章大氣基本物理過(guò)程

2023/12/291第三章

大氣基本物理過(guò)程2023/12/2928節(jié)，6學(xué)時(shí)第一節(jié)大氣中雷電現(xiàn)象及過(guò)程第二節(jié)太陽(yáng)的短波輻射第三節(jié)地球大氣的輻射與傳輸?shù)谒墓?jié)地球大氣的輻射收支第五節(jié)大氣中的相變過(guò)程與雨、霧、雪和冰雹第六節(jié)大氣熱力學(xué)第七節(jié)大氣中絕熱過(guò)程與位溫第八節(jié)大氣中靜力平衡與靜力穩(wěn)定度2023/12/293大氣科學(xué)是研究地球大氣狀態(tài)的演變和發(fā)生在大氣中的各種動(dòng)力、物理和化學(xué)現(xiàn)象、過(guò)程及其機(jī)理。大氣物理學(xué)是研究發(fā)生在大氣中的各種物理現(xiàn)象、過(guò)程及其機(jī)理的科學(xué)。其研究對(duì)象包括：大氣的組成、成分與物理結(jié)構(gòu)水的相變與云霧降水的形成輻射能的吸收、放射、傳輸及其轉(zhuǎn)換過(guò)程、能量交換大氣中的聲、光、電現(xiàn)象2023/12/294第一節(jié)

大氣中雷電現(xiàn)象及過(guò)程2023/12/295一、大氣中的雷電現(xiàn)象雷電由雷聲與閃電組成雷電是主要的自然災(zāi)害：影響航天、航空、通訊毀壞建筑、電設(shè)備致人傷亡。2023/12/2962008年9月20日到26日四川共發(fā)生雷電閃擊近12萬(wàn)次

四川在線消息：四川省氣象臺(tái)發(fā)布近期雷電氣象統(tǒng)計(jì)信息。22日晚到26日盆地西部出現(xiàn)了強(qiáng)雷暴和持續(xù)性暴雨天氣過(guò)程，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、局地強(qiáng)度大。20日到26日，全省共發(fā)生雷電閃擊118611次，創(chuàng)我省有雷電監(jiān)測(cè)資料以來(lái)最高紀(jì)錄。上圖24日凌晨，成都再度遭遇強(qiáng)雷暴天氣

閃電在云與地表之間發(fā)生，稱為云地閃（下圖）。在云中發(fā)生，稱為云內(nèi)閃。2023/12/299(一)“云地閃”過(guò)程又稱天地閃，破壞力大。分四個(gè)階段：梯級(jí)先導(dǎo)第1次回返閃電直竄先導(dǎo)第2次回返閃擊2023/12/2910云地閃的形成與演變過(guò)程圖梯級(jí)先導(dǎo)第1次回閃直竄先導(dǎo)第2次回閃2023/12/2911云地閃的形成當(dāng)雷雨云移到某處時(shí)，云的中下部是強(qiáng)大負(fù)電荷中心，云底相對(duì)的下墊面變成正電荷中心，在云底與地面間形成強(qiáng)大電場(chǎng)。在電荷越積越多，電場(chǎng)越來(lái)越強(qiáng)的情況下，云底首先出現(xiàn)大氣被強(qiáng)烈電離的一段氣柱，稱梯級(jí)先導(dǎo)。這種電離氣柱逐級(jí)向地面延伸，每級(jí)梯級(jí)先導(dǎo)是直徑約5米、長(zhǎng)50米、電流約100安培的暗淡光柱，它以平均約150000米/秒的高速度一級(jí)一級(jí)地伸向地面，在離地面5─50米左右時(shí)，地面便突然向上回?fù)?，回?fù)舻耐ǖ朗菑牡孛娴皆频?，沿著上述梯?jí)先導(dǎo)開辟出的電離通道。2023/12/2912云地閃的形成回?fù)粢?萬(wàn)公里/秒的更高速度從地面馳向云底，發(fā)出光亮無(wú)比的光柱，歷時(shí)40微秒，通過(guò)電流超過(guò)1萬(wàn)安培，這即第一次回閃。相隔幾秒之后，從云中一根暗淡光柱，攜帶巨大電流，沿第一次閃擊的路徑飛馳向地面，稱直竄先導(dǎo)，當(dāng)它離地面5─50米左右時(shí)，地面再向上回?fù)簦傩纬晒饬翢o(wú)比光柱，這即第二次回閃。接著又類似第二次那樣產(chǎn)生第三、四次閃擊。通常由3─4次閃擊構(gòu)成一次閃電過(guò)程。2023/12/2913(二)“云內(nèi)閃”過(guò)程雷暴云內(nèi)部的閃電表現(xiàn)為云內(nèi)移動(dòng)的火花或先導(dǎo)在云中正、負(fù)電荷區(qū)之間活動(dòng)產(chǎn)生暗淡而連續(xù)的光2023/12/2914(三)雷聲發(fā)生原因：閃電通道中的空氣因放電而猛烈升溫，氣壓猛升，閃電通道很快向周圍大膨脹，產(chǎn)生猛烈的沖擊波，其中一部分大振幅的聲波，這就是雷聲。雷聲總是伴隨著閃電而發(fā)生但先看到閃電，后聽到雷聲因?yàn)楣獠ū嚷暡▊鞑タ旃饷棵肽茏?0公里，而聲音只能走340米。一般25km外就聽不到雷聲了2023/12/2915(三)雷聲美國(guó)富蘭克林1752年的風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)雷暴帶電雷的本質(zhì)就是電近代觀測(cè)，云中強(qiáng)烈起電現(xiàn)象常出現(xiàn)于霰或雹等強(qiáng)烈降水過(guò)程起電理論熱電效應(yīng)起電感應(yīng)起電2023/12/2916二、雷電的產(chǎn)生原因

(一)熱電效應(yīng)這種起電理論是基于冰的熱電效應(yīng)對(duì)冰條一端加熱——〉溫度差水分子分解正負(fù)離子及差異（熱的一端離子多）離子濃度不均，產(chǎn)生遷移正離子遷移率大，負(fù)離子幾乎不遷移溫度低的一端+電荷，溫度高的一端-電荷形成一個(gè)電位差2023/12/2917(二)雷暴云熱電效應(yīng)的起電機(jī)制（兩種）1．第1種起電機(jī)制含冰塊和霰粒的混合云水滴、冰晶與冰塊相碰過(guò)冷水滴釋放潛熱，雹塊升溫冰晶帶正電，雹塊帶負(fù)電雹塊下降，冰晶上升雷暴云上部正電荷，下部負(fù)電荷形成強(qiáng)的電位差2023/12/2918(二)雷暴云熱電效應(yīng)的起電機(jī)制（兩種）2.第2種起電機(jī)制假設(shè)有過(guò)冷卻水滴與雹塊相碰表面結(jié)成的冰殼就向水滴內(nèi)部增厚，冰殼內(nèi)表面與水相接，溫度為0度，而冰殼外部低于0度，冰殼內(nèi)外形成溫度梯度，冰殼的外表帶正電從冰殼外表飛出的小冰屑帶正電，而冰塊帶負(fù)電小冰屑上升，冰塊下落從而也形成了強(qiáng)的電位差。2023/12/2919

(三)雷暴云的感應(yīng)起電機(jī)制云質(zhì)粒與降水質(zhì)粒受到極化，極化的結(jié)果使它們下半部帶正電，上半部帶負(fù)電。當(dāng)云質(zhì)粒與向下落的降水質(zhì)粒下部相碰時(shí)，云質(zhì)粒的負(fù)電荷會(huì)傳到降水質(zhì)粒上，若云質(zhì)粒從降水質(zhì)粒彈開來(lái)則帶負(fù)電的降水質(zhì)粒向下運(yùn)動(dòng)，而帶正電荷的云質(zhì)粒隨上升氣流向上運(yùn)動(dòng)這就會(huì)使雷暴云中上部帶正電，而下部帶負(fù)電，從而產(chǎn)生雷暴云的電位差。2023/12/2920三、雷電的防護(hù)

