气象学最后学习.pptx
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1、章章 节节教教 学学 内内 容容一一引引 论论 二二大气的热能和温大气的热能和温度度三三大气中的水分大气中的水分四四大气的运动大气的运动五五气候的形成气候的形成六六气候带和气候型气候带和气候型本学科的研究对象主要包括三个,即:气象学、天气学和气候学第1页/共192页(一)大气圈概述(二)水圈、陆地、冰雪圈和生物圈概述一、气象学、气候学研究对象、任务和简史二、气候系统概述(一)气象学与气候学的研究对象和任务(二)气象学与气候学发展简史三、有关大气的物理性状(一)主要气象要素(二)空气状态方程第一章引论第2页/共192页b.b.b.b.气象学的气象学的气象学的气象学的研究对象研究对象研究对象研究对
2、象 地球上的大气地球上的大气地球上的大气地球上的大气 其中主要内容有其中主要内容有其中主要内容有其中主要内容有(P1P1P1P1)气能本用(大)气 大气一般的组成、范围、结构及各种大气一般的组成、范围、结构及各种大气一般的组成、范围、结构及各种大气一般的组成、范围、结构及各种 要素等要素等要素等要素等 能(量)大气现象的发生、发展及能量来源大气现象的发生、发展及能量来源大气现象的发生、发展及能量来源大气现象的发生、发展及能量来源 本(质)探求大气现象的本质及其变化规律;探求大气现象的本质及其变化规律;探求大气现象的本质及其变化规律;探求大气现象的本质及其变化规律;(应)用 将大气现象中的规律应
3、用于实践将大气现象中的规律应用于实践将大气现象中的规律应用于实践将大气现象中的规律应用于实践气象学(Meteorology)第3页/共192页气象学与气候学的发展简史气象学与气候学的发展简史1.萌芽时期2.发展初期3.3.发展时期发展时期第4页/共192页大气的垂直分层散逸层(外层)暖层 中间层 平流层 对流层 2 大气的结构第5页/共192页第6页/共192页对流层对流层 对流层特点 对流层是大气的最下层,它的下界为地面,集中3/4大气,90%水汽,日常所见的大气现象均发生在此层,也是对人类生活、产生最有影响的层次。气温随着高度而降低。平均065空气具有强烈的对流、乱流运动气象要素水平分布不
4、均匀:第7页/共192页温度随高度升高而增加没有强烈的对流运动 水汽、尘埃含量很少平流层平流层(对流层顶到55km)第8页/共192页太阳辐射(一)什么是辐射一、辐射的基本知识二、太阳辐射(二)物体对辐射的吸收、反射和透射(三)辐射差额(四)辐射的基本定律(一)太阳辐射光谱和太阳常数(二)太阳辐射在大气中的衰减1、大气对太阳辐射的吸收2、大气对太阳辐射的散射 3、大气的云层和尘埃对太阳辐射的反射(三)到达地面的太阳辐射1、直接辐射 2、散射辐射 3、总辐射(四)地面对太阳辐射的反射第9页/共192页第一节第一节 太阳辐射太阳辐射(一)辐射与辐射能2、辐射能:通过辐射传播的能量,称为辐射能:通过
5、辐射传播的能量,称为辐射能辐射能,也简称为,也简称为辐射辐射。太阳辐射就是以光速从太阳向四周发射的。1、辐射:自然界中的一切物体都以自然界中的一切物体都以电磁波电磁波的方式向四周放射的方式向四周放射能量,这种传播能量的方式称为能量,这种传播能量的方式称为辐射辐射。特点:辐射透过空间并不需要媒介物质,真空中也可以进特点:辐射透过空间并不需要媒介物质,真空中也可以进行能量的传输行能量的传输第10页/共192页如果某物体能把投射其上的所有波长的辐射全部吸收,即其吸收率为1(a=0,t=0),这种物体称为绝对黑体,简称黑体第11页/共192页(四)辐射的基本定律1、基尔霍夫定律2、斯蒂芬波尔兹曼定律3
