大氣系統(tǒng)能量收支與平衡

1、3.1 3.1 v太陽太陽-電磁輻射，一年地球可獲得電磁輻射，一年地球可獲得5.510的的24 方方j(luò)的能量。認(rèn)為太陽輻射能是地面的能量。認(rèn)為太陽輻射能是地面和大氣的唯一能量來源。和大氣的唯一能量來源。v溫度表示物體的冷熱程度，是物體分子平溫度表示物體的冷熱程度，是物體分子平均動能的反應(yīng)。均動能的反應(yīng)。v對其加熱時(shí)，空氣分子運(yùn)動速度加快，同對其加熱時(shí)，空氣分子運(yùn)動速度加快，同時(shí)也將運(yùn)動更遠(yuǎn)的距離，結(jié)果是空氣的密時(shí)也將運(yùn)動更遠(yuǎn)的距離，結(jié)果是空氣的密度減小。相反，如果將這塊空氣冷卻，分度減小。相反，如果將這塊空氣冷卻，分子運(yùn)動速度減慢，分子之間也更加接近，子運(yùn)動速度減慢，分子之間也更加接近，從而使

2、空氣密度增大。從而使空氣密度增大。v暖空氣密度小、冷空氣密度大的特性暖空氣密度小、冷空氣密度大的特性 。一一 潛熱潛熱v水的相變水的相變v相變過程所需要的熱能稱為潛熱相變過程所需要的熱能稱為潛熱v潛熱，潛熱，“固定固定”、溫度不變、溫度不變v融化、蒸發(fā)、升華過程使環(huán)境空氣溫度下融化、蒸發(fā)、升華過程使環(huán)境空氣溫度下降。降。v凝結(jié)、凍結(jié)、凝華過程使環(huán)境空氣溫度升凝結(jié)、凍結(jié)、凝華過程使環(huán)境空氣溫度升高。高。v在在1個(gè)大氣壓個(gè)大氣壓0的情況下，的情況下，1千克質(zhì)量的冰千克質(zhì)量的冰轉(zhuǎn)變成同溫度的水，要吸收轉(zhuǎn)變成同溫度的水，要吸收79.6千卡的熱千卡的熱量。量。v升華熱在數(shù)值上與熔解熱和汽化熱之和相升華熱

3、在數(shù)值上與熔解熱和汽化熱之和相等等 。v潛熱是大氣能量的重要來源之一。潛熱是大氣能量的重要來源之一。二二 傳導(dǎo)傳導(dǎo)v以物質(zhì)作為介質(zhì)的以物質(zhì)作為介質(zhì)的熱量傳遞方式稱為熱量傳遞方式稱為傳導(dǎo)。傳導(dǎo)。v物質(zhì)熱傳導(dǎo)率物質(zhì)熱傳導(dǎo)率(w/m. )v表表 物質(zhì)的熱傳導(dǎo)率物質(zhì)的熱傳導(dǎo)率雪雪0.63砂巖砂巖2.6濕土壤濕土壤2.1花崗巖花崗巖2.7冰冰2.1鐵鐵80靜止空氣靜止空氣0.023干土壤干土壤0.25木材木材銀0.08427水水0.60三，對流三，對流v通過流體（如水和空氣）的運(yùn)動進(jìn)行的熱通過流體（如水和空氣）的運(yùn)動進(jìn)行的熱量傳遞方式稱為對流。量傳遞方式稱為對流。v通過空氣的水平運(yùn)動產(chǎn)生的空氣屬性的輸通

4、過空氣的水平運(yùn)動產(chǎn)生的空氣屬性的輸送被稱為平流。送被稱為平流。四，輻射四，輻射v下面一些重要的事實(shí)和規(guī)律需要我們首先下面一些重要的事實(shí)和規(guī)律需要我們首先掌握：掌握：v 1所有物體（溫度大于絕對零度），無所有物體（溫度大于絕對零度），無論其大小如何，都向外發(fā)出輻射。論其大小如何，都向外發(fā)出輻射。v 2一個(gè)物體發(fā)出輻射的波長主要取決于一個(gè)物體發(fā)出輻射的波長主要取決于它的溫度。物體溫度越高，發(fā)出輻射的波它的溫度。物體溫度越高，發(fā)出輻射的波長越短。同樣道理，物體溫度越高，發(fā)出長越短。同樣道理，物體溫度越高，發(fā)出的輻射能最大值所對應(yīng)的波長也越短。這的輻射能最大值所對應(yīng)的波長也越短。這個(gè)輻射波長與溫度的關(guān)

