云量

2、斯蒂芬—玻耳兹曼定律
• 由实验得知，物体的放射能力是随温度和波长而改 变的。 • 随着温度的升高，黑体对各波长的放射能力都相应 地增强，因而物体放射的总能量也会显著增大。
• 黑体的总放射能力与它本身的绝对温度 的四次方成正比：
• ETb=σT4 ， σ为斯—玻常数。 • 可计算出黑体在T时的辐射强度，也可 由黑体的辐射强度求得其表面温度。
• 它表明： • 某温度、某波长的一个物体的辐射强度 与其吸收率之比值等于同温度、同波长 时的黑体辐射强度。
• 在同温度条件下，这条规律适用各种波 长的辐射体，因此基尔荷夫定律又可写 成： • I T / K T = ITb • 上面讨论表明： • 在辐射平衡条件下，一物体在某波长的 辐射强度和对该波长的吸收率之比值与 物体的性质无关，这一比值只是某波长 λ和温度T的函数。
3、维恩位移定律
• 黑体最大放射能力所对应的波长与其绝对温度成 反比 • λmT=C ， C—常数 • 表明：物体的温度愈高，其辐射能力极大值所对 应的波长愈短；物体的温度愈低，其辐射能力极 大值所对应的波长愈长。 • 当T=6000K时， λm=0.475微米，相当于青光部分。
• 有此三个基本定律，绝对黑体的辐 射规律就容易确定。 • 对非黑体，只要知道它们的温度和 吸收率，利用基尔荷夫定律，它们 的辐射能力也可以确定。
二、太阳辐射
• 太阳是一个炽热的气态球体，其表面温度 为6000K左右，而内部的温度估计高达107K， • 它不断以电磁波形式向四周发射光和热， 总称为太阳辐射。
（一）太阳辐射光谱和太阳常数
• 太阳辐射中辐射能按波长的分布，称太阳 辐射光谱。
• 可把太阳辐射看作为黑体辐射，斯—玻定律 和维恩定律都可应用于太阳辐射。 • 太阳辐射最强的波长为0.475μm，相当于青 光。 • 为什么太阳不是以青色为主，而看起来偏黄？ • 太阳辐射光谱曲线不对称，并不是以 0.475μm为中峰线，其余均衡分布在两侧； 而是大部分次强波长在波长偏长的黄、红一 侧，所以看起来偏黄。
下面求出“常量”： 讨论一摩尔的气体 (含有6.02×1023个该气体分子）（1mol的 任何气体在标准状态下体积是一样的）。 标准状态下： Po=1013.25hpa，To=273K，Vo=22.4升/摩尔=22.4L/mol PV = PoVo =R＊ To T
5Pa×2.24×10-4m3/mol 1.01325 × 10 R＊ = 273K
• 如： • 干洁空气，对红外线近似透明，d≈1 • 水汽，对红外线强烈吸收， a大
• 雪面，对太阳辐射反射率大， r大；对 地面、大气辐射全部吸收， a=1
• 某种物体，如能把投射来的所有波长的 辐射全部吸收， a =1， r =0， d =0，这 种物体称为黑体。该物体被任何波长的 光照射时均呈黑色。 • 黑体是理想的辐射体，实际上自然界并 不存在真正的黑体，但是为了研究方便， 在一定条件下（例如在一定的波长范围 内），可以把某些物体近似地看成黑体。
一、辐射的基本知识
• （一）辐射与辐射能 • 在物体中，带电粒子在原子或分子内部的振动 可以产生电磁波。由于带电粒子作热运动时具 有加速度，而且有不同的频率，因而发出各种 不同波长的电磁波。 • 自然界中的一切物体都以电磁波的方式向四周 放射能量。 • 辐射就是以各种各样电磁波的形式放射或输送 能量。 • 由辐射传播的能量称为辐射能，也简称辐射。
小结
• 气候系统包括大气圈、水圈、陆地表面、冰雪 圈和生物圈五个子系统。 • 主要讲述大气成分、大气结构和大气的物理性 状。 • 空气是各种气体的混合物，大气成分及其比例 在90km以下基本上是不变的；水汽是大气中唯 一可以发生相变的成分，是天气变化的主角， 它随高度的升高而很快减少，大都集中在2— 3km以下的气层中；水汽、臭氧、CO2和各种 杂质，影响大气温度的分布和变化。
0.15~4 μm 短波辐射 3~120 μm 长波辐射
两个概念（一般性了解）：
