表面紫外线增强，从而艰少农业产量，破坏海洋生物链，增加人类皮肤癌发病率。所以，国际组织对臭氧层保护给予了广泛关注。第52页2024/8/1853(三)地球大气对太阳辐射吸收与散射2、地球大气对太阳辐射散射在大气中，光线碰到质点或经过光学性质不均匀介质时，它会向各个方向弥散，这种现象就叫做光散射。大气对辐射散射取决于辐射电磁波波长和散射粒子半径大小。普通把小于光波长微粒对入射太阳辐射散射现象称为瑞利（Rayleigh）散射。入射辐射波长越短，被散射辐射就越强。第53页2024/8/1854(三)地球大气对太阳辐射吸收与散射3、地表面对太阳辐射反射经过大气散射和吸收之后，透过气层抵达地面太阳辐射一部分要被地表面所反射。普通定义出射辐射能与入射辐射能之比称反射率。第54页遥感技术在科研领域应用以“近来青藏高原景观格局改变特征分析”为例第55页2024/8/1856第三节

地球大气辐射与传输第56页2024/8/1857一、地球长波辐射(一)辐射平衡温度太阳辐射被大气散射、反射和吸收，之后它抵达地球。一部分被地球表面反射到大气。地球吸收部分太阳辐射而增温；而且，按照基尔霍夫定律，地球将以长波电磁波向空间辐射而降温。当二者平衡后，地球温度就保持不变状态，这个状态下温度称为地球平衡温度。第57页2024/8/1858一、地球长波辐射从上表能够看出：地球辐射平衡温度为255K，比金星、火星和本星都高。因为地球大气温室效应，表面实际平均温度比辐射平衡温度要高。第58页2024/8/1859一、地球长波辐射(二)地球辐射特征——长波辐射因为地球温度远比太阳温度低，所以，地球辐射波久远比太阳辐射波长要长。如图，太阳辐射在波长为0.5μm处为最强，而地球辐射则在14μm处为最强，此两辐射在4μm为交界，能够清楚分辨出两种不一样液长辐射，所以，太阳辐射称短波辐射，而地球辐射称长波辐射。若以辐射谱线分类，地球辐射属红外辐射，而太阳辐射大部分在可见光部分。第59页2024/8/1860一、地球长波辐射(三)温室效应温室效应，又称“花房效应”，是大气保温效应俗称。大气能使太阳短波辐射抵达地面，但地表向外放出长波热辐射线却被大气吸收，这么就使地表与低层大气温度增高，因其作用类似于栽培农作物温室，故名温室效应。第60页2024/8/1861一、地球长波辐射能吸收红外线大气成份被称做温室气体温室气体有水汽、二氧化碳、甲烷、氧化亚氮气体。这些气体不吸收太阳发射短波辐射，使得地球能够接收到太阳辐射能量，但另首先，这些气体却能够吸收地球发射一些长波长红外线，从而起到温室效应。第61页2024/8/1862一、地球长波辐射温室效应有利有弊因为温室效应，地球温度从-18.5℃变到15℃，使我们家园——地球变得温暖而遣于人类和生物生存。由环境污染引发温室效应是指地球表面变热现象。它会带来以以下几个严重恶果：地球上病虫害和传染疾病增加；海平面上升；气候反常，海洋风暴增多；土地干旱，沙漠化面积增大。

科学家预测：假如地球表面温度升高按现在速度继续发展，到2050年全球温度将上升2－4摄氏度，南北极地冰山将大幅度融化，造成海平面大大上升，一些岛屿国家和沿海城市将淹于水中，其中包含几个著名国际大城市：纽约，上海，东京和悉尼。第62页2024/8/1863二、大气辐射传输(一)大气辐射传输先讨论理想状态下大气辐射传输问题比尔定律关于辐射强度单色平行辐射经过吸收介质普通规律。假定在某一介质中，辐射强度在经过了路径dS后被该介质吸收了dIλ

