中山大學(xué)大氣科學(xué)基礎(chǔ)期中復(fù)習(xí)2014

1、《大氣科學(xué)基礎(chǔ)》期中復(fù)習(xí),大氣科學(xué)基礎(chǔ),,大氣圈的基本結(jié)構(gòu),大氣演變的描述——基本氣象要素,大氣內(nèi)最基本的熱力、動(dòng)力及相態(tài)變化過程,,靜力學(xué)和大氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ),大氣熱力學(xué),輻射過程,大氣水分的相態(tài)變化,主要內(nèi)容：緒論大氣概述、氣象要素的特征、變化和分布大氣靜力學(xué)大氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)太陽、地面和大氣的輻射,大氣概述,大氣圈的組成 基本情況以及溫室氣體大氣圈的結(jié)構(gòu) 垂直分層以及各層的特點(diǎn),

2、從地面到100千米高度的大氣可看為三個(gè)部分組成：干潔大氣：不包含水汽和氣溶膠粒子的純凈大氣水汽：氣溶膠質(zhì)粒：懸浮于空氣中的液體和固體粒子,Water vapor has several very important functional roles on our planet:1. It redistributes heat energy on the Earth through latent heat energy ex

3、change. 2. The condensation of water vapor creates precipitation that falls to the Earth's surface providing needed fresh water for plants and animals.3. It helps warm the Earth's atmosphere through the greenho

4、use effect.,氣溶膠粒子對(duì)輻射的吸收和散射、云霧降水的形成、大氣污染以及大氣光學(xué)與電學(xué)現(xiàn)象的產(chǎn)生都具有重要的作用。氣溶膠粒子的來源可分為人工源和自然源兩大類。,大氣的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)無論在水平方向還是在垂直方向上都是不均勻的按照大氣的化學(xué)成分劃分，大氣垂直方向可分為均質(zhì)層和非均質(zhì)層按照大氣的壓力結(jié)構(gòu)劃分，大氣垂直方向可分為氣壓層和逸散層按照大氣的電離結(jié)構(gòu)劃分，大氣可分為電離層和磁層按照溫度變化劃分，大氣在垂直方

5、向可分為：對(duì)流層、平流層、中間層、熱層以及外層,Vertical change in average global atmospheric temperature,氣象要素的特征、變化和分布,影響溫度變化的因子（輻射加熱、潛熱加熱以及與周圍的熱量交換）溫度的時(shí)間演變特征溫度的空間分布特征,溫度,大氣中常見的氣壓型全球氣壓分布的基本特征,氣壓,影響風(fēng)的因子（科氏力、地轉(zhuǎn)風(fēng)、摩擦力的作用等）山谷風(fēng)和海陸風(fēng)全球風(fēng)系（及其與氣壓型的聯(lián)

6、系）,風(fēng),Temperature of absolute zero, the ice point of water, and the stream point of water using various temperature measurement scales,converts temperature from Fahrenheit to Celsius and vice versa :Celsius = (Fahrenheit

7、 - 32) * 5/9Fahrenheit = Celsius * 9/5 + 32converts temperature from Celsius to KelvinKelvin=Celsius +273,攝氏、華氏以及開氏溫度的相互轉(zhuǎn)換,影響局地氣溫變化的因子,太陽輻射加熱冷暖平流凝結(jié)、蒸發(fā)潛熱云覆蓋,冷（暖）平流,空氣的溫度平流——空氣平流運(yùn)動(dòng)傳熱過程引起局地氣溫變化稱為溫度平流,,,,,,warm,cold,T1

8、,T2,T3,T4,,,,,,warm,cold,T1,T2,T3,T4,,,,,,,如果風(fēng)向與水平溫度梯度的交角小于900→暖平流,如果風(fēng)向與水平溫度梯度的交角大于900→冷平流,氣溫的空間變化,熱帶地區(qū)溫度高，中高緯度地區(qū)溫度低夏季海洋比陸地溫度低，冬季海洋比陸地溫度高海洋上溫度分布相對(duì)均勻由于下墊面的不均勻，形成了許多的冷暖中心（如：西伯利亞、格陵蘭等是冷中心；澳大利亞、非洲等地形成暖中心）山脈南麓氣溫高，北麓氣溫低,天氣

