1、第三章 气候系统的热力过程第一节第一节 太阳辐射太阳辐射第二节第二节 地地-气系统的长波辐射气系统的长波辐射第三节第三节 气候系统的辐射收支气候系统的辐射收支第四节第四节 气候系统的热量平衡气候系统的热量平衡第五节第五节 全球能量平衡全球能量平衡大气圈的平均温度大气圈的平均温度水圈、陆圈、冰雪圈及生物圈水圈、陆圈、冰雪圈及生物圈（地表圈层）的平均温度（地表圈层）的平均温度 同一纬度水圈与陆圈的平均温度的分布？同一纬度水圈与陆圈的平均温度的分布？为什么海洋上气温的日、年较差小于陆地？为什么海洋上气温的日、年较差小于陆地？高于、等于或小于？高于、等于或小于？全球全球1961-1990年年1月平均海
2、平面气温（月平均海平面气温（C）的分布）的分布一、天文辐射一、天文辐射第一节第一节 太阳辐射太阳辐射 2 2、太阳常数、太阳常数:日地平均距离时，单位时日地平均距离时，单位时间、垂直投射到地球大气上界、单位面积间、垂直投射到地球大气上界、单位面积的太阳辐射能。的太阳辐射能。2071367WmI 1 1、天文辐射：、天文辐射：大气上界与地球表面同心大气上界与地球表面同心球面上接收到的太阳辐射，或者说不考虑大球面上接收到的太阳辐射，或者说不考虑大气圈影响气圈影响,地表面地表面接收到的太阳辐射称为天接收到的太阳辐射称为天文辐射。文辐射。一年里，照射气候系统的太阳辐射为多少？一年里，照射气候系统的太阳
3、辐射为多少？假设地球近似为一半径假设地球近似为一半径R的球体。的球体。第一节第一节 太阳辐射太阳辐射r2r1r1r2日地距离的变化日地距离的变化I1I2太阳辐射强度0202IrrI 大气上界、任意日地距离时、单位时间、垂直大气上界、任意日地距离时、单位时间、垂直于太阳光线方向的单位面积上通过全部波长的太阳于太阳光线方向的单位面积上通过全部波长的太阳辐射能。辐射能。日地距离日地距离天文辐射的计算天文辐射的计算 地球公转示意图地球公转示意图(J/m2s)(日地平均距离日地平均距离)(某一天日地距离某一天日地距离)200II0rr日地平均距离：日地平均距离：14960万万km近日点日地距离：近日点日
4、地距离：14710万万km远日点日地距离：远日点日地距离：15210万万km地球表面地球表面大气上界大气上界太阳高度太阳高度ABhAhB地球水平面地球水平面太阳光太阳光太阳光线太阳光线太阳高度角太阳高度角:太阳光线与地球水平面的夹角太阳光线与地球水平面的夹角A A1 1B B1 1C C1 1D D1 1面面:垂直于太阳光线的平面垂直于太阳光线的平面ABCDABCD面面:地球水平面地球水平面 任意日地距离（一天）某个时刻、大气任意日地距离（一天）某个时刻、大气上界、单位时间、地球上界、单位时间、地球水平面单位面积水平面单位面积接收接收到的全部波长的太阳辐射能为：到的全部波长的太阳辐射能为：si
5、nh20II(J/m2s)h地球公转示意图地球公转示意图S为太阳在天球的位置为太阳在天球的位置HH为观测地地平圈，为观测地地平圈，弧弧SD太阳高度太阳高度hAA为为天赤道天赤道 弧弧SB赤纬赤纬 球面角球面角ZPS为时角为时角地理纬度地理纬度太阳高度：太阳高度：coscoscossinsinsinh)coscoscossin(sin20IdtdQssinh20II)coscoscossin(sin20IdtdQs 正午太阳高度角公式：正午太阳高度角公式：h正午正午=90 正午太阳高度的纬度变化：正午太阳高度的纬度变化：在春分、秋分，赤道最大，极地最小。在春分、秋分，赤道最大，极地最小。在夏至，
6、北回归线最大，由此向北、向南在夏至，北回归线最大，由此向北、向南递减。递减。在冬至，南回归线最大，由此在冬至，南回归线最大，由此向北、向南向北、向南递减。递减。正午太阳高度的季节变化：正午太阳高度的季节变化：在赤道在赤道,夏至、冬至最小，春、秋分最大。夏至、冬至最小，春、秋分最大。在赤道在赤道-北回归线，北回归线，正午太阳高度正午太阳高度两次直射两次直射时最大，两次最小。时最大，两次最小。在北回归线，在北回归线，正午太阳高度正午太阳高度夏至最大，冬夏至最大，冬至最小。至最小。在北极圈，在北极圈，正午太阳高度正午太阳高度夏至最大，但小夏至最大，但小于于90。日照时间：日照时间：日出日出-日没的时
