大氣的熱能和溫度

大氣的熱能和溫度第1頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四第一節(jié)太陽輻射

據(jù)計算，一年中整個地球可以由太陽獲得5.44×1024J的熱量。這是地面和大氣最主要的能量來源。而來自宇宙其他星體的輻射能僅及來自太陽的輻射能的億分之一。從地球內(nèi)部傳送到地面上的熱量，也僅及來自太陽的輻射能的萬分之一，這和來自太陽的輻射能比較起來，都是極其微小的。

第2頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四一、輻射的基本知識

(一)什么是輻射

自然界中的一切物體都以電磁波的形式時刻不停地向外傳送能量，這種傳遞能量的方式稱為輻射。以輻射的方式向四周輸送的能量稱輻射能，有時簡稱為輻射。

電磁波的波長：

電磁波的波長范圍很廣，從波長為10-10微米的宇宙射線，到波長達(dá)幾公里的無線電波。肉眼看得見的是從0.4—0.76微米的波長，這部分稱為可見光。

第3頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四

可見光經(jīng)三棱鏡分光后，成為一條由紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫等各種顏色組成的光帶，其中紅光波長最長，紫光波長最短。其他各色光的波長則依次介于其間。波長長于紅色光波的，有紅外線和無線電波；波長短于紫色光波的，有紫外線，X射線、丫射線等，這些射線雖然不能為肉眼看見，但是用儀器可以測量出來(圖2-1)。第4頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四氣象學(xué)著重研究的是太陽、地球和大氣的熱輻射，它們的波長范圍大約在0.15—120μ之間。在氣象學(xué)中，通常以焦耳(J)作為輻射能的單位。在平行光輻射的特殊情況下，輻射強度與輻射通量密度的關(guān)系為：

I=E/cosθ式中θ為輻射體表面的法線方向與選定方向間的夾角。在單位時間內(nèi)，通過垂直于選定方向上的單位面積，單位立體角內(nèi)的輻射能，稱為輻射強度。常以符號I表示。第5頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四

(二)物體對輻射的吸收、反射和透射

不論何種物體，在它向外放出輻射的同時，必然會接受到周圍物體向它投射過來的輻射，但是，投射到物體上的輻射并不能全部為它所吸收，因為一部分被它反射，還有一部分可能透過物體。第6頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四設(shè)投射到物體上的總輻射能為Qo；被吸收的為Qa；被反射的為Qr；透過的為Qd。根據(jù)能量守恒原理：

Qa+Qr+Qd=Qo將上式等號兩邊除以Qo，得：P23(第5行)變換得：

a+r+d=1a、r、d都是0-1之間變化的無量綱量，分別表示物體對輻射吸收、反射和透射的能力。第7頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四

物體的吸收率、反射率和透射率大小隨著輻射的波長和物體的性質(zhì)而改變(選擇性)。例如，干潔空氣對紅外線是近似透明的，而水汽對紅外線卻能強烈地吸收；雪面對太陽輻射的反射率很大，但對地面和大氣的輻射則幾乎能全部吸收。

如果有某種物體對各種不同波長輻射的吸收率都等于1，也就是說，投射于其上的輻射能全部被吸收，這種物體稱為黑體。黑體是理想的輻射體，實際上在自然界中并不存在真正的黑體，但是為了研究方便，在一定條件下(例如在一定的波長范圍內(nèi))，可以把某些物體近似地看成為黑體。第8頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四

(三)有關(guān)輻射的基本定律

1.基爾荷夫(Kirchhoff)定律：某溫度、某波長的一個物體的輻射強度與其吸收率之比等于同溫度、同波長的黑體輻射強度，即：Iλt=kλt·Iλtb

(1)對所有物體來說，輻射強度只是某λ與t的函數(shù)(2)在一定波長、一定溫度下一個物體的吸收率等于該物體同溫度同波長的放射率。黑體吸收能力最強，所以它也是最好的放射體。(3)同一物體在溫度一定時，放射輻射的波長等于其吸收輻射的波長第9頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四2.斯蒂芬(Stefan)—玻耳茲曼(Boltz—man)定律：

由實驗得知，物體的放射能力是隨溫度、波長而改變的。圖2-3是根據(jù)實測數(shù)據(jù)繪出的溫度為300K、250K和200K時黑體的放射能力隨波長的變化。

第10頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四3.維恩(Wein)位移定律：

由上圖還可看出，黑體單色輻射極大值所對應(yīng)的波長(λm)是隨溫度的升高而逐漸向波長較短的方向移動的。根據(jù)研究，黑體單色輻射強度極大值所對應(yīng)的波長與其絕對溫度成反比，即：

