第2章-地球大气概述ppt课件.ppt

第二章第二章 地球大气概述地球大气概述本章主要内容：本章主要内容：大气组成与结构大气组成与结构 大气热能大气热能 大气温度大气温度 大气湿度与水分大气湿度与水分 学时：学时：1010第一节第一节 大气组成与结构大气组成与结构一、大气组成一、大气组成二、大气垂直分层结构二、大气垂直分层结构相关概念相关概念大气质量：均匀大气高度大气质量：均匀大气高度H H为为8000m 8000m 则单位面积大气柱的质量：则单位面积大气柱的质量：m m0 0=0 0 H H =1.225*10 =1.225*10-3-3*8000*100*8000*100 =1.013*10 =1.013*103 3 g/cmg/cm2 2大气上界：大气上界：大气无上界；大气无上界；气象学家：极光出现的高度（气象学家：极光出现的高度（1200km1200km）。）。物理、化学学家：不超过物理、化学学家：不超过3200km3200km。极光现象极光现象极光：极光：在地球南北两极附近地区的高空，夜间常会出现灿烂美丽的光辉。在地球南北两极附近地区的高空，夜间常会出现灿烂美丽的光辉。产生原因是来自大气外的高能粒子（电子和质子）撞击高层大气中产生原因是来自大气外的高能粒子（电子和质子）撞击高层大气中的原子的作用。这种相互作用常发生在地球磁极周围区域。的原子的作用。这种相互作用常发生在地球磁极周围区域。大气压大气压1 1、气压单位：帕斯卡（、气压单位：帕斯卡（PaPa）和水银柱高度（）和水银柱高度（mmmm）大气压定义：温度为大气压定义：温度为0 0，纬度为，纬度为4545度的海平面气压为标度的海平面气压为标准大气压，值为准大气压，值为1.013*101.013*105 5帕斯卡。帕斯卡。2 2、气压垂直分布、气压垂直分布 特点：随着高度升高气压减小，见图。特点：随着高度升高气压减小，见图。高高度度气压气压随着高度升高气压变化随着高度升高气压变化图图百帕百帕气压垂直梯度气压垂直梯度:上升单位距离气压的降低值，用单位高度气压差表示上升单位距离气压的降低值，用单位高度气压差表示 或降低一个气压对应的高度，用单位气压高度差表示或降低一个气压对应的高度，用单位气压高度差表示此值越大，气压垂直梯度越小，相反越大。此值越大，气压垂直梯度越小，相反越大。气压随高度变化即气压垂直梯度与气压和温度相关气压随高度变化即气压垂直梯度与气压和温度相关气压相同时，气柱温度高，高度差大，气压垂直梯度小，高空气气压相同时，气柱温度高，高度差大，气压垂直梯度小，高空气压比周围大；压比周围大；温度相同时，气压越高，高度差越小，气压垂直梯度大，高空温度相同时，气压越高，高度差越小，气压垂直梯度大，高空气压比周围小。气压比周围小。一、大气组成一、大气组成按照气体的形态分为：按照气体的形态分为：干洁空气干洁空气水汽水汽固体杂质固体杂质在距离地表在距离地表85km85km的空间的空间,按照空气变化特性分为两类：按照空气变化特性分为两类：定常成分（如定常成分（如N N2 2、O O2 2、A Ar r 等）等）可变成分（水汽、二氧化碳和臭氧等）可变成分（水汽、二氧化碳和臭氧等）按照含量多少分为按照含量多少分为 主要成分：浓度大于主要成分：浓度大于0.01ml/l0.01ml/l，主要有，主要有N N2 2、O O2 2、ArAr，占，占99.96%99.96%；微量成分：浓度大于微量成分：浓度大于0.001ml/l0.001ml/l，主要有，主要有COCO2 2 、H H2 2O O，CHCH4 4，N N2 2O O，SOSO2 2，COCO，H H2 2，HeHe，NeNe，KrKr。痕量成分：浓度小于痕量成分：浓度小于0.001ml/l0.001ml/l，主要有，主要有H H2 2S S，O O3 3，N N2 2O O，NONO。大气组成示意图大气组成示意图干洁空气（干洁空气（85km85km空间）空间）概念：把除掉水汽、液体和固体杂质外的整个混合气概念：把除掉水汽、液体和固体杂质外的整个混合气体称为干洁空气，是混合物。体称为干洁空气，是混合物。