，则Iλ—辐射强度ρ—

密度（几个介质混合）kλa—该介质对波长λ辐射吸收系数第63页2024/8/1864二、大气辐射传输对平行辐射经过大气时产生散射，也有类似形式定律。同时存在吸收和散射时，可将散数系数和吸收系数加在一起，定为减弱系数kλ，即第64页2024/8/1865二、大气辐射传输在实际大气中，上述定律应用会碰到巨大困难。首先，减弱系数与波长相关，所以无法直接计算总辐射改变，这需要对全部波长积分。另外，因为辐射几乎都不是平行辐射，因而需要对全部立体角进行积分。最终，云和气溶胶产生散射因为粒子直径比较大，瑞利定律已经不再适用了。当对这种散射进行计算时，发觉该过程本身是极其复杂，它与粒子特征亲密相关，然而这些粒子特征和空间分布又改变无常，难于测量。因而，心须采取一系列近似。第65页2024/8/1866二、大气辐射传输(二)大气对辐射吸收特征地表面所观侧光谱要比在大气层顶光谱弱大气所吸收部分最显著是波长大于0.7μm红外光谱部分，这有强水汽吸收带，在波长2μm，除水汽外，还有CO2大气对可见光谱段几乎不吸收，所以大气是太阳辐射可见光部分之窗。地球大气顶（上线）与地球表面（下线）所观察到太阳辐射光谱第66页2024/8/1867二、大气辐射传输(三)大气遥感原理微波大气遥感利用微波辐射信号探测大气方法和技术。飞机和卫星上安装能够接收地面或大气射出各波段辐射能电磁波接收器（或称传感器），从所测得辐射能经过大气辐射传输方程反演求解，从而能够推算出云分布、温度垂直廓线、各种吸收辐射气体含量，如水汽和臭氧，并从云能够估算出风。分为主动式微波大气遥感和被动式微波大气遥感两类。作为主动式微波大气遥感气象雷达，从20世纪40年代起就被应用于大气科学。被动式微波大气遥感地面试验，起始于60年代初，取得了0～10公里左右大气温度分布资料。1972年，被动式微波大气遥感在美国“雨云”5号气象卫星上试验成功。1978年美国发射第三代气象业务卫星“泰罗斯”N号，已正式采取被动式微波大气遥感探测大气温度。另外，微波大气遥感在探测晴空和有云条件下海温、海面风、海面上空水汽总含量、云中含水量和降水强度方面试验，也取得了成功。第67页2024/8/1868第四节地球大气辐射收支第68页2024/8/1869地气系统的辐射平衡第69页2024/8/1870一、入射太阳辐射收支4％被地表面反射回宇宙空间12％被大气散射掉。二分之一（6％）向上返回到宇宙空间，另二分之一则散射到地表因为大气有云，入射太阳辐射约有20％被云反射到宁宙空间云吸收掉3%太阳辐射大气中水汽、O3和气溶胶吸收了17％太阳辐射，所以，大气与云吸收了20％太阳辐射有20％被地球吸收因为云遮盖作用，使24%太阳辐射返回地表面地表吸收了50％太阳辐射第70页2024/8/1871二、地球大气红外辐射收支太阳短波辐射(100个单位)气体（H2O，O3…