λmT=C(2—13)

常數(shù)C=2896微米·度

(2—13)式表明，物體的溫度愈高，其單色輻射極大值所對應(yīng)的波長愈短；反之，物體的溫度愈低，其輻射的波長愈長。第11頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四二、太陽輻射

(一)太陽輻射光譜和太陽常數(shù)以T=6000K時，根據(jù)黑體輻射公式計算的黑體光譜能量分布曲線(圖中虛線)相比較，非常相似。

第12頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四太陽是一個熾熱的氣體球，它的表面溫度約為6000K，內(nèi)部溫度更高。根據(jù)維恩定律可以算出太陽輻射最強的波長m為0.475微米。這個波長是在可見光范圍內(nèi)相當(dāng)于青光部分，因此，太陽輻射主要是可見光線(0.4—0.76微米)，也有不可見的紅外線(＞0.7611微米)和紫外線(＜0.411微米)，但在數(shù)量上不如可見光多。在全部輻射能之中，波長在0.15—4微米之間占99％以上，且主要分布在可見光區(qū)和紅外區(qū)，前者占太陽輻射總能量的50％，后者占43％，紫外區(qū)的，太陽輻射能很少，只占總能量的7％。太陽常數(shù)：在大氣上界垂直于太陽光線的一平方厘米的面積，一分鐘內(nèi)獲得的太陽輻射能量。

多次衛(wèi)星測得：1367(±7)W／M2

世界氣象組織采用：1367W2／M2

第13頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四(二)太陽輻射在大氣中的減弱

太陽輻射先通過大氣圈，然后到達(dá)地表，由于大氣對太陽輻射有一定的吸收、散射和反射作用，使投射到大氣上界的太陽輻射不能完全到達(dá)地面，所以在地球表面所呈現(xiàn)的太陽輻射強度比1367W/m2小。第14頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四曲線1是大氣上界太陽輻射光譜；曲線2是臭氧層下的太陽輻射光譜；曲線3是同時考慮到分子散射作用的光譜；曲線4是進(jìn)一步考慮到粗粒散射作用后的光譜；曲線5是將水汽吸收作用也考慮在內(nèi)的光譜，它也可近似地看成是地面所觀測到的太陽輻射光譜。第15頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四產(chǎn)生這些變化的原因有以下幾方面：

1.大氣對太陽輻射的吸收：太陽輻射穿過大氣層時，大氣中某些成分具有選擇吸收一定波長輻射能的特性。大氣中吸收太陽輻射的成分主要有水汽、氧、臭氧、二氧化碳及固體雜質(zhì)等。太陽輻射被大氣吸收后變成了熱能，因而使太陽輻射減弱。1.1水汽雖然在可見光區(qū)和紅外區(qū)都有不少吸收帶，但吸收最強的是在紅外區(qū)據(jù)估計，太陽輻射因水汽的吸收可以減弱4—15％。所以大氣因直接吸收太陽輻射而引起的增溫并不顯著。第16頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四1.2

臭氧在大氣中含量雖少，但是對太陽輻射能量的吸收很強。在0.2-0.3微米為一強的吸收帶，使得小于0.29微米的輻射由于臭氧的吸收而不能到達(dá)地面。在0.6微米附近又有一寬的吸收帶，吸收能力雖然不強，但因位于太陽輻射最強烈的輻射帶里，所以吸收的太陽輻射量是相當(dāng)多的。

1.3二氧化碳對太陽輻射的吸收總的說來是比較弱的，僅對紅外區(qū)4.3微米附近的輻射吸收較強，但這一區(qū)域的太陽輻射很微弱，被吸收后對整個太陽輻射的影響不大。此外，懸浮在大氣中的水滴、塵埃等雜質(zhì)，也能吸收一部分太陽輻射，但其量甚微。只有當(dāng)大氣中塵埃等雜質(zhì)很多時，吸收才比較顯著。第17頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四由以上分析可知：大氣對太陽輻射的吸收具有選擇性，因而使穿過大氣后的太陽輻射光譜變得極不規(guī)則。由于大氣中主要吸收物質(zhì)(臭氧和水汽)對太陽輻射的吸收帶都位于太陽輻射光譜兩端能量較小的區(qū)域，因而吸收對太陽輻射的減弱作用不大。也就是說，大氣直接吸收的太陽輻射并不多，特別是對于對流層大氣來說，太陽輻射不是主要的直接熱源。第18頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四2.大氣對太陽輻射的散射：太陽輻射通過大氣遇到空氣分子、塵粒、云滴等質(zhì)點時，都要發(fā)生散射。但散射并不像吸收那樣把輻射轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，，而只是改變輻射的方向，使太陽輻射以質(zhì)點為中心向四面八方傳播開來。因而經(jīng)過散射之后，有一部分太陽輻射就到不了地面。大氣對太陽輻射的散射兩種形式:⑴分子散射，也叫蕾利散射。如果太陽輻射遇到的是直徑比波長小的空氣分子，則輻射的波長愈短，散射得愈強。第19頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四散射能力與波長的對比關(guān)系是：對于一定大小的分子來說，散射能力和波長的四次方成反比，這種散射是有選擇性的，稱為分子散射。

