氣象學與氣候?qū)W-第二章復習過程

氣象學與氣候?qū)W-第二章教學目標了解氣候形成輻射因素基本概念及基本原理；理解氣候形成的熱力因素及其轉(zhuǎn)換機制；掌握大氣中的各種熱力過程狀況及氣溫的時空分布特點。第二章氣候形成的輻射和熱力因素2教學要點重點氣候形成的輻射因素基本概念、原理、熱力因素及轉(zhuǎn)換機制；大氣中各種熱力過程狀況及氣溫的時空分布特點。難點：氣候形成的熱力因素及其轉(zhuǎn)換機制。第二章氣候形成的輻射和熱力因素3引言氣候形成的因素太陽輻射（SolarRadiation）：大氣活動的能量之源，大氣過程的主宰力量（外部因素）。大氣環(huán)流（AtmosphericCirculation）：輸送熱量和水分的機制，是直接控制氣候變化過程的因素（內(nèi)部因素）。地理環(huán)境（GeographicalEnvironment）：下墊面的影響（大氣直接的熱源和水源）、人類活動的影響（釋放能量、改變地表特性等）。第二章氣候形成的輻射和熱力因素4輻射基礎(chǔ)知識輻射（Radiation）：自然界中的一切物體都以電磁波的方式向四周放射能量的方式。輻射能（RadiationEnergy）：通過輻射傳播的能量，簡稱輻射。輻射是能量傳播方式之一，也是太陽能傳送到地球的唯一途徑。輻射能通過電磁波的方式、以光速傳播，其傳播既不靠有形介質(zhì)，也不靠對流。第二章氣候形成的輻射和熱力因素5輻射光譜（RadiationSpectrum）：輻射能隨波長的分布函數(shù)。輻射能通過電磁波的方式傳輸，且電磁波的波長范圍很廣，從波長10-10m的宇宙射線，到波長達幾km的無線電波，波譜極其寬廣。氣象學著重研究的是太陽、地球和大氣的熱輻射。它們的波長范圍大約在0.15～120m之間。各種輻射的波長范圍第二章氣候形成的輻射和熱力因素6物體對輻射的吸收、反射、透射假設(shè)投射到物體上的總輻射為，被吸收的為，被反射的為，透過的為，根據(jù)能量守恒原理，則有關(guān)系式：吸收率（Absorptivity）：物體吸收的輻射與投射于其上的輻射之比。反射率（Reflectivity）：物體反射的輻射與投射于其上的輻射之比。透射率（Transmissivity）：透過物體的輻射與投射于其上的輻射之比。第二章氣候形成的輻射和熱力因素7三者的和等于1，即：，且都是0～1之間變化的無量綱量。物體的吸收率、反射率和透射率大小隨著輻射的波長和物體的性質(zhì)而改變。輻射的基本定律基爾霍夫（GustavRobertKirchhoff）定律：物體的吸收和輻射能力之間，即吸收和輻射光譜之間，存在著一定的關(guān)系。第二章氣候形成的輻射和熱力因素8基本形式：該式表明：一定波長、溫度下，物體的吸收率等于該物體同溫度、波長的放射率。即對不同物體，輻射能力強，吸收能力也強，反之依然。黑體吸收能力最強，所以它也是最好的放射體。同溫度下，物體放射某一波長的輻射，也吸收該波長的輻射。第二章氣候形成的輻射和熱力因素某溫度、波長的物體的輻射強度與其吸收率之比值等于同溫度、波長時的黑體輻射強度。9輻射平衡條件下，物體在某波長（）的輻射強度和對該波長的吸收率之比值與物體的性質(zhì)無關(guān)。所有物體，比值只是某波長（）和溫度（）的函數(shù)。該式表明：基爾荷夫定律把一般物體的輻射、吸收與黑體輻射聯(lián)系起來，從而有可能通過對黑體輻射的研究來了解一般物體的輻射，極大簡化了一般輻射的問題。第二章氣候形成的輻射和熱力因素同溫度下，該規(guī)律適用各種波長的輻射體，因此基爾荷夫定律又可寫成：適用性：處于輻射平衡的任何物體。對流層和平流層大氣以及地球表面都可認為是處于輻射平衡狀態(tài)，因而可直接應用。10斯蒂芬－玻耳茲曼定律（Stefan-Boltzmannlaw）：黑體的輻射能力與它本身的絕對溫度的四次方成正比。：斯蒂芬－玻耳茲曼常數(shù)，其值為。該式表明：高溫物體在單位面積上放射的能量比低溫物體多。第二章氣候形成的輻射和熱力因素11維恩（Wien）位移定律：黑體單色輻射強度極大值所對應的波長與其絕對溫度成反比，即：若波長以微米為單位，則常數(shù)

，則：該式表明：物體溫度愈高，其單色輻射極大值所對應的波長愈短；反之，物體溫度愈低，其輻射的波長則愈長；輻射體溫度越高，所發(fā)光越“白”。第二章氣候形成的輻射和熱力因素12普朗克（Max

Planck）定律：理論上任何溫度的絕對黑體都放射所有波長的輻射，但溫度不同輻射能量集中的波段也不同，隨著溫度的下降，輻射能量集中的波段向長波波段偏移。溫度升高時，各波段放射的輻射能量、積分輻射能力均增大，且能量集中的波段向短波方向移動。每一溫度指標，都有輻射最強的波長，且隨溫度升高而減小。黑體輻射率隨溫度而變化。第二章氣候形成的輻射和熱力因素13主要內(nèi)容2.1氣候形成的輻射因素2.2氣候形成的熱力因素2.3全球氣溫帶第二章氣候形成的輻射和熱力因素142.1氣候形成的輻射因素2.1.1太陽輻射（SolarRadiation）第二章氣候形成的輻射和熱力因素大氣熱力狀況表現(xiàn)為氣候冷暖變化，實質(zhì)反映了空氣中熱量收支狀況，取決于太陽、地面、大氣輻射及其熱量交換和轉(zhuǎn)化。相關(guān)概念太陽輻射：指太陽以電磁波的形式向外傳遞能量。太陽輻射能（

