气象学讲课课件

第一章大气

一、大气组成

主要是干洁大气、水汽、气溶胶粒子。

1、干洁大气:不含水汽和气溶胶粒子的混合空气称为干洁大气。

干洁大气中对人类影响较大的成分是N2，O2，O3和CO2。

（1）N2和O2:它们是大气的主要组成部分，但N2利用率低。O2是维持人类及动植物生命活动的气体。

（2）O3:含量很低，集中在20-25km的高空，形成臭氧层。可强烈吸收对生物有害的紫外线。

(3)CO2：是植物生命活动离不了的气体，可吸收地面辐射，对气温影响较大。

2、水汽：主要集中在低层大气中。低纬度地区多于高纬度地区；下层多于上层；夏季多于冬季。含量很少，但是天气变化的重要角色，云、雾、雨、雪的形成都与之有关。

3、气溶胶粒子：悬浮于空气中的固体粒子。包括水滴、冰晶、烟粒、尘埃等。

可充当水汽凝结物，利于云、雨的形成；还可以吸收一部分辐射，对地温、气温有一定影响。

二、大气垂直结构

从下到上有五层：对流层、平流层、中间层、热层、外大气层（散逸层）。

大气底界：即地球的表面。

大气上界：即大气的顶界。

有2种划分方法：根据极光出现的高度估计，在1000—1100km；据人造卫星探测，约在3000km。

（一）对流层

是靠近地表的大气最低层。其厚度随纬度和季节的不同而有变化：低纬度平均为17～18km，中纬度地区为10～12km，高纬度只有8～9km。夏季厚、冬季薄。

特点：

（1）气温随高度升高而降低。垂直递减率为：r= 0.65℃/100m。

（2）空气具有强烈的对流运动。易形成云和降水（雨、雪等）。

（3）温度、湿度等气象要素水平分布不均匀。主要是受地形影响所致。

（二）平流层

从对流层顶到55km的气层。主要特点：

1、垂直气流显著减弱，气流多呈水平运动，故叫平流层。

2、集中了大气中大部分O3

3、下部气温随高度变化小，上部气温随高度升高而显著增加。

4、水汽和尘埃很少，大气能见度好。适合飞机航行。

（三）中间层

从平流层顶到距地面85km 的高度。

主要特点：

1、温度随高度升高而迅速降低，其顶部可下降到-83℃。

2、气流有强烈的垂直运动，故又称高空对流层。

（四）热层（暖层）

从中间层顶到距地面约700km 的气层。

特点：

1、气温随高度升高而迅速升高（因吸收短波紫外线）。

2、空气分子处于高度电离状态。

（五）外大气层（散逸层）

从热层顶以上的大气层。

特点：受地球引力小，高速空气分子常逃到太空，宇宙空间粒子也常进入该层。

第二章辐射

§1 辐射的基本知识

•一、概念

•辐射：物体以电磁波或粒子的形式向外放射能量的现象。

•通过辐射传递的能量叫辐射能。

•辐射通量密度（辐照度）：单位时间、单位面积上发射或吸收的辐射能量。单位：W/m²（瓦/米²）

二、辐射光谱

•气象学研究的辐射波谱范围是0.1～120 μm,即紫外线、可见光和红外线波段。

•太阳辐射波长范围在0.15～4 μm，地面和大气辐射波长在3～120 μm，因此常把太阳辐射称为短波辐射，地球和大气辐射称为长波辐射，以4 μm为分界线。

•辐射的传播不需要中间介质。

三、基本定律

•1、斯蒂芬-波尔兹曼定律

•黑体的辐照度（E）与其表面绝对温度（T）的四次方成正比。

• E= σ T4 σ是斯蒂芬-波尔兹曼常数

•黑体：将投射到其表面上各种波长辐射能全部吸收的物体。

• E= δσT4 δ是灰体常数，在0.80～0.99之间。

•两个公式都表明：物体温度越高，其辐射强度越强。

2、维恩位移定律

•黑体辐射光谱的极大值所对应的波长λmax与其绝对温度T成反比。

•λmax=C/T C为常数，是2897。

•表明：物体温度越高，它所辐射的具有最大能量的波长越短。

§2 太阳辐射

一、太阳辐射光谱和太阳常数

1、太阳辐射光谱

•(1)定义：太阳辐射能随波长的分布。

•2、太阳常数

•当日地处于平均距离时，在被照亮的半个地球的大气上界，垂直于太阳光线，每秒每平方米的面积上，获得的太阳辐射能量叫太阳常数。

•世界气象组织推荐取值1367w/㎡。

二、太阳辐射在大气中的减弱

•太阳辐射在大气层中主要通过大气的吸收、散射和反射三种形式减弱。

1、吸收作用

•大气对太阳辐射的吸收具有较强的选择性，只吸收能量较小的紫外线、红外线，对可见光吸收很少。大约有14%的太阳辐射被大气吸收变为热能。

•通过臭氧、氧气吸收紫外线，二氧化碳、水汽、尘埃、云滴等吸收红外线。

2、散射作用

•（1）分子散射

•空气分子和直径<0.1μm的质点的散射作用叫分子散射。

•波长愈短的辐射，被散射愈多。

•在可见光中，蓝、紫光的波长最短，故被散射的也最多，红、橙光被散射的较少。

（2）粗粒散射

•大气中水滴、冰晶、尘埃、烟粒等质点的直径较大时，对所有的入射光都散射，使天空呈灰白色。

•厚云层平均反射率为50%-55%。因反射作用使约25%太阳辐射返回空间。

•大气对太阳辐射的减弱，反射最多，散射其次，吸收最少。

三、到达地面的太阳辐射

1、直接辐射Rsb：以平行光的形式投射到地面上的太阳辐射。

•影响因素：主要与太阳高度角h、大气质量数m和大气透明系数a有关，还与纬度有关。

（1）太阳高度角(h)