Iλ＝C/λ4

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⑵粗粒散射，也稱為漫射

粗粒散射為非對稱的形式，向射入光方向伸長。散射質(zhì)點愈大，這種偏對稱的程度更加增大。如果太陽輻射遇到的直徑比波長大一些的質(zhì)點，輻射雖然也要被散射，但這種散射是沒有選擇性的，即輻射的各種波長都同樣地被散射。例如，當(dāng)空氣中存在較多的塵?；蜢F粒，一定范圍的長短波都被同樣的散射，使天空呈灰白色。

第21頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四3.大氣的云層和塵埃對太陽輻射的反射：大氣中云層和較大顆粒的塵埃能將太陽輻射中一部分能量反射到宇宙空間去。其中云的反射作用最為顯著，太陽輻射遇到云時能反射太陽輻射的一部分或大部分。反射光呈白色。云的反射能力隨云狀和云的厚度而有很大的不同，高云反射率約為25％，中云為50％，低云為65％，稀薄的云層也可反射10—20％。隨著云層增厚反射增強，厚云層反射可達(dá)90％，一般情況下云的平均反射率為50—55％，第22頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四在上述三種方式中，以反射作用最為重要，散射作用次之，吸收作用最小。以全球平均狀況而言，太陽輻射約有31％因反射和散射回宇宙空間，24％被大氣直接吸收，45％到達(dá)地面。第23頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四(三)到達(dá)地面的太陽輻射

到達(dá)地面的太陽輻射有兩部分：一是太陽以平行光線的形式直接投射到地面上的，稱為太陽直接輻射；一是經(jīng)過散射后自天空投射到地面的，稱為散射輻射，兩者之和稱為總輻射。第24頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四1.直接輻射：太陽直接輻射的強弱和許多因子有關(guān)，其中最主要的有兩個，即太陽高度角和大氣透明度。太陽高度角不同時，地表面單位面積上所獲得的太陽輻射也就不同。這有兩方面的原因：第25頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四在地面為標(biāo)準(zhǔn)氣壓(1013hpa)時，太陽光垂直投射到地面所經(jīng)路程中單位截面積的空氣柱內(nèi)的質(zhì)量，一般稱為一個大氣質(zhì)量。m＝oc/oa＝1/cosh1＝1/sinh2(h2＝0,本式不成立)

第26頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四太陽輻射透過大氣層后的減弱與大氣透明系數(shù)和通過大氣質(zhì)量之間的關(guān)系，可用布格(BOuguer)公式表示：

I=I0pm(2-17)式中，I為到達(dá)地面的太陽輻射強度；I0為太陽常數(shù)；p為空氣透明系數(shù)；m為大氣質(zhì)量數(shù)。從上式可以看出，如果大氣透明系數(shù)一定，大氣質(zhì)量數(shù)以等差級數(shù)增加，則透過大氣層到達(dá)地面的太陽輻射，以等比級數(shù)減小。在一天當(dāng)中，日出、日沒時太陽高度最小，直接輻射最弱；中午太陽高度角最大，直接輻射最強。在一年當(dāng)中，直接輻射在夏季最強，冬季最弱。以緯度而言，低緯度地區(qū)一年各季太陽高度角都很大，地表面得到的直接輻射比中、高緯度地區(qū)大得多。第27頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四2.散射輻射散射輻射的強弱也和太陽高度角及大氣透明度有關(guān)。太陽高度角增大時，到達(dá)近地面層的直接輻射增強，散射輻射也就相應(yīng)地增強；相反，太陽高度角減小時，散射輻射也弱。大氣透明度不好時，參與散射作用的質(zhì)點增多，散射輻射增強；反之，減弱。云也能強烈地增大散射輻射。3.總輻射

