《城市环境气象学》学习资料：八城市辐射收支平衡

合集下载

城市日照与辐射

在制订广州城市发展远景目标规划中,应深层次地研究城市气候资源的综合利用,探索适合我国热带亚热带气候特征的节能健康型城市设计模式。城市中的建筑物形状和布局既要从景观考虑,又要考虑其使用功能,利用自然环境的气候优势,提高能源和资源利用效率,改善城市环境质量。广州有大气候的季风,也有本地的海风和江风,在民用建筑设计中应充分利用海风、江风的优越性,按自然通风为主、空调为辅的原则考虑建筑朝向和布局形式至关重要。如通过采取开敞、通透的布局,组织好夏季主导风向的空间廊道引导夏季风和海陆风进入市区,以最大限度地改善室内热环境 ,防止夏季的太阳辐射,争取自然通风、采光与遮阳,以减缓城市热岛效应等就是利用气候资源的有效例证。但在城市建设实践中却存在一些误区,如不考虑特定的自然气候条件, 使用大面积玻璃幕墙,从而造成能源过度消耗以及光污染。我们只有顺应自然地理条件、以低能耗创造有利于城市环境的微气候,才能达到改善城市环境的目的,广州城市规划设计应提高亚热带地区气候环境的适应性,大力提倡“遵循自然,回归自然,利用自然”的概念。城市中各种自然生态要素的合理利用是提高城市空间环境质量的重要手段。在城市规划和设计中顺应自然地理条件,因地制宜,不仅可以形成独特的城市景观,还可达到改善环境质量的目的。气候既是环境的重要因素, 也是重要的资源,城市的现代化建设不可能脱离自然气候条件的客观影响。
•
城市日照与辐射
以我国东南沿海城市 ——广州和杭州作对比
广州、杭州个气象要素的气候倾向率
• 广州总太阳辐射与个气候要素的相关性是：低云量>日照时数>能见度>风速>总云量>温度> 降水量>相对湿度>气压 • 杭州总太阳辐射与个气候要素的相关性是：总云量>日照时数>气压>温度>降水量>低云量> 相对湿度>能见度>风速

《城市环境气象学》学习资料：城市太阳辐射的时空变化

• 长江流域和大部分华南地区 119.4—159.2W／ m2 • 四川盆地最少
16
17
18
19
城市中太阳辐射的时空变化
城市中人类活动(工业生产、交通运输等)而引起空气污染的周期性和非周期性变化，使得到达城区地表的太阳总辐射的时间变化比郊区更加复杂。
就日变化来说，城区总辐射的削弱以白天12~15时为最大；就季节变化而言，因城区云量和污染物浓度的季节变化而各不相同。
S
D
QI
QL,
QL,
Qn QI (1) QL, QL,
QI S D
城市的辐射收支
Qn QI (1) QL, QL,
QI S D
Qn 地表净辐射 QI 太阳总辐射 S 太阳直接辐射 D 太阳散射辐射
下垫面反射率
QL, 大气长波逆辐射（方向向下） QL, 地面长波逆辐射（方向向上）
QL￪。
29
城市的辐射收支
（4）大气长波逆辐射
大气向下放射的长波辐射称为大气逆辐射
(大气下行辐射)QL￬。
大气平均温度比地面低，其辐射波长范围： 7000～120000nm，最大放射能力的波长为15000nm，也属于红外长波辐射。
30
城市的辐射收支
（5）太阳辐照度在地面上接收到的太阳辐射流量。太阳辐照度是指太阳辐射经过大气层的吸收、散射、反
27
2.3 城市的辐射收支
（2）太阳总辐射
是地球表面某一观测点水平面上接收太阳的直射辐射与太阳散射辐射的总和。晴天为直射辐射为主，散射约占总辐射的15%，阴天或太阳被云遮挡时只有散射辐射。
波长：0.15～4μm。波长较短的紫外光区、波长较长的红外光区、介于二者之间的可见光区。

气象学辐射收支及热量平衡

4．基尔霍夫定律
吸收率 =
吸收能量总辐射量
反射辐射能反射率= 总辐射量
吸收率+反射率之=1
比辐射率：物体的辐射通量密度与同温度
下黑体的辐射通量密度之比

E / E
*
（2-10）
基尔霍夫证明：物体对一定波长的比辐射
率与该物体对同一波长的吸收率相等，即
a
（2-11）
表明：
物质如能强烈吸收某一波长的辐射，则一定也能强烈地发射同一波长的辐射。
第二节太阳辐射
一.太阳辐射光谱和太阳常数 1．太阳辐射光谱
—太阳辐射能随波长的分布图 P35图2-5
图中可见：（1）波长：0.15－4m．最强辐射的波长为0.475m。（2）主要能量集中区可见光0.39－0.76m ：占总能量的50%。红外部分0.76－4m ：占43%, 紫外0.15－0.39m ：占7%。
2．太阳辐射常数
近日点：14700万公里
远日点：15200万公里设：日地平均距离为r0=14960万公里太阳辐射常数I0：在大气上界，日地平均距离处，垂直于太阳光线的单位时间、单位面积上获得的太阳辐射能量。（即通量密度）。 I0 =1.37×103wm-2
二．达到地球上界的太阳辐射（天文辐射）
辐射强度
在单位时间内，垂直于任何方向的单位面积、在此方向的单位立体角内所放射出的辐射能量，定义为辐射面在此方向的辐射强度。
立体角：一个锥面所围成的空间部分。
单位：是以锥的顶点为心，半径为1的球面被锥面所截得的面积来度量的，度量单位称为“立体弧度”，或称球面度。
设：ΔＦ为Δｔ时间内ΔＳ面积在与此面积的