组成成分组成成分分子式分子式空气中含量空气中含量分子量分子量临界温度临界温度临界压力临界压力大气压大气压沸点温度沸点温度（气（气压为压为760mm760mm）按容量比按容量比/%/%按质量比按质量比/%/%氮气氮气N N2 278.0978.0975.5275.5228.01628.016-147.2-147.233.533.5-195.8-195.8氧气氧气O O2 220.9520.9523.1523.1532.00032.000-118.9-118.949.749.7-183.1-183.1氩气氩气ArAr0.930.931.281.2839.94439.944-122.0-122.048.048.0-185.6-185.6二氧化碳二氧化碳COCO2 20.030.030.050.0544.01044.01031.031.073.073.0-78.2-78.2臭氧臭氧O O3 30.0000010.000001-48.00048.000-5.0-5.092.392.3-111.1-111.1干洁空气干洁空气10010010010028.96428.964-140.7-140.737.237.2-193.0-193.0干洁空气组成一览表干洁空气组成一览表N N2 2与与O O2 2N N2 2：含量高含量高78%78%；化学性质不活泼；化学性质不活泼；对太阳辐射的远紫外光谱区对太阳辐射的远紫外光谱区0.03-0.13um0.03-0.13um选择性吸收。选择性吸收。O O2 2：含量高含量高21%21%；化学性质活泼；化学性质活泼；植物呼吸作用；植物呼吸作用；存在形式多样；存在形式多样；在波长小于在波长小于 0.24um 0.24um的辐射作用下发生分解，参与的辐射作用下发生分解，参与O O3 3形成。形成。COCO2 2含量低含量低0.03%0.03%；分布于分布于20km20km以下；以下；低温易溶于海水；低温易溶于海水；特性：吸收地表长波辐射，对太阳短波吸收较少。特性：吸收地表长波辐射，对太阳短波吸收较少。*其浓度增加带来的影响如何？其浓度增加带来的影响如何？大气中的二氧化碳浓度增加，阻止地球热量的散失，使地大气中的二氧化碳浓度增加，阻止地球热量的散失，使地球发生可感觉到的气温升高，这就是有名的球发生可感觉到的气温升高，这就是有名的“温室效应温室效应”。COCO2 2是数量最多的温室气体，约占大气总容量的是数量最多的温室气体，约占大气总容量的0.03%0.03%，许多其，许多其它痕量气体如它痕量气体如CHCH4 4、N N2 2O O、氢氟碳化物、全氟碳化物、六氟化硫等、氢氟碳化物、全氟碳化物、六氟化硫等也会产生温室效应，其中有的温室效应比二氧化碳还强。也会产生温室效应，其中有的温室效应比二氧化碳还强。温室效应温室效应进入大气进入大气层的太阳层的太阳能能离开大气层的热离开大气层的热能能返回地表热返回地表热能能COCO2 2浓度增加浓度增加破坏地面辐射收支破坏地面辐射收支平衡平衡地面温度升地面温度升高高O O3 3：含量极少；含量极少；分布于分布于10-40km10-40km空间，集中于空间，集中于20-25km20-25km空间，称为臭氧层；空间，称为臭氧层；强烈吸收太阳紫外辐射（强烈吸收太阳紫外辐射（0.22-0.320.22-0.32（紫外吸收带），（紫外吸收带），4.74.7、9.69.6、14.114.1（红外吸收谱线）（红外吸收谱线）作用：减少到达地面的太阳紫外线，避免对人类的皮肤伤害。作用：减少到达地面的太阳紫外线，避免对人类的皮肤伤害。O O3 3随随高高度度分分布布变变化化O O3 3浓度减少变化的气温影响浓度减少变化的气温影响臭氧浓度减少对气温的影响因高度而不同，臭氧浓度减少对气温的影响因高度而不同，在臭氧分布层在臭氧分布层22km22km以上以上,臭氧减少将减少对太阳紫外线臭氧减少将减少对太阳紫外线的吸收使地面温度升高的吸收使地面温度升高;在臭氧分布层在臭氧分布层22km22km以下以下,臭氧减少将降低温室效应的作臭氧减少将降低温室效应的作用，使地面温度降低。用，使地面温度降低。宇宙高能粒子簇射破坏了臭氧层。宇宙高能粒子簇射破坏了臭氧层。美国地球与宇宙研究局局长登美国地球与宇宙研究局局长登贝克认为，通过人造地球卫贝克认为，通过人造地球卫星发现，地球每隔星发现，地球每隔2727天就有两天半要受到宇宙高能粒子簇射，射向天就有两天半要受到宇宙高能粒子簇射，射向地球的带电粒子，其能量为地球的带电粒子，其能量为20020015001500万电子伏特。这些带电粒子万电子伏特。这些带电粒子在地球磁场作用下沿着磁力线向南北两极射去。当南半球冬季到来在地球磁场作用下沿着磁力线向南北两极射去。