第2章辐射与热量平衡 (2)精选PPT.ppt

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1、第2章辐射与热量平衡(2)第1页，此课件共53页哦 自然界中一切物理过程和现象，乃至生命活动和现象，都直接或间接地以辐射能为能源基础，辐射能包括太阳辐射、地面辐射和大气辐射。Visible light第2章 辐射与热量平衡2.1 辐射的基础知识2.1.1 辐射与辐射能第2页，此课件共53页哦X-raysl 10nmUltraviolet(UV)10 l 400nmVisible0.4 l 0.7mNear-Infrared(Near-IR)0.7 l 3.5mMiddle-IR3.5 l 30mFar-IR30 l 100mMicrowave1mml1m各种辐射的波长范围第3页，此课件共53页

2、哦辐射的度量 (1)辐射通量和辐射通量密度：单位时间内通过任一表面的辐射能称为辐射通量，单位W，或J/s；辐射通量除以辐射所通过的面积则称为辐射通量密度，用F 表示，单位W/m2。第2章 辐射与热量平衡 例如，太阳辐射通量约为3.9X1026W，太阳半径约为7X108m，则太阳表面辐射通量密度为2.1 辐射的基础知识2.1.1 辐射与辐射能第4页，此课件共53页哦辐射的度量 （2）辐射强度（I）：在单位时间(t)、单位立体角()内，垂直通过任意单位面积的辐射能(F)，称为该方向的辐射强度，单位为W m-2 sr-1；第2章 辐射与热量平衡2.1 辐射的基础知识2.1.1 辐射与辐射能SFI光源

3、n第5页，此课件共53页哦辐射的度量（3）辐射通量密度（F）与辐射强度（I）关系：第2章 辐射与热量平衡 设沿一定方向通过任意单位面积，在d立体角内的辐射能为dF，则于是所以，对于各向同性的辐射，辐射通量密度等于辐射强度的 倍。2.1 辐射的基础知识2.1.1 辐射与辐射能dFI第6页，此课件共53页哦附：立体角定义沿整个球面积分，得整个球体立体角o第2章 辐射与热量平衡立体角单位为立体弧度（steradians,sr）r球坐标系中，立体角定义为球面面积与半径平方之比。若立体角元为 ，球面面积元dA，则 rdldd=dl/r立体角与平面角的比较第7页，此课件共53页哦普朗克函数（The Pla

4、nck Function）：单色波黑体辐射强度I*)与其温度(T)和辐射的波长()之间具有如下的关系：其中，h、k及c 依次为普朗克常数、Boltzmann常数及光速:第2章 辐射与热量平衡太阳辐射地球辐射2.1 辐射的基础知识2.1.1 辐射与辐射能第8页，此课件共53页哦Stefan-Boltzmann定律：将单色波黑体辐射强度I*对波长()积分，得黑体辐射强度（I*），即 上式称为Stefan-Boltzmann定律。表明物体温度越高，其放射能力越强。因黑体辐射为各向同性，根据辐射通量和辐射强度的关系，得黑体辐射通量密度E*，为。推论：根据Stefan-Boltzmann定律计算的温度称

5、为等效黑体温度或亮度温度（Brightness temperature）TB。第2章 辐射与热量平衡2.1 辐射的基础知识2.1.1 辐射与辐射能第9页，此课件共53页哦基尔霍夫(Kirchhoff)定律：基尔霍夫(Kirchhoff)定律：任何物体对一定波长()的比辐射率与其对同一波长的吸收率a相等，即 意义：若物体能强烈吸收某一波长的辐射，则一定也能强烈发射同一波长的辐射。任何物体的辐射通量密度E与同温度下黑体辐射通量密度E*之比，称为比辐射率，即 第2章 辐射与热量平衡2.1 辐射的基础知识2.1.1 辐射与辐射能 作用：任意物体的辐射强度等于黑体辐射强度与其比辐射率之积，即吸收率反射率

6、比辐射率T第10页，此课件共53页哦Wien定律：黑体辐射的光谱强度（单色辐射能力）最大值对应的波长（m）与其热力学温度(T)成反比，其中，常数C=2897103 nm K 太阳辐射(短波辐射):T=6000K,则m=480nm;地球辐射(长波辐射):T=288K,则m=10.1103nm;太阳辐射地球辐射第2章 辐射与热量平衡2.1 辐射的基础知识2.1.1 辐射与辐射能第11页，此课件共53页哦太阳辐射光谱：即太阳辐射能随波长的分布，与T=6000K的黑体光谱相似。6000K黑体光谱大气上界太阳光谱波长范围：0.15m4m可见光0.40.76m，50%；红外线0.76m，43%；紫外线0.