大气辐射和能量平衡探究地球的能量收支

大气辐射和能量平衡探究地球的能量收支地球的能量收支是指地球表面和大气层之间的能量交换过程。

这个过程决定了地球的气候和天气现象。

在地球的能量收支中，大气辐射和能量平衡起着至关重要的作用。

一、大气辐射大气辐射是指太阳辐射和地球辐射穿过大气层和大气层内的过程。

太阳辐射主要包括可见光、紫外线和红外线。

地球辐射则主要是红外线。

大气辐射过程可分为反射、散射、吸收和衰减等多个环节。

1. 反射太阳辐射进入大气层后会被云、气溶胶粒子等反射回太空，这部分辐射被称为反射辐射。

反射辐射占总太阳辐射的约30%。

2. 散射大气层中的气溶胶粒子对太阳辐射进行散射，使得辐射在大气层中的传播方向随机分布。

散射过程会使得大气层中的部分能量转移到其他方向，从而降低传递到地表的太阳辐射总量。

3. 吸收和衰减大气层中的气体和云层对太阳辐射起着吸收和衰减的作用。

其中，大气层中的臭氧层对紫外线有吸收作用，水蒸气和二氧化碳等温室气体对红外线有吸收作用。

这些吸收作用会使得一部分太阳辐射能量转化为地球辐射。

二、能量平衡能量平衡是指地球表面和大气层之间的能量交换达到动态平衡的状态。

能量平衡的主要方式是辐射和热传导。

1. 辐射地球的辐射主要包括向外的地球辐射和向地表的大气辐射。

地球辐射主要是由地表向大气层和太空传播的红外线辐射。

大气辐射包括太阳辐射在大气层中的吸收和重新辐射的红外线辐射。

2. 热传导热传导是指通过分子之间的碰撞传递热量的过程。

在地球的能量平衡中，地表和大气层之间通过热传导进行能量交换。

地表的热传导主要表现为向上传递热量，而大气层则向地表传递相应的热量。

三、地球的能量收支地球的能量收支可以通过计算各种辐射的能量通量得到。

太阳辐射通量是指太阳辐射进入地球表面的能量流量，而地球辐射通量则是指地球辐射离开地球表面的能量流量。

1. 太阳辐射通量太阳辐射通量主要受到地球和太阳之间的距离、大气层中的散射和吸收等因素的影响。

通过对太阳辐射通量的观测和计算，可以得出太阳辐射在地球表面的总量。

城市辐射知识点总结

城市辐射知识点总结随着城市化进程的加速，城市辐射作为一个重要的城市地理概念，在城市规划、环境治理、社会经济发展等领域扮演着重要的角色。

城市辐射是指城市对周边地区和全球的影响力和辐射能力。

城市辐射具有多方面的特征和影响机制，包括城市人口、经济、文化、科技等对周边地区和全球的影响。

本文将从城市辐射的概念、特征、影响机制和发展趋势等方面进行总结和分析。

一、城市辐射的概念城市辐射是指城市对周边地区和全球的影响力和辐射能力。

在城市化进程中，随着城市的发展壮大，城市对周边地区和全球的影响也日益显著。

城市辐射包括城市对周边地区的辐射，城市对全球的辐射和城市之间的辐射等方面。

城市辐射是城市地理学研究的一个重要课题，对于城市的发展和规划具有重要的指导意义。

二、城市辐射的特征1. 多元化：城市辐射具有多方面的特征，包括人口、经济、文化、科技等方面的辐射。

城市的多元化特征使得城市辐射的影响力更为广泛和深刻。

2. 空间扩散：城市辐射不仅限于城市本身，还包括城市周边地区和全球范围内的辐射。

城市的空间扩散特征使得城市辐射的影响面更加广阔。

3. 线性累积：随着城市的发展和壮大，城市辐射的影响力将会不断积累和扩展。

城市的线性累积特征表明城市辐射的影响会随着时间的推移而不断增强。

4. 跨时空性：城市辐射的影响既具有时间性，也具有空间性。

城市辐射的跨时空性特征使得城市的影响力能够跨越不同时段和地域范围。

5. 形态多样：不同的城市在辐射能力上具有不同的形态特征，包括大都市、新兴城市、中小城市等不同类型城市的辐射形态各异。

三、城市辐射的影响机制1. 人口辐射：城市的人口数量及结构对周边地区和全球的影响十分显著。

城市的人口流动、迁徙、生育和就业等行为将对周边地区和全球产生重要的影响。

2. 经济辐射：城市的经济规模、产业结构、市场需求及金融资本等对周边地区和全球经济发展具有重要的影响。

城市的经济辐射对全球化和区域发展产生深远的影响。

3. 文化辐射：城市的文化传播、创意产业、娱乐消费和生活方式等对周边地区和全球的文化发展产生重要的影响。

城市环境气象学第二章城市日照和辐射

应考虑日照时间、面积及其变化范围，以保证必需的日照或避免阳光过量射入以防室内过热。
要相应地采取建筑措施，正确选择房屋的朝向、间距和布局形式，做好窗口的遮阳处理，且综合考虑地区气候特点，房间的自然通风及节约用地等因素而防止片面性。
26
城市建筑日照设计
2.2.3 住宅建筑日照设计
日照间距：保证每套住宅至少有一间居室在冬至日能获得满窗日照不少于1h的住宅建筑之间的距离。
31
2.3 城市的辐射收支
（2）太阳总辐射