当南半球冬季到来时，南极大陆处于黑夜，大气中间层的氮、氢化合物在带电粒子的时，南极大陆处于黑夜，大气中间层的氮、氢化合物在带电粒子的影响下浓度开始升高。当南极大陆出现太阳的早春季节到来时，氮、影响下浓度开始升高。当南极大陆出现太阳的早春季节到来时，氮、氢化合物由于气温升高开始发生化学反应，这一过程使臭氧层迅速氢化合物由于气温升高开始发生化学反应，这一过程使臭氧层迅速遭到破坏，因而在南极上空臭氧层出现空洞。遭到破坏，因而在南极上空臭氧层出现空洞。同样道理为什么北极没有发生？同样道理为什么北极没有发生？由于大气层总环流的稳定性和地球磁场的不同结构，北极磁场比南由于大气层总环流的稳定性和地球磁场的不同结构，北极磁场比南极磁场较强和均匀，因此这种化学过程只对南极大陆产生影响。极磁场较强和均匀，因此这种化学过程只对南极大陆产生影响。臭氧洞形成原因之一臭氧洞形成原因之一化学反应引起臭氧耗损造成臭氧空洞。化学反应引起臭氧耗损造成臭氧空洞。怀俄明大学的霍夫曼认为，臭氧层出现空洞是由于工业化产怀俄明大学的霍夫曼认为，臭氧层出现空洞是由于工业化产生的氟氯化物（氟利昂）引起的化学反应造成的。氟利昂能破坏生的氟氯化物（氟利昂）引起的化学反应造成的。氟利昂能破坏离地面离地面25km25km高大气层里的臭氧，使透过大气层的太阳紫外线增强，高大气层里的臭氧，使透过大气层的太阳紫外线增强，导致皮肤癌的患者增加，并有可能影响气候，这种解释最近得到导致皮肤癌的患者增加，并有可能影响气候，这种解释最近得到验证。与此同时，他还发现臭氧耗损区气体成份并不均匀，有时验证。与此同时，他还发现臭氧耗损区气体成份并不均匀，有时臭氧耗损达臭氧耗损达75%75%以上的气层与臭氧耗损不到以上的气层与臭氧耗损不到2525的气层相邻，而且的气层相邻，而且臭氧耗损的速率很高，仅臭氧耗损的速率很高，仅2525天臭氧就耗去了一半。他还认为，分天臭氧就耗去了一半。他还认为，分层现象与化学反应一致，在化学原因造成臭氧耗损后，可能是空层现象与化学反应一致，在化学原因造成臭氧耗损后，可能是空气运动导致分层的。气运动导致分层的。臭氧洞形成原因之二臭氧洞形成原因之二大量废气的排放使臭氧层出现空洞。大量废气的排放使臭氧层出现空洞。专家指出，近年来由于在同温层飞行的喷气式飞机和火箭、专家指出，近年来由于在同温层飞行的喷气式飞机和火箭、导弹日益增多，将大量废气排放到高空，臭氧遭到耗损，若不采导弹日益增多，将大量废气排放到高空，臭氧遭到耗损，若不采取措施，任其发展下去，就会严重地破坏臭氧层。空洞的面积将取措施，任其发展下去，就会严重地破坏臭氧层。空洞的面积将会越来越大。会越来越大。臭氧洞形成原因之三臭氧洞形成原因之三水汽水汽来源：蒸发和蒸腾来源：蒸发和蒸腾含量：含量小，可变，分布不均。含量：含量小，可变，分布不均。特性：发生相变，调节热量。特性：发生相变，调节热量。波谱性能：强烈吸收和放出长波辐射波谱性能：强烈吸收和放出长波辐射能。能。所以对于热量交换起重要作用。所以对于热量交换起重要作用。气溶胶粒子气溶胶粒子来源：自然源和人工源来源：自然源和人工源分布：集中于地表附近。分布：集中于地表附近。特性：容易使水汽凝结，形成凝结核特性：容易使水汽凝结，形成凝结核波谱性能：吸收和散射太阳辐射。波谱性能：吸收和散射太阳辐射。所以对于热量交换起重要作用。所以对于热量交换起重要作用。大气中悬浮的固体杂质和液体微粒。大气中悬浮的固体杂质和液体微粒。半径一般为半径一般为1-101-10-6-6mmmm大气污染物大气污染物分分类类成成份份粉尘微粒粉尘微粒硫化物硫化物氮化物氮化物卤化物卤化物碳氧化物碳氧化物氧化剂氧化剂碳粒、飞灰、碳酸钙、氧化锌、二氧化铅碳粒、飞灰、碳酸钙、氧化锌、二氧化铅SOSO2 2、SOSO3 3、H H2 2SOSO4 4（雾）、（雾）、H H3 3S S等等NONO、NONO2 2、NHNH3 3等等ClCl2 2、HClHCl、HFHF等等COCO、COCO2 2等等O O、过氧酰基硝酸脂（、过氧酰基硝酸脂（PANPAN）等）等 其中影响范围广，对人类环境威胁较大的主要是煤粉尘、二氧其中影响范围广，对人类环境威胁较大的主要是煤粉尘、二氧化碳、一氧化碳、碳化氢、硫化氢和氨等。化碳、一氧化碳、碳化氢、硫化氢和氨等。从污染物来源看，主要有燃料燃烧时从烟囱排出的废气从污染物来源看，主要有燃料燃烧时从烟囱排出的废气与汽车排气和工厂漏掉跑掉的毒气，而烟囱与汽车废气约占总污与汽车排气和工厂漏掉跑掉的毒气，而烟囱与汽车废气约占总污染物的染物的70%70%之多。