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1、气象学与气候学气象学与气候学第二讲第二讲水文与水资源水文与水资源1111级级20122012学年第一学期学年第一学期水文与水资源工程专业 朱君君第二章第二章 大气的热能和温度大气的热能和温度第一节第一节 辐射的基本知识辐射的基本知识1、辐射与辐射能、辐射与辐射能v辐射：一切物体以电磁波的形式向外放射热能，这种传递能量的方式就称为辐射：一切物体以电磁波的形式向外放射热能，这种传递能量的方式就称为辐射辐射v辐射能：物体通过辐射放出的能量辐射能：物体通过辐射放出的能量水文与水资源工程专业 朱君君第二章第二章 辐射与热量平衡辐射与热量平衡第一节第一节 辐射的基本知识辐射的基本知识辐射与辐射能辐射与辐射
2、能v辐射通量密度（辐射通量密度（E）、入射辐射通量密度、放射辐射通量密度）、入射辐射通量密度、放射辐射通量密度v辐射强度（辐射强度（I）辐射强度与辐射通量密度的关系：辐射强度与辐射通量密度的关系：水文与水资源工程专业 朱君君第二章第二章 辐射与热量平衡辐射与热量平衡第一节第一节 辐射的基本知识辐射的基本知识辐射光谱辐射光谱v分光辐射出射度（单色辐射通量密度）分光辐射出射度（单色辐射通量密度）v辐射光谱曲线辐射光谱曲线v总辐射能：总辐射能：水文与水资源工程专业 朱君君第二章第二章 辐射与热量平衡辐射与热量平衡第一节第一节 辐射的基本知识辐射的基本知识物体对辐射的吸收、反射和透射物体对辐射的吸收、
3、反射和透射水文与水资源工程专业 朱君君第二章第二章 辐射与热量平衡辐射与热量平衡第一节第一节 辐射的基本知识辐射的基本知识v1 普朗克定律v相关概念：绝对黑体v 能够全部吸收投射到物体上的各种波长的电磁波的物体。v普朗克导出绝对黑体的辐射强度与波长和温度的关系。水文与水资源工程专业 朱君君水文与水资源工程专业 朱君君第二章第二章 辐射与热量平衡辐射与热量平衡第一节第一节 辐射的基本知识辐射的基本知识有关辐射的基本定律有关辐射的基本定律基尔荷夫（基尔荷夫（Kirchhoff）定律）定律（2.6）式可写成（）式可写成（2.9）式）式 表明表明：某温度、某波长的一个物体的辐射强度与其吸收率之比值等于
4、同温度、同波长时的：某温度、某波长的一个物体的辐射强度与其吸收率之比值等于同温度、同波长时的黑体辐射强度。黑体辐射强度。同温度下可写成（同温度下可写成（2.10）式）式 表明表明：在辐射平衡条件下，一物体在某波长：在辐射平衡条件下，一物体在某波长的辐射强度和对该波长的吸收率之比值与物的辐射强度和对该波长的吸收率之比值与物体的性质无关对所有物体来讲，这一比值只是某波长体的性质无关对所有物体来讲，这一比值只是某波长和温度和温度T的函数。的函数。从（从（2.6）式可得（）式可得（2.11）式）式 表明表明：基尔荷夫定律把：基尔荷夫定律把般物体的辐射、吸收与黑体辐射联系起来，从而有可能通过对黑般物体的
5、辐射、吸收与黑体辐射联系起来，从而有可能通过对黑体辐时的研究来了解一般物体的辐射。体辐时的研究来了解一般物体的辐射。水文与水资源工程专业 朱君君第二章第二章 辐射与热量平衡辐射与热量平衡第一节第一节 辐射的基本定律辐射的基本定律2、有关辐射的基本定律有关辐射的基本定律维恩（维恩（Wein）位移定律）位移定律见式（见式（2.13）水文与水资源工程专业 朱君君第二章第二章 大气的热能和温度大气的热能和温度第一节第一节 太阳辐射太阳辐射辐射的基本知识辐射的基本知识3、有关辐射的基本定律、有关辐射的基本定律斯蒂芬（斯蒂芬（Stefan）-玻尔兹曼（玻尔兹曼（Boltzman）定）定律律水文与水资源工程