7、间间隔日没的时间间隔coscoscossinsinsinh日出、日落时刻日出、日落时刻0sinhtgtgcos日出时角日出时角日落时角日落时角 北半球（北半球（0 0，），）:从春分从春分 秋分秋分 0，cos00，0 0 90（12小时），昼长夜短，夏至时，小时），昼长夜短，夏至时，昼最长夜最短。昼最长夜最短。从秋分从秋分 春分春分 0，cos 0 0 0，0 90（12小时），昼短夜长，冬至时，小时），昼短夜长，冬至时，昼最短夜最长。昼最短夜最长。在春、秋分，在春、秋分，cos 0=0,任意纬度昼夜平分。任意纬度昼夜平分。可照时数的季节变化：可照时数的季节变化：在赤道，在赤道，cos 0=
8、0,全年昼夜平分。全年昼夜平分。在赤道在赤道 北极圈，夏半年昼长夜短，纬度愈北极圈，夏半年昼长夜短，纬度愈高昼长愈长，冬半年昼短夜长，纬度愈高昼长愈高昼长愈长，冬半年昼短夜长，纬度愈高昼长愈短。短。在赤道在赤道 南极圈，冬半年昼长夜短，纬度愈南极圈，冬半年昼长夜短，纬度愈高昼长愈长，夏半年昼短夜长，纬度愈高昼长愈高昼长愈长，夏半年昼短夜长，纬度愈高昼长愈短。短。在北极圈内，冬半年极夜，夏半年极昼。在北极圈内，冬半年极夜，夏半年极昼。可照时数的纬度变化：可照时数的纬度变化：正午时刻地球上太阳辐射强度的时空分布正午时刻地球上太阳辐射强度的时空分布)(90sin120II)cos(20I 从季节上看
9、，由春分从季节上看，由春分-秋分（秋分（0 0），），南半球的太阳辐射强度由北向南减低；南半球的太阳辐射强度由北向南减低；北半球（北半球（）地区，太阳辐射强度由南向北）地区，太阳辐射强度由南向北递减，递减，愈大则太阳辐射强度越弱，在愈大则太阳辐射强度越弱，在 =处，即太阳直照射地面时，太阳辐射强度最大。处，即太阳直照射地面时，太阳辐射强度最大。在北半球在北半球夏至正午夏至正午时，时，冬至正午冬至正午时，时，可见：可见：冬、夏正午太阳辐射强度的差异则随着纬度的增加而增加。冬、夏正午太阳辐射强度的差异则随着纬度的增加而增加。)5.23cos(20II)5.23cos(20II 在在春秋分正午春秋分
10、正午时，时，0 0，赤道最大，极地最小为赤道最大，极地最小为0 0。cos20II 在在赤道地区赤道地区（=0），），太阳辐射强度在春秋分最大，冬、夏最小。太阳辐射强度在春秋分最大，冬、夏最小。在在极地极地（=90），），北极北极太阳辐射强度夏至最大，冬至为永夜太阳辐射强度夏至最大，冬至为永夜 （太阳辐射强度为零）。（太阳辐射强度为零）。南极南极冬至最大，夏至为永夜。冬至最大，夏至为永夜。cos20II sin20II 从地区来看，从地区来看，3 3、天文辐射日总量、天文辐射日总量地球表面单位面积地球表面单位面积一天内接收到的全部波长的太阳辐射能一天内接收到的全部波长的太阳辐射能)sincos
11、cossinsin(0020TIQs(J/m2)纬度纬度()；赤纬赤纬()；0日落时角日落时角（弧度）；（弧度）；T T 一天的秒数一天的秒数 T T=24=24 3600(s)3600(s)0rr某一天日地距离某一天日地距离日地平均距离日地平均距离 某一天的天文辐射日总量就是瞬时太某一天的天文辐射日总量就是瞬时太阳辐射能从日出积分到日落，即阳辐射能从日出积分到日落，即(J/m2)sincoscossinsin(2)coscoscossin(sin0020200000TIdTIdtIQsdtIdQs)coscoscossin(sin20dTIdQs)coscoscossin(sin220dTI
12、dQtts)coscoscossin(sin2000020)sincoscossinsin(0020TIQs日推导：推导：赤道上，太阳辐射日总量与太阳赤纬的余弦成正比。赤道上，太阳辐射日总量与太阳赤纬的余弦成正比。在极地，在极地，夏季极地的太阳辐射日总量与太阳赤纬的正弦成正比。于是，夏季极地的太阳辐射日总量与太阳赤纬的正弦成正比。于是，夏半年，极地与赤道的太阳辐射日总量之比为：夏半年，极地与赤道的太阳辐射日总量之比为：夏至，比值为夏至，比值为1.364。即极地在夏至这一天的太阳辐射日总量比同。即极地在夏至这一天的太阳辐射日总量比同一天赤道的太阳辐射日总量大一天赤道的太阳辐射日总量大36.4。t
13、gcossin在永夜地区在永夜地区 ；在永昼地区，在永昼地区，0日sQsinsin20TIQs日cos2750220IQs日sin2750220IQs日 春秋分春秋分时，地球上时，地球上太阳辐射日总量太阳辐射日总量随纬度的增加而减少。随纬度的增加而减少。在夏半年，太阳辐射日总量在一相当宽的纬度带内变化甚在夏半年，太阳辐射日总量在一相当宽的纬度带内变化甚小，在极地达最大。（在夏半球，可照时间是随着纬度增加小，在极地达最大。（在夏半球，可照时间是随着纬度增加而增长，太阳辐射日总量随着纬度增加而增大，补偿了因太而增长，太阳辐射日总量随着纬度增加而增大，补偿了因太阳高度随纬度增加而减小造成的太阳辐射日