• 辐射通量密度（E） • 辐射强度（I） • 单位时间内通过单 • 点辐射源在单位立 位面积的辐射能量 体角内所放射的辐 射通量 • 通过垂直于选定方 • 入射辐射通量密度 向上的单位面积的 • 放射辐射通量密度： 辐射能 辐射能力/放射能 力
Rw=R*/ μw=8.31/18=0.4615 J/gK μd R* =1.608 R R* = d Rw= μw μw μd e + P-e = P (1-0.378 e ) ρ’= 1.608RdT RdT RdT P P ρ= R T(1+0.378e/P) d P= ρRdT(1+0.378e/P) Rw与Rd的换算关系：
基尔荷夫定律
• 表明了物体放射能力和吸收率之间的关系。 • 把一般物体的辐射、吸收与黑体辐射联系起 来，从而有可能通过对黑体辐射的研究来了 解一般物体的辐射，极大地简化了一般辐射 的问题。 • 适用于处于辐射平衡的任何物体。 • 对流层和平流层大气以及地球表面都可认为 是处于辐射平衡的，因而可直接应用这一定 律。
• 大量实验证明，常温常压下，一定质量气体 的P乘以V，再除以T，其商不变： • P1V1/T1=P2V2/T2=· · · =PnVn/Tn，即 • PV/T=常量 • 凡严格符合这个方程的气体，称理想气体。 • 实际上并不存在。在常温常压下，干（洁） 空气和未饱和的湿空气都十分接近理想气体， 可把它们当作理想气体处理。
• 为了让湿空气状态方程的形式与理想 气体状态方程一致，引进一个假想的 温度—虚温（Tv） • Tv=T(1+0.378e/P) • P= ρRdTv
• 干、湿空气状态方程中都是Rd，可简 记作R P= ρRT P= ρRTv
状态方程在气象上的重要作用
• 气象领域内有大量问题必须要用状态方程 来描述、计算，在气象上再没有哪一种关 系式比它更基本和重要了。 • 大气密度（ρ）是一个在气象上非常重要的 状态参量，但无法直接测量，它只能通过 状态方程用容易观测的气压（P）和气温 （T）计算出来。
• 根据大气的物理性质和垂直运动，可在 垂直方向上把大气分为五层，其中对流 层集中了绝大部分空气质量和水汽，是 天气变化最复杂的层次。 • 气象要素表征了大气的宏观物理状态， 包括气温、气压、湿度等。 • 空气状态方程表明了定量气体的压力、 体积、温度之间的关系。
第二章 大气的热能和温度
本章：重点、难点
• 大气的热能和温度是天气变化的一 个基本因素，也是气候系统状态及 演变的主要控制因子。 • 观测表明，大气的冷暖变化，在空 间上分布很不均衡，在时间上有周 期性和非周期性变化。这些变化是 如何发生的？能量来自哪里？ • 地球上能量的基本来源是太阳辐射。
能量的传输方式：三种
• 1、传导：指热或电从物体的一部 分传到另一部分，靠物质的分子运 动传递 • 2、对流：是物体本身实质上的转 移 • 3、辐射：电磁能通过媒质或真空 传递的唯一转移形式
在气象学中，常用单位体积的空气块作为研究对象
M PV= · R*T μ
M R* T P= V μ R* R= μ R—比气体常数 ρ= M V
P= ρRT
可见：T一定时，P与ρ成正比； ρ一定时，P与T成正比。 分子运动论：气压大小决定于器壁单位面积上单位时间内受到 的碰撞次数及每次碰撞的平均动能大小。 ρ大，分子数量多，碰撞次数多，P大； T高，分子平均动能大，P大。 这种形式在气象上应用最广。
（三）有关辐射的基本定律 1，基尔荷夫定律：1859年，基尔荷夫通过实验得出的定律，它 说明物体的放射能力与吸收率之间的关系。 设有一个空腔(真空恒温器)，内壁为黑体，内 部为真空，与外界无物质与能量交换，温度为T 在其中用绝热线悬挂一个非黑体物体，温度亦为T T 设内壁放出的黑体辐射为 IλTb 非黑体的辐射强度为 IλT，吸收率为 K λT (<1) 内壁与非黑体之间将达到辐射平衡，或：内壁支出与收入相等 IλTb = IλT + (1- K λT ) IλTb K λT = I λT / IλTb 放射率：某物体的辐射强度与黑体 在该温度下辐射强度之比 e λT = I λT / IλTb