在分析了直接輻射和散射輻射的情況以后，就能比較容易地了解總輻射的變化情況。日出以前，地面上總輻射的收入不多，其中只有散射輻射；日出以后，隨著太陽高度的升高，太陽直接輻射和散射輻射逐漸增加。但前者增加得較快，即散射輻射在總輻射中所占的成分逐漸減小；當(dāng)太陽高度升到約等于8°時，太陽直接輻射與散射輻射相等；當(dāng)太陽高度為50°時，散射輻射值僅相當(dāng)總輻射的10—20％；到中午時太陽直接輻射與散射輻射強度均達(dá)到最大值；中午以后二者又按相反的次序變化。云的影響可以使這種變化規(guī)律受到破壞。第28頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四在一年中總輻射強度(指月平均值)在夏季最大，冬季最小?？傒椛潆S緯度的分布一般是緯度愈低，總輻射愈大；反之就愈小。據(jù)研究，我國輻射年總量最高地區(qū)在西藏，為212—252W／m2；青海、新疆和黃河流域次之，而長江流域與大部分華南地區(qū)則反而減少，為119.4—159.2W／m2

。這是因為西北、華北地區(qū)晴朗干燥的天氣較多，總輻射也較大，長江中、下游云量多，總輻射較小，西藏海拔高度大，總輻射量也大。第29頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四(四)地面對太陽輻射的反射

投射到地面的太陽輻射，一部分被地面所反射。地表對太陽輻射的反射率，決定于地表面的性質(zhì)和狀態(tài)。陸地表面對太陽輻射的反射率約為10—30％。其中深色土比淺色土反射能力小，粗糙土比平滑土反射能力小，潮濕土比干燥土反射能力小。雪面的反射率很大，約為60％，潔白的雪面甚至可達(dá)90％?？偟恼f來水面比陸面反射率稍小一些。即使總輻射的強度一樣，不同性質(zhì)的地表真正得到的太陽輻射，仍然可以有很大的差異，這也是地表溫度分布不均勻的重要原因之一。第30頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四第二節(jié)地面輻射和大氣輻射太陽輻射雖然是地球上的主要能源，但因為大氣本身對太陽輻射直接吸收很少，而水、，陸、植被等地球表面(又稱下墊面)卻能大量吸收太陽輻射，并經(jīng)轉(zhuǎn)化供給大氣，從這個意義來說，下墊面是大氣的直接能源。為此，在研究大氣的熱狀況時，必須了解地面和大氣之間交換熱量的方式及地—氣系統(tǒng)的輻射差額。第31頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四一、地面、大氣的輻射和地面有效輻射(一)地面和大氣輻射

1.輻射能量：Eg=$&T4（Ea=$&T4)

式中：Eg為地表面的輻射能量;δ為地表面的相對輻射率。如地面溫度為15℃，以δ=0.9，則可算得：

Eg＝0.9×5.67×10-8×（288）4＝346.7W/㎡2.長波輻射當(dāng)?shù)孛鏈囟葹?5℃，根據(jù)維恩定律可算得：

?m=C/T=2896/288=10um

即該溫度下地面最強的輻射能位于波長10um左右的光譜范圍中第32頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四地面大氣輻射為長波輻射？地面平均溫度約為300K（≈10μm），對流層的大氣平均溫度約250K（≈15μm），其輻射最大的波長在10—15μm范圍內(nèi)。因為地氣系統(tǒng)熱輻射中95％以上的能量集中在3—120μm的波長范圍內(nèi)，所以我們把地面和大氣的輻射稱為長波輻射。第33頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四(二)地氣長波輻射特點1.大氣對長波輻射的吸收大氣對長波輻射的吸收非常強烈，吸收作用不僅與吸收物質(zhì)及其分布有關(guān)，而且還與大氣溫度、壓強等有關(guān)。大氣中水汽、液態(tài)水、二氧化碳和臭氧對長波輻射的吸收起重要作用，他們對長波輻射具有選擇性。(大氣窗口)第34頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四2.大氣中長波輻射的特點（長短波傳輸區(qū)別？）第一，太陽輻射中的直接輻射是作為定向的平行輻射進(jìn)入大氣的，而地面和大氣輻射是漫射輻射；第二，太陽輻射過程中不考慮大氣短波輻射影響，因其極其微弱。長波輻射在大氣中傳播時，不僅要考慮大氣對長波輻射的吸收，而且還要考慮大氣本身的長波輻射；第三，長波輻射在大氣中傳播時，可以不考慮散射作用。因為

r﹥φ(長波輻射的波長大于氣體分子和塵粒的尺度，散射作用非常弱)第35頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四(三)大氣逆輻射與地面有效輻射

