气候系统的能量平衡课件

《气候系统的能量平衡课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《气候系统的能量平衡课件（98页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第三章气候系统的能量平衡,3.1 太阳辐射 3.2 大气中的辐射传输过程 3.3 气候系统的辐射平衡 3.4 地气系统的热量平衡 3.5 全球热量平衡,地球上的经线和纬线 纬线：垂直于地轴的平面同地球相割而成的圆 经线：南北线（子午线） 本初子午线：通过英国Greenwich(格林尼治)天文台的0经线（1884年确定）。,纬线和经线 纬线平面垂直于地轴,经线平面都通过地轴,经度和纬度,纬度： 一地相对于赤道平面的南北方向和角度 纬度是一种线面角，即本地法线与赤道平面的交角； 纬度在本地经线上度量，南北纬各分90度。共180度 （-90，90 ）,经度： 本地子午面的东西方向和角距离 经度是两面

2、角，本初子午面为起始面， 本地子午面为终面； 经度通常在赤道上度量，东西经各分180度。 共360度 （-180 ,180 ），或者（0,360 ）,经度和纬度 纬度是线面角，即本地法线与赤道平面的交角； 经度是两面角，即本地子午面与本初子午面的交角。,地理坐标 一地的经度和纬度相结合，叫做该地的地理坐标 （x，y） （经度，纬度） 纬向（在同一纬度上） 例如“纬向速度”或者 “纬向风” u 经向（在同一经度上） 例如“经向速度”或者 “经向风” v,经线的间隔随纬度增大而减小,East China Normal University,地球围绕太阳的公转导致了地球出现了，季节变化、日辐射总量的

3、变化（日出、日落时间的变化） 太阳常数 1)太阳光谱 2)日地距离 3)太阳辐射强度,第一节,太阳辐射,太阳光谱,太阳表面温度约6000oC, 其发出的能量基本为短波辐射,日地几何关系示意图,春分点Vernal equinox,Summer solstice,秋分autumnal equinox,Winter solstice,Perihelion,aphelion,黄道面就是地球的公转轨道所在平面,黄道（ecliptic）地球绕太阳公转的轨道平面与天球相交的大圆 12星座即黄道12宫，是占星学描述太阳在天球上经过黄道的12个区域,太阳常数: 大气上界、日地平均距离处、垂直于太阳光线方向、单位

4、时间、单位面积接收到的所有波长的太阳辐射能。 数值及单位：,日地平均距离： r0=1.496108km 近日点日地距离：1.471108km 远日点日地距离：1.521108km,第一节,地球的赤道平面与黄道平面并不重合，而是有一个交角（二面角），就是黄赤交角。在公元2000年，这个交角为232621。,太阳高度角是指太阳光的入射方向和地平面之间的夹角 天顶角即入射光线与当地天顶方向（地面法线）的夹角（与太阳高度角互余）,太阳高度角为90时，地面接收的太阳辐射？,纬度 太阳高度角,太阳高度角,高度角越大,能量越集中 高度角越小,能量越分散,第一节,热带,北温带,南温带,北寒带,南寒带,北极圈,

5、北回归线,赤道,南回归线,南极圈,地球的五带,地球公转示意图,第一节,为什么南北回归线都是23.5 ？ 如果地球的黄道面与赤道面夹角为0或者90 ，会怎么样？,大气上界、任意日地距离时、垂直于太阳光线方向、单位时间、单位面积接收到的所有波长的太阳辐射能。,(JM-2S-1),日地平均距离： r0=1.496108km,太阳高度角: 太阳光线与地球水平面的夹角,第一节,A1B1C1D1面: 垂直于太阳光线,ABCD面: 平行于地球水平面,任意时刻,大气上界,单位时间、单位面积接收到的太阳辐射能为：,(J/M2s),第一节,的取值变化于,冬至:,春分,秋分:,夏至:,赤纬,太阳赤纬又称赤纬角， 是

