第二章大气的热能和温度
气象学与气候学思考题
气象学与气候学思考题第一章引论1．气候系统气候系统是一个包括大气圈、水圈、陆地表面、冰雪圈、和生物圈在内的，能够决定气候形成、气候分布和气候变化的统一的物理体系。
2．大气圈可分为哪些层？对流层有何重要特征？大气圈可分为对流层、平流层、中间层、热层和散逸层。
对流层的特征：①气温随高度的增加而降低。
②垂直对流运动显著。
③气象要素水平分布不均。
3．什么叫露点、降水、降水量？①在空气中水汽含量不变，气压一定下，使空气冷却到饱和时的温度，称为露点温度，简称露点（T d）。
其单位与气温相同。
②降水是指从天空降到地面的液态或固态水，包括雨、毛毛雨、雪、雨夹雪、霰、冰粒和冰雹等（但露不属于降水）。
③降雨量是指降水落到地面后（固态降水则经融化后），未经蒸发、渗透、流失而在水边面上积聚的深度，降水量以毫米为单位。
4．写出干空气状态方程并阐明其意义。
①干空气状态方程为P=pR d T,其中第二章大气的热能与温度1．什么叫太阳常数？就日地平均距离来说，在大气上界，垂直于太阳光线的1cm2面积内，1分钟内获得的太阳辐射能量，称太阳常数，用I0表示，多取I0=1370W/m2.2．什么叫太阳辐射光谱？其能量是如何分布的？①太阳辐射中辐射能按波长分布，称为太阳辐射光谱。
②太阳辐射能量主要分布在在可见光区，占太阳辐射总量的50%，其次是红外区，占总能量的43%，而紫外区的太阳辐射能很少，只占总能量的7%。
3．大气对太阳辐射的削弱方式有哪几种？为何雨后天晴时的天空特别蓝？①大气对太阳辐射的削弱方式有吸收、散射、反射三种。
②雨后天晴时的天空特别蓝是因为空气中杂质、水汽等凝结物少，基本上是属于分子反射，而太阳辐射中青蓝色波长较短，容易被大气散射。
4．为何有云的夜晚气温比较高？有云的夜晚气温比较高是因为云能强烈吸收地面辐射并且能反射回地面，也就是大气的逆辐射，因此，当天空有云，特别是浓密的低云时，逆辐射就更强了。
5．写出泊淞方程，并说明其物理意义。
第二章 温热环境
状态奶牛热应激程度的一个指标
• 该指标以20摄氏度气温、40%RH和0.5m/s风速作
基础舒适环境
三、有效温度(ET)
1、为畜牧生产科学管理提供依据 在等热区（尤其在舒适区），生产 性能高，抗病力强。
2、为畜舍建筑热工设计提供了理论依据、参考标准
3、为动物引种和育种提供依据
四、气温对动物热调节的影响
1、热应激 增加散热量 减少产热量
2、冷应激 减少散热量 增加产热量
五、气温对畜禽的影响
（一） 对动物生理机能的影响
1、 呼吸系统
呼吸频率增加 出现热性喘息
2、循环系统 皮温升高、非蒸发散热增加
汗腺分泌
血液流向四周，内脏器官供血不足
3、消化系统
胃酸减少，胃肠蠕动减弱、酶活性降低。
4、泌尿系统与神经系统 高温时，机体大量水分蒸发，尿量减少
5、免疫系统
高温降低免疫机能
6.内分泌机能
高温导致血液甲状腺素含量下降 肾上腺皮质激素含量升高
• 皮 肤 表 面 的 温 度 称 为 “ 皮 温 ” (skin temperature) • 皮温受身体本身和外界温热条件的影响，常随 外界条件的变化而变化。
动 物 体 温 分 布
3、平均体温
• 平均体温：整个动物体各部位温度加权 平均值
平均体温＝0.7×T直肠温度+0.3×T平均皮温
• 蓄热量：指动物体温度升高时所贮存的 热量，为平均比热与动物体质量之乘积。 • 根据平均体温和身体比热可算出全身蓄 热量
第六节 温热因素的综合评定
一、温湿指数（THI） 二、等温指数（ETI） 三、有效温度(ET) 四、风冷指数（WCI）
一、温湿指数（THI）
气候气象学
K λT = I λT / IλTb
精品资料
设内壁放出(fànɡ chū)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(dádào)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
精品资料