• 反映空气状态的方程，进一步而言，是反映空气在 发生变化时各要素之间相互关系的方程。 • 空气状态常用ρ、V、P、T来表示， ρ =M/V，对于一定质量的空气而言（M一定）， 它的V、P、T有密切关系，概括这些量的关系，就 可以得到空气状态变化的基本规律—状态方程。 基本公式，推导
1、理想气体的状态方程
2、干空气状态方程
• P= ρdRdT • Rd=R*/μ =8.31/28.97 =0.287 J/g·K
3、湿空气状态方程
含有水汽的空气称为湿空气。
P= ρ’R’T， P—湿空气的总压强， ρ’—湿空气密度 R’=R*/μ’ ， μ’—湿空气的分子量，因湿空气中水汽含量是变化 的，所以μ’是变量，R’也是变量，上式不能直接用。 因为P= ρRT，所以ρ=P/RT e + P-e ρ’= ρw+ ρd= Rw为水汽的比气体常数 RwT RdT
（七）能见度
• 单位：m、km • 能见度是了解大气稳定度和垂直结构的根 据之一，能见度不好的区域一般标志大气 比较稳定或空中有逆温层；反之，是不稳 定的。从而可以鉴别气团、分析天气。 • 由于现代交通运输事业的发展，能见度已 成为保证运输安全，特别是保证空中运输 安全的一个极为重要的因素了。
二、空气状态方程
=8.31441Pa m3/mol·K≈8.31J/mol· K
这个值对1mol任何气体都适用，叫普适气体常数。
对于质量为M克的理想气体
• 设1mol气体的质量为µ （分子量）、体积为 V1，标准状态下，M克气体的体积为： • V=M/ µ · V1=M/ µ · R*T/P 或 • PV=M/ µ · R*T • 这是通用的质量为M克的理想气体的状态方 程，又叫门捷列夫—克拉珀珑方程。 • 它表明气体在任何状态下P、V、T、M四个 量之间的关系。
• 传导和对流交换需要一定的分子作 媒介，在真空里热量就无法传递。 • 太阳与地球的距离十分遥远，在这 漫长的距离中，绝大部分空间是真 空地带， • 太阳能依传导和对流的形式传递是 不可能的，唯一传递能量的形式就 是辐射。
第一节 太阳辐射
• 一年中整个地球可由太阳获得 5.44×1024J的辐射能量
所以： K λT = e λT
这是基尔荷夫定律的一种表达式
K λT = e λT
它表明： 1、辐射能力强的物质，吸收能力也强；辐射 能力弱的物质，吸收能力也弱。 2、同一物体在温度为T时放射某一波长的辐 射，那么在同一温度下也吸收这一波长的辐射。
• 上式还可写成：I λT / K λT = IλTb • 这是基尔荷夫定律的另一种表达形式
• E 与 I 关系密切
（二）物体对辐射的吸收、反射和透射
入射辐射 Qo Qa 吸收 透射 Q 能量守恒：Qa+Qr+Qd=Qo Qa / Qo +Qr / Qo +Qd / Qo =1
d
反射 Qr
a
收率 反射率 透射率 分别表示物体对辐射吸收、反射和透射的能力
• 物体的a、r、d具有随辐射波长和物 体性质而改变的特性，这种特性称 为物体对辐射吸收、反射和透射的 选择性。
（六）云量
• 云是悬浮在大气中的小水滴、冰晶微粒或 二者混合物的可见聚合群体。底部不与地 面接触。
• 云的观测包括云量、云状、云高等 • 云量指云遮蔽天空视野的成数。将地平以上全部 天空划分为10份，为云所遮蔽的份数即为云量。 • 如：天空无云，或云量不到1/20，云量为0 天空一半为云所覆盖，云量为5 云布满天空，云量为10 天空被云所遮，但在云层中有少量空隙， 而空隙总量不到天空的1/20，则云量 记为 10 欧美有的国家将天空划为8份
电磁波的波长范围很广：10-10μm
km
P22:图2．1
宇宙射线 γ射线 x射线 紫外线 可见光 红外线 无线电波 0.4 0.76 波长
紫蓝青绿黄橙红
除了可见光外，肉眼都不能看见，但用仪器可以测量出来。
气象学着重研究的是：太阳、地球、大气的热辐射 0.15~120 μm
其中：太阳辐射 地面和大气辐射