6、地球赤道平面与太阳和地球中心的连线之间的夹角,第一节,时角,的取值:,地方时中午12时:,向下午方向到地方时24时:,向上午方向到地方时24时:,12时,24时,0时,6时,18时,=0,=180 ,= 180,= 180,=90,=0 ,=90 ,=180 ,h + - = 90,太阳赤纬又称赤纬角， 是地球赤道平面与太阳和地球中心的连线之间的夹角,3)照射时间 日出到日没的时间间隔,第一节,大气上界,某一天,水平面单位面积接受的日辐射量:,(JM-2),T =1天 = 24h =86400s,-0 为日出时间， 0 为日落时间,第一节,春秋分时：赤纬=0，那么0 =/2，不同的纬度带：,赤

7、道上： =0，那么0 =/2，不同的时间（季节）：,极地上： =/2 ，那么夏半年0 =，冬半年0=0：,极地在夏半年0 =，在“夏至”收到的日辐射总量最大： =23.5,赤道上： =0，那么0 =/2，春秋分时=0 ：,极地最大的日辐射总量与赤道最大的日辐射总量的比值：sin23.5=1.25倍,书上P23 极地最大的日辐射总量与同时的赤道日辐射总量的比值：tg23.5=1.36倍,取太阳常数为 1366 W/m2， 算出的日平均 日射值Q随纬 度和一年中各 天的分布。 阴影区为零日射 区。春分、夏至 秋分和冬至的位 置以实线给出， 太阳赤纬以虚线 绘出。,大气外界日射分布,1、由于地球每年

8、一月份最接近太阳，因此南北半球日射不对称，南半球大于北半球。 2、最大值出现在极点的夏至，因为极昼的缘故。 3、低纬年变化小于高纬，低纬年总量大于高纬。 4、日射随纬度变化，夏季小于冬季。,3.2 大气中的辐射传输过程,大气对短波的影响,吸收 散射 反射,吸收 逆辐射,大气对长波的影响,第二节,大气中太阳辐射传输过程,单色光强度 ：,dl,dz,经过的路径是：,强度减弱:,地面,称为大气对太阳辐射的质量削弱系数(m2g-1),+d,平面平行大气：大气水平方向均匀，只考虑垂直方向上变化的大气模型,z,h,太阳高度角,单位时间、垂直于太阳光线方向上单位面积、单位波长的辐射能,0,l=0,l,从大气

9、顶到Z高度积分,得,大气上界波长为,的单色光辐射强度,为太阳辐射通过大气介质的质量,称为光学路径,Z高度上波长为 的单色辐射强度,大气质量（单位面积*光学路径）:光在大气中经过一定长度倾斜路径到达地表面时, 其经历空间中所含大气物质的质量 大气质量数(m):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.,引入均质大气高度H0和密度,dl,dz,地面,+d,平面平行大气,z,h,A,h,大气透明度,如果介质的光学性质是均匀的,为常数,令:,即为大气对单波 的透明系数,描述大气对太阳辐射衰减的程度,常用透明系数表示,到达地面的单色辐射强度为:,到达地面的单色辐射强度为:,对所有波长积分,得

10、:,P 即为大气对太阳辐射所有波长的平均透明系数,简称大气透明系数.,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（Jm-2s-1）,跃迁,原子光谱,氢原子的发射和吸收示意图,SOLAR SPECTRUM,(2).大气对太阳辐射的吸收,1）定义：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吸收。两能级的差就是大气吸收的辐射能量值 2）主要吸收气体 氧(O2): 发生在高层大气,波长小于0.26,远紫外波段,0.175-0.2026 ,0.242-0.26,(3).大气对太阳辐射的散射,1）定义：大气质点将入射辐射重新向各个方向辐射出去的一种现象 2）特点：强

11、烈地依赖于粒子尺度与入射波长的相对大小，分为瑞利散射和米散射,大气散射特征,瑞利散射:空气分子 直径比波长小(远小于可见光的波长),散射能力与波长的四次方成反比,米散射:尘埃或灰尘（气溶胶）直径比波长大,各种波长的散射能力相等. Mie散射理论是对处于均匀介质中的各向均匀同性的单个介质球在单色平行光照射下的Maxwell方程边界条件的严格数学解。,其中 入射光的光强分布数,3) 效应： 到达地面的太阳辐射减小； 整个天空大气亮堂.,(4)大气对太阳辐射的反射,定义：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的过程 2) 特点：对各种波长无选择性，云的反射作用最显著 3)