1.大氣逆輻射與大氣保溫效應(yīng)大氣逆輻射：大氣輻射指向地面的部分。大氣的保溫效應(yīng)（花房效應(yīng)、溫室效應(yīng)）：由于大氣逆輻射的存在，使地面實際損失的能量比它以長波輻射的能量要少一些，這種現(xiàn)象就叫……。2.地面有效輻射

地面放射的輻射（Eg）與地面吸收的大氣輻射（δEa）之差稱為地面有效輻射，以F0表示。

F0=Eg－δEa(1)常為正值（2）影響因子（3）日變化和年變化，

第36頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四二、地面及地--氣系統(tǒng)的輻射差額輻射差額（R）＝收入輻射－支出輻射

（一）地面的輻射差額：Rg=(Q+q)(1-a)-F0

式中：Rg為地面輻射差額；

(Q+q)是到達(dá)地面的太陽總輻射，即太陽直接輻射和散射輻射之和；

a為地面對總輻射的反射率；

(1-a)即為地面的吸收率；

F0為地面的有效輻射。第37頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四第38頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四第三節(jié)大氣的增溫和冷卻一、海陸的增溫和冷卻的差異差異：大氣的熱能主要來自地面，而地面情況有很大的差別。不同的地面情況，對大氣的增溫和冷卻有不同的影響。海洋和陸地、高山和深谷、高原和平原、林地和草地、濕區(qū)和干區(qū)，對大氣的增溫和冷卻的影響有很大差異，其中海洋和陸地的差異最大。第39頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四原因：1、在同樣的太陽輻射強度之下，海洋所吸收的太陽能多于陸地所吸收的太陽能，這是因為陸面對太陽光的反射率大于水面。平均而論，陸面和水面的反射率之差約為10—20％。換句話說，同樣條件下的水面吸收的太陽能比陸面吸收的太陽能多10—20％。2、陸地所吸收的太陽能分布在很薄的表面上，而海水所吸收的太陽能分布在較厚的層次。這是因為陸地表面的巖石和土壤對于各種波長的太陽輻射都是不透明的，而水除了對紅色光線和紅外線可以說是不透明的外，對于紫外線和波長較短的可見光線來說，卻是相當(dāng)透明的。第40頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四3、陸地所得太陽能主要依靠傳導(dǎo)向地下傳播，而水還有其他更有效的方式，包括波浪、洋流和對流作用。這些作用使得水的熱能發(fā)生垂直的和水平的交換。因此，陸面所得太陽輻射集中于表面，一薄層，以致表面急劇增溫，也就加強了陸面和大氣之間的顯熱交換；反之，水面所得太陽輻射分布在較厚的一個層次，以致水溫不易增高，也就相對地減弱了水面和大氣之間的顯熱交換。砂所得的太陽輻射，傳給空氣的約占半數(shù)，而水所得的太陽輻射，傳給空氣的不過0.5％。第41頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四4、海面有充分水源供應(yīng)，以致蒸發(fā)量較大，失熱較多，也使得水溫不容易升高。而且，空氣因水分蒸發(fā)而有較多的水汽，以致空氣本身有較大的吸收地面輻射的能力，也就使得氣溫不易降低。陸地上的情況則正好相反。5、海面有充分水源供應(yīng)，以致蒸發(fā)量較大，失熱較多，也使得水溫不容易升高。而且，空氣因水分蒸發(fā)而有較多的水汽，以致空氣本身有較大的吸收地面輻射的能力，也就使得氣溫不易降低。陸地上的情況則正好相反。6、巖石和土壤的比熱小于水的比熱。以上差異造成的結(jié)果：海陸熱力過程的特點是互不相同的。大陸受熱快，冷卻也快，溫度升降變化大；而海洋上溫度則變化緩慢，如大洋中年最高最低氣溫的出現(xiàn)要比大陸延遲一兩個月。

第42頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四二、空氣的增熱和冷卻空氣的冷熱程度只是一種現(xiàn)象，它實質(zhì)上是空氣內(nèi)能大小的表現(xiàn)?？諝鈨?nèi)能變化有兩種情況：一是由于空氣與外界有熱量交換而引起的，稱為非絕熱變化；二是由于外界壓力的變化使空氣膨脹或壓縮而引起的，空氣與外界沒有熱量交換，稱為絕熱變化。