臭氧(chòuyǎng)：量少，但吸收强；平流层； 曲线2 0.2~0.3μm，强；0.6 μm，
精品资料
• 氧：＜0.2μm，0.69 μm、0.76 μm • 二氧化碳(èr yǎng huà tàn)：弱， 4.3μm， • 杂质：量甚微
精品资料
• 大气对太阳辐射吸收的特点（？） • （1）选择性，穿过大气的太阳辐射光
且有不同的频率，因而发出各种不同波长 的电磁波。
精品资料
• 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(ɡè zhǒnɡ ɡè yànɡ)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。
精品资料
电磁波的波长(bōcháng)范围很广：10-10μm ~ km
由黑体的辐射强度求得其表面温度。
精品资料
3.维恩位移(wèiyí)定律
• 黑体最大放射能力所对应的波长与其(yǔqí) 绝对温度成反比
• λmT=C ， C—常数
精品资料
• λmT=C ， C—常数 • 表明：物体(wùtǐ)的温度愈高，其辐射能
力极大值所对应的波长愈短；物体(wùtǐ) 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。
地面和大气的辐射
第二节 地面和大气的辐射
一 地面、大气的辐射和地面有效辐射 （一）地面和大气辐射的表示 1地面长波辐射
根据斯蒂芬-波耳兹曼定律, 地面放射辐射能力： Eg =δσT4 =0.9×5.67×10-8×（288）4
= 346.7W/m2 比辐射率δ=0.9， 斯蒂芬-波耳兹曼常数σ=5.67×10-8W/(m2·K4)， 地面平均温度t=15℃
所以我们把地面和大气的辐射称为长波辐射。
自然地理学（ⅡＡ）
第二章 大气的热能和温度
二 地面和大气长波辐射的特点
1 大气对长波辐射的吸收具有选择性 水汽、液态水、 CO2、 O3 。水汽对长波辐射的吸收
最为显著，除8—12μm波段的辐射外，其它波段都能 吸收。并以6μm附近和24μm以上波段的吸收能力最 强。液态水对长波辐射的吸收性质与水汽相仿，只是作 用更强一些。
自然地理学（ⅡＡ）
第二章 大气的热能和温度
二 地面及地气系统的辐射差额
（一）地面辐射差额 2 地面辐射差额变化规律 (2)年变化
辐射差额的年振幅随地理纬度的增加而增大。对同一地理 纬度来说，陆地的年振幅大于海洋。全球各纬度绝大部分地区 地面辐射差额的年平均值都是正值，只有在高纬度和某些高山 终年积雪区才是负值。
自然地理学（ⅡＡ）
第二章 大气的热能和温度
（三）大气逆辐射和地面有效辐射 1、大气逆辐射和大气保温效应
大气长波辐射指向地面的部分称为大气逆辐射。大气 逆辐射使地面因放射辐射而损耗的能量得到一定的补偿， 由此可看出大气对地面有一种保暖作用，这种作用称为 大气的保温效应。
据计算，如果没有大气，近地面的平均温度应为23℃，但实际上近地面的平均温度是15℃，也就是说大 气的存在使近地面的温度提高了38℃。
《气象学与气候学》第三讲
经推导，得式（2.41）
m (
dTi L dqs )m d dZ CP dZ
水文与水资源工程专业 朱君君
第二章 大气的热能和温度
第三节 大气的增温和冷却——空气的增温和冷却
气温的绝热变化 ——干绝热递减率和湿绝热递减率
湿绝热递减率的推导与数值
问题1：rm为什么总小于rd？rd和rm什么时候相差最大？为什么愈到高空rm愈接近rd？
平流变化：由于空气的移动所造成的某地温度的变化。
个别变化和局地变化联系的定性说明
水文与水资源工程专业 朱君君
第二章 大气的热能和温度
第2章 温热环境(1)
• 这种热量一部分是动物摄食、消化和吸收饲料时， 因细胞生物化学反应使代谢强度增加而产生的热 量。 • 另一部分是饲料在消化道运动，被微生物发酵所 释放的热量。如反刍动物的瘤胃，马属动物的盲
3．生产代谢产热
• 生产代谢产热是指动物生产产品如生长、繁殖、 产乳、产蛋、产毛等或劳役而增加的产热量。