是地球表面某一观测点水平面上接收太阳的直射辐射与太阳散射辐射的总和。晴天为直射辐射为主，散射约占总辐射的15%，阴天或太阳被云遮挡时只有散射辐射。
波长：～4μm。波长较短的紫外光区、波长较长的红外光区、介于二者之间的可见光区。
能量：主要分布在可见光区和红外区，前者占50％，后者占43％，紫外区占7％。
（3）地面辐射
城市的辐射收支
地球表面在吸收太阳辐射的同时，又将其中的大部分能量以辐射的方式传送给大气。
地面向上放射的长波辐射和地面反射的部分大气逆辐射之和，称为~。
由于地表温度比太阳低得多(地表面平均温度约为300K)，
因而，地面辐射的主要能量集中在1～30μm之间，其最大辐
射的平均波长为10μm，属红外区间，与太阳短波辐射相比，
37
城市的辐射收支
2.3.1 城市太阳总辐射的特征
（3）城市太阳总辐射的时空变化比郊区复杂
城市中因人类活动(工业生产、交通运输等)而引起空气污染的周期性和非周期性变化，使到达城区地表的太阳总辐射的时间变化比郊区复杂。
城市中还因发展阶段不同，大气污染浓度前后有变化，使城市太阳辐射有明显的年际变化趋势，郊区主要受自然因素的影响，就没有这些复杂的变化。

描述地-气系统辐射收支平衡

描述地-气系统辐射收支平衡描述地-气系统辐射收支平衡把地面及大气看成一个整体,称为地气系统。

对此系统所计算出来的辐射平衡,称为地气系统辐射平衡,又称为地气系统辐射差额。

地气系统的辐射收入部分是地面和大气吸收的太阳辐射;支出部分为发射到宇宙空间去的地面和大气的长波辐射。

其表达式为R s ＝(Q+q)(1-a)+Qs-F∞式中(Q+q)为到达地面的总辐射;a为地面反射率;Qs 为大气所吸收的太阳辐射;F∞为地气系统放射到太空去的长波辐射。

如图所示，图中可分为两部分计算：计算地面获得的辐射增量：太阳总辐射为340W/m2，其中被大气吸收79 W/m2，被大气反射76 W/m2，经过这两个过程后只有185 W/m2到达地面，在地面又发生地面反射，有24 W/m2反射到太阳，所以最终地面吸收的太阳辐射总量为161 W/m2（即340-79-76-24=161）；但是由于地面本身的蒸发作用，散失了84W/m2 辐射量，地面感热散失了20 W/m2的辐射，这两部分都作为潜在的热量进入大气；而地面向大气的总辐射为398 W/m2，而在经过大气的过程中，大气中存在温室气体，对地面辐射的热量产生反射（即地面逆辐射），又有342 W/m2反射回地面，所以地面的总辐射增量为161-84-20-398+342=1 W/m2。

计算大气获得的辐射增量：大气直接吸收来自太阳的79 W/m2，又由于地面的蒸发和感热散失了84+20=104 W/m2到大气，另外，地面本身向大气发出398 W/m2d的辐射，所以大气获得辐射为79+104+398=581 W/m2；而大气发出的辐射为239+342=581 W/m2，所以大气自身的辐射净增量为581-581=0。

计算地气系统的辐射增量：系统收入太阳的340 W/m2的辐射，而系统支出的辐射有被云层反射100 W/m2和239 W/m2。

所以地气系统的辐射增量为340-100-239=1 W/m2。

《城市环境气象学》学习资料：十城市热岛

热岛消失的风速（m/s） 4~5 2~3 5 5~6
52
思考题
城市热岛的定义。通常，城市热岛效应从那两个方面来分析？城市热岛有哪些周期性变化及具体变化趋势？热岛强度非周期性变化的影响因素？对城市热岛强度影响最大的气象因素？
3.城市热岛效应的地区差异和垂直结构
（1）城市热岛强度的地区差异
• 各地热岛强度与风速关系最为密切，其次是云量。
• 城市热岛强度的大小与风速、云量、气温都呈正相关，与水汽压微弱负相关。
（2）城市热岛强度的非周期性变化
临界风速：风速大则热岛效应小，超过临界风速时则消失
云量：强热岛大多出现在无云的天气状态下
51
北京地区热岛消失的临界风速
季节
春夏秋冬
北京热岛强度冬强夏弱的变化规律，同我国北方城市一致，与南方城市不同。原因是：
①北方城市都处于季风气候区，季节转换明显。冬季受干冷气团控制，湿度小，云量少，有利于热岛的形成与发展。夏季阴雨天气多，不利于热岛的形成和发展。 ②北京冬季为采暖期，城区人为热排放比夏季多。城区吸入热量多于郊区；夏季城区人为热和大气逆辐射比冬季相对减少，城郊的热量收入相差不大，不利于热岛的发展。
3
城市热岛
定义：城市所发出的巨大热量，使得城区成为好比在冷凉郊区农村包围中的温暖岛屿。
4
热岛环流
热岛环流的含义：通常，城市的平均气温比郊区高0.5-1°c，引起空气在城市上升，在郊区下降，在城市与郊区之间形成了小型的热力环流被称为热岛环流。
解释
近地面受热膨胀，空气上升，在高空集聚，由于高空气体增多，形成高压，高压辐散，向周围流动，相反在对应的地面就形成抵低压。若近地面气温低，则气体下沉集聚形成高压而高空形成低压，气体总是从高压流向高压，这样在气温不同的地方就形成了热力环流。