9、圖中最常見的5種氣壓形勢,高壓,低壓,鞍型場,槽線,脊線,全球氣壓分布特征,全球氣壓帶的分布特征是由太陽輻射、地球自轉(zhuǎn)效應(yīng)、海陸分布等因子決定的?？傮w而言，可分為四大氣壓帶，即：極地高壓帶(Polar High)、副極地低壓帶(Subpolar Low)、副熱帶高壓帶(Subtropical High)、赤道低壓帶(Equatorial Low)由于由于海陸分布的差異，上述的氣壓帶并不隨緯度均勻分布，在海平面氣壓圖上表現(xiàn)為永久性和季

10、節(jié)性的大氣活動(dòng)中心,海平面氣壓場上的大氣活動(dòng)中心半永久性活動(dòng)中心太平洋副高、大西洋副高、冰島低壓、阿留申低壓、格陵蘭高壓季節(jié)性活動(dòng)中心西伯利亞高壓、北美高壓、亞洲熱低壓、北美低壓為什么半永久性活動(dòng)中心出現(xiàn)于海洋，而季節(jié)性活動(dòng)中心出現(xiàn)于大陸？,地球自轉(zhuǎn)作用——三圈環(huán)流的形成,赤道地區(qū)受熱上升的氣流，流向極地；在地球自轉(zhuǎn)偏向力的作用下，逐步變?yōu)槠鳉饬鳎铚丝諝獾谋鄙?，?00附近積聚下沉；下沉到達(dá)地面后一支回流赤道，形成

11、了Hadley環(huán)流圈；另一支繼續(xù)北上，與極地下沉的南流氣流在600附近匯合上升；上升到高空一支南流形成中緯度Ferrel環(huán)流圈；一支北流形成極地環(huán)流圈。,與三圈環(huán)流相對(duì)應(yīng)，是所謂的“三風(fēng)四帶”，即：極地東風(fēng)(Polar Easterlies)中緯度西風(fēng)(Westerlies)低緯度信風(fēng)(Trades)極地高壓帶(Polar High)副極地低壓帶(Subpolar Low)副熱帶高壓帶(Subtropical High)赤

12、道低壓帶(Equatorial Low)赤道低壓帶又稱為熱帶輻合帶(InterTropical Convergence Zone)，簡稱ITCZ，它是南北半球兩支信風(fēng)在赤道地區(qū)匯合而形成的低氣壓區(qū),大氣中水汽的含量雖然不多，卻是大氣中極其活躍的成分，在天氣和氣候中扮演著重要的角色。大氣中的水汽含量有很多種測量方法，日常生活中人們最關(guān)心的是水汽壓、絕對(duì)濕度和相對(duì)濕度?！　∷麎海╡）是大氣壓力中水汽的分壓力，和氣壓一樣用百帕來度量

13、。以前氣壓和水汽壓常以水銀柱的毫米數(shù)來測度，1百帕＝0.75008毫米水銀柱。在一定溫度下空氣中水汽達(dá)到飽和時(shí)的分壓力，稱為飽和水汽壓(E)。飽和水汽壓隨著氣溫的升高而迅速增加?！　〗^對(duì)濕度(a)指單位體積濕空氣中含有的水汽質(zhì)量，也就是空氣中的水汽密度，單位為克/厘米3或千克/米3。絕對(duì)濕度不容易直接測量，實(shí)際使用比較少。 相對(duì)濕度(f)指空氣的水汽壓e與同一溫度下的飽和水汽壓E之比，以百分?jǐn)?shù)表示。相對(duì)濕度的大小表示空

14、氣接近飽和的程度。當(dāng)f=100％時(shí)，表示空氣已經(jīng)達(dá)到飽和；未飽和時(shí)，f<100％；過飽和時(shí)f＞100％。相對(duì)濕度的大小不僅與大氣中水汽含量有關(guān)，而且還隨氣溫升高而降低。,描述濕度變化的物理量,比濕（q）:水汽質(zhì)量與同一容積中空氣的總質(zhì)量的比值，單位為克/克或者克/千克。表達(dá)式：混合比（r）：水汽質(zhì)量與同一容積中干空氣質(zhì)量的比值，單位為克/克或者克/千克。表達(dá)式：,飽和差（d）:在某一溫度下，飽和水汽壓與實(shí)際水汽壓之差，表達(dá)式

