大气科学概论第十三辐射

大气科学概论课件第十三辐射第一页，共二十四页，2022年，8月28日

地面和大气因辐射进行热量的交换，其能量的收支状况，是由短波辐射和长波辐射收支总和来决定的。

把物体收入的辐射能与支出的辐射能的差值称为辐射差额。

辐射差额=收入辐射-支出辐射

在没有其它方式进行热交换时，辐射差额决定物体的温度变化：辐射差额大于零，物体升温；辐射差额小于零，物体降温；辐射差额为零时，物体温度保持不变。第二页，共二十四页，2022年，8月28日

6.5.1地面辐射差额第三页，共二十四页，2022年，8月28日

地面由于吸收太阳总辐射和大气逆辐射而获得能量，同时又以其本身的温度不断向外放出辐射而失去能量。

地面收入辐射能减去支出辐射能，所得辐射能的差值，称为地面辐射差额FB。式中SA为太阳直接辐射,SD为到达地面的散射辐射,SG为地面总辐射，rs为地面短波反射率，

δ为地面红外辐射吸收率。第四页，共二十四页，2022年，8月28日

凡是影响太阳总辐射和地面有效辐射的因子都能影响FB。白天，总辐射起主要作用；

夜间，地面有效辐射起主要作用。辐射差额的日变化：

辐射差额夜间为负，白天为正。由负值转到正值的时刻一般在日出后1小时，由正值转到负值的时刻在日落前1—1.5小时。如图为辐射差额日变化的情况。第五页，共二十四页，2022年，8月28日

地面辐射差额的年变化：地面辐射差额的年变化随纬度而异：纬度越低，辐射差额保持正的月份越多，纬度越高，辐射差额保持正的月份越少

p50图中给出不同纬度辐射差额的年变化第六页，共二十四页，2022年，8月28日

6.5.2地面能量平衡第七页，共二十四页，2022年，8月28日地表面除了辐射造成的能量收支外，还有地表和贴地层空气的热量交换（感热）地表和深层土壤之间的热交换和因地表水分蒸发，由相变引起的地表能量损失（潜热）等项。第八页，共二十四页，2022年，8月28日

用Hal代表地表净能量通量，则:

RS为净短波辐射通量，Rl为净长波辐射通量，HS为地表感热通量，He为地表潜热通量，Hm为流进土壤深层的热量。第九页，共二十四页，2022年，8月28日

当Hal>0时，地表获得能量，温度升高；当Hal<0时，地表失去能量，温度下降；当Hal=0时，地表能量平衡，温度不变。

地表的温度可通过Hal来计算，方法有土壤绝热法、余项强迫法、感热相关法、辐射相关法、土壤模式法等，见书p51。由于海洋和陆地的热力性质不同，在地表能量平衡的条件下，温度变化不同：第十页，共二十四页，2022年，8月28日

陆地热容量小，陆地上的气温变化大；

海洋热容量大，海水可以流动，因此海洋在白天或夏天将太阳能储存起来，到了夜间或冬天将储存的热量释放出来，因而海洋上的气温变化不大。

海陆差异引起白天陆地上气温比邻近海洋高，夜间相反；夏季陆地上气温比邻近海洋高，冬季相反。这种因海陆分布引起的对流层水平温度梯度的季节性转换，是引起大规模的季风环流的主要原因之一。

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6.5.3气温的日变化第十二页，共二十四页，2022年，8月28日

白天大气通过辐射、分子运动、

湍流及

对流运动和潜热输送等方式将热量传递，使大气温度随之升高；夜间地表面因放射长波辐射而冷却，使边界层大气温度也随之降低，因而引起大气温度的日变化。第十三页，共二十四页，2022年，8月28日

气温的日变化通常包括极值出现的时间和日较差的变化：

在一日内有一个最高值，一般出现在

午后14时左右，一个最低值，一般出现在日出前后。（为何不出现在正午？）因为地面的最高值取决于地面储存能量的多少，地面收入大于支出转为收入小于支出的时间在下午1点左右，即地面温度最高，传递给大气须一定的滞后时间，所以最高气温出现在14时左右。

一天中气温的最高值与最低值之差，称为气温日较差，其大小反映气温日变化的程度。

气温日较差随纬度变化：热带12℃，温带8～9℃，极地3～4℃。

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6.5.4气温的年变化第十五页，共二十四页，2022年，8月28日

气温的年变化也包括极值出现的时间和日较差的变化：

地球上绝大部分地区，在一年中月平均气温有一个最高值和一个最低值。陆地最高7月，最低1月；海洋最高8月，最低2月；

赤道有两高两低，分别在春秋分和夏至冬至；

气温的变化取决于地面热量收支的情况，而太阳赤纬和昼夜长短，是影响地面热量收支主要因子:第十六页，共二十四页，2022年，8月28日

从春分到夏至，太阳赤纬逐渐增高，昼长于夜也逐渐增强，有利于地面热量收入大于支出，温度不断增大。

从夏至到秋分，太阳赤纬逐渐减低，昼长于夜也逐渐减少，地面热量收入大于支出的幅度在减少，但热量收入仍然大于支出，地面温度仍上升。

到了大暑时，地面热量收支平衡，温度升到最高，不再增加。

从大暑到秋分，地面热量收入小于支出，温度开始下降。从秋分到冬至，太阳赤纬继续降低，昼越来越短于夜，但地面热量支出仍然大于收入，温度继续下降。到了大寒时，地面热量收支平衡，温度不再下降，达到最低值。

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可见，北半球中纬度地区，最热的日子在大暑，最冷的日子在大寒。

一年中月平均气温的最高值与最低值之差，称为气温年较差。

气温年较差的大小与纬度、地表性质等因素有关。如图：气温年较差由低纬向高纬增加，同纬度，陆地年较差比海洋大得多。气温除周期变化还有非周期变化。第十八页，共二十四页，2022年，8月28日

6.6地气系统能量平衡第十九页，共二十四页，2022年，8月28日

为了了解地气系统在较长时间内怎样维持平衡状态，需要对地气系统作为一个整体的年平均能量平衡的了解。下图给出地气系统总的能量平衡框图：第二十页，共二十四页，2022年，8月28日

第二十一页，共二十四页，2022年，8月28日

图中的数字归一化，即把入射大气上界的太阳辐射作为100个单位。就地面而言：收入50=支出20+6+24

就大气而言：收入16+4+6+24+14=支出38+26

就地气系统而言：

收入100=支出6+20+4+6+38+26第二十二页，共二十四页，2022年，8月28日

可见，无论是地面、大气还是

地气系统长年平均的辐射收支都是处于平衡状态的。第二十三页，