• 通常净能中的能量在满足维持代谢需要后剩余 部分用于生产产品，在动物产品的形成过程中， 始终伴随着热量的产生。
• 辐射散热、传导散热和对流散热合称为“非蒸
发散热”、“可感散热”或“显热发散” 。
• 非蒸发散热量的大小主要受环境温度的影响，
非蒸发散热的结果是导致空气温度变化。
• 蒸发散热亦称“潜热发散” ，主要包括皮肤蒸
发散热和呼吸道蒸发散热，蒸发散热量主要受
空气湿度的影响，不导致空气温度变化。
5.加热饲料和饮水
• （2）呼吸道蒸发
• 呼吸道粘膜湿润、温度高、水汽压大，空气的水汽 压一般相对较低，当水汽压较低的空气通过呼吸道 时，呼吸道粘膜的水分子很容易向空气中逸出而发 生蒸发作用；
• 吸入呼吸道的空气的温度通常低于体温，因经呼吸 道的传导、对流的散热作用而使空气温度升高，饱 和压水气压亦随之提高，从而能容纳更多的水汽。 • 呼吸道蒸发的主要部位是上呼吸道。
饮水、争斗、适应环境变化和其它生理活动等
而增加的产热量。
• 消化系统生理活动如咀嚼、吞咽、胃肠蠕动、
消化酶的分泌、消化、吸收等所增加的热量均
属于活动产热。
• 当热环境发生变化时动物进行热调节如 外周血管的收缩、竖毛肌收缩、汗腺分 泌和肌肉紧张度的改变等所产生的热量 也属于活动产热。
• 在总产热量中，基础代谢产热是保障基本生命活动
气象气候学-大气的热能和温度
1.海洋与陆地的热力性质有什么不同？吸收太阳辐射的能力不同透射太阳辐射的能力不同传递能量的方式不同比热不同水分蒸发耗热状况不同2.什么是气温的非绝热变化过程？有哪些具体形式？含义：气块与外界有热量交换的气温升降过程形式：辐射：大气与地面之间、空气团之间最重要的热交换方式平流：空气水平方向上传递热量的重要方式对流：对流层上下层空气热量交换的重要方式湍流：摩擦层热量交换的重要方式潜热交换：主要发生在对流层中下层传导：传热很少，仅在贴地层表现较为明显3.什么是气温的绝热变化过程？干绝热变化与湿绝热变化有什么不同？含义：气块与外界无热量交换的气温升降过程干绝热变化没有发生水相变化的过程，湿绝热变化有。
4.什么是干绝热直减率和湿绝热直减率？二者有什么不同？为什么？5.为什么湿绝热直减率随温度的升高和气压的减小而减小？6.为什么湿绝热线位于干绝热线的右边？（P41，图2.20）湿绝热直减率恒小于干绝热直率；初始温度相同的干湿气块上升到相同高度，湿空气块的温度就会高于干空气。
7.为什么干绝热线是直线，而湿绝热线为曲线？（P41，图2.20）干绝热直减率近于常数，而湿绝热直减率随水汽的增多而减小，越近地面空气中水汽含量越多，湿绝热线就越弯曲。
8.干（湿）绝热直减率在图中如何体现？（P41，图2.20）干（湿）绝热线上任一点处的绝热直减率等于该点切线与横轴交角的余切。
9.什么是大气层结和大气静力稳定度？大气稳定度有哪几种状态？大气层结：大气中温度、湿度随高度的分布状况。
大气静力稳定度：是指处于静力平衡状态的气块受任意方向扰动后，大气层结使其返回或远离原平衡位置的趋势和程度，主要用于判别大气层温度、湿度的垂直分布状况是否易于发生对流运动。
大气稳定度存在稳定、中性和不稳定三种状态。
大气稳定度是气块所在空气层的一种性质，由大气层结决定，而与气块是否存在无关，气块仅是用来判定层结是否稳定的一种测试方法。
10.如何判别大气层结的稳定度？某一气层是否稳定，取决于在其中运动的气块温度与周围空气的温度的对比：如运动气块温度比周围空气温度高，则气层不稳定；比周围空气温度低，则气层稳定；与周围空气温度相等，则气层处于中性平衡状态。
第二章 大气的热能和温度
辐射通量密度：单位：瓦/米2
单位面积上的辐射通量
辐射通量密度
因其没有限定方向，所以根据辐射方向的不同，将辐射通量密度分 为
辐出度：放射体表面所放出去的辐射通量密度 辐照度：到达接受面的辐射通量密度
可见光的度量不用能量单位而用光能单位
光照度（照度):单位面积上接受的光通量 单位：勒克斯（LUX)
