第三章 大气的热力状况

普朗克定律
绝对黑体单色波辐射出射率与黑体温度和波长 的关系有关。为：
c1 E 5 [exp(c2 / T ) 1]
绝对黑体：能够全部吸收投射到物体上的各种波长 的电磁波的物体。
黑体放射能力与波长、温度的关系

维恩位移定律
黑体单色辐射强度所对应的波长与其绝对温 度成反比。 c m
dT RT dp dz C p P dz
假设气块满足准静力条件，即气块的气压与四周 大气的气压相等，根据静力学基本方程：
dP g dz
再运用状态方程，得到
dT RTi g Ti rd g dZ CpRT Cp T
并注意到T/T1≈1
g 9.8m / s 2 rd 0.98K / 100m 2 2 C p 1005 m (s k )
形 式 吸 收
反 射
散 射
共 特点 举例说明 性 削 水汽、二氧化碳主要 ⑴有选择性 弱 吸收红外线 ⑵吸收的能量少 射 臭氧主要吸收紫外线 向 ⑴无选择性 地 夏季，白天多云， ⑵多云和多固体 面 气温不会太高 颗粒时反射多 的 太 晴朗的天空呈现蔚 ⑴有选择性 阳 蓝色 ⑵波长较短的蓝、 辐 十字路口的指示灯 紫光易散射 射 不用蓝色
I I0 p
(2)大气质量和透明系数
m
（二）、大气的保温效应
1、大气的保温作用——大气逆辐射
太阳 辐射 被大气吸收 （少） 选择性吸收 （放过短波， 吸收长波）
射向宇宙空间 射向宇宙空间 大气上界
太 阳 辐 射 （ 短 ）
大气增温
被大气中 的 CO2、H2O 吸收 地面辐射 （长）
大气辐射 （长） 大 气 逆 辐 射
（四）大气层结稳定度
1、稳定度：指气块在瞬时外力的作用下，返回 或远离平衡位置的趋势和程度。 是判别大气是否发生对流的重要依据，与气 温的垂直分布联系紧密。
势。 稳定 : 受力移动后， 减速， 自动返回原来位置的趋 三种情况不稳定 : 受力移动后， 加速， 远离原来位置的趋势 。 中性 : 当空气被推到某一高度 ， 既不加速也不减速 。
空气的冷暖程度是空气内能大小的表现。空气内能变
化既可由空气与外界进行能量交换引起，也可由外界压力
的变化对空气做功，使空气膨胀或压缩引起。 在气象上，将任一气块与外界之间无热量交换时的状 态变化过程，称为绝热过程。在大气中，作垂直运动的气 块，其状态变化通常接近于绝热过程。
1、绝热过程中气块温度的变化
（3）
dQ CV dT PdV
（4）
对理想气体状态方程PV=RT进行微分，则有：
PdV VdP RdT
（5）
将（5）式代入（4）式，并用Cp=Cv+R= 1.005 J/（g· K），表示定压比热，则有：
dP dQ C p dT RT P
dP C p dT RT P
（6）
3、辐射平衡的日变化与季节变化
某地晴天辐射差额的日变化
辐射差额的季节变化
四、大气的增温和冷却
（一）海陆的增温和冷却的差异
太阳辐射吸收率、能量传导的差异、蒸发、 比热等的差异。 大气受热快，冷却也快，湿度升降变化大； 海洋上温度变化慢。
（二）气温的非绝热变化
传导 辐射 对流 湍流 蒸发和凝结
（三）、绝热过程
地面放射的辐射能与地面吸收的大气逆辐射之差， 即为地面有效辐射：
F0 E地 E大气逆
辐射差额：物体收入辐射能与支出辐射能的差值， 称为辐射差额或净辐射，即辐射差额=收入辐射-支出辐 射。
2、辐射平衡的全球性规律
以南、北纬30o为转折点，在北半球30N以南 的辐射差额为正值，以北为负值。
太阳辐射与太阳常数的关系：
I I 0 sinh
二、大气的热力作用
3
能 量 通 量( 4. 18 J/ cm mi n )
6 00 0K 黑 体 大气上界太阳辐射
-2
-1
2
地球表面太阳辐射 可
1
紫
见
光
外 0 0 .4
红 外
0 .8
0 .1 2
2 .0 0 .1 6 波长/μ m
2 .4
2 .8
（3）根据位温的垂直分布判别稳定度
位温：干空气块在绝热过程中，其温度不断发生变
化。这就给处在不同高度上的两气块进行热状况的比较 时造成一定的困难。把各层中的气块均订正在1000 hPa， 此时气块所具有的温度称为位温（θ）。根据Poisson方 程可得到位温的表达式：
R Cp
1000 T P
2、判别稳定度的公式
（1）根据温度判断大气稳定度 当气体绝热上升时， 对于单位体积的气块受到两 个力的作用，这两个力的作用结果就产生了层结内力。
f g 1 g
单位质量气块受的力就是重力加速度
g 1 g a 1
根据状态方程ρ =P/RT和准静力条件Pi=P， 得到判别稳定度的基本公式：
1000 T P
0.286
对上式取对数，再对高度z进行微商得
1 1 T R 1 p 1 T RT p ( ) z T z C p p z T z C p p z
由于 所以
p p g g z RT
ag
d
T
z
若z 0, 当 d , 则a 0, 稳定 若z 0, 当 d , 则a 0, 不稳定 若z 0, 当 , 则a 0, 大气中性 d
某团空气未饱和时的稳定度
稳定状态
中性状态
不稳定状态
大气稳定度的三种基本形式
T1 T a g T
则有：
若Ti T， 加速度上升， 不稳定 若Ti T， 加速度下降， 稳定 当Ti T， 气块不运动， 中性
（2）根据直减率判别稳定度
假设干空气绝热上升单位高度Δ z，其温度为：
Ti Ti 0 d z
而周围空气温度为 由上式得到
T T0 z
量，这种能量传播的方式即为辐射。
太阳短
地面和大气 的 长波辐射
γ 射线 10
-6
10
-5
10
-4
10
-3
波 辐射 无线电波 可 紫外线 红外线 见 波长μ m -2 -3 2 -1 光 1 10 10 10 10 10 0.4 0.76
各种辐射的波长范围
（二）辐射的基本定律 基尔霍夫定律
如果物体能强烈吸收某一波长的辐射，则一定也 能强烈地发射某一波长的辐射，或者说，在一定波长 和一定温度下，一个物体的吸收率等于该物体同温度、 同波长的辐射率，即
3 .2
太阳辐射光谱
（一）、大气对太阳的削弱作用
1、削弱的形式
臭氧（平流层） 紫外线 红外线
吸收
二氧化碳、水汽 （对流层）
有选择性
削 弱 的 形 式
反射
云层
颗粒较大的尘埃 分子 空气分子 散射 微小尘埃
各种波长的太阳 辐射都被反射
无选择性 多云的白天
气温不高
波长较短的可见 有选择性 光（蓝、紫光）
（四）太阳常数（Solar Constant）：
大气顶界垂直于太阳光线的单位面积（cm2） 上每分钟接受的辐射(1.95cal/cm2· min)。
大气的上界，通常有以下两种分法：
一是着眼于大气的某些物理现象，把极光出现的高度 1200㎞作为大气上界，称为大气的物理上界；
二是根据大气的密度，用接近星际的气体的密度估计大 气的上界，为2000-3000㎞。
故
z 0, 不稳定 0, 稳定 z 0,中性 z
五、大气的温度（Temperature）