(一)避雷針技術(shù)裝置避雷針是避免雷擊的有效方法。在房屋最高處豎一金屬棒，棒下端連一條足夠粗的銅線，銅線下端連一塊金屬板埋入地下深處潮濕處。金屬棒的上端是一個(gè)尖頭或分叉為幾個(gè)尖頭當(dāng)空中有帶電的云時(shí)，避雷針的尖端因靜電感應(yīng)就集中了異種電荷，發(fā)生尖端放電，與云內(nèi)的電相中和，避免發(fā)生激烈的雷電，這就是避雷針能避雷的一方面。但這種作用頗慢，如果云中積電很快，或一塊帶有大量電荷的云突然飛來(lái)，有時(shí)來(lái)不及按上述方式中和，于是有強(qiáng)烈的放電，雷電仍會(huì)發(fā)生。由于避雷針高過(guò)周圍物體，它的尖端又集中了與云中電異號(hào)的電荷，如果雷電是在云和地面物之間發(fā)生，放電電流主要通過(guò)避雷針流入大地因此，不會(huì)打在房屋或附近人的身上，只會(huì)打在避雷針上了。由此可見，避雷針的尖端放電作用會(huì)減少地面物與云之間打雷的可能性；到了不可避免時(shí)，它自己就負(fù)擔(dān)了雷的打擊，房屋與人得到了安全。北京展覽館埃菲爾鐵塔

應(yīng)縣塔美國(guó)國(guó)會(huì)大廈2023/12/2922

(一)避雷針技術(shù)由于避雷針的構(gòu)造和作用，我們要特別注意保持避雷針的良好導(dǎo)電性。一旦有一處聯(lián)接不好，或斷了，斷口以上的一段就成為一個(gè)隔離的導(dǎo)電系統(tǒng)。如果放電，強(qiáng)大的放電電流只能通過(guò)建筑物放出大量熱量，于是引起雷擊。這樣不但不能避雷，反而還招來(lái)雷禍。為防意外，高大建筑物最好豎起幾條避雷針。另外，每一又避雷針只能保護(hù)一定的建筑面積，對(duì)于較大的建筑物也需要豎起幾條避雷針。2023/12/2923人的閃電防護(hù)雷鳴電閃時(shí)在室外的人，為防雷擊，應(yīng)當(dāng)遵從四條原則。一是人體應(yīng)盡量降低自己，以免作為凸出尖端而被閃電直接擊中。二是人體與地面的接觸面要盡量縮小以防止因“跨步電壓”造成傷害。所謂跨步電壓是雷擊點(diǎn)附近，兩點(diǎn)間很大的電位差，若人的兩腳分得很開，分別接觸相距遠(yuǎn)的兩點(diǎn)，則兩腳間便形成較大的電位差，有強(qiáng)電流通過(guò)人體使人受傷害。第三是不可到孤立大樹下和無(wú)避雷裝置的高大建筑體附近，不可手持金屬體高舉頭頂。第四是不要進(jìn)水中，因水體導(dǎo)電好，易遭雷擊?？傊?，應(yīng)當(dāng)?shù)捷^低處，雙腳合攏地站立或蹲下，以減少遭遇雷的機(jī)會(huì)。雷電期間在室內(nèi)者，不要靠近窗戶、盡可能遠(yuǎn)離電燈、電話、室外天線的引線等；在沒(méi)有避雷裝置的建筑物內(nèi)，應(yīng)避免接觸煙囪、自來(lái)水管、暖氣管道、鋼柱等。2023/12/29242023/12/2925

(二)雷電定位技術(shù)（閃電定位）近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的雷電防護(hù)技術(shù)之一，它可以提供雷擊點(diǎn)的精確地理位置及時(shí)間演變特征使電站、電網(wǎng)和通訊設(shè)備的設(shè)計(jì)，避開多雷擊發(fā)生處為航天、航空服務(wù)發(fā)現(xiàn)森林的雷擊處，預(yù)防森林火災(zāi)具有重要的應(yīng)用價(jià)值。2023/12/2926閃電定位儀

探測(cè)閃電發(fā)生的強(qiáng)度、方向、頻率及其變化的儀器。2023/12/2927

(三)人工引雷技術(shù)20世紀(jì)70年代末以來(lái)，用火箭拖帶接地的細(xì)金屬導(dǎo)線對(duì)雷電進(jìn)行人工引發(fā)，它可以使人們能夠在一個(gè)可以控制的環(huán)境中研究雷電的物理過(guò)程及其雷電與建筑物、目標(biāo)物的相互作用。人工引雷的實(shí)質(zhì)是在雷暴強(qiáng)電場(chǎng)作用下，火箭和細(xì)導(dǎo)線尖端處上行電荷的激發(fā)和傳播并導(dǎo)致云中電荷的對(duì)地釋放，這與一般目標(biāo)物受雷擊的物理過(guò)程是一樣的此技術(shù)可用來(lái)研究雷電危害的機(jī)理和檢驗(yàn)各種避雷裝備的防雷性能。在軍事、能源利用上前景廣闊。人工防雷技術(shù)的實(shí)驗(yàn)廣泛在法、美、日和我國(guó)進(jìn)行。中國(guó)科學(xué)院寒旱所（蘭州）在這方面已有很多實(shí)驗(yàn)結(jié)果。2023/12/2928(四)消雷裝置從20世紀(jì)70年代以來(lái)，世界各地發(fā)明了各種消雷裝置如美國(guó)的消散陣系統(tǒng)英國(guó)的雷電抑制器我國(guó)的半導(dǎo)體長(zhǎng)針消雷器。這些裝置雖可以大大減少建筑物或電訊設(shè)備遭受雷擊的危害，但迄今有些設(shè)計(jì)的原理還不十分清楚?？傊?，雷電的危害大，物理機(jī)制復(fù)雜，防雷技術(shù)不完美，還需進(jìn)一步深入研究。氣象業(yè)務(wù)的多軌道——雷電視頻：閃電2023/12/2929第二節(jié)太陽(yáng)的短波輻射2023/12/2930地球大氣的能量幾乎全部來(lái)自太陽(yáng)。太陽(yáng)不斷地向地球大氣和地表面發(fā)射電此磁波由于太陽(yáng)輻射99％以波長(zhǎng)小于4μm的電磁波輻射，故又稱短波輻射。太陽(yáng)輻射經(jīng)過(guò)大氣要被散射、吸收，并被地表面反射，其過(guò)程是很復(fù)雜的。2023/12/2931一、有關(guān)輻射的幾個(gè)定律

