大氣基題庫 大氣科學基礎期末背誦

第四章大氣熱力學基礎1、熱力學第一定律Q=ΔU+W1）熱力學定律的(T,V)形式2）熱力學定律的(T,P)形式2、在絕熱條件下，熱力學方程變?yōu)椋ú此?Poisson)方程）3、位溫（θ）：將任意高度上的空氣塊按干絕熱過程把它移到1000百帕高度上時具有的溫度4、凝結高度我們把未飽和濕空氣絕熱上升剛好達到飽和狀態(tài)時的高度，稱為凝結高度。在凝結高度上，氣塊的溫度和露點溫度相等。自由對流高度——氣塊溫度大于環(huán)境溫度的高度5、始終保持飽和狀態(tài)的絕熱過程，稱為濕絕熱過程。6、假相當溫度和假濕球溫度假相當溫度θse——濕空氣塊絕熱上升到水汽全部凝結降落后，再沿干絕熱過程下降到1000mb時所具有的溫度。假相當溫度不僅考慮了氣壓變化對氣溫的影響，還考慮了水汽凝結潛熱對氣溫的影響。假濕球溫度θsw——氣塊沿干絕熱過程上升到凝結高度后，再沿濕絕熱過程下降到1000mb時所具有的溫度。實際不存在，設想下降過程中外界不斷有水汽補充以供蒸發(fā)，使氣塊始終保持飽和狀態(tài)其目的是最大限度地考慮蒸發(fā)耗熱對溫度的影響。7、溫度-壓力對數(shù)圖當露點曲線遠離溫度曲線表示空氣干燥；兩者接近表示空氣濕潤，越接近相對濕度越高。當兩者重合表示空氣達到飽和，有可能產生云。實際比濕等于露點溫度下的飽和比濕1）坐標：橫坐標是溫度，縱坐標為ln(1000/p)2）基本線條等溫線平行于縱軸的黃色直線等壓線平行于橫軸的黃色直線等飽和比濕線 自右下方向左上方傾斜的綠色實線露點溫度干絕熱線 黃色斜實線濕絕熱線 綠色虛線溫度層結曲線 紅色露點層結曲線 藍色狀態(tài)曲線 綠色3）溫度-對數(shù)壓力圖解的應用a、確定濕度參量b、確定各種特征高度c、確定各種溫度參量第五章太陽、地面和大氣的輻射1、基本概念1）輻射(Radiation)：以電磁波傳遞能量的過程。通過輻射過程傳播的能量成為輻射能。輻射能的傳播不需要介質，輻射能在傳播過程中會被吸收或者被反射。2）熱輻射(Thermal

Radiation)：由于熱的原因而發(fā)生的輻射。物體減少本身的內能或者是物體吸收外界傳來的熱量而產生的輻射。熱輻射是電磁波，它有一般電磁波的共性，即它是以光速在空間傳播的。3）輻射通量（P）：單位時間內通過空間任一表面的輻射能。4）輻射通量密度（輻射能力or輻射出射度）輻射通量密度（F）：單位面積上的輻射通量，即單位面積單位時間內通過的輻射能。對于到達接受面的輻射通量密度稱為輻照度輻射強度：單位時間內，通過垂直于選定方向上的單位面積（對于球面坐標來說，即單位立體角）的輻射能就是輻射強度7）輻射亮度：是指通過某一選定方向上，單位立體角中單位面積的輻射通量。輻射通量——單位時間燈泡的總輻射能量（W）輻射通量密度——單位時間單位面積的輻射能量（Wm-2）輻射強度——單位時間單位立體角的輻射能量（Wsr-1）輻射亮度(L)——選定方向上，單位立體角中單位面積的輻射通量8）太陽輻射強度就是太陽在垂直照射情況下在單位時間單位面積上所得到的輻射能量。在日地平均距離的條件下，在地球大氣上界，垂直于太陽光線的單位面積上，在單位時間內所接受的太陽輻射能量，就稱為太陽常數(shù)。1981年WMO推薦的太陽常數(shù)值為1367W/m2，多數(shù)文獻上采用1370W/m2。太陽輻射在大氣上界的時空變化是由太陽和地球間的天文位置決定的，又稱為天文輻射。