现代气候学第三章气候系统的热力过程课件

第三章气候系统的热力过程第一节太阳辐射第二节地-气系统的长波辐射第三节气候系统的辐射收支第四节气候系统的热量平衡第五节全球热量平衡大气圈的平均温度水圈、陆圈、冰雪圈及生物圈（地表圈层）的平均温度同一纬度水圈与陆圈的平均温度相比，有怎样的差异？为什么海洋上气温的日、年较差小于陆地？高于、等于或小于？第一节太阳辐射一.天文辐射二.太阳辐射在大气中的减弱三.到达地面的太阳辐射

四.地面对太阳辐射的反射天文辐射

第一节太阳辐射2.太阳常数:大气上界、日地平均距离处、单位时间、垂直于太阳光线的单位面积上通过全部波长的太阳辐射能。数值及单位：1.天文辐射：大气上界与地球表面同心球面上接收到的太阳辐射，或者说不考虑大气圈影响,地表面接收到的太阳辐射称为天文辐射。一年里，照射气候系统的太阳辐射为多少？假设地球近似为一半径R的球体。3.天文辐射日总量—地球表面单位面积一天内接收到的全部波长的太阳辐射能(J/m2)纬度()；赤纬()；日落时角（弧度）；T

一天的秒数T=243600(s)

某一天日地距离日地平均距离r1r2第一节1）日地距离I1I24.天文辐射日总量的影响因素地球公转示意图大气上界、任意日地距离时、单位时间、垂直于太阳光线方向的单位面积上通过全部波长的太阳辐射能：(J/m2s)(日地平均距离)(某一天日地距离)日地平均距离：14960万km近日点日地距离：14710万km远日点日地距离：15210万km太阳光线地球表面大气上界2)太阳高度ABhAhB第一节地球水平面太阳光hB太阳高度角:太阳光线与地球水平面的夹角第一节ＡＢＣＤＡ１Ｂ１Ｃ１Ｄ１A1B1C1D1面:垂直于太阳光线的平面ABCD面:地球水平面任意日地距离（一天）某个时刻、大气上界、单位时间、地球水平面单位面积接收到的全部波长太阳辐射能为：(J/m2s)h

3)日照时间

日出到日没的时间间隔第一节日出、日落时刻日出时角日落时角某一天的天文辐射日总量就是瞬时太阳辐射能从日出积分到日落，即(J/m2)天纬度天文辐射日总量时空分布（卡／厘米2）

春分冬至春分5.天文辐射的时空分布特征1）年变化（季节变化）：具有以一年为周期的季节性变化特点，但不同纬度具有不同的变化幅度，中高纬度的年变化显著，低纬度的年变化小。2）空间变化：具有随纬度增高而减小的趋势。不同季节或不同区域这种趋势有强弱差异。冬季随纬度增高的减小趋势强，夏季弱。第一节作业21计算北纬20、40度处，春分、夏至和冬至的日照时间、中午时刻的太阳高度角和天文辐射日总量（日地距离近似等于日地平均距离），由此分析两纬度处日照时间、中午时刻的太阳高度角和日射量的季节演变。2计算地球在近日点和远日点处，地球上照射到的太阳辐射占日地平均距离处的比例。3北纬30度处,南面建筑物的高度是20m,间隔是30m,试计算冬至和夏至该处的天文辐射日总量。二.太阳辐射在大气中的减弱

第一节1.大气中太阳辐射传输过程单色光强度：dldz经过的路径是

dl强度变化:

d

地面称为大气对太阳辐射的质量削弱系数(m2g-1)+dzh天顶距单位时间、垂直于太阳光线方向上单位面积、单位波长的辐射能A0l=0l

平面平行大气：大气物理量水平方向均匀，只考虑垂直方向上变化的大气模型从大气顶到Z高度积分,得:大气上界波长为的单色光辐射强度为太阳辐射通过大气介质的质量,称为光学路径（只与大气有关？）第一节Z高度上波长为的单色光辐射强度大气质量:太阳光投射到地面所经路程中,单位截面积空气柱的质量.大气质量数(m):实际投射条件下的大气质量与垂直投射下的大气质量的比值.引入均质大气高度H0和密度第一节大阳高度（h）906030105310大气质量数（m）11.152.05.610.415.427.035.4第一节h天顶距