15、：露點(diǎn)溫度(Td)：. 保持空氣中的水汽含量不變，而使之降低溫度，當(dāng)水汽因降溫而達(dá)飽和時(shí)之溫度，即 為露點(diǎn)溫度。露點(diǎn)溫度也可用來表示水氣含量的多寡，露點(diǎn)溫度愈高，則表示空氣中水氣含量愈多。,大氣靜力學(xué),大氣靜力學(xué)方程 靜止大氣中的力（重力和重力位勢） 靜力學(xué)方程: 靜力平衡過程壓高公式——靜力學(xué)方程的積分形式 均質(zhì)大氣、等溫大氣、多元大氣以及標(biāo)準(zhǔn)大氣

16、 壓高公式的應(yīng)用（計(jì)算不同高度的氣壓、天氣系統(tǒng)的垂直結(jié)構(gòu)）,什么是大氣靜力學(xué)？,——大氣靜力學(xué)研究靜止大氣所受到的作用力以及在力的作用下質(zhì)量和壓強(qiáng)分布規(guī)律的科學(xué)稱為大氣靜力學(xué),大氣靜力學(xué)基本方程,靜止大氣中的力靜力學(xué)方程為什么大尺度大氣滿足靜力平衡條件,靜力學(xué)方程得到的推論,dz>0時(shí)dp<0，說明氣壓隨高度是下降的由于g隨高度的變化很小，所以氣壓隨高度下降的快慢主要取決于密度。大氣層低層密度大，氣壓隨高度下降快；大氣

17、層高層密度小，氣壓隨高度下降的慢將靜力學(xué)方程從任意高度z積分到大氣上界，得,表明任意高度z處的氣壓等于從該高度到大氣上界的單位截面積氣柱所受的重力。,均質(zhì)大氣的壓高公式,所謂均質(zhì)大氣，即假定大氣密度不隨高度變化（密度為常數(shù)）的大氣。對(duì)靜力學(xué)方程積分：,,均質(zhì)大氣壓高公式,等溫大氣的壓高公式,氣溫不隨高度變化的大氣稱為等溫大氣,積分后可得,多元大氣的壓高公式,溫度隨高度線性遞減的大氣，稱為多元大氣。當(dāng)溫度的垂直遞減率為,時(shí)，z高度處的溫

18、度可表示為,這樣，靜力學(xué)方程,可表示為,上式積分后可得,,多元大氣中，氣壓隨高度變化與溫度的垂直遞減率有關(guān)，溫度隨高度遞減得快，氣壓隨高度遞減得也快。,壓高公式的應(yīng)用,1、利用壓高公式可以計(jì)算出不同高度的氣壓值2、利用壓高公式分析天氣系統(tǒng)的垂直結(jié)構(gòu),,到底哪種類型的氣旋、反氣旋能延伸到較高的高度呢？,·深厚系統(tǒng)：暖高壓、冷低壓（冷渦）·淺薄系統(tǒng)：冷高壓、熱低壓 另外氣旋中心隨高度向冷區(qū)傾

19、斜反氣旋中心隨高度向暖區(qū)傾斜,上述現(xiàn)象可以用壓高公式進(jìn)行解釋,,溫度高時(shí)，同一等壓面位勢高度增加的快,,,,,,,低壓系統(tǒng)向冷區(qū)傾斜,高壓系統(tǒng)向暖區(qū)傾斜,,,,,,,,,,,,淺薄的熱低壓,淺薄的冷高壓,,,,,,,,影響風(fēng)的因子,氣壓梯度力Coriolis力摩擦力,The complete equation (Ignoring frictional effects),Scale analysis,Even though the

20、equation has been simplified by excluding Frictional effects and combining the Centrifugal force with the Gravitational force, it is still a complicated equation.To further simplify, a process known as Scale analysis is

21、 employed.We simply assign typical scale values to each element and then eliminate those values which are SIGNIFICANTLY smaller than the rest,Simplified Equation of Motion,大氣中的平衡運(yùn)動(dòng),（1）地轉(zhuǎn)風(fēng)（2）梯度風(fēng)（3）熱成風(fēng),（1） 地轉(zhuǎn)風(fēng),地轉(zhuǎn)風(fēng)是在水