14、总量随纬度增加阳高度随纬度增加而减小造成的太阳辐射日总量随纬度增加而减小的现象。）而减小的现象。）在冬半年，可照时间随纬度增大而缩短，太阳高度角随纬在冬半年，可照时间随纬度增大而缩短，太阳高度角随纬 度的增加亦减小，因此冬半年太阳辐射日总量随纬度的变化度的增加亦减小，因此冬半年太阳辐射日总量随纬度的变化较大，南北梯度大。较大，南北梯度大。cos27502cosT2020IIQs日天天纬纬度度天文辐射日总量时空分布（卡厘米天文辐射日总量时空分布（卡厘米2 2）春春分分秋秋分分夏夏至至冬冬至至冬冬至至 图图3.1 3.1 天文辐射日总量的分布（天文辐射日总量的分布（）2/MJm）6634 N232
15、6 N2326 S6634 S太太 阳阳 光光太阳直射北回归线太阳直射北回归线北半球昼长夜短，北半球昼长夜短，北极圈内极昼北极圈内极昼南半球昼短夜长，南半球昼短夜长，南极圈内极夜南极圈内极夜赤道赤道昼夜相等昼夜相等6634 N2326 N2326 S6634 S太太 阳阳 光光6634 N2326 N2326 S6634 S太太 阳阳 光光太阳直射赤道太阳直射赤道全球昼夜相等全球昼夜相等6634 N2326 N2326 S6634 S太太 阳阳 光光6634 N2326 N2326 S6634 S太太 阳阳 光光太阳直射南回归线太阳直射南回归线北半球昼短夜长，北半球昼短夜长，北极圈内极夜北极圈
16、内极夜南半球昼长夜短，南半球昼长夜短，南极圈内极昼南极圈内极昼赤道赤道昼夜相等昼夜相等6634 N2326 N2326 S6634 S太太 阳阳 光光6634 N2326 N2326 S6634 S太太 阳阳 光光太阳直射赤道太阳直射赤道全球昼夜相等全球昼夜相等6634 N2326 N2326 S6634 S太太 阳阳 光光6634 N2326 N2326 S6634 S太太 阳阳 光光4 4、天文辐射的时空分布特征、天文辐射的时空分布特征 年变化（季节变化）年变化（季节变化）：具有以一年具有以一年为周期的季节性变化特点，但不同纬度具有为周期的季节性变化特点，但不同纬度具有不同的变化幅度，中高
17、纬度的年变化显著，不同的变化幅度，中高纬度的年变化显著，低纬度的年变化小。低纬度的年变化小。空间变化空间变化：具有随纬度增高而减小的具有随纬度增高而减小的趋势。不同季节或不同区域这种趋势有强弱趋势。不同季节或不同区域这种趋势有强弱差异。冬季随纬度增高的减小趋势强，夏季差异。冬季随纬度增高的减小趋势强，夏季弱。弱。第一节第一节 太阳辐射太阳辐射天文气候天文气候 天文气候天文气候 (1)(1)天文辐射能量的分布天文辐射能量的分布因纬度而异的。因纬度而异的。全球获得天文辐射最全球获得天文辐射最多的是赤道，随着纬度的增高，辐射能渐次减少，最小使出现多的是赤道，随着纬度的增高，辐射能渐次减少，最小使出现
18、在极点，仅及赤道的在极点，仅及赤道的40。这种能量的不均这种能量的不均衡分布，必然导致地表各纬度带的气温产衡分布，必然导致地表各纬度带的气温产生差异。地球上之所以有热带、温带、寒带等气候带的分异，生差异。地球上之所以有热带、温带、寒带等气候带的分异，与天文辐射的不均衡分布有密切关系。与天文辐射的不均衡分布有密切关系。天文气候天文气候 (2)(2)夏半年获得天文辐射量的最大值在夏半年获得天文辐射量的最大值在2025的纬度带上，的纬度带上，由此向两极逐渐减少，最小值在极地。由此向两极逐渐减少，最小值在极地。因为在赤道附近因为在赤道附近，太阳位于（近似位于）天顶的时间比较，太阳位于（近似位于）天顶的
19、时间比较短，而在回归线附近的时间比较长。短，而在回归线附近的时间比较长。例如在例如在6 NN6 S S间，在春间，在春分和秋分附近，太阳位于分和秋分附近，太阳位于（近似位于）天顶的时间各约（近似位于）天顶的时间各约30天天;在在纬度纬度17.5 23.5 的纬度带上，在夏至附近，位于的纬度带上，在夏至附近，位于(近似位于近似位于)天顶的时间约天顶的时间约86天。天。赤道上终年昼夜长短均等赤道上终年昼夜长短均等,而在而在 20 20 2525 纬度带上纬度带上,夏夏季白昼时间比赤道长，季白昼时间比赤道长，这是这是“热赤道热赤道”北移北移(北半球北半球)的一个原因。的一个原因。又由于夏季白昼长度随