12、 效应：到达地面的太阳辐射显著减弱.,第二节,3.2.2 大气对地面辐射的吸收,特点: 强烈地吸收,且具有选择性.,大气窗:713,位于地面辐射波段最强处,大气的吸收率最小,透射率最大,这一波段能量透过大气射向宇宙空间,将这一波段称为大气窗.,辐射能是地面和大气的基本能量来源，在地球系统能量平衡系统中，辐射是最重要的能量形式，其次才是潜热、感热,有大气逆辐射,3.3 气候系统的辐射平衡,3.3.1 地球面的辐射平衡 S =太阳直接辐射 (经过大气吸收和散射） D =散射辐射 Q =地表总辐射 A =地表反射辐射 F =地面长波有效辐射 R =地表净辐射 (吸收的短波-放出的长波） R= Q A

13、 F =(S+D) A F = Q(1a) F,参数化 S 太阳直接辐射 （地面） S0 天文辐射量 S1 日照百分比（日照时数） S =S0 (aS1+bS12) 全阴天S1=0，S=0 ; 全晴天S1=1 ， S/ S0 =a+b a、b为局地参数化的值,散射辐射 太阳辐射 经大气散射后到达地面的比例系数,大气浑浊度,全球地表总辐射年平均通量密度（Wm-2 )的分布,地表总辐射,中国年平均总辐射通量密度的分布(Wm-2),地表反射辐射 反射率 =A/Q 影响反射率的因素： 太阳高度角、下垫面颜色、干湿度、表面粗糙度 植被指数：NDVI=（CH2-CH1）/（ CH2+CH1）,地表长波有效

14、辐射,F =地面长波有效辐射 U =地面辐射（地面向上放射的长波辐射） G =大气逆辐射（大气向下放射的长波辐射） =大气相对辐射率 G =地面吸收的大气逆辐射 F = U-G,普朗克Planck Law (1901),1901年Planck提出量子化辐射的假设，对于绝对黑体物质，单色辐射通量密度与发射物质的温度和辐射波长或频率的关系。 从理论上得出，与实验精确符合 Planck函数：,第一辐射常数 C1： 第二辐射常数 C2： 光速 c = 3.0108 m s-1， 普朗克常数 h = 6.626210-34 J s-1， 波尔兹曼常数 k=1.380610-23 J K-1。 由普朗克定

15、律可以得出各种温度下绝对黑体的辐射光谱曲线。,Planck Law (1901),黑体辐射与物质组成无关 1、任何温度的绝对黑体都放射波长 0 无穷 mm 的辐射，但温度不同，辐射能量集中的波段不同。 2、温度越高，各波段放射的能量均加大。积分辐射能力也随温度升高而迅速加大。但能量集中的波段则向短波方向移动。（例：铁） 3、每一温度下，都有辐射最强的波长l max，即光谱曲线有一极大值，而且随温度升高，l max变小。,斯蒂芬玻耳兹曼定律 Stefan-Boltzmann,普朗克定律提出之前，1879年Stefan从实验得出，后经Boltzmann于1884年从热力学理论上予以证明。即黑体总辐

16、射通量密度随温度的增加而迅速增加，它与绝对温度的四次方成正比。因此，温度的微小变化，就会引起辐射通量密度很大的变化。 是Stefan-Boltzmann常数，5.66961*10-8Wm2K4,1893年维恩从热力学理论推导出：黑体辐射最大强度的波长与它的温度成反比。 黑体温度越高，lmax 愈小。即：随着温度的升高，辐射最大值对应的峰值波长向短波方向移动。,例如对6000 K黑体， l max = 0.47 m （蓝色光）由辐射最强的波长也可以确定绝对黑体的温度，光谱方法测定物体温度的基础。,维恩Wien位移定律,地表净辐射年总量（Kcalcm-2）的地理分布,地表净辐射,中国地表净辐射年平均通量密度分布(W/m2),3.3