城市气象学：04_2城市能量通量

Ta为百叶箱气温，直接这样写，可以吗？为什么？
共87第
26
大气逆辐射经验公式1
Angstron公式： QL Ta4[a b exp( 2.3ce)] a 0.82,b 0.25,c 0.94
Brunt公式：
QL Ta4 (a b e)
a 0.604,b 0.048
Swinbank公式： QL 9.35 10 6 Ta Ta4
Qs 储热，Q*净辐射
Qs/Q*~ 0.26-0.66
7.热传导方程及土壤热通量QG
QS Qin Qout
QS
Cs
z Ts
共87第
t
52
Idealized mean profiles of air and soil temperature near the soil/atmosphere interface in fine weather.
净日射强度计，测量向上短波、向下短波代数和直接日射强度计，短波垂直入射平面测量散射辐射长波辐射计，测量长波（向上或向下）净辐射计，测量短波、长波代数和（向上和向下） From Oke, Boundary Layer Climates
共87第
33
6、感热通量QH和潜热通量QE：
下垫面吸收净辐射用于干什么？一部分贮存于下
共87第
20
3、地面长波辐射：QL
地面向上放射的长波：用斯蒂芬－玻尔兹曼定律
QL T 4
ε为地面相对发射率，若是黑体，则 ε=1 地面长波辐射与地面温度的4次方成正比
共87第
21
地面相对发射率
共87第
22
QL 城乡差异
共87第
23
如何获取城市下垫面的温度

城市气象学第五章：城市的云量、日照和辐射

日照（sunshine）

建筑对日照的要求：
主要依据建筑的不同使用性质而定
需要争取日照的建筑：病房、幼儿活动室和农用日光室等，它们对日照各有特殊要求。需要避免日照的建筑有两类：一类是防止室内过热；另一类是避免眩光和防止化学作用的建筑，如展览室、阅览室、精密仪器车间，以及某些工厂，实验室，药品车间等。
日照（sunshine）
建筑日照时间的标准日，是考察最不利的情况，即冬至左右，这时太阳高度角在一年中最低，只要这一天能达到建筑日照时间的要求，其它所有时间都能满足要求。但若以冬至为标准日，则要求建筑间距太大，而且使文化，卫生，商业等的服务半径增大，各国大都不以冬至日作为标准，如英国70年代初规定的标准日为每年的3月1日。 1986年北京城市规划管理局进行大量的工作，认为北京居住建筑采用大寒日为日照时间的标准日，日照2小时的间距系数为设计依据是合理的（对佝偻病降低有明显作用，起到促进机体免疫力的作用）。

在春季急剧增大;夏、秋季均以细粒子为主,但夏季AOD
达到最大,秋季较小. 京津冀平原地区夏季AOD与云量(CF)呈正相关,AOD增加,特别是细粒子增加可能导致局地云量增多.

城市云量
导致市区云量特别是低云量比郊区多的原因： ☆①城市的热岛效应产生的热岛环流使市区内的上升气流加强，有利于云的形成。 ☆②城市空气中含有较多的凝结核，尽管绝对湿度小，但吸湿性凝结核有利于云的形成。 ☆③城市的摩擦阻障作用使得锋面、切变线等天气系统在市区的移动速度减慢，云层在市区滞留时间加长；建筑物加大了空气的被迫抬升，有利于云特别是低云的增加。
东京年日照时数和日照百分率的变化
由此可见，城市日照时数比郊区少，而且随时间推移在不断减小。