大气透明度如果介质的光学性质是均匀的,为常数令:即为大气对单波辐射的透明系数描述大气对太阳辐射衰减的程度,常用透明系数表示到达地面的单色辐射强度为:对所有波长积分,P即为大气对太阳辐射所有波长的平均透明系数,简称大气透明系数.经过大气到达地面垂直于太阳光线方向上单位面积，单位时间的太阳辐射能（Jm-2s-1）

受什么因素影响？大气质量数m受什么因素影响？P受什么因素影响？称为光学厚度光谱透过率:光谱吸收率:光谱吸收函数:第一节定义:2.大气对太阳辐射的吸收

1）定义：大气分子被入射太阳辐射激发，由低能级跃迁到高能级的过程称为吸收。两能级的差就是大气吸收的辐射能量值．2）主要吸收气体氧(O2):发生在高层大气,波长小于0.26第一节远紫外波段：0.175-0.2026,0.242-0.26第一节臭氧(O3):主要集中在25km的臭氧层,0.22-0.34，0.32-0.36在紫外光区的吸收可表示为在可见光区:为臭氧的光学厚度U为单位面积垂直气柱内的臭氧含量为天顶距的余旋

水汽(H2O):主要集中于红外光区y是水汽的光学厚度太阳和地球黑体辐射整层大气的吸收谱11km以上大气的吸收谱不同气体成分的吸收谱3)大气的太阳加热率0zp0p0单色辐射通量密度：单位时间、单位水平面积通过单位波长的太阳辐射能A垂直坐标单位面积dz薄层的净辐射通量散度通过z高度的净向下辐射通量密度为通过z+dz高度的净向下辐射通量密度为>0or<0?根据热力学第一定律,单位面积dz薄层吸收太阳辐射的加热率满足:所有波长4）效应：影响大气的温度结构；通过大气后的太阳辐射光谱变得极不规则；到达地面的太阳辐射减弱。第一节3.大气对太阳辐射的散射

第一节1）定义：大气质点将入射辐射重新向各个方向辐射出去的一种现象．2）特点：强烈地依赖于粒子尺度与入射波长的相对大小，分为瑞利散射和米散射．大气散射特征第一节瑞利(分子)散射:空气分子直径比波长小,散射能力与波长的四次方成反比入射米散射:空气分子直径比波长大,各种波长的散射能力相等.第一节3)效应：到达地面的太阳辐射减小；整个天空大气亮堂.4.大气对太阳辐射的反射

定义：大气中云层和较大颗粒的尘埃将太阳辐射中的一部分能量反射到宇宙空间去的过程．2)特点：对各种波长无选择性，云的反射作用最显著．第一节三.到达地面的太阳辐射

1.到达地面的太阳直接辐射

1)定义：太阳以平行光的形式直接投射到地面的辐射2)影响因子：太阳高度角、大气透明度.3)效应：到达地面的太阳辐射显著减弱.直接辐射:(Jm-2s-1)3)各项的影响效应：4)气候特征:日、年变化和随纬度的变化2.到达地面的太阳散射辐射

定义：太阳辐射经过大气散射后自天空投射到地面的辐射.2)

影响因子：太阳高度角、大气透明度、云3）各项的影响效应：3.到达地面的太阳总辐射

(地表总辐射)定义:实际大气条件下,到达地面的直接辐射和散射辐射之和.2)

影响因子:太阳高度角(天文辐射)、云量、大气透明度.3)

各因子的影响效应：总辐射仪直接辐射和散射辐射仪4)地表总辐射的气候学计算S0天文辐射、Q0晴天总辐射;n云量(s日照百分率)(1)分析地表总辐射与影响因子间的关系Q-S0,Q-s(2)根据散点图,拟合经验公式

