第二章 大气的热能和温度

第二章大气的热能和温度
【教学目的】
1、了解太阳辐射的基本知识，了解地面和大气的辐射，
了解大气的增温和冷却
2、掌握气温的周期性变化规律，掌握气温的空间分布规律
【教学重点】大气对太阳辐射的减弱，气温的周期性变化规律，
气温的空间分布规律
【教学难点】有关辐射的基本定律，地面辐射和大气辐射，气
温的绝热变化，空气温度的个别变化和局地变化，大气静力稳定度。

【教学方法】讲授法，讨论法
【教学工具】多媒体
【教学时数】10课时
第一节太阳辐射
一、辐射的基本知识
（一）辐射与辐射能
1.辐射：
2.辐射能：通过辐射传播的能量称为辐射能。

3.电磁波：波长范围很广。

可见光：波长从0.4～0.76微米，是由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等颜色的光组成的光带，其中红光波长最长，紫光波长最短。

4.气象学着重研究的是太阳、地球和大气的热辐射，它们的波长范围大约在0.15～120微米之间。

5.辐射通量密度(E)：
6.辐射强度( I )
（二）物体对辐射的吸收、反射和透射
任何物体在向外放出辐射的同时，也会接受到周围物体向它投射过来的辐射，但投射到物体上的辐射并不能全部被吸收，其中一部分被反射，一部分可能透过物体。

a + r + d = 1
a、r、d都是0～1之间的无量纲量，分别表示物体对辐射吸收、反射和投射的能力。

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。

例如：干洁空气对红外线是近似透明的，而水汽对红外线却能强烈地吸收；雪面对太阳辐射的反射率很大，但对地面和大气的辐射几乎能全部吸收。

（四）有关辐射的基本定律
1.基尔荷夫（Kirchhoff）定律
上式是基尔荷夫定律的基本形式。

它表明：
（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。

对不同物体，辐射能力强的物质，其吸收能力也强。

辐射能力弱的物质，其吸收能力也弱。

黑体吸收能力最强，所以它也是最好的放射体。

即同一物体在温度T时它放射某一波长的辐射，在同一温度下它也吸收这一波长的辐射。

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。

2.斯蒂芬（Stefan）-玻耳兹曼（Boltzman）定律
黑体的总放射能力与它本身的绝对温度的四次方成正比，即
上式称斯蒂芬-玻尔兹曼定律。

根据上式可以计算黑体在温度T时的辐射强度，也可以由黑体的辐射强度求得其表面温度。

3.维恩（Wein）位移定律
黑体单色辐射极大值所对应的波长是随着温度的升高而逐渐向波长较短的方向移动的。

黑体单色辐射强度极大值所对应的波长与其绝对温度成反比，即
上式称维恩位移定律。

二、太阳辐射
（一）太阳辐射光谱和太阳常数
1.太阳辐射光谱——太阳辐射中辐射能按波长的分布，称为太阳辐射光谱。

可以把太阳辐射看作黑体辐射，有关黑体辐射的定律都可应用于太阳辐射。

根据维恩定律可以计算出太阳辐射最强的波长为0.475微米。

这个波长在可见光范围内相当于青光部分。

太阳辐射主要是可见光线（0.4～0.76微米），此外也有不可见的红外线（﹥0.76微米）和紫外线（﹤0.4微米），但在数量上不如可见光多。

在全部辐射能中，波长在0.15～4微米之间占99%以上，且主要分布在可见光区和红外区，前者占太阳辐射总能量的50%，后者占43%，紫外区的太阳辐射能很少，只占总能量的7%。

2.太阳常数
太阳辐射通过星际空间到达地球。

就日地平均距离来说，在大气上界，垂直于太阳光线的1平方厘米面积，1分钟内获得的太阳辐射能量，称为太阳常数。

太阳常数虽经多年观测研究，由于观测设备、技术以及理论校正方法的不同，其数值常不一致，变动于1359～1418W/m2之间。

1959年国际地球物理年决定采用1380W/m2。

近年来，根据标准仪器，在高空气球、火箭和人造卫星上约25000次以上的探测，得出太阳常数值约为1367（±7）W/m2。

这是1981年世界气象组织推荐的太阳常数的最佳值。

多数文献采用1370W/m2。

太阳常数有周期性的变化，变化范围在1%～2%。

（二）太阳辐射在大气中的减弱
1.大气对太阳辐射的吸收
太阳辐射穿过大气层时，大气中某些成分具有选择吸收一定波长辐射能的特性。

大气中吸收太阳辐射的成分主要有：
水汽、氧、臭氧、二氧化碳及固体杂质等。

太阳辐射被大气吸收后变成了热能，因而使太阳辐射减弱。

水汽对太阳辐射的吸收：
水汽虽然在可见光区和红外区都有不少吸收带，但吸收最强的是在红外区从0.93～2.85微米之间的几个吸收带。

最强的太阳辐射能是短波部分，因此水汽从进入大气中的总辐射能量内吸收的能量并不多。

太阳辐射因水汽的吸收可以减弱4%～15%。

所以大气因直接吸收太阳辐射而引起的增温并不显著。

氧对太阳辐射的吸收：
大气中的主要气体是氮和氧，只有氧能微弱地吸收太阳辐射，在波长小于0.2微米处为一宽吸收带，吸收能力较强，在0.69微米和0.76微米附近，各有一个窄吸收带，吸收能力较弱。

