大氣科學(xué)概論課件第十三輻射

大氣科學(xué)概論課件第十三輻射第一頁(yè)，共二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日

地面和大氣因輻射進(jìn)行熱量的交換，其能量的收支狀況，是由短波輻射和長(zhǎng)波輻射收支總和來(lái)決定的。

把物體收入的輻射能與支出的輻射能的差值稱(chēng)為輻射差額。

輻射差額=收入輻射-支出輻射

在沒(méi)有其它方式進(jìn)行熱交換時(shí)，輻射差額決定物體的溫度變化：輻射差額大于零，物體升溫；輻射差額小于零，物體降溫；輻射差額為零時(shí)，物體溫度保持不變。第二頁(yè)，共二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日

6.5.1地面輻射差額第三頁(yè)，共二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日

地面由于吸收太陽(yáng)總輻射和大氣逆輻射而獲得能量，同時(shí)又以其本身的溫度不斷向外放出輻射而失去能量。

地面收入輻射能減去支出輻射能，所得輻射能的差值，稱(chēng)為地面輻射差額FB。式中SA為太陽(yáng)直接輻射,SD為到達(dá)地面的散射輻射,SG為地面總輻射，rs為地面短波反射率，

δ為地面紅外輻射吸收率。第四頁(yè)，共二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日

凡是影響太陽(yáng)總輻射和地面有效輻射的因子都能影響FB。白天，總輻射起主要作用；

夜間，地面有效輻射起主要作用。輻射差額的日變化：

輻射差額夜間為負(fù)，白天為正。由負(fù)值轉(zhuǎn)到正值的時(shí)刻一般在日出后1小時(shí)，由正值轉(zhuǎn)到負(fù)值的時(shí)刻在日落前1—1.5小時(shí)。如圖為輻射差額日變化的情況。第五頁(yè)，共二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日

地面輻射差額的年變化：

地面輻射差額的年變化隨緯度而異：緯度越低，輻射差額保持正的月份越多，緯度越高，輻射差額保持正的月份越少

p50圖中給出不同緯度輻射差額的年變化第六頁(yè)，共二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日

6.5.2地面能量平衡第七頁(yè)，共二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日地表面除了輻射造成的能量收支外，還有地表和貼地層空氣的熱量交換（感熱）地表和深層土壤之間的熱交換和因地表水分蒸發(fā)，由相變引起的地表能量損失（潛熱）等項(xiàng)。第八頁(yè)，共二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日

用Hal代表地表凈能量通量，則:

RS為凈短波輻射通量，Rl為凈長(zhǎng)波輻射通量，HS為地表感熱通量，He為地表潛熱通量，Hm為流進(jìn)土壤深層的熱量。第九頁(yè)，共二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日

當(dāng)Hal>0時(shí)，地表獲得能量，溫度升高；當(dāng)Hal<0時(shí)，地表失去能量，溫度下降；當(dāng)Hal=0時(shí)，地表能量平衡，溫度不變。

地表的溫度可通過(guò)Hal來(lái)計(jì)算，方法有土壤絕熱法、余項(xiàng)強(qiáng)迫法、感熱相關(guān)法、輻射相關(guān)法、土壤模式法等，見(jiàn)書(shū)p51。由于海洋和陸地的熱力性質(zhì)不同，在地表能量平衡的條件下，溫度變化不同：第十頁(yè)，共二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日

陸地?zé)崛萘啃?，陸地上的氣溫變化大?/p>

海洋熱容量大，海水可以流動(dòng)，因此海洋在白天或夏天將太陽(yáng)能儲(chǔ)存起來(lái)，到了夜間或冬天將儲(chǔ)存的熱量釋放出來(lái)，因而海洋上的氣溫變化不大。

海陸差異引起白天陸地上氣溫比鄰近海洋高，夜間相反；夏季陸地上氣溫比鄰近海洋高，冬季相反。這種因海陸分布引起的對(duì)流層水平溫度梯度的季節(jié)性轉(zhuǎn)換，是引起大規(guī)模的季風(fēng)環(huán)流的主要原因之一。