22、平氣壓梯度力與水平地轉(zhuǎn)偏向力達(dá)到平衡的風(fēng)，無加速度、無摩擦的空氣水平運(yùn)動(dòng),,,Geostrophic Wind,,,,L,H,980 mb,984 mb,988 mb,,PGF,,Co,V,Eventually the Coriolis and PGF balance each other. Sincethere is no unbalanced force, there is no acceleration.The wind c

23、ontinues to move at constant speed in a straightline (remember, no Friction). This is called:,Geostrophic Wind,地轉(zhuǎn)風(fēng)公式,地轉(zhuǎn)風(fēng)的矢量公式：,風(fēng)壓定律（白貝羅定律）,地轉(zhuǎn)風(fēng)與等壓線平行，在北半球，地轉(zhuǎn)風(fēng)指向氣壓梯度力的右方，在南半球，地轉(zhuǎn)風(fēng)指向低壓梯度力的左方。即背風(fēng)而立，北半球低壓在左，高壓在右；南半球相反，低壓在右，高

24、壓在左，這就是風(fēng)壓定律或稱白貝羅定律。,（2） 梯度風(fēng),地轉(zhuǎn)風(fēng)只解釋了大氣作等速直線運(yùn)動(dòng)的情況，但大氣的運(yùn)動(dòng)通常是曲線運(yùn)動(dòng)。 無切向加速度，無摩擦的大氣水平運(yùn)動(dòng)稱為梯度風(fēng)。,The balance of forces that create a gradient wind in the Northern Hemisphere (PGF = pressure gradient force; CF = Coriolis force

25、; Ce = centripetal force; http://regentsprep.org/Regents/physics/phys06/bcentrif/ ). In this diagram, CF = Ce + PGF for the low, and PGF = CF + Ce for the high.,梯度風(fēng)方程,梯度風(fēng)是水平氣壓梯度力、水平地轉(zhuǎn)偏向力和慣性離心力三者相平衡時(shí)的風(fēng)。,（3） 熱成風(fēng),由于溫度水平分布不

26、均勻引起的地轉(zhuǎn)風(fēng)隨高度會(huì)發(fā)生變化熱成風(fēng)是上層地轉(zhuǎn)風(fēng)與下層地轉(zhuǎn)風(fēng)的矢量差 用水平位勢梯度表示的地轉(zhuǎn)風(fēng)公式,熱成風(fēng)方程,熱成風(fēng)的方向,在給定的兩個(gè)等壓面之間，只要有平均溫度的水平梯度存在，就必定有熱成風(fēng)，這時(shí)地轉(zhuǎn)風(fēng)一定隨高度而變。,熱成風(fēng)方向與氣層的水平平均溫度梯度相垂直。在北半球，熱成風(fēng)指向水平平均溫度梯度的右方，在南半球，熱成風(fēng)指向水平平均溫度梯度的左方；換言之，背熱成風(fēng)而立，在北半球，低溫區(qū)在左，高溫區(qū)在右；南半球反之。

27、,熱成風(fēng)的方向,(1) 摩擦對(duì)風(fēng)的影響(2) 局地風(fēng)環(huán)流,大氣邊界層中的風(fēng),為什么低氣壓往往與降水等天氣相伴隨？而高氣壓區(qū)卻總是晴朗天氣？,因?yàn)榈蜌鈮簠^(qū)伴隨著上升運(yùn)動(dòng)，而高氣壓區(qū)卻總是下沉運(yùn)動(dòng)。,為什么低氣壓往往伴隨著上升運(yùn)動(dòng)？而高氣壓區(qū)卻總是下沉運(yùn)動(dòng)？,自由大氣的大尺度運(yùn)動(dòng)是準(zhǔn)地轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，亦即是地轉(zhuǎn)偏向力和氣壓梯度力的平衡。在北半球，地轉(zhuǎn)偏向力與風(fēng)向垂直，且偏向右側(cè)因此，在北半球，低氣壓對(duì)應(yīng)著逆時(shí)針的氣旋運(yùn)動(dòng)；高氣壓對(duì)應(yīng)著順時(shí)針

