第二章大气的热能与温度201033

——空气的绝热变化
非绝热变化是引起对流层大气温度变化的根本原因，绝热变化 只发生在某一做升降运动的气块中，对整个对流层大气来讲没任何 影响。
（一）气温的非绝热变化
空气的非绝热变化是由地面和大气间的热量交换完成的。 空气与外界交换热量方式： 传导：空气是热的不良导体 ，地面与空气或空气与空气之间靠 分子传导方式传递的热量很少。 辐射：地面与大气间热交换的主要方式 对流：地面和低层大气的热量向高层传递的重要方式。 湍流（乱流）：是地面和摩擦层空气热量交换的重要方式之一 潜热交换 ：在地面与空气间进行，空气与空气之间均可进行 。 切不可小视相变潜热的变化，台风破坏力巨大，正是源于 赤道洋面上海水强盛的蒸发蓄积的能量。
（三）地面有效辐射 F0

1.地面有效辐射：


地面有效辐射＝地面辐射-大气逆辐射
F0 =Eg-δEa
2.影响地面有效辐射的因素 （1）水汽：能强烈吸收地面辐射，使大气逆辐射增强。 —— “阴夜暖，晴夜寒”。 （2）风：风能促进上、下层空气的热量混合交换，使地面有效辐射减小。 ——晴朗无风的夜晚易形成露和霜。 （3）下垫面性质： 有植物覆盖： 起伏不平的地面F0大：地表面积大，辐射散热多。 ——南方人与北方人
水面和陆面对太阳辐射的吸收和反射不同
水面和陆面的导热方式不同。 海水对太阳辐射基本上是透明的
海水有充足的水源，它的蒸发量大，失热较多，水温不 易升高。海面之上水汽较多，故气温不易下降。陆面正 好相反
作业
1. 为什么太阳辐射叫短波辐射，地面辐射和大气辐 射叫长波辐射？ 2. 为什么赤道并不是地球上最热的地方？ 3. 为什么雨后天晴，天空呈蔚蓝色？阴天天空呈灰 白色？日出、日落太阳光盘呈红色，中午呈白色？ 4.我国什么地方太阳总辐射量最大？ 5.为什么爬山时越往上越冷？ 6.解释地面有效辐射和地面辐射差额（写出表达 式）。 7.请描述地面辐射差额与温度变化的关系？
也就是说在低纬地区有热量盈余，高纬有热量亏损。如 果高低纬之间没有热量交换，那么低纬地区的温度将因为有 热量盈余而不断升高，高纬则下降。但实际上，高、低纬地 区的温度变化非常微弱。——高低纬间存在着热量交换（大 气运动和海水运动 ）
第三节
大气的增温和冷却
一、海陆的增温和冷却的差异（自学）
水面与陆面的比热不同
一个地区在一天中大气透明度的变化很小，所以影响直接辐 射的主要因子是太阳高化和随纬度的 变化。 ——主要由太阳高度角决定
①同一地区，一天中，日出日没时h最小，直接辐射最（）； 中午h最大，直接辐射最（）。 一年中，夏季直接辐射最（）。
②不同地区，低纬一年各季h都较大，得到的直接辐射（）。
结论：在吸收、散射和反射三种方式中，反射最主要，
散射次之，吸收最少。就全球平均状况而言，太阳辐射 有37%被反射和散射到宇宙空间，6%被吸收，57%可直 接到达地面。
（三）到达地面的太阳辐射
太阳辐射经过地球到达地面，到达地面的太阳辐射有两 部分：太阳直接辐射和散射辐射。
总 辐 射
直接辐射：太阳以平行光线的形式直接投射到地面上的部分 散射辐射 ：经过散射后自天空投射到地面的部分
（二）大气逆辐射与地面有效辐射
地面辐射方向向上，将能量传给上层大气（二氧化碳和水汽吸收）占93%，只 有7%逸出大气，而大气对太阳辐射的吸收仅为大气上界的6%，所以，地面才 是近层大气的直接热源。
大气辐射的方向是投向四面八方的，其中投向地面的部分与地面辐射方向相反， 故称为大气逆辐射。大气以逆辐射方式把一部分能量归还给地面。 大气保温效应（温室效应）
（1）分子散射：当空气质点直径D ＜入射波波长λ时。 其散射越强与入射波波长的四次方成反比。波长越短，散射越强。 （2）粗粒散射： D ＞ λ ，也叫漫射。 散射越强与入射波波长无关，即不同波长的光具有同等的散射能力。
思考：
信号灯？ 雪过天晴背影颜色？
3.大气的云层、尘埃的反射——27%
