大气科学概论课件第十三辐射5_精品文档.ppt

1、 6.5 地面辐射差额和能量平衡地面辐射差额和能量平衡 地面和大气因辐射进行热量的交换，地面和大气因辐射进行热量的交换，其能量的收支状况，是由短波辐射和其能量的收支状况，是由短波辐射和 长波辐射收支总和来决定的。长波辐射收支总和来决定的。把物体收入的辐射能与支出的辐射能的把物体收入的辐射能与支出的辐射能的 差值称为差值称为辐射差额辐射差额。辐射差额辐射差额=收入辐射收入辐射-支出辐射支出辐射在没有其它方式进行热交换时，辐射差额决定物体在没有其它方式进行热交换时，辐射差额决定物体的温度变化：的温度变化：辐射差额大于零，物体升温；辐射差额大于零，物体升温；辐射差额小于零，物体降温；辐射差额小于零，

2、物体降温；辐射差额为零时，物体温度保持不变。辐射差额为零时，物体温度保持不变。6.5.1 地面辐射差额地面辐射差额 地面地面由于吸收太阳总辐射和大气逆由于吸收太阳总辐射和大气逆 辐射而获得能量，同时又以其本身的辐射而获得能量，同时又以其本身的 温度不断向外放出辐射而失去能量。温度不断向外放出辐射而失去能量。地面收入辐射能减去支出辐射能，所得地面收入辐射能减去支出辐射能，所得 辐射能的差值，称为辐射能的差值，称为地面辐射差额地面辐射差额F FB B。式中式中S SA A为太阳直接辐射为太阳直接辐射,S,SD D为到达地面的散射辐射为到达地面的散射辐射,S SG G为地面总辐射，为地面总辐射，r

3、rs s为地面短波反射率，为地面短波反射率，为地面红外辐射吸收率。为地面红外辐射吸收率。凡是影响太阳总辐射和地面有效辐射凡是影响太阳总辐射和地面有效辐射 的因子都能影响的因子都能影响F FB B。白天白天，总辐射起主要作用；，总辐射起主要作用；夜间夜间，地面有效辐射起主要作用。，地面有效辐射起主要作用。辐射差额的日变化：辐射差额的日变化：辐射差额夜间为负，辐射差额夜间为负，白天为正。白天为正。由由负值负值转到转到正值正值的时刻的时刻 一般在日出后一般在日出后1 1小时小时，由由正值正值转到转到负值负值的时刻的时刻在日落前在日落前11.511.5小时小时。如图为辐射差额日变化的情况。如图为辐射差

4、额日变化的情况。地面辐射差额的年变化：地面辐射差额的年变化：地面辐射差额的年变化随纬度而异：地面辐射差额的年变化随纬度而异：纬度越低，辐射差额保持纬度越低，辐射差额保持正的月份越多正的月份越多，纬度越高，辐射差额保持纬度越高，辐射差额保持正的月份越少正的月份越少 p50p50图中给出不同纬度辐射差额的年变化图中给出不同纬度辐射差额的年变化 6.5.2 地面能量平衡地面能量平衡 地表面除了地表面除了辐射辐射造成的能量收支外，造成的能量收支外，还有地表和贴地层空气的热量交换（还有地表和贴地层空气的热量交换（感热感热）地表和深层土壤之间的热交换和因地表地表和深层土壤之间的热交换和因地表 水分蒸发，由

5、相变引起的地表能量损失（水分蒸发，由相变引起的地表能量损失（潜热潜热）等项等项。用用HalHal代表地表净能量通量，则代表地表净能量通量，则:R RS S为净短波辐射通量，为净短波辐射通量，R Rl l为净长波辐射通量，为净长波辐射通量，H HS S为地表感热通为地表感热通量，量，HeHe为地表潜热通量，为地表潜热通量，HmHm为流进土壤深层的热量。为流进土壤深层的热量。当当Hal0Hal0时，地表获得能量，温度升高；时，地表获得能量，温度升高；当当Hal0Hal0时，地表失去能量，温度下降；时，地表失去能量，温度下降；当当Hal=0Hal=0时，地表能量平衡，温度不变。时，地表能量平衡，温度