(一)氣溫的非絕熱變化

1.傳導(dǎo)：就是依靠分子的熱運動將熱能從一個分子傳遞給另一分子，而分子本身并沒有因此發(fā)生位置的變化。空氣與地面之間，空氣團(tuán)與空氣團(tuán)之間，當(dāng)有溫度差異時，就會因為傳導(dǎo)作用而交換熱量。第43頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四2.輻射：物體之間不停地以輻射方式交換著熱量。大氣主要依靠吸收地面的長波輻射而增熱，同時，地面也吸收大氣放出的長波輻射，這樣它們之間就通過長波輻射的方式不停地交換著熱量?？諝鈭F(tuán)之間，也可以通過長波輻射而交換熱量。

3.對流：當(dāng)暖而輕的空氣上升時，周圍冷而重的空氣便下降來補充，這種升降運動，稱為對流。通過對流、上下層空氣互相混合，熱量也就隨之得到交換。使低層的熱量傳遞到較高的層次，這是對流層中的熱量交換的重要方式。4.湍流：空氣的不規(guī)則運動稱為湍流，又稱亂流。湍流是空氣層相互之間發(fā)生摩擦或空氣流過粗糙不平的地面時產(chǎn)生的。有湍流時，相鄰空氣團(tuán)之間發(fā)生混合，熱量也就得到了交換。湍流是摩擦層中熱量交換的重要方式。

第44頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四5.蒸發(fā)(升華)和凝結(jié)(凝華)：水在蒸發(fā)(或冰在升華)時要吸收熱量；相反，水汽在凝結(jié)(或凝華)時，又會放出潛熱。如果蒸發(fā)(升華)的水汽，不是在原處凝結(jié)(凝華)，而是被帶到別處去凝結(jié)(凝華)，就會使熱量得到傳送。例如，從地面蒸發(fā)的水汽，在空中發(fā)生凝結(jié)時，就把地面的熱量傳給了空氣。因此，通過蒸發(fā)(升華)和凝結(jié)(凝華)，也能使地面和大氣之間，空氣團(tuán)與空氣團(tuán)之間發(fā)生潛熱交換。由于大氣中的水汽王要集中在5公里以下的氣層中，所以這種熱量交換主要在對流層下半層起作用。第45頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四(二)氣溫的絕熱變化1.絕熱過程與泊松方程：大氣中所進(jìn)行的各種過程，通常伴有不同形式的能量轉(zhuǎn)換。在能量轉(zhuǎn)換過程中，空氣的狀態(tài)要發(fā)生改變。在氣象學(xué)上，任一氣塊與外界之間無熱量交換時的狀態(tài)變化過程，叫做絕熱過程。在大氣中，作垂直運動的氣塊，其狀態(tài)變化通常接近于絕熱過程。當(dāng)升、降氣塊內(nèi)部既沒有發(fā)生水相變化，又沒有與外界交換熱量的過程，稱作干絕熱過程。

第46頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四2.干絕熱直減率和濕絕熱直減率γd≈1℃/100mγm=γd+l/cp+dqs/dz(2.41)3.位溫和假相當(dāng)位溫

Θ＝T(1000/p)0.286第47頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四第四節(jié)大氣溫度隨時間的變化一、氣溫的周期性變化