SolarRadiantEnergy）：指太陽輻射所傳遞的能量。15第二章氣候形成的輻射和熱力因素太陽輻射光譜（

SolarRadiantSpectrum）：指太陽輻射能按波長的分布(見P119圖4.7)。顏色波長范圍（m）紫0.40～0.43藍0.43～0.47青0.47～0.50綠0.50～0.56黃0.56～0.59橙0.59～0.62紅0.62～0.76太陽輻射能量分布：可見光區(qū)占50%；紅外光區(qū)占43%；紫外光區(qū)占7%。能量集中在0.15～4.0

m

。16太陽每秒鐘由于核聚變反應而損耗的質(zhì)量，大約為400萬噸。按照這種消耗速度，太陽在50億年的漫長時間中，只消耗了0.03%（總質(zhì)量：1.989×1027噸）的質(zhì)量。第二章氣候形成的輻射和熱力因素太陽組成及其輻射能量來源組成：太陽是一個巨大熾熱的氣體球，主要成分是氫和氦。能量來源：核聚變反應，高溫、高壓下，4個氫原子核經(jīng)過一連串的核聚變反應，合成1個氦原子核，即：17第二章氣候形成的輻射和熱力因素太陽、地面和大氣輻射根據(jù)維恩位移定律：太陽表面溫度約6000K，最大放射能力對應的波長為0.457μm，相當于可見光是青光部分；地面、大氣的溫度則低得多（250～300K）其輻射波長主要在3～120μm之間，所以太陽輻射為短波輻射，地面、大氣輻射為長波輻射。18第二章氣候形成的輻射和熱力因素大氣上界的太陽輻射太陽高度（）、日地距離（）和可照時數(shù)（）是影響大氣上界太陽輻射決定因素。太陽高度：即太陽高度角，指太陽光線與地平面之間的夾角，也稱太陽在當?shù)氐难鼋恰＠刹桑禾栞椛鋸姸龋ǎ┡c太陽高度的正弦成正比。19第二章氣候形成的輻射和熱力因素太陽常數(shù)（）：指大氣上界垂直于太陽光線的單位面積上1min內(nèi)獲得的太陽輻射能量，約1370W/m2或8.16J/(cm2·min)。相對穩(wěn)定的常數(shù)，依據(jù)太陽黑子的活動稍有變化(年變化幅度1%左右)。主要影響氣候變化，對短期的天氣變化影響不大。地球上同一時刻不同緯度、同一緯度不同時刻的太陽高度均不相同，影響地球獲得太陽能量的時空分布不同，從而產(chǎn)生各地不同天氣和氣候。20第二章氣候形成的輻射和熱力因素日地距離：水平面上的太陽輻射強度與日地距離的平方成反比；近日點比遠日點（即年變化）約多7％。單純考慮該因素可使北半球冬季比南半球冬季暖4℃，所以南半球的冬夏溫差比北半球大?？烧諘r數(shù)：指沒有天氣氣象影響的條件下，日出到日沒太陽的可能光照時數(shù)。太陽輻射強度與其成正比，且夏強冬弱。不同時空尺度，大氣上界獲得太陽輻射量不同，引起大氣有規(guī)律的運動（實現(xiàn)對部分不均的能量進行輸送、重新配置），形成各地不同氣候特點。21第二章氣候形成的輻射和熱力因素天文輻射及其分布特點定義：指由于太陽對地球的天文位置（緯度

、太陽赤緯

、日地距離）而確定的到達地球大氣上界的太陽輻射量。特點大小因緯度、時間而變化(P119表4.4)。全年、冬半年赤道獲得最多，隨緯度增中而減??；冬半年比夏半年遞減快；夏半年最大值在20～25°N的緯度帶，所以說熱赤道北移(P119表4.5；P120圖4.8)。年較差，隨緯度增加而增大；赤道地區(qū)和兩極附近水平梯度都比較小，中緯度則較大(P120圖4.9)。22第二章氣候形成的輻射和熱力因素極圈內(nèi)在極夜期間為零；極晝期間大于赤道。天文氣候（