(一)發(fā)射能力和吸收能力從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在單位時(shí)間內(nèi)從某一物體單位面積上向各個(gè)方向所發(fā)射的頻率范圍內(nèi)的輻射能量可寫成：E是頻率和溫度的函數(shù)，稱為該物體在溫度T時(shí)發(fā)射頻率為ν(讀nu)的輻射能量的發(fā)射能力。此外，當(dāng)一定量的輻射照射在某物體表面時(shí)，其中一部分會(huì)被該物體吸收，其余部分則被反射或散射，或透過(guò)物體。我們將物體吸收到的輻射與照射到的輻射總量之比稱為吸收能力，記為A。同樣，A也是輻射的頻率和物體的溫度的函數(shù)。2023/12/2932(二)基爾霍夫輻射定律輻射與熱平衡假定一物體與其他物體之間只能通過(guò)輻射和吸收來(lái)交換能量，當(dāng)該物體發(fā)出的輻射能量比吸收的能量多時(shí)，它的溫度就會(huì)下降，這時(shí)輻射就會(huì)減弱；反之，當(dāng)發(fā)射的輻射能量比吸收的能量少時(shí)，溫度就會(huì)上升，輻射就會(huì)增強(qiáng)。如果這一系統(tǒng)是封閉的，則經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，物體之間就會(huì)建立起熱平衡狀態(tài)，此時(shí)各物體在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的輻射能量正好等于吸收的能量因而，在熱平衡狀態(tài)下，輻射能力較強(qiáng)的物體，其吸收能力也就較強(qiáng)；反之，輻射能力較弱的物體，其吸收能力也較弱。2023/12/2933(二)基爾霍夫輻射定律對(duì)地球大氣，基爾霍夫定律都是成立的。只要?dú)怏w分子碰撞頻率與吸收和發(fā)射的頻率相比是較大的，那么基爾霍夫定律就適用于該種氣體。而在地球大氣中，一直到60km高度（包括對(duì)流層和平流層），這個(gè)條件都是滿足的，因而基爾霍夫定律是適用的。2023/12/2934(三)普朗克黑體輻射定律也簡(jiǎn)稱作普朗克定律或黑體輻射定律根據(jù)黑體的定義，黑體它吸收所有波長(zhǎng)的輻射，即吸收能力為1，又能發(fā)射所有波長(zhǎng)的電磁波根據(jù)基爾霍夫定律，黑體的發(fā)射能力完全由它的溫度和輻射頻率所決定。黑體所發(fā)射的單色輻射強(qiáng)度可寫成：德國(guó)物理學(xué)家馬克斯·普朗克2023/12/2935(三)普朗克黑體輻射定律即普朗克定律（1901年）是用于描述在任意溫度T下，從一個(gè)黑體中發(fā)射的電磁輻射的輻射率與電磁輻射的頻率的關(guān)系公式。電磁波波長(zhǎng)和頻率的關(guān)系為：λ=c/νh=6.626×10-34J·s稱為普朗克常數(shù)k=1.38×10-23J/K稱為玻爾茲曼常數(shù)c=3.0×108m/s為光速溫度為T時(shí)，波長(zhǎng)λ發(fā)射的輻射能量2023/12/2936(四)斯蒂芬-波爾茲曼定律將上述普朗克定律在所有頻率范圍內(nèi)積分，可得到黑體的輻射通量如右式即斯蒂芬－玻爾茲曼定律說(shuō)明黑體輻射只與物體的溫度有關(guān)黑體的輻射能力與其絕對(duì)溫度的四次方成正比放射體的溫度越高，放射的能量就越大σ＝5.67032×10-8W/m2·K4σ(sigma)稱為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)2023/12/2937(五)維恩位移定律由普朗克定律（黑體的發(fā)射能力完全由它的溫度和輻射頻率[波長(zhǎng)]所決定）得知，最大輻射強(qiáng)度的波長(zhǎng)λm滿足下式

λmT=bb=2.8978×10-3m·K，是一常數(shù)上式就是維恩位移定律。它表明：當(dāng)黑體的溫度增高時(shí)，最大輻射強(qiáng)度向短波方向移動(dòng)。當(dāng)黑體溫度不高時(shí)，輻射能量主要集中在長(zhǎng)波區(qū)域；溫度較高時(shí)，輻射能量的主要部分在短波區(qū)域。2023/12/2938(五)維恩位移定律溫度高于絕對(duì)溫度為零度的物體都向外放射輻射，即電磁波。放射體的溫度越高，放射的能量就越大（斯蒂芬-波爾茲曼定律），并且放射能量最大的波長(zhǎng)也縮短（維恩位移定律）。因而，實(shí)際上，不僅是太陽(yáng)和地球，所有的物體都發(fā)射電磁波?？梢姽獾牟ㄩL(zhǎng)范圍：0.35~0.7μm2023/12/2939輻射規(guī)律大致可以歸納為下列四點(diǎn)：(1)所有物體不論其溫度如何，都向外放射輻射能。高溫的太陽(yáng)和地球都在不停地向外輻射能量。(2)溫度較高的物體單位面積放射的總能量，要比溫度低的物體放射多。如太陽(yáng)表面溫度為6000°K，而地球表面的平均溫度為288°K，因而，太陽(yáng)表面單位面積上放射的能量要比地球表面放射的能量大幾百萬(wàn)倍。(3)物體溫度愈高，其放射的最大輻射的波長(zhǎng)愈短；反之，物體的溫度愈低，其放射的最大輻射波長(zhǎng)愈長(zhǎng)。例如，太陽(yáng)放射的最大輻射波長(zhǎng)0.5微米，而地球放射的最大輻射波長(zhǎng)為10微米。(4)輻射能力強(qiáng)的物體，其吸收輻射的能力也強(qiáng)；反之，輻射能力弱的物體，吸收能力也弱。黑體吸收能力最強(qiáng)，放射能力也最強(qiáng)。地球和太陽(yáng)，對(duì)于它們各自的溫度而言，都是吸收和放射能力很強(qiáng)的物體，可看作是近似黑體。而地球大氣則是選擇性的吸收和輻射體。對(duì)于某種確定波長(zhǎng)的輻射可讓其透過(guò)(即不吸收)；對(duì)于另外波長(zhǎng)的輻射，則近乎不透明的(即吸收很強(qiáng))。2023/12/2940無(wú)線電波——波長(zhǎng)從幾千米到0.3米左右，一般的電視和無(wú)線電廣播的波段就是用這種波；微波——波長(zhǎng)從0.3米到10-3米，這些波多用在雷達(dá)或其它通訊系統(tǒng)；紅外線——波長(zhǎng)從10-3米到7.8×10-7米；可見光——這是人們所能感光的極狹窄的一個(gè)波段。波長(zhǎng)從（78～3.8）×10-6厘米。紫外線——波長(zhǎng)從3×10-7米到6×10-10米。X射線（倫琴射線）——波長(zhǎng)從2×10-9米到6×10-12米。γ射線——是波長(zhǎng)從10-10～10-14米的電磁波。2023/12/2941二、太陽(yáng)輻射太陽(yáng)輻射，大部分能量分布在波長(zhǎng)0.2～4μm的范圍內(nèi)，在0.5μm處輻射最強(qiáng)，其中大約有一半集中在可見光區(qū)域地球所發(fā)出的電磁波是紅外線，其波長(zhǎng)范圍為4～100μm可將輻射能量分成二種類型：太陽(yáng)的短波輻射和地球的長(zhǎng)波輻射。太陽(yáng)（左圖）和地球（右圖）所產(chǎn)生的黑體輻射2023/12/2942(一)太陽(yáng)輻射常數(shù)多年的觀測(cè)表明，太陽(yáng)輻射的強(qiáng)度沒(méi)有很大的變化，因而，可以引入太陽(yáng)常數(shù)的概念。定義：在日地平均距離處，與輻射方向成垂直的單位面積上，在單位時(shí)間內(nèi)接受的太陽(yáng)輻射量，其值為1.38×103W/m2這個(gè)值是指太陽(yáng)輻射未受到地球大氣的吸收、散射和云反射時(shí)的值。2023/12/2943(二)地球上所接收的太陽(yáng)輻射的變化地球有自轉(zhuǎn)，有公轉(zhuǎn)，因此，地球上所接收的太陽(yáng)輻射不僅有日變化，而且還有季節(jié)變化。太陽(yáng)高度角2023/12/2944(二)地球上所接收的太陽(yáng)輻射的變化若忽略地球大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的散射和吸收，則在地面上單位面積所接收的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度比應(yīng)是