(一)氣溫的日變化氣溫日變化的一般特點是：一天當(dāng)中有一個最高值，和一個最低值，最高值出現(xiàn)在午后兩點鐘左右，最低值出現(xiàn)在清晨日出前后。氣溫日較差:指一天當(dāng)中氣溫的最高值和最低值之差。它的大小反映了氣溫日變化的程度。第48頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四第49頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四變化規(guī)律：氣溫日較差的大小和緯度、季節(jié)、地表面性質(zhì)及天氣情況等有密切關(guān)系。各地太陽幅射日較差的大小，直接決定于正午太陽高度，而正午太陽高度因緯度和季節(jié)而不同。1、低緯地區(qū)有較大的平均正午太陽高度，因而有較大的平均太陽輻射的日較差和氣溫日較差；高緯地區(qū)則反之。據(jù)統(tǒng)計，低緯度地區(qū)的氣溫日較差平均為12℃；中緯度地區(qū)為7—9℃；高緯度地區(qū)為3—4℃。第50頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四2、夏季有較大的正午太陽高度，因而有較大的太陽輻射的日較差和氣溫日較差：冬季反之。這一季節(jié)變化以中緯度地區(qū)最顯著，因為中緯度地區(qū)，太陽輻射強度日變化夏季比冬季大得多，”所以氣溫日較差也是夏季大于冬季。3、低緯度地區(qū)由于太陽輻射強度的日變化隨季節(jié)變化很小，氣溫日較差隨季節(jié)變化也很小。極地區(qū)域由于冬季有極夜，夏季有極晝，太陽輻射強度的日變化隨季節(jié)的變化不大，氣溫日較差隨季節(jié)的變化也不大。4、地表面性質(zhì)的不同包括海陸、地勢、植被等的不同。就海陸的不同來說，氣溫日較差海洋小于陸地，第51頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四由此可見，在任何地點，每一天的氣溫日變化，既有它一定的規(guī)律性，又不是前一天氣溫日變化的簡單重復(fù)，而是要考慮到上述諸因素的綜合影響。(二)氣溫的年變化氣溫的年變化和日變化在某些方面有著共同的特點，如地球上絕大部分地區(qū)，在一年中月平均氣溫有一個最高值和一個最低值。由于地面儲存熱量的原因，使氣溫最高和最低值出現(xiàn)的時間，不是太陽輻射最強和最弱的一天(北半球夏至和冬至)，也不是太陽輻射最強和最弱一天所在的月份(北半球6月和l…2月)，而是比這一天要落后1—2個月。第52頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四就北半球來說，中、高緯度內(nèi)陸的氣溫以7月為最高，1月為最低；海洋上的氣溫以8月為最高，2月為最低。氣溫年較差：一年中月平均氣溫的最高值與最低值之差。氣溫年較差的大小與緯度、海陸分布等因素有關(guān)。赤道附近，晝夜長短幾乎相等，最熱月和最冷月熱量收支相差不大，氣溫年較差很小；愈到高緯度地區(qū)，冬夏區(qū)分明顯，氣溫的年較差就很大。例如我國的西沙群島(16°50，N)氣溫年較差只有6℃，上海(31°N)為25℃，海拉爾(49°13，N)達(dá)到46.7℃。第53頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四二、氣溫的非周期性變化氣溫的變化還時刻受著大氣運動的影響，所以有些時候，氣溫的實際變化情形，并不像上述周期性變化那樣簡單。例如3月以后，我國江南正是春暖花開的時節(jié)，就常常因為冷空氣的活動有突然轉(zhuǎn)冷的現(xiàn)象。秋季，正是秋高氣爽的時候，往往也會因為暖空氣的來臨而突然回暖。這種非周期性變化.

思考：非周期的重要性如何？

第54頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四第五節(jié)大氣溫度的空間分布一、氣溫的水平分布?xì)鉁氐姆植纪ǔＳ玫葴鼐€圖表示。所謂等溫線就是通過地面上氣溫相等各地的連線。等溫線的不同排列表示不同的氣溫分布特點，如等溫線稀疏，則各地氣溫相差不大；等溫線密集，表示各地氣溫懸殊；等溫線平直，表示影響氣溫分布的因素較少；等溫線的彎曲，表示影響氣溫分布的因素較多；等溫線的東西方向，表示溫度因緯度而不同，即以緯度為主要因素；等溫線和海岸平行，表示氣溫因距海遠(yuǎn)近而不同，即以距海遠(yuǎn)近為主要因素等等。第55頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四第56頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四第57頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四

影響氣溫分布的主要因素：緯度、海陸和高度

為了消除高度影響，在繪制等溫線圖時，常把溫度值訂正到同一高度即海平面上，以便消除高度的因素，把緯度、海陸及其他因素更明顯地表現(xiàn)出來。氣溫分布圖：通常以1月代表北半球的冬季和南半球的夏季，7月代表北半球的夏季和南半球的冬季對冬季和夏季地球表面平均溫度分布的特征，可作如下分析：第58頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四

1、在南北半球的平均氣溫分布圖上，明顯地看出，赤道地區(qū)氣溫高，向兩極逐漸降低，這是一個基本特征。在北半球，等溫線7月比1月稀疏。這說明北半球1月南北溫度差大于7月南北溫度差，這是因為1月太陽直射點位于南半球，北半球的高緯度地區(qū)不僅正午太陽高度較低，而且白晝較短；而北半球低緯地區(qū)，不僅正午太陽高度較高，而且白晝較長，因此1月北半球南北溫差較大。7月太陽直射點位于北半球，高緯地區(qū)有較低的正午太陽高度和較長的白晝，低緯地區(qū)有較高的正午太陽高度和較短的白晝，以致7月北半球南北溫差較小。