城市气象学第一章：城市环境气象学

掌握城市气象各要素特征对人类生活有利和不利的影响；
了解如何改善城市气候环境的方法和途径。
课程介绍
• 主要内容
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 绪论城市大气城市日照与辐射城市热量平衡与水分平衡城市热岛城市风场城市湿度、雾与水平能见度城市云与降水
第一章绪论
• 1.城市发展面临的环境恶化问题
城市环境气象学
课程介绍
• 参考书：
周淑贞等,《城市气候学》, 气象出版社, 1994
周淑贞等,《气象学与气候学》, 高等教育出版社, 1997
徐祥德等．城市环境气象学引论（第一版）．北京：气象出版社，2002
课程介绍
• 课程目标：
掌握城市各气象要素与周围郊区相应要素特征的差异；明确城市气候产生的原因；
是影响气候的重要因素之一。
具有特殊性质的下垫面
人工建筑物高度集中，以水泥、沥青、砖石、金属和合成材料等坚硬密实、干燥不透水的建筑材料代替了原来疏松和植物覆盖的土壤或空旷的荒地，城市下垫面的物质构成和几何形状与
郊区不同。
城市气候的成因
城市用地组成
城市气候的成因
城市用地组成：
※ 3、陆地和海洋生物受到污染 ※ 4、产生酸雨
酸雨
• ※定义被大气中存在的酸性气体污染，PH≦5.6的雨水称为酸雨主要由煤、石油和天然气等化石燃料燃烧产生的二氧化硫、氮氧化物等酸性气体，经过复杂的大气化学反应,被雨水吸收溶解而成。
• 酸雨的分布
全球有三大块酸雨地区：西欧, 北美和东南亚。我国长江以南也存在连片的酸雨区域。
城市热岛
热岛效应及其防治
• “热岛效应” 是指城市气温比周围地区高的现象，即气温以城市为中心向郊区递减。如果将高温区用红色描出，低温区用蓝色描出，城市就象汪洋大海中的孤岛，气象学上把这种现象称之为城市“热岛效应”。 • “热岛效应” 形成原因：城市工业的高度集中城市人口密集

城市气象学第八章：城市辐射收支平衡

（2）大气逆辐射 QL,
经验公式
7
8

城市地-气长波辐射能的交换城市大气逆辐射QL↓大于郊区城市大气CO2含量高大气逆辐射强风速愈大,气温热岛强度愈弱,大气逆辐射QL↓ 城乡差异愈小。晴昼城市大气逆辐射QL↓与郊区的差值比晴夜更大。
10
2.3.4 城市的净辐射
下垫面的净辐射Qn是由太阳总辐射QI，下垫面反射率 α ，大气逆辐射QL↓和地面辐射QL↑四项来决定的。城市对这四项皆有明显的影响。到达城市下垫面的
75

曲线下的面积代表径流总量
降雨后城市与郊区径流曲线的图式
76
南京冬季城、郊下垫面能量平衡特征分析

观测期间城、郊热量平衡中主要分量随时间变化特征
77

不同天气条件下城、郊热量平衡各分量的日变化特征
78
在城市水分平衡中, 上述三个特征对于如何规划城市的排水管道, 有极重要的意义。
79
城市、近郊和远郊热量平衡方程：
城市：Qn QF QH QE QS QA 近郊：Qn QF QH QE QS QP QA 远郊：Qn QH QE QS QP QA 式中QP为植物光合作用能量的变化
65
2. 城市与郊区热量平衡的日变化
及控制研究。分别计算燃油排热和燃煤排热以估算上海市人
为热排放总量，统计上海市区和郊区的年均温及年均温差随时间变化及其与人为热排放之间的关系，发现两者之间有很好的相关性；最后就上海市夏季空调使用排热对上海市温度影响进行了定性研究，发现空调排热与地面温度反演有着非常良好的一致性。
人为热的影响因素
44lqt???11地面长波辐射ql5地面相对发射率??波尔兹曼常数斯蒂芬428w1056696km????下垫面温度k?tqql地面辐射城市地气长波辐射能的交换??地面长波辐射ql大于郊区城市下垫面温度高?长波辐射大63233城市地气长波辐射能的交换??222大气逆辐射?lq7经验公式8城市地气长波辐射能的交换??城市大气逆辐射qql大于郊区c城市大气co2222含量高?大气逆辐射强风速愈大气温热岛强度愈弱大气逆辐射大气逆辐射强风速愈大气温热岛强度愈弱大气逆辐射qql城乡差异愈小