之多。成份分布：均质层和成份分布：均质层和非均质层非均质层85km85km为界为界成份分光化层和离成份分光化层和离子层子层垂直温度变化分的垂直温度变化分的气象分层：气象分层：对流层对流层 平流层平流层 中间层中间层 暖层暖层 散逸层散逸层二、大气垂直分层结构二、大气垂直分层结构1 1、对流层（、对流层（Troposphere,8-11km Troposphere,8-11km）特点：特点：1)1)厚度从赤道向两极减少，厚度从赤道向两极减少，低纬：低纬：17-18 17-18；中纬：；中纬：10-12 10-12；高纬：；高纬：8-9 8-9。2)2)垂直交换强烈垂直交换强烈3)3)气温递减变化，气温直减率气温递减变化，气温直减率0.65/100m0.65/100m，即每上升，即每上升100m100m，气温下降，气温下降0.65 0.65。到达对流层顶部到达对流层顶部,低纬地区为低纬地区为-85,-85,高纬地区为高纬地区为-53,-53,为为什么？什么？4)4)各种天气现象发生在此层。各种天气现象发生在此层。对流层亚层划分：对流层亚层划分：摩擦层：摩擦层：1-2km1-2km，摩擦作用强烈，对流、湍流运动明显；，摩擦作用强烈，对流、湍流运动明显；自由大气层：摩擦层以上的高空，摩擦力可以忽略，大气中的自由大气层：摩擦层以上的高空，摩擦力可以忽略，大气中的云和降水主要在本层产生。云和降水主要在本层产生。过渡层：对流层顶部约过渡层：对流层顶部约1-2km1-2km的气层，水汽含量减少，气温随的气层，水汽含量减少，气温随高度增加不变，在高度增加不变，在00以下。以下。2 2、平流层（、平流层（StratosphereStratosphere，55km 55km）特点：特点：气流稳定，以水平运动为主，气流稳定，以水平运动为主，气温随着高度的增加不变，而后显著升高，产生逆温现气温随着高度的增加不变，而后显著升高，产生逆温现象。象。大气透明度好，适合于飞机和探测气球飞行。大气透明度好，适合于飞机和探测气球飞行。3 3、中间层（、中间层（Mesosphere,85kmMesosphere,85km）也叫高空对流层）也叫高空对流层特点：特点：强烈的垂直气流交换强烈的垂直气流交换气温迅速降低，到中间层顶气温下降到气温迅速降低，到中间层顶气温下降到-83-83，是，是大气圈最冷部分。大气圈最冷部分。4 4、暖层（、暖层（Thermosphere,800kmThermosphere,800km）也叫电离层）也叫电离层特点：特点：空气密度小，只占大气总质量的空气密度小，只占大气总质量的0.5%0.5%，在，在120km120km高度声高度声波难以传播波难以传播空气分子高度电离，温度升高。空气分子高度电离，温度升高。在在1200km1200km范围内常出现极光现象。范围内常出现极光现象。5 5、散逸层（、散逸层（ExosphereExosphere，800km800km以上，上界以上，上界3000km3000km）特点：特点：空气极稀空气极稀温度升高温度升高分子可以达到外围空间分子可以达到外围空间第二节第二节 大气热能与保温效应大气热能与保温效应一、辐射基本知识一、辐射基本知识二、太阳辐射二、太阳辐射三、大气热能与保温效应三、大气热能与保温效应一、辐射基本知识一、辐射基本知识(知识回顾知识回顾)相关概念相关概念1 1、辐射：能量传播方式，一切物体具有辐射能、辐射：能量传播方式，一切物体具有辐射能2 2、电磁波谱范围（、电磁波谱范围（10-1010-10几公里）几公里）兴趣区：兴趣区：0.15-120um0.15-120um辐射基本定律辐射基本定律1 1、基尔荷夫定律、基尔荷夫定律2 2、斯蒂芬、斯蒂芬-波尔兹曼定律波尔兹曼定律3 3、维恩位移定律（、维恩位移定律（Wein)Wein)4 4、辐射差额与辐射平衡、辐射差额与辐射平衡1 1、基尔荷夫定律（、基尔荷夫定律（Kirchhoff)Kirchhoff)1)1)一定的波长与温度条件下，物体吸收率等于放射一定的波长与温度条件下，物体吸收率等于放射率；率；2)2)同一物体在温度相同时放射某一波长的辐射也吸同一物体在温度相同时放射某一波长的辐射也吸收该波长辐射；收该波长辐射；3)3)某温度下某波长物体辐射能与吸收能之比为同波某温度下某波长物体辐射能与吸收能之比为同波长黑体辐射能。长黑体辐射能。