全球地表总辐射年平均通量密度（Js-1m-2)的分布中国年平均总辐射通量密度的分布(Wm-2)四.地面对太阳辐射的反射

地表反射辐射：到达地表的总辐射有一部分由于反射作用而返回天空，这部分辐射能量称为地表反射辐射。

地表反射率：地表反射辐射占入射总辐射量的比称为地表反射率。地表反射率影响因子：1）太阳高度2）下垫面特征和性质：地表类型、颜色、湿度、粗糙度等3）辐射波长地表反射率地表反射率森林3%~10%雪地(新雪)80%田地(绿色)3%~15%雪地(陈雪)50%~70%田地(已开垦的干地)20%~25%冰50%~70%草地10%~18%水面(h>40º)2%~4%裸地7%~20%水面(h=5~30º)6%~40%沙地25%~35%不同性质地面的反射率

几种典型下垫面实测的反射率光谱（Kondratyev，1973）①带有冰盖的雪，h=38°；②大粒湿雪，h=37°；③湖面，h=56°；④土壤融雪后，h=24.5°；⑤青玉米，h=54°；⑥高的绿玉米，h=56°；⑦黄玉米，h=46°；⑧苏丹草，h=52°；⑨黑钙土，h=40°；⑩谷物茬子，h=35°地-气系统的长波辐射

第二节一.地面辐射和大气长波辐射

１.地面和大气辐射特点地面最强辐射波长为10,大气为10~15长波辐射主要吸收气体:H2O_6.3m,20m~1mm;CO2

_12~16.3m,14.7m,4.3m和2.7m;O3_9.6m,4.7m,1.4m2,长波辐射传输方程Z=0zA通过Z高度处天顶距为,方位角为方向上单位面积、单位时间通过单位波长的长波辐射量（dz）—单色辐射强度长波辐射传输方程Z高度向上(01)的单色辐射强度:光学厚度(1)(2)向上通过单位时间、单位水平面面积、单位波长的长波辐射量（向上单色辐射通量密度）假设地气系统放射辐射与方位角无关（各向同性），即大气底部(),向上辐射仅由地表发射造成,将地表,大气在红外区近似当作黑体,即Z高度，向下的单色辐射强度Z高度，向下的单色辐射通量密度3.红外辐射冷却率高度z处（光学厚度）净辐射通量密度高度z+dz处(光学厚度)净辐射通量密度

Z高度，单位面积dz薄层大气的长波辐射冷却率(>0or<0?)薄层dz净辐射通量散度二.地—气间的长波辐射交换

第二节1.大气对地面辐射的吸收

特点:强烈地吸收,且具有选择性.大气窗:8~12位于地面辐射波段最强处,大气的吸收率最小,透射率最大,这一波段能量透过大气射向宇宙空间,将这一波段称为大气窗.第二节2.地面有效辐射

定义：地面放射辐射与地面吸收的大气逆辐射之差.2)影响因子：地面温度、空气温度、空气湿度和云量.3)各因子的影响效应:4)气候特点：日、年变化特征与气温的日,年变化相似.地表状况干沙湿沙黑沙沙壤土针叶林粘土相对辐射率0.950.960.950.940.970.97地表状况腐殖土白霜煤灰新雪水草原相对辐射率0.990.990.970.990.950.98

各种地表的相对辐射率(

灰体系数、放射率）5)有效辐射的气候学计算地面放射率T1.5米处的气温e1.5米处的水汽压无云时（1）埃斯川姆公式（2）布朗特公式晴天大气逆辐射晴天大气逆辐射有云时n