7、4m，7%。第2章 辐射与热量平衡2.2 太阳辐射2.2.1 太阳辐射光谱和太阳常数第12页，此课件共53页哦太阳常数(I0)：大气上界的太阳辐射的取决于太阳及其与地球间的天文位置（日地距离、太阳高度角及白昼长度），因此，太阳辐射也称天文辐射。当日地平均距离时，大气上界垂直于太阳光线的单位面积上单位时间内获得的太阳辐射能量，称为太阳常数I0，I0=1370W/m2。第2章 辐射与热量平衡2.2 太阳辐射2.2.1 太阳辐射光谱和太阳常数第13页，此课件共53页哦天文辐射影响因素：日地距离：天文辐射与日地距离的平方成反比，若日地平均距离为r0，则实际距离为r时的天文辐射强度I为：第2章 辐射与热

8、量平衡2.2 太阳辐射2.2.2 到达大气上界的太阳辐射近日点远日点-3.5%+3.5%或第14页，此课件共53页哦第2章 辐射与热量平衡2.2 太阳辐射2.2.2 到达大气上界的太阳辐射 太阳高度角：即太阳光线与水平面之间的夹角，变化范围随季节、纬度及时间而不同。Ih天文辐射影响因素：第15页，此课件共53页哦hI 太阳光线地面 公式：地理纬度（-9090）太阳赤纬（-23.5 23.5）时角（-180 180）水平面上太阳辐射强度I：其中，dt为时间，dQs为该时间内单位水平面积上的太阳辐射能。2.2 太阳辐射2.2.2 到达大气上界的太阳辐射天文辐射影响因素：第16页，此课件共53页哦相

9、关天文学知识 天体视运动ZEZ =纬度SES =日赤纬ZES =日时角正午=0午前0春分夏至冬至E秋分日时圈rZZ北天极南天极SS天子午圈天赤道黄道第17页，此课件共53页哦第2章 辐射与热量平衡 白昼长度：即从日出到日落的时间间隔。公式：令 则 其中，-0为日出时角，0为日落时角，20为白昼长度，表示天文辐射的可照时间，随纬度和太阳赤纬而变。2.2 太阳辐射2.2.2 到达大气上界的太阳辐射天文辐射影响因素：第18页，此课件共53页哦 太阳赤纬和日地相对距离与季节有关，时角与纬度和季节有关，因此，天文辐射Qs的理论分布决定于季节和纬度（图2-7）：赤道上一年内Qs变化很小；南、北极年变化最大

10、，夏季出现极昼、冬季出现极夜；夏半年（3月9月）高低纬度之间的差值较小。冬半年（1-3月9-12月）高低纬度之间的差值大。天文辐射的理论分布规律第2章 辐射与热量平衡2.2 太阳辐射2.2.2 到达大气上界的太阳辐射 任意地点一天内单位面积水平面上的太阳辐射能：Qs(Jm-2d-1)第19页，此课件共53页哦（1）大气吸收 选择性：大气只吸收特定波段的太阳辐射。O2强烈吸收0，地面升温；夜晚R0，地面热盈余；高纬度R0；35N以北和35S以南，Re0。因此，为维持能量平衡，需将低纬地区盈余的热量输送至高纬地区，这种热量的输送主要是由大气环流和海洋环流来完成。大气Q总地面FSa2.4 地面及地-

11、气系统的辐射差额2.4.2 地气系统的辐射差额第39页，此课件共53页哦全球年均辐射差额分布Latitudinal Variation of the Radiation Balance 第40页，此课件共53页哦 全球年均地面太阳辐射分布Annual global distribution of insolation(kcal/cm2)Q总=Q总(1-A)=(S+D)(1-A)第41页，此课件共53页哦全球年均地面辐射差额分布Annual global distribution of net radiation(Kcal/cm2)R=Q总总-F 第42页，此课件共53页哦第二章大气的热能和温度

