四 大氣系統(tǒng)能量收支與平衡PPT課件

.,1,本章內(nèi)容,大氣熱量傳輸,大氣的吸收、發(fā)射與溫室效應,大氣輻射與地球能量平衡,第四章大氣系統(tǒng)的能量收支與平衡,.,2,3.1大氣熱量傳輸,太陽-電磁輻射，一年地球可獲得5.510的24方J的能量。認為太陽輻射能是地面和大氣的唯一能量來源。,.,3,溫度表示物體的冷熱程度，是物體分子平均動能的反應。對其加熱時，空氣分子運動速度加快，同時也將運動更遠的距離，結果是空氣的密度減小。相反，如果將這塊空氣冷卻，分子運動速度減慢，分子之間也更加接近，從而使空氣密度增大。暖空氣密度小、冷空氣密度大的特性。,.,4,一潛熱,水的相變相變過程所需要的熱能稱為潛熱潛熱，“固定”、溫度不變?nèi)诨?、蒸發(fā)、升華過程使環(huán)境空氣溫度下降。凝結、凍結、凝華過程使環(huán)境空氣溫度升高。,.,5,.,6,在1個大氣壓0的情況下，1千克質(zhì)量的冰轉(zhuǎn)變成同溫度的水，要吸收79.6千卡的熱量。升華熱在數(shù)值上與熔解熱和汽化熱之和相等。潛熱是大氣能量的重要來源之一。,.,7,二傳導,以物質(zhì)作為介質(zhì)的熱量傳遞方式稱為傳導。物質(zhì)熱傳導率(W/m.)表物質(zhì)的熱傳導率,.,8,三，對流,通過流體（如水和空氣）的運動進行的熱量傳遞方式稱為對流。通過空氣的水平運動產(chǎn)生的空氣屬性的輸送被稱為平流。,.,9,四，輻射,下面一些重要的事實和規(guī)律需要我們首先掌握：1所有物體（溫度大于絕對零度），無論其大小如何，都向外發(fā)出輻射。2一個物體發(fā)出輻射的波長主要取決于它的溫度。物體溫度越高，發(fā)出輻射的波長越短。同樣道理，物體溫度越高，發(fā)出的輻射能最大值所對應的波長也越短。這個輻射波長與溫度的關系稱維恩定律（或維恩位移定律）：maxT=2897(umK),.,10,3面積相同的高溫物體與低溫物體相比，在相同時間內(nèi)發(fā)射的總輻射能更多。對同一物體來說，隨著其溫度升高，單位時間內(nèi)也將向外界發(fā)射更多的總輻射能。這種物體發(fā)射的總輻射能與溫度的關系，稱為斯蒂芬玻爾茲曼定律式中=5.67xl0-8Wm-2K-4，稱為斯蒂芬玻爾茲曼常數(shù)。,.,11,太陽輻射,.,12,3.2大氣的吸收、發(fā)射與溫室效應,物體吸收和釋放的能量相等時，其溫度保持不變。黑體：物體完全吸收體，又是完全發(fā)射體?；殷w地球吸收太陽輻射和發(fā)射長波輻射的速率相等，輻射平衡溫度保持不變。地球相應的輻射平衡溫度約為255K（-18），而地球表面平均溫度(288K，15)。？,.,13,一，大氣的選擇性吸收與溫室效應,水汽(H20)和二氧化碳(C02)強烈吸收紅外輻射，但很少吸收太陽輻射中的可見光部分。大氣中吸收相對較弱的選擇性吸收氣體還有一氧化二氮(N20)、甲烷(CH4)和臭氧(03，主要存在于平流層)等，它們在大氣中的含量遠小于水汽和二氧化碳。增大空氣的平均動能，結果使得氣溫增高。地球表面發(fā)射的大部分紅外輻射被用于低層大氣的增暖。,.,14,圖大氣的吸收譜（引自Miller，1966）,.,15,圖1大氣層外和海平面上的太陽輻射通量與6000K黑體輻射的比,.,16,水汽和二氧化碳除了選擇性吸收之外，同時選擇性地向各個方向發(fā)射紅外輻射，其中一部分朝向地球的輻射可能到達地球表面并被吸收，從而使地表溫度升高。同時地表向上發(fā)射的紅外輻射又被低層大氣吸收，使近地層大氣增溫。大氣的垂直結構?！皽厥倚?、大氣效應、大氣溫室效應。,.,17,8至11微米，大氣窗口。當有云存在時，關閉了大氣窗口。云的存在往往使夜間溫度升高而白天溫度降低。使地球表面的溫度保持在一個適宜的水平。,.,18,二，溫室效應的增強,基本上達成共識，認為過去100年來地球表面氣溫大約升高了0.60C。全球變暖的主要原因是化石燃料燃燒和森林砍伐導致二氧化碳這一溫室氣體濃度的不斷升高。然而，其他一些溫室氣體(如甲烷(CH4)，氧化亞氮(N20)氯氟烴化合物(CFC)等）的濃度在近年來也在不斷升高，這些氣體共同產(chǎn)生的溫室效應也相當可觀。CH4和N20能強烈吸收紅外輻射，氯氟烴化合物中的CFC-12能吸收811微米大氣窗區(qū)的輻射。