2 2、斯蒂芬、斯蒂芬-波尔兹曼定律（波尔兹曼定律（Stefan-Boltzman)Stefan-Boltzman)1)1)物体放射能力随温度、波长改变而改变，并随温度的升物体放射能力随温度、波长改变而改变，并随温度的升高高,物体对各波长的放射能力增强；物体对各波长的放射能力增强；2)2)辐射能量可以用曲线与横坐标包围的面积表示；辐射能量可以用曲线与横坐标包围的面积表示；3)3)黑体放射能力与物体绝对温度的黑体放射能力与物体绝对温度的4 4次方成正比即：次方成正比即：可以求可以求E ETbTb或或T T3 3、维恩位移定律（、维恩位移定律（Wein)Wein)黑体辐射光谱中最强辐射的波长与黑体绝对温度成反比黑体辐射光谱中最强辐射的波长与黑体绝对温度成反比 maxmaxT=CT=C4 4、辐射差额与辐射平衡、辐射差额与辐射平衡物体对辐射的吸收（物体对辐射的吸收（a a）、反射）、反射(r)(r)和透射和透射(t)(t)性能性能若若a=1a=1为黑体，为黑体，r=1r=1则为白体；则为白体；大小与物体性质、辐射波长有关。大小与物体性质、辐射波长有关。二、太阳辐射二、太阳辐射1 1、太阳辐射（短波、太阳辐射（短波辐射）与太阳辐射辐射）与太阳辐射光谱光谱辐射总量：辐射总量：1.3*101.3*102424 卡卡/年年 (一一)太阳辐射相关概念太阳辐射相关概念2 2、太阳辐射强度：、太阳辐射强度：单位时间垂直投影到单位面积的太阳辐射能与离开太阳距离成反单位时间垂直投影到单位面积的太阳辐射能与离开太阳距离成反比，则地球拦截太阳辐射能量占太阳辐射能量比为：比，则地球拦截太阳辐射能量占太阳辐射能量比为：太阳常数：平均日地距离（太阳常数：平均日地距离（1.698*101.698*108 8kmkm）大气上界垂直光线单位）大气上界垂直光线单位面积上每分钟接受的太阳辐射，求得的太阳辐射。面积上每分钟接受的太阳辐射，求得的太阳辐射。这里需要解释几个概念：这里需要解释几个概念：（1 1）日地平均距离为）日地平均距离为149,597,870149,597,870公里，还是其它？公里，还是其它？（2 2）在大气上界；）在大气上界；（3 3）到达地球水平面上的太阳辐射强度的影响因素为：）到达地球水平面上的太阳辐射强度的影响因素为：太阳高度角，它与太阳辐射强度太阳高度角，它与太阳辐射强度I I关系为：关系为：式中，为太阳高度角，式中，为太阳高度角，I I0 0为太阳常数，为太阳常数，b b为某为某时刻的日地距离，时刻的日地距离，I I为投射到大气上界水平面上为投射到大气上界水平面上的太阳辐射强度。的太阳辐射强度。日地距离：日地距离：I I与日地距离平方成反比与日地距离平方成反比（二）大气对太阳辐射的削弱作用（二）大气对太阳辐射的削弱作用1 1、反射（、反射（21%21%）：）：反射成分为云，反射成分为云，无选择性，无选择性，反射光为白色反射光为白色.（二）大气对太阳辐射的削弱作用（二）大气对太阳辐射的削弱作用2 2、散射（、散射（5%5%）：散射成分为空气分子、云和尘埃颗粒散射成分为空气分子、云和尘埃颗粒特性：只改变方向不转化热能但起到削弱的作用。特性：只改变方向不转化热能但起到削弱的作用。晴天天空成蓝紫光，阴天呈灰白色，为什么？晴天天空成蓝紫光，阴天呈灰白色，为什么？为什么天空会出现早霞和晚霞？为什么天空会出现早霞和晚霞？（二）大气对太阳辐射的削弱作用（二）大气对太阳辐射的削弱作用3 3、吸收（、吸收（18%18%）：吸收成分：吸收成分：O O3 3、O O2 2、水汽、二氧化碳以及固体杂质；、水汽、二氧化碳以及固体杂质；特性：选择性吸收。特性：选择性吸收。O O3 3两个吸收区：两个吸收区：0.2-0.30.2-0.3，0.60.6附近，附近，水汽的吸收区：红外区，水汽的吸收区：红外区，0.93-2.850.93-2.85 O O2 2和二氧化碳都吸收和二氧化碳都吸收 水滴、尘埃杂质都吸收。水滴、尘埃杂质都吸收。（三）到达地面的太阳辐射：（三）到达地面的太阳辐射：56%56%太阳辐射（太阳总辐射）包括散射辐射和直接辐射太阳辐射（太阳总辐射）包括散射辐射和直接辐射特点：特点：日变化日变化:日出前，地面上总辐射的收入不多，其中只有散射辐射；日出前，地面上总辐射的收入不多，其中只有散射辐射；日出后，随太阳高度的升高，直接辐射和散射辐射逐渐增加。日出后，随太阳高度的升高，直接辐射和散射辐射逐渐增加。