6、专业 朱君君第二章第二章 辐射与热量平衡辐射与热量平衡第一节第一节 辐射的基本知识辐射的基本知识4、相关概念：吸收率（物体所吸收的辐射能量与投射到物体上的总的能量之比）、相关概念：吸收率（物体所吸收的辐射能量与投射到物体上的总的能量之比）反射率：被物体反射出去的辐射能与投射到物体上的总的辐射能之比。反射率：被物体反射出去的辐射能与投射到物体上的总的辐射能之比。比辐射率：物体的辐射通量密度与同温下黑体的辐射通量密度之比。比辐射率：物体的辐射通量密度与同温下黑体的辐射通量密度之比。基尔霍夫证明：基尔霍夫证明：比辐射率比辐射率=吸收率（同一波长）吸收率（同一波长）在一定波长、一定温度下，一个物体的吸
7、收率等于该物体同温度、同波长的放射率。即对不同在一定波长、一定温度下，一个物体的吸收率等于该物体同温度、同波长的放射率。即对不同物体，辐射能力强的物质，其吸收能力也强。辐射能力弱的物质，其吸收能力也弱。物体，辐射能力强的物质，其吸收能力也强。辐射能力弱的物质，其吸收能力也弱。黑体吸收能力最强，所以它也是最好的放射体。黑体吸收能力最强，所以它也是最好的放射体。水文与水资源工程专业 朱君君第二章第二章 辐射与热量平衡辐射与热量平衡第二节第二节 太阳辐射太阳辐射1、太阳辐射光谱和太阳常数太阳辐射光谱和太阳常数概念：太阳辐射光谱 紫外线：7%红外线：43%可见光：50%太阳常数的定义与数值：太阳常数的
8、定义与数值：地球大气上界，垂直于太阳光地球大气上界，垂直于太阳光线单位面积上，单位时间内线单位面积上，单位时间内获得的辐射能。获得的辐射能。水文与水资源工程专业 朱君君第二章第二章 辐射与热量平衡辐射与热量平衡第二节第二节 太阳辐射太阳辐射v2、达到地球上界的太阳辐射v影响因素：v 日地距离v 太阳高度角v 白昼长度水文与水资源工程专业 朱君君水文与水资源工程专业 朱君君第二章第二章 辐射与热量平衡辐射与热量平衡第二节第二节 太阳辐射太阳辐射2.2.3、太阳辐射、太阳辐射太阳辐射在大气中的减弱太阳辐射在大气中的减弱主要变化有：主要变化有：(1)总辐射能有明显地减弱；总辐射能有明显地减弱；(2)
9、辐射能随波长的分布变得极不规则；辐射能随波长的分布变得极不规则；(3)波长短的辐射能减弱得更为显著。波长短的辐射能减弱得更为显著。水文与水资源工程专业 朱君君第二章第二章 辐射与热量平衡辐射与热量平衡第二节第二节 太阳辐射太阳辐射2.2.3、太阳辐射、太阳辐射太阳辐射在大气中的减弱太阳辐射在大气中的减弱(1)大气对太阳辐射的吸收大气对太阳辐射的吸收(2)大气对太阳辐射的散射大气对太阳辐射的散射分子（瑞利）散射（选择性）和大颗粒散射分子（瑞利）散射（选择性）和大颗粒散射（米散射）（非选择性）（米散射）（非选择性）(3)大气的云层对太阳辐射的反射大气的云层对太阳辐射的反射v问题问题:为什么乘飞机到
