大气的热能与温度.doc
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1、第二章 大气的热能与温度l 教材分析:本章分为五小节。内容涵盖太阳辐射;地面、大气之间的热传导、热平衡;以及大气增温、冷却的各种方式和大气温度的时间、空间分布格局。围绕气温这个最为重要的气象要素进行全方位的剖析,使学生不仅知道太阳本身的一些基本知识,而且知道太阳辐射的能量如何转化为大气热量,热量的传递有那些过程,大气热量在不同的时间、空间里有那些特点及变化。其中,第一节 太阳辐射介绍了太阳辐射的基本知识,黑体辐射定律可以作为一般得了解。太阳辐射光谱、太阳辐射在大气中的减弱、到达地面的太阳辐射的内容既是基础,也是重点,也是本章乃至本书的关键。第二节 地面和大气辐射 重点有:地面和大气辐射都是长波
2、辐射;大气对长波辐射的吸收;大气逆辐射;地气系统热量平衡的思想。难点:大气窗口、地面有效辐射、地面的辐射差额、大气辐射差额、地气系统的辐射差额第三节 大气的增温 重点有:海陆的增温和冷却的差异;气温的非绝热变化;干绝热过程和湿绝热过程;大气的稳定度及判别方法。第四节大气温度随时间的变化 重点有:气温的日变化和年变化第五节大气温度的空间分布 重点有:世界1月和7月海平面气温分布图;逆温及其在气象上的意义。l 教学设想 课时安排:本章可用10个教学课时,1个实验课时 教学目标:1、掌握教材分析中的所有基础及重点内容(黑体字)2、课程讲完之后,可以配合实验课对气温中的最高最低温度、气温、地温、日照的
3、观测进行实习,同时学会仪器的安装。 授课类型:讲授、实验 教学媒体:幻灯片l 教学过程:见幻灯片l 参考资料:1、气象学与气候学实习 周淑贞 高等教育出版社2、风云变幻的大气 杨遵仪 江苏科学技术出版社3、细说八方晴雨 林之光 科学普及出版社4、气象与生活 林之光 江苏教育出版社5、气象学与气候学 张菀莹 北京师范大学出版社l 本章小结大气中各种物理过程是在太阳辐射、地面辐射与大气辐射的相互作用下产生和发展的。太阳辐射是地球的主要能量来源,而地面辐射是对流层大气的主要热源。太阳辐射穿过大气层受到削弱。削弱的程度主要取决于太阳高度角和大气透明度的大小。因为大气直接吸收的太阳辐射数量很少,故太阳辐
4、射并不主要增热大气,尤其是底层大气。辐射波波长的长短和辐射体的温度有关,太阳辐射为短波辐射,地面为长波辐射。地面辐射大部分被大气所吸收,因而地表面是大气热量的主要供给者。大气主要靠吸收地面的长波辐射而增暖,同时大气又通过逆辐射向地面输送热量,对地面起保暖作用和调节作用。因此地面和大气的热状况取决于地面和地气系统的辐射收支的变化。如果收入大于支出,净得热量,则增温;反之,则降温。大气的增温和冷却还取决于下垫面状况。特别是海陆热力差异对大气的影响不同,使海洋上气温变化和缓,陆地上气温变化剧烈。就整个地球多年平均状况来看,全球的热量收支是平衡的,因而气温也比较稳定。引起气温变化的主要方式有绝热变化和
5、非绝热变化。当空气沿水平方向运动时,非绝热变化是主要的;当空气块作较快的铅直运动时,绝热变化是主要的。空气的绝热变化有干绝热过程和湿绝热过程两种。空气与外界交换热量的方式有辐射、平流、乱流、对流、蒸发、凝结等。当大气层结时,大气处于绝对稳定状态;当时,大气处于绝对不稳定状态,当 时,大气处于条件性不稳定状态。气温的变化和分布有一定的规律性。气温随时间的变化,主要取决于太阳辐射随时间的变化,故以周期性的日、年变化为主。但有时非周期性变化很显著,不容忽视。气温的水平分布基本上呈纬向带状分布,南半球更为明显。由于下垫面诸多因素的影响,北半球气温分布更为复杂一些。气温的垂直分布,在对流层中随高度的增加
6、气温逐渐降低。但是在一定条件下,也会出现短暂的逆温现象。逆温层会阻碍空气的上升运动,并使逆温层下的大气污染物难以扩散,能见度降低。根据逆温形成的原因可将逆温分为辐射逆温、平流逆温、乱流逆温、下沉逆温和锋面逆温等。教师在讲解知识的基础上注意:1、 本节内容比较凌乱,但内在又有联系性,教师要在上课中不仅讲授每个知识点,而且要给学生贯穿本章的体系、内容之间的联系。2、 多联系实际,增加学生学习的兴趣。3、 在辐射差额中主要给学生灌输热量平衡的概念第二章 大气的热能和温度第一节 太阳辐射一、辐射的基本知识(一)什么是辐射1、定义:自然界中的一切物体,只要温度高于-273 (0k)都可以以电磁波的形势时