28、的反氣旋運(yùn)動(dòng),邊界層中風(fēng)向與水平氣壓場的關(guān)系：在北半球，背風(fēng)而立，高壓在右后方，低壓在左前方，南半球反之。,邊界層摩擦作用使氣旋區(qū)輻合上升，反氣旋區(qū)輻散下沉,局地風(fēng)環(huán)流,局地?zé)崃π?yīng)所產(chǎn)生的環(huán)流山谷風(fēng)海陸風(fēng),第三章 太陽、地面和大氣的輻射,§1 輻射的基本知識(shí)§2 太陽輻射§3 地面和大氣輻射§4 地面、大氣及地氣系統(tǒng)的輻射平衡§5 溫室氣體效應(yīng),

29、7;1 輻射的基本知識(shí),（1）輻射和輻射能（2）輻射光譜（3）物體對(duì)輻射的吸收、反射和透射（4）輻射的基本定律,輻射：以電磁波傳遞能量的過程 熱輻射：由于熱的原因而發(fā)生的輻射,熱輻射是電磁波，它有一般電磁波的共性，即它是以光速在空間傳播的。有下列關(guān)系成立：,式中：C — 速度 f — 頻率 ? — 波長,（1）輻射和輻射能,輻射，指物體以電磁波形式傳播能量的過

30、程，通過輻射過程傳播的能量成為輻射能。 所有物體，只要它的溫度高于絕對(duì)0度，都要以電磁波形式向外輻射能量； 輻射能的傳播不需要介質(zhì)； 輻射能在傳播過程中會(huì)被吸收或者被反射； 物體在輻射過程中會(huì)消耗能量：消耗本身內(nèi)能或者需要外界供給能量； 傳播輻射能的電磁波具有不同的波長。,熱輻射（溫度輻射），物體減少本身的內(nèi)能或者是物體吸收外界傳來的熱量而產(chǎn)生的輻射。,太陽輻射的波長范圍主要在0.15-4微米 ——太陽短波輻射 地

31、面和大氣的輻射波長范圍在3-120微米 ——地面長波輻射、大氣長波輻射,Sun’s energy 0.3–5 µm； Earth’s energy 3–50 µm,This accounts for about half of the sun’s output. About 10% is UV, and 40% is infrared.,Earth’s output focus on thermal inf

32、rared.,輻射通量、輻射通量密度、輻射強(qiáng)度和輻射亮度物理意義,輻射通量：單位時(shí)間燈泡的總輻射能量（W）輻射通量密度：單位時(shí)間單位面積的輻射能量（ Wm-2）輻射強(qiáng)度：單位時(shí)間單位立體角的輻射能量（ Wsr-1）輻射亮度(L)：選定方向上，單位立體角中單位面積的輻射通量,（2）輻射光譜,輻射能，以電磁波的形式傳播的。對(duì)于一個(gè)輻射體，它所發(fā)射的輻射能可以包含各種各樣的波長。,為了準(zhǔn)確地描述輻射能的性質(zhì)，需要引入一個(gè)能確定輻射能按照

33、波長分布的函數(shù)——輻射光譜,設(shè)一物體的輻射通量密度為F，在波長λ至λ+dλ的輻射能力為dF，則：,Fλ是單位波長間隔內(nèi)的輻射出射度，它隨波長而變，稱為分光輻射出射度，或稱為單色輻射通量密度，又稱為輻射能隨波長的分布函數(shù)。不同的輻射體有不同的分布函數(shù)。輻射體全波長的輻射能可由積分得到：,（3）物體對(duì)輻射的吸收、反射和透射,70,光輻射大家是熟悉的。當(dāng)一束光投在一物體上后，一部分被吸收，一部分被反射，還有一部分穿過物體。熱輻射也有同樣的性質(zhì)

34、。 投射輻射為Q, 如圖，其中：,吸收：Qα 反射：Qρ 穿透：Qτ,輻射能守恒：,或：,Q,,吸收比(率)：,反射比(率)：,穿透比(率)：,（3）輻射的基本定律,Kirchhoff's Laws Planck Radiation Law（黑體輻射） The Wien and Stefan-Boltzmann Laws （黑體輻射）,任何0K以上溫度的物體都會(huì)發(fā)射各種波長的電磁波，這種由于物體中的分子、原子受到熱激