）吸收：16云吸收：3散射回至太空：6云反射：20地面反射：4地面吸收：51长波辐射(进入太空量)地面发射：21，其中15为气体吸收，只有6进入太空。大气发射：38云发射：26对大气而言：吸收=16+3+15=34放射=38+26=64第71页2024/8/1872三、辐射纬向平均分布吸收太阳辐射在经向上，即在南北方向上，含有最显著改变在赤道地域，因为太阳光直射，地—气系统接收更多辐射而在高纬地域，因为阳光斜射，而且在高纬地域冰雪覆盖面积大，造成反射率比赤道地域大得多，所以地—气系统吸收辐射显著少。在赤道地域地球表面温度最高，但往外辐射长波辐射最强地方并不在赤道这是因为在赤道地域，地表温度最高，使得空气在此地域上空是上升，致使赤道上空云量较多，而云能很好地吸收地球放射长波辐射，含有同温室效应气体一样作用，于是在赤道地域，从大气顶部射出地与系统长波辐射较其两侧稍弱。在35S~35N之间低纬地域，地—气系统吸收辐射能量大于放出辐射能量与此相反，在纬庄高于35中高纬地域，放出辐射能置大于吸收辐射能量。因而，把全球地气系统作为一个整体，维持着辐射平衡但对各个区域，辐射平衡是不成立，在低纬地域净辐射第72页2024/8/1873三、辐射纬向平均分布假如讨论总能量，那么各个区域在较长时间内依然是能置平衡。在南北两个半球，均存在着从低纬地域向高纬地域能量输送，这种能量形式不再是辐射方式，这种能量输送是由大气和海洋运动来完成。第73页2024/8/1874第五节

大气中相变过程与雨、雾、雪和冰雹第74页2024/8/1875一、大气中相变相变过程是大气中基本物理过程之一。普通物质都以固体、液体和气体3种相态形式存在着。固体内部分子靠电磁力相互结合，只能有很小振动；液体内部分子可在液体内部移来移去改查形态，但无法脱离液体本身；而气体内部分子并不相互结合，它们是不规则地运动着。当固体温度逐步上升，固体内分子振动逐步增强，终致溶解成液体，这就是液化；当固体全部溶解成液体若再加热，分子与分子之间结合就会被截断，分子就变成自由运动，这就是汽化。如我国北方湖泊、河流中水在温度很低冬天就会结成冰，冰是固体，当到春天，因为气温升高，冰就会融解变成湖水或河水，当温度足够高，海水、湖水或河水就蒸发变成气体，即变成大气中水蒸汽；相反，假如大气中水蒸汽，当温度降低，它就会变成液体水，即水滴，当温度继续下降，水滴就会变成固体小冰块。大气中成份相态改变称为相变。第75页2024/8/1876(一)大气中基本相变过程1、融解过程大气中气温大于0℃以上，冰就会变成水，云中小冰粒就会变成小水滴，这就是大气中融解过程。大气中融解过程需要热量，通常在气温为0℃时，融解热为3.34×105J/kg，这就是说1.0kg冰融解成水所需要热量是3.34×105J。所以，在冰雪融化时，大气温度将降低。溶解过程吸收热量，溶解致冷。第76页2024/8/1877(一)大气中基本相变过程