IH＝I0sinαIH是與太陽(yáng)光線垂直相交的單位面積上所接收的太陽(yáng)輻射I0是太陽(yáng)輻射強(qiáng)度2023/12/2945(二)地球上所接收的太陽(yáng)輻射的變化由于地球自轉(zhuǎn)軸與公轉(zhuǎn)軸成66.5°角，這就是說(shuō)，地球的赤道面與它的軌道面成23.5°角。因此，在北半球夏至(6月22日）太陽(yáng)位于北緯23.5°的北回歸線，這就是說(shuō)夏至這一日，位于北回歸線地方正中午時(shí)，太陽(yáng)高度角是90°；相反，在冬至（12月22日），位于南回歸線地方正中午時(shí)，太陽(yáng)高度角是90°。2023/12/2946(二)地球上所接收的太陽(yáng)輻射的變化因此，太陽(yáng)高度角可為下式：

α=90°-φ+δφ為某地所在的緯度δ為赤緯，即太陽(yáng)光線與赤道面上的交角sinα=sinφsinδ+cosδcoshh是時(shí)角因?yàn)榈厍蚶@太陽(yáng)每小時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)15°故地方時(shí)與時(shí)角的關(guān)系為

h=15°×（地方時(shí)-12時(shí)）2023/12/2947(二)地球上所接收的太陽(yáng)輻射的變化sinα=sin(90°-φ+δ)=cos(φ-δ)可以看出：h不同，sinα變化大，地球上所接收的太陽(yáng)輻射隨太陽(yáng)高度角的變化有很大日變化。春、夏、秋、冬其赤緯有很大不同，故sinα就有很大變化，因此，地球上所接收的太陽(yáng)輻射隨季節(jié)有很大變化。地球上所接收的太陽(yáng)輻射隨緯度而變化。由地球上某地點(diǎn)所在的緯度，以及從所要求的某月、某日和某時(shí)便可得知太陽(yáng)高度角，再由（3.2.5）式便可求出該地點(diǎn)某月、某日、某時(shí)大氣上界單位面積所接收的太陽(yáng)輻射量（見圖3.2.3）。緯度赤緯時(shí)角2023/12/2949(三)地球大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收與散射1、地球大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收入射到地球大氣的太陽(yáng)輻射量一部分要被大氣所吸收與散射，一部分透過(guò)大氣層到達(dá)地面而到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射一部分要被地表面反射至大氣這就是說(shuō)，入射太陽(yáng)輻射量等于地面反射的輻射量，大氣吸收的輻射量，透過(guò)氣層的輻射量之和。太陽(yáng)光譜中存在許多的吸收帶和吸收線，其中有些是由于太陽(yáng)大氣的吸收作用，對(duì)這些吸收帶或吸收線進(jìn)行分析，可以知道太陽(yáng)大氣的組成成分。2023/12/2950地氣系統(tǒng)的輻射平衡2023/12/2951(三)地球大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收與散射另外的吸收帶和吸收線則是由于地球大氣的吸收作用，吸收太陽(yáng)輻射的大氣氣體主要成分有臭氧、氮?dú)?、水汽、甲烷等。波長(zhǎng)小于0.3μm的太陽(yáng)輻射（紫外線、X射線）主要被20km以上的臭氧、氧氣和氮?dú)馑眨诖髿獾母邔?，因具有很?qiáng)能量的遠(yuǎn)紫外線和X射線的作用，產(chǎn)生了電離層。在平流層，因氧氣和臭氧的作用，對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收主要在近紫外線區(qū)域。以上的吸收使得在能夠進(jìn)入大氣對(duì)流層的太陽(yáng)輻射中，波長(zhǎng)小于0.3μm的輻射相當(dāng)弱。2023/12/2952(三)地球大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收與散射臭氧是吸收紫外線的主要大氣成分，臭氧層是使地球生物圈免受過(guò)強(qiáng)紫外線傷害的保護(hù)層。電冰箱使用，氟里昂擴(kuò)散，致使臭氧層遭到破壞，并帶來(lái)嚴(yán)重重的環(huán)境問(wèn)題。臭氧的減少會(huì)導(dǎo)致射到地球表面的紫外線增強(qiáng)，從而艱少農(nóng)業(yè)產(chǎn)量，破壞海洋生物鏈，增加人類皮膚癌的發(fā)病率。因此，國(guó)際組織對(duì)臭氧層的保護(hù)給予了廣泛的關(guān)注。2023/12/2953(三)地球大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收與散射2、地球大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的散射在大氣中，光線遇到質(zhì)點(diǎn)或通過(guò)光學(xué)性質(zhì)不均勻的介質(zhì)時(shí)，它會(huì)向各個(gè)方向彌散，這種現(xiàn)象就叫做光的散射。大氣對(duì)輻射的散射取決于輻射電磁波的波長(zhǎng)和散射粒子半徑的大小。一般把小于光的波長(zhǎng)的微粒對(duì)入射太陽(yáng)輻射的散射現(xiàn)象稱為瑞利（Rayleigh）散射。入射輻射的波長(zhǎng)越短，被散射的輻射就越強(qiáng)。2023/12/2954(三)地球大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收與散射3、地表面對(duì)太陽(yáng)輻射的反射經(jīng)過(guò)大氣散射和吸收之后，透過(guò)氣層到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射一部分要被地表面所反射。一般定義出射輻射能與入射輻射能之比稱反射率。遙感技術(shù)在科研領(lǐng)域應(yīng)用以“近10年來(lái)青藏高原景觀格局變化特征分析”為例2023/12/2956第三節(jié)

地球大氣的輻射與傳輸2023/12/2957一、地球的長(zhǎng)波輻射(一)輻射平衡溫度太陽(yáng)輻射被大氣散射、反射和吸收，之后它到達(dá)地球。一部分被地球表面反射到大氣。地球吸收部分太陽(yáng)輻射而增溫；并且，按照基爾霍夫定律，地球?qū)⒁蚤L(zhǎng)波的電磁波向空間輻射而降溫。當(dāng)兩者平衡后，地球溫度就保持不變的狀態(tài)，這個(gè)狀態(tài)下的溫度稱為地球的平衡溫度。2023/12/2958一、地球的長(zhǎng)波輻射從上表可以看出：地球輻射平衡溫度為255K，比金星、火星和本星都高。由于地球大氣的溫室效應(yīng)，表面實(shí)際平均溫度比輻射平衡溫度要高。2023/12/2959一、地球的長(zhǎng)波輻射(二)地球輻射特性——長(zhǎng)波輻射由于地球溫度遠(yuǎn)比太陽(yáng)溫度低，因此，地球輻射的波長(zhǎng)遠(yuǎn)比太陽(yáng)輻射的波長(zhǎng)要長(zhǎng)。如圖，太陽(yáng)輻射在波長(zhǎng)為0.5μm處為最強(qiáng)，而地球輻射則在14μm處為最強(qiáng)，此兩輻射在4μm為交界，可以清楚分辨出兩種不同液長(zhǎng)的輻射，因此，太陽(yáng)輻射稱短波輻射，而地球輻射稱長(zhǎng)波輻射。若以輻射譜線分類，地球輻射屬紅外輻射，而太陽(yáng)輻射大部分在可見光部分。2023/12/2960一、地球的長(zhǎng)波輻射(三)溫室效應(yīng)溫室效應(yīng)，又稱“花房效應(yīng)”，是大氣保溫效應(yīng)的俗稱。大氣能使太陽(yáng)短波輻射到達(dá)地面，但地表向外放出的長(zhǎng)波熱輻射線卻被大氣吸收，這樣就使地表與低層大氣溫度增高，因其作用類似于栽培農(nóng)作物的溫室，故名溫室效應(yīng)。2023/12/2961一、地球的長(zhǎng)波輻射能吸收紅外線的大氣成分被稱做溫室氣體溫室氣體有水汽、二氧化碳、甲烷、氧化亞氮?dú)怏w。這些氣體不吸收太陽(yáng)發(fā)射的短波輻射，使得地球能夠接受到太陽(yáng)輻射能量，但另一方面，這些氣體卻能夠吸收地球發(fā)射的某些長(zhǎng)波長(zhǎng)的紅外線，從而起到溫室效應(yīng)。2023/12/2962一、地球的長(zhǎng)波輻射溫室效應(yīng)有利有弊由于溫室效應(yīng)，地球的溫度從-18.5℃變到15℃，使我們的家園——地球變得溫暖而遣于人類和生物的生存。由環(huán)境污染引起的溫室效應(yīng)是指地球表面變熱的現(xiàn)象。它會(huì)帶來(lái)以下列幾種嚴(yán)重惡果：地球上的病蟲害和傳染疾病增加；海平面上升；氣候反常，海洋風(fēng)暴增多；土地干旱，沙漠化面積增大。