35、發(fā)而發(fā)射電磁波的現(xiàn)象稱為熱輻射。熱輻射具有連續(xù)的輻射譜，波長自遠(yuǎn)紅外區(qū)到紫外區(qū)，并且輻射能按波長的分布主要決定于物體的溫度。下面介紹熱輻射的一些基本定律。,Kirchhoff's Laws,基爾霍夫定律，研究熱輻射的基礎(chǔ)，它說明了一定溫度下物體輻射能力與吸收率之間的關(guān)系； 基爾霍夫定律表明，在輻射平衡條件下，任一物體的單色輻射能力與物體對(duì)該波長的吸收率之比值，是一個(gè)溫度與波長的普適函數(shù)，而與物體的性質(zhì)無關(guān)：,,,如果該物體對(duì)某

36、一波長為黑體，吸收率等于1，這樣普適函數(shù)就和黑體的輻射能力相等。因此，基爾霍夫定律也可以表達(dá)為：任何物體的輻射能力與其吸收率之比等于相同溫度下的黑體輻射能力。 基爾霍夫定律的意義：把物體的吸收率、放射率和黑體輻射聯(lián)系在一起。,Planck Radiation Law,The primary law governing blackbody radiation is the Planck Radiation Law, which gov

37、erns the intensity of radiation emitted by unit surface area into a fixed direction (solid angle) from the blackbody as a function of wavelength for a fixed temperature.,對(duì)應(yīng)任一溫度，單色輻射出射度隨波長連續(xù)變化，且只有一個(gè)峰值，對(duì)應(yīng)不同溫度的曲線不相交。因而溫度能唯一

38、確定單色輻射出射度的光譜分布和輻射出射度（即曲線下的面積）單色輻射出射度隨溫度的升高而增大單色輻射出射度的峰值隨溫度的升高向短波方向移動(dòng),The Wien and Stefan-Boltzmann Laws,The Wien Displacement Law, and the Stefan-Boltzmann Law are illustrated in the following equations.,對(duì)普朗克公式積分可得,對(duì)普朗

39、克函數(shù)求波長曲線極值可得,§2 太陽輻射,（1）太陽光譜和太陽常數(shù)（2）大氣上界的太陽輻射（3）太陽輻射在大氣中的衰減（4）到達(dá)地面的太陽輻射,（1）太陽光譜和太陽常數(shù),太陽輻射能量隨波長的分布稱為太陽輻射光譜 根據(jù)Stefan-Boltzmann定律推算太陽表面溫度約為6000K。 根據(jù)Wien位移定律可以計(jì)算出太陽輻射能力峰值所對(duì)應(yīng)的波長為0.475微米（相當(dāng)于青光部分） 太陽的全部輻射能中，波長在0.15-

40、4.00微米之間的占99%以上。紫外光區(qū)（0.76微米）占43%。因此，太陽輻射被稱為短波輻射。,太陽光譜,,太陽輻射光譜,(2) 大氣上界的太陽輻射,太陽輻射在大氣上界的時(shí)空變化是由太陽和地球間的天文位置決定的，又稱為天文輻射。除太陽本身的變化外，太陽在大氣上界輻射量主要取決于日地距離、太陽高度和白晝長度3個(gè)因子。,日地距離因子的影響,假定太陽輻射能恒定不變，我們有,r0——日地平均距離S0——太陽常數(shù)r——太陽到大氣層上界的實(shí)際

41、距離S——到達(dá)大氣層上界的太陽輻射,大氣上界與陽光垂直的表面上太陽輻射強(qiáng)度與日地距離平方成反比。,（3）太陽輻射在大氣中的衰減,可以看出，到達(dá)地表的太陽輻射同大氣上界的太陽輻射具有很大的差別。這是因?yàn)樘栞椛渫ㄟ^大氣時(shí)，大氣對(duì)輻射有吸收、散射、反射等作用，太陽光譜中不同的波長將受到不同程度的削弱，使投射到大氣上界的太陽輻射不能完全到達(dá)地面。,太陽輻射在大氣中的散射,,,,光通過密度或折射率分布不均的介質(zhì)時(shí)，除光的傳播方向外，在其它方向