從對紅外輻射的吸收能力來看，大氣中一個CFC-12分子的作用相當于大氣中增加了1萬個二氧化碳分子。,.,19,總體而言，水汽在大氣溫室效應中起到約60%的作用，二氧化碳的作用約占26%，其他溫室氣體的作用約占14%。水汽的反饋云、海洋的反饋,.,20,近萬年來全球大氣溫室氣體濃度變化到2005年,二氧化碳379ppm甲烷1774ppb氧化亞氮319ppb,(IPCCAR4,2007),2005年二氧化碳濃度遠超過近65萬年以來的自然變化（180-330ppm），其在近十年的增長速率為每年1.9ppm，高于有連續(xù)直接觀測以來的平均每年1.4ppm。2005年甲烷濃度遠超過近65萬年以來的自然變化（320-790ppb），自20世紀90年代以來，其增長速率已下降。2005年氧化亞氮濃度為319ppb，遠高于工業(yè)化前的約270ppb，其增長速率自1980年以來已大致穩(wěn)定。,.,21,溫度距平(),年距今,人類活動擾動,目前的CO2濃度是42萬年來的最大值。83萬年來，仍是最大值,(redrewfromPetitetal.1999),南極東方站（Vostok）測量的大氣CO2濃度變化,（IPCC，2001）,.,22,工業(yè)化（1750年）以來，大氣中溫室氣體明顯增加。,年,1000,1200,1400,1600,1800,2000,280,300,320,340,360,濃度,(ppmv),CO2,南極LawDome冰芯資料顯示的近1000年大氣CO2濃度,（IPCC，2001）,.,23,濃度,CO2,(ppmv),2003年5月已達到379ppmv(百萬分之一體積)。CO2濃度2006年已達到382.49ppmv。過去10年中大氣CO2濃度以1.8ppmv/年的速率增長，而過去50年平均僅為1ppmv/年。,379ppmv,（IPCC，2001）,.,24,中國氣象局瓦里關全球大氣本底站大氣CO2濃度測量結果,CO2濃度2006年已高達384.65ppmv。年增長率1.77ppmv,BaselinestationatWaliguan,WestChina,(CAMS/CMA),.,25,瓦里關和MannaLoa的甲烷測量比較,2006年CH4濃度上線：瓦里關：1861.06ppb，年增長率：4.25ppb/yr。下線：MaunaLoa：1809.05ppb，年增長率：3.74ppb/yr。,(CAMS/CMA),.,26,1979-2005年地表（上左），對流層（上右）線性全球溫度趨勢分布。下圖是年全球平均溫度曲線（點）。紅線是線性趨勢（1850-2005）。儀器觀測頭70年（1850-1919）到最近5年（2001-2005）的溫度變化為0.780.18,(IPCC,AR4,2007),.,27,平流層下部,對流層中上部,對流層下部,地表,IPCCAR4,大氣氣溫各層的變化,.,28,2004年5月28日全球同步放映美國大片,后天,劇情：研究氣候變化的科學家哈爾教授，他根據(jù)觀測和研究古氣候的規(guī)律，提出嚴重的溫室效應將造成氣溫劇降，地球?qū)⒃俅芜M入冰河世紀的假設。結果，這個預言變成了現(xiàn)實，龍卷風、海嘯和暴風雪接踵而至，人類陷入了一場空前的末日浩劫。,.,29,2004年5月28日全球同步放映美國大片后天該片的科學依據(jù)是有一天由于氣候變暖，使溫鹽環(huán)流關閉。,.,30,三，地面加熱空氣,太陽輻射向下傳輸時受大氣的影響較小，到達地面后首先加熱地面。傳導從地面獲得能量并向上運動。地面以上幾厘米厚的貼地氣層。暖空氣上升和冷空氣下沉形成熱泡，對流將熱量向上傳遞到較高的高度。水汽凝結為云滴，并釋放出潛熱使空氣溫度升高。與此同時，地球持續(xù)地向上發(fā)射紅外輻射，一部分被溫室氣體（如水汽、二氧化碳等）吸收低層大氣的增溫是從地面開始的。,.,31,3.3太陽輻射與地球能量平衡,一，散射與反射太陽常數(shù)取為1367W/m2太陽輻射進入大氣層后將與大氣發(fā)生多種相互作用。吸收、散射。由于空氣分子的大小遠遠小于可見光的波長，它們散射波長較短的輻射（如藍光）遠比散射波長較長的輻射（如紅光）更有效。天空是藍色的。正午太陽顏色就接近白色。在日出和日落時，看到的太陽呈紅、黃色。,.,32,有選擇性,當太陽輻射在大氣中遇到空氣分子或微小塵埃,.,33,陽光還會被物體反射。