AstronomicalClimate）：也稱太陽氣候（

SolarClimate），指由天文輻射所決定的氣候。它是不計大氣影響而僅由日地天文關(guān)系和太陽能量的直接傳遞關(guān)系所形成的地球上的假想氣候。天文輻射決定了世界氣候分布的基本輪廓太陽輻射在大氣中的減弱過程23第二章氣候形成的輻射和熱力因素吸收（Absorption）：指投射到介質(zhì)上的輻射能的一部分被轉(zhuǎn)化為物質(zhì)本身的內(nèi)能或其他形式的能量。O2主要吸收紫外輻射(<0.26m)；大氣吸收的選擇性O(shè)3主要吸收紫外輻射(0.22～0.32m)；水汽主要吸收紅外輻射(0.93～2.95m)；CO2主要吸收遠紅外輻射(＞4.3m)；塵埃、水滴對太陽輻射的吸收甚微。24第二章氣候形成的輻射和熱力因素散射（Cattering）：電磁波同大氣分子或氣溶膠等發(fā)生相互作用，使入射能量以一定規(guī)律在各方向重新分布的現(xiàn)象。類型分子散射（RayleighScattering）：亦稱瑞利散射，粒子直徑必須遠小于入射光波長（＜波長/10）時，散射強度與入射光線波長四次方成反比，且具有選擇性（波長較短的藍紫光）。25第二章氣候形成的輻射和熱力因素散射的光線在光線前進方向和反方向上的程度是相同的，而在與入射光線垂直的方向上程度最低。粗粒散射（CoarseGrainScattering）：亦稱米散射（MieScattering）或漫射（Diffusion），指電磁波遇到直徑比其波長大一些的質(zhì)點(稱粗粒)發(fā)生的散射，無選擇性。影響：各個波長的波都會被散射，但散射的強弱和空間分布與散射粒子的直徑、入射的波長有關(guān)。26第二章氣候形成的輻射和熱力因素現(xiàn)象：室內(nèi)無直射陽光也覺明亮；雨后，大氣中水汽、塵埃減少，以分子散射為主，天空呈現(xiàn)蔚藍色；當大氣中水汽、塵埃比較多時，各種波長的光都散射，天空呈現(xiàn)灰白色；晨昏時，陽光斜射低層大氣，水滴、灰塵等大質(zhì)點多，紅橙光散射多，出現(xiàn)“霞光”；沒有大氣的散射，即使太陽再光亮耀眼，對于地球上的觀測者來說，除了能看見閃閃發(fā)光的太陽光外，天空將是一片漆黑。思考：虹和暈27第二章氣候形成的輻射和熱力因素發(fā)現(xiàn)號航天飛機28第二章氣候形成的輻射和熱力因素暈（Halo或icebow）：指由于懸浮在大氣中的冰晶把太陽光（日暈）或月光（月暈）折射或反射而形成的光學現(xiàn)象。29第二章氣候形成的輻射和熱力因素反射（Reflection）：太陽輻射穿過大氣時，被大氣中的云層和較大塵埃將其一部分反射到宇宙空間去，從而削弱到達地面的太陽輻射的現(xiàn)象。反射的物質(zhì)主要是大氣中的云和顆粒較大的塵埃、水滴等氣溶膠粒子，云的反射作用最強，平均反射率為50%~55%，取決于云的厚度，而塵埃反射很少。陽傘效應：亦稱反射效應，指大氣中的顆粒物質(zhì)反射和吸收太陽輻射，使地表獲得太陽輻射減少，引起地表和近地氣溫降低。30第二章氣候形成的輻射和熱力因素成因：自然、人為原因。前者如火山噴出大量塵埃和海水浪花飛濺將各種鹽分帶入大氣中；后者如工業(yè)、交通運輸和生活中燃燒化石燃料排放的煙塵。此外，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、植被破壞等，產(chǎn)生許多灰塵由地面進入大氣環(huán)境，使懸浮在大氣中的顆粒物大大增加。影響：地面接受太陽輻射能減少且陰、霧天氣增多，影響城市交通等。思考：溫室效應？31第二章氣候形成的輻射和熱力因素三種減弱作用中，反射作用最大，散射次之，吸收最小，其共同作用使到達地面的太陽輻射只有大氣上界的一半。到達地面的太陽輻射兩部分：太陽直接輻射（：指太陽以平行光線的形式直接投射到地面上的輻射）和散射輻射（：經(jīng)過散射后自天空投射到地面的輻射），二者之和為總輻射（）。32第二章氣候形成的輻射和熱力因素反射輻射：指總輻射被地面反射的部分，即。直接輻射（DirectRadiation）影響因素：太陽高度、大氣透明度，按郎伯定律和質(zhì)量削減規(guī)律變化。太陽高度角愈小，等量的太陽輻射散布的面積愈大，地表單位面積上所獲得直接輻射愈??；太陽輻射穿過的大氣層愈厚，太陽輻射被減弱的越多，到達地面的直接輻射越少。大氣透明度取決于大氣中云滴、煙霧和雜質(zhì)塵粒，它們愈多，大氣透明程度愈差，太陽輻射減弱愈強，到達地面的直接輻射愈少，可用貝爾（Beer）削減定律表示。日變化：見課本P121圖4.1133第二章氣候形成的輻射和熱力因素

：大氣透明度系數(shù)；

：大氣質(zhì)量。年變化主要受云量、大氣透明度的影響。干燥地區(qū)，即使緯度高，直接輻射也不少；云量較多的地區(qū)，即使緯度低，直接輻射也不多。如：直接輻射年總量在重慶不足呼和浩特的1/2。散射輻射（ScatteredRadiation）影響因素：太陽高度、大氣透明度、云天狀況、海拔高度等（見課本P121圖4.12）。太陽高度大，輻射量多散射輻射多；大氣透明度差時，散射輻射的質(zhì)點多，散射輻射強，反之則弱；海拔越高，大氣中散射質(zhì)點越少，散射輻射越小。34第二章氣候形成的輻射和熱力因素總輻射（GlobalRadiation）影響因素：影響直接、散射輻射的因素。即太陽高度、大氣透明度、海拔高度、云等。日變化：早晚總輻射小，中午大。年變化：夏季大，冬季小；緯度愈低，總輻射愈大（見課本P122圖4.13、表4.6）。中國總輻射分布：西藏最多；新疆、青海和黃河流域次之；長江和大部分華南地區(qū)云雨多，總輻射量少。35第二章氣候形成的輻射和熱力因素地面對太陽輻射的反射地面反射輻射（GroundReflectivityRadiation）：指到達地面的太陽總輻射中，被地面反射回大氣的部分總輻射。影響因素：地面的性質(zhì)（水面、陸面）、狀態(tài)（顏色深淺、粗滑、干濕）。地面反射率（GroundReflectivity）：指以向上的反射輻射總通量與入射輻射總通量的比值，表示地面反射能力的大小。地面反照率（GroundAlbedo）：指總的反射輻射通量與入射輻射通量之比，包括包括平面反照率、幾何反照率、邦德反照率（球面反照率）等。不同性質(zhì)地面的反射率見課本P122表4.736第二章氣候形成的輻射和熱力因素37第二章氣候形成的輻射和熱力因素地球行星反射率：指由空氣質(zhì)點的逆輻射、反射、云的反射，以及地面反射所組成的整個地面的反射率（全球平均約為31%）。2.1.2地面輻射和大氣輻射地面溫度約300K，對流層大氣的平均溫度月250K，其輻射能重要集中在3～120m的紅外光波長度范圍內(nèi)，屬紅外輻射，與太陽輻射相比屬長波輻射。地面輻射概念：指地面以電磁波的方式向大氣傳遞能量，波長3～80μm長波輻射（9.6μm能量最大）。38第二章氣候形成的輻射和熱力因素作用：白天，地面吸收的太陽輻射多于放射的輻射而增溫；夜間沒有太陽輻射，地面因輻射而降溫。大氣窗（