5、系稱維恩定律（或個(gè)輻射波長與溫度的關(guān)系稱維恩定律（或維恩位移定律）：維恩位移定律）：v maxt=2897( umk)v3面積相同的高溫物體與低溫面積相同的高溫物體與低溫物體相比，在相同時(shí)間內(nèi)發(fā)射的物體相比，在相同時(shí)間內(nèi)發(fā)射的總輻射能更多。對同一物體來說，總輻射能更多。對同一物體來說，隨著其溫度升高，單位時(shí)間內(nèi)也隨著其溫度升高，單位時(shí)間內(nèi)也將向外界發(fā)射更多的總輻射能。將向外界發(fā)射更多的總輻射能。這種物體發(fā)射的總輻射能與溫度這種物體發(fā)射的總輻射能與溫度的關(guān)系，稱為斯蒂芬玻爾茲曼的關(guān)系，稱為斯蒂芬玻爾茲曼定律定律v式中式中= 5.67xl0-8 wm-2k-4，稱為斯蒂芬玻爾茲曼常數(shù)。稱為斯蒂芬玻

6、爾茲曼常數(shù)。4te太陽輻射太陽輻射 3.2大氣的吸收、發(fā)射與溫室效應(yīng)大氣的吸收、發(fā)射與溫室效應(yīng)v物體吸收和釋放的能量相等時(shí)，其溫度保持物體吸收和釋放的能量相等時(shí)，其溫度保持不變。不變。v黑體：物體完全吸收體，又是完全發(fā)射體。黑體：物體完全吸收體，又是完全發(fā)射體。v灰體灰體v地球吸收太陽輻射和發(fā)射長波輻射的速率相地球吸收太陽輻射和發(fā)射長波輻射的速率相等，輻射平衡溫度保持不變。地球相應(yīng)的輻等，輻射平衡溫度保持不變。地球相應(yīng)的輻射平衡溫度約為射平衡溫度約為255k（-18），而地球表），而地球表面平均溫度面平均溫度(288k，15)。？。？一，大氣的選擇性吸收與溫室效應(yīng)一，大氣的選擇性吸收與溫室效應(yīng)

7、v水汽水汽(h20)和二氧化碳和二氧化碳(c02)強(qiáng)烈吸收紅外強(qiáng)烈吸收紅外輻射，但很少吸收太陽輻射中的可見光部輻射，但很少吸收太陽輻射中的可見光部分。大氣中吸收相對較弱的選擇性吸收氣分。大氣中吸收相對較弱的選擇性吸收氣體還有一氧化二氮體還有一氧化二氮(n20)、甲烷、甲烷(ch4)和臭和臭氧氧(03，主要存在于平流層，主要存在于平流層)等，它們在大氣等，它們在大氣中的含量遠(yuǎn)小于水汽和二氧化碳。中的含量遠(yuǎn)小于水汽和二氧化碳。v增大空氣的平均動能，結(jié)果使得氣溫增高。增大空氣的平均動能，結(jié)果使得氣溫增高。地球表面發(fā)射的大部分紅外輻射被用于低地球表面發(fā)射的大部分紅外輻射被用于低層大氣的增暖層大氣的增暖

8、。圖圖 大氣的吸收譜（引自大氣的吸收譜（引自millermiller，19661966） 圖圖1 大氣層外和海平面上的太陽輻射通量與大氣層外和海平面上的太陽輻射通量與6000k黑體輻射的比黑體輻射的比 v水汽和二氧化碳除了選擇性吸收之外，同水汽和二氧化碳除了選擇性吸收之外，同時(shí)選擇性地向各個(gè)方向發(fā)射紅外輻射，其時(shí)選擇性地向各個(gè)方向發(fā)射紅外輻射，其中一部分朝向地球的輻射可能到達(dá)地球表中一部分朝向地球的輻射可能到達(dá)地球表面并被吸收，從而使地表溫度升高。同時(shí)面并被吸收，從而使地表溫度升高。同時(shí)地表向上發(fā)射的紅外輻射又被低層大氣吸地表向上發(fā)射的紅外輻射又被低層大氣吸收，使近地層大氣增溫。收，使近地層大