42、也可見到光，這種現(xiàn)象稱為散射，在傳播方向以外的光稱為散射光。 瑞利散射（分子散射），太陽輻射遇到直徑比其波長小的空氣分子發(fā)生的散射。瑞利散射是有選擇性的，波長越短散射越強(qiáng)。太陽輻射通過大氣時(shí)，由于空氣分子散射的結(jié)果，波長較短的光被散射得較多。雨后天晴，天空呈青蘭色就是因?yàn)檩椛渲星嗵m色波長較短，容易被大氣散射的緣故。,粗顆粒散射（米散射），太陽輻射遇到懸浮在空氣中的煙塵、水滴等比波長尺度大的顆粒時(shí)所發(fā)生的散射。粗顆粒散射是沒有選擇性的，

43、各個(gè)波長的輻射都同樣的被散射，因此也稱為漫散射。如空氣中存在較多的塵?；蜢F粒，一定范圍的長短波都被同樣的散射，使天空呈灰白色的。,太陽輻射在大氣中的反射 大氣中云層和較大顆粒的埃塵能將太陽輻射中的一部分能量反射到宇宙空間去。反射對(duì)各波長沒有選擇性，所以反射光呈白色。 其中反射最明顯的是云。不同的云量，不同的云狀，云的不同厚度所發(fā)生的反射是不同的。高云平均反射25％，中云平均反射50％，低云平均反射65％，很厚的云層反射可達(dá)9

44、0％。籠統(tǒng)地講，云量反射平均達(dá)50～55％。,(4) 到達(dá)地面的太陽輻射,到達(dá)地面的太陽輻射包括了直接投射到地面上的直接輻射和以散射的形式到達(dá)地面的散射輻射兩部份 直接輻射太陽以平行光線的形式，投射到地面上的那一部份輻射能，稱為直接輻射。通常以到達(dá)水平面上的太陽直接輻射的輻照度來表示直接輻射的大小。由于太陽常數(shù)變化很小，及日地距離的變化影響不大，所以太陽直接輻射的大小主要是由太陽高度角和大氣透明度所決定的。,散射輻射太陽輻射

45、在通過大氣時(shí)受到散射，其中散射向地面的那一部份能量以及云層等向地面反射的一部份太陽輻射，統(tǒng)稱為天空漫射輻射，習(xí)慣上稱為散射輻射。所以散射輻射可以說是地平面上每單位時(shí)間在單位面積上接收到的來自天空一切方向的散射輻射及反射的短波輻射量。,總輻射同時(shí)到達(dá)地面（水平面）的太陽直接輻射和散射輻射之和，稱為總輻射。顯然，總輻射量的大小決定于直接輻射和散射輻射。也就是說它與太陽高度角、大氣透明系數(shù)、云量等因子有關(guān)，但主要決定于直接輻射。,地面對(duì)太

46、陽輻射的反射直接輻射和散射輻射到達(dá)地面時(shí)，將要受到地面的反射。對(duì)于研究地面的輻射能收入來說，必須知道地面的反射輻射的能力。地面的反射輻射能力可以用反射率來表示。對(duì)于不同性質(zhì)的下墊面，其反射率的大小是不一樣的。,§3 地面和大氣輻射,（1）地面和大氣的長波輻射（2）大氣對(duì)長波輻射的吸收（3）大氣逆輻射和地面有效輻射（4）射出長波輻射,（1）地面和大氣的長波輻射,地面輻射，由地面發(fā)射的指向大氣的電磁波輻射。它大部分被大

47、氣吸收，只有小部分直達(dá)宇宙空間。大氣輻射，大氣發(fā)射的長波輻射，它一部分向下到達(dá)地面，一部分被周圍大氣吸收，只有小部分到達(dá)宇宙空間。,式中，δ和δ′分別地面和大氣的相對(duì)輻射率，又稱為比輻射率。因?yàn)榈厍虮砻婧痛髿獠皇菄?yán)格的黑體，因此要乘上δ和δ′這兩個(gè)系數(shù)。,Stefan-Boltzmann Law,不同性質(zhì)下墊面的相對(duì)輻射率,地面的平均溫度約為300K，對(duì)流層大氣的平均溫度約為250K，在這樣的溫度下，它們的熱輻射， 95％以上的能量集