10、为什么乘飞机到2万公尺高空万公尺高空,天空就不再是蓝色天空就不再是蓝色,而变为暗黑色而变为暗黑色?即使在即使在低空低空,天空蓝色也有各种变化天空蓝色也有各种变化,为什么为什么?v问题问题：为何雨后天空呈青蓝色？空中尘粒或水滴较多时为何太空呈灰白色？：为何雨后天空呈青蓝色？空中尘粒或水滴较多时为何太空呈灰白色？水文与水资源工程专业 朱君君第二章第二章 辐射与热量平衡辐射与热量平衡第二节第二节 太阳辐射太阳辐射2.2.4、到达地面的太阳辐射到达地面的太阳辐射直接辐射直接辐射（1）定义）定义（2）影响因素）影响因素太阳高度角（太阳高度角（h）水文与水资源工程专业 朱君君第二章第二章 辐射与热量平衡辐
11、射与热量平衡第二节第二节 太阳辐射太阳辐射太阳辐射太阳辐射到达地面的太阳辐射到达地面的太阳辐射直接辐射直接辐射（2）影响因素）影响因素大气透明度（大气透明度（p）水汽水汽、云量、云量、杂质杂质水文与水资源工程专业 朱君君第二章第二章 辐射与热量平衡辐射与热量平衡第二节第二节 太阳辐射太阳辐射太阳辐射太阳辐射到达地面的太阳辐射到达地面的太阳辐射直接辐射直接辐射（3）变化规律：随太阳高度角加大（日变化，年变化）而增大，随纬度变化而变化。）变化规律：随太阳高度角加大（日变化，年变化）而增大，随纬度变化而变化。水文与水资源工程专业 朱君君第二章第二章 辐射与热量平衡辐射与热量平衡第二节第二节 太阳辐射
12、太阳辐射太阳辐射太阳辐射到达地面的太阳辐射到达地面的太阳辐射散射辐射散射辐射（1）定义）定义（2）影响因素）影响因素（3）变化规律：随太阳高度加大（日变化，年变化）而增大，随大气透明）变化规律：随太阳高度加大（日变化，年变化）而增大，随大气透明系数减少而增强，随云量变化而变化。系数减少而增强，随云量变化而变化。问题问题：为什么一年内夏季和一日内中午前后，散射辐射最强？阴天又比：为什么一年内夏季和一日内中午前后，散射辐射最强？阴天又比 晴天散射辐射大得多？晴天散射辐射大得多？水文与水资源工程专业 朱君君第二章第二章 辐射与热量平衡辐射与热量平衡第二节第二节 太阳辐射太阳辐射太阳辐射太阳辐射到达地
13、面的太阳辐射到达地面的太阳辐射总辐射总辐射（1）定义）定义（2）影响因素）影响因素（3）变化规律：和直接辐射变化相类似）变化规律：和直接辐射变化相类似 水文与水资源工程专业 朱君君水文与水资源工程专业 朱君君第二章第二章 辐射与热量平衡辐射与热量平衡第二节第二节 太阳辐射太阳辐射2.2.5、太阳辐射、太阳辐射地面对太阳辐射的反射地面对太阳辐射的反射 地表对太阳辐射的反射率，决定于地表面的性质和状态。地表对太阳辐射的反射率，决定于地表面的性质和状态。水文与水资源工程专业 朱君君第二章第二章 辐射与热量平衡辐射与热量平衡第三节第三节 地面和大气的辐射地面和大气的辐射地面、大气的辐射和地面有效辐射地
14、面、大气的辐射和地面有效辐射地面和大气辐射的表示地面和大气辐射的表示运用斯蒂芬运用斯蒂芬波耳兹曼定律，可写成波耳兹曼定律，可写成 当地面温度为当地面温度为15，根据维恩定律可算得，根据维恩定律可算得结论：地面和大气的辐射为长波辐射结论：地面和大气的辐射为长波辐射概念：大气辐射，大气逆辐射概念：大气辐射，大气逆辐射水文与水资源工程专业 朱君君第二章第二章 辐射与热量平衡辐射与热量平衡第三节第三节 地面和大气的辐射地面和大气的辐射地面、大气的辐射和地面有效辐射地面、大气的辐射和地面有效辐射地面和大气长波辐射的特点地面和大气长波辐射的特点 大气对长波辐射的吸收大气对长波辐射的吸收 水文与水资源工程专
