现代气候学第3章气候系统的能量平衡.ppt
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第三章气候系统的能量平衡第三章气候系统的能量平衡3.0辐射基本知识辐射基本知识3.1太阳辐射太阳辐射3.2大气中的辐射传输过程大气中的辐射传输过程3.3气候系统的辐射平衡气候系统的辐射平衡3.4地地气系统的热量平衡气系统的热量平衡3.5全球热量平衡全球热量平衡3.03.03.03.0辐射的基本知辐射的基本知辐射的基本知辐射的基本知识识识识一、辐射及其特性一、辐射及其特性一、辐射及其特性一、辐射及其特性辐射是太阳能传输到地球的唯一途径物体以辐射的方式传递交换的能量。
物体以辐射的方式传递交换的能量。
3.03.03.03.0辐射的基本知辐射的基本知辐射的基本知辐射的基本知识识识识辐射辐射辐射辐射物体以电磁波或粒子流形式向周围传递或交换能量的方式。
物体以电磁波或粒子流形式向周围传递或交换能量的方式。
辐射能辐射能辐射能辐射能电磁波谱电磁波谱名称名称波长范围波长范围紫外线紫外线100100埃埃0.40.4微米微米可见光可见光0.40.4微米微米0.760.76微微米米红红外外线线近红外近红外0.760.76微米微米3.03.0微微米米中红外中红外3.03.0微米微米6.06.0微微米米远红外远红外6.06.0微米微米1515微米微米超远红外超远红外1515微米微米10001000微微米米微微波波毫米波毫米波111010毫米毫米厘米波厘米波111010厘米厘米分米波分米波1010厘米厘米11米米色彩名称色彩名称波长范围波长范围紫紫0.400.400.430.43微微米米蓝蓝0.430.430.470.47微微米米青青0.470.470.500.50微微米米绿绿0.500.500.560.56微微米米黄黄0.560.560.590.59微微米米橙橙0.590.590.620.62微微米米红红0.620.620.760.76微微米米不同电磁波的具体波长范围不同电磁波的具体波长范围不同电磁波的具体波长范围不同电磁波的具体波长范围可见光波长范围可见光波长范围可见光波长范围可见光波长范围辐射的度量和单位辐射的度量和单位辐射的度量和单位辐射的度量和单位辐射通量、辐射通量密度辐射通量、辐射通量密度辐射通量及单位:
辐射通量及单位:
定义:
定义:
单位时间通过任意面积上的辐射能量单位时间通过任意面积上的辐射能量。
单位:
单位:
JJss-1-1或或WW辐射通量密度辐射通量密度(EE)及单位及单位定义:
定义:
单位面积上的辐射通量。
单位面积上的辐射通量。
单位:
单位:
JJss-1-1mm-2-2或或WWmm-2-2E=dF/(ds.dt)E=dF/(ds.dt)dFdsdFds辐射通量密度又被称为辐射通量密度又被称为辐射强度、辐射能力辐射强度、辐射能力或或放射能力。
放射能力。
物体对辐射的吸收、反射和透射物体对辐射的吸收、反射和透射物体对辐射的吸收、反射和透射物体对辐射的吸收、反射和透射概念概念吸收率吸收率(a)(a):
a=Qa=Qaa/Q/Q反射率反射率(r)(r):
r=Qr=Qrr/Q/Q透射率透射率(d)(d):
d=Qd=Qdd/Q/Q入射入射入射入射反射反射反射反射吸收吸收吸收吸收透射透射透射透射aaaa、rrrr、dddd的变化的变化黑体:
黑体:
对于投射到该物体上所有波长的辐射都能全部吸对于投射到该物体上所有波长的辐射都能全部吸收的物体称为收的物体称为绝对黑体绝对黑体。
故有:
。
故有:
aa,rrdd。
灰体:
灰体:
透射率透射率dd,吸收率,吸收率aa(rr),且,且aa不随不随波波长而变化长而变化的物体。
的物体。
二、辐射的基本定律二、辐射的基本定律二、辐射的基本定律二、辐射的基本定律基尔荷夫基尔荷夫基尔荷夫基尔荷夫(kirchoff)(kirchoff)(kirchoff)(kirchoff)定律定律定律定律(选择吸收定选择吸收定选择吸收定选择吸收定律律律律)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(a(a,T,T)的比值,只是温的比值,只是温度和波长的函数,而与物体的其它性质无关。