2、蒸发与凝结过程发生在液体表面汽化过程。蒸发在任何温度下都能发生。在一定温度下，海洋、湖泊、河流水和地球上含有水分土壤将不停汽化，从液体水变成水汽输送到大气，这称蒸发过程。蒸发过程吸收热量，蒸发致冷。与上面相反，当大气中水汽被抬升到一定高度因大气温度低，水蒸气就凝结成水滴，这称凝结过程。凝结过程释放热量，又称潜热（latentheat）。大气中因水蒸汽凝结释放出潜热是大气得到热量一个主要路径。第77页2024/8/1878(一)大气中基本相变过程3、凝华、升华过程凝华：物质从气态不经过液态而直接变成固态现象。如：冬夜，室内水蒸气常在窗玻璃上凝华成冰晶；树枝上“雾凇”；“霜”形成等。凝华过程物质要放出热量。升华：固态物质不经液态直接转变成气态现象。如：冬天室外冰冻衣服变干升华过程物质要吸收热量。升华是凝华逆过程。第78页2024/8/1879水、水汽、冰之间转换物理过程冰水水汽蒸发凝结凝华升华冻结融化第79页2024/8/1880(二)水汽饱和与饱和水汽压空气中含有水汽所产生压强，叫水汽压。空气中水汽压不能无限制地增加，在一定温度下，假如水汽压增大到某一个极限值，空气中水汽就到达饱和，假如超出这个极限值，将会有一部分水汽凝结成液体水，这一极限值称为该温度下饱和水汽压。依据理论计算和试验证实，饱和水汽压与温度相关，随温度升高而快速增大。第80页2024/8/1881(二)水汽饱和与饱和水汽压当饱和水汽压与周围气压相等时，水就开始沸腾，此时水温常称水沸点。平原地域：大气压1013hPa，水沸点100℃青藏高原：大气压600~500hPa，水沸点70~80℃。需要使用压力锅做饭。第81页2024/8/1882二、大气中相变现象大气是一部多变热机，因为大气下垫面有海洋、湖泊和河川以及土壤，它们每时每刻都在发生着蒸发觉象，把大量水蒸汽送到大气中。抬升，降温，水汽凝结成小水滴，再抬升降温，形成小粒或冰晶。大气中由这些小水滴或小冰粒、小冰晶组成许多天气现象，如云、雪、雾、雨、冰雹等，这就是大气中相变现象。第82页2024/8/1883(一)云因为当包含水蒸汽空气块随上升气流抬升到达饱和时，就有水汽向空气中气溶胶质粒上凝结，形成由小水滴组成云。如图：卫星云图上台风云系。第83页2024/8/1884(一)云云有各种形状，英国学者霍伍德在1803年依云高度和形状分成以下几个云。注意积云（cumulus）和层云（straus）第84页2024/8/18851、积云积云是在不稳定大气中暖湿空气猛烈上升发展而形成，所以，此种云又称对流云（convectivecloud）。积云发展分五个阶段。第一阶段是云前方刚要发展积云，而背后已发展成浓积云；第二阶段是已发展成浓积云，云顶轮廓含糊；第三、四阶段是积云顶部已碰到对流层顶附近，因为无法伸展到稳定平流层，云被迫水平伸展成云帖（cloudanvil）；第五阶段是积云扩展成卷云。第85页第86页第87页第88页第89页第90页2024/8/18912、层云层云是在较稳定大气中因大范围上升气流所形成。层云形成过程，如图当蓝色天空出现像细羽毛状轻盈云，这就是卷云。这种云处于高度为9km高空，它普通由小冰粒组成；隔一段时间云层增厚可达2～3km，云底降低，天空渐渐被灰色云所覆盖，即出现高层云，最终出现雨层云，于是就降起雨来。我国地处温带和亚热带，云系不像在热带地域都是对流旺盛引发积云，引发降水经常是层云和积云混合。第91页2024/8/1892卷云Ci高层云As雨层云Ns卷层云Cs第92页2024/8/1893(二)雾凡是大气中因悬浮水汽凝结，能见度低于1千米时，气象学称这种天气现象为雾。雾实际上也能够说是靠近地面云。区分：雾接地，云不接地发生原因：一是冷却二是加湿，增加水汽含量或者二者兼有依据生成原因，雾能够分成以下几个：第93页2024/8/18941、辐射雾主要是因为夜间地面辐射冷却，使空气中水汽到达饱和所致这种雾是地面温度低，从而靠近地表空气温度低，形成逆温现象，经过长时间，水汽与凝结核下沉致地表而形成。主要发生在晴朗、微风、近地面、水汽比较充沛夜间或早晨。风速对辐射雾形成有一定影响。假如没有风，就不会使上下层空气发生交换，辐射冷却效应只发生在贴近地面气层中，只能生成一层薄薄浅雾。如风太大，上下层空气交换很快，流动也大，气温不易降低很多，则难于到达过饱和状态。只有在1-3米/秒微风时，有适当强度交流，既能使冷却作用伸展到一定高度，又不影响下层空气充分冷却，因而最利于辐射雾形成。辐射雾出现在晴朗无云夜间或早晨，太阳一升高，伴随地面温度上升，空气又回复到未饱和状态，雾滴也就马上蒸发消散。所以早晨出现辐射雾，常预示着当日有个好天气。"早晨地罩雾，尽管晒稻谷"、"十雾九晴"就是指这种辐射雾。第94页2024/8/18952、平流雾当暖空气流到冷海（地）面上时，就会降温而凝结成雾，这种雾称为平流雾。通常发生在冬季，连续时间普通较长，范围大，雾较浓，厚度较大，有时可达几百米。伴随春季暖气流不停北上，沿海地域雾季就自南向北先后开始了。形成条件：暖湿空气与地表之间有较大温差；要有适当风向和风速（2米—7米/秒）。第95页2024/8/18963、蒸汽雾又称蒸发雾。假如水面是暖，而空气是冷，当它们温差较大时候，水汽便源源不停地从水面蒸发出来，闯进冷空气，然后又从冷空气中凝结出来成为蒸汽雾。蒸汽雾常发生在深秋季节严寒早晨湖面、河面或极地。第96页2024/8/1897山坡雾与锋面雾山坡雾暖空气沿山坡爬升时温度下降到达露点所形成在近处观侧是雾，远处眺望则是山被云所笼罩我国江南和西南地域山区经常可看到这种山坡雾锋面雾主要是因为长时间降雨，空气相对湿度增大，出现饱和而形成雾通常在我国南方梅雨季节可经常见到这种“雾蒙蒙”天气。第97页2024/8/1898雾影响雾使大气能见度降低，对航空、航海、高速公路有严重影响；出现雾时，大气污染物不轻易扩散，污染物与雾相结合，从而加重污染，对人体健康会产生严重危害。第98页2024/8/1899