但前者增加较快，结果散射辐射在总辐射中所占的比例逐渐减小；但前者增加较快，结果散射辐射在总辐射中所占的比例逐渐减小；当太阳高度为当太阳高度为8 8时，直接辐射与散射辐射相等；时，直接辐射与散射辐射相等；当太阳高度为当太阳高度为5050时，散射辐射值相当总辐射的时，散射辐射值相当总辐射的10-2010-20；当太阳高度为当太阳高度为9090时，直接辐射与散射辐射强度均达最大值；中时，直接辐射与散射辐射强度均达最大值；中午以后，二者又按相反的次序变化。午以后，二者又按相反的次序变化。三、辐射平衡（看辐射平衡图解）三、辐射平衡（看辐射平衡图解）（一）大气辐射平衡（一）大气辐射平衡（二）地面辐射平衡（二）地面辐射平衡（三）地（三）地-气系统辐射平衡气系统辐射平衡(一一)大气辐射平衡大气辐射平衡1 1、收入：、收入：1 1）太阳辐射直接吸收（）太阳辐射直接吸收（18%18%）2 2）地面辐射吸收（）地面辐射吸收（90%90%）3 3）潜热输送（）潜热输送（20%20%）4 4）感热输送（）感热输送（9%9%）2 2、支出：、支出：1 1）空中辐射）空中辐射60%60%2 2）大气逆辐射）大气逆辐射77%77%3 3、大气辐射差额、大气辐射差额此值为负值，需要其它方式从地面获得热量此值为负值，需要其它方式从地面获得热量表达式：表达式：大气辐射差额大气辐射差额大气吸收太阳辐射大气吸收太阳辐射大气上界有效辐射大气上界有效辐射地面有效辐射地面有效辐射地面辐射地面辐射大气逆辐大气逆辐射射地面有效辐射：地面有效辐射：地面辐射与大气逆辐射的差值，即：地面辐射与大气逆辐射的差值，即：F F0 0 0 0：地面损失热量而降温；：地面损失热量而降温；F F0 0 00：地面获得热量而升温。：地面获得热量而升温。通常情况下，地面温度高于大气温度，此值大于零。通常情况下，地面温度高于大气温度，此值大于零。特点：特点：日变化：日变化：白天为正值，在白天为正值，在12-1412-14点达最大值，点达最大值，夜间为负值，在清晨达最小值。夜间为负值，在清晨达最小值。年变化：年变化：夏季最大，冬季最小，夏季最大，冬季最小，受地面性质和大气中水汽含量差异，受地面性质和大气中水汽含量差异，在秦岭淮河秋季最大，春季最小；在秦岭淮河秋季最大，春季最小；在东北和华北地区春季最大，夏季在东北和华北地区春季最大，夏季最小。最小。(二二)地面辐射平衡地面辐射平衡1 1、收入：、收入：1 1）地面吸收太阳辐射）地面吸收太阳辐射50%50%2 2）大气逆辐射）大气逆辐射77%77%2 2、支出：、支出：1 1）潜热输送）潜热输送20%20%2 2）感热输送）感热输送9%9%3 3）地面辐射）地面辐射98%98%3 3、地面辐射差额也叫地面净辐射：、地面辐射差额也叫地面净辐射：影响因素：影响因素：1 1）太阳直接辐射和散射辐射，）太阳直接辐射和散射辐射，2 2）地面有效辐射：受地面特性和大气状况影响）地面有效辐射：受地面特性和大气状况影响3 3）地面反射特性）地面反射特性地面辐射差额特点：地面辐射差额特点：日变化：日变化：白天收入的太阳辐射高于支出的长波辐射，辐射平衡为正值，白天收入的太阳辐射高于支出的长波辐射，辐射平衡为正值，夜间收入的太阳辐射低于支出的长波辐射，辐射平衡为负值。夜间收入的太阳辐射低于支出的长波辐射，辐射平衡为负值。正转负和负转正的时刻分别在日没前与日出后正转负和负转正的时刻分别在日没前与日出后1 1小时。小时。地面辐射差额特点：地面辐射差额特点：年变化：年变化：一年内，北半球一年内，北半球 夏季，辐射平衡因太阳辐射增多而加大；夏季，辐射平衡因太阳辐射增多而加大；冬季则相反，甚至出现负值。冬季则相反，甚至出现负值。纬度愈高，辐射平衡保持正值的月份愈少。纬度愈高，辐射平衡保持正值的月份愈少。不同纬度地面辐射差额变化不同纬度地面辐射差额变化地面辐射差额各个分量的日变化情况地面辐射差额各个分量的日变化情况直接辐射直接辐射辐射差额辐射差额地面辐射地面辐射散射辐射散射辐射有效辐射有效辐射反射辐射反射辐射(三三)地地-气系统辐射平衡气系统辐射平衡1 1、收入：、收入：地面吸收地面吸收50%50%大气吸收大气吸收18%18%2 2、支出：、支出：空中辐射空中辐射60%60%地面辐射到高空地面辐射到高空8%8%3 3、地、地-气系统辐射差额气系统辐射差额表达式：表达式：地地-气辐射差额气辐射差额 太阳总辐射太阳总辐射大气吸收辐射大气吸收辐射大气上界有效大气上界有效辐射辐射第三节第三节 大气温度大气温度一、空气的增温与冷却一、空气的增温与冷却1 