云量m1.5~2非线性：线性：第三节一.地面辐射差额

1.定义:单位地表面面积所吸收的总辐射和有效辐射之差,称为地面的辐射差额.2.方程:气候系统的辐射收支3.影响因子:地表总辐射、地面反射率、地面有效辐射.4.各因子的影响效应：5.气候特征：日、年变化及空间分布第三节云对地面辐射差额的影响云使总辐射减弱云使有效辐射减小辐射差额Rg减小辐射差额Rg增大白天或夏季（特别是低纬地区），云的减弱作用强于增大作用，云量增多，辐射差额减小；夜间或冬季（特别是高纬地区），云的减弱作用弱于增大作用，云量增多，辐射差额增大。第三节第三节日变化图:年变化图第三节第三节地表净辐射通量密度年总量（Kcal·cm-2）的地理分布中国地表净辐射年平均通量密度分布(W/m2)

第三节二.大气的辐射差额1定义：单位面积大气柱的辐射收入与辐射支出的差额．2方程:为通过大气上界逸出的长波辐射Ｒa:单位面积大气柱的辐射差额

该大气柱吸收的太阳辐射Ｆ：地面有效辐射3特点第三节地面大气顶UG地面,大气的长波吸收率大气辐射收入:大气辐射支出:大气吸收地面反射的大气逆辐射大气辐射差额:大气辐射各分量随纬度的分布大气短波吸收-第三节三.地-气系统的辐射差额或S0

为天文辐射(大气上界的太阳辐射通量密度);1定义：单位面积的地面和大气柱整体的辐射收入与支出的差2方程:地-气系统对太阳辐射的反射率(行星反射率)第三节行星反照率年平均值

地-气系统各纬度的辐射收支第三节第三节

3特点:年平均南北纬35之间的Rs为正值;其他纬度为负值.全球年均单位时间(1秒)吸收的太阳辐射为全球单位时间向外射出长波辐射为

r为地球半径,Te为地表辐射平衡温度(K)设则第四节气候系统的热量平衡一、地表热量平衡1.定义：地面在获得辐射差额时，一方面要升高地表温度，另一方面将盈余的热量以湍流显热和潜热向大气输送以及向地表活动层的分子输送，长期平均，其获得的辐射差额与支出达到平衡称为地面的热量平衡。2.地面热量平衡方程地面辐射差额地面与大气的湍流潜热通量地面与大气的湍流感热通量地表与下层的热量交换地表与上层生物体的化学、生物过程有关的能通量第四节3.方程中各项的物理意义和气候意义3.1物理意义R地面辐射差额，大于零表示辐射有盈余；LE地面与大气的潜热通量，大于零表示地面蒸发,潜热从地面输向大气；H地面与大气的湍流热通量，大于零表示热量从地面输送给大气，使气温升高；Qs地面与下层土壤的分子热交换，大于零表示热量从地面向下层土壤输送。3.2气候意义R为正，地面温度升高LE增大，近地层获得的水汽增多，空气潮湿，反之空气干燥；H增大，近地层获得的热量增多，空气温度升高。1）地面与下层间的热量交换第四节土壤导热系数为土壤温度土壤导温系数土壤密度土壤比热（J/gC）Z（1）理论公式4、地表热量平衡的计算土壤成分粘土矿物土壤有机物花岗岩水空气（20C）冰（0C）比热（J/gC）0.750.962.500.8374.181.0042.101热容量（J/cm3C）2.0482.4242.7082.1774.180.0011.900土壤各种成分的比热和热容量第四节土壤种类干沙土湿沙土壤土花岗岩水（20C）空气冰导热系数（J/smC）0.15242.25720.1884.0540.6280.02092.1736导温系数（cm2/s）0.00130.0120.0070.0190.00150.1610.012几种物质的导热系数和导温系数（2）气候学计算土壤5cm与20cm的土温差地-气温差（1）湍流:流体不规则运动_涡动.2）湍流与湍流通量任何物理量都可以表示为平均量与脉动(扰动、涡动)量之和,流动也一样,即

（2）湍流（涡动）通量:单位时间内湍流运动输送的物理量(热量、水汽等）垂直方向涡动热通量=垂直方向涡动水汽通量=垂直方向涡动动量通量=TZz1z2TZz2z1大气静力绝对不稳定情形大气静力绝对稳定情形（3）大气边界层湍流及湍流通量与垂直湍流通量相比，垂直平均流通量通常可以忽略不计;

