气候系统的能量平衡

I 0T S 2D 2
(sin sin cos cos cos ) d

0
0
I0 m I0 m I 2 Pm sinh 2 Pm (sin sin cos cos cos ) D D
I 0T S 2 2D


0
0
P (sin sin cos cos cos ) d
3.2 大气中的辐射传输过程
吸收
吸收
大气对短波的影响 散射
大气对长波的影响
逆辐射
反射
第 二 大气中太阳辐射传输过程 节
l=0
单色光强度 ： I
• 平面平行大气：大气水平
方向均匀，只考虑垂直方 向上变化的大气模型
z
单位时间、垂直于太阳光 线方向上单位面积、单位 ( Jm2 s 1 m 1 ) 波长的辐射能 经过的路径是：dl 强度减弱: dI
•米散射:尘埃或灰尘（气溶胶）直径比波 长大,各种波长的散射能力相等. Mie散射理论是对处于均匀介质中的各向 均匀同性的单个介质球在单色平行光照射 下的Maxwell方程边界条件的严格数学解。
r D r0
I0 I0 2 D
日地平均距离： r0=1.496×108km
(JM-2S-1)
第 一 节
•太阳高度角: 太阳光线与地球水平面的夹角
Ｄ１ Ａ１ Ｂ１ Ｄ Ｃ１
A1B1C1D1面: 垂直于太阳光线
ABCD面: 平行于地球水平面
Ｃ Ｂ
Ａ
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：
m
0.175-0.2026 ,0.242-0.26
远紫外波段,
m
源自文库
m
(3).大气对太阳辐射的散射
1）定义：大气质点将入射辐射重新向各个方向辐射出去的一种现象． 2）特点：强烈地依赖于粒子尺度与入射波长的相对大小，分为瑞利散射 和米散射．
大气散射特征 其中 入射光的光强分布数
•瑞利散射:空气分子 直径 比波长小(远小于可见光的 波长),散射能力与波长的四 次方成反比
向下午方向到地方时24时:
向上午方向到地方时24时:
=0 =180 = 180
= 180
0时
=90
6时
12时
=0
18时
24时
=90
=180
太阳赤纬又称赤纬角， 是地球赤道平面与太阳和地球中心的连线之间的夹角
h + - = 90°
sinh cos( ) sin sin cos cos cos
I
l dz
h 太阳高度角
dl
z dz
z
I +d I
dl dz sinh
k
地面 称为大气对太阳辐射的质量削弱系数(m2g-1)
dI k dl I
0
从大气顶到Z高度积分,得
z dI I k dl z
l
I I 0 e 0
I 0 大气上界波长为
I 0T 春秋分时：赤纬=0，那么ω =π/2，不同的纬度带： S cos 2 D I 0T 赤道上： =0，那么ω =π/2，不同的时间（季节）： S cos 2 D I 0T 极地上： =±π/2 ，那么夏半年ω =π，冬半年ω =0： S sin 2 D
0 0 0 0
取太阳常数为 1366 W/m2， 算出的日平均 日射值Q随纬 度和一年中各 天的分布。 阴影区为零日射 区。春分、夏至 秋分和冬至的位 置以实线给出， 太阳赤纬以虚线 绘出。
大气外界日射分布
1、由于地球每年一月份最接近太阳，因此南北半球日射 不对称，南半球大于北半球。 2、最大值出现在极点的夏至，因为极昼的缘故。 3、低纬年变化小于高纬，低纬年总量大于高纬。 4、日射随纬度变化，夏季小于冬季。
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 ° ）
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
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 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；
赤道
23 27 N
0
热带 南温带 南寒带
南回归线
南极圈
2327 S
6633S
地球的五带
第 一 节
地球公转示意图 为什么南北回归线都是23.5 °？ 如果地球的黄道面与赤道面夹角为0°或者90 ° ，会怎么样？
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。
到达地面的单色辐射强度为:
I I 0 P
m
I0 m 对所有波长积分,得: I P 2 m D I0 m I0 m I 2 Pm sinh 2 Pm (sin sin cos cos cos ) D D
P 即为大气对太阳辐射所有波长的平均透明系数,简称大气透明系数.
第 一 节
3)照射时间
• 日出到日没的时间间隔
sinh sin sin cos cos cos
I0 I0 I 2 sinh 2 (sin sin cos cos cos ) D D
0 sin sin cos cos cos0 cos0 tg tg
k 为常数
I I 0 e 0
令:
k dl
l
I 0 e
k
0 dl I ek m0 H 0 0
l
P e k 0 H0
P
即为大气对单波 的透明系数
到达地面的单色辐射强度为:
I I P
m 0
I0 I0 I 2 sinh 2 (sin sin cos cos cos ) D D
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dl
A
地面
大阳高度 （h） 大气质量 数（m）
90 1
60
1.15
30
2.0
10
5.6
5
10.4
3
15.4
1
27.0
0
35.4
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• 大气透明度
描述大气对太阳辐射衰减的程度,常用透明系数表示 如果介质的光学性质是均匀的,
0 0
-ω0 为日出时间， ω0 为日落时间 大气上界,某一天,水平面单位面积接受的日辐射量:
I 0T S (0 sin sin cos cos sin 0 ) 2 D
(JM-2)
第 一 节
I0 I 2 (sin sin cos cos cos ) D I 0T S (0 sin sin cos cos sin 0 ) 2 D
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
秋分autumnal equinox
Winter solstice
aphelion Perihelion 春分点Vernal equinox
Summer solstice
日地几何关系示意图
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
I
经过大气到达地面垂直于太阳光线方向上单位面积，单位时间的太阳辐射能 （Jm-2s-1）
I I 0 e 0
k dl
l
I 0 e
k
0 dl I ek m0 H 0 I P m 0 0
0 0
l
dl m dz m H
I0 I0 I 2 sinh 2 (sin sin cos cos cos ) D D
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
北寒带 北温带
6633 N
北回归线
I
Z高度上波长为
k dl
的单色光辐射强度