1、传导：导体分子传递、传导：导体分子传递2 2、对流：冷暖空气混合、对流：冷暖空气混合3 3、辐射：地气热交换主要方式、辐射：地气热交换主要方式4 4、蒸发和凝结、蒸发和凝结5 5、湍流：气体分子的不规则快速运动、湍流：气体分子的不规则快速运动（一）非绝热过程（一）非绝热过程（二）绝热过程：遵循热力学第一定律（二）绝热过程：遵循热力学第一定律对孤立的单位质量气体系统加热，转为对孤立的单位质量气体系统加热，转为2 2部分，内能和做部分，内能和做功，这是平衡过程，有：功，这是平衡过程，有：其中内能部分就是分子运动动能，表达式为：其中内能部分就是分子运动动能，表达式为：（二）绝热过程：遵循热力学第一定律（二）绝热过程：遵循热力学第一定律定压状态气体做功为：定压状态气体做功为：状态方程：状态方程：消去消去PdPdv v，并用，并用C CP P=AR+C=AR+Cv v（表示气体的定压比热）代（表示气体的定压比热）代替，整理有：替，整理有：当系统为绝热变化，气体的做功靠内能负担当系统为绝热变化，气体的做功靠内能负担,即即d dQ Q为为0 0，有：，有：代入常数，代入常数，C CP P=0.287j/(g.K)=0.287j/(g.K)R=1.005j/(g.K)R=1.005j/(g.K)即为干绝热方程，也叫泊松（即为干绝热方程，也叫泊松（PoissonPoisson）方程）方程.这给出了干绝热这给出了干绝热过程气块初态和终态之间温度随着气压的变化规律。过程气块初态和终态之间温度随着气压的变化规律。（三）绝热直减率（三）绝热直减率定义：气块绝热上升单位距离温度降低值为绝热直减率定义：气块绝热上升单位距离温度降低值为绝热直减率.注意与气温直减率的区别：前者为大气的垂直运动描述注意与气温直减率的区别：前者为大气的垂直运动描述量，后者描述大气温度的垂直分布。量，后者描述大气温度的垂直分布。类型：类型：1 1、干绝热直减率（、干绝热直减率（r rd d）2 2、湿绝热直减率（、湿绝热直减率（r rm m）1 1、干绝热直减率（、干绝热直减率（r rd d）根据定义有：根据定义有：由于气块的温度与周围大气温度相差常常不超过由于气块的温度与周围大气温度相差常常不超过1010，所以，所以常取常取T Ti i/T/T为为1 1，干绝热约为，干绝热约为0.985 /100m0.985 /100m。物理意义：干气块每上升物理意义：干气块每上升100m100m降温约降温约1 1 。2 2、湿绝热直减率（、湿绝热直减率（r rm m）湿气块上升过程因水汽冷却凝结释放潜热增加气块的温度，湿气块上升过程因水汽冷却凝结释放潜热增加气块的温度，所以有所以有r rm m小于小于r rd d。假设假设1 1克饱和湿空气含水汽克饱和湿空气含水汽q qs s克，绝热上升凝结了克，绝热上升凝结了dqdqs s克水克水汽，放出潜热为：汽，放出潜热为：l l为水汽凝结潜热，负号表示获得热量，因为，为水汽凝结潜热，负号表示获得热量，因为，根据热力学定律有：根据热力学定律有：这说明饱和空气上升温度变化由两方面原因决定，前者为气压变化这说明饱和空气上升温度变化由两方面原因决定，前者为气压变化减小，使温度降低，后者水汽凝结减小，减小，使温度降低，后者水汽凝结减小，d dqsqs0TdTTd，未饱和，未饱和，当当T=TdT=Td，空气饱和。，空气饱和。3 3、露点温度、露点温度（二）相对湿度的变化：（二）相对湿度的变化：相对湿度的日变化主要决定于气温。相对湿度的日变化主要决定于气温。气温增高时，虽然蒸发加快，水汽气温增高时，虽然蒸发加快，水汽压增大，但饱和水汽压增大得更多，压增大，但饱和水汽压增大得更多，反使相对湿度减小。反使相对湿度减小。温度降低时则相反，相对湿度增大。温度降低时则相反，相对湿度增大。因此，相对湿度的日变化与温度日因此，相对湿度的日变化与温度日变化相反，其最高值基本上出现在变化相反，其最高值基本上出现在清晨温度最低时，最低值出现在午清晨温度最低时，最低值出现在午后温度最高时。后温度最高时。相对湿度的年变化一般以冬季最大，夏季最小。相对湿度的年变化一般以冬季最大，夏季最小。某些季风盛行地区，由于夏季盛行风来自于海洋，冬季盛行风来某些季风盛行地区，由于夏季盛行风来自于海洋，冬季盛行风来自于内陆，相对湿度反而夏季大，冬季小。自于内陆，相对湿度反而夏季大，冬季小。相对湿度空间分布随距海远近与纬度高低而有不同。