2氣候系統(tǒng)的輻射過程與能量平衡教程

其次章氣候系統(tǒng)的輻射過程與能量平衡第一節(jié)太陽輻射其次節(jié)地面和大氣輻射第三節(jié)大氣增溫存冷卻第四節(jié)大氣溫度隨時間的變化第五節(jié)大氣溫度的空間變化第一節(jié)太陽輻射一、輻射的根本學問

〔一〕輻射與輻射能輻射：物體以電磁波的方式向四周放射能量，這種能量傳播方式稱輻射輻射能：輻射傳播的能量稱輻射能輻射通量密度：單位時間內(nèi)通過單位面積的輻射能。輻射通量密度沒有限定輻射方向，輻射承受面可以垂直射線或與之成確定角度輻射強度：單位時間內(nèi)，通過垂直于選定方向的單位面積的輻射能。

〔二〕輻射光譜

輻射光譜：輻射能隨波長分布的曲線〔三〕物體對輻射的吸取、反射和透射〔四〕有關(guān)輻射的根本定律1、基爾霍夫定律2、斯蒂芬-玻耳茲曼定律3、維恩位移定律二、太陽輻射〔一〕太陽輻射光譜與太陽常數(shù)太陽輻射光譜：太陽輻射能按波長的分布太陽輻射=黑體輻射太陽輻射波長范圍：0.15—4.0um可見光：0.4—0.76um紫外線：<0.4um紅外線：>0.76um太陽輻射最強的輻射波長：0.475um(青光〕太陽常數(shù)：日地平均距離時，大氣上界垂直太陽光線的單位時間內(nèi)單位積上獲得的太陽輻射?！捕程栞椛湓诖髿庵械臏p弱由于大氣對太陽輻射的吸取、散射和反射，使太陽輻射穿過大氣后發(fā)生了變化：1〕總輻射能明顯減弱2〕太陽光譜變得極不規(guī)章3〕波長短的輻射能減弱得為顯著

1、大氣對太陽輻射的吸取

大氣中某些成分選擇性地吸取了太陽輻射。這些成分主要是：水汽、氧、臭氧、co2和固體雜質(zhì)。水汽雖然在可見光區(qū)和紅外區(qū)都有不少吸取帶，但吸取最強的是在紅外區(qū)，從0.93—2.85μm之間的幾個吸取帶。最強的太陽輻射能是短波局部，因此水汽從進入大氣中的總輻射能量內(nèi)吸取的能量并不多。據(jù)估量，太陽輻射因水汽的吸取可以減弱4％—15％。所以大氣因直接吸取太陽輻射而引起的增溫并不顯著。大氣中的主要氣體是氮和氧，只有氧能微弱地吸取太陽輻射，在波長小于0.2μm處為一寬吸取帶，吸取力氣較強，在0.69和0.76μm四周，各有一個窄吸取帶，吸取力氣較弱。臭氧在大氣中含量雖少，但對太陽輻射能量的吸取很強。在0.2—0.3μm為一強吸取帶，使得小于0.29μm的輻射由于臭氧的吸取而不能到達地面。在0.6μm四周又有一寬吸取帶，吸取力氣雖然不強，但因位于太陽輻射最猛烈的輻射帶里，所以吸取的太陽輻射量相當多。

二氧化碳對太陽輻射的吸取總的說來是比較弱的，僅對紅外區(qū)4.3μm四周的輻射吸取較強，但這一區(qū)域的太陽輻射很微弱，被吸取后對整個太陽輻射的影響不大。此外，懸浮在大氣中的水滴、塵埃等雜質(zhì)，也能吸取一局部太陽輻射，但其量甚微。只有當大氣中塵埃等雜質(zhì)很多〔如有沙暴、煙幕或浮塵〕時，吸取才比較顯著。由以上分析可知，大氣對太陽輻射的吸取具有選擇性，因而使穿過大氣后的太陽輻射光譜變得極不規(guī)章。由于大氣中主要吸取物質(zhì)〔臭氧和水汽〕對太陽輻射的吸取帶都位于太陽輻射光譜兩端能量較小的區(qū)域，因而對太陽輻射的減弱作用不大。也就是說，大氣直接吸取的太陽輻射并不多，特殊是對于對流層大氣來說，太陽輻射不是主要的直接熱源。2、大氣對太陽輻射的散射太陽輻射遇到空氣分子、塵粒、云滴等質(zhì)點時就要發(fā)生散射。