9、氣增溫。v大氣的垂直結(jié)構(gòu)。大氣的垂直結(jié)構(gòu)。v“溫室效應(yīng)溫室效應(yīng)”、大氣效應(yīng)、大氣溫室效應(yīng)。、大氣效應(yīng)、大氣溫室效應(yīng)。v8至至11微米，大氣窗口。微米，大氣窗口。v當(dāng)有云存在時(shí)，關(guān)閉了大氣窗口。當(dāng)有云存在時(shí)，關(guān)閉了大氣窗口。v云的存在往往使夜間溫度升高而白天溫云的存在往往使夜間溫度升高而白天溫度降低。度降低。v使地球表面的溫度保持在一個(gè)適宜的水使地球表面的溫度保持在一個(gè)適宜的水平平。二，溫室效應(yīng)的增強(qiáng)二，溫室效應(yīng)的增強(qiáng)v基本上達(dá)成共識，認(rèn)為過去基本上達(dá)成共識，認(rèn)為過去100年來地球表面氣年來地球表面氣溫大約升高了溫大約升高了0.60c。v全球變暖的主要原因是化石燃料燃燒和森林砍伐全球變暖的主要原

10、因是化石燃料燃燒和森林砍伐導(dǎo)致二氧化碳這一溫室氣體濃度的不斷升高。然導(dǎo)致二氧化碳這一溫室氣體濃度的不斷升高。然而，其他一些溫室氣體而，其他一些溫室氣體(如甲烷如甲烷(ch4)，氧化亞氮，氧化亞氮(n20)氯氟烴化合物氯氟烴化合物(cfc)等）的濃度在近年來也等）的濃度在近年來也在不斷升高，這些氣體共同產(chǎn)生的溫室效應(yīng)也相在不斷升高，這些氣體共同產(chǎn)生的溫室效應(yīng)也相當(dāng)可觀。當(dāng)可觀。vch4和和n20能強(qiáng)烈吸收紅外輻射，氯氟烴化合物能強(qiáng)烈吸收紅外輻射，氯氟烴化合物中的中的cfc-12能吸收能吸收811微米大氣窗區(qū)的輻射。微米大氣窗區(qū)的輻射。從對紅外輻射的吸收能力來看，大氣中一個(gè)從對紅外輻射的吸收能力來

11、看，大氣中一個(gè)cfc-12分子的作用相當(dāng)于大氣中增加了分子的作用相當(dāng)于大氣中增加了1萬個(gè)二氧化萬個(gè)二氧化碳分子。碳分子。v總體而言，水汽在大氣溫室效應(yīng)中起到約總體而言，水汽在大氣溫室效應(yīng)中起到約60%的作用，二氧化碳的作用約占的作用，二氧化碳的作用約占26%，其他溫室氣體的作用約占其他溫室氣體的作用約占14%。v水汽的反饋水汽的反饋v云、海洋的反饋云、海洋的反饋( ipcc ar4, 2007 ) 2005年二氧化碳濃度遠(yuǎn)超過近65萬年以來的自然變化（180-330ppm），其在近十年的增長速率為每年1.9ppm，高于有連續(xù)直接觀測以來的平均每年1.4ppm。 2005年甲烷濃度遠(yuǎn)超過近65萬

12、年以來的自然變化（320-790ppb），自20世紀(jì)90年代以來，其增長速率已下降。 2005年氧化亞氮濃度為319ppb，遠(yuǎn)高于工業(yè)化前的約270ppb，其增長速率自1980年以來已大致穩(wěn)定。濃度濃度coco2 2(ppmv)(ppmv)溫度距平溫度距平( () )年距今年距今人類活人類活動擾動動擾動目前的目前的coco2 2濃度是濃度是4242萬年來的最大值。萬年來的最大值。8383萬年來，仍是最大值萬年來，仍是最大值南極東方站（南極東方站（vostokvostok）測量的）測量的大氣大氣coco2 2濃度變化濃度變化（ipcc，2001）工業(yè)化（工業(yè)化（1750年）以來，大氣中溫室氣體明

13、顯增加。年）以來，大氣中溫室氣體明顯增加。年100012001400160018002000280300320340360濃度(ppmv)co2南極南極law domelaw dome冰芯資料顯示的近冰芯資料顯示的近10001000年大氣年大氣coco2 2濃度濃度（ipcc，2001）年夏威夷夏威夷mauna loamauna loa觀象臺觀象臺測量的大氣測量的大氣coco2 2濃度變化濃度變化38031032033034035036037019601970198019902000濃度co2(ppmv)20032003年年5 5月已達(dá)到月已達(dá)到379ppmv (379ppmv (百萬分之一體

14、積百萬分之一體積) )。coco2 2濃度濃度20062006年已達(dá)到年已達(dá)到382.49ppmv382.49ppmv。過去。過去1010年中大氣年中大氣coco2 2濃度以濃度以1.8ppmv/1.8ppmv/年年 的速率增長，而的速率增長，而過去過去5050年平均僅為年平均僅為1ppmv/1ppmv/年。年。（ipcc，2001）中國氣象局瓦里關(guān)全球大氣本底站大氣co2濃度測量結(jié)果co2濃度濃度2006年已高達(dá)年已高達(dá)384.65ppmv。年增長率。年增長率1.77ppmvbaseline station at waliguan, west china(cams/cma)瓦里關(guān)和manna