20、纬度的增高而增长，所以由热带向极地又由于夏季白昼长度随纬度的增高而增长，所以由热带向极地所受到的天文辐射量，随纬度的增高而递减的程度也趋于和缓，所受到的天文辐射量，随纬度的增高而递减的程度也趋于和缓，表现在高低纬度间气温和气压的水平梯度夏季较小。表现在高低纬度间气温和气压的水平梯度夏季较小。天文气候天文气候 (3)(3)冬半年北半球获得天文辐射最多的是赤道。随着纬度的冬半年北半球获得天文辐射最多的是赤道。随着纬度的 增高，正午太阳高度角和每天白昼长度都迅速递减，所以天文增高，正午太阳高度角和每天白昼长度都迅速递减，所以天文辐射量也迅速递减下去，到极点为零。表现在高低纬度间气温辐射量也迅速递减下
21、去，到极点为零。表现在高低纬度间气温和气压的水平梯度冬季比较大。和气压的水平梯度冬季比较大。(4)(4)天文辐射的南北差异不仅随冬、夏半年而有不同，而且天文辐射的南北差异不仅随冬、夏半年而有不同，而且在同一时间内随纬度亦有不同。在两极和赤道附近，天文辐射在同一时间内随纬度亦有不同。在两极和赤道附近，天文辐射的水平梯度都较小，而以中纬度约在的水平梯度都较小，而以中纬度约在45 55间水平梯度最大，间水平梯度最大，所以在中纬度，环绕整个地球，相应可有温度水平梯度很大的所以在中纬度，环绕整个地球，相应可有温度水平梯度很大的锋带和急流现象。锋带和急流现象。天文气候天文气候 (5)(5)夏半年与冬半年天
22、文辐射的差值随着纬度的增高而加大夏半年与冬半年天文辐射的差值随着纬度的增高而加大的。表现在气温的年较差上是高纬度大，低纬度小。的。表现在气温的年较差上是高纬度大，低纬度小。在赤道附近在赤道附近(约在南北纬约在南北纬 15 间间)，天文辐射日总量有两个最，天文辐射日总量有两个最高点，时间在春分和秋分。在纬度高点，时间在春分和秋分。在纬度15 以上以上，天文辐射日总量由，天文辐射日总量由两个最高点逐渐合为一个。在回归线及较高纬度地带，最高点两个最高点逐渐合为一个。在回归线及较高纬度地带，最高点出现在夏至日出现在夏至日(北半球北半球)。辐射年变化的振幅是纬度愈高愈大，。辐射年变化的振幅是纬度愈高愈大
23、，从季节来讲，则是南北半球完全相反。从季节来讲，则是南北半球完全相反。天文气候天文气候 (6)(6)在极圈以内在极圈以内，有极昼、极夜现象。在极夜期间，有极昼、极夜现象。在极夜期间，天文辐，天文辐射为零。在一年内一定时期中，到达极地的天文辐射量大于赤射为零。在一年内一定时期中，到达极地的天文辐射量大于赤道。例如，道。例如，在在5 5月月1010日日 8 8月月3 3日期间内日期间内，射到北极大气上界的辐，射到北极大气上界的辐射能射能就大于赤道。在夏至日、北极天文辐射能大于赤道就大于赤道。在夏至日、北极天文辐射能大于赤道0.365倍，倍，南极夏至日南极夏至日(12(12月月2222日日)天文辐射
24、量比北极夏至日天文辐射量比北极夏至日(6(6月月2222日日)大。大。说明南北半球天文辐射日总量是不对称的，南半球夏季各纬说明南北半球天文辐射日总量是不对称的，南半球夏季各纬圈日总量大于北半球夏季相应各纬圈的日总量。相反，南半球圈日总量大于北半球夏季相应各纬圈的日总量。相反，南半球冬季各纬圈的日总量又小于北半球冬季各纬圈的日总量又小于北半球冬季相应各纬圈的冬季相应各纬圈的日总量。日总量。（日地距离有差异的缘故）（日地距离有差异的缘故）天文辐射时空分布的天文辐射时空分布的上述特点构成了因纬上述特点构成了因纬度而异的天文气候带。度而异的天文气候带。在同一纬度带上，还有以一年为周期的季在同一纬度带上
25、，还有以一年为周期的季节性变化和因季节而异的日变化。节性变化和因季节而异的日变化。作业作业2 2 1、计算北纬、计算北纬20、40度处，度处，春分、夏至和冬至的春分、夏至和冬至的日照时间、中午时刻的太阳高度角和天文辐射日总日照时间、中午时刻的太阳高度角和天文辐射日总量（日地距离近似等于日地平均距离），由此分析量（日地距离近似等于日地平均距离），由此分析两纬度处日照时间、中午时刻的太阳高度角和日射两纬度处日照时间、中午时刻的太阳高度角和日射量的季节演变。量的季节演变。2、计算地球在近日点和远日点处，地球上照射、计算地球在近日点和远日点处，地球上照射到的太阳辐射占日地平均距离处的比例。到的太阳辐射