分子散射：質(zhì)點的直徑小于輻射波長選擇性波長越短散射越猛烈對稱性光學對稱性

米散射：質(zhì)點的直徑大于輻射波長無選擇性漫射偏不對稱性3、大氣對太陽輻射的反射

大氣對太陽輻射有反射作用，尤其是云能猛烈地反射太陽輻射。

不同的云狀、云厚對太陽輻射反射不同一般而言，高云反射率25%，中云反射率50%，低云反射率65%，淡薄的云10-20%，平均反射率50-55%。

總之，進入大氣的太陽輻射30%被漫射和散射回宇宙空間，20%被大氣吸取，50%穿過大氣到達地面。由此也可見，太陽輻射并非大氣的直接熱源。

上述三種方式中，反射作用最重要，尤其是云層對太陽輻射的反射最為明顯，另外還包括大氣散射回宇宙以及地面反射回宇宙的局部；散射作用次之，形成了到達地面的散射輻射；吸取作用相對最小。以全球平均而言，太陽輻射約有30％被散射和漫射回宇宙，稱之為行星反射率，20％被大氣和云層直接吸取，50％到達地面被吸取?！踩车竭_地面的太陽輻射直射輻射：以平行光線到達地面的太陽輻射散射輻射：以散射光形式到達地面的太陽輻射總輻射：直射輻射與散射輻射之和。1、直射輻射

影響到達地面太陽直射輻射強弱的因子主要有二：

1)太陽高度角

2)大氣透亮度大氣質(zhì)量數(shù)(m)、大氣透亮系數(shù)(p)I/I0=p布格定律：I=Iopm直接輻射有顯著的年變化、日變化和隨緯度的變化2、散射輻射影響到達地面太陽散射輻射強弱的因子主要有二：1)太陽高度角2)大氣透亮度散射輻射也有顯著的年變化、日變化和隨緯度的變化3、總輻射影響到達地面太陽總輻射強弱的主要因子1)太陽高度角2)大氣透亮度年變化、日變化和隨緯度的變化

〔四〕地面對太陽輻射的反射地面反射率：a=Q反/Q到達地面的太陽總輻射其中一局部被反射。地面反射率取決于地面的性質(zhì)和狀態(tài)。陸地平均反射率約為10—30%。土壤顏色、潮濕程度、起伏等影響反射率。雪面、水面不同狀態(tài)也影響反射率。其次節(jié)地面和大氣的輻射水面、陸面、植被等地球外表吸取了大量的太陽輻射，并經(jīng)轉(zhuǎn)化傳給大氣。下墊面是大氣的直接熱源。

一、地面、大氣的輻射和地面有效輻射

〔一〕地面和大氣輻射的表示太陽輻射能量集中在波長0.15—4.0um,而地面和大氣的輻射集中在3.0—120.0um，因此我們稱太陽輻射為短波輻射，地面和大氣輻射稱為長波輻射。

〔二〕地面、大氣長波輻射的特點1、大氣對長波輻射的吸取大氣窗口2、大氣中長波輻射的特點

〔三〕大氣逆輻射和地面有效輻射1、大氣逆輻射和大氣保溫效應-23c------15c-------38c大氣保溫效應2、地面有效輻射物理意義影響因子：地面溫度、空氣溫度、空氣濕度、云況年變化、日變化二、地面及地氣系統(tǒng)輻射差額輻射差額=收入輻射–支出輻射〔一〕地面的輻射差額Q+q+Q反-Ea+Eg-

Rg=(Q+q)(1-a)–Fo當Rg>0時，即地面收入的太陽輻射大于地面有效輻射，地面有熱量收入。當Rg<0時，即地面收入的太陽輻射小于地面有效輻射，地面有熱量虧損。地面輻射差額有明顯的日變化、年變化和地理緯度變化?！捕炒髿獾妮椛洳铑~大氣輻射差額可以是整層大氣的輻射差額，也可以是某一層大氣的輻射差額。

Ra=qa+Fo-F&

式中F&總是大于Fo的，并且qa一般小于F&-Fo，所以整個大氣層的輻射差額是負的。大氣要維持熱平衡，還要靠其它方式獲得熱量，如對流和潛熱輸送?！踩车?氣系統(tǒng)輻射差額假設把大氣看為一個整體，其輻射差額為：