2气候系统的辐射过程与能量平衡教程

2气候系统的辐射过程与能量平衡教程气候系统的辐射过程和能量平衡是气候科学中非常重要的一部分。

理解气候系统的辐射过程和能量平衡对于研究气候变化、预测天气和评估气候变化的影响至关重要。

本教程将介绍气候系统的辐射过程和能量平衡的基本概念。

一、辐射过程辐射是指物体通过空间中电磁波传播的现象。

在地球大气系统中，辐射主要包括太阳辐射和地球辐射。

1.太阳辐射太阳辐射是指太阳向地球发射的电磁辐射。

太阳辐射包括可见光、紫外线和红外线等不同波长的辐射。

其中，可见光是太阳能量的主要组成部分。

太阳辐射在穿越大气层时会遇到散射、吸收和反射等过程。

2.地球辐射地球辐射是指地球向宇宙空间发射的电磁辐射。

地球辐射主要包括地表辐射和大气层辐射。

地表辐射是指地表向大气层发射的红外线辐射，其能量量级与太阳辐射相当。

大气层辐射包括大气散射和大气吸收等过程。

二、能量平衡能量平衡是指在一个封闭的系统中，能量的输入与输出相等，总能量保持不变的状态。

在地球的气候系统中，能量平衡是维持地球温度和气候稳定的基础。

1.辐射平衡2.热平衡热平衡是指地球表面以及大气层的温度维持稳定的状态。

温度是物体内分子运动的能量。

在地球气候系统中，太阳辐射的热量会加热地表和大气层，而地表和大气层的辐射又会向外散发热量。

当地球表面和大气层的能量输入和输出相等时，就达到了热平衡。

三、地球气候变化的影响地球气候变化是指由于人类活动和自然因素引起的地球气候的长期变化。

辐射过程和能量平衡是地球气候变化的基本机制。

1.温室效应温室效应是指地球大气层中的温室气体能够吸收并重新辐射地表辐射，从而导致地球温度升高的现象。

温室效应是地球气候变暖的主要原因之一2.全球变暖全球变暖是指地球气候长期变暖的趋势。

由于人类活动导致温室气体排放增加，温室效应加强，使得地球气候变得更加温暖。

全球变暖对生态环境、冰川消融和海平面上升等都有重要影响。

总结：。

城市环境气象学城市辐射收支平衡

城市对这四项皆有明显的影响。到达城市下垫面的太阳总辐射比郊区小，但其下垫面的反射率亦比郊区小。在短波辐射收支上，城市与郊区的差别不大。
城市中大气逆辐射虽比郊区大，但地面长波辐射QL↑ 城市大于郊区，因此在长波辐射收支上，城、郊的差别亦不大。
总体说,城市地面吸收的太阳净辐射与乡村差别不大。
11
城市的能量平衡和水分平衡
✓ 工业生产 ✓ 家庭炉灶 ✓ 空调制冷 ✓ 机动车排放 ✓ 冬季取暖等
26
城市人为热排放分类研究及其对气温的影响
摘要：利用上海市近５０ａ各区县月均温数据，分析城市中人为热排放。绘制人为热排放流程图，并将城市人为热源进行分类，分析所有可能成为人为热排放源的设施以便定性及控制研究。分别计算燃油排热和燃煤排热以估算上海市人为热排放总量，统计上海市区和郊区的年均温及年均温差随时间变化及其与人为热排放之间的关系，发现两者之间有很好的相关性；最后就上海市夏季空调使用排热对上海市温度影响进行了定性研究，发现空调排热与地面温度反演有着非常良好的一致性。
57
地气显热交换特征
下垫面对城市热量平衡的影响
60
61
总的情况来看，在中纬度城市中，所吸收的净辐射中平均有44%用于地气显热交换， 29%用于蒸散向大气输送潜热，其余27% 贮存在下垫面内部。
而且，市区的鲍因比变化范围最大。城市的热收入远高于乡村。
62
思考题
城市热量平衡方程及参数意义？人为热的主要来源？人为热的时间变化和空间变化特征？城市贮热量的特征？地-气系统的显热交换和潜热交换特征？
思考题
• 城市热量平衡方程及参数意义？ • 人为热的主要来源？ • 人为热的时间变化和空间变化特征？ • 城市贮热量的特征？