(三)雨雨是从云层中降向地面水雨是大气降水主要形式雨造福于人类，又危害人类从海洋输送来大量水汽以雨形式降到地球各个角落，滋养着人类，使人类能够进行工农业生产和生活，雨还滋养着各种生物生长，雨是造福于人类和自然界美好礼品，不过雨若过干大，即暴雨，又是往往破坏人类工农业主产，甚至给人类生命带来威胁。第99页2024/8/181001、雨形成当大量水蒸汽随气流吹到某个地域，若该地域大气有强烈上升气流，水蒸汽就会上升而凝结成云，依据上升运动速度可形成不一样云如在积云中垂直速度可到达几米／秒，而在层云垂直速度只有几厘米／秒。因为云中水滴半径只有1~100μm左右，而要产生雨滴，就必须使云中小水滴半径增加到1000μm即1mm左右，所以，当云中水滴因为以下几个机制使得小水滴增加到1.0mm左右，从而能够克服浮力作用，就会降到地面上，形成雨。另外，还有云中小冰粒、雪粒在下降过程中溶化也是雨形成原因之一。第100页2024/8/181012、雨滴增加过程扩散过程——云滴饱和空气中水汽分子向水滴扩散，在水滴表面凝结，水滴增大。云滴增加成雨滴首先是扩散过程；扩散过程使云滴发展成为水滴时间较长。碰撞合并过程——因大小云滴下降速度不一样，碰撞而增大为水滴，增大到一定程度时，以雨形式降到地面。第101页2024/8/18102