太陽輻射的波長范圍主要在0.15-4微米——太陽短波輻射地面和大氣的輻射波長范圍在3-120微米——地面長波輻射、大氣長波輻射3、輻射的基本定律任何00K以上溫度的物體都會發(fā)射各種波長的電磁波，這種由于物體中的分子、原子受到熱激發(fā)而發(fā)射電磁波的現(xiàn)象稱為熱輻射。熱輻射具有連續(xù)的輻射譜，波長自遠紅外區(qū)到紫外區(qū)，并且輻射能按波長的分布主要決定于物體的溫度。下面介紹熱輻射的一些基本定律。1）Kirchhoff'sLaws（基爾霍夫定律）基爾霍夫定律是研究熱輻射的基礎，它說明了一定溫度下物體輻射能力與吸收率之間的關系基爾霍夫定律表明：在輻射平衡條件下，任一物體的單色輻射能力與物體對該波長的吸收率之比值，是一個溫度與波長的普適函數(shù)，而與物體的性質無關如果該物體對某一波長為黑體，吸收率等于1，這樣普適函數(shù)就和黑體的輻射能力相等。因此，基爾霍夫定律也可以表達為：任何物體的輻射能力與其吸收率之比等于相同溫度下的黑體輻射能力。基爾霍夫定律的意義：把物體的吸收率、放射率和黑體輻射聯(lián)系在一起2）PlanckRadiationLaw（普朗克定律）對應任一溫度，單色輻射出射度隨波長連續(xù)變化，且只有一個峰值，對應不同溫度的曲線不相交。因而溫度能唯一確定單色輻射出射度的光譜分布和輻射出射度（即曲線下的面積）單色輻射出射度隨溫度的升高而增大單色輻射出射度的峰值隨溫度的升高向短波方向移動3）TheWien（維恩定律）andStefan-BoltzmannLaws（斯蒂芬-波爾茲曼定律）Stefan-Boltzmann定律指出，黑體發(fā)射輻射的能力與其絕對溫度的四次方成正比。維恩定律：輻射能峰值與波長Stefan-Boltzmann定律：黑體的總輻射能維恩定律：隨著溫度的增加輻射能峰值向短波方向移動Stefan-Boltzmann定律：隨著溫度的增加，黑體輻射能增加，并且是快速猛增，因為是與溫度的4次方成正比4、太陽輻射在大氣中的散射（solarradiationscatterinatmosphere）1）光通過密度或折射率分布不均的介質時，除光的傳播方向外，在其它方向也可見到光，這種現(xiàn)象稱為散射，在傳播方向以外的光稱為散射光。2）瑞利散射（分子散射）：太陽輻射遇到直徑比其波長小的空氣分子發(fā)生的散射。瑞利散射是有選擇性的，波長越短散射越強。太陽輻射通過大氣時，由于空氣分子散射的結果，波長較短的光被散射得較多。雨后天晴，天空呈青蘭色就是因為輻射中青蘭色波長較短，容易被大氣散射的緣故。3）粗顆粒散射（米散射，MieScattering）：太陽輻射遇到懸浮在空氣中的煙塵、水滴等比波長尺度大的顆粒時所發(fā)生的散射。粗顆粒散射是沒有選擇性的，各個波長的輻射都同樣的被散射，因此也稱為漫散射。如空氣中存在較多的塵?；蜢F粒，一定范圍的長短波都被同樣的散射，使天空呈灰白色的。5、直接輻射：太陽以平行光線的形式，投射到地面上的那一部份輻射能，通常以到達水平面上的太陽直接輻射的輻照度來表示直接輻射的大小。由于太陽常數(shù)變化很小，及日地距離的變化影響不大，所以太陽直接輻射的大小主要是由太陽高度角（高度角小，面積大，氣層厚）和大氣透明度（當大氣中的水汽、雜質等含量愈多時，太陽輻射被削弱的愈多）所決定的。6、散射輻射（短波輻射）：太陽輻射在通過大氣時受到散射，其中散射向地面的那一部份能量以及云層等向地面反射的一部份太陽輻射，統(tǒng)稱為天空漫射輻射，習慣上稱為散射輻射。所以散射輻射可以說是地平面上每單位時間在單位面積上接收到的來自天空一切方向的散射輻射及反射的短波輻射。當太陽高度角增大時，直接輻射增加，散射輻射也增大。