即度和波长的函数,而与物体的其它性质无关。
即:
TTTEae,EE,T,T只是波长和温度的函数。
只是波长和温度的函数。
推论推论对不同性质的物体,放射能力较强的物体,吸收能对不同性质的物体,放射能力较强的物体,吸收能力力也较强;反之,放射能力弱者,吸收能力也弱,黑体也较强;反之,放射能力弱者,吸收能力也弱,黑体的吸收能力最强,所以它也是放射能力最强的物体。
的吸收能力最强,所以它也是放射能力最强的物体。
对同一物体,如果在温度对同一物体,如果在温度TT时它放射某一波长的辐射时它放射某一波长的辐射,那么,在同一温度下它也吸收这一波长的辐射。
那么,在同一温度下它也吸收这一波长的辐射。
斯蒂芬斯蒂芬波尔兹曼波尔兹曼(Stefan-Boltzmann)(Stefan-Boltzmann)(Stefan-Boltzmann)(Stefan-Boltzmann)定律定律斯蒂芬斯蒂芬波尔兹曼波尔兹曼(Stefan-Boltzmann)(Stefan-Boltzmann)(Stefan-Boltzmann)(Stefan-Boltzmann)定律定律定律定律黑体的总放射能力黑体的总放射能力(EEEETTTT)与它本身绝对温度与它本身绝对温度(TT)的四次方成正比。
即:
的四次方成正比。
即:
EETTTT44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。
意义意义物体温度愈高,其放射能力愈强。
物体温度愈高,其放射能力愈强。
维恩维恩维恩维恩(Wien)(Wien)(Wien)(Wien)位移定律位移定律位移定律位移定律从图中还可看出,黑色单体辐射极大值所对应的从图中还可看出,黑色单体辐射极大值所对应的波长是随温度升高而逐渐向波长较短的方向移动波长是随温度升高而逐渐向波长较短的方向移动mmC/TC/T或或mmT=CT=C如果波长以如果波长以nmnmnmnm为单位,则常数为单位,则常数CCCC2,8972,8972,8972,897101010103333nmnmnmnmK,K,K,K,于是上式为:
于是上式为:
维恩维恩维恩维恩(Wien)(Wien)(Wien)(Wien)位移定律位移定律位移定律位移定律定律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(mm)与其本身的与其本身的绝对温度绝对温度(TT)成反比。
即:
成反比。
即:
mmTT28971028971033nmKnmK本定律由本定律由德国德国物理学家物理学家威廉威廉维恩维恩(WilhelmWien)于于1893年年通过对实验数据的经验总结提出通过对实验数据的经验总结提出不同温度下黑体辐射强度与温度的关系不同温度下黑体辐射强度与温度的关系不同温度下黑体辐射强度与温度的关系不同温度下黑体辐射强度与温度的关系意义意义物体的温度愈高,物体的温度愈高,放射能量最大值放射能量最大值的波长愈短,随的波长愈短,随着物体温度不断着物体温度不断增高,最大辐射增高,最大辐射波长由长向短位波长由长向短位移。
移。
太阳辐射是短太阳辐射是短波波辐射,人、地辐射,人、地面和大气辐射面和大气辐射是长波辐射。
是长波辐射。
例如:
通过例如:
通过测定星体的谱线测定星体的谱线的分布来确定其的分布来确定其热力学温热力学温度度;也可以通过比较物体表面不同区域的颜色变化情;也可以通过比较物体表面不同区域的颜色变化情况,来确定物体表面的温度分布,这种以图形表示出况,来确定物体表面的温度分布,这种以图形表示出热力学温度分布又称为热力学温度分布又称为热象图热象图。
利用热象图的遥感技。
利用热象图的遥感技术可以监测森林防火,也可以用来监测人体某些部位术可以监测森林防火,也可以用来监测人体某些部位的病变。