6、、维恩定律第12页/共192页辐射的基本定律辐射的基本定律 基尔荷夫基尔荷夫(kirchoff)(kirchoff)定律定律(选择吸收定律选择吸收定律)定律定律 在一定温度下,任何物体对于某一波长的放射能力在一定温度下,任何物体对于某一波长的放射能力(e e,T,T)与物体对该波长的吸收率与物体对该波长的吸收率(k k,T,T)的比值,只是温度的比值,只是温度和波长的函数,和波长的函数,而与物体的其它性质无关而与物体的其它性质无关。E E,T,T只是波长和温度的函数。只是波长和温度的函数。eK E(,T)第13页/共192页 斯蒂芬斯蒂芬波尔兹曼波尔兹曼(Stefan-Boltzmann)(S
7、tefan-Boltzmann)定律定律 黑体的总放射能力黑体的总放射能力(E ET T)与它本身绝对温度与它本身绝对温度(T T)的四次方成正比。即:的四次方成正比。即:ET T 4式中式中5.67105.6710-8-8W.mW.m-2-2.K.K-4-4为为斯蒂芬斯蒂芬波尔兹曼常数波尔兹曼常数。可计算出黑体在T时的辐射强度,也可由黑体的辐射强度求得其表面温度。物体温度愈高,其放射能力愈强。物体温度愈高,其放射能力愈强。第14页/共192页 mmC/T C/T 或或 mm T=C T=C 如果波长以如果波长以nmnm为单位,则常数为单位,则常数C C2896nm2896nm K,K,于是于
8、是(3-6)(3-6)式为:式为:维恩维恩(Wien)(Wien)位移定律位移定律 绝对黑体的放射能力最大值对应的波长绝对黑体的放射能力最大值对应的波长(m m)与与其本身的绝对温度其本身的绝对温度(T)(T)成反比。即:成反比。即:mmT T2896nmK 2896nmK 第15页/共192页二、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可把太阳辐射看作为黑体辐射,斯玻定律和维恩定律都可应用于太阳辐射。太阳辐射最强的波长为0.475m,相当于青光。第16页/共192页 三个光谱区:紫外线光谱区(波长小于0.4m)可见光光谱区(波长在0.40.76m)红
9、外线光谱区(波长大于0.76m)。第17页/共192页太阳辐射(一)什么是辐射一、辐射的基本知识二、太阳辐射(二)物体对辐射的吸收、反射和透射(三)辐射差额(四)辐射的基本定律(一)太阳辐射光谱和太阳常数(二)太阳辐射在大气中的衰减1、大气对太阳辐射的吸收2、大气对太阳辐射的散射 3、大气的云层和尘埃对太阳辐射的反射(三)到达地面的太阳辐射(四)地面对太阳辐射的反射第18页/共192页(二)太阳辐射在大气中的衰减 1、大气的吸收有选择性 占大气体积的99%以上的氮、氧对太阳辐射的吸收微弱,而含量不多的水气、二氧化碳和臭氧可以吸收某些波段的太阳辐射能。第19页/共192页 吸收作用 氧、臭氧、水
10、汽和氧、臭氧、水汽和COCO2 2气体成分气体成分气体成分气体成分强吸收波段强吸收波段强吸收波段强吸收波段弱吸收波段弱吸收波段弱吸收波段弱吸收波段 使太阳能损耗使太阳能损耗使太阳能损耗使太阳能损耗氧氧氧氧200nm h2AO 08第32页/共192页(四)地面对太阳辐射的反射投射到地面的辐射,并非完全被地面吸收,其中一部分被地面所反射。反射的多少,取决于地表面的性质和状态。陆地表面对太阳辐射的反射率为10%30%。其中深色土浅色土;粗糙土平滑土;潮湿土干燥土。雪面的反射率很大为90%;水的反射率随太阳高度角的增大而减小;总的来说水面的反射率比陆面要小些。第33页/共192页 不同性质下垫面的反