科學(xué)家預(yù)測(cè)：如果地球表面溫度的升高按現(xiàn)在的速度繼續(xù)發(fā)展，到2050年全球溫度將上升2－4攝氏度，南北極地冰山將大幅度融化，導(dǎo)致海平面大大上升，一些島嶼國(guó)家和沿海城市將淹于水中，其中包括幾個(gè)著名的國(guó)際大城市：紐約，上海，東京和悉尼。2023/12/2963二、大氣的輻射傳輸(一)大氣的輻射傳輸先討論理想狀態(tài)下大氣的輻射傳輸問(wèn)題比爾定律關(guān)于輻射強(qiáng)度的單色平行輻射通過(guò)吸收介質(zhì)的一般規(guī)律。假定在某一介質(zhì)中，輻射強(qiáng)度在經(jīng)過(guò)了路徑dS后被該介質(zhì)吸收了dIλ

，則Iλ—輻射強(qiáng)度ρ—

密度（幾種介質(zhì)混合）kλa—該介質(zhì)對(duì)波長(zhǎng)λ輻射的吸收系數(shù)2023/12/2964二、大氣的輻射傳輸對(duì)平行輻射通過(guò)大氣時(shí)產(chǎn)生的散射，也有類似形式的定律。同時(shí)存在吸收和散射時(shí)，可將散數(shù)系數(shù)和吸收系數(shù)加在一起，定為削弱系數(shù)kλ，即2023/12/2965二、大氣的輻射傳輸在實(shí)際大氣中，上述定律的應(yīng)用會(huì)遇到巨大的困難。首先，削弱系數(shù)與波長(zhǎng)有關(guān)，所以無(wú)法直接計(jì)算總的輻射變化，這需要對(duì)所有波長(zhǎng)積分。另外，由于輻射幾乎都不是平行輻射，因而需要對(duì)所有的立體角進(jìn)行積分。最后，云和氣溶膠產(chǎn)生的散射由于粒子的直徑比較大，瑞利定律已經(jīng)不再適用了。當(dāng)對(duì)這種散射進(jìn)行計(jì)算時(shí)，發(fā)現(xiàn)該過(guò)程本身是極其復(fù)雜的，它與粒子的特性密切相關(guān)，然而這些粒子的特性和空間分布又變化無(wú)常，難于測(cè)量。因而，心須采取一系列的近似。2023/12/2966二、大氣的輻射傳輸(二)大氣對(duì)輻射的吸收特性地表面所觀側(cè)的光譜要比在大氣層頂?shù)墓庾V弱大氣所吸收的部分最明顯的是波長(zhǎng)大于0.7μm紅外光譜部分，這有強(qiáng)水汽吸收帶，在波長(zhǎng)2μm，除水汽外，還有CO2大氣對(duì)可見光譜段幾乎不吸收，因此大氣是太陽(yáng)輻射可見光部分之窗。地球大氣頂（上線）與地球表面（下線）所觀測(cè)到的太陽(yáng)輻射光譜2023/12/2967二、大氣的輻射傳輸(三)大氣遙感原理微波大氣遙感利用微波輻射信號(hào)探測(cè)大氣的方法和技術(shù)。飛機(jī)和衛(wèi)星上安裝可以接收地面或大氣射出的各波段輻射能的電磁波接收器（或稱傳感器），從所測(cè)得的輻射能通過(guò)大氣輻射傳輸方程反演求解，從而可以推算出云的分布、溫度的垂直廓線、各種吸收輻射氣體的含量，如水汽和臭氧，并從云可以估算出風(fēng)。分為主動(dòng)式微波大氣遙感和被動(dòng)式微波大氣遙感兩類。作為主動(dòng)式微波大氣遙感的氣象雷達(dá)，從20世紀(jì)40年代起就被應(yīng)用于大氣科學(xué)。被動(dòng)式微波大氣遙感的地面試驗(yàn)，起始于60年代初，獲得了0～10公里左右的大氣溫度分布資料。1972年，被動(dòng)式微波大氣遙感在美國(guó)“雨云”5號(hào)氣象衛(wèi)星上試驗(yàn)成功。1978年美國(guó)發(fā)射的第三代氣象業(yè)務(wù)衛(wèi)星“泰羅斯”N號(hào)，已正式采用被動(dòng)式微波大氣遙感探測(cè)大氣溫度。此外，微波大氣遙感在探測(cè)晴空和有云條件下的海溫、海面風(fēng)、海面上空水汽總含量、云中含水量和降水強(qiáng)度方面的試驗(yàn)，也取得了成功。2023/12/2968第四節(jié)地球大氣的輻射收支2023/12/2969地氣系統(tǒng)的輻射平衡2023/12/2970一、入射太陽(yáng)輻射的收支4％被地表面反射回宇宙空間12％被大氣散射掉。一半（6％）向上返回到宇宙空間，另一半則散射到地表由于大氣有云，入射的太陽(yáng)輻射約有20％被云反射到寧宙空間云吸收掉3%的太陽(yáng)輻射大氣中的水汽、O3和氣溶膠吸收了17％的太陽(yáng)輻射，因此，大氣與云吸收了20％的太陽(yáng)輻射有20％被地球吸收由于云的遮蓋作用，使24%的太陽(yáng)輻射返回地表面地表吸收了50％的太陽(yáng)輻射2023/12/2971二、地球大氣紅外輻射的收支太陽(yáng)短波輻射(100個(gè)單位)氣體（H2O，O3…