AtmosphericWindow）：地面輻射的大部分被云、霧、水汽和二氧化碳等吸收，但可穿過大氣層進入宇宙空間波長為8.4~12μm的部分的波段。大氣輻射概念：指大氣以電磁波的方式向四面八方發(fā)射長波輻射，波長范圍為7~120μm（15μm能量最大）。影響因素：大氣溫度、濕度和云天狀況。氣溫越高，水汽和液態(tài)水含量越多，大氣輻射能力越強。39第二章氣候形成的輻射和熱力因素大氣的保溫效應大氣逆輻射：指向下指向地面部分的大氣輻射，與地面輻射方向相反。大氣保溫效應：大氣中的水汽、CO2等能透過太陽輻射，但強烈吸收地面輻射，并通過大氣逆輻射返回地面，使地面不至于因輻射失熱過多，對地面起到保溫作用，亦稱溫室效應（GreenhouseEffect）、花房效應。40第二章氣候形成的輻射和熱力因素2.1.3地面有效輻射和輻射平衡地面有效輻射（SurfaceEffectiveRadiation）概念：指地面輻射（）與地面吸收的大氣逆輻射（）之差。

：地面有效輻射；

：地面相對吸收率。大氣溫度通常低于地面，比大氣逆輻射強，為正值，說明在地面與大氣之間的長波輻射交換中，地面凈失熱量。影響：地面溫度、空氣溫度、濕度及云天狀況。41第二章氣候形成的輻射和熱力因素一般地，當其它條件相同時，地面溫度越高，越強；氣溫越低，空氣濕度越小，云量越少，弱，越強，地面損失熱量越多。云多可減少，使地面降濕少，所以農(nóng)業(yè)上長用人工熏煙的方法預防霜凍。地面凈輻射（SurfaceNetRadiation）概念：指一定時期內(nèi)，地面吸收太陽總輻射與地面有效輻射之差，也稱地面輻射差額、地面輻射平衡。

：地面凈輻射；

：地面反射率。為正值，表示凈得熱量，地面增溫；反之地面降溫。42第二章氣候形成的輻射和熱力因素時空變化（TemporalandSpatialVariation）日變化：白天，凈輻射隨太陽高度而增大，地面凈得熱量；夜間，凈輻射為負值，地面凈失熱量。年變化：隨緯度而不同。緯度越低，凈輻射保持正值的時間越長，凈得熱量多；緯度越高，凈輻射保持正值的時間越短，凈得熱量越少。地氣系統(tǒng)凈輻射（Earth-AtmosphereNetRadiation）概念：指一定時間內(nèi)地氣系統(tǒng)輻射能收入與支出的差值。

：地氣系統(tǒng)凈輻射；

：大氣吸收的太陽輻射；：地氣系統(tǒng)長波射出輻射。43第二章氣候形成的輻射和熱力因素緯度變化（P124圖4.14）隨緯度而變化，從低緯到高緯，由正變到負，符號轉(zhuǎn)換發(fā)生在緯度35°附近。使高低緯度之間氣溫產(chǎn)生差異，形成氣壓梯度力，推動大氣環(huán)流和洋流，使高低緯之間進行熱量和水分的水平輸送，影響各地的氣溫和降水。影響44第二章氣候形成的輻射和熱力因素2.1.4地面熱量平衡地面熱量平衡及其方程式地面熱量平衡（SurfaceHeatBalance）：指地面凈輻射與其轉(zhuǎn)化成其他形式的熱量收入與支出的守恒。

：地氣之間潛熱交換（：蒸發(fā)潛熱；蒸發(fā)量或凝結(jié)量）；

：地氣之間的顯熱（感熱）交換；：地面與下層間的熱量傳輸與平流輸送之和，年均為0。途徑45第二章氣候形成的輻射和熱力因素凈輻射為“＋”：地面溫度升高，盈余的熱量以湍流感熱和蒸發(fā)潛熱的形式向大氣輸送，使地面和大氣在垂直方向進行感熱和潛熱交換；通過大氣環(huán)流和洋流進行水平方向的感熱和潛熱輸送；同地表（或海面）以下的土層（或水層）進行熱量交換，改變其溫度分布。凈輻射為“－”：地面溫度降低，虧損的熱量通過湍流感熱或水汽凝結(jié)潛熱從空氣中獲得，或由土壤（或海水）下層向上輸送。地區(qū)差異：干燥沙漠地區(qū)，