11、射率不同性质下垫面的反射率种类种类反射率(反射率(%)种类种类反射率(反射率(%)干的新雪干的新雪8095棉花棉花2022一般雪面一般雪面6070甜菜甜菜1825污秽雪面污秽雪面4050马铃薯马铃薯1927干黑土干黑土14水稻田水稻田1722湿黑土湿黑土8牧草田牧草田1525新耕地新耕地17针叶林针叶林1015冬小麦冬小麦1623阔叶林阔叶林1520 深色土壤小于浅色土壤。深色土壤小于浅色土壤。潮湿土壤小于干燥土壤。潮湿土壤小于干燥土壤。新雪表面大于陈雪表面。新雪表面大于陈雪表面。第34页/共192页可见,即使到达地面的总辐射的强度一样,地表性质不同,所真正得到的太阳可见,即使到达地面的总辐射
12、的强度一样,地表性质不同,所真正得到的太阳辐射仍有很大差异,这也是地表温度分布不均匀的重要原因之一。辐射仍有很大差异,这也是地表温度分布不均匀的重要原因之一。第35页/共192页太阳辐射(一)什么是辐射一、辐射的基本知识二、太阳辐射(二)物体对辐射的吸收、反射和透射(三)辐射的基本定律(一)太阳辐射光谱和太阳常数(二)太阳辐射在大气中的衰减(三)到达地面的太阳辐射(四)地面对太阳辐射的反射上节课回顾第36页/共192页第二节地面和大气的辐射(一)地面、大气的辐射的概念及共性一、地面、大气的辐射和地面有效辐射二、地面及 地-气系统的辐射差额(二)地面和大气长波辐射的特点(三)大气逆辐射和地面有效
13、辐射(一)地面的辐射差额(二)大气的辐射差额(三)地-气系统的辐射差额 第37页/共192页(一)(一)地面、大气的辐射的概念及共性地面、大气的辐射的概念及共性宇宙中的任何物质,只要它的温度高于绝对零度时都能放射能量,地面吸收太阳辐射后(45%-反射掉)转变为热能后,使地面增温,然后日夜不停的向外放射辐射,这就是地面辐射。大气对太阳辐射的吸收很少,但能强烈的吸收地面的辐射,大气主要靠吸收地面辐射后升温,它也日夜不停的向外放出辐射,叫大气辐射。1、地面辐射:2、大气辐射:第38页/共192页大气逆辐射:大气逆辐射:由大气到达地面的那部分长波辐射由大气到达地面的那部分长波辐射。大气辐射中向下的那一
14、部分因为刚好和地面辐射相反,故大气辐射中向下的那一部分因为刚好和地面辐射相反,故称大气逆辐射。称大气逆辐射。(三)大气逆辐射和地面有效辐射1 1、大气逆辐射与大气的保温效应:大气逆辐射与大气的保温效应:第39页/共192页月球表面没有大气,因而没有大气的保温效应,白天太阳辐射的月球表面没有大气,因而没有大气的保温效应,白天太阳辐射的地方温度可达地方温度可达127127 ,夜晚则降到,夜晚则降到-183-183。1 1、大气逆辐射与大气的保温效应:大气逆辐射与大气的保温效应:(三)大气逆辐射和地面有效辐射 大气逆辐射使地面因放射辐射而损耗的能量得到一定的大气逆辐射使地面因放射辐射而损耗的能量得到
15、一定的补偿,由此可以看出大气对地面有一种保暖的作用。补偿,由此可以看出大气对地面有一种保暖的作用。大气保温效应大气保温效应大气逆辐射的结果:大气对地面的保温作用第40页/共192页2、地面有效辐射、地面有效辐射 地面辐射与大气逆辐射是经常存在的,地面放出辐射和地面吸收的大气逆辐射之差称为地面有效辐射。F0地面有效辐射F0 在通常情况下为正,是地面通过长波辐射失去热量F0 为负时(逆温、潮湿),是地面通过长波辐射获得热量Eg地面辐射地面吸收的大气逆辐射(三)大气逆辐射和地面有效辐射第41页/共192页影响地面有效辐射因子:地面温度、空气温度、空气湿度和云量.地面温度高有效辐射大地面失热多空气温度