在太陽高度角一定的情況下，大氣透明度小時，散射質點多，散射輻射增強；反之，大氣透明度大時，散射輻射減弱。7、地面輻射——是指由地面發(fā)射的指向大氣的電磁波輻射。它大部分被大氣吸收，只有小部分直達宇宙空間。大氣輻射——是指大氣發(fā)射的長波輻射，它一部分向下到達地面，一部分被周圍大氣吸收，只有小部分到達宇宙空間。式中δ和δ′分別地面和大氣的相對輻射率，又稱為比輻射率。因為地球表面和大氣不是嚴格的黑體，因此要乘上δ和δ′這兩個系數(shù)。大氣中長波輻射過程的特點（與短波輻射的差別）1）不是平行輻射，是漫射輻射2）大氣中長波輻射的過程不僅要考慮吸收過程而且要考慮大氣本身對長波輻射的發(fā)射過程3）散射過程可以忽略不計。因為空氣分子的尺度遠比長波波長小9、地面的有效輻射地面發(fā)射的輻射與與地面吸收的大氣逆輻射之差，稱為地面有效輻射：影響地面有效輻射的因子：地-氣之間的溫度差：通常，地面溫度高于大氣，地面有效輻射為正，地面失去熱量；如果近地層有很強的逆溫出現(xiàn)，地面有效輻射為負，地面得到熱量濕度：地面有效輻射在濕熱天氣情況下比干冷天氣小云：有云地面有效輻射小，無云地面有效輻射大地表性質：有植被，地面有效輻射??；無植被，地面有效輻射大10、輻射差額物體輻射能與支出輻射能的差值稱為輻射差額或凈輻射如果沒有其它的熱交換方式，輻射差額決定物體溫度的升降1）地面輻射差額地面獲得的能量：太陽直接輻射太陽散射輻射大氣逆輻射地面失去的能量地面發(fā)射的長波輻射地面對太陽輻射的反射2）大氣輻射差額大氣獲得的能量：1、太陽短波輻射的吸收；2、地面有效長波輻射大氣失去的能量：大氣上界的有效長波輻射因此，大氣輻射差額為一般而言，整層大氣的輻射差額為負值，大氣的熱量平衡要依靠其它的熱傳輸渠道來維持，如：潛熱輸送等。3）地-氣系統(tǒng)的輻射差額如果把地面和大氣看做一個整體，其輻射能的凈收入為地面輻射差額與大氣輻射差額的總和：11、溫室效應地球大氣對太陽短波輻射吸收很少使得太陽輻射可以順利通過到達地面，而由于地球大氣中溫室氣體的存在，很大程度上吸收了地面向外發(fā)射的長波輻射，使地-氣系統(tǒng)溫度升高的現(xiàn)象，便是所謂的“溫室效應”目前“溫室效應”的主要含義是指由于人類活動的影響使得大氣中溫室氣體濃度的增加，從而造成全球變暖的現(xiàn)象。溫室氣體水汽、二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亞氮（N2O）、臭氧（O3）、氯氟烴類化合物（CFCs）、氫代氯氟烴類化合物（HCFCs）、氫氟碳化物（HFCs）、全氟碳化物（PFCs）、六氟化硫（SF6）等等。12、到達大氣上界的太陽輻射：日地距離、太陽高度、白晝長度的影響到達地面的輻射：大氣的吸收、散射、反射第六章云霧和降水1、冰晶效應：當實際水汽壓介于冰平面飽和水汽壓和同溫度下過冷水平面的飽和水汽壓之間時，對于水滴表面來說是未飽和狀態(tài)，會產生蒸發(fā)使水滴變小。水份不斷向冰晶轉移；而冰晶表面，水汽已達過飽和會產生凝華，使冰晶逐漸增大。2、大氣中的水汽能在其上凝結而成小水滴的懸浮微粒，通常稱凝結核。3、云霧形成的基本過程霧：大氣中的水汽達到飽和以后，凝結和凝華而成小水滴或冰晶，漂浮在貼近地面的氣層的現(xiàn)象，并由于組成霧的氣溶膠質粒對光的散射、反射作用使能見度減小到1千米以下輕霧：上述同樣過程，能見度等于或大于1千米時云：上述過程發(fā)生在大氣的某一高度上時霧：近地面大氣層中水汽達到飽和后，水汽即可凝結或凝華成霧。霧中水滴半徑1微米到50－60微米的范圍，其大小決定于霧中的含水量