大气中云层和较大颗粒的尘埃能将太阳辐射中一部分能量反 射到宇宙空间去。 云层的反射最强，一般对太阳辐射的反射可达50-55%， 云层很厚时可达80%以上。 !赤道并不是地球上最热的地方
1.直接辐射
（1）影响因子：主要是太阳高度角和大气透明度。
太阳高度角
①太阳高度角大，辐射强度越高。I=Iosinh
②太阳高度角大，太阳辐射穿过大气路径越 短，吸收、散射、反射机会少，到达地面的 太阳直接辐射能越多。
大气透明度大气透明度越高，吸收、散射、反射掉的能量越 少，到达地面的太阳直接辐射能越多。大气中水汽、水滴、 微尘杂质越少，大气透明度越高。
地面是近层空气的直接热源，所以R值不仅决定着地面的热状 况，而且决定着近地气层的热状况，是决定土壤温度和近层 空气温度的能量基础，
地面辐射差额的时空分布
一天中，地面辐射差额白天为（正）值，夜间 为负值。由负转正的时刻一般在（日出后 1h 左右）， 由正转到负的时刻一般在（日落前1h左右）。 年变化随纬度而异，纬度愈低，辐射差额保持 正值的月份愈（多），反之愈（少）。
人体辐射λm=9.4μm ，人体辐射被称为（
）辐射。
二、太阳辐射
（一）太阳辐射光谱与太阳常数
1.太阳辐射光谱——太阳辐射中，辐射能按波长大小的分布。
大气上界的太阳辐射光谱是连续光谱，波长在 0.1-5μm。太阳辐射光谱分三个光谱区： 红外线光谱区：λ＞0.76μm，占总能的43%。
可见光光谱区： 0.76-0.4μm，占总量的50%。
我国大部分地区处中纬度地带，其辐射差额的 年际变化随纬度和地理条件而异。一般夏季地面辐 射差额大，冬季小。
（二）地-气系统的辐射差额（了解）
把地面和大气看作一个系统（整体）来研究，其总辐射差额 为：
R5=（Q+q）（1-a）+qa-F∞
地-气系统的辐射差额随纬度增高而由正值变为负值。在 S35 ° -N35°之间为正值，在此范围之外的中高纬地区为负值。
思 考
(1)地面获得的总辐射一般来说是随着太阳高度的增大而（ ） (2)随大气透明度的提高而（ ）。 随纬度降低而（ ）。 (3)我国哪个地区太阳总辐射最强？ (4)赤道地区的太阳辐射比副热带地区（ ）。 (5)（ ）夏季高纬地区太阳辐射日总量与低纬地区相差不多。
小结：太阳总辐射大，地面获得热量多，地面温度就高——地面
（二）辐射的基本定律
基 尔 荷 夫 定 律 斯 蒂 芬 玻 耳 兹 曼 定 律 维 恩 位 移 定 律
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1.基尔荷夫定律
在一定温度下，任何物体对于一定波长的放射率和 吸收率的比为一常数 该常数仅与波长和温度有关，而 与物体的性质无关。 ①对于不同物体而言，放射能力强的，其吸收能力也强。 黑体的吸收率最大，所以它也是最好的放射体。 ②对于同一物体而言，如果在一定温度下放射某一波长的 辐射，那么在同样温度下也吸收同一波长的辐射。 基尔荷夫定律适用于处于辐射平衡的任何物体
2.大气对太阳辐射的散射——10%
散射：当太阳光遇到大气中各种微小质点时，这些空气质点就会
使光线的传播方向发生改变，由平行光线变为以散射质点为中心，向 四面八方传播。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，使到达地面的太阳辐射减少。散射仅发生在可见光区 。
解释现象：日出日落时太阳光盘是红色的，而中午是白色的？ 解释现象：雨过天晴，天空呈蔚蓝色？ 解释现象：阴天或大风时天空是灰蒙蒙的乳白色？
章节介绍
第一节 太阳辐射
第二节 地面和大气辐射
第三节 第四节 第五节 大气的增温和冷却 大气温度随时间的变化 大气温度的空间变化
第一节 太阳辐射
一、辐射的基本知识
（一）辐射与辐射能
1.辐射的基本概念
2.物体对辐射的吸收、反射和透射：
吸收率a、反射率r、透射率d：a+r+d=1 黑体——在热力学上指能把入射的电磁波全部吸收， 既没有反射，也没有透射的理想物体 白体——凡是将辐射热全部反射的物体称为绝对白体

