第3章 气候系统的能量平衡

I
0
I0 D2
(JM-2S-1)
太阳高度角是指太阳光的入射方向和地平面之间的夹角 天顶角即入射光线与当地天顶方向（地面法线）的夹角（与太阳高度角互余）
太阳高度角为90°时，地面接收的太阳辐射？
纬度 – 太阳高度角
太阳高度角
高度角越大,能量越集中 高度角越小,能量越分散
第
一
节
北极圈
北回归线 赤道 南回归线
斯蒂芬—波尔兹曼(Stefan-Boltzmann)定律
斯蒂芬—波尔兹曼(Stefan-Boltzmann)定律 定律 黑体的总放射能力（ET）与它本身绝对温度（T）的四
次方成正比。即：
ET ＝σT 4
式中σ＝5.67×10-8W.m-2.K-4为斯蒂芬—波尔兹曼常数。 意义 物体温度愈高，其放射能力愈强。
不同温度下黑体辐射强度与温度的关系
➢地球上的经线和纬线
• 纬线：垂直于地轴的平面同地球相割而成的圆 • 经线：南北线（子午线）
： • 本初子午线 通过英国Greenwich(格林尼治)天文台的0°经线（1884年确定）。
纬线和经线 纬线平面垂直于地轴,经线平面都通过地轴
➢经度和纬度
纬度：
一地相对于赤道平面的南北方向和角度
已知:Z 、 A,求 δ、 t
sinδ = sinφcosz – cosφsinzcosA
cosδ sin t = sinzsinA
cosδ cos t = cos zcosφ+sinzsinφcosA
已知: δ t,求 Z A cosz = sinφ sinδ + cosφcosδcos t sin z sinA = cosδsin t sin z cosA = -sinδcosφ+cosδsinφcost
维恩(Wien)位移定律
从图中还可看出，黑色单体辐射极大值所对应的 波长是随温度升高而逐渐向波长较短的方向移动
维恩(Wien)位移定律 定律 绝对黑体的放射能力最大值对应的波长(λm) 与其本身的绝
对温度(T)成反比。即： λm＝C/T 或 λm T=C
如果波长以nm为单位，则常数C＝2,897×103nm· K,于是
纬度是一种线面角，即本地法线与赤道平面的交角；
纬度在本地经线上度量，南北纬各分90度。共180度 （-90°，90 ° ）
： 经度
本地子午面的东西方向和角距离
经度是两面角，本初子午面为起始面， 本地子午面为终面；
经度通常在赤道上度量，东西经各分180度。 共360度 （-180 °,180 ° ），或者（0,360 ° ）
e ,T a ,T
E ,T
Eλ,T只是波长和温度的函数。
推论 对不同性质的物体，放射能力较强的物体，吸收能力 也较强；反之，放射能力弱者，吸收能力也弱，黑体 的吸收能力最强，所以它也是放射能力最强的物体。
对同一物体，如果在温度T时它放射某一波长的辐射， 那么，在同一温度下它也吸收这一波长的辐射。
I0 1367 7WM 2
日地平均距离： r0=1.496×108km 近日点日地距离：1.471×108km 远日点日地距离：1.521×108km
大气上界、任意日地距离时、垂直于太阳光线方向、单位时间、单位面积接 收到的所有波长的太阳辐射能。
r D
r0
日地平均距离： r0=1.496×108km
Hale Waihona Puke Baidu
经线的间隔随纬度增大而减小
East China Normal University
第
一 太阳辐射
节 地球围绕太阳的公转导致了地球出现了， 季节变化、日辐射总量的变化（日出、 日落时间的变化） 太阳常数
1)太阳光谱
2)日地距离
3)太阳辐射强度
太阳光谱
太阳表面温度约6000oC, 其发出的能量基本为短波辐射
Ａ１
ABCD面: 平行于地球水平面
Ｄ
Ａ
Ｂ
任意时刻,大气上界,单位时间、单位面积接收到的太阳辐射能为：
Ｄ１ Ｃ１
Ｂ１ Ｃ
I
I0
sinh
I0 D2
sinh
(J/M2s)
地平坐标系
基本圈：真地平
基本要素：地平纬圈 地平经圈
坐标：
地平纬度 h（地平高度） 地平经度Ａ（方位角）
零地平 经圈
真地平
时角坐标系
上式为： λmT＝2897×103nm·K
本定律由德国物理学家威廉·维恩（Wilhelm Wien）于 1893年通过对实验数据的经验总结提出
意义 物体的温度愈高， 放射能量最大值 的波长愈短，随 着物体温度不断 增高，最大辐射 波长由长向短位 移。 太阳辐射是短波 辐射，人、地 面和大气辐射 是长波辐射。
南极圈
北寒带 北温带
6633N
2327N
热带
南温带 南寒带
0
2327S
6633S
地球的五带
General Circulation
Fig 9.2 Three-Cell Model
Seasons
Fig 3.3 Reason for seasons
第 一
•太阳高度角: 太阳光线与地球水平面的夹角
节
A1B1C1D1面: 垂直于太阳光线
第三章 气候系统的能量平衡
3.1 太阳辐射 3.2 大气中的辐射传输过程 3.3 气候系统的辐射平衡 3.4 地—气系统的热量平衡 3.5 全球热量平衡
辐射的基本定律
基尔荷夫(kirchoff)定律(选择吸收定律)
定律
在一定温度下，任何物体对于某一波长的放射能力(eλ,T) 与物体对该波长的吸收率(aλ,T)的比值，只是温度和波长的 函数，而与物体的其它性质无关。即:
经度和纬度 纬度是线面角，即本地法线与赤道平面的交角； 经度是两面角，即本地子午面与本初子午面的交角。
地理坐标 一地的经度和纬度相结合，叫做该地的地理坐标 （x，y） （经度，纬度）
纬向（在同一纬度上） 例如“纬向速度”或者 “纬向风” u 经向（在同一经度上） 例如“经向速度”或者 “经向风” v
基本圈：天赤道
基本要素：赤纬圈、 赤经圈（时圈）
坐标：
Q’
赤经度（时角）t
赤纬
XT= QT = t
Seasons
Fig 3.6 Sun paths
不同坐标之间的转换
Ｚ的赤纬
Ｐ的地平 高度
z= 90 h 90
hp z sinh sin sin cos cos cost
O
T’
T
黄道面就是地球的公转轨道所在平面
黄道（ecliptic）地球绕太阳公转的轨道平面与天球相交的大圆 12星座即黄道12宫，是占星学描述太阳在天球上经过黄道的12个区域
第 一 节
太阳常数: 大气上界、日地平均距离处、垂直于太阳光线方向、单位时间、单位 面积接收到的所有波长的太阳辐射能。 数值及单位：