7、可不停的向外传送能量,这种传送能量的方式及其所传送的能量都叫辐射。2、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(不像声音在120公里的稀薄大气中就不能传播了)有许多辐射使我们感觉不到的,我们四周的物体都向外辐射能量,火炉向四周传送的热量就是辐射的形式。其速度为V=C;太阳辐射就是以光速从太阳向四周发射的。3、波长:电磁波长范围有很大的差异,如宇宙射线的波长为10-10 微米,而无线电波长可达几公里根据波长可将电磁波分为涉县、涉县紫外线、可见光、红外线、无线电波。气象学这种研究的是太阳、地球、大气的热辐射,他们的波长范围大约在0.15120微米。4、单位:一个物体的辐射能力
8、可以用辐射通量密度E来表示, E:辐射通量密度: 单位时间内通过单位面积的辐射能量 I:辐射强度: 单位时间内,通过垂直于选定方向上的单位面积的辐射能量。 即E没有方向性,可以是垂直的,也可以是有一个倾角的能量,强度必须是光线无论从哪个方向射来垂直于平面的那个分量(E)。(二)物体对辐射的吸收、反射和透射投射到物体上的总辐射能为 Qo,,被分成三部分,即吸收Qa 、反射Qr 、透射Qd 根据能量守恒定律:Qo=Qa+Qr+Qd 第一项,吸收的辐射能量与投射到其上的总辐射能量之比,是吸收率第二项,反射出的辐射能量与投射到其上的总辐射能量之比,是反射率第三项,透射过的辐射能量与投射到其上的总辐射能
9、量之比,是透射率。 也即: a+r+d=1对于一般物体来讲是不透明的,则用于透射的能量为零,d=0,则公式变为 a+r=1对于同一物体,吸收率大则反射率小,反之,吸收率小则反射率大。在理想状态下,为了研究方便,假设某种物体对所有波长电磁波都一视同仁,吸收率为同一个小于1的值,这种物体叫灰体;若吸收率不但一致,而且为1,即全部吸收,这种物体为绝对黑体,简称黑体。(三)辐射差额定义:自然界中的一切物体,不仅不停地向外放出辐射能,而且还不停地吸收别的物体放出的辐射能,在某一时段内,收支差额即为辐射差额额。若: 收入支出 差额为正 温度升高 收入=支出 差额为零 温度不变 收入支出 差额为负 温度降低
10、(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、维恩定律二、太阳辐射( 一)太阳辐射光谱和太阳常数1、太阳辐射光谱:按太阳辐射光线的波长顺序而成的波谱叫做太阳辐射光谱。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) 红外线光谱区(波长大于0.76m)。2、太阳常数太阳辐射通过星际空间到达地球表面,中间首先到达大气上界。在日地平均距离处在大气上界垂直于太阳光线的1平方厘米的面积上,1分钟内所获得的太阳辐射能量即为太阳辐射常数。(二)太阳辐射在大气中的衰减1、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
11、化碳和臭氧可以吸收某些波段的太阳辐射能。地面大气通过太阳辐射增温每天不足1,例如:秋天最高气温20 ,最低气温5 ,日较差15 ;可见,大气温度升高不是通过吸收太阳辐射来的。2、散射太阳辐射通过大气时遇到空气分子、尘埃、云滴等介质质点时,都要发生散射,但散射并不像吸收那样把辐射变成热能,而是改变了辐射的方向,使太阳辐射的以质点为中心向四面八方传播。因而,经过散射,一部分太阳辐射就不会沿原方向到达地面。(1)分子散射(瑞利散射)有选择性 d 散射吸收从全球平均状况来看:大气直接吸收的太阳辐射占20%;散射占到30%,只有50%到达地面被吸收。(三)到达地面的太阳辐射1、直接辐射太阳以平行光线的形