6、不变。地表的温度地表的温度可通过可通过HalHal来计算，方法有土壤绝热法、余项来计算，方法有土壤绝热法、余项强迫法、感热相关法、辐射相关法、土壤模式法等，见书强迫法、感热相关法、辐射相关法、土壤模式法等，见书p51p51。由于由于海洋海洋和和陆地陆地的热力性质不同，在地表能量的热力性质不同，在地表能量平衡的条件下，温度变化不同：平衡的条件下，温度变化不同：陆地陆地热容量小，陆地上的气温变化大；热容量小，陆地上的气温变化大；海洋海洋热容量大，海水可以流动，因此海洋热容量大，海水可以流动，因此海洋 在白天或夏天将太阳能储存起来，到了夜间在白天或夏天将太阳能储存起来，到了夜间 或冬天将储存的热量释

7、放出来，因而海洋上的或冬天将储存的热量释放出来，因而海洋上的 气温变化不大。气温变化不大。海陆差异海陆差异引起白天陆地上气温比邻近海洋高，引起白天陆地上气温比邻近海洋高，夜间相反；夏季陆地上气温比邻近海洋高，冬季相反。夜间相反；夏季陆地上气温比邻近海洋高，冬季相反。这种因海陆分布引起的对流层水平温度梯度的季节性转换，这种因海陆分布引起的对流层水平温度梯度的季节性转换，是引起大规模的季风环流的主要原因之一。是引起大规模的季风环流的主要原因之一。6.5.3 气温的日变化气温的日变化 白天大气通过白天大气通过辐射辐射、分子运动分子运动、湍流湍流及及 对流运动对流运动和和潜热输送潜热输送等方式将热量传

8、递，使等方式将热量传递，使 大气温度随之升高；夜间地表面因放射长波辐射大气温度随之升高；夜间地表面因放射长波辐射而冷却，使边界层大气温度也随之降低，因而引起而冷却，使边界层大气温度也随之降低，因而引起大气温度的日变化。大气温度的日变化。气温的日变化通常包括极值出现的时间气温的日变化通常包括极值出现的时间 和日较差的变化：和日较差的变化：在一日内有一个在一日内有一个最高值最高值，一般出现在，一般出现在 午后午后1414时时左右，一个左右，一个最低值最低值，一般出现在，一般出现在 日出前后。日出前后。（为何不出现在正午？）（为何不出现在正午？）因为地面的最高值取决于地面储存能量的多少，地面因为地面

9、的最高值取决于地面储存能量的多少，地面 收入大于支出转为收入小于支出的时间在下午收入大于支出转为收入小于支出的时间在下午1 1点左右，即地点左右，即地面温度最高，传递给大气须一定的滞后时间，所以最高气温出现面温度最高，传递给大气须一定的滞后时间，所以最高气温出现在在1414时左右。时左右。一天中气温的最高值与最低值之差，称一天中气温的最高值与最低值之差，称为气温日较差，其大小反映气温日变化的程度。为气温日较差，其大小反映气温日变化的程度。气气温温日日较较差差随随纬纬度度变变化化：热热带带1212，温温带带8 899，极极地地3 34 4。6.5.4 气温的年变化气温的年变化 气温的年变化也包括

10、极值出现的时间气温的年变化也包括极值出现的时间 和日较差的变化：和日较差的变化：地球上绝大部分地区，在一年中地球上绝大部分地区，在一年中 月平均气温有月平均气温有一个一个最高值最高值和和一个一个最低值最低值。陆地最高陆地最高7 7月，最低月，最低1 1月；海洋最高月；海洋最高8 8月，最低月，最低2 2月；月；赤道有两高两低，分别在春秋分和夏至冬至；赤道有两高两低，分别在春秋分和夏至冬至；气温的变化取决于地面热量收支的情况，而气温的变化取决于地面热量收支的情况，而太阳赤纬太阳赤纬和和昼夜长短昼夜长短，是影响地面热量收支主要因子，是影响地面热量收支主要因子:从从春分春分到到夏至夏至，太阳赤纬逐渐