Rs=Rg+Ra=(Q+q)(1-a)–Fo+qa+Fo-F&=(Q+q)(1-a)+qa-F&

就個別地區(qū)而言，地-氣系統(tǒng)輻射差額可以是正的，也可以是負的。但對整個系統(tǒng)來說，這一輻射差額多年平均應為零。由于觀測說明，整個地球和大氣的平均溫度多年來是沒有什么變化的。

分析圖2-17第三節(jié)大氣的增溫存冷卻一、海陸的的增溫存冷卻

海陸的熱力差異：反射率吸取輻射的活動層及熱量傳遞方式水源供給比熱〔熱容量〕二、空氣的增溫存冷卻〔一〕氣溫的非決熱變化1、傳導2、輻射3、對流4、湍流5、蒸發(fā)〔升華〕和分散〔凝華〕〔二〕氣溫的絕熱變化1、絕熱過程與泊松方程

氣象學上，任意氣塊與外界無熱量交換時的狀態(tài)變化過程稱絕熱過程。絕熱過程中無水的相變，稱絕熱過程。熱力學第確定律：假設有dQ熱量加到一個孤立氣體系統(tǒng)，則dQ可分為兩局部，即dE增加系統(tǒng)內(nèi)能和dW對外所作的功。dQ=dE+dW

其中：dE=CvdT,dW=PdVCv定容比熱，dT溫度變化，P壓力，dV體積變化。

則有：dQ=CvdT+PdV

利用狀態(tài)方程PV=RT,微分PdV+VdP=RdT，則PdV=RdT-VdP代入dQ,有:dQ=CvdT+RdT–VdP由于V=RT/P,同時設Cp=Cv+R

dQ=CpdT–(RT/P)dP由于是絕熱過程，dQ=0則：0=CpdT–(RT/P)dP即：CpdT=RT〔dP/P)，Cp(dT/T)=R(dP/P)對此方程進展積分，積分范圍P0~P,T0~T。得泊松方程。2、干絕熱直減率和濕絕熱直減率

運用熱力學第確定律、狀態(tài)方程和靜力學方程推導rd、rm。干空氣或未飽和空氣：rd=g/Cp=9.8/1005=0.98k/100m=1C/100mrd是常數(shù)飽和空氣：rm=rd+(L/Cp)(dqs/dz)當dz>0,dqs<0,則(dqs/dz)<0;當dz<0,dqs>0,則(dqs/dz)<0.rm是變量，是氣壓和溫度的函數(shù)。分析表2-4四、大氣穩(wěn)定度〔一〕大氣穩(wěn)定度的概念大氣穩(wěn)定度是指氣塊受任意方向擾動后，返回或遠離原平衡位置的趨勢和程度。一團空氣受對流沖擊產(chǎn)生垂直運動，分三種狀況：受力移動，漸漸減速，并有返回原來位置的趨勢，穩(wěn)定；受力移動，漸漸加速，并有遠離原來位置的趨勢，不穩(wěn)定；受力移動，既不加速，也不減速，中性。

準靜力學條件：P=Pi，Ti、Di與T、D不等。

單位體積空氣受兩個力的作用：浮力Dg，重力Dig。合力：f=Dg-Dig單位質(zhì)量空氣的加速度：a=(Dg-Dig)/Di現(xiàn)將狀態(tài)方程D=P/RT、Di=Pi/RTi和P=Pi代入a=(Ti–T)g/T實際上，空氣是否穩(wěn)定準備于氣塊溫度與四周大氣溫度的比較。〔二〕推斷大氣穩(wěn)定度的根本方法大氣是否穩(wěn)定，通常用rd或rm與r的比較來推斷由于T=To-rd$Z、Ti=Tio-rd$Z，由于起始高度一樣To=Tio

a=g$Z(r-rd)/T

(r-rd)的符號準備了加速度a與擾動位移$Z的方向是否全都，亦準備了大氣是否穩(wěn)定。

當r<rd，假設$Z>0，則a<0，加速度與位移方向相反，層結(jié)穩(wěn)定。當r>rd，假設$Z>0，則a>0，加速度與位移方向全都，層結(jié)不穩(wěn)定。當r=rd，a=0,層結(jié)是