15、业 朱君君第二章第二章 辐射与热量平衡辐射与热量平衡第三节第三节 地面和大气的辐射地面和大气的辐射地面、大气的辐射和地面有效辐射地面、大气的辐射和地面有效辐射地面和大气长波辐射的特点地面和大气长波辐射的特点 大气中长波辐射的特点大气中长波辐射的特点（1）出射辐射是漫射辐射）出射辐射是漫射辐射（2）是长波辐射）是长波辐射（3）传播时不考虑散射作用）传播时不考虑散射作用水文与水资源工程专业 朱君君第二章第二章 辐射与热量平衡辐射与热量平衡第三节第三节 地面和大气的辐射地面和大气的辐射地面、大气的辐射和地面有效辐射地面、大气的辐射和地面有效辐射地面和大气长波辐射的特点地面和大气长波辐射的特点 大气逆
16、辐射和地面有效辐射大气逆辐射和地面有效辐射1、大气逆辐射和大气保温效应、大气逆辐射和大气保温效应 2、地面有效辐射、地面有效辐射：（1）主要影响因子：地面温度、空气温度、空气湿度、云况）主要影响因子：地面温度、空气温度、空气湿度、云况（2）日变化与年变化）日变化与年变化问题问题：为何说大气对地面有保温作用？：为何说大气对地面有保温作用？水文与水资源工程专业 朱君君第二章第二章 辐射与热量平衡辐射与热量平衡第四节第四节 地面及地气系统的辐射差额地面及地气系统的辐射差额地面及地地面及地-气系统的辐射差额气系统的辐射差额 地面的辐射差额地面的辐射差额（1）公式：）公式：（2）影响因子）影响因子（3）
17、日变化和年变化）日变化和年变化 水文与水资源工程专业 朱君君第二章第二章 辐射与热量平衡辐射与热量平衡第四节第四节 地面及地气系统的辐射差额地面及地气系统的辐射差额地面及地地面及地-气系统的辐射差额气系统的辐射差额 地面的辐射差额地面的辐射差额（4）随纬度的变化）随纬度的变化（5）特点：绝大部分地区的年平均值为正值）特点：绝大部分地区的年平均值为正值 问题：问题：为什么冬季有云的夜间显得不太冷？为什么冬季有云的夜间显得不太冷？水文与水资源工程专业 朱君君第二章第二章 辐射与热量平衡辐射与热量平衡第四节第四节 地面及地气系统的辐射差额地面及地气系统的辐射差额地面及地地面及地-气系统的辐射差额气系
18、统的辐射差额 大气的辐射差额大气的辐射差额（1）公式：）公式：（2）特点：整个大气层为负值）特点：整个大气层为负值地面及地地面及地-气系统的辐射差额气系统的辐射差额（1）公式）公式:（2）特点：低纬为正，高纬为负，整个地气系统为零）特点：低纬为正，高纬为负，整个地气系统为零水文与水资源工程专业 朱君君第二章第二章 辐射与热量平衡辐射与热量平衡第五节第五节 地面热量平衡及地气系统的热量收支地面热量平衡及地气系统的热量收支v1、地面热量平衡方程：R+LE+P+A=0vR:地面辐射热差vLE:地面与大气间的潜热传输量（L蒸发潜热；E蒸发量或凝结量）vP:地面和大气间的湍流显热交换vA:地表面与下层间的热传输量和平流输送量之和v2、地气系统的热量收支水文与水资源工程专业 朱君君第二章第二章 辐射与热量平衡辐射与热量平衡第六节第六节 地面温度和气温的变化地面温度和气温的变化v1、地面温度的变化v A、水陆表面热力情况的差异v比热、透射太阳辐射的性能、导热方式、蒸发v B、陆地表面的温度随时间的变化v C、水温随时间的变化v2、气温随时间的变化v A、大气传热的方式：v传到、辐射、对流、湍流、蒸发和凝华v B、气温的日变化和年变化v3、气温的地理分布水文与水资源工程专业 朱君君第二讲结束第二讲结束谢谢 谢谢水文与水资源工程专业 朱君君