26、占日地平均距离处的比例。第一节第一节 太阳辐射太阳辐射二、太阳辐射在大气中的减弱二、太阳辐射在大气中的减弱 1、大气中太阳辐射传输过程大气中太阳辐射传输过程单色光强度：单色光强度：IIdldz经过的路径是经过的路径是 dl强度变化强度变化:d IdlIkdI地面k称为大气对太阳辐射的质量削弱系数称为大气对太阳辐射的质量削弱系数(m2g-1)I+dI)(112msJmzdzz h天顶距天顶距dzdzdzdlseccossinh 单位时间、垂直于太阳单位时间、垂直于太阳光线方向上单位面积、单光线方向上单位面积、单位波长的辐射能位波长的辐射能A0l=0zl第一节第一节 太阳辐射太阳辐射从大气顶到从大
27、气顶到Z高度积分高度积分,得得ldlkeII000I:大气上界波长为大气上界波长为的单色光辐射强度的单色光辐射强度：为太阳辐射通过大气介质的质量：为太阳辐射通过大气介质的质量,称为称为光学路径光学路径（只与大气有关？）（只与大气有关？）ldl0I：Z高度上波长为高度上波长为 的单色光辐射强度的单色光辐射强度 大气质量大气质量:太阳光投射到地面所经路程太阳光投射到地面所经路程中中,单位截面积空气柱的质量。单位截面积空气柱的质量。大气质量数大气质量数(m):实际投射条件下的大气实际投射条件下的大气质量与垂直投射下的大气质量的比值。质量与垂直投射下的大气质量的比值。dzdlm引入均质大气高度引入均质
28、大气高度 H H0 0 和密度和密度000Hdz00Hdlmhdzdlmsec)30(hdzdl天顶距大阳高度大阳高度（h）90 60 30 10 5 3 1 0 大气质量数大气质量数（m）11.152.05.610.4 15.4 27.0 35.4 大气透明度大气透明度如果介质的光学性质是均匀的如果介质的光学性质是均匀的,k为常数为常数0000000HmkdlkdlkeIeIeIIll令:00HkeP即为大气对单波即为大气对单波 辐射的透明系数辐射的透明系数P 描述大气对太阳辐射衰减的程度描述大气对太阳辐射衰减的程度,常用透常用透明系数表示明系数表示mPII0到达地面的单色辐射强度为到达地面
29、的单色辐射强度为:对所有波长积分对所有波长积分,P 即为大气对太阳辐射所有波长的平均透明即为大气对太阳辐射所有波长的平均透明系数系数,简称简称大气透明系数大气透明系数.I 经过大气到达地面垂直于太阳光线方向上经过大气到达地面垂直于太阳光线方向上单位面积，单位时间的太阳辐射能（单位面积，单位时间的太阳辐射能（Jm-2s-1）mmPIPII200000dPIdIm000dII0dPPmmP 1）受什么因素影响？受什么因素影响？2）大气质量数）大气质量数m受什么因素影响？受什么因素影响？3）P 受什么因素影响？受什么因素影响？ldlk0称为称为光学厚度光学厚度eII00IIe光谱透过率光谱透过率:光
30、谱吸收率光谱吸收率:00011IIIIIe光谱吸收函数光谱吸收函数:212100)(dIdII定义定义:第一节第一节 太阳辐射太阳辐射2.大气对太阳辐射的吸收大气对太阳辐射的吸收 1）定义定义：大气分子被入射太阳辐射激发，大气分子被入射太阳辐射激发，由低能级跃迁到高能级的过程称为由低能级跃迁到高能级的过程称为吸收吸收。两能级的差就是大气吸收的辐射能量值。两能级的差就是大气吸收的辐射能量值。2）主要吸收气体）主要吸收气体 氧氧(O(O2 2):):发生在高层大气发生在高层大气,波长小于波长小于0.260.26m远紫外波段远紫外波段：0.175-0.2026 ,0.242-0.26mm第一节第一节
31、 太阳辐射太阳辐射臭氧臭氧(O3):主要集中在主要集中在25km25km的臭氧层的臭氧层,0.22-,0.22-0.34 0.34 ，m0.32-0.360.32-0.36m在紫外光区的吸收可表示为在紫外光区的吸收可表示为3805.0)6.103(10658.0)6.1381(082.1)(xxxxAou在可见光区在可见光区:2000323.0042.0102118.0)(xxxxAovx为臭氧的光学厚度为臭氧的光学厚度umx U为单位面积垂直气柱内的臭氧含量为单位面积垂直气柱内的臭氧含量5.0200)11224(35m0为天顶距的余旋为天顶距的余旋cos0 水汽水汽(H2O):主要集中于红外