湍流通量输送量级比分子扩散要大几个量级。

湍流运动是边界层大气运动的主要特征。地表加热不均、地表对气流的摩擦拖曳以及地面物体的阻挡都可以形成湍流；（1）涡动相关法分别是垂直速度、温度、比湿和水平运动的脉动值，湍流脉动仪观测采样频率一般为10Hz3）.地气界面湍流输送通量的计算（JM-2s-1)（Nm-2)KT

为空气热量湍流交换系数，与风速、大气稳定度、地表性质等有关；Cp空气定压比热空气密度，T

气温第四节（2）湍流扩散理论

感（显）热输送通量JM-2s-1

潜热输送通量L

蒸发潜热，L2500(J/g),q比湿（单位湿空气中的水汽质量，g/g)水汽湍流交换系数第四节(JM-2s-1)

动量输送通量（湍流应力）动量交换系数V

风速第四节（3）总体空气动力学方法

热量总体输送系数

T0,T地面及z高度的温度U1.5m高度风速

感（显）热输送通量第四节第四节水汽总体输送系数地面及z高度比湿

潜热输送通量

动量输送通量第四节动量总体输送系数，也称动力拖曳系数（4）近地层相似理论

近地层概念大气边界层贴地层近地层Ekman层靠近地面，几厘米厚，以分子交换为主常值通量层，厚度为边界层的1/10第四节

感（显）热输送通量分别为常值通量层摩擦速度和摩擦温度,在近地层的常值通量层近似不变。

潜热输送通量第四节常值通量层摩擦湿度

参考文献:余锦华等，长江三角洲常熟地区近地层湍流特征的研究，南京气象学院学报，2001.24（4）：536-544.——涡动相关方法余锦华等，青藏高原西部地表通量的年/日变化特征，高原气象，2004，353-359.——近地层相似理论感（显）热通量的计算涡动相关法湍流相似理论总体输送法近地层相似理论4）.地面冷、热源（1）定义：某一地区地表有湍流热量向大气输送，称该地区为热源，反之为地面冷源（热汇）。（2）方程式：热源冷源5）地表热量平衡的分布

地表面与大气间感热输送年总量分布

（单位：kcal·cm-2·a-1）

中国年平均感热通量密度的分布（单位：kcal·cm

-2.a-1）

全球潜热输送年总量的地理分布（Kcal·cm

-2）

中国年平均潜热通量密度的分布（瓦/米2）

洋面与深层水体的热量输送年总量的地理分布(Kcal·cm

-2)6）地表面热量平衡的纬圈平均纬度带陆地海洋全球RLEHRLEHC0RLEHC070～60ºN60～5050～4040～3030～2020～1010～00～10ºS10～2020～3030～4040～5050～60全年平均92113401884242826803098330833083140297125961842146520936709631047963796134023872554188411721214921921113025137783714651884175892174512561800138292154496396318001680376846475066519153175108456438523014192638101281968280540194563489943544154473144383433213514653433921795670586293293293251377461461251377377­-1256-963-795-837-209-1265449210-335-4262884092115492261318239354564477348574689418736842972192633078371382188427213140397838943768410336843182209314652763461544754963879670418377586754586293377544-377-377-377-502-84-844617120-251-84586840全球表面热量平衡各分量的年纬圈平均值(MJ/m2）

二、大气的热量平衡1.定义：自地面伸展到大气顶的单位截面积垂直空气柱内所有热通量的代数和等于其热含量变化，长期平均达到平衡。2.方程大气柱辐射差额大气柱热含量变化热平流引起的热交换降水的潜热释放地气感热交换

大气中的热量平衡分布

3.各分量的经向分布三、地-气系统的热量平衡1.定义：下垫面及其以下活动层（温度日、年变化波及的深度）和大气柱内的热通量收支差