太阳常数：在大气上界，当日地之间处于平均距离 （1.5×108km)时，垂直入射光表面的太阳辐射的辐照度。 单位：W•m-2 数值：1367+7 W•m-2
（二）、太阳辐射在大气中的减 弱
大气对太阳辐射 的削弱作用
吸收作用
散射作用
反射作用
1、大气对太阳辐射的吸收作用
大气中吸收太阳辐射的主要成分：
第一节 太阳辐射
一、辐射的基本知识
1.辐射的概念
2.辐射的波粒二象性 3.有关辐射的基本物理量 4.物体对辐射的吸收、反射和透射 5.辐射的基本定律
1.辐射的概念
定义：自然界中的一切物体，只要其温 度高于绝对零度，就会不停的以电磁波或 粒子的形式向外传递能量，这种传递能量 的方式叫辐射，通过辐射的方式传递的能 量称为辐射能。
辐射是能量传播的方式之一，并 且是太阳能传输到地球的唯一方式。
K=273+℃
2.辐射的波粒二项性：
辐射的波动性 辐射的粒子性
辐射的波动性
电磁波的性质是用波长（ λ）和频率（ν）表示 波长的单位μm(微米）或nm(纳米） 频率的单位是：赫兹 1 μm=10-6m 1nm= 10-9m
散射作用：
太阳辐射通过大气，遇到空气分子、尘粒、云滴等质点时， 都要发生散射。 但散射并不像吸收那样把辐射转变为热能，而只是改变辐射 的方向，使太阳辐射以质点为中心向四面八方传播
气象学与气候学复习题第二章
第二章大气的热能和温度一、填空题：1.太阳表面的温度为，地球每年从太阳上获得的热量，仅为太阳热量的。
2.在自然界中的一切物体，只要温度在以上，都在不停地以的形式向外放射能量，这种传递能量的方式称为。
3.电磁波的范围是，可见光的波长范围是。
4.地面和大气辐射的波长为，属于长波辐射。
最大放射能力对应的波长是 um。
5.物体的r、 、d之间关系是，分别代表物体的能力。
6.太阳辐射最大放射能力所对应的波长是，属于光，太阳辐射能量最多的是。
7.大气上界的太阳常数是。
8.进入大气的太阳辐射有三种被削弱的方式9.大气层中主要的吸收物质是，且具有吸收特性，仅占太阳辐射的 %。
10.氧气最强的吸收带属于部分。
11.臭氧最强的吸收带属于部分，而且还吸收属于部分。
12.天空出现白色是因为多。
13.地表面辐射能量的大小主要决定于。
14.地面有效辐射的公式是，影响因素有。
15.地面辐射差额的公式是，白天为值，气温，夜晚为值，气温。
纬度愈低，Ｒg >0的时间愈。
16.地气系统的辐射差额随纬度而逐渐减小，在辐射差额为０，在辐射差额小于零。
17.“大气窗”对地表起到作用。
18.烟幕预防霜冻的原理是。
19.大气辐射差额是值，说明大气的热能是亏损。
20.高低纬间有水平气流的运动，是由于引起的。
21.传导是依靠分子的热运动将从一个分子传给另一个分子。
22.辐射发生于间、间，是最重要的热量交换方式。
23.对流是重要途径。
24.乱流是热量交换的重要方式。
25.潜热交换主要是在中起作用。
26.泊松方程是，此公式表明，干绝热变化中气压降低温度呈。
27.干空气任一高度处的温度表达式是，其中温度递减率是。
28.大气稳定度是指使具有或返回原来位置的或。
29..当γ<0时称，γ＝０称，这样的大气层结是。
30.条件性不稳定的大气层结条件是，对于干空气和未饱和湿空气是，对于饱和空气则是。
31..不稳定能量的类型有。
32.气温随时间的变化主要有两种方式即，其中周期性变化有。
大气热能和温度
第二章大气的热能与温度●教材分析：本章分为五小节。
内容涵盖太阳辐射；地面、大气之间的热传导、热平衡；以及大气增温、冷却的各种方式和大气温度的时间、空间分布格局。
围绕气温这个最为重要的气象要素进行全方位的剖析，使学生不仅知道太阳本身的一些基本知识，而且知道太阳辐射的能量如何转化为大气热量，热量的传递有那些过程，大气热量在不同的时间、空间里有那些特点及变化。
其中，第一节太阳辐射介绍了太阳辐射的基本知识，黑体辐射定律可以作为一般得了解。
太阳辐射光谱、太阳辐射在大气中的减弱、到达地面的太阳辐射的内容既是基础，也是重点，也是本章乃至本书的关键。