48、中在3～120μm的波長范圍內(nèi)。都是屬于肉眼不能直接看見的紅外輻射。其輻射能最大所對(duì)應(yīng)的波長在10～15 μm范圍內(nèi)。地面和大氣的輻射稱為長波輻射。,（2）地面和大氣長波輻射的特點(diǎn),大氣對(duì)長波輻射的吸收,大氣對(duì)長波輻射的吸收非常強(qiáng)烈，吸收作用不僅與吸收物質(zhì)的分布有關(guān)，而且還與大氣的溫度、壓強(qiáng)等有關(guān)。大氣中對(duì)長波輻射的吸收起重要作用的成分有水汽、液態(tài)水、二氧化碳和臭氧等。它們對(duì)長波輻射的吸收同樣具有選擇性； 水汽對(duì)長波輻射的吸收最為顯

49、著，除8～12微米波段的輻射外，其它波段都能吸收，并以6微米附近和24微米以上波段的吸收最強(qiáng)。液態(tài)水對(duì)長波輻射的吸收性質(zhì)與水汽相仿，只是作用更強(qiáng)一些，厚度大的云層，同黑體相仿，所以可把云體表面當(dāng)作黑體表面；,（3）大氣逆輻射和地面有效輻射,大氣逆輻射和大氣保溫效應(yīng),大氣逆輻射，大氣輻射指向地面部分。大氣一方面吸收大部分的地面長波輻射；另一方面又以逆輻射的形式使部分能量返回地面，從而減少了地球輻射能損耗。椐估計(jì)，如果沒有大氣，地球表面的

50、平均溫度為255K，而實(shí)際地表平均溫度為288K。大氣的這種效應(yīng)稱為大氣的保溫效應(yīng)。,地面的有效輻射地面有效輻射，地面發(fā)射的輻射與與地面吸收的大氣逆輻射之差。,（4）射出長波輻射,射出長波輻射射出長波輻射，地面直接射向宇宙空間的長波輻射與大氣和云層向外發(fā)射的長波輻射的和； 射出長波輻射，亦稱為外逸長波輻射，英文為Outgoing Longwave Radiation（簡稱OLR），是地氣系統(tǒng)進(jìn)入宇宙空間的熱輻射。 因?yàn)镺LR與（

51、地球表面或者云頂?shù)模囟扔嘘P(guān)，所以O(shè)LR在大氣科學(xué)研究中有著其特殊的用途。,§4 地面、大氣及地氣系統(tǒng)的輻射平衡,輻射差額（或凈輻射），物體輻射能與支出輻射能的差值。 如果沒有其它的熱交換方式，輻射差額決定物體溫度的升降。,（1）地面輻射差額,地面獲得的能量： 太陽直接輻射、太陽散射輻射、大氣逆輻射地面失去的能量： 地面發(fā)射的長波輻射、地面對(duì)太陽輻射的反射,因此，,（2）大氣輻射差額,大氣獲得的能量 太陽短波輻射

52、的吸收、地面有效長波輻射 大氣失去的能量 大氣上界的有效長波輻射,一般而言，整層大氣的輻射差額為負(fù)值，大氣的熱量平衡要依靠其它的熱傳輸渠道來維持，如：潛熱輸送等。,因此，大氣輻射差額為,（3）地-氣系統(tǒng)的輻射差額,如果把地面和大氣看做一個(gè)整體，其輻射能的凈收入為地面輻射差額與大氣輻射差額的總和：,（4）全球熱量平衡,本節(jié)給出太陽短波輻射進(jìn)入地氣系統(tǒng)后，能量傳輸和能量平衡的總體圖象,以下給出的是ERBE的觀測分析結(jié)果，關(guān)于ERBE請參

53、看：http://badc.nerc.ac.u/data/erbe/,Earth Radiation Budget Experiment (ERBE)November 1984 - February 1990,,太陽短波輻射100,,,地表吸收51,,,大氣吸收16,,,云吸收3,,,大氣反射6,,,云反射20,,,地表反射4,,,總吸收70,,,總反射30,Global Radiation BudgetShor

54、twave CascadeIncoming solar radiation100% (1365 W/m2),Global Radiation BudgetLongwave Cascade70%,,地表吸收51,,大氣吸收16,,云吸收3,,,直接發(fā)射到空間6,,,傳導(dǎo)和對(duì)流到大氣7,,,潛熱攜帶到云和大氣23,,,輻射到大氣15,,通過大氣和云發(fā)射到空間64,,,,,,70%,預(yù)祝 同學(xué)們