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1、本 章 内 容,大气热量传输,大气的吸收、发射与温室效应,大气辐射与地球能量平衡,第四章 大气系统的 能量收支与平衡,3.1 大气热量传输,太阳-电磁辐射，一年地球可获得5.510的24 方J的能量。认为太阳辐射能是地面和大气的唯一能量来源。,温度表示物体的冷热程度，是物体分子平均动能的反应。 对其加热时，空气分子运动速度加快，同时也将运动更远的距离，结果是空气的密度减小。相反，如果将这块空气冷却，分子运动速度减慢，分子之间也更加接近，从而使空气密度增大。 暖空气密度小、冷空气密度大的特性 。,一 潜热,水的相变 相变过程所需要的热能称为潜热 潜热，“固定”、温度不变 融化、蒸发、升华过程使环
2、境空气温度下降。 凝结、冻结、凝华过程使环境空气温度升高。,在1个大气压0的情况下，1千克质量的冰转变成同温度的水，要吸收79.6千卡的热量。 升华热在数值上与熔解热和汽化热之和相等 。 潜热是大气能量的重要来源之一。,二 传导,以物质作为介质的热量传递方式称为传导。 物质热传导率(W/m. ) 表 物质的热传导率,三，对流,通过流体（如水和空气）的运动进行的热量传递方式称为对流。 通过空气的水平运动产生的空气属性的输送被称为平流。,四，辐射,下面一些重要的事实和规律需要我们首先掌握： 1所有物体（温度大于绝对零度），无论其大小如何，都向外发出辐射。 2一个物体发出辐射的波长主要取决于它的温度
3、。物体温度越高，发出辐射的波长越短。同样道理，物体温度越高，发出的辐射能最大值所对应的波长也越短。这个辐射波长与温度的关系称维恩定律（或维恩位移定律）： maxT=2897( umK),3面积相同的高温物体与低温物体相比，在相同时间内发射的总辐射能更多。对同一物体来说，随着其温度升高，单位时间内也将向外界发射更多的总辐射能。这种物体发射的总辐射能与温度的关系，称为斯蒂芬玻尔兹曼定律 式中= 5.67xl0-8 Wm-2K-4，称为斯蒂芬玻尔兹曼常数。,太阳辐射,3.2大气的吸收、发射与温室效应,物体吸收和释放的能量相等时，其温度保持不变。 黑体：物体完全吸收体，又是完全发射体。 灰体 地球吸收
4、太阳辐射和发射长波辐射的速率相等，辐射平衡温度保持不变。地球相应的辐射平衡温度约为255K（-18），而地球表面平均温度(288K，15)。？,一，大气的选择性吸收与温室效应,水汽(H20)和二氧化碳(C02)强烈吸收红外辐射，但很少吸收太阳辐射中的可见光部分。大气中吸收相对较弱的选择性吸收气体还有一氧化二氮(N20)、甲烷(CH4)和臭氧(03，主要存在于平流层)等，它们在大气中的含量远小于水汽和二氧化碳。 增大空气的平均动能，结果使得气温增高。地球表面发射的大部分红外辐射被用于低层大气的增暖。,图 大气的吸收谱（引自Miller，1966）,图1 大气层外和海平面上的太阳辐射通量与6000
5、K黑体辐射的比,水汽和二氧化碳除了选择性吸收之外，同时选择性地向各个方向发射红外辐射，其中一部分朝向地球的辐射可能到达地球表面并被吸收，从而使地表温度升高。同时地表向上发射的红外辐射又被低层大气吸收，使近地层大气增温。 大气的垂直结构。 “温室效应”、大气效应、大气温室效应。,8至11微米，大气窗口。 当有云存在时，关闭了大气窗口。 云的存在往往使夜间温度升高而白天温度降低。 使地球表面的温度保持在一个适宜的水平。,二，温室效应的增强,基本上达成共识，认为过去100年来地球表面气温大约升高了0.60C。 全球变暖的主要原因是化石燃料燃烧和森林砍伐导致二氧化碳这一温室气体浓度的不断升高。然而，其
6、他一些温室气体(如甲烷(CH4)，氧化亚氮(N20)氯氟烃化合物(CFC)等）的浓度在近年来也在不断升高，这些气体共同产生的温室效应也相当可观。 CH4和N20能强烈吸收红外辐射，氯氟烃化合物中的CFC-12能吸收811微米大气窗区的辐射。从对红外辐射的吸收能力来看，大气中一个CFC-12分子的作用相当于大气中增加了1万个二氧化碳分子。,总体而言，水汽在大气温室效应中起到约60%的作用，二氧化碳的作用约占26%，其他温室气体的作用约占14%。 水汽的反馈 云、海洋的反馈,近万年来全球大气温室气体浓度变化到2005年,二氧化碳379ppm甲烷1774ppb氧化亚氮319ppb,( IPCC AR