）吸收：16云吸收：3散射回至太空：6云反射：20地面反射：4地面吸收：51長(zhǎng)波輻射(進(jìn)入太空的量)地面發(fā)射：21，其中15為氣體吸收，只有6進(jìn)入太空。大氣發(fā)射：38云發(fā)射：26對(duì)大氣而言：吸收=16+3+15=34放射=38+26=642023/12/2972三、輻射的緯向平均分布吸收的太陽(yáng)輻射在經(jīng)向上，即在南北方向上，具有最顯著的變化在赤道地區(qū)，因?yàn)樘?yáng)光直射，地—?dú)庀到y(tǒng)接收更多的輻射而在高緯地區(qū)，因?yàn)殛?yáng)光斜射，并且在高緯地區(qū)冰雪覆蓋的面積大，造成反射率比赤道地區(qū)大得多，所以地—?dú)庀到y(tǒng)吸收的輻射明顯的少。在赤道地區(qū)地球表面的溫度最高，但往外輻射的長(zhǎng)波輻射最強(qiáng)的地方并不在赤道這是因?yàn)樵诔嗟赖貐^(qū)，地表溫度最高，使得空氣在此地區(qū)上空是上升的，致使赤道上空的云量較多，而云能很好地吸收地球放射的長(zhǎng)波輻射，具有同溫室效應(yīng)氣體一樣的作用，于是在赤道地區(qū)，從大氣頂部射出的地與系統(tǒng)的長(zhǎng)波輻射較其兩側(cè)稍弱。在35S~35N之間的低緯地區(qū)，地—?dú)庀到y(tǒng)吸收的輻射能量大于放出的輻射能量與此相反，在緯莊高于35的中高緯地區(qū)，放出的輻射能置大于吸收的輻射能量。因而，把全球地氣系統(tǒng)作為一個(gè)整體，維持著輻射平衡但對(duì)各個(gè)區(qū)域，輻射平衡是不成立的，在低緯地區(qū)凈輻射2023/12/2973三、輻射的緯向平均分布如果討論總能量，那么各個(gè)區(qū)域在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)依然是能置平衡的。在南北兩個(gè)半球，均存在著從低緯地區(qū)向高緯地區(qū)的能量輸送，這種能量形式不再是輻射的方式，這種能量的輸送是由大氣和海洋的運(yùn)動(dòng)來(lái)完成的。2023/12/2974第五節(jié)

大氣中的相變過(guò)程與雨、霧、雪和冰雹2023/12/2975一、大氣中的相變相變過(guò)程是大氣中基本物理過(guò)程之一。一般物質(zhì)都以固體、液體和氣體3種相態(tài)形式存在著。固體內(nèi)部分子靠電磁力相互結(jié)合，只能有很小的振動(dòng)；液體內(nèi)部分子可在液體內(nèi)部移來(lái)移去改查形態(tài)，但無(wú)法脫離液體本身；而氣體內(nèi)部分子并不互相結(jié)合，它們是不規(guī)則地運(yùn)動(dòng)著。當(dāng)固體溫度逐漸上升，固體內(nèi)分子振動(dòng)逐漸增強(qiáng)，終致溶解成液體，這就是液化；當(dāng)固體全部溶解成液體若再加熱，分子與分子之間的結(jié)合就會(huì)被截?cái)啵肿泳妥兂勺杂蛇\(yùn)動(dòng)，這就是汽化。如我國(guó)北方湖泊、河流中的水在溫度很低的冬天就會(huì)結(jié)成冰，冰是固體，當(dāng)?shù)酱禾?，由于氣溫升高，冰就?huì)融解變成湖水或河水，當(dāng)溫度足夠高，海水、湖水或河水就蒸發(fā)變成氣體，即變成大氣中的水蒸汽；相反，如果大氣中水蒸汽，當(dāng)溫度降低，它就會(huì)變成液體水，即水滴，當(dāng)溫度繼續(xù)下降，水滴就會(huì)變成固體的小冰塊。大氣中成分相態(tài)的改變稱為相變。2023/12/2976(一)大氣中的基本相變過(guò)程1、融解過(guò)程大氣中氣溫大于0℃以上，冰就會(huì)變成水，云中小冰粒就會(huì)變成小水滴，這就是大氣中融解過(guò)程。大氣中的融解過(guò)程需要熱量，通常在氣溫為0℃時(shí)，融解熱為3.34×105J/kg，這就是說(shuō)1.0kg的冰融解成水所需要的熱量是3.34×105J。因此，在冰雪融化時(shí)，大氣溫度將降低。溶解過(guò)程吸收熱量，溶解致冷。2023/12/2977(一)大氣中的基本相變過(guò)程