大气科学中的地球辐射平衡与气候调节机制

大气科学中的地球辐射平衡与气候调节机制在大气科学中，地球辐射平衡是指地球接收到的太阳辐射能量与地球自身辐射出的能量之间的平衡关系。

这一平衡关系对地球的气候调节起到至关重要的作用。

本文将探讨地球辐射平衡的基本概念、影响因素及气候调节机制。

一、地球辐射平衡的基本概念地球辐射平衡是指地球接收到的太阳辐射能量与地球自身辐射出的能量之间的平衡状态。

地球接收到的太阳辐射主要包括可见光、紫外线和红外线等能量，而地球自身辐射出的能量则主要为红外辐射。

当地球辐射出的能量与接收到的能量相等时，就达到了辐射平衡。

地球辐射平衡的维持依赖于多种因素的相互作用。

太阳辐射的强弱取决于太阳角高度、云量、大气中的气溶胶颗粒等因素。

而地球辐射的强弱则受大气中的温室气体的影响。

当地球自身辐射的能量无法通过大气层逃逸时，就形成了温室效应，进而影响到地球的能量平衡。

二、地球辐射平衡的影响因素1. 太阳辐射：太阳辐射是地球辐射平衡的主要能量来源。

太阳辐射的强度随着太阳角高度的变化而变化，同时云量、气溶胶等因素也会对太阳辐射的强度产生影响。

2. 温室气体：大气中的温室气体对地球辐射平衡起到重要作用。

温室气体可以吸收地球辐射出的红外辐射，使其难以逃逸到太空中，从而导致地球温度升高。

3. 云量和云的特性：云量的变化会影响地球的辐射平衡。

云层可以反射太阳辐射，减少地面的吸热能力，也可以吸收地球辐射，减少地球向太空散发热量的能力。

此外，云的高度、厚度和云滴的大小等特性也会对辐射平衡产生影响。

4. 地表特性：地表的颜色、纹理和海陆分布等特征也会对辐射平衡产生影响。

例如，黑色的地表会吸收更多的太阳辐射，而白色的地表则会反射更多的太阳辐射。

三、气候调节机制1. 温室效应：地球大气中的温室气体能够吸收地球向太空辐射的红外辐射，使其难以逃逸到太空中，从而导致地球温度升高。

温室气体包括二氧化碳、甲烷、氮氧化物等。

温室效应的增强会导致地球变暖，引发气候的变化。

2. 云的反照率调节：云层对太阳辐射和地球辐射的反射和吸收会影响地球的辐射平衡。

《城市的辐射功能》知识清单

《城市的辐射功能》知识清单一、城市辐射功能的定义城市辐射功能是指城市作为区域的中心，凭借自身的经济、文化、科技等优势，对周边地区产生的影响和带动作用。

简单来说，就是城市像一个光源，向周围散发着能量和信息，促进周边地区的发展。

二、城市辐射功能的表现形式1、经济辐射（1）产业转移城市中的一些产业，由于成本上升、市场变化等原因，会向周边地区转移。

这些产业往往带着资金、技术和管理经验，为接收地区带来新的发展机遇。

例如，一些大城市的劳动密集型产业逐渐向周边的中小城市转移，推动了当地的工业化进程。

（2）市场拓展城市作为消费中心，其消费需求会带动周边地区的生产。

城市居民对各类商品和服务的需求，促使周边地区提供相应的产品和服务，从而促进了周边地区的农业、制造业和服务业的发展。

（3）技术扩散城市中的企业和科研机构在创新过程中产生的新技术、新工艺，会通过各种渠道向周边地区传播。

周边地区的企业可以借鉴和应用这些技术，提高生产效率和产品质量。

2、文化辐射（1）教育资源共享城市往往拥有优质的教育资源，如名校、优秀的教师和先进的教育理念。

周边地区可以通过合作办学、教师交流等方式，分享这些资源，提升教育水平。

（2）文化活动传播城市举办的各类文化活动，如艺术展览、音乐会、戏剧表演等，能够吸引周边地区的居民参与，促进文化交流和文化素养的提高。

（3）价值观念影响城市的生活方式、价值观念等会对周边地区产生潜移默化的影响，推动周边地区的社会进步和观念更新。

3、交通辐射（1）交通枢纽作用城市通常是交通枢纽，拥有发达的铁路、公路、航空等交通网络。

这些交通设施不仅方便了城市自身与外界的联系，也为周边地区提供了便捷的交通条件，促进了人员和物资的流动。

（2）物流配送辐射城市的物流产业能够为周边地区提供高效的物流配送服务，降低物流成本，提高商品流通效率。

4、信息辐射（1）信息传播城市作为信息中心，汇集了大量的政治、经济、文化等方面的信息。

这些信息通过各种媒体和网络向周边地区传播，为周边地区的决策和发展提供参考。

地球辐射平衡

地球辐射的大气吸收谱（右半部）
（三）有效辐射 1.概念：地面辐射与地面吸收的大气逆辐射之差。 • 有效辐射为正，地面净损失能量； • 有效辐射为负，地面净获得能量。 3.影响因素 • 地面温度：正向作用（空气湿度和云量等条件不变）。 • 大气温度、湿度、云量和温室气体含量：负向作用（地面温度条件不变）。
大气上界的能量收支与能量输送
（四）辐射平衡的总体特征 1.太阳辐射输入 • 大气上界：342 • 大气吸收：67 • 大气反射：77 • 地面反射：30 • 到达地表：168
2. 地面辐射与能量平衡 • 辐射平衡
Re = Qe (1− α ) − E = 168− 66 = 102
• 能量平衡
Re = Qe (1 − α ) − (U e − Ga )
令Re=0，则有
Q e (1 − α ) + G a = U
e
设地面温度为T1，大气圈温度为T2，则有：
π R (1 − α ) S 0 + c 4 π R σ T 2 = 4 π R σ T1
2 2 4 2
4
c 4 π R σ T1 = 2 ⋅ c 4 π R σ T 2
（4）缓解措施 • 减少黑色、暗色地面（提高反射辐射） • 疏散工业企业，减少汽车流量（减少排热） • 增加植被和水面面积（降温） • 科学地规划城市建设（优化布局） • 改变能源结构（减少化石燃料使用和大气污染）
二、地球表层的长波辐射
（一）地面辐射 1. 概念：地面以长波辐射的形式发射的辐射。 2. 方向：由地表返回太空。 3. 大小：地面对于长波辐射的吸收率接近于 1，可近似地视为黑体。黑体的辐射能力与其绝对温度的四次方成正比：
三、地球表层的辐射平衡

第2章辐射与热量平衡

T dω , T = 24hr. = 1440 min . dt = 2π
相关天文学知识
北天极
← 天体视运动
秋分
Z
Z’Z =纬度ϕ S’S =日赤纬δ
− 23o 27' ≤ δ ≤ 23o 27'
Z’
E r 春分
S S’
Z’S’ =日时角ω
− 180o ≤ ω ≤ 180o
Visible light
电磁波谱
X-rays Ultraviolet (UV) Visible Near-Infrared (Near-IR) Middle-IR Far-IR Microwave
λ < 10nm 10 < λ < 400nm 0.4 < λ < 0.7µm 0.7 < λ < 3.5µm 3.5< λ < 30µm 30 < λ < 100µm 1mm<λ<1m
I = ∫ I dλ
* * 0 ∞
λ
因黑体辐射为各向同性，根据辐射通量和辐射强度的关系，得黑体辐射通量密度E*，为。
E * = πI * = σT 4 上式称为Stefan-Boltzmann定律。表明物体温度越高，其放射能力越强。
推论：根据Stefan-Boltzmann定律计算的温度称为等效黑体温度或亮度温度（Brightness temperature）TB。
θ
△F F △S
∆F I= ∆t∆ω∆S cos θ
点光源
△ω
第2章辐射与热量平衡
2.1 辐射的基础知识
2.1.1 辐射与辐射能
辐射的度量（3）辐射通量密度与辐射强度的关系： △S上的辐射通量密度为或