第十一頁(yè)，共二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日

6.5.3氣溫的日變化第十二頁(yè)，共二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日

白天大氣通過(guò)輻射、分子運(yùn)動(dòng)、

湍流及

對(duì)流運(yùn)動(dòng)和潛熱輸送等方式將熱量傳遞，使大氣溫度隨之升高；夜間地表面因放射長(zhǎng)波輻射而冷卻，使邊界層大氣溫度也隨之降低，因而引起大氣溫度的日變化。第十三頁(yè)，共二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日

氣溫的日變化通常包括極值出現(xiàn)的時(shí)間和日較差的變化：

在一日內(nèi)有一個(gè)最高值，一般出現(xiàn)在

午后14時(shí)左右，一個(gè)最低值，一般出現(xiàn)在日出前后。（為何不出現(xiàn)在正午？）因?yàn)榈孛娴淖罡咧等Q于地面儲(chǔ)存能量的多少，地面收入大于支出轉(zhuǎn)為收入小于支出的時(shí)間在下午1點(diǎn)左右，即地面溫度最高，傳遞給大氣須一定的滯后時(shí)間，所以最高氣溫出現(xiàn)在14時(shí)左右。

一天中氣溫的最高值與最低值之差，稱(chēng)為氣溫日較差，其大小反映氣溫日變化的程度。

氣溫日較差隨緯度變化：熱帶12℃，溫帶8～9℃，極地3～4℃。

第十四頁(yè)，共二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日

6.5.4氣溫的年變化第十五頁(yè)，共二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日

氣溫的年變化也包括極值出現(xiàn)的時(shí)間和日較差的變化：

地球上絕大部分地區(qū)，在一年中月平均氣溫有一個(gè)最高值和一個(gè)最低值。陸地最高7月，最低1月；海洋最高8月，最低2月；

赤道有兩高兩低，分別在春秋分和夏至冬至；

氣溫的變化取決于地面熱量收支的情況，而太陽(yáng)赤緯和晝夜長(zhǎng)短，是影響地面熱量收支主要因子:第十六頁(yè)，共二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日

從春分到夏至，太陽(yáng)赤緯逐漸增高，晝長(zhǎng)于夜也逐漸增強(qiáng)，有利于地面熱量收入大于支出，溫度不斷增大。

從夏至到秋分，太陽(yáng)赤緯逐漸減低，晝長(zhǎng)于夜也逐漸減少，地面熱量收入大于支出的幅度在減少，但熱量收入仍然大于支出，地面溫度仍上升。

到了大暑時(shí)，地面熱量收支平衡，溫度升到最高，不再增加。

從大暑到秋分，地面熱量收入小于支出，溫度開(kāi)始下降。從秋分到冬至，太陽(yáng)赤緯繼續(xù)降低，晝?cè)絹?lái)越短于夜，但地面熱量支出仍然大于收入，溫度繼續(xù)下降。到了大寒時(shí)，地面熱量收支平衡，溫度不再下降，達(dá)到最低值。

第十七頁(yè)，共二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日

可見(jiàn)，北半球中緯度地區(qū)，最熱的日子在大暑，最冷的日子在大寒。

一年中月平均氣溫的最高值與最低值之差，稱(chēng)為氣溫年較差。

氣溫年較差的大小與緯度、地表性質(zhì)等因素有關(guān)。如圖：氣溫年較差由低緯向高緯增加，同緯度，陸地年較差比海洋大得多。氣溫除周期變化還有非周期變化。第十八頁(yè)，共二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日

6.6地氣系統(tǒng)能量平衡第十九頁(yè)，共二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日

為了了解地氣系統(tǒng)在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)怎樣維持平衡狀態(tài)，需要對(duì)地氣系統(tǒng)作為一個(gè)整體的年平均能量平衡的了解。下圖給出地氣系統(tǒng)總的能量平衡框圖：第二十頁(yè)，共二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日

第二十一頁(yè)，共二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日

圖中的數(shù)字歸一化，即把入射大氣上界的太陽(yáng)輻射作為100個(gè)單位。就地面而言：收入50=支出20+6+24

就大氣而言：收入16+4+6+24+14=支出38+26

就地氣系統(tǒng)而言：

收入100=支出6+20+4+6+38+26第二十二頁(yè)，共二十四頁(yè)，編輯于2023年，星期日

可見(jiàn)，無(wú)論是地面、大氣還是

地氣系統(tǒng)長(zhǎng)年平均的輻射收支都是處于平衡狀態(tài)的。第二十三頁(yè)，共