15、 loa的甲烷測量比較2006年ch4濃度上線：瓦里關(guān)：1861.06ppb，年增長率：4.25ppb/yr。 下線：mauna loa ：1809.05ppb，年增長率：3.74ppb/yr。(cams/cma)1979-2005年地表（上左），對流層（上右）線性全球溫度趨勢分布。下圖是年全球平均溫度曲線（點(diǎn)）。紅線是線性趨勢（1850-2005）。儀器觀測頭70年（1850-1919）到最近5年（2001-2005）的溫度變化為0.780.18(ipcc,ar4,2007)平流層下部對流層中上部對流層下部地表ipcc ar4大氣氣溫各層的變化2004年5月28日全球同步放映美國大片后天后天

16、劇情：研究氣候變化的科學(xué)家哈爾教劇情：研究氣候變化的科學(xué)家哈爾教授，他根據(jù)觀測和研究古氣候的規(guī)律，授，他根據(jù)觀測和研究古氣候的規(guī)律，提出提出嚴(yán)重的溫室效應(yīng)將造成氣溫劇降，嚴(yán)重的溫室效應(yīng)將造成氣溫劇降，地球?qū)⒃俅芜M(jìn)入冰河世紀(jì)地球?qū)⒃俅芜M(jìn)入冰河世紀(jì)的假設(shè)。結(jié)的假設(shè)。結(jié)果，這個(gè)預(yù)言變成了現(xiàn)實(shí)，龍卷風(fēng)、果，這個(gè)預(yù)言變成了現(xiàn)實(shí)，龍卷風(fēng)、海嘯和暴風(fēng)雪接踵而至，人類陷入了海嘯和暴風(fēng)雪接踵而至，人類陷入了一場空前的末日浩劫。一場空前的末日浩劫。 2004年5月28日全球同步放映美國大片后天該片的科學(xué)依據(jù)是有一天由于氣候變暖，使溫鹽環(huán)流關(guān)閉。三，地面加熱空氣三，地面加熱空氣v太陽輻射向下傳輸時(shí)受大氣的影響較小，

17、到達(dá)地太陽輻射向下傳輸時(shí)受大氣的影響較小，到達(dá)地面后首先加熱地面。面后首先加熱地面。v傳導(dǎo)從地面獲得能量并向上運(yùn)動。傳導(dǎo)從地面獲得能量并向上運(yùn)動。v地面以上幾厘米厚的貼地氣層。地面以上幾厘米厚的貼地氣層。v暖空氣上升和冷空氣下沉形成熱泡，對流將熱量暖空氣上升和冷空氣下沉形成熱泡，對流將熱量向上傳遞到較高的高度。向上傳遞到較高的高度。v水汽凝結(jié)為云滴，并釋放出潛熱使空氣溫度升高。水汽凝結(jié)為云滴，并釋放出潛熱使空氣溫度升高。v與此同時(shí)，地球持續(xù)地向上發(fā)射紅外輻射，一部與此同時(shí)，地球持續(xù)地向上發(fā)射紅外輻射，一部分被溫室氣體（如水汽、二氧化碳等）吸收分被溫室氣體（如水汽、二氧化碳等）吸收v低層大氣的增

18、溫是從地面開始的。低層大氣的增溫是從地面開始的。3.3太陽輻射與地球能量平衡太陽輻射與地球能量平衡v一，散射與反射一，散射與反射v太陽常數(shù)取為太陽常數(shù)取為1367w/m2v太陽輻射進(jìn)入大氣層后將與大氣發(fā)生多種相互作太陽輻射進(jìn)入大氣層后將與大氣發(fā)生多種相互作用。用。v吸收、散射。吸收、散射。v由于空氣分子的大小遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于可見光的波長，它由于空氣分子的大小遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于可見光的波長，它們散射波長較短的輻射（如藍(lán)光）遠(yuǎn)比散射波長們散射波長較短的輻射（如藍(lán)光）遠(yuǎn)比散射波長較長的輻射（如紅光）更有效。較長的輻射（如紅光）更有效。v天空是藍(lán)色的。天空是藍(lán)色的。v正午太陽顏色就接近白色。正午太陽顏色就接近白色。v在日出和日落時(shí)，看到的太陽呈紅、黃色。在日出和日落時(shí)，看到的太陽呈紅、黃色。有選擇性有選擇性 當(dāng)太陽輻射在大氣中遇到空氣分子或微小塵埃當(dāng)太陽輻射