32、光区主要集中于红外光区yyyyAw295.5)5.1411(9.2)(635.0y是水汽的光学厚度是水汽的光学厚度lwwdlky0图3.2 (a)太阳和地球的黑体辐射；（b）整层大气的吸收谱；（c）11 km高度以上大气吸收谱；（d）整层大气中不同不同气体成分的吸收谱（转引自潘乃先等译，1988）3）效应效应：到达地面的太阳辐射减弱；到达地面的太阳辐射减弱；通过大气后的太阳辐射光谱变得极不规则；通过大气后的太阳辐射光谱变得极不规则；影响大气的温度结构影响大气的温度结构。第一节第一节 太阳辐射太阳辐射3.大气对太阳辐射的散射大气对太阳辐射的散射 1）定义）定义：大气质点将入射辐射重新向大气质点将
33、入射辐射重新向各个方向辐射出去的一种现象。各个方向辐射出去的一种现象。2）特点）特点：强烈地依赖于粒子尺度与入强烈地依赖于粒子尺度与入射波长的相对大小，分为瑞利散射和米射波长的相对大小，分为瑞利散射和米散射。散射。第一节第一节 太阳辐射太阳辐射大气散射特征大气散射特征 瑞利瑞利(分子分子)散射散射:空气分子直径比波空气分子直径比波长小长小,散射能力与波散射能力与波长的四次方成反比。长的四次方成反比。米散射米散射:空气分子直径空气分子直径比波长大比波长大,各种各种波长的散射能力波长的散射能力相等。相等。第一节第一节 太阳辐射太阳辐射例如，例如，波长为波长为0.70 时的散射能力为时的散射能力为1
34、，那末波长，那末波长为为 0.3 时的散射能力就为时的散射能力就为30。因此，在太阳辐射通过大气时，由于空气分子因此，在太阳辐射通过大气时，由于空气分子散射的结果，波长较短的光被散射得较多。散射的结果，波长较短的光被散射得较多。雨后天晴，天空呈青蓝色，就是因为太阳辐射雨后天晴，天空呈青蓝色，就是因为太阳辐射中青蓝色波长较短，容易被大气散射的缘故。中青蓝色波长较短，容易被大气散射的缘故。分子散射还有一个特点是质点散射对于其光学分子散射还有一个特点是质点散射对于其光学特性来说是对称的球形特性来说是对称的球形(如图如图)，在光线射入的方向在光线射入的方向及在相反的方向上散射是比垂直于射入光线方向上及
35、在相反的方向上散射是比垂直于射入光线方向上的散射量大的散射量大1倍。倍。第一节第一节 太阳辐射太阳辐射mm3)3)效应效应：到达地面的太阳辐射减小；到达地面的太阳辐射减小；整个天空大气亮堂。整个天空大气亮堂。第一节第一节 太阳辐射太阳辐射4.大气对太阳辐射的反射大气对太阳辐射的反射 1）定义）定义：大气中云层和较大颗粒的尘埃将太阳大气中云层和较大颗粒的尘埃将太阳辐射中的一部分能量反射到宇宙空间去辐射中的一部分能量反射到宇宙空间去的过程。的过程。2）特点）特点：对各种波长无选择性，云的反射对各种波长无选择性，云的反射作用最显著。作用最显著。第一节第一节 太阳辐射太阳辐射3）效应）效应：到达地面的
36、太阳辐射显著减弱。到达地面的太阳辐射显著减弱。三三.到达地面的太阳辐射到达地面的太阳辐射1.到达地面的太阳直接辐射到达地面的太阳直接辐射 1）定义）定义：太阳以平行光的形式直接投射太阳以平行光的形式直接投射到地面的辐射。到地面的辐射。2）影响因子）影响因子：太阳高度角太阳高度角、大气透明度、大气透明度。第一节第一节 太阳辐射太阳辐射直接辐射直接辐射:(Jm-2s-1)3）各项的影响效应：）各项的影响效应：4）气候特征）气候特征:日、年变化和随纬度的变化日、年变化和随纬度的变化sinh20mPIS2.到达地面的太阳散射辐射到达地面的太阳散射辐射 1）定义）定义：太阳辐射经过大气散射后自天太阳辐射
37、经过大气散射后自天空投射到地面的辐射。空投射到地面的辐射。2)影响因子影响因子：太阳高度角、大气透明度、太阳高度角、大气透明度、云。云。3）各项的影响效应：）各项的影响效应：3.到达地面的太阳总辐射到达地面的太阳总辐射(地表总辐射地表总辐射)1)1)定义定义:实际大气条件下实际大气条件下,到达地面的直到达地面的直接辐射和散射辐射之和。接辐射和散射辐射之和。2)2)影响因子影响因子:太阳高度角太阳高度角(天文辐射天文辐射)、云量、大气透明度。云量、大气透明度。3)3)各因子的影响效应各因子的影响效应：全球地表总辐射年平均通量密度全球地表总辐射年平均通量密度（Js Js-1-1m m-2-2)的分
38、布的分布中国年平均总辐射通量密度的分布中国年平均总辐射通量密度的分布(Wm(Wm-2-2)四四.地面对太阳辐射的反射地面对太阳辐射的反射 地表反射辐射地表反射辐射：到达地表的总辐射有一部分由于反到达地表的总辐射有一部分由于反射作用而返回天空，这部分辐射能量称射作用而返回天空，这部分辐射能量称为地表反射辐射。为地表反射辐射。地表反射率地表反射率：地表反射辐射占入射总辐射量的比地表反射辐射占入射总辐射量的比称为地表反射率称为地表反射率。第一节第一节 太阳辐射太阳辐射地表反射率影响因子地表反射率影响因子：1 1）太阳高度）太阳高度 2 2）下垫面特征和性质：）下垫面特征和性质：地表类型、颜色、湿度、