12、式直接投射到地面上的称为直接辐射其大小取决于两个条件:(1)太阳高度角(h):太阳光线和水平面的夹角。根据经验中午太阳高度角大时,太阳光强烈;早晚太阳高度角小时辐射较弱。原因:A 太阳高度角越小,等量的太阳辐射散布的面积就越大,因而地表单位面积上所获得的太阳辐射就越小。“手电筒效应”B太阳高度角越小,太阳穿过的大气层越厚,被吸收、散射、反射的能量越多,太阳辐射被减弱也较多,到达地面的太阳辐射也就少了。大气质量在地面为标准大气压时,太阳光线垂直投射到地面(h=90)所经过的路程中,规定单位面积的空气柱的质量为1个大气质量。太阳高度角小时,则大气质量数要增大。(2)大气透明度大气干净的程度。它取决
13、于大气中所含水汽、水汽凝结物和尘粒杂质的多少这些物质越多,大气透明度越差。如西北的沙尘暴遮天蔽日,飞沙走石,白天尚需电灯透明度低,而大雨大雪后的天空是澄净的大气透明度高。大气透明度可以用透明系数来表示(p)I为到达地面的太阳辐射强度I0为太阳位于天顶时的大气上界的辐射强度实质上p表示太阳辐射穿过大气后的削弱程度,若p=0.8 就表示削弱了20% ,若=1则大气透明度为 最大。综合考虑太阳高度角和大气透明度,可用布格公式表示到达地面的太阳辐射的多少,最主要是受到太阳高度角的影响。太阳直接辐射随时间空间的变化 规律:同一地点,在同一天,日出日暮时太阳高度角最小直接辐射最弱;中午太阳高度角最大直接辐
14、射最强。在一年中,夏季最强;冬季最弱。不同纬度,低纬度一年各季太阳高度角都很大,地面得到的直接辐射较中、高纬度大得多。2、散射辐射太阳高度角(h)大 散射辐射强小 散射辐射弱大气透明度(p)大 散射辐射弱小 散射辐射强3、总辐射总辐射=直接辐射+散射辐射总辐射随维纬度的分布一般是:纬度越低总辐射越大。反之,越小。一般情况下,一年中总辐射量最大的时候往往不会出现在雨季云量最大的时间。在我国北方出现在雨季到来之前的5、6月份。根据计算,考虑了纬度、大气、云的共同影响到达地面的有效辐射最大值不在赤道,而在20N热赤道。我国年总辐射量最高的地区在西藏青海、新疆、黄河流域长江流域、华南地区(四)地面对太
15、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。由此可见,即使总辐射的强度一样,不同性质的地表真正得到的太阳辐射仍有很大的差异。这也是导致地表温度分布不均匀的重要原因之一。第二节 地面和大气辐射一、地面、大气的辐射1、地面辐射: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
16、日夜不停的向外放射辐射,这就是地面辐射。2、大气辐射:大气对太阳辐射的吸收很少(24%)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。3、地面辐射与大气辐射的共同特点:根据斯蒂芬波尔兹曼定律物体温度越高放射辐射的能力越强所以太阳辐射的能力远远高于地面和大气,白天高于夜晚,也可以通过公式具体计算出大气、地面在一定温度下的辐射能量。根据维恩定律可以计算出大气、地面在自然温度幅度内的波长范围根据计算地面和大气的辐射波长范围大概在3120微米属于红外辐射其辐射能最大的波段集中在1015微米。所以将地面大气的辐射称为长波辐射。而将太阳辐射称为短波辐射。太
17、阳辐射 0.23.0m 短波辐射地面大气辐射 3120 m 长波辐射4、大气辐射的特点:(1)大气对长波辐射的吸收大气对长波辐射的吸收非常强烈大气中对长波吸收其重要作用的成分有水汽、液态水、二氧化碳、和臭氧,他们对长波辐射的吸收同样具有选择性。(2)、大气窗口:在812 m ,大气中的各种物质吸收地面长波辐射最弱因此这个波段的辐射不受阻挡,可以畅通无阻的进入宇宙空间投射率最大,而其他波段被大气中的物质吸收,不能出去,像被墙挡住一样,就像大气特地为这个波段开了一个窗口一样,所以把这个波段叫做大气窗口,即大气对这个波段无影响。这个波段的辐射,正好位于地面辐射能力最强处,所以地面辐射有20%的能量经
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