趨于0，幾乎全部通過湍流顯熱與大氣進行交換；潮濕地區(qū)，較大，地面凈輻射主要用于蒸發(fā)，亂流顯熱交換弱，大氣增溫不明顯。地面熱量平衡決定著活動層及貼地氣層的增溫與冷卻，影響著蒸發(fā)和凝結(jié)的水相變化過程，是氣候形成的重要因素。46第二章氣候形成的輻射和熱力因素地球能量平衡模式從全球長期看，地球能量收支平衡（342.8W/m2）。同時，地面、大氣各自作為一個整體，都保持能量平衡。47主要內(nèi)容2.1氣候形成的輻射因素2.2氣候形成的熱力因素2.3全球氣溫帶第二章氣候形成的輻射和熱力因素48第二章氣候形成的輻射和熱力因素2.2氣候形成的熱力因素2.2.1氣候系統(tǒng)的能量種類溫度與熱量溫度（Temperature）：指表示物體冷熱程度的物理量，是物體分子運動平均動能大小的度量，表示熱量的一個指標。熱量（Heat）：指的是由于溫差的存在而導致的能量轉(zhuǎn)化過程中所轉(zhuǎn)化的能量。熱傳遞的過程中，實質(zhì)上是能量轉(zhuǎn)移的過程，它是能量轉(zhuǎn)換的一種量度。49第二章氣候形成的輻射和熱力因素氣溫（AirTemperature）：指表示空氣冷熱程度的物理量，實質(zhì)上是空氣內(nèi)能大小的表現(xiàn)。國際標準單位：攝氏度(℃)。通常氣象上的氣溫是在離地1.5m高的百葉箱中測定，我國規(guī)定在北京時間02、08、14、20時四次定時進行地面氣溫觀測。氣象業(yè)務中，還要觀測高空大氣的溫度，如：500和100hPa等各等壓面高度的氣溫。常用探空氣球定時（08、20時）觀測。50第二章氣候形成的輻射和熱力因素51第二章氣候形成的輻射和熱力因素全球長期的能量保持平衡，但地球熱量分布不均勻，通過大氣的水平運動、垂直運動以及水相變化進行輸送和調(diào)節(jié)。52第二章氣候形成的輻射和熱力因素大氣中的基本能量能量形式：位能、動能、內(nèi)能、湍能、潛熱能和感熱能等，靜止大氣主要是內(nèi)能和位能。位能（PotentialEnergy）：亦稱勢能，指物體在萬有引力(包括重力)、彈性力等勢場中，因所在的位置不同而具有的能量。動能（KineticEnergy）：指物質(zhì)運動時所得到的能量，通常被定義成使某物體從靜止狀態(tài)至運動狀態(tài)所做的功。它的大小定義為物體質(zhì)量與速度平方乘積的一半。53第二章氣候形成的輻射和熱力因素內(nèi)能（InternalEnergy）：指物體或若干物體構(gòu)成的系統(tǒng)(簡稱：系統(tǒng))內(nèi)部一切微觀粒子的一切運動形式所具有的能量總和。由分子熱運動決定，可用熱力學方程描述。或：比氣體常數(shù)，干空氣（）為；

：熱功當量；：定容比熱，干空氣的值為；：定壓比熱，干空氣的值為。含義：該式稱為熱力學第一定律（氣象學）

，當空氣溫度變化相同但過程不同時，所需熱量并不相同，54第二章氣候形成的輻射和熱力因素等壓過程所需熱量比等容過程多；空氣溫度變化，不僅與熱量交換有關(guān)，也與其自身壓強、體積變化有關(guān)。湍能（TurbulenceEnergy）：指湍流速度漲落方差與流體質(zhì)量乘積的1/2，有分量湍能和總湍能之分，是流體不規(guī)則運動所具有的能。潛熱能（LatentHeatEnergy）：指系統(tǒng)中所有水汽全部凝結(jié)所釋放的熱量。感熱能（SensibleHeatEnergy）：指大氣動力學中，單位質(zhì)量空氣微團所具有的焓（Entropy：單位質(zhì)量的物質(zhì)所含的全部熱能）。55第二章氣候形成的輻射和熱力因素影響：

能力的產(chǎn)生（太陽輻射）、轉(zhuǎn)換（潛熱、感熱交換和長波輻射）與消耗（下墊面摩擦）是大氣運動產(chǎn)生與維持的主要原因，故也是氣候形成和變化的主要方面。表示方法：