第二节地面和大气辐射重点有：地面和大气辐射都是长波辐射；大气对长波辐射的吸收；大气逆辐射；地——气系统热量平衡的思想。
难点：大气窗口、地面有效辐射、地面的辐射差额、大气辐射差额、地——气系统的辐射差额第三节大气的增温重点有：海陆的增温和冷却的差异；气温的非绝热变化；干绝热过程和湿绝热过程；大气的稳定度及判别方法。
第四节大气温度随时间的变化重点有：气温的日变化和年变化第五节大气温度的空间分布重点有：世界1月和7月海平面气温分布图；逆温及其在气象上的意义。
●教学设想✧课时安排：本章可用10个教学课时，1个实验课时✧教学目标：1、掌握教材分析中的所有基础及重点内容（黑体字）2、课程讲完之后，可以配合实验课对气温中的最高最低温度、气温、地温、日照的观测进行实习，同时学会仪器的安装。
✧授课类型：讲授、实验✧教学媒体：幻灯片●教学过程：见幻灯片●参考资料：1、《气象学与气候学实习》周淑贞高等教育出版社2、《风云变幻的大气》杨遵仪江苏科学技术出版社3、《细说八方晴雨》林之光科学普及出版社4、《气象与生活》林之光江苏教育出版社5、《气象学与气候学》张菀莹北京师范大学出版社●本章小结大气中各种物理过程是在太阳辐射、地面辐射与大气辐射的相互作用下产生和发展的。
太阳辐射是地球的主要能量来源，而地面辐射是对流层大气的主要热源。
08第二章大气的热能和温度5
第三节 大气的增温和冷却（续） 第四节 大气温度的时间变化和空间 分布
yqun
大气稳定度(atmospheric stability)
• 空气在上升过程中的绝热变化是大气中降温最快 的过程； • 上升过程中的绝热变化会导致水汽的凝结，这是 大气中云、雾、雨、雪形成的最重要的原因； • 因此，判断大气中是否会产生云雾，主要就是看 大气中是否会产生上升运动； • 判断空气是否会产生上升运动，就要看空气在铅 直方向上位置稳定的程度，即大气稳定度。
2012-10-09 2
yqun
大气稳定度
• 气块受任意方向扰动后，返回或远离原平 衡位置的趋势和程度。
• 它表示在大气层中的个别空气块是否安于原在的 层次，是否易于发生垂直运动，即是否易于发生 对流。假如有一团空气受到对流冲击力的作用， 产生了向上或向下的运动，那末就可能出现三种 情况： 稳定、不稳定、中性
' '
m'
设气块在起始位置高度的温度和环境温度相同，均等于T0，于是：
T ' T0 dT '
dT ' dT 将 d 与 代入上式有： dZ dZ
T T0 dT (对于未饱和空气干空气 按 d 变化)
T ' T0 d dZ , T T0 dZ
8
无海陆差异的等温线图 A B C
0 2 4 6
8
只突出的反映了太 阳辐射随纬度在地 球表面分布的差异
2012-10-09
A< B < C
1月份大陆是冷源，海洋是热源
29
yqun
陆
海
2
4 A B A B
《气象学与气候学》要点及试题
《气象学与气候学》要点及试题黄秀英佳木斯大学理学院《气象学与气候学》要点及试题佳大理学院资源与环境科学系黄秀英教学目的:本课程是自然地理的一个重要组成部分,通过系统的学习,应使学生系统地掌握大气中的物理现象、物理过程和大气运动的基本原理；天气演变和气候的形成、分布、变化的基本规律；了解人类对天气的影响和改造的基本原理;使学生能胜任中学的教学任务,带领中学生开展课外气象活动.教学任务:第1-4章:气象学基础理论 (讲授54学时,实习20学时)第 5 章:天气学基础理论 (讲授18学时,实习4学时)第6-8章:气候的形成,分布,变化及人类活动对气候的影响.(讲授38学时,实习12学时)*课程安排如下：*试题类型1.选择题（含多项选择和单项选择） 15 - 20分2.填空题 20 - 25分3.判断并改错（找出唯一的一处错词或字并改成正确的） 15 - 20分4.根据要求作图 10 - 20分5.连线题 5 - 10分6.根据要求填图 10 - 20分7.根据温度、降水柱状图判断气候类型 5 - 10分8.根据所给温度、降水资料回答问题 10 - 15分9.