现代气候学第三章气候系统的热力过程
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
日地平均距离
赤纬( )； 0 日落时角
（弧度）；
T 一天的秒数 T=243600(s)
第 4.天文辐射日总量的影响因素
一 节
r2 I2
1）日地距离
I1
r1
地球公转示意图
大气上界、任意日地距离时、单位时间、
垂直于太阳光线方向的单位面积上通过
全部波长的太阳辐射能：
I
0
I0 D2
(J/m2s)
D r r0
地面A
z 0
k 称为大气对太阳辐射的质量削弱系数(m2g-1)
• 平面平行大气：大气物理量水 平方向均匀，只考虑垂直方向 上变化的大气模型
第
一 从大气顶到Z高度积分,得
节 l I I0e0kdl
I 0 : 大气上界波长为 的单色光辐射强度
I Z高度上波长为 的单色光辐射强度
l
dl 为太阳辐射通过大气介质的质量,
(某一天日地距离) (日地平均距离)
日地平均距离：14960万km 近日点日地距离：14710万km 远日点日地距离：15210万km
太阳光线
第 2)太阳高度
一 节
地球水平面
hA
A
hB
B
hB
太阳光
大气上界 地球表面
第 一 节
•太阳高度角: 太阳光线与地球水 平面的夹角
Ｄ１
A1B1C1D1面: 垂直于 太阳光线的平面
Ａ１
Ｃ１
Ｂ１
ABCD面: 地球水平面
Ｄ
Ａh Ｂ
Ｃ
任意日地距离（一天）某个时刻、大气上
界、单位时间、地球水平面单位面积接收
到的全部波长太阳辐射能为：
I
I0பைடு நூலகம்D2
sinh
(J/m2s)
第
一 3)日照时间
节
• 日出到日没的时间间隔
si n s ih sn i n c o c s o c s o
日出、日落时刻 sinh0
P 受什么因素影响？
大气质量数m受什么因素影响？ P 受什么因素影响？
第 一 节
l
定义: 0 kdl
称为光学厚度
I I0e
光谱透过率:
e I I 0
光谱吸收率: 1e 1I I0I
I0
I0
光谱吸收函数:
( I 2
1
0
I )d
2
1
I
0
d
第 一
2.大气对太阳辐射的吸收
节
1）定义：大气分子被入射太阳辐射激发，
0
称为光学路径（只与大气有关？）
第 一 节
•大气质量:太阳光投射到地面所经路程中, 单位截面积空气柱的质量.
•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.
m dl dz
引入均质大气高度H0和密度 0
dz0H0 m dl
0H 0
第 一 节
m dl dz
第 一
二.
太阳辐射在大气中的减弱
节 1. 大气中太阳辐射传输过程
单色光强度 ：I
单位时间、垂直于
太阳光线方向上单
位面积、单位波长 的辐射能 (Jm 2s1m1)
l=0
l dz
z
天顶距
I
h zdz dl
经过的路径是 dl
强度变化: d I
dIk Idl
I +d I
dlsdinzhcdozssecdz
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 m
远紫外波段：0.175-0.2026m,0.242-0.26 m
第 一 节
•臭氧(O3): 主要集中在25km的臭氧层,0.220.34 m ，0.32-0.36 m
第三章 气候系统的热力过程
第一节 太阳辐射 第二节 地-气系统的长波辐射 第三节 气候系统的辐射收支 第四节 气候系统的热量平衡 第五节 全球热量平衡
大气圈的平均温度
高于、等于或小于？
水圈、陆圈、冰雪圈及生物圈 （地表圈层）的平均温度
同一纬度水圈与陆圈的平均温度相比， 有怎样的差异？
为什么海洋上气温的日、年较差小 于陆地？
在紫外光区的吸收可表示为
Aou (x)(11 1.03 .68 xx 8)02 .80 510 (1 .00 .6 6x3)5 3 8
令:
P ek0H0
P 即为大气对单波辐射的透明系数
到达地面的单色辐射强度为:
I I0Pm
对所有波长积分, Id I0Pmd
0
0
I
I0Pm
I0
2
Pm
I
0
I0 d
0
Pm Pmd
0
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.