(四)雪与冰雹雪与冰雹都是固体降水形式雪经常发生在气温较低冬、春季；而冰雹却发生在夏季，尤其在山地。这两种降水形式也经常造成灾害。积雪覆盖牧草，牲畜无草可吃，造成大量牲畜饿死；严重雪灾往往需要关闭高速公路；冰雹会给农作物造成严重毁坏，尤其是果树。第102页2024/8/181031、冰晶生长过程气温低于0℃，对冰面而言，水汽已到达过饱和，这时大气中经常有小冰晶形成。水汽分子凝华就会形成冰晶芽。产生冰晶芽可由以下几个路径：云中温度很低，温度低于-40℃以下云，它只能由冰晶组成；云中过冷却水滴接触到一些微粒，冻结而形成冰晶；过冷却水滴内包含了微粒，因为核作用而冻结；水汽直接凝华形成冰晶芽。第103页2024/8/181042、冰粒成长过程冰粒有以下3种成长过程：直接由水汽凝华水滴饱和，冰粒过饱和。水汽凝华形成不一样形状冰晶。捕捉过冷云滴成长过冷水滴与冰粒碰撞，水滴冻结在冰粒上。由凝聚过程而成长冰粒在下降时碰撞，结合在一起。第104页2024/8/18105因为冰晶生长与冰粒成长有不一样过程，所以能够生成不一样固体降水形式，包含各种形状雪片、霰（xiàn，亦称软雹，是一个白色不透明，近似圆形，直径约2-5cm，结构与雪相类似之冰所组成之降水，霰质软易碎）、冻雨和雹。大气中相变过程，尤其是水蒸汽凝结成水滴，它会放出大量潜热，这为大气运动握供了大量热源。第105页2024/8/18106第六节大气热力学第106页2024/8/18107大气中一切运动均是因为冷、热分布不均匀造成，所以，大气中热力过程是大气动力过程基础。大气中基本热力过程以下：太阳短波辐射与地气系统长波辐射加热过程因为水蒸汽在大气中发生相变而产生潜热因为大气下垫面（洋面与陆面地表面）向大气输送热量本节主要阐述宏观上大气热力过程及应遵从基本规律。第107页2024/8/18108一、热力学第一定律能量守恒定律应用在热力学系统中时，就表现为热力学第一定律。热力学第一定律指出：对某一热力学系统，输入热能应该等于该系统内能改变与该系统所作功和，即单位质量热力学系统内能改变单位质量热力学系统所作功对单位质量热力学系统所加热量第108页2024/8/18109二、大气热力学定律在大气热力学中，讨论系统所作功时只需考虑因为大气系统膨胀或压缩过程所作功。而系统在实际膨胀或压缩过程中，并不处于平衡态，因而不能利用状态参量（温度、气压等）来描述，这将引发功计算复杂化。为简单起见，引进一个理想过程，使系统在膨胀或压缩过程中每一步都处于平衡态。假想使过程进行得非常迟缓，以致于过程进行每一时刻，系统都可被看作近似地处于平衡态，膨胀或压缩过程就是这一无限迟缓过程总和。第109页2024/8/18110二、大气热力学定律于是就有：即任何空气块体积增加量为△V时，其作功应为

△W=p△Vp为气压若只考虑单位质量气体所占有体积α，则其作功应为

△W=p△α第110页2024/8/18111二、大气热力学定律英国物理学家焦耳发觉气体内能唯一与气体温度相关，即△U=cv△Tcv为定容比热把上两式入热力学第一定律，得大气大气热力学第一定律：

△Q=cv△T+p△α第111页2024/8/18112二、大气热力学定律利用大气状态方程：

P=ρRT大气热力学第一定律可改写成：△Q=cp△T-α△pcp为定压比热Q

是大气热源：它包含辐射加热、地球表面输送感热和大气中因水汽凝结而释放潜热。大气热力学第一定律说明：外部对大气热量改变就会引发大气温度和压力改变。大气受热时，若大气压力保持不变，则大气温度要上升；若温度保持不变，则气压要降低。因为在气象上，气压改变比体积改变更轻易测量，因而上式应用最广。第112页2024/8/18113第七节

大气中绝热过程与位温第113页2024/8/18114一、大气中绝热过程若△Q=0，即大气中某气块在运动中其气压、体积或温度改变，但却无热量从该气块进出，则称此过程为大气绝热过程。这就是说，当大气中气块在上升或下沉过程中既不把自己热量传给周围空气，又不从周围大气吸收热量，则称此气块在运动中处于绝热过程。大气中绝热过程对研究大气运动含有主要意义当所考虑大气运动时间比较短，它来不及与周围交换热量，这时大气运动能够考虑为绝热运动。第114页2024/8/18115(一)大气干绝热过程与减温率若气块中空气不含水汽，此气块气压、体积或温度改变，但却无热量从此气块进出，则称此过程为干绝热过程。考虑p=-ρgz，则α△p=-αρg△z=-mg△z=-g△z则可得△Q=cp△T+g△z第115页2024/8/18116