39、粗糙度等地表类型、颜色、湿度、粗糙度等 3 3）辐射波长）辐射波长地表地表反射率反射率地表地表反射率反射率森林森林3%10%雪地雪地(新雪新雪)80%田地田地(绿色绿色)3%15%雪地雪地(陈雪陈雪)50%70%田地田地(已开垦的干地已开垦的干地)20%25%冰冰50%70%草地草地10%18%水面水面(h40)2%4%裸地裸地7%20%水面水面(h=530)6%40%沙地沙地25%35%不同性质地面的反射率不同性质地面的反射率第一节第一节 太阳辐射太阳辐射 几种典型下垫面实测的反射率光谱（几种典型下垫面实测的反射率光谱（Kondratyev，1973）带有冰盖的雪，带有冰盖的雪，h=38；大
40、粒湿雪，；大粒湿雪，h=37；湖面，；湖面，h=56；土壤融雪后，土壤融雪后，h=24.5；青玉米，；青玉米，h=54；高的绿玉米，；高的绿玉米，h=56；黄玉米，黄玉米，h=46；苏丹草，；苏丹草，h=52；黑钙土，；黑钙土，h=40；谷物茬子，谷物茬子，h=35第二节第二节 地地-气系统的长波辐射气系统的长波辐射 一一.地面辐射和大气长波辐射地面辐射和大气长波辐射 地面和大气辐射特点地面和大气辐射特点地面最强辐射波长为地面最强辐射波长为10m大气为大气为1015m长波辐射长波辐射主要吸收气体主要吸收气体:H2O_6.3m,20m1mm;CO2 _1216.3m,14.7m,4.3m和2.7
41、m;O3_9.6m,4.7m,1.4m二二.地地气间的长波辐射交换气间的长波辐射交换 1.1.大气对地面辐射的吸收大气对地面辐射的吸收 特点特点:强烈地吸收强烈地吸收,且具有选择性且具有选择性。大气窗大气窗:812m 位于地面辐射波段最强处位于地面辐射波段最强处,大气的大气的吸收率最小吸收率最小,透射率最大透射率最大,这一波段能这一波段能量透过大气射向宇宙空间量透过大气射向宇宙空间,将这一波将这一波段称为大气窗。段称为大气窗。2.地面有效辐射地面有效辐射 1 1）定义定义：地面放射辐射与地面吸收的大气地面放射辐射与地面吸收的大气逆辐射之差。逆辐射之差。2)2)影响因子影响因子：地面温度、空气温
42、度、空气地面温度、空气温度、空气湿度和云量。湿度和云量。3)3)各因子的影响效应各因子的影响效应:4)4)气候特点气候特点：日、年变化特征与气温的日、日、年变化特征与气温的日、年变化相似。年变化相似。GUF40TU地表状况地表状况干沙干沙湿沙湿沙 黑沙黑沙 沙壤土沙壤土 针叶林针叶林 粘土粘土相对相对 辐射率辐射率0.950.960.950.940.970.97地表状况地表状况腐殖土腐殖土 白霜白霜 煤灰煤灰新雪新雪水水草原草原相对相对 辐射率辐射率0.990.990.970.990.950.98 各种地表的相对辐射率（各种地表的相对辐射率（灰体系数、放射率）5)5)有效辐射的气候学计算有效辐
43、射的气候学计算地面放射率地面放射率T 1.5米处的气温米处的气温e 1.5米处的水汽压米处的水汽压无云时无云时)(40efTF（1 1）埃斯川姆公式埃斯川姆公式)10(40CeBATF晴天大气逆辐射晴天大气逆辐射)10(14CeBATGAA11（2 2）布朗特公式）布朗特公式晴天大气逆辐射晴天大气逆辐射aa11)(40ebaTF)(14ebaTG有云时有云时)1(0cnFFn 云量云量)1(0mcnFFm 1.52非线性非线性：线性：线性：一一.地面辐射差额地面辐射差额 1.定义定义:单位地表面面积所吸收的总辐射单位地表面面积所吸收的总辐射和有效辐射之差和有效辐射之差,称为地面的辐射差额。称为
44、地面的辐射差额。2.方程方程:第三节第三节 气候系统的辐射收支气候系统的辐射收支FQRg)1(3.影响因子影响因子:地表总辐射、地表总辐射、地面反射率、地面反射率、地面有效辐射。地面有效辐射。4.各因子的影响效应：各因子的影响效应：5.气候特征：气候特征：日、年变化及空间分布。日、年变化及空间分布。云对地面辐射差额的影响云对地面辐射差额的影响1.云使总辐射减弱云使总辐射减弱2.云使有效辐射减小云使有效辐射减小辐射差额辐射差额R g减小减小辐射差额辐射差额R g增大增大 白天或夏季白天或夏季（特别是低纬地区），（特别是低纬地区），云的减弱作云的减弱作用强于增大作用，云量增多，辐射差额减小；用强于