7、4, 2007 ),2005年二氧化碳浓度远超过近65万年以来的自然变化（180-330ppm），其在近十年的增长速率为每年1.9ppm，高于有连续直接观测以来的平均每年1.4ppm。 2005年甲烷浓度远超过近65万年以来的自然变化（320-790ppb），自20世纪90年代以来，其增长速率已下降。 2005年氧化亚氮浓度为319ppb，远高于工业化前的约270ppb，其增长速率自1980年以来已大致稳定。,温度距平(),年距今,人类活动扰动,目前的CO2浓度是42万年来的最大值。 83万年来，仍是最大值,( redrew from Petit et al. 1999 ),南极东方站（Vos
8、tok）测量的 大气CO2浓度变化,（IPCC，2001）,工业化（1750年）以来，大气中温室气体明显增加。,年,1000,1200,1400,1600,1800,2000,280,300,320,340,360,浓度,(ppmv),CO2,南极Law Dome冰芯资料显示的近1000年大气CO2浓度,（IPCC，2001）,浓度,CO2,(ppmv),2003年5月已达到379ppmv (百万分之一体积)。CO2浓度2006年已达到382.49ppmv。过去10年中大气CO2浓度以1.8ppmv/年 的速率增长，而过去50年平均仅为1ppmv/年。,379 ppmv,（IPCC，2001）
9、,中国气象局瓦里关全球大气本底站 大气CO2浓度测量结果,CO2浓度2006年已高达384.65ppmv。年增长率1.77ppmv,Baseline station at Waliguan, West China,(CAMS/CMA),瓦里关和Manna Loa的甲烷测量比较,2006年CH4浓度 上线：瓦里关：1861.06ppb，年增长率：4.25ppb/yr。 下线：Mauna Loa ：1809.05ppb，年增长率：3.74ppb/yr。,(CAMS/CMA),1979-2005年地表（上左），对流层（上右）线性全球温度趋势分布。下图是年全球平均温度曲线（点）。 红线是线性趋势（18
10、50-2005）。仪器观测头70年（1850-1919）到最近5年（2001-2005）的温度变化为0.780.18,(IPCC,AR4,2007),平流层下部,对流层中上部,对流层下部,地表,IPCC AR4,大气气温各层的变化,2004年5月28日全球同步放映美国大片,后天,剧情：研究气候变化的科学家哈尔教授，他根据观测和研究古气候的规律，提出严重的温室效应将造成气温剧降，地球将再次进入冰河世纪的假设。结果，这个预言变成了现实，龙卷风、海啸和暴风雪接踵而至，人类陷入了一场空前的末日浩劫。,2004年5月28日全球同步放映美国大片后天该片的科学依据是有一天由于气候变暖，使温盐环流关闭。,三，
11、地面加热空气,太阳辐射向下传输时受大气的影响较小，到达地面后首先加热地面。 传导从地面获得能量并向上运动。 地面以上几厘米厚的贴地气层。 暖空气上升和冷空气下沉形成热泡，对流将热量向上传递到较高的高度。 水汽凝结为云滴，并释放出潜热使空气温度升高。 与此同时，地球持续地向上发射红外辐射，一部分被温室气体（如水汽、二氧化碳等）吸收 低层大气的增温是从地面开始的。,3.3太阳辐射与地球能量平衡,一，散射与反射 太阳常数取为1367W/m2 太阳辐射进入大气层后将与大气发生多种相互作用。 吸收、散射。 由于空气分子的大小远远小于可见光的波长，它们散射波长较短的辐射（如蓝光）远比散射波长较长的辐射（如红光）更有效。 天空是蓝色的。 正午太阳颜色就接近白色。 在日出和日落时，看到的太阳呈红、黄色。,有选择性,当太阳辐射在大气中遇到空气分子或微小尘埃,阳光还会被物体反射。 反照率指给定表面反射的辐射与入射辐射的百分比 表2-3-2不同表面的太阳辐射反照率 表面 反照率(%) 地气系统 30 新雪 75-95 砂地 15-45 云层（厚）60-90 火星 17 云层（薄）30-50 草地10-30 金星 78 干的耕地 5-20 冰面 30-40 水面 10 森林 3-10 月球 7,二，地球能量平衡,Thank you !,