大学学习课件第3章能量收支.ppt

大气和海水运动的能源和热量收支 《大气-海洋学概论》第三章 大气和海水运动的能量主要来自太阳，其他热量还有地球内热、星体辐射、放射性物质衰变、生物和化学过程、大气和海水内摩擦、结冰和融冰、大陆径流、降水等引起的热量变化，它们对局地热量收支可能重要，但对全球大气和海洋的总热量收支影响不大。 大气和海洋的热量收支 进入大气和海洋被大气和海水吸收的 太阳辐射能（又称短波辐射） 海面、陆地面和大气放射的红外热辐射（又称长波辐射） 通过海洋和大气边界之间的感热交换 通过海面蒸发海洋与大气的潜热交换 通过对流、平流和湍流混合与邻近地区或海区的热交换。 §3.1 大气和海洋对太阳辐射的吸收 太阳和太阳辐射 太阳是一个巨大的、炽热的气体球。 其直径约为140万公里，为地球直径的109倍， 其体积约为地球体积的130万倍。 其质量为1.989×1027吨，约为地球质量的33万倍。 太阳表面温度为5770K，中心温度约1.5×107K，即1500万度左右。 太阳向空间放射的总辐射能约为3.83×1026瓦。地球上获得的太阳辐射能只有其放射量的二十亿分之一，约1.8×1014千瓦。 地球获得的太阳辐射能与日地距离的平方成反比。根据实际观测和计算，在不受大气影响的情况下（即在大气顶）,在平均日地距离处垂直于太阳光的平面上每单位面积上单位时间接收到的太阳辐射能(即太阳辐射通量密度)约为1.367 千瓦/米2，我们称它为太阳常数。通常用S0表示，太阳常数有1―2%的周期变动，与太阳活动有关。 因为地球获得的太阳辐射能与日地距离的平方成反比而实际日地距离随季节变化，因此在一月份地球通过近日点时获得的太阳辐射能比七月份地球通过远日点时获得的太阳辐射能多。大约多7%，所以北半球冬季比南半球冬季暖些。 太阳高度角和太阳天顶角 当太阳斜射时，地球上单位面积接收到的太阳辐射能会减少。其接收量（记为S0’）与太阳高度角（h）或太阳天顶角（ ）有关。其关系为： 大气对太阳辐射的吸收 太阳辐射经过大气层会因大气对它的吸收而减弱，大气对太阳辐射的吸收有选择性，即不同的吸收物质吸收不同波长的太阳辐射。 气层对单色太阳辐射的吸收量 太阳光从上向下进入大气经过气层dz时,大气对它的吸收量正比于此气层内辐射通路中单位截面积上的吸收物质的质量,即 其中,Eλ为入射的单色太阳辐射,dEλ为dz气层对它的吸收量, kλ 为吸收系数,ρ为吸收介质的密度, 为太阳天顶角。 大气吸收的太阳辐射能 从地面(Z=0)到大气顶(Z～∞)积分,得 整层大气吸收的单色太阳辐射能为 △Eλ = Eλ∞- Eλ0 对△Eλ进行整个太阳光谱段积分可求出整层大气吸收的太阳辐射能。 根据对大量的观测资料的计算结果表明,臭氧和分子氧吸收的太阳辐射能约为3%，水汽和液态水吸收的太阳辐射能约为16—17%。它们对加热大气起重要作用，二氧化碳吸收的太阳辐射能很少 到达地面或海面的太阳辐射能 进入大气的太阳辐射能除被大气吸收外,还被大气散射,云吸收和反射。最后到达地面或海面的太阳辐射能约为太阳常数的51%。它在海面上分布如图所示，随纬度的增加而减少。 海水对太阳辐射的吸收 到达海面的太阳辐射会被海表面反射一部分（大约10%），余下部分进入海水，一部分被海水吸收，另一部分被散射。被散射的部分除一小部分跑出海面外，其余的最终也被海水吸收。这些被吸收的太阳能变成了海水的热能。 吸收物质及其吸收特性 海水对光的吸收由三种物质进行：它们是纯海水、悬浮物质和黄色物质。所谓黄色物质就是海洋生物经腐败分解而形成的或来自大陆的一些可溶性有机物，通常呈黄色。 纯海水对光吸收的最突出特征是它对可见光吸收很弱，尤其是对蓝、绿光，几乎不吸收。纯海水对长波部分的吸收能力很强，而且随波长的增长而急剧增大。 悬浮物质对光的吸收能力也很强，但其吸收系数向短波方向增大。 黄色物质主要吸收波长短的光波。 太阳辐射能在海水中的垂直分布 海水对太阳辐射的吸收能力很强，太阳辐射能在海水中的垂直分布很不均匀，以近于指数的规律随深度递减。 以纯净的大洋水为例，在不同深度的太阳入射辐射能与海面处的入射辐射能之比如表所示： §3.2 海—地—气系统的长波辐射 与太阳辐射的波长相比，海面、陆地面和大气放射的红外