2、蒸發(fā)與凝結(jié)過(guò)程發(fā)生在液體表面的汽化過(guò)程。蒸發(fā)在任何溫度下都能發(fā)生。在一定溫度下，海洋、湖泊、河流的水和地球上含有水分的土壤將不斷汽化，從液體水變成水汽輸送到大氣，這稱蒸發(fā)過(guò)程。蒸發(fā)過(guò)程吸收熱量，蒸發(fā)致冷。與上面相反，當(dāng)大氣中水汽被抬升到一定高度因大氣溫度低，水蒸氣就凝結(jié)成水滴，這稱凝結(jié)過(guò)程。凝結(jié)過(guò)程釋放熱量，又稱潛熱（latentheat）。大氣中因水蒸汽凝結(jié)釋放出潛熱是大氣得到熱量的一個(gè)重要途徑。2023/12/2978(一)大氣中的基本相變過(guò)程3、凝華、升華過(guò)程凝華：物質(zhì)從氣態(tài)不經(jīng)過(guò)液態(tài)而直接變成固態(tài)的現(xiàn)象。如：冬夜，室內(nèi)的水蒸氣常在窗玻璃上凝華成冰晶；樹枝上的“霧凇”；“霜”的形成等。凝華過(guò)程物質(zhì)要放出熱量。升華：固態(tài)物質(zhì)不經(jīng)液態(tài)直接轉(zhuǎn)變成氣態(tài)的現(xiàn)象。如：冬天室外冰凍的衣服變干升華過(guò)程物質(zhì)要吸收熱量。升華是凝華的逆過(guò)程。2023/12/2979水、水汽、冰之間轉(zhuǎn)換的物理過(guò)程冰水水汽蒸發(fā)凝結(jié)凝華升華凍結(jié)融化2023/12/2980(二)水汽飽和與飽和水汽壓空氣中含有的水汽所產(chǎn)生的壓強(qiáng)，叫水汽壓?？諝庵械乃麎翰荒軣o(wú)限制地增加，在一定的溫度下，如果水汽壓增大到某一個(gè)極限值，空氣中水汽就達(dá)到飽和，如果超過(guò)這個(gè)極限值，將會(huì)有一部分水汽凝結(jié)成液體水，這一極限值稱為該溫度下的飽和水汽壓。根據(jù)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)證明，飽和水汽壓與溫度有關(guān)，隨溫度的升高而迅速增大。2023/12/2981(二)水汽飽和與飽和水汽壓當(dāng)飽和水汽壓與周圍的氣壓相等時(shí)，水就開始沸騰，此時(shí)的水溫常稱水的沸點(diǎn)。平原地區(qū)：大氣壓1013hPa，水的沸點(diǎn)100℃青藏高原：大氣壓600~500hPa，水的沸點(diǎn)70~80℃。需要使用壓力鍋?zhàn)鲲垺?023/12/2982二、大氣中的相變現(xiàn)象大氣是一部多變的熱機(jī)，由于大氣下墊面有海洋、湖泊和河川以及土壤，它們每時(shí)每刻都在發(fā)生著蒸發(fā)現(xiàn)象，把大量水蒸汽送到大氣中。抬升，降溫，水汽凝結(jié)成小水滴，再抬升降溫，形成小?；虮?。大氣中由這些小水滴或小冰粒、小冰晶組成許多天氣現(xiàn)象，如云、雪、霧、雨、冰雹等，這就是大氣中的相變現(xiàn)象。2023/12/2983(一)云由于當(dāng)包含水蒸汽的空氣塊隨上升氣流抬升達(dá)到飽和時(shí)，就有水汽向空氣中氣溶膠質(zhì)粒上凝結(jié)，形成由小水滴組成的云。如圖：衛(wèi)星云圖上的臺(tái)風(fēng)云系。2023/12/2984(一)云云有各種形狀，英國(guó)學(xué)者霍伍德在1803年依云的高度和形狀分成如下幾種云。注意積云（cumulus）和層云（straus）2023/12/29851、積云積云是在不穩(wěn)定大氣中暖濕空氣劇烈上升發(fā)展而形成，因此，此種云又稱對(duì)流云（convectivecloud）。積云發(fā)展分五個(gè)階段。第一階段是云的前方剛要發(fā)展的積云，而背后已發(fā)展成濃積云；第二階段是已發(fā)展成濃積云，云頂輪廓模糊；第三、四階段是積云頂部已遇到對(duì)流層頂附近，由于無(wú)法伸展到穩(wěn)定的平流層，云被迫水平伸展成云帖（cloudanvil）；第五階段是積云擴(kuò)展成卷云。2023/12/29912、層云層云是在較穩(wěn)定的大氣中因大范圍上升氣流所形成。層云的形成過(guò)程，如圖當(dāng)藍(lán)色天空出現(xiàn)像細(xì)的羽毛狀輕盈云，這就是卷云。這種云處于高度為9km的高空，它一般由小冰粒組成；隔一段時(shí)間云層增厚可達(dá)2～3km，云底降低，天空漸漸被灰色云所覆蓋，即出現(xiàn)高層云，最后出現(xiàn)雨層云，于是就降起雨來(lái)。我國(guó)地處溫帶和亞熱帶，云系不像在熱帶地區(qū)都是對(duì)流旺盛引起的積云，引起降水經(jīng)常是層云和積云的混合。2023/12/2992卷云Ci高層云As雨層云Ns卷層云Cs2023/12/2993(二)霧凡是大氣中因懸浮的水汽凝結(jié)，能見度低于1千米時(shí)，氣象學(xué)稱這種天氣現(xiàn)象為霧。霧實(shí)際上也可以說(shuō)是靠近地面的云。區(qū)別：霧接地，云不接地發(fā)生原因：一是冷卻二是加濕，增加水汽含量或者兩者兼有根據(jù)生成原因，霧可以分成以下幾種：2023/12/29941、輻射霧主要是因?yàn)橐归g地面輻射冷卻，使空氣中的水汽達(dá)到飽和所致這種霧是地面溫度低，從而靠近地表的空氣溫度低，形成逆溫現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間，水汽與凝結(jié)核下沉致地表而形成。主要發(fā)生在晴朗、微風(fēng)、近地面、水汽比較充沛的夜間或早晨。風(fēng)速對(duì)輻射霧的形成有一定影響。如果沒(méi)有風(fēng)，就不會(huì)使上下層空氣發(fā)生交換，輻射冷卻效應(yīng)只發(fā)生在貼近地面的氣層中，只能生成一層薄薄的淺霧。如風(fēng)太大，上下層空氣交換很快，流動(dòng)也大，氣溫不易降低很多，則難于達(dá)到過(guò)飽和狀態(tài)。只有在1-3米/秒的微風(fēng)時(shí)，有適當(dāng)強(qiáng)度的交流，既能使冷卻作用伸展到一定高度，又不影響下層空氣的充分冷卻，因而最利于輻射霧的形成。輻射霧出現(xiàn)在晴朗無(wú)云的夜間或早晨，太陽(yáng)一升高，隨著地面溫度上升，空氣又回復(fù)到未飽和狀態(tài)，霧滴也就立即蒸發(fā)消散。因此早晨出現(xiàn)輻射霧，常預(yù)示著當(dāng)天有個(gè)好天氣。"早晨地罩霧，盡管曬稻谷"、"十霧九晴"就是指的這種輻射霧。2023/12/29952、平流霧當(dāng)暖空氣流到冷海（地）面上時(shí)，就會(huì)降溫而凝結(jié)成霧，這種霧稱為平流霧。通常發(fā)生在冬季，持續(xù)時(shí)間一般較長(zhǎng)，范圍大，霧較濃，厚度較大，有時(shí)可達(dá)幾百米。隨著春季暖氣流不斷北上，沿海地區(qū)霧季就自南向北先后開始了。形成條件：暖濕空氣與地表之間有較大的溫差；要有適當(dāng)?shù)娘L(fēng)向和風(fēng)速（2米—7米/秒）。2023/12/29963、蒸汽霧又稱蒸發(fā)霧。如果水面是暖的，而空氣是冷的，當(dāng)它們溫差較大的時(shí)候，水汽便源源不斷地從水面蒸發(fā)出來(lái)，闖進(jìn)冷空氣，然后又從冷空氣中凝結(jié)出來(lái)成為蒸汽霧。蒸汽霧常發(fā)生在深秋季節(jié)寒冷早晨的湖面、河面或極地。2023/12/2997山坡霧與鋒面霧山坡霧暖空氣沿山坡爬升時(shí)溫度下降達(dá)到露點(diǎn)所形成在近處觀側(cè)是霧，遠(yuǎn)處眺望則是山被云所籠罩我國(guó)江南和西南地區(qū)的山區(qū)經(jīng)?？煽吹竭@種山坡霧鋒面霧主要是由于長(zhǎng)時(shí)間降雨，空氣相對(duì)濕度增大，出現(xiàn)飽和而形成霧通常在我國(guó)南方梅雨季節(jié)可經(jīng)常見到這種“霧蒙蒙”的天氣。2023/12/2998霧的影響霧使大氣能見度降低，對(duì)航空、航海、高速公路有嚴(yán)重影響；出現(xiàn)霧時(shí)，大氣污染物不容易擴(kuò)散，污染物與霧相結(jié)合，從而加重污染，對(duì)人體健康會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重危害。2023/12/2999

(三)雨雨是從云層中降向地面的水雨是大氣降水的重要形式雨造福于人類，又危害人類從海洋輸送來(lái)的大量水汽以雨的形式降到地球的各個(gè)角落，滋養(yǎng)著人類，使人類能夠進(jìn)行工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活，雨還滋養(yǎng)著各種生物的生長(zhǎng)，雨是造福于人類和自然界美好的禮物，但是雨若過(guò)干大，即暴雨，又是往往破壞人類工農(nóng)業(yè)主產(chǎn)，甚至給人類的生命帶來(lái)威脅。2023/12/291001、雨的形成當(dāng)大量水蒸汽隨氣流吹到某個(gè)地區(qū)，若該地區(qū)大氣有強(qiáng)烈上升氣流，水蒸汽就會(huì)上升而凝結(jié)成云，根據(jù)上升運(yùn)動(dòng)速度可形成不同的云如在積云中垂直速度可達(dá)到幾米／秒，而在層云垂直速度只有幾厘米／秒。由于云中水滴半徑只有1~100μm左右，而要產(chǎn)生雨滴，就必須使云中小水滴的半徑增長(zhǎng)到1000μm即1mm左右，因此，當(dāng)云中水滴由于下列幾種機(jī)制使得小水滴增長(zhǎng)到1.0mm左右，從而可以克服浮力作用，就會(huì)降到地面上，形成雨。此外，還有云中小冰粒、雪粒在下降過(guò)程中溶化也是雨形成原因之一。2023/12/291012、雨滴的增長(zhǎng)過(guò)程擴(kuò)散過(guò)程——云滴飽和空氣中的水汽分子向水滴擴(kuò)散，在水滴表面凝結(jié)，水滴增大。云滴增長(zhǎng)成雨滴首先是擴(kuò)散過(guò)程；擴(kuò)散過(guò)程使云滴發(fā)展成為水滴的時(shí)間較長(zhǎng)。碰撞合并過(guò)程——因大小云滴下降速度不同，碰撞而增大為水滴，增大到一定程度時(shí)，以雨的形式降到地面。2023/12/29102