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）
第
一 节
5.天文辐射的时空分布特征
1）年变化（季节变化）：具有以一年为 周期的季节性变化特点，但不同纬度具有 不同的变化幅度，中高纬度的年变化显著， 低纬度的年变化小。 2）空间变化：具有随纬度增高而减小的 趋势。不同季节或不同区域这种趋势有强 弱差异。冬季随纬度增高的减小趋势强， 夏季弱。
作业2
costg tg
0
日出时角 日落时角
某一天的天文辐射日总量就是瞬时太阳 辐射能从日出积分到日落，即
0
0
S日 Id t
0
0
D I02(sinsincoscoscos)2Td
D T20I(0sinsincoscossi n0) (J/m2)
纬 度
冬春 至分
天
春 分
天文辐射日总量时空分布（卡／厘米2）
天顶距
dl(h30)sec
dz
h
大 阳 高 90 60 30 10 5 3 1 0 度 （ h ）
大气质 1 量数 （m）
1.1 2.0 5.6 10. 15. 27. 35.
5
4404
• 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, k 为常数
I I0 e 0 lk d lI0 e k 0 ld lI0 e k m 0 H 0
一年里，照射气候系统的太阳 辐射为多少？假设地球近似为 一半径R的球体。
3. 天文辐射日总量—地球表面单位面积一 天内接收到的全部波长的太阳辐射能
S 日 D T 2 0( I 0s is n i n c o cs o ss i0 n )(J/m2)
D r r0
纬度 ( )；
某一天日地距离
1计算北纬20、40度处， 春分、夏至和冬至 的日照时间、中午时刻的太阳高度角和天文辐 射日总量（日地距离近似等于日地平均距离）， 由此分析两纬度处日照时间、中午时刻的太阳 高度角和日射量的季节演变。
2 计算地球在近日点和远日点处，地球上照射 到的太阳辐射占日地平均距离处的比例。
3北纬30度处,南面建筑物的高度是20m,间隔 是30m,试计算冬至和夏至该处的天文辐射日 总量。
赤纬( )； 0 日落时角
（弧度）；
T 一天的秒数 T=243600(s)
第 4.天文辐射日总量的影响因素
一 节
r2 I2
1）日地距离
I1
r1
地球公转示意图
大气上界、任意日地距离时、单位时间、
垂直于太阳光线方向的单位面积上通过
全部波长的太阳辐射能：
I
0
I0 D2
(J/m2s)
D r r0
地面A
z 0
k 称为大气对太阳辐射的质量削弱系数(m2g-1)
• 平面平行大气：大气物理量水 平方向均匀，只考虑垂直方向 上变化的大气模型
第
一 从大气顶到Z高度积分,得
节 l I I0e0kdl
I 0 : 大气上界波长为 的单色光辐射强度
I Z高度上波长为 的单色光辐射强度
l
dl 为太阳辐射通过大气介质的质量,
(某一天日地距离) (日地平均距离)
日地平均距离：14960万km 近日点日地距离：14710万km 远日点日地距离：15210万km
太阳光线
第 2)太阳高度
一 节
地球水平面
hA
A
hB
B
hB
太阳光
大气上界 地球表面
第 一 节
•太阳高度角: 太阳光线与地球水 平面的夹角
Ｄ１
A1B1C1D1面: 垂直于 太阳光线的平面
Ａ１
Ｃ１
Ｂ１
ABCD面: 地球水平面
Ｄ
Ａh Ｂ
Ｃ
任意日地距离（一天）某个时刻、大气上
界、单位时间、地球水平面单位面积接收
到的全部波长太阳辐射能为：
I
I0பைடு நூலகம்D2
sinh
(J/m2s)
第
一 3)日照时间
节
• 日出到日没的时间间隔
si n s ih sn i n c o c s o c s o
日出、日落时刻 sinh0
P 受什么因素影响？
大气质量数m受什么因素影响？ P 受什么因素影响？
第 一 节
l
定义: 0 kdl
称为光学厚度
I I0e
光谱透过率:
e I I 0
光谱吸收率: 1e 1I I0I
I0
I0
光谱吸收函数:
( I 2
1
0
I )d
2
1
I
0
d
第 一
2.大气对太阳辐射的吸收
节
1）定义：大气分子被入射太阳辐射激发，
0
称为光学路径（只与大气有关？）
第 一 节
•大气质量:太阳光投射到地面所经路程中, 单位截面积空气柱的质量.