热象图的应用范围日益广泛,在宇航、工业的病变。
热象图的应用范围日益广泛,在宇航、工业、医学、军事等方面应用前景很好。
、医学、军事等方面应用前景很好。
维恩维恩(Wien)(Wien)(Wien)(Wien)位移定律的应位移定律的应用用地球上的经线和纬线纬线纬线:
垂直于地轴的平面同地球相割而成的圆:
垂直于地轴的平面同地球相割而成的圆经线经线:
南北线(子午线):
南北线(子午线)本初子午线本初子午线:
通过英国通过英国Greenwich(格林尼治格林尼治)天文台的天文台的0经线(经线(1884年确定)。
年确定)。
3.13.13.13.1太阳辐射太阳辐射太阳辐射太阳辐射预备知识纬线和经线纬线和经线纬线平面垂直于地轴,经线平面都通过地轴经度和纬度经度和纬度纬度纬度:
一地相对于赤道平面的南北方向和角度一地相对于赤道平面的南北方向和角度纬度是一种线面角,即本地法线与赤道平面的交角;纬度是一种线面角,即本地法线与赤道平面的交角;纬度在本地经线上度量,南北纬各分纬度在本地经线上度量,南北纬各分90度。
共度。
共180度(度(-90,90)经度经度:
本地子午面的东西方向和角距离本地子午面的东西方向和角距离经度经度是两面角,本初子午面为起始面,是两面角,本初子午面为起始面,本地子午面为终面;本地子午面为终面;经度通常在赤道上度量,东西经各分经度通常在赤道上度量,东西经各分180度。
度。
共共360度(度(-180,180),或者(),或者(0,360)经度和纬度经度和纬度纬度是线面角,即本地法线与赤道平面的交角;经度是两面角,即本地子午面与本初子午面的交角。
经线的间隔随纬度增大而减小经线的间隔随纬度增大而减小EastChinaNormalUniversity地球的赤道平面与黄道平面并不重合,而是有一个交角(二面角),就是地球的赤道平面与黄道平面并不重合,而是有一个交角(二面角),就是黄赤交角黄赤交角。
在公元在公元2000年,这个交角为年,这个交角为232621。
黄道平面:
地球绕太阳公转的轨道平面黄道平面:
地球绕太阳公转的轨道平面四季的形成四季的形成四季的形成四季的形成热带热带北温带北温带南温带南温带北寒带北寒带南寒带南寒带N2723N3366S3366S27230北极圈北极圈北回归线北回归线赤道赤道南回归线南回归线南极圈南极圈地球的五带地球的五带地球围绕太阳的公转导致了地球出现了,地球围绕太阳的公转导致了地球出现了,季节变化、日辐射总量的变化(日出、季节变化、日辐射总量的变化(日出、日落时间的变化)日落时间的变化)太阳常数太阳常数1)太阳光谱太阳光谱2)日地距离日地距离3)太阳辐射强度太阳辐射强度第一节第一节太阳辐射三、太阳辐射光谱三、太阳辐射光谱三、太阳辐射光谱三、太阳辐射光谱定定定定义义义义太阳辐射能随波长的分布曲线。
太阳辐射能随波长的分布曲线。
大气上界的太阳辐射光谱大气上界的太阳辐射光谱大气上界的太阳辐射光谱大气上界的太阳辐射光谱图中:
图中:
实线是大气上界实线是大气上界的太阳辐射光谱的太阳辐射光谱;虚线是温度在虚线是温度在6,000K6,000K时的黑体时的黑体辐射光谱。
辐射光谱。
太阳表面温度约6000oC,其发出的能量基本为短波辐射短波辐射地球公转示意图地球公转示意图1月月3日日7月月4日日日地平均距离日地平均距离:
r0=1.496108km近日点日地距离:
近日点日地距离:
1.471108km远日点日地距离:
远日点日地距离:
1.521108km一、太阳辐射强度和太阳常数一、太阳辐射强度和太阳常数一、太阳辐射强度和太阳常数一、太阳辐射强度和太阳常数太阳辐射强度太阳辐射强度太阳辐射强度太阳辐
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- 现代 气候学 气候 系统 能量 平衡
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