等高線表征位能，氣流線、等風速線表征動能，等溫線表征內(nèi)能，等比濕線表征潛熱能。大氣中各種能量轉(zhuǎn)化過程一定的大氣能量狀態(tài)，有一定的溫、壓、濕等氣候要素，各種天氣、氣候特征有大氣中各種不同能量狀態(tài)組成。56第二章氣候形成的輻射和熱力因素輻射能與內(nèi)能：大氣和地面吸收太陽輻射能增溫，輻射能轉(zhuǎn)變成了內(nèi)能。同時，大氣和地面又不斷向空間放出長波輻射而降溫，減少內(nèi)能，所以該過程可逆。地面與大氣：地面吸收太陽輻射能，通過長波輻射、湍流交換及蒸發(fā)凝結(jié)的潛熱交互等過程，使空氣膨脹或收縮，引起位能變化。由于空氣的可壓縮性，起變化變化可逆。內(nèi)能與位能：引起大氣的運動，此時，內(nèi)能和位能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?，或反之，其轉(zhuǎn)變可逆；增加大氣水平方向不均勻性，產(chǎn)生浮力和氣壓梯度力，導致大氣垂直57第二章氣候形成的輻射和熱力因素和水平運動，形成環(huán)流和輻合、輻散過程，完成內(nèi)能、位能與動能之間的轉(zhuǎn)變。摩擦力作用消耗動能，使其轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能。動能轉(zhuǎn)變?yōu)橥哪埽捍髿膺\動尺度大、動力不穩(wěn)定，常伴有渦旋發(fā)生，運動中湍流作用和地面摩擦力的影響，動能轉(zhuǎn)變?yōu)橥哪?，其轉(zhuǎn)變不可逆。若沒有位能的補充，全部動能會逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橥哪?，使有?guī)則的大氣運動停止，此現(xiàn)象稱為基本運動能量的耗散。58第二章氣候形成的輻射和熱力因素大氣動能的消耗與補償耗散：大氣運動由于湍流作用和摩擦力的影響，動能轉(zhuǎn)變?yōu)橥哪?，繼而變?yōu)闊崮芏纳?。補償：若大氣運動沒有動能補充，大氣將在幾天內(nèi)停止運動，但事實并非如此。因此，動能得到不斷補充，其主要提供者是位能和內(nèi)能，而亂流熱通量是其補充主要因素之一。大氣動能的消耗，僅為地球吸收太陽輻射能的1/200。雖然消耗的快，但由于太陽輻射能、湍流熱交換量對內(nèi)能和位能的補償，所以其消耗僅為大氣獲得能量的很少一部分。大氣中的位能和內(nèi)能轉(zhuǎn)化為動能，足以維持大氣的運動。59第二章氣候形成的輻射和熱力因素2.2.2海陸表面的增熱和冷卻水陸熱力性質(zhì)差異水面和陸面比熱容不同，陸面比熱容小，比水面升溫快，降溫也快。二者熱力性質(zhì)差異主要表現(xiàn)在：吸收太陽輻射的能力不同：水體吸收太陽輻射的能力比陸地強，大約多10～20%；對太陽輻射反射率不同，陸面平均為15～30%，而水面為10～20%。透射太陽輻射不同：水體對太陽輻射基本透明（除紅色光和紅外線），可見光、紫外線可透射到水體深層；陸地幾乎不具備透射力，太陽輻射只能加熱地表。60第二章氣候形成的輻射和熱力因素傳遞能量方式不同：陸地熱傳導差（分子傳導），熱量集中在表層，以致地表急劇增溫，加強了陸面和大氣之間的感熱交換；水體熱傳導快（對流、湍流、洋流等流體傳導），熱量可傳達深層，所得太陽輻射分布在較厚的層次，以致水溫不易增高，相對減弱了水面和大氣之間的感熱交換。據(jù)測算，陸面所得的太陽輻射傳給大氣的約占1/2，而水體所得的太陽輻射傳給空氣的不足0.5％。比熱（熱容量）不同：水遠大于巖石和土壤，因此水體的溫度變化遠小于陸地。61第二章氣候形成的輻射和熱力因素水分蒸發(fā)耗熱狀況不同：水體水分供應充足，蒸發(fā)耗熱大，表面溫度不易升高；因其上空水汽多，吸收長波輻射能力強，而使空氣增溫并以逆輻射形式返還水體，使得水體及其附近的大氣不易強烈降溫，上空云量也多，熱量不致急劇散失，所以溫度變化和緩。陸地水分不足，尤其是干燥地區(qū)，蒸發(fā)耗熱少，大部分熱量用于增高地面及近地層空氣的溫度。海陸表面的增熱和冷卻地球上海洋占70.9%，陸地占29.1%，且海陸熱力性質(zhì)的差異大。62第二章氣候形成的輻射和熱力因素影響：陸地受熱快，冷卻也快，氣溫升降劇烈，變化幅度大；海洋受熱慢，氣溫升降緩和，變化幅度小。結(jié)果：一般來說，冬季大陸溫度低于同緯度的海面，最冷月出現(xiàn)在1月，海洋則在2月；夏季陸地溫度高于同緯度的海面，最熱月出現(xiàn)在7月，海洋則出現(xiàn)在8月；年最高、最低溫出現(xiàn)時間海洋比陸地落后1~2個月。根據(jù)分子運動論，空氣的冷熱程度只是一種現(xiàn)象，其實質(zhì)上是空氣內(nèi)能大小的表現(xiàn)。空氣獲得熱量時，2.2.3空氣的增熱和冷卻63第二章氣候形成的輻射和熱力因素分子運動加劇，內(nèi)能增加，氣溫也就升高；反之，分子運動速度減慢，內(nèi)能減小，氣溫也隨之降低。非絕熱變化（Non-adiabaticChange）：指由空氣與外界熱量交換而引起的空氣內(nèi)能變化。絕熱變化（AdiabaticChange）：指空氣與外界沒有熱量交換，由外界壓力的變化對空氣作功，使空氣膨脹或壓縮而引起的空氣內(nèi)能變化。大氣中的非絕熱過程空氣與外界相互交換熱量，引起氣溫變化，其主要方式有：傳導、輻射、對流與亂流、水相變化。64第二章氣候形成的輻射和熱力因素傳導（Conduction）：指依靠分子熱運動，熱量從一個分子傳給另一個分子。空氣與地面之間、氣團之間、空氣之間，其條件是它們之間有溫差。由于地面和大氣是熱的不良導體，故傳導作用在空氣分子密度大和氣溫梯度大的貼地氣層邊界明顯。輻射（Radiation）：地氣間熱量交換的重要方式，比傳導作用大4000倍。大氣主要依靠吸收地面的長波輻射而增熱，同時，地面吸收大氣長波輻射，實現(xiàn)地氣系統(tǒng)之間熱量的交換；空氣團之間通過長波輻射進行少量的交換熱量。65第二章氣候形成的輻射和熱力因素對流（Convection）與亂流（TurbulentFlow）對流：指由于地表性質(zhì)差異、受熱不均等所引起的空氣大規(guī)模有規(guī)則的升降運動。亂流：也稱湍流，指由于地表性質(zhì)差異、受熱不均等所引起的空氣小規(guī)模不規(guī)則的旋渦運動。影響：使空氣在垂直方向（對流、亂流）和水平方向（亂流：相鄰氣團間）進行熱量交換，熱量分布均勻，是近地層熱量交換的重要方式。水相變化（WaterPhaseChange）：指水的狀態(tài)變化，通過相變釋放、吸收熱量，引起氣溫變化。66第二章氣候形成的輻射和熱力因素水在蒸發(fā)（或冰在升華）時吸收熱量，水汽在凝結(jié)（或凝華）時，會放出潛熱。若蒸發(fā)（升華）的水汽，不在原處凝結(jié)（凝華），而被帶到別處凝結(jié)（凝華），就使熱量得到傳送。例如：從地面蒸發(fā)的水汽，在空中發(fā)生凝結(jié)時，就把地面的熱量傳給了高層的大氣。因此，通過蒸發(fā)（升華）和凝結(jié)（凝華），能使地氣間、空氣團間發(fā)生潛熱交換。此作用主要發(fā)生在對流層下半部（5km），即水汽集中部分。一般情況下，地面和空氣之間的熱量交換，以輻射為主；氣層之間以對流和亂流為主；傳導作用僅限于近地氣層；當有大量水分相變時，潛熱交換也不可忽視。67第二章氣候形成的輻射和熱力因素大氣中的絕熱過程氣溫的絕熱變化：指氣塊與外界沒有熱量交換，由于外界壓力變化，氣塊膨脹或收縮作功，引起內(nèi)部能量轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生溫度狀態(tài)變化過程。干絕熱過程：指干空氣或未飽和的濕空氣塊，在垂直運動過程中，氣塊內(nèi)部既沒有發(fā)生水相變化，又沒有與外界交換熱量，只因體積膨脹（或收縮）做功引起內(nèi)能增減和溫度變化過程。絕熱過程：指氣塊在上升降運動中與周圍空氣沒有熱量交換的狀態(tài)變化過程，包括干（濕）絕熱過程。68第二章氣候形成的輻射和熱力因素遵循泊松方程（干絕熱方程）