简答题 10 - 20分10.读图并回答问题 10 - 15分*教学参考书：*教学要点及试题：绪论重点： 1.气象学、气候学、天气学的概念及所研究对象2.本学科与其他部门地理、区域地理学的关系一.选择题：1.（）是气象学的研究范围a.风b.雨c.冷却d.台风e.雪f.龙卷g.蒸发2.（）是天气学的研究范围a.霜b.台风c.凝结d.龙卷e.温度3.气象学与气候学的关系是（）a.气候学包含气象学b.气象学是气候学的基础c.气象学和气候学是独立的二、填空题：１.气象学是研究发生于（）中的一切（）和（）的科学，以（）为研究对象。
用（）表示。
2.天气学是研究（）不同的区域内所发生的（）的（）及（）规律，并应用这些规律（）的科学，以（）为研究对象。
3.天气是指在某一地区，（）或（）内大气中的（）和天气现象的综合。
气象学与气候学 第二章 大气的热能和温度
黑体的温度与其辐射光谱联系起来了。即使对非黑体，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。
2006-09-13
6
太阳辐射光谱和太阳常数
• 图2.5太阳辐射光谱是如何绘出的？ • 所以：
太阳表面温度6000K，太阳辐射最强的波长为0.457微米，称短波辐 射，太阳中心为2万多度。 大气约250K，大气辐射称长波辐射 地面约300K，地面辐射称长波辐射
• 这种辐射能量的现象又叫热辐射。热辐射 是传递热量的一种方式，以光速传播，既 不靠介质，也不靠对流。
2006-09-13
2
• 单位时间内通过单位面积的辐射能量称辐 射通量密度（E），单位是W/m2。
• 单位时间内，通过垂直于选定方向上的单 位面积（对球面坐标系，即单位立体角） 的辐射能，称为辐射强度（I）。其单位是 W/m2 或W/sr。
2006-09-13
10
地面对太阳辐射的反射
• 地表对太阳辐射的反射率，决定于地表面的性质和状态。 • 陆地表面对太阳辐射的反射率约为10％—30％。其中深色土
比浅色土反射能力小，粗糙土比平滑土反射能力小，潮湿土 比干燥土反射能力小。 • 雪面的反射率很大，约为60％，洁白的雪面甚至可达90％。 • 水面的反射率随水的平静程度和太阳高度角的大小而变。当 太阳高度角超过60°时，平静水面的反射率为2％，高度角 30°时为6％，10°时为35％，5°时为58％，2°时为79.8 ％，1°时为89.2％。对于波浪起伏的水面来说，其平均反射 率为10％。因此，总的说来水面比陆面反射率稍小一些。
太阳辐射在大气中的减弱
它是波长与温度的函数。
太阳表面温度6000K，太阳辐射最强的波长为0. 太阳辐射光谱和太阳常数
气象学与气候学第二章 第一节 太阳辐射ppt
• 黑体的总放射能力与它本身的绝对温度 的四次方成正比：
• ET=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。
维恩 (Wilhelm Wien 德国人 1864-1928) 热辐射定律的发现
等各种颜色组成的光带，其中红光波长最长，紫光波长最短。其他各色 光的波长则依次介于其间。波长长于红色光波的，有红外线和无线电波； 波长短于紫色光波的，有紫外线，X射线、丫射线等，这些射线虽然不 能为肉眼看见，但是用仪器可以测量出来(图2-1)。
v气象上着重研究的是太阳短波辐射（0.15－4 µm） 和地气长波辐射（3－120 µm）。
4
一、辐射的基本知识
3. 波长：电磁波长范围有很大的差异，如宇宙射线的波 长为10-10 微米，而无线电波长可达几公里根据波长可将 电磁波分为γ射线、χ射线、紫外线、可见光、红外线、 无线电波。
气象学研究的是太阳、地球、大气的热辐射，他们的 波长范围大约在0.15~120微米。
可见光经三棱镜分光后，成为一条由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫
等。各种波长的太阳辐射都要被散射。 如：当空中存在较多的尘埃、或雾等粗 粒时，太阳辐射的长短波都被同等的散 射，使天空呈现灰白色，也叫漫射。