11、增高，昼长于夜也，太阳赤纬逐渐增高，昼长于夜也 逐渐增强，有利于地面热量收入大于支出，温度逐渐增强，有利于地面热量收入大于支出，温度 不断增大。不断增大。从从夏至夏至到到秋分秋分，太阳赤纬逐渐减低，昼长于夜也逐渐，太阳赤纬逐渐减低，昼长于夜也逐渐 减少，地面热量收入大于支出的幅度在减少，但热量收入减少，地面热量收入大于支出的幅度在减少，但热量收入 仍然大于支出，地面温度仍上升。仍然大于支出，地面温度仍上升。到了到了大暑大暑时，地面时，地面 热量收支平衡，温度热量收支平衡，温度 升到最高，不再增加。升到最高，不再增加。从从大暑大暑到到秋分秋分，地面热量收入小于地面热量收入小于支出，温度开始下降。

12、支出，温度开始下降。从从秋分秋分到到冬至冬至，太阳赤纬继续降低，昼越来越短于夜，但地面，太阳赤纬继续降低，昼越来越短于夜，但地面 热量支出仍然大于收入，温度继续下降。热量支出仍然大于收入，温度继续下降。到了到了大寒大寒时，地面热量收支平衡，温度不再下降，达到最低值。时，地面热量收支平衡，温度不再下降，达到最低值。可见，北半球中纬度地区，最热的可见，北半球中纬度地区，最热的 日子在大暑，最冷的日子在大寒。日子在大暑，最冷的日子在大寒。一年中月平均气温的最高值与最低值一年中月平均气温的最高值与最低值 之差，称为气温年较差。之差，称为气温年较差。气温年较差的大小与纬度、气温年较差的大小与纬度、地表性

13、质等因素有关。地表性质等因素有关。如图：气温年较差由低纬如图：气温年较差由低纬 向高纬增加，同纬度，向高纬增加，同纬度，陆地年较差比海洋大得多。陆地年较差比海洋大得多。气温除周期变化还有非周期变化。气温除周期变化还有非周期变化。6.6 地气系统能量平衡地气系统能量平衡 为了了解地气系统在较长时间内怎样为了了解地气系统在较长时间内怎样 维持平衡状态，需要对地气系统作为一个维持平衡状态，需要对地气系统作为一个 整体的年平均能量平衡的了解。整体的年平均能量平衡的了解。下图给出地气系统总的能量平衡框图：下图给出地气系统总的能量平衡框图：图中的数字归一化，即把入射图中的数字归一化，即把入射 大气上界的太

14、阳辐射作为大气上界的太阳辐射作为100100个单位。个单位。就就地面地面而言：收入而言：收入50=支出支出20+6+24 就就大气大气而言：收入而言：收入16+4+6+24+14=支出支出38+26 就就地气系统地气系统而言：而言：收入收入100=支出支出6+20+4+6+38+26 可见，无论是可见，无论是地面地面、大气大气还是还是 地气系统地气系统长年平均的辐射收支都是处长年平均的辐射收支都是处 于平衡状态的。于平衡状态的。思考题：思考题：、总结地面辐射、云辐射、大气辐射的、总结地面辐射、云辐射、大气辐射的 特点。特点。2、何为大气逆辐射和地面有效辐射？、何为大气逆辐射和地面有效辐射？3、气温的日、年变化是怎样的？、气温的日、年变化是怎样的？4、用数字说明无论是地面、大气还是地气系统、用数字说明无论是地面、大气还是地气系统 长年平均的辐射收支都是处于平衡状态的。长年平均的辐射收支都是处于平衡状态的。