16、高有效辐射小地面失热少空气湿度大 有效辐射小地面失热少云量大有效辐射小地面失热少2、地面有效辐射(三)大气逆辐射和地面有效辐射逆温、高海拔、夜间风大时第42页/共192页地面和大气的辐射(一)地面、大气的辐射的概念及共性一、地面、大气的辐射和地面有效辐射二、地面及 地-气系统的辐射差额(二)地面和大气长波辐射的特点(三)大气逆辐射和地面有效辐射(一)地面的辐射差额(二)大气的辐射差额(三)地-气系统的辐射差额 第43页/共192页为正时地面有热量积累,地面温度将上升为负时地面有热量亏损,地面温度将下降为零时地温没有变化,处于辐射动态平衡状态(一)地面的辐射差额:地面吸收的辐射与放出的辐射之差。
17、即 地面的辐射差额=地面得到的能量地面失去的能量地面得到的太阳辐射能+大气逆辐射地面辐射地面有效辐射(Q+q太阳直接辐射和散射辐射)a为反射率a辐射差额=收入辐射支出辐射地面的辐射差额:第44页/共192页地面和大气的辐射(一)地面、大气的辐射的概念及共性一、地面、大气的辐射和地面有效辐射二、地面及 地-气系统的辐射差额(二)地面和大气长波辐射的特点(三)大气逆辐射和地面有效辐射(一)地面的辐射差额(二)大气的辐射差额(三)地-气系统的辐射差额 第45页/共192页定义:大气得到的辐射能与大气失去的能量之差定义:大气得到的辐射能与大气失去的能量之差大气直接吸收的太阳辐射大气直接吸收的太阳辐射+
18、地面辐射地面辐射大气逆辐射大气逆辐射+大气辐射到宇宙空间大气辐射到宇宙空间得失得失整个大气层的辐射差额为整个大气层的辐射差额为负值负值,也就是说,大气是通过辐射能量来也就是说,大气是通过辐射能量来失去失去热热量的。量的。短波短波 长波长波 (二)大气的辐射差额:得得失失第46页/共192页地面和大气的辐射(一)地面、大气的辐射的概念及共性一、地面、大气的辐射和地面有效辐射二、地面及 地-气系统的辐射差额(二)地面和大气长波辐射的特点(三)大气逆辐射和地面有效辐射(一)地面的辐射差额(二)大气的辐射差额(三)地-气系统的辐射差额 第47页/共192页(三)地气 系统 的辐射差额如果将地面和大气看
19、作是一个系统那么收入的辐射和支出的辐射之差就是地气系统的辐射差额得:地面吸收的太阳辐射能(Q+q)(1-a)大气吸收的太阳辐射qa 失:透过大气层地面辐射和大气辐射射向宇宙空间 的能量F 得失:Rs=(Q+q)(1-a)+qa-F 第48页/共192页第三节、大气的 增温和 冷却一、海陆的增温和冷却的差异(自(自学、归纳)学、归纳)二、空气的增温 和冷却非绝热变化:几种基本形式绝热变化三、大气静力稳定度第49页/共192页第二章 大气的热能和温度第三节 大气的增温和冷却 反射率:陆地反射率大,地面对太阳辐射量吸收少/水面反射率小,水面对太阳辐射量吸收多透明率:陆面低透明率,降低地面对太阳辐射量
20、吸收/热传递方式:单种方式,增加热量交换/海水有充足的水源,它的蒸发量大,失热较多,水温不易升高。海面之上水汽较多,故气温不易下降。陆面正好相反 热属性:比热小,变温需要热量值小,变温迅速 水 比热大,变温需要热量值大,变温缓慢一、不同地面的增温和冷却 海陆差异结论:陆地受热快,冷却也快,温度升降变化大。海洋升温和冷结论:陆地受热快,冷却也快,温度升降变化大。海洋升温和冷却都较慢,且日较差和年较差都比陆地小。却都较慢,且日较差和年较差都比陆地小。陆地是急性子,海洋陆地是急性子,海洋是慢性子。是慢性子。第50页/共192页 绝热与非绝热变化绝热与非绝热变化绝热变化:空气内能变化过程中,未与外界进
