现代气候学 第3章 气候系统的能量平衡

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1、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辐射是太阳能传输到地球的唯一途径辐射是太阳能传输到地球的唯一途径dFdsdFdsTTTEae, 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（Wilhelm Wien）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 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

2、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）。预备知识预备知识纬线和经线纬线和经线纬线平面垂直于地轴纬线平面垂直于地轴, ,经线平面都通过地轴经线平面都通过地轴经度和纬度经度和纬度l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

3、度度 （-90，90 ）l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；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Eas

4、t China Normal University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 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

5、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太阳辐射太阳表面温度约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大气上界大气上界、日地平均距离处日地平均距离处、垂直于太阳光线方向、垂直于太阳光线方向、单位时间、单位面积接收到的所有波长的

6、太阳辐射能。单位时间、单位面积接收到的所有波长的太阳辐射能。 2071367WMI日地平均距离日地平均距离： r0=1.496108kmh +| - |= 90太阳赤纬太阳赤纬又称赤纬角，又称赤纬角，是地球赤道平面与太阳和地球中心的连线之间的夹角是地球赤道平面与太阳和地球中心的连线之间的夹角 纬度 太阳高度角太阳高度角高度角越大,能量越集中高度角越小,能量越分散SinhSSSinhADADSSDABCABCDSSDCABSABCDSmmmmmmmmS Sm mS Sm m 水平面上得到的太阳辐射能随着水平面上得到的太阳辐射能随着h的增加而增加。的增加而增加。 含义：含义：coscossinsi

7、n)cos(sinh0coscoscossinsinsinh：正午h +| - |= 90正午时刻正午时刻 值：值：的取值变化于的取值变化于72237223冬至冬至:7223春分春分,秋分秋分:0夏至夏至:7223赤纬赤纬太阳赤纬太阳赤纬又称赤纬角，又称赤纬角，是地球赤道平面与太阳和地球中心的连线之间的夹角是地球赤道平面与太阳和地球中心的连线之间的夹角 时角时角的取值的取值:地方时中午地方时中午12时时:向下午方向到地方时向下午方向到地方时24时时:向上午方向到地方时向上午方向到地方时24时时:12时时24时时0时时6时时18时时=0=180 = 180= 180=90=0 =90 =180

8、照射时间照射时间 日出到日没的时间间隔日出到日没的时间间隔coscoscossinsinsinh)coscoscossin(sinsinh2020DIDII)tgtgarccos(tgtgcoscoscoscossinsin00000rrD 日地平均距离：日地平均距离： r0=1.496108km200DII)sincoscossinsin(0020DTIS日大气上界大气上界,某一天某一天, 某纬度处，水平面单位面积接受的日辐射量（天文辐射）某纬度处，水平面单位面积接受的日辐射量（天文辐射）:dt)coscoscossin(sin20DIdsd2dtTT =1天天 = 24h =86400s0

9、000d)coscoscossin(sin220DTIds-0 为日出时间，为日出时间， 0 为日落时间为日落时间 )coscoscossin(sin20DII春秋分时：赤纬春秋分时：赤纬 =0，那么那么0 =/2，不同的纬度带：，不同的纬度带：cos20DTIS 赤道上：赤道上： =0，那么那么0 =/2，不同的时间（季节）：，不同的时间（季节）：cos20DTIS 极地上：极地上： =/2 ，那么夏半年那么夏半年0 =，冬半年，冬半年0=0：)sincoscossinsin(0020DTIS日sin20DTIS 极地在极地在夏半年夏半年0 =，在，在“夏至夏至”收到的日辐射总量最大：收到的

10、日辐射总量最大： =23.5oDTIS5 .23sin20赤道上：赤道上： =0，那么那么0 =/2，春秋分时，春秋分时 =0 ：20DTIS极地极地最大的日辐射总量与最大的日辐射总量与赤道赤道最大的日辐射总量的比值：最大的日辐射总量的比值：sin23.5=1.25倍倍书上书上P23 极地极地最大的日辐射总量与同时的最大的日辐射总量与同时的赤道赤道日辐射总量的比值：日辐射总量的比值：tg23.5=1.36倍倍取太阳常数为1366 W/m2，算出的日平均日射值Q随纬度和一年中各天的分布。阴影区为零日射区。春分、夏至秋分和冬至的位置以实线给出，太阳赤纬以虚线绘出。天文辐射的时空分布特征天文辐射的时

11、空分布特征1）年变化）年变化：具有以一年为周期的季节性变化特点，：具有以一年为周期的季节性变化特点，但不同纬度具有不同的变化幅度，中高纬度的年变但不同纬度具有不同的变化幅度，中高纬度的年变化显著，低纬度的年变化小。化显著，低纬度的年变化小。2）空间变化）空间变化：具有随纬度增高而减小的趋势。不同：具有随纬度增高而减小的趋势。不同季节或不同区域这种趋势有强弱差异。季节或不同区域这种趋势有强弱差异。大气外界日射分布1、由于地球每年一月份最接近太阳，因此南北半球日射、由于地球每年一月份最接近太阳，因此南北半球日射不对称，南半球大于北半球。不对称，南半球大于北半球。2、最大值出现在极点的夏至，因为极昼