气候动力学-9-地气辐射平衡、辐射强迫与气候变化

温室气体的辐射强迫强度
• 相比较于1750年，2011年CO2排放产生了1.68[1.33至2.03]Wm–2的辐射强迫。将造成CO2浓度增加的其它含碳气体的排放包括在内，CO2的辐射强迫值为1.82[1.46至2.18]Wm–2。
• 仅CH4排放产生了0.97[0.74至1.20]Wm-2的辐射强迫。这远大于基于浓度的估算值0.48[0.38至0.58]Wm-2（自《IPCC第四次评估报告》以来无变化）。估算值中的差异是由于CH4排放导致的臭氧浓度的变化和平流层水汽含量的变化以及其它间接影响CH4的排放所造成的。
地气系统长波辐射传输特点
与太阳短波辐射（峰值0.5µm）相比，地球和大气长波辐射（峰值10µm）具有不同的特点：
1. 太阳直接辐射是主要集中在某一个方向的平行辐射。地球和大气都是放射红外辐射的辐射源，是一种向各个方向的漫射辐射。在红外波段，到达地面的太阳直接辐射能量远小于地球和大气发射的红外辐射，因此常常可忽略。 2. 除非在云和尘埃等大颗粒质点较多时，大气对长波辐射的散射削弱极小，可以忽略。即使在有云时，云对长波的吸收作用很大，较薄的云层可视为黑体。因此研究长波辐射时，往往只考虑其吸收作用，忽略散射。 3. 大气不仅是削弱辐射的介质，而且它本身也放射辐射，有时甚至其放射的辐射会超出吸收部分，因此必须将大气的放射与吸收同时考虑。长波辐射在大气中传输是一种漫射辐射，是在无散射但有吸收、放射的介质中的传输。
• IPCC第五次评估报告表明，相比较于1750年，2011年总的人为辐射强迫约为2.3W/m2，1970年代以来其增加的速度比以往任何年代更快。
温室气体与温室效应
大气中的温室气体主要包括水汽、二氧化碳、甲烷、氮氧化物、臭氧等，水汽是最主要的温室气体。这些温室气体主要吸收和发射长波辐射，对短波辐射几乎是透明的。温室气体吸收来自地表的长波辐射，这些辐射一部分发射到外太空，剩余的大部分又返回地表，引起地表升温，称为温室效应。世界气象组织发布的《温室气体公报》显示，2014年全球大气中二氧化碳平均浓度上升至397.7ppm，是工业革命前的143%；甲烷浓度达 1833ppb（1ppb为十亿分之一）,是工业革命前的254%；氧化亚氮浓度达 327.1ppb，是工业革命前的121%。这些温室气体使地球辐射强迫水平从 1990到2014年上升了36%。辐射强迫可导致气候变暖。

辐射平衡

辐射平衡任何一个物体都能不断地以辐射方式进行着热量交换。

地面和大气与其它物体一样，都在不断地进行着这种热量交换。

在某段时间内，物体的辐射收支差值称为辐射差额。

当收入大于支出时，辐射差额为正值；反之，为负值；若收支相等，则称为辐射平衡。

差额为正时，物体有热量盈余，温度将升高；反之，则温度降低。

地面辐射差额为地面所吸收的太阳总辐射及地面放出的长波辐射之差，以公式表示为：Rg=(Q+q)(1-a)-F0式中，Rg为地面辐射差额；(Q+q)是到达地面的总辐射，即直接辐射和散射辐射之和；a为地面对总辐射的反射率，(1-a)为地面的吸收率；F0为地面的有效辐射。

当地面收入的热量多于支出的热量，则地面温度不断升高；反之，则地温不断下降。

一般最高温度出现在从升温转为降温的转折点上，最低温度出现在从降温转为升温的转折点。

因此，晴朗无云的天气里，地面温度最高值并不出现在太阳高度角最高的正午，而是在午后一点钟左右；最低温度出现稍迟于日出时刻。

由于地面热量传输给大气，需要有一定时间，所以气温日变化的最高、最低稍落后于地温日变化的最高最低，这就是地面辐射差额的日变化情况。

地面辐射差额年变化因纬度而异，纬度愈低辐射差额正值的月份愈多；纬度愈高，辐射差额保持正值的月份就愈少。

如果把地面和对流层大气看成是一整体，来研究此系统的辐射差额，能更清楚地看出辐射差额随纬度分布的情况。

这这个系统中，收入部分是由地面和大气所吸收的太阳辐射所组成，而支出部分则是辐射到宇宙空间去的地面和大气长波辐射。

地气系统辐射差额是随纬度增高而由正值转变为负值的，在35°S到35°N之间的地气系统辐射差额为正值，在此范围以外的中、高纬度地区为负值。

辐射差额的这种分布，也正是引起高低纬度之间大气环流和洋流产生的基本原因。