第二章 大气的热能3.ppt

第二章 大气的热能和温度 △第一节 太阳辐射 要点： 太阳辐射的基本知识。 太阳辐射光谱和太阳常数的概念。 △第二节 地面和大气的辐射 要点： 地面、大气的辐射和地面有效辐射的概念和物理意义。 地面及地—气系统的辐射差额。 △第三节 大气的增温和冷却 要点： 1、海陆增温和冷却的差异 2、空气的增温和冷却 3、气温直减率和干、湿绝热直减率的概念和大小。 4、大气静力稳定度 △第四节 大气温度随时间的变化 要点： 掌握气温的日变化和年变化的概念和变化规律。 △第五节 大气温度的空间分布 要点： 全球气温的水平分布规律。 对流层中气温的垂直分布规律及各种逆温形成机制。 教学基本要求 本章的重点是第一、二节，以辐射为线索，分析地气的辐射热交换过程，进一步探讨引起大气温度变化的物理原因及温度变化和分布对大气状态的影响。突出大气温度绝热和非绝热变化在成因和作用上的差异。并注意在天气及气候分析时加以引伸和应用。 一、辐射的基本知识 (一)、辐射与辐射能 辐射:自然界中的一切物体都以电磁波的方式向四周放射能量，这种传播能量的方式称为辐射。通过辐射传播的能量称为辐射能。辐射是能量传播方式之一，也是太阳能传播到地球的唯一途径。 波长范围大约在0.15～120um之间(图2.1)。 0.15～4um 太阳辐射 短波辐射 4～120um 地面、大气辐射 长波辐射 辐射通量密度（E）单位时间内通过单位面积的辐射能量称为辐射通量密度（E），单位是W/m2。 入射辐射通量密度 放射辐射通量密度 大小反映辐射能力和放射能力 辐射强度（I）单位时间内，通过垂直于选定方向上的单位面积（对球面坐标系，即单位立体角）的辐射能，称为辐射强度（I）。其单位是W/m2 或W/sr。 它们之间的关系：I=E/cosθ 温度升高，辐射的总功率就会增大，并且辐射的电磁波的波长将移向短波。 例：铁棒的加热 (二)辐射光谱 为了进一步描述辐射能的性质，引入了一个能确定辐射能按波长分布的函数——单色辐射通量密度。它是波长与温度的函数。 P22 (三)物体对辐射的吸收、反射和透射：1=a+r+d。物体的吸收率、反射率和透射率大小随着辐射的波长和物体的性质而改变。如干洁空气、水汽、雪面P23 思考:为什么夏天晴朗的夜晚感觉凉爽,冬天感觉寒冷 为什么夏天阴雨天的晚上感觉闷热,冬天感觉暖和 (四)有关辐射的基本定律 黑体:对外来辐射，不论波长如何，能全部吸收，而不透射与反射的理想物体。 (1) 最接近黑体的物体的吸收率为0.95 (2)由于被任何波长的光照射时均呈黑色，故名黑体。它是最好的吸收体和放射体，其放射能力只与波长和温度有关。 有关辐射的三个基本定律：基尔荷夫定律、斯蒂芬—玻尔兹曼定律、维恩位移定律 基尔荷夫定律（Kirchhoff）: KλT=eλT,p23 意义：①在一定波长、一定温度下，一个物体的吸收率等于该物体同温度、同波长的放射率;辐射能力强的物质，其吸收能力也强，黑体吸收能力最强，是最好的放射体 ②同一物体在温度T时它放射某一波长的的辐射,在同一温度下也吸收这一波长的辐射 ③该定律把一般物体的辐射、吸收与黑体辐射联系起来，从而有可能通过对黑体辐射的研究来了解一般物体的辐射，基尔荷夫定律适用于处于辐射平衡的任何物体,对流层和平流层大气以及地球表面都可认为是处于辐射平衡状态，因而可直接应用这一定律。 思考:为什么大气主要以吸收地面辐射增温? 斯蒂芬—玻尔兹曼定律（Stefan-Boltzman） 物体的放射能力是随温度、波长而改变的。黑体的总放射能力与它本身的绝对温度的四次方成正比。 ETb = σT4 σ—斯蒂芬－玻耳兹曼常数。 维恩位移定律（Wein） 黑体单色辐射极大值所对应的波长与其绝对温度成反比。 即 λmT = C （C=2896μm·K）  因此，物体的温度愈高，其单色辐射极大值所对应的波长愈短，反之亦然。（图2.3） 有此三个辐射定律，绝对黑体的辐射规律就容易确定，因为它们把黑体的温度与其辐射光谱联系起来了。即使对非黑体，只要知道它们的温度和吸收率，利用基尔荷夫定律，它们的辐射能力也可以确定。 二 太阳辐射（一）太阳辐射光谱和太阳常数 太阳辐射光谱：太阳辐射中辐射能按波长的分布。 一 太阳辐射（一）太阳辐射光谱和太阳常数 太阳常数 ：在日地平均距离（1.496×108）上，在大气上界，垂直于太阳光线的1cm面积内1min内获得的太阳辐射能量，称太阳常数，用I°表示。 多数文献采