云层、尘埃具有强烈的反射作用对各种波段的光都反射，因
而呈白色。随着云层增厚反射能力也增强。平均为50%——
55%：高云25％；中云50％；低云65％；薄云10－20％；厚云 90％。
纬度越低总辐射越大。反之，越小。
一般情况下，一年中总辐射量最大的时候往往不会 出现在雨季云量最大的时间。在我国北方出现在雨季到 来之前的5、6月份。
新教材高中地理 第二章第二节 大气受热过程和大气运动(第1课时)大气受热过程讲义 新人教版必修第一册
第1课时大气受热过程知识清单一大气的受热过程1.大气的热源：太阳辐射是地球大气最重要的能量来源；地面长波辐射是近地面大气主要的、直接的热源。
2.两个过程[微思考]为什么同一纬度的地方“高处不胜寒”？提示气温的高低取决于大气获得能量的多少，而近地面大气最主要、最直接的热源来自地面辐射。
因此，近地面大气温度随高度增加而降低。
知识清单二大气对地面的保温作用1.热量在地面与大气之间的传递过程2.大气对地面的保温作用[微思考]为什么阴天时的气温日较差小于晴天时的气温日较差？提示阴天时，白天多云，对太阳辐射的削弱作用强，因此到达地面的太阳辐射较少，气温较低。
夜晚多云，大气逆辐射作用强，对地面的保温作用强，夜晚气温较高。
因此阴天气温日较差较小。
大气削弱作用弱则保温作用也弱大气对太阳辐射的削弱作用与对地面的保温作用呈正相关，即削弱作用弱则保温作用也弱，如青藏高原上空的大气对太阳辐射削弱作用弱，太阳辐射强度大，但保温作用也弱，因此青藏高原上气温不高。
白天，大气对太阳辐射起到削弱作用的同时也对地面起着保温作用，而夜晚因没有太阳辐射，因此大气不再有削弱作用，只对地面有保温作用。
霜冻为什么多出现在秋冬季节晴朗的夜晚？提示一是秋冬季节气温较低，二是晴天晚上云少，大气逆辐射弱，保温效果差，当温度低到0 ℃以下时，就会出现霜冻。
任务清单一大气对太阳辐射的削弱作用情境探究[情境] 交通信号灯是指挥交通运行的信号灯，一般由红灯、绿灯、黄灯组成。
红灯表示禁止通行，绿灯表示准许通行，黄灯表示警示。
[探究] 在日常生活中，我们经常看到交通红绿灯，它美丽而又醒目。
然而，当我们提出为什么要用红绿灯作交通指示灯？而又为什么偏偏规定为红灯停绿灯行呢？请小组合作探究蕴藏着的科学道理。
提示波长短的光容易被散射掉，绿光的波长比红光的波长短，所以绿光比红光容易被散射掉，而红光相对表现出较强的穿透能力，若遇上不好的天气，可使驾驶人员首先看到红灯，从而提醒驾驶员尽早减速以保证行车安全。
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K=273+℃
2.辐射的波粒二项性：
辐射的波动性 辐射的粒子性
辐射的波动性
电磁波的性质是用波长（ λ）和频率（ν）表示 波长的单位μm(微米）或nm(纳米） 频率的单位是：赫兹 1 μm=10-6m 1nm= 10-9m
第二章
大气的热能和温度
大气的冷暖变化，在空间分布上不均衡，在时间上存在周 期性变化和非周期性变化。 问题：这种变化是怎样形成的?能量来自何处?
本章将介绍地球上热量的基本来源太阳辐射，并着重分析 太阳辐射通过下垫面引起大气增温、冷却的物理过程。在 此基础上，再讨论大气温度随时间变化和空间分布的一般 规律。
e h e h c
h：普朗克 常数
h=6.63× 10-34 J· S 例：0.4μm是可见光中的蓝紫光，它的每个光量子 所含能量是多少？ e=hc/λ =6.63×10-34J.S×3.0×108m/s /0.4×10-6m =4.97×10-19J
3.有关辐射的基本物理量
辐射通量： 单位 焦耳/秒
Qa Qr Qt 1 Q Q Q
Qa Qr Qt 1 Q Q Q
式中左边第一项 项
Qr r Q
Qa Q 为吸收率；第二
，称为反射率(物体反射的辐射与投
Qt t ，称为 射于其上的总辐射之比)；第三项 Q
透射率(透过物体的辐射与投射于其上的总辐射 之比) .