(四)雪與冰雹雪與冰雹都是固體降水形式雪經(jīng)常發(fā)生在氣溫較低的冬、春季；而冰雹卻發(fā)生在夏季，尤其在山地。這兩種降水形式也經(jīng)常造成災(zāi)害。積雪覆蓋牧草，牲畜無(wú)草可吃，造成大量牲畜餓死；嚴(yán)重的雪災(zāi)往往需要關(guān)閉高速公路；冰雹會(huì)給農(nóng)作物造成嚴(yán)重毀壞，尤其是果樹。2023/12/291031、冰晶生長(zhǎng)過(guò)程氣溫低于0℃，對(duì)冰面而言，水汽已達(dá)到過(guò)飽和，這時(shí)大氣中經(jīng)常有小冰晶形成。水汽分子凝華就會(huì)形成冰晶芽。產(chǎn)生冰晶芽可由下列幾種途徑：云中溫度很低，溫度低于-40℃以下的云，它只能由冰晶組成；云中過(guò)冷卻水滴接觸到某些微粒，凍結(jié)而形成冰晶；過(guò)冷卻水滴內(nèi)包含了微粒，由于核作用而凍結(jié)；水汽直接凝華形成冰晶芽。2023/12/291042、冰粒成長(zhǎng)過(guò)程冰粒有下列3種成長(zhǎng)過(guò)程：直接由水汽凝華水滴飽和，冰粒過(guò)飽和。水汽凝華形成不同形狀的冰晶。捕捉過(guò)冷云滴成長(zhǎng)過(guò)冷水滴與冰粒碰撞，水滴凍結(jié)在冰粒上。由凝聚過(guò)程而成長(zhǎng)冰粒在下降時(shí)碰撞，結(jié)合在一起。2023/12/29105由于冰晶生長(zhǎng)與冰粒成長(zhǎng)有不同的過(guò)程，因此可以生成不同固體降水形式，包括各種形狀的雪片、霰（xiàn，亦稱軟雹，是一種白色不透明，近似圓形，直徑約2-5cm，構(gòu)造與雪相類似之冰所構(gòu)成之降水，霰質(zhì)軟易碎）、凍雨和雹。大氣中相變過(guò)程，特別是水蒸汽凝結(jié)成水滴，它會(huì)放出大量的潛熱，這為大氣運(yùn)動(dòng)握供了大量熱源。2023/12/29106第六節(jié)大氣熱力學(xué)2023/12/29107大氣中一切運(yùn)動(dòng)均是由于冷、熱分布不均勻造成的，因此，大氣中熱力過(guò)程是大氣動(dòng)力過(guò)程的基礎(chǔ)。大氣中的基本熱力過(guò)程如下：太陽(yáng)短波輻射與地氣系統(tǒng)長(zhǎng)波輻射的加熱過(guò)程由于水蒸汽在大氣中發(fā)生相變而產(chǎn)生的潛熱由于大氣的下墊面（洋面與陸面地表面）向大氣輸送的熱量本節(jié)主要闡述宏觀上大氣的熱力過(guò)程及應(yīng)遵從的基本規(guī)律。2023/12/29108一、熱力學(xué)第一定律能量守恒定律應(yīng)用在熱力學(xué)系統(tǒng)中時(shí)，就表現(xiàn)為熱力學(xué)第一定律。熱力學(xué)第一定律指出：對(duì)某一熱力學(xué)系統(tǒng)，輸入的熱能應(yīng)該等于該系統(tǒng)內(nèi)能的變化與該系統(tǒng)所作功的和，即單位質(zhì)量熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能變化單位質(zhì)量熱力學(xué)系統(tǒng)所作的功對(duì)單位質(zhì)量熱力學(xué)系統(tǒng)所加的熱量2023/12/29109二、大氣熱力學(xué)定律在大氣熱力學(xué)中，討論系統(tǒng)所作的功時(shí)只需考慮由于大氣系統(tǒng)膨脹或壓縮過(guò)程所作的功。而系統(tǒng)在實(shí)際膨脹或壓縮過(guò)程中，并不處于平衡態(tài)，因而不能利用狀態(tài)參量（溫度、氣壓等）來(lái)描述，這將引起功的計(jì)算復(fù)雜化。為簡(jiǎn)單起見，引進(jìn)一個(gè)理想過(guò)程，使系統(tǒng)在膨脹或壓縮過(guò)程中的每一步都處于平衡態(tài)。假想使過(guò)程進(jìn)行得非常緩慢，以致于過(guò)程進(jìn)行的每一時(shí)刻，系統(tǒng)都可被看作近似地處于平衡態(tài)，膨脹或壓縮過(guò)程就是這一無(wú)限緩慢過(guò)程的總和。2023/12/29110二、大氣熱力學(xué)定律于是就有：即任何空氣塊的體積增加量為△V時(shí)，其作功應(yīng)為

△W=p△Vp為氣壓若只考慮單位質(zhì)量氣體所占有的體積α，則其作功應(yīng)為

△W=p△α2023/12/29111二、大氣熱力學(xué)定律英國(guó)物理學(xué)家焦耳發(fā)現(xiàn)氣體的內(nèi)能唯一與氣體溫度有關(guān)，即△U=cv△Tcv為定容比熱把上兩式入熱力學(xué)第一定律，得大氣大氣熱力學(xué)第一定律：

△Q=cv△T+p△α2023/12/29112二、大氣熱力學(xué)定律利用大氣狀態(tài)方程：

P=ρRT大氣熱力學(xué)第一定律可改寫成：△Q=cp△T-α△pcp為定壓比熱Q

是大氣的熱源：它包括輻射加熱、地球表面輸送的感熱和大氣中因水汽凝結(jié)而釋放的潛熱。大氣熱力學(xué)第一定律說(shuō)明：外部對(duì)大氣的熱量變化就會(huì)引起大氣溫度和壓力的變化。大氣受熱時(shí)，若大氣的壓力保持不變，則大氣的溫度要上升；若溫度保持不變，則氣壓要降低。因?yàn)樵跉庀笊希瑲鈮旱淖兓润w積的變化更容易測(cè)量，因而上式的應(yīng)用最廣。2023/12/29113第七節(jié)

大氣中絕熱過(guò)程與位溫2023/12/29114一、大氣中的絕熱過(guò)程若△Q=0，即大氣中某氣塊在運(yùn)動(dòng)中其氣壓、體積或溫度改變，但卻無(wú)熱量從該氣塊進(jìn)出，則稱此過(guò)程為大氣的絕熱過(guò)程。這就是說(shuō)，當(dāng)大氣中氣塊在上升或下沉過(guò)程中既不把自己的熱量傳給周圍空氣，又不從周圍大氣吸收熱量，則稱此氣塊在運(yùn)動(dòng)中處于絕熱過(guò)程。大氣中絕熱過(guò)程對(duì)研究大氣運(yùn)動(dòng)具有重要意義當(dāng)所考慮大氣運(yùn)動(dòng)的時(shí)間比較短，它來(lái)不及與周圍交換熱量，這時(shí)大氣運(yùn)動(dòng)可以考慮為絕熱運(yùn)動(dòng)。2023/12/29115(一)大氣干絕熱過(guò)程與減溫率若氣塊中空氣不含水汽，此氣塊的氣壓、體積或溫度改變，但卻無(wú)熱量從此氣塊進(jìn)出，則稱此過(guò)程為干絕熱過(guò)程?？紤]p=-ρgz，則α△p=-αρg△z=-mg△z=-g△z則可得△Q=cp△T+g△z2023/12/29116(一)大氣干絕熱過(guò)程與減溫率由于絕熱，△Q=0，則