45、增大作用，云量增多，辐射差额减小；夜间或冬季夜间或冬季（特别是高纬地区），（特别是高纬地区），云的减弱作云的减弱作用弱于增大作用，云量增多用弱于增大作用，云量增多，辐射差额增大。，辐射差额增大。日变化图日变化图:年变化图年变化图地表净辐射通量密度年总量地表净辐射通量密度年总量（KcalcmKcalcm-2-2）的地理分布的地理分布 中国地表净辐射年平均通量密度分布中国地表净辐射年平均通量密度分布(W/m(W/m2 2)1）定义）定义：单位面积大气柱的辐射收入与辐单位面积大气柱的辐射收入与辐 射支出的差额。射支出的差额。2）方程）方程:F为通过大气上界逸出的长波辐射为通过大气上界逸出的长波辐射a
46、:单位面积大气柱的辐射差额单位面积大气柱的辐射差额：该大气柱吸收的太阳辐射：该大气柱吸收的太阳辐射：地面有效辐射地面有效辐射0aR3)3)特点特点：FFURaaaU二二.大气辐射差额大气辐射差额 大气辐射差额随纬度的变化（大气辐射差额随纬度的变化（PaltridgePaltridge等，等，19761976）或或S0 为天文辐射为天文辐射(大气上界的太阳辐射通量密度大气上界的太阳辐射通量密度););S1)定义定义：单位面积的地面和大气柱整体的单位面积的地面和大气柱整体的辐射收入与支出的差。辐射收入与支出的差。2)方程方程:地地-气系统对太阳辐射的反射率气系统对太阳辐射的反射率(行星反射率行星反
47、射率)3)特点特点:年平均南北纬年平均南北纬3535 之间的之间的R Rs s为正值为正值;其他纬度为负值其他纬度为负值。FQQRas)1(FSRSs)1(0三三.地地-气系统的辐射差额气系统的辐射差额 地地气气系系统统各各纬纬度度的的辐辐射射收收支支全球年均单位时间全球年均单位时间(1(1秒秒)吸收的太阳辐射为吸收的太阳辐射为20)1(rIs全球单位时间向外射出长波辐射为全球单位时间向外射出长波辐射为424eTr r r为地球半径为地球半径,T,Te e为地表辐射平衡温度为地表辐射平衡温度(K)(K)30.0s设设KTe6.254则则第四节第四节 气候系统的热量平衡气候系统的热量平衡一、地表
48、热量平衡一、地表热量平衡 1、定义：、定义：地面在获得辐射差额时，一方面地面在获得辐射差额时，一方面要升高地表温度，另一方面将盈余的要升高地表温度，另一方面将盈余的热量以热量以湍流显热湍流显热和和潜热潜热向大气输送以向大气输送以及向地表活动层的分子输送，长期平及向地表活动层的分子输送，长期平均，其获得的辐射差额与支出达到平均，其获得的辐射差额与支出达到平衡称为衡称为地面的热量平衡地面的热量平衡。2、地面热量平衡方程地面热量平衡方程tsSQHLER地面辐射差地面辐射差额额地面与大气的潜热通地面与大气的潜热通量量地面与大气的湍流热通地面与大气的湍流热通量量地表与下层的热量交换地表与下层的热量交换地
49、表与上层生物体的化学、地表与上层生物体的化学、生物过程有关的能通量生物过程有关的能通量3、方程中各项的物理意义和气候意义方程中各项的物理意义和气候意义 1）物理意义：物理意义：R R 地表辐射差额地表辐射差额 LE LE 地面与大气的潜热通量，大于零地面与大气的潜热通量，大于零表示地面蒸发表示地面蒸发 H H 地面与大气的湍流热通量，大于地面与大气的湍流热通量，大于零表示热量从地面输送给大气，使气温零表示热量从地面输送给大气，使气温升高。升高。2）气候意义气候意义 R R 为正，地表温度升高为正，地表温度升高 LE LE 增大，近地层获得的水汽增多，增大，近地层获得的水汽增多，空气潮湿，反之空
50、气干燥；空气潮湿，反之空气干燥；H H 增大，近地层获得的热量增多，空增大，近地层获得的热量增多，空气温度升高气温度升高地表热量平衡的分布地表热量平衡的分布 地表面与大气间感热输送年总量分布地表面与大气间感热输送年总量分布（单位：（单位：kcalcm-2a-1）中国年平均感热通量密度的分布中国年平均感热通量密度的分布 （单位：（单位：kcalcm kcalcm-2-2.a.a-1-1）全球潜热输送年总量的地理分布（全球潜热输送年总量的地理分布（Kcalcm-2）中国年平均潜热通量密度的分布（瓦中国年平均潜热通量密度的分布（瓦/米米2 2）洋面与深层水体的热量输送年总量的地理分布洋面与深层水体的
