城市气象学课件：04_1城市能量通量.ppt

城市下垫面能量平衡方程 以上内容是着眼全球的能量平衡，现在我们把眼光放低一点，看看城市地区的能量平衡是怎样的！ 请再审视一下“地球能量平衡”图！ 城市能量平衡方程中应该考虑哪些分量或者因素？ 地球年能量平衡 Rapid Urbanization Lack of surface water (soil water) and vegetation. Low short-wave reflectivity (albedo). increased heat release. Source: EPA Rice University 下图中漏了一些因素，你知道吗？ 单位：Wm-2 注意各能量通量有方向性！ 后续章节将逐一介绍各能量通量的意义、理论计算  和观测方法及城乡差异 净辐射通量 感热通量 潜热通量 土壤热通量 贮存热通量 人为热通量 平流热通量 新陈代谢热通量 : 入射短波辐射通量 : 反射短波辐射通量 : 地表出射长波辐射通量: 大气向下长波辐射通量 第四章 城市能量通量（一） 内 容 从辐射基础说起，介绍太阳辐射、地球辐射、三定律，能量平衡方程及其各分量，包括：短波辐射通量、长波辐射通量、感热通量、潜热通量、土壤热通量、贮热通量、人为热通量、平流热通量、新陈代谢通量 一、辐射基础 ?＜4?m的辐射就是太阳辐射，也称短波辐射，而?＞4?m的辐射为地球辐射，也称为长波辐射或热红外辐射。 太阳辐射和地球辐射 地球年能量平衡 1859年，基尔霍夫定律 任何物体辐射能和吸收率之比相同，且仅是温度的函数，物体的吸收率等于比辐射率。 F?,T / A?,T = f(?,T)=FB(?,T) FB(?,T)就是黑体辐射。 定义比辐射率??,T= F?,T /FB(?,T) ，则 ??,T =A?,T ， 由吸收光谱（a?～?），来研究物体辐射特性，辐射光谱为，F? ～? 1879年，斯蒂芬-波耳兹曼定律 FT= ? T4 FT ：总发射辐射(积分辐出度)(Wm-2) ?：Stefan-Boltzmann常数，5.6697×10-8 Wm-2 K-4 T：黑体的绝对温度(K) (1884年，斯的学生波给出理论证明) 1893年，维恩位移定律 维恩(Wien)把热力学和多普勒原理结合起来， ? max = b / T ?max：黑体辐射最大值时对应的波长(?m) b：常数，2897.8 ?m K T：绝对温度(K) 1900年，普朗克定律 C1=2?hc2=3.7427×108W ?m4 m-2 C2=hc/k=14388 ?m K 光速 c=2.99793×108 m/s 普朗克常数 h=6.6262×10-34 J s 波尔兹曼常数 k=1.3806×10-2 J/K 普朗克定律中的常数 黑体辐射基本定律 1879年，斯蒂芬—波耳兹曼定律：黑体总辐射与其绝对温度的4次方成正比。 1893年，维恩位移定律：黑体最大辐射波长与其绝对温度成反比。 1900年，普朗克黑体辐射定律：普朗克公式 普朗克定律与其它定律的关系 ? ?max = 2897.8 / T (维恩位移定律)，且F?max,T ? T5 ② 为Stefan-Boltzmann定律 二、能量平衡之全球模型 全球模型 W/m2 地球表面收到的太阳短波平均辐照度 也是地球发射的长波平均辐出度 Variation of earth effective radiation temperature with solar irradiance, assuming an albedo of 0.3 Negative feedback: increases of incoming solar radiation are mostly compensated by increases in outgoing IR, yielding small temperature changes. The earth system attempts to remain in a stable equilibrium. 温室气体： CO2、CH4 、 N2O 、氟氯烃、水汽等 一层大气模型 Too warm! 不透明大气情况 8 to 12 ?m, IR absorbtivity = emissivity (e) = 0.9 有大气窗区情况，没有短波吸收 For the atmosphere (input = out