•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.
m dl dz
引入均质大气高度H0和密度 0
dz0H0 m dl
0H 0
第 一 节
m dl dz
第 一
二.
太阳辐射在大气中的减弱
节 1. 大气中太阳辐射传输过程
单色光强度 ：I
单位时间、垂直于
太阳光线方向上单
位面积、单位波长 的辐射能 (Jm 2s1m1)
l=0
l dz
z
天顶距
I
h zdz dl
经过的路径是 dl
强度变化: d I
dIk Idl
I +d I
dlsdinzhcdozssecdz
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 m
远紫外波段：0.175-0.2026m,0.242-0.26 m
第 一 节
•臭氧(O3): 主要集中在25km的臭氧层,0.220.34 m ，0.32-0.36 m
第三章 气候系统的热力过程
第一节 太阳辐射 第二节 地-气系统的长波辐射 第三节 气候系统的辐射收支 第四节 气候系统的热量平衡 第五节 全球热量平衡
大气圈的平均温度
高于、等于或小于？
水圈、陆圈、冰雪圈及生物圈 （地表圈层）的平均温度
同一纬度水圈与陆圈的平均温度相比， 有怎样的差异？
为什么海洋上气温的日、年较差小 于陆地？
在紫外光区的吸收可表示为
Aou (x)(11 1.03 .68 xx 8)02 .80 510 (1 .00 .6 6x3)5 3 8
令:
P ek0H0
P 即为大气对单波辐射的透明系数
到达地面的单色辐射强度为:
I I0Pm
对所有波长积分, Id I0Pmd
0
0
I
I0Pm
I0
2
Pm
I
0
I0 d
0
Pm Pmd
0
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.
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）
第
一 节
5.天文辐射的时空分布特征
1）年变化（季节变化）：具有以一年为 周期的季节性变化特点，但不同纬度具有 不同的变化幅度，中高纬度的年变化显著， 低纬度的年变化小。 2）空间变化：具有随纬度增高而减小的 趋势。不同季节或不同区域这种趋势有强 弱差异。冬季随纬度增高的减小趋势强， 夏季弱。
作业2
costg tg
0
日出时角 日落时角
某一天的天文辐射日总量就是瞬时太阳 辐射能从日出积分到日落，即
0
0
S日 Id t
0
0
D I02(sinsincoscoscos)2Td
D T20I(0sinsincoscossi n0) (J/m2)
纬 度
冬春 至分
天
春 分
天文辐射日总量时空分布（卡／厘米2）
天顶距
dl(h30)sec
dz
h
大 阳 高 90 60 30 10 5 3 1 0 度 （ h ）
大气质 1 量数 （m）
1.1 2.0 5.6 10. 15. 27. 35.
5
4404
• 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, k 为常数
I I0 e 0 lk d lI0 e k 0 ld lI0 e k m 0 H 0
一年里，照射气候系统的太阳 辐射为多少？假设地球近似为 一半径R的球体。
3. 天文辐射日总量—地球表面单位面积一 天内接收到的全部波长的太阳辐射能
S 日 D T 2 0( I 0s is n i n c o cs o ss i0 n )(J/m2)
D r r0
纬度 ( )；
某一天日地距离
1计算北纬20、40度处， 春分、夏至和冬至 的日照时间、中午时刻的太阳高度角和天文辐 射日总量（日地距离近似等于日地平均距离）， 由此分析两纬度处日照时间、中午时刻的太阳 高度角和日射量的季节演变。
2 计算地球在近日点和远日点处，地球上照射 到的太阳辐射占日地平均距离处的比例。
3北纬30度处,南面建筑物的高度是20m,间隔 是30m,试计算冬至和夏至该处的天文辐射日 总量。