的单色辐射强度
0 dl z dl
l

为太阳辐射通过大气介质的质量,称为光学路径
•大气质量（单位面积*光学路径）:光在大气中经过一 ds 定长度倾斜路径到达地表面时, 其经历空间中所含大气 物质的质量
dl
•大气质量数(m):实际投射条件下的大气质量与垂直投 射下的大气质量的比值.
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：
I 0 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
地球的赤道平面与黄道平面并不重合，而是有一个交角（二面角），就是黄赤交角。 在公元2000年，这个交角为23°26′21″。
I T o 0 极地在夏半年ω =π，在“夏至”收到的日辐射总量最大： S sin 23 . 5 2 =23.5 D I 0T 赤道上： =0，那么ω =π/2，春秋分时=0 ： S D 2
0
0
极地最大的日辐射总量与赤道最大的日辐射总量的比值：π·sin23.5=1.25倍
书上P23 ③ 极地最大的日辐射总量与同时的赤道日辐射总量的比值：π·tg23.5=1.36倍
0 arccos( tg tg )
I0 ds 2 (sin sin cos cos cos ) dt D T dt dω T =1天 = 24h =86400s 2 I 0T 0ds 0 2D 2 (sin sin cos cos cos ) d
m m
跃迁
原子光谱
氢原子的发射和吸收示意图
2019/1/17 42
SOLAR SPECTRUM
(2).大气对太阳辐射的吸收
1）定义：大气分子被入射太阳辐射激发，由低能级跃迁到高能级的过程称为吸 收。两能级的差就是大气吸收的辐射能量值． 2）主要吸收气体 •氧(O2): 发生在高层大气,波长小于0.26
经向（在同一经度上） 例如“经向速度”或者 “经向风” v
经线的间隔随纬度增大而减小
East China Normal University
第 一 节
太阳辐射
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
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
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）。
I0 sinh 2 sinh I I0 D
(J/M2s)
第 一 节
赤纬

的取值变化于
2327 ~ 2327
冬至:
春分,秋分: 夏至:
23 27 0 23 27
太阳赤纬又称赤纬角， 是地球赤道平面与太阳和地球中心的连线之间的夹角
第 一 节
时角

的取值:
地方时中午12时:
dl m dz
引入均质大气高度H0和密度
0
dz
0
H0
dl dl m dz H
0 0
• 平面平行大气
I
h dz
h
dl
z dz
z
I +d I
dl dz sinh
dl 1 m (h＞30 ) sinh dz dz