12、定义：R+LE+P+A=0陆地表面：R+LE+P=0沙漠地区：R+P=0海洋：R+LE+P+C=0 特点：上述平衡方程是多年平均结果，方程中各项具有明显日、年等变化，因此，特定时段内热量通常并不平衡，表现为局部时段内的升温或降温。大气地面R2.5 地面热量平衡地-气系统的热量收支2.5.1 地面热量平衡方程LEPCBA=B+C第43页，此课件共53页哦2.5 地面热量平衡地-气系统的热量收支2.5.2 地气系统的热量收支第44页，此课件共53页哦全球地-气热交换Global distribution of sensible heat 第45页，此课件共53页哦全球蒸发潜热分布Global di

13、stribution of latent heat.第46页，此课件共53页哦反射率不同 陆面反射率比水面的大约 1020；第二章大气的热能和温度热传导差异 海水易流动、热传导快；蒸发量差异 海面蒸发远大于陆面蒸发；热容量差异 海水热容量远大于陆地。2.6 地面温度和大气温度的分布变化2.6.1 水陆热力差异第47页，此课件共53页哦第二章大气的热能和温度（1）大气传热方式辐射：近地面大气对太阳短波辐射直接吸收很少，主要吸收地面有效辐射。热传导：空气与下垫面、相邻空气层之间，通过分子热运动进行的热量交换，又称感热交换/Sensible Heat Transfer(H)。对流/平流：空气垂直运动

14、/水平运动所引起的热量输送。湍流：空气与下垫面、相邻空气层之间，通过空气不规则运动（湍流）进行的热量交换。蒸发和凝结：下垫面上水分（主要是海洋）蒸发时吸收其热量，这部分热量以潜热形式随水汽向上输送，在高空当水汽凝结时，潜热释放，从而大气间接地从下垫面或周围空气获得热量。2.6 地面温度和大气温度的分布变化2.6.2 气温的时间变化第48页，此课件共53页哦第二章大气的热能和温度（2）日变化2.6 地面温度和大气温度的分布变化2.6.2 气温的时间变化特点：昼高夜低，最高和最低温度，最高气温出现在14点左右，最低气温出现在清晨4点左右。日较差：一日中最高气温与最低气温之差。低纬高纬；陆上海上；夏

15、季冬季；晴天阴天；低海拨高海拨。第49页，此课件共53页哦第二章大气的热能和温度（3）年变化特点：夏高冬低，月平均气温有一个最高值和一个最低值。陆地：北半球七月最高、一月最低，南半球相反；海洋：比陆地迟后一个月左右。年较差：一年中月平均最高气温与月平均最低气温之差。年变化影响因素：高纬低纬；陆海；低海拔高海拔；2.6 地面温度和大气温度的分布变化2.6.2 气温的时间变化第50页，此课件共53页哦第二章大气的热能和温度2.6 地面温度和大气温度的分布变化2.6.3 气温的地理分布表示法：等温线地面上气温相等的各地点的连线，其疏密程度（温度梯度）等走向等可反映气温空间分布；走向等可反映气温空间分

16、布；影响因素：纬度、海陆和高度；纬度、海陆和高度；分布特征：赤道地区气温高，向两极逐渐降低；赤道地区气温高，向两极逐渐降低；冬季，北半球等温线在大陆上大致凸向赤道，在海洋上大致凸向极冬季，北半球等温线在大陆上大致凸向赤道，在海洋上大致凸向极地，而夏季相反；地，而夏季相反；“热赤道热赤道”并不位于地理赤道，冬季在并不位于地理赤道，冬季在510N 510N 处，夏季移到处，夏季移到20N 20N 左右；左右；“冷极冷极”南半球不论冬夏都在南极，北半球仅夏季在北极附近，而冬季出现南半球不论冬夏都在南极，北半球仅夏季在北极附近，而冬季出现在东西伯利亚和格陵兰地区。在东西伯利亚和格陵兰地区。第51页，此课件共53页哦1月第52页，此课件共53页哦7月第53页，此课件共53页哦