二、大气的增温和冷却
空气内能变化的两个物理过程：
一是空气、地面和太阳有热量交换，因而引起空气内能的增减 ——空气的非绝热变化 二是空气做垂直升降运动，由于体积的大小随气压的变化而变化， 进而影响到内能的增减。而气块与周围大气热量交换很少。（空气 是热的不良导体，空气垂直升降过程中速度很快，可视为绝热）。

（4）海拔：高，空气稀薄，大气逆辐射减小，E加强。高原地区昼夜温差大。
二、地面及地-气系统的辐射差额
（一）地面的辐射差额
——地面辐射能的收入与支出之差。
Rg=（Q+q）（1-a）-F0 R为正值：辐射能收入大于支出，地面温度升高； R为负值：辐射能收入小于支出，地面温度下降。 所以，R值的正负直接影响地面温度的高低。
一、地面、大气的辐射和地面有效辐射 （一）地面辐射和大气辐射
地表平均温度300K（27℃），大气平均温度250K（23℃） ，辐射波 长3-120um（红外线），λm为10-15um，地面和大气辐射为长波辐射。
太阳地表平均温度6000K，辐射波长0.15-4um（红外线），λm为 0.48um——太阳辐射为短波辐射。
(二)气温的绝热变化
1.干绝热变化与干绝热直减率： 做垂直升降运动的气块是干空气或未饱和的湿空气，在垂直 升降过程中无水的相变——干绝热变化
2.散射辐射
影响因素：
主要是太阳高度、大气透明度，同时与云量、海拔高
度有关。同样散射辐射的变化也主要决定于太
阳高度角，一天中正午最（ ），一年中夏 季最（ ）。
随高度角增大而增大。
随大气透明度变小（散射质点多）而增大。
随云量增多而增多。 随海拔增大而减小。
影响因素：
3.总辐射
（1）纬度位置：低纬太阳高度角大，大气路程短，到达地面的太阳辐射就强； 反之，则弱。这是太阳辐射从低纬向两极递减的原因之一 2．天气状况：天气晴朗，大气的减弱作用弱，到达地面的太阳总辐射就强。如 赤道地区赤道低压控制多阴雨天气，而副热带地区副高控制多晴朗天气，所以赤 道的太阳辐射（ ），副热带地区太阳辐射（ ）。 3．海拔高度：海拔高，空气稀薄，大气的减弱作用弱，到达地面的太阳辐射就强。 如（ ）是我国太阳辐射最强的地区，主要就是这个原因。 4．日照时间：日照时间长，获得太阳辐射多。夏半年，高纬地区白昼时间长， 在一定程度上弥补了太阳高度角低损失的能量。因此，夏季高纬地区太阳辐射日 总量与低纬地区相差不多。