例如，我国相对湿度空间分布随距海远近与纬度高低而有不同。例如，我国东南沿海相对湿度年平均为东南沿海相对湿度年平均为8080，内蒙古西部只有，内蒙古西部只有4040。二、蒸发二、蒸发（一）蒸发影响因素（一）蒸发影响因素1 1、水源条件、水源条件2 2、温度、温度3 3、空气湿度、空气湿度4 4、风、风5 5、蒸发面性质、蒸发面性质（二）蒸发量计算（二）蒸发量计算实际工作中，一般以水层厚度（实际工作中，一般以水层厚度（mmmm）表示蒸发速度，称为蒸发量。）表示蒸发速度，称为蒸发量。蒸发量的变化与气温变化一致，蒸发量的变化与气温变化一致，一日内，午后蒸发量最大；日出前蒸发量最小。一日内，午后蒸发量最大；日出前蒸发量最小。一年内，夏季蒸发量大，冬季小。一年内，夏季蒸发量大，冬季小。蒸发量的空间变化受气温、海陆分布、降水量等因素的影响。蒸发量的空间变化受气温、海陆分布、降水量等因素的影响。（二）蒸发量计算方法（二）蒸发量计算方法1 1、试验观测：用蒸发皿、试验观测：用蒸发皿E601E601野外观测并记录，目前直径有野外观测并记录，目前直径有2020和和80cm80cm的。的。2 2、经验公式法：、经验公式法：3 3、辐射平衡法、辐射平衡法4 4、彭曼蒸发公式、彭曼蒸发公式三、凝结三、凝结（一）凝结条件（一）凝结条件1 1、凝结核、凝结核2 2、水汽达到饱和或过饱和，途径有两个：、水汽达到饱和或过饱和，途径有两个：增加水汽增加水汽(使水汽蒸发使水汽蒸发)降温降温。绝热冷却：空气绝热上升，体积膨胀对外做功而导致空气本绝热冷却：空气绝热上升，体积膨胀对外做功而导致空气本身的冷却。如积状云的形成。身的冷却。如积状云的形成。辐射冷却：地面的辐射冷却，导致近地面层空气的降温到露辐射冷却：地面的辐射冷却，导致近地面层空气的降温到露点以下时就会产生凝结。点以下时就会产生凝结。辐射雾的形成。辐射雾的形成。平流冷却平流冷却:暖湿空气流经冷的下垫面时，将热量传递给冷的地暖湿空气流经冷的下垫面时，将热量传递给冷的地表，造成空气本身温度降低。表，造成空气本身温度降低。都接近饱和且温度相差大的气团混合。都接近饱和且温度相差大的气团混合。降温途径：降温途径：e1e1e2e2混合冷却过程混合冷却过程e e（二）各种凝结现象（二）各种凝结现象1 1 霜与露霜与露2 2 雾淞和雨淞雾淞和雨淞3 3 雾雾4 4 云云地面的凝结物地面的凝结物大气中的凝结物大气中的凝结物1 1 霜与露霜与露概念：概念：日没后，地面及近地面层空气冷却，温度降低。当气温降到露点日没后，地面及近地面层空气冷却，温度降低。当气温降到露点以下时，水汽即凝附于地面或地面物体上。以下时，水汽即凝附于地面或地面物体上。如温度在如温度在0 00 0C C以上，水汽凝结为液态，称为露；以上，水汽凝结为液态，称为露；温度在温度在0 00 0C C以下，水汽凝结为固态，称为霜。以下，水汽凝结为固态，称为霜。霜常见于冬季，露见于其他季节，以夏季为最多。对于霜，除辐霜常见于冬季，露见于其他季节，以夏季为最多。对于霜，除辐射冷却形成外，在冷平流发生或洼地上聚集冷空气时，都有利于射冷却形成外，在冷平流发生或洼地上聚集冷空气时，都有利于其形成。其形成。发生条件：发生条件：晴天、夜晚、微风晴天、夜晚、微风 意义：露有利于作物生长。意义：露有利于作物生长。霜冻：指生长季节的低温与冷害，造成作物死亡。霜冻：指生长季节的低温与冷害，造成作物死亡。有霜叫白霜，无霜时叫黑霜。有霜叫白霜，无霜时叫黑霜。2 2 雾淞和雨淞雾淞和雨淞雾淞是附着于地面物体或树枝上雾淞是附着于地面物体或树枝上,由过冷雾滴迅速冻结而成的疏由过冷雾滴迅速冻结而成的疏松白色固体凝结物，俗称松白色固体凝结物，俗称“树挂树挂”。多出现于寒冷而湿度高的天气条件下。多出现于寒冷而湿度高的天气条件下。雨淞是形成在地面或地物的迎风面上的，透明的或毛玻璃状的紧雨淞是形成在地面或地物的迎风面上的，透明的或毛玻璃状的紧密冰层，俗称密冰层，俗称“冰棱冰棱”。多半在温度为多半在温度为0 06 60 0C C时，由过冷却雨、毛毛雨接触物体表面形时，由过冷却雨、毛毛雨接触物体表面形成；或是经过长期严寒后，雨滴降落在物体表面冻结而成。成；或是经过长期严寒后，雨滴降落在物体表面冻结而成。吉林吉林雾凇雾凇近景近景吉吉林林雾雾凇凇远远景景吉林雾凇成因分析之一吉林雾凇成因分析之一:冬季漫长寒冷的基础条件冬季漫长寒冷的基础条件从从1111月至翌年月至翌年2 2月的月的120120天为冬季