：干絕熱過程溫度和氣壓的初態(tài)；

：終態(tài)。該式表明：干空氣在絕熱上升過程中，溫度隨氣壓的降低指數(shù)遞減。絕熱垂直遞減率：指氣塊絕熱上升單位距離時的溫度降低值。干絕熱直減率（）：指干空氣和未飽和的濕空氣絕熱上升單位距離時溫度的降低值。69第二章氣候形成的輻射和熱力因素實際工作中可取。濕絕熱過程：指飽和濕空氣做垂直運動時的絕熱變化過程。濕絕熱上升，溫度的降低，飽和氣塊中水汽會發(fā)生凝結(jié)，釋放潛熱使氣塊增溫，補償部分因氣塊上升膨脹做功消耗的內(nèi)能。相反，飽和濕空氣絕熱下降時，氣塊中水滴蒸發(fā)或冰晶升華要消耗內(nèi)能。70第二章氣候形成的輻射和熱力因素飽和濕空氣上升時，

，

，則

，

；下降時，，，則，，因此，總小于。濕絕熱直減率（）：指飽和濕空氣絕熱上升單位距離時的溫度降低值。

：垂直運動距離；

：單位質(zhì)量飽和濕空氣水汽變化量。

由于飽和濕空氣的水汽含量隨氣溫和氣壓而變，即氣壓和溫度的函數(shù)，所以不是常數(shù)，而是氣壓和溫度的函數(shù)。隨氣溫升高和氣壓減少而減少。71第二章氣候形成的輻射和熱力因素大氣靜力穩(wěn)定度（AtmosphericStaticStability）大氣層結(jié)（AtmosphericStratification）：指大氣溫度和濕度的垂直分布。相關(guān)概念大氣溫度層結(jié)（AtmosphericTemperatureStratification）：指大氣中溫度的垂直分布。氣溫直減率（TemperatureLapseRate）：也稱氣溫鉛直梯度（），指垂直方向上，大氣層內(nèi)每升高單位距離氣溫的降低值。它因時、因地、因高度而異，對流層平均為0.65℃/100m。72第二章氣候形成的輻射和熱力因素大氣層結(jié)穩(wěn)定度（AtmosphericStratifiedStability）：即大氣靜力穩(wěn)定度，指大氣溫度層結(jié)有使在其中做垂直運動的氣塊返回或遠離起始位置的趨勢和程度。大氣溫度層結(jié)情況：穩(wěn)定、不穩(wěn)定和中性穩(wěn)定（Stabilization）：指大氣溫度層結(jié)有使在其中做垂直運動的氣塊返回起始位置的趨勢。不穩(wěn)定（Non-Stabilization）：指大氣溫度層結(jié)有使在其中做垂直運動的氣塊遠離起始位置的趨勢。中性（Neutral）：指大氣溫度層結(jié)有使在其中做垂直運動的氣塊隨移而安。73第二章氣候形成的輻射和熱力因素靜力穩(wěn)定度判定方法：氣塊法穩(wěn)定氣層：氣塊在受擾后，有一鉛直虛位移，若氣塊到達新位置后有返回原來位置的趨勢，則為穩(wěn)定氣層。中性氣層：氣塊在受擾后，有一鉛直位移，若氣塊到達新位置后既無離開又無返回原來位置的趨勢，則為中性氣層（隨遇平衡）。74第二章氣候形成的輻射和熱力因素不穩(wěn)定氣層：氣塊在受擾后，有一鉛直虛位移，若氣塊到達新位置后有離開原來位置的趨勢，則為不穩(wěn)定氣層。層結(jié)情況產(chǎn)生條件絕對不穩(wěn)定：指大氣層結(jié)對干（濕）絕熱過程都不穩(wěn)定。絕對穩(wěn)定：指大氣層結(jié)對干（濕）絕熱過程都穩(wěn)定。條件性不穩(wěn)定：指大氣層結(jié)對濕絕熱過程穩(wěn)定，而對干絕熱過程不穩(wěn)定。絕對不穩(wěn)定：；絕對穩(wěn)定：；條件性不穩(wěn)定：。75第二章氣候形成的輻射和熱力因素問題解析設(shè)A、B、C為未飽和氣塊，初始時刻均位于200m的高空，升降運動時，其溫度均按（1℃/100m）變化。周圍空氣的分別取0.8、1、1.2（圖：左、中、右，單位℃/100m），判斷其穩(wěn)定狀態(tài)。絕對不穩(wěn)定的大氣，很大，多發(fā)生在炎熱的夏季白天，熱雷雨多因此而產(chǎn)生；絕對穩(wěn)定的大氣，很小，甚至，出現(xiàn)逆溫，垂直運動受到抑制，容易產(chǎn)生大氣污染；條件性不穩(wěn)定，是自然界中常見的現(xiàn)象。76第二章氣候形成的輻射和熱力因素氣溫：指大氣冷熱程度的數(shù)值度量，單位攝氏溫度（℃）或熱力學溫度（K）。2.2.4大氣溫度的時空變化大氣溫度的時間變化它主要是由地球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)引起的周期性變化，以及大氣運動引起的非周期性變化。氣溫的日變化氣溫日變化：指一天內(nèi)氣溫高低的周期性變化。77第二章氣候形成的輻射和熱力因素氣溫日較差：亦稱日振幅，指日最高氣溫和最低氣溫的差值，隨緯度、季節(jié)、下墊面性質(zhì)、形態(tài)、高度和天氣狀況而異。一般隨緯度升高日較差減?。ㄒ蚋呔暥劝滋鞖鉁氐?、夜間有效輻射少）；夏季日較差大，冬季日較差小，但最大在春季；山地變幅小，凹地變幅大（因為凹地白天散熱慢，夜間有效輻射強）；水面上日較差小，陸地上大；隨高度增加而減小，且極值出現(xiàn)的時間隨高度而落后；沙土、深色土和干松土壤上比黏土、淺色土和潮濕土壤上大；裸地較植被覆蓋地面的大；晴天大于陰天等。78第二章氣候形成的輻射和熱力因素氣溫的年變化：指以一年為周期的氣溫變化。年最高氣溫出現(xiàn)在夏至后的7或8月，年最低氣溫出現(xiàn)在冬至后的1或2月。年較差影響因素：隨緯度增高而增大，隨海拔高度增加而減少；大陸大海洋小；內(nèi)陸大沿海小。年較差：指一年中最熱月的平均氣溫與最冷月的平均氣溫之差。年變化作用：反映了氣候上的冷暖，是劃分氣候季節(jié)的重要指標。我國多以候（5日為一候）平均溫度作為分季標準。非周期性變化：指由于大規(guī)模的氣流交替變化引起氣溫非周期性的變化。79第二章氣候形成的輻射和熱力因素某地氣溫變化，是周期性和非周期性變化共同作用的結(jié)果。分類根據(jù)氣溫年較差的大小和最高、低溫出現(xiàn)的月份，氣溫年變化分為：赤道型、熱帶型、溫帶型和極地型。類型最高、低溫出現(xiàn)時間年較差赤道型兩個高、低分別值在春、秋分和冬、夏至前后小熱帶型一個高、低值分別在夏至和冬至以后不大，但大于赤道型溫帶型一個高、低值分別在夏至和冬至以后1～2個月（大陸落后1個月，而海洋2個月）。且隨緯度增高而增大極地型冬長而冷，夏短而涼，一個高、低值分別在8月初和冬季末很大，極圈附近最大80第二章氣候形成的輻射和熱力因素我國根據(jù)候平均溫度分為：春秋季（10～22℃）、冬季（<10℃）、夏季（>22℃）。大氣溫度的空間分布大氣溫度在水平、垂直方向的分布不均勻。緯度決定天文輻射的達到量；大氣成分決定輻射削減和氣溫的垂直分布；海陸分布決定熱量平衡各分量的大小和變化。全球平均輻射平衡自赤道向兩極遞減，引起氣溫也向兩極遞減，極赤溫差計算值為83℃，實測值為48℃。81第二章氣候形成的輻射和熱力因素影響因素：主要有緯度、海陸和高度。繪制等溫線圖時，常把溫度訂正到同一高度（海平面），消除其影響，使緯度、海陸及其他因素（地形起伏、大氣環(huán)流、洋流等）更明顯表現(xiàn)。等溫線：平直表示氣溫分布的影響因素較少，而彎曲表示其影響因素較多；密集表示各地氣溫相差不大，而稀疏表示各地氣溫懸殊；沿東西向平行排列表示溫度隨緯度而不同，即以緯度為主要因素，而其與海岸平行表示氣溫因距海遠近而不同，即以距海遠近為主要因素。水平分布表示方法：等溫線（