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2、冬季北半球的等溫線在大陸上大致凸向赤道，在海洋上大致凸向極地，夏季相反。這是因為在同一緯度上，冬季大陸溫度比海洋溫度低，夏季比海洋溫度高的緣故。南半球因陸地面積較小，海洋面積較大，因此等溫線較平直，遇有陸地的地方，等溫線也發(fā)生與北半球相類似的彎曲情況。海陸對氣溫的影響，通過大規(guī)模洋流和氣團(tuán)的熱量傳輸才顯得更為清楚。例如最突出的暖洋流和暖氣團(tuán)是墨西哥灣暖洋流和其上面的暖氣團(tuán)，使位于60°N以北的挪威、瑞典1月平均氣溫達(dá)0-15℃，比同緯度的亞洲及北美洲東岸氣溫高10—15℃。盛行西風(fēng)的40°N處，在歐亞大陸靠近第60頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四大西洋海岸，由于海洋影響，1月平均氣溫在15℃以上；在亞洲東岸受陸上冷氣團(tuán)的影響，1月平均氣溫在-5℃以下。大陸東西岸1月份同緯度平均氣溫竟相差20℃以上。在北緯40度處的北美洲西岸1月平均氣溫靠近10℃，在東面大西洋海岸僅為0℃，相差亦達(dá)10℃。至于冷洋流對氣溫分布的影響，在南美洲和非洲西岸也是明顯的。此外，高大山脈能阻止冷空氣的流動，也能影響氣溫的分布。例如，我國的青藏高原、北美的洛磯山、歐洲的阿爾卑斯山均能阻止冷空氣不向南而向東流動。第61頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四3、最高溫度帶并不位于理想赤道上，冬季在5°一10°N處，夏季移到20°N左右。這一帶平均溫度1月和7月均高于24℃，故稱為熱赤道。熱赤道的位置從冬季到夏季有向北移的現(xiàn)象，因為這個時期太陽直射點的位置北移，同時北半球有廣大的陸地，使氣溫強烈受熱的緣故。

第62頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四

4、南半球不論冬夏，最低溫度都出現(xiàn)在南極。北半球僅夏季最低溫度出現(xiàn)在極地附近，而冬季最冷地區(qū)出現(xiàn)在東部西伯利亞和格陵蘭地區(qū)。根據(jù)現(xiàn)有記錄，世界上絕對最低氣溫出現(xiàn)在東西伯利亞的維爾霍揚斯克和奧伊米亞康，分別為-69.8℃和-73℃，1962年在南極記錄到新的世界最低氣溫為-90℃。世界絕對最高氣溫出現(xiàn)在索馬里境內(nèi)，為63℃。

第63頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四二、對流層中氣溫的垂直分布

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在對流層中，總的情況是氣溫隨高度而降低，整個對流層的氣溫直減率平均為0.65℃／100米。實際上，在對流層內(nèi)務(wù)高度的氣溫垂直變化是因時因地而不同的。對流層的中層和上層受地表的影響較小，氣溫直減率的變化比下層小得多。在中層氣溫直減率平均為0.5—0.6℃／100米，上層平均為0.65—0.75℃／100米。第64頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四對流層下層(由地面至2公里)的氣溫直減率平均為0.3—0.4℃／100米。但由于氣層受地面增熱和冷卻的影響很大，氣溫直減率隨地面性質(zhì)，季節(jié)、晝夜和天氣條件的變化亦很大。但在一定條件下，對流層中也會出現(xiàn)氣溫隨高度增高而升高的逆溫現(xiàn)象。造成逆溫的條件是，地面輻射冷卻、空氣平流冷卻、空氣下沉增溫、空氣湍流混合等。但無論那種條件造成的逆溫，都對天氣有一定的影響。例如，它可以阻礙空氣垂直運動的發(fā)展，使大量煙、塵、水汽凝結(jié)物聚集在它的下面，使能見度變壞等等。下面分別討論各種逆溫的形成過程。

第65頁，共76頁，2023年，2月20日，星期四(一)輻射逆溫由于地面強烈輻射冷卻而形成的逆溫，稱為輻射逆溫。圖2-33中a為輻射逆溫形成前的氣溫垂直分布情形；在晴朗無云或少云的夜間，地面很快輻射冷卻，貼近地面的氣層也隨之降溫。由于空氣愈靠近地面，受地表的影響愈大，所以，離地面愈近，降溫愈多；離地面愈遠(yuǎn)，降溫愈少，因而形成了自地面開始的逆溫(