气温是大气热力状况的数量度量。空气中 气体分子运动的平均动能与绝对温度成正 比。
2、影响因素
I I 0 sinh
太阳辐射 大气上界 大气
H1
H2
①太阳高度
地平线
太阳高度与受热面大小的关系
低纬地区太阳高度大，地面获得太阳辐射多；而 且太阳高度越大，太阳辐射经过大气的路程越短， 被大气削弱得越少，到达地面的太阳辐射就越多。
大气质量:太阳光垂直投射到地面所经路程中， 单位截面积的空气柱的质量。 透明系数：指透过一个大气质量的辐射强度与 进入该大气的辐射强度之比。
T

斯蒂芬-玻尔兹曼定律 黑体的总放射能力与它本身的绝对温度的4次 方成正比。
ET T
4
（三）太阳辐射的波长范围及能量分布
辐射能力[J/(cm² · min ·μm)]
12
10
8 6
4
紫 外 区
2 0
可 见 光 区
红外区
0.2 0.4 0.81.0 2.0
波长 3.0 (μm)
太阳辐射的波长范围
饱和湿空气绝热过程中所吸收的热量为:
dQ Ldq
式中，L表示水汽的凝结潜能，为2.5×106J/kg，q 为水汽含量，应用饱和空气热力学第一定律：
dP Ldq CpdT RT P
L dq m d Cp dz
湿绝热直减率
思考：在气压一定时，高温时湿绝热直减率为何小于低温 时湿绝热直减率？
散射
粗粒 颗粒较大的尘埃 散射 雾粒、小水滴
晴朗的 天空呈 蔚蓝色 各种波长的太阳 天空呈 辐射都被散射 无选择性 灰白色
在臭氧层紫外线被臭氧吸收
在对流层红外线被CO2和H2O吸收
臭氧层O3 CO2、H2O
①吸收作用
地 面
大气的反射作用：云 （大气对太阳辐射的散射作用
绝热方程（1）
2、干绝热方程与干绝热直减率
当气块在垂直运动中，既没有与外界进行