Isotherm：地面上氣溫相等的各地點的連線，其疏密、走向等可反映氣溫空間分布特點）。82第二章氣候形成的輻射和熱力因素83第二章氣候形成的輻射和熱力因素全球氣溫分布特點隨緯度增高而遞減：北半球1月（冬季）等溫線比7月（夏季）密集，說明北半球南北溫差冬季大于夏季，南半球相反。海陸差異：北半球冬季等溫線在大陸凸向赤道，海洋凸向極地，反映同一緯度，陸地冷與海洋，夏季相反；南半球因海洋面積大，等溫線相對平直。最高溫不在赤道：冬季在5°～10°N，夏季在20°N左右，這一帶冬夏月平均氣溫均高于24℃，稱熱赤道。洋流影響：大陸中緯度西岸氣溫比同緯度東岸高，太平洋和大西洋北部。冬季大陸沿岸，等溫線急劇向北極凸出，反映了黑潮暖流、阿留申暖流、墨西哥暖流的巨大增溫作用；夏季84第二章氣候形成的輻射和熱力因素北半球等溫線沿非洲和北美洲西岸向南凸，反映了加那利寒流和加利福尼亞寒流的影響，南半球也有類似特點。冷極：南半球不論冬夏都在南極；北半球僅夏季在北極附近，而冬季現(xiàn)在東西伯利亞和格陵蘭地區(qū)。最低出現(xiàn)在東西伯利亞的維爾霍揚斯克（－69.8℃）和奧伊米亞康（－73℃），1962年南極新的世界最低為－90℃；最高出現(xiàn)在索馬里境內(nèi)，為63℃。我國最高出現(xiàn)在新疆的吐魯番，達到49.6℃；最低出現(xiàn)在黑龍江省的漠河，1968年2月13日測得－52.3℃，珠穆朗瑪峰出現(xiàn)過－60℃。極端絕對氣溫85第二章氣候形成的輻射和熱力因素全球1月海平面氣溫（℃）的分布86第二章氣候形成的輻射和熱力因素全球7月海平面氣溫（℃）的分布87第二章氣候形成的輻射和熱力因素全球洋流的分布88第二章氣候形成的輻射和熱力因素垂直分布表示方法：垂直分布曲線、緯向和經(jīng)向垂直剖面的等溫線分布。總體特征是氣溫隨高度而降低，平均氣溫直減率為0.6