21、行热量交换。绝热变化:空气内能变化过程中,未与外界进行热量交换。非绝热变化:空气内能变化过程中,与外界进行热量交换。非绝热变化:空气内能变化过程中,与外界进行热量交换。二、空气的增温与冷却第51页/共192页1、气温的非绝热变化(外界传递热量的方式)传导辐射对流湍流蒸发凝结二、空气的增温与冷却第52页/共192页二、空气的增热和冷却(一)气温的非绝热变化 1.传导:就是依靠分子的热运动将能量从一个分子传递给就是依靠分子的热运动将能量从一个分子传递给另一分子,从而达到热量平衡的传热方式另一分子,从而达到热量平衡的传热方式 。空气与地面之间,空气团与空气团之间,当有温度差空气与地面之间,空气团与空
22、气团之间,当有温度差异时,就会因为传导作用而交换热量。异时,就会因为传导作用而交换热量。2.辐射:物体之间不停地以辐射方式交换着热量。大气主要依靠吸收地面的长波辐射而增热,同时,地面也吸收大气放出的长波辐射,这样它们之间就通过长波辐射的方式不停地交换着热量。空气团之间,也可以通过长波辐射而交换热量。第53页/共192页3.对流:当暖而轻的空气上升时,周围冷而重的空气便当暖而轻的空气上升时,周围冷而重的空气便下降来补充,这种升降运动,称为对流下降来补充,这种升降运动,称为对流。通过对流、上下层空气互相混合,热量也就随之得到交换。使低层的热量传递到较高的层次,这是对流层中的热量交换的重要方式。4.
23、湍流:空气的不规则运动称为湍流,又称乱流空气的不规则运动称为湍流,又称乱流。湍流是空气层相互之间发生摩擦或空气流过粗糙不平的地面时产生的。有湍流时,相邻空气团之间发生混合,热量也就得到了交换。湍流是摩擦层中热量交换的重要方式。第54页/共192页5.5.蒸发蒸发(升华升华)和凝结和凝结(凝华凝华):水在蒸发水在蒸发(或冰在升华或冰在升华)时要吸收热量;相反,时要吸收热量;相反,水汽在凝结水汽在凝结(或凝华或凝华)时,又会放出潜热时,又会放出潜热。如果蒸发。如果蒸发(升华升华)的水汽,不是在原处凝结的水汽,不是在原处凝结(凝华凝华),而是被带,而是被带到别处去凝结到别处去凝结(凝华凝华),就会使
24、热量得到传送。,就会使热量得到传送。例如,从地面蒸发的水汽,在空中发生凝结时,就把地面的热量传给了空气。因此,通过蒸发(升华)和凝结(凝华),也能使地面和大气之间,空气团与空气团之间发生潜热交换。由于大气中的水汽王要集中在5公里以下的气层中,所以这种热量交换主要在对流层下半层起作用。第55页/共192页第三节大气的 增温和 冷却一、海陆的增温和冷却的差异二、空气的增温和冷却非绝热变化:几种基本形式绝热变化三、大气静力稳定度第56页/共192页2、干绝热过程(Adiabaticprocess)在气象学上,任一气块与外界之间无热量交换,即 时的状态变化过程,叫做绝热过程。干绝热过程:将升、降的气块
25、内部既没有发生水相变化,又没有与外界交换热量的过程,称作干绝热过程。大气的垂直运动过程可近似看作是绝热的 气温的绝热变化第57页/共192页4、干绝热直减率气块绝热上升单位距离时的温度降低值,称绝热垂直减温率,简称绝热直减率。对于干空气和未饱和的湿空气来说,则称干绝热直减率,以 表示,即实际工作中取 ,这就是说,在干绝热过程中,气块每上升100m,温度约下降1。如果气块的起始温度为 ,干绝热上升 高度后,其温度 为:第58页/共192页 与 比较必须注意:与 (气温直减率)的含义是完全不同的。是干空气在绝热上升过程中气块本身的降温率,它近似于常数;而 是表示周围大气的温度随高度的分布情况。可以
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