即
a + r + t=1
物体对辐射吸收、反射、透射的选择性：
同种物体对不同波长的辐射有不同的吸收率、反射率、 透射率。 例如：
雪面对红外线 雪面对可见光
黑体、绝对黑体、灰体
黑体：a=1
绝对黑体：对任何波长的 a=1
若某一物体只对某一波长的辐射全部吸收，则称此 物体对该波长为黑体
灰体：a<1,且a 不随波长而改变
黑体辐射能力与其表面绝对温度的4次方成正比
ET T
4 4
ET T
（4）、维恩位移定律
黑体辐射能力最大值所对应的波长与其绝对温度成 反比
max
2897 T
二、太阳辐射
太阳辐射：太阳是一个巨大的炽热的气体恒星球，其表面 温度约为6,000K，内部的温度更高。太阳时刻不断地向周 围空间放射出巨大的能量，称太阳辐射。 太阳辐射的辐射通量为3.83×1026W 地球上获得的太阳辐射大约只占其向空间辐射总能量的二 十亿分之一，约1.74×1017W 投射到整个地球上的一束太阳光，可以近似作平行光处理。
太阳、地球
5、辐射的基本定律
基尔霍夫定律 普朗克第二定律 斯蒂芬—波尔兹曼定律 维T T
根据这一定律，可以推出两点结论：
（1）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，所以它也是最强的放射物体。 （2）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。
c
C:光速3×108m/s
电磁波谱：各种不同波长（或频率）的电磁波依次从大到小可 排列为一个谱系，称为电磁波谱
从长波到短波包括：
长波无线电波、短波无线电波、红外 线、可见光、紫外线、 χ 射线、 γ射线、宇宙射线、
气象学研究电磁波谱的范围：
包括：太阳、地球表面、大气辐射， 波长大致在0.15-120μm之间， 紫外线 可见光 红外线
单位时间内通过或到达任意表面的辐射能
辐射通量密度：单位：瓦/米2
单位面积上的辐射通量
辐射通量密度
因其没有限定方向，所以根据辐射方向的不同，将辐射通量密度分 为
辐出度：放射体表面所放出去的辐射通量密度 辐照度：到达接受面的辐射通量密度
可见光的度量不用能量单位而用光能单位
光照度（照度):单位面积上接受的光通量 单位：勒克斯（LUX)
勒克斯：它是以1国际烛光的点光源为中心，以一米为半径的 球面上所得到的照度。（1勒克斯=1流明/1米2）
4.物体对辐射的吸收、反射和透射
对于自然界中的任何物体来讲，它既是一个放射体， 也是一个接收体，任何物体对于投射到它上面的辐射 能都不会全部吸收，总是有一部分被反射，有一部分 被透射。 反射辐射 入射辐射Q
Qr
吸收Qa
Q=Qa+Qr+Qt
Qt透射
物体对辐射 吸收、反射 透射的能力
吸收率（a) absorptivity 反射率 (r) reflectivity 透射率 (t) transmissivity
设投射到物体上的总辐射能量为Q；被吸收、反射、 透射的量分别为Q a、Qr、Qt。 根据能量守恒原理，则： Q a +Qr+Qt=Q 将上式两端除以Q，则得：
太阳辐射 99%的能量 0.15-4.0 μm
地球表面和大气辐射 3-120 μm
短波辐射
长波辐射
辐射的粒子性
辐射的粒子学说认为，电磁辐射是 由具有一定质量、能量和动量的微粒组 成，这些微粒称为量子或光量子 （quantumn)
每个量子所具有的能量e(energy) 可由普朗克第一定律：计算得出
该定律的意义：它把物体的发射与吸收联系起来，只要 知道某物体的吸收率就可以知道其发射率，反之亦然。
（2）、普朗克第二定律
普朗克根据辐射过程具有量子性的假设，导出了与试 验相符合的普朗克公式，求出了黑体辐射能力与黑体 温度与波长的关系
2hc EB 5 exph c KT 1
2
由普朗克公式可做出不同温度下绝对黑体的辐射能力随波长 的分布曲线
结论： a. 理论上，任何温度的绝对黑体都发射波长0~∞μm的辐射， 但是温度不同，辐射能力也不同，辐射能集中的波段也不 同 b. 在每一温度下，黑体辐射都有一辐射能最强的波长，称 辐射峰值（λmax) ，温度越高λmax 越短，
(3)、斯蒂芬—波尔兹曼定律
第一节 太阳辐射
一、辐射的基本知识
1.辐射的概念
2.辐射的波粒二象性 3.有关辐射的基本物理量 4.物体对辐射的吸收、反射和透射 5.辐射的基本定律
1.辐射的概念
定义：自然界中的一切物体，只要其温 度高于绝对零度，就会不停的以电磁波或 粒子的形式向外传递能量，这种传递能量 的方式叫辐射，通过辐射的方式传递的能 量称为辐射能。