臭氧对太阳辐射的吸收：
臭氧在大气中含量虽少，但对太阳辐射能量的吸收很强。

在0.2～0.3微米处为一强吸收带，使得波长小于0.29微米的辐射由于臭氧的吸收不能到达地面。

臭氧
在0.6微米附近又有一宽吸收带，吸收能力虽然不强，但因位于太阳辐射最强烈的辐射带里，所以吸收的太阳辐射量相当多。

二氧化碳对太阳辐射的吸收：
二氧化碳对太阳辐射的吸收总的说比较弱，仅对红外区4.3微米附近的辐射吸收较强，但这一区域的太阳辐射很微弱，被吸收后对整个太阳辐射的影响不大。

杂质对太阳辐射的吸收
悬浮在大气中的水滴、尘埃等杂质，也能吸收一部分太阳辐射，但其量甚微。

只有当大气中尘埃等杂质很多（如有沙暴烟幕或浮尘）时，吸收才比较显著。

由以上分析可知，大气对太阳辐射的吸收具有选择性，因而使穿过大气后的太阳辐射光谱变得极不规则。

由于大气中主要吸收物质（臭氧和水汽）对太阳辐射的吸收带都位于太阳辐射光谱两端能量较小的区域，因而对太阳辐射的减弱作用不大。

大气直接吸收的太阳辐射并不多，特别是对于对流层大气来说，太阳辐射不是主要的直接热源。

2.大气对太阳辐射的散射
（1）分子散射（蕾利散射）
如果太阳辐射遇到直径比波长小的空气分子，则辐射的波长愈短，散射得愈强。

其散射能力与波长的对比关系是：对于一定大小的分子来说，散射能力与波长的四次方成反比，这种散射是有选择性的，称为分子散射，也叫蕾利散射。

（2）粗粒散射（米散射）
如果太阳辐射遇到直径比波长大的质点，散射没有选择性，即辐射的各种波长同样地被散射，这种散射称为粗粒散射，也叫米散射
3.大气的云层和尘埃对太阳辐射的反射
（1）反射对各种波长没有选择性，反射光呈白光。

（2）云的反射作用最为显著。

云的反射能力随云状和云的厚度而不同。

云层越低，云的反射能力越强；云层越厚，云的反射能力越强。

上述三种方式中，反射作用最重要，尤其是云层对太阳辐射的反射最明显，散射作用次之，吸收作用相对最小。

以全球平均而言，太阳辐射约有30%被散射和漫射回宇宙，称之为行星反射率，20%被大气和云层直接吸收，50%到达地面被吸收。

（三）到达地面的太阳辐射
1.直接辐射
影响太阳直接辐射的主要因子:太阳高度角和大气透明度。

（1）太阳高度角对直接辐射的影响
①太阳高度角越小，等量的太阳辐射散布的面积就越大，地表单位面积上所获得的太阳辐射就越小。

②太阳高度角越小，太阳辐射穿过的大气层越厚，太阳辐射被减弱越多，到达地面的直接辐射就越少。

（2）大气透明度对直接辐射的影响
（3）直接辐射有显著的年变化、日变化和随纬度的变化。

这种变化主要由太阳高度角决定。

日变化：
日出、日落时，直接辐射最弱；
中午直接辐射最强。

年变化：
直接辐射在夏季最强，冬季最弱（图2-10）。

纬度变化：
低纬度地区的直接辐射多于中、高纬度地区。

2.散射辐射
（1）太阳高度角对散射辐射强弱的影响
（2）大气透明度对散射辐射强弱的影响
3.总辐射
（1）总辐射的日变化规律
（2）云的影响对总辐射的日变化规律造成破坏
（3）总辐射的季节变化规律：
总辐射强度夏季最大，冬季最小
（4）总辐射的地区分布规律：纬度越低，总辐射越大。

（5）我国的年辐射总量
西藏最高，青海新疆黄河流域次之，长江流域大部分华南地区最少。

（四）地面对太阳辐射的反射
地表对太阳辐射的反射，决定于地表面的性质和状态。

1.水面的反射率稍小于陆面。

（1）水面的反射率随水的平静程度和太阳高度角的大小而变。

① 太阳高度角越大，平静水面的反射率就越小。

② 波浪起伏的水面的平均反射率为10%。

2、陆地表面对太阳辐射的反射率约为10%～30%（见表2-3）。