海洋年平均热量平衡方程课件.ppt

1、第2章 辐射收支与热量平衡2.1 辐射基础知识辐射基础知识2.2 太阳辐射太阳辐射2.3 地面地面&大气辐射大气辐射2.4 辐射差额辐射差额2.5 热量平衡热量平衡2.6 温度变化规律及特征温度变化规律及特征Outline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。辐射（辐射（Radiation）物体以电磁波或粒子流的形式向周围传递或交换能量物体以电磁波或粒子流的形式向周围传递或交换能量的方式。的方式。辐射能（辐射能（Radiation Energy）基本特性基本特性波粒二象性（同时具备波的特质及粒子的特质）波粒二象性（同时具备波的特质及粒子的特质）各种辐射的波长太阳辐射（

2、太阳辐射（Solar Radiation）1、太阳辐射是一种、太阳辐射是一种电磁波；电磁波；2、太阳辐射由、太阳辐射由紫外线、可见光、紫外线、可见光、红外线红外线三三部分组成；部分组成；3、太阳辐射的能量主要集中在、太阳辐射的能量主要集中在可见光可见光部分；部分；4 4、太阳辐射是一种、太阳辐射是一种短波短波辐射辐射。辐射通量（辐射通量（Radiation Flux）单位时间通过任意面积上的辐射能，单位为单位时间通过任意面积上的辐射能，单位为J/s(或或W)。辐射通量密度辐射通量密度(Radiant Flux Density)单位面积上的辐射通量，单位为单位面积上的辐射通量，单位为W/m2。太

3、阳的辐射通量密度约为太阳的辐射通量密度约为6.34107 W/m2注意：注意：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 （绝对）黑体（绝对）黑体 Blackbody 对于对于投射到该物体上所有波投射到该物体上所有波长的辐射都能全部长的辐射都能全部吸收的吸收的物体，物体，是一种科学假想的物体，现实生是一种科学假想的物体，现实生活中是不存在的，但却可以人工活中是不存在的，但却可以人工制造出近似的人工黑体。制造出近似的人工黑体。普朗克定律普朗克定律(Plancks Law)(黑体辐射的能量分布公式黑体辐射的能量分布公式)绝对黑体辐射能量与其波长、温度绝对黑体辐射能

4、量与其波长、温度的关系为：的关系为：252(1)hck ThcIeI 辐射强度；辐射强度；h 普朗克常数，普朗克常数，6.62610-34 J/s；k 波尔兹曼常数，波尔兹曼常数，1.3810-23 J/K；c 真空中的光速，真空中的光速，3108 m/s；辐射波长，辐射波长，m；T 物体的绝对温度，物体的绝对温度，K。普朗克普朗克-德国物理学家德国物理学家（1858-1947）黑体单色辐射力随波长的增大，先增大后减小。黑体单色辐射力随波长的增大，先增大后减小。物体的温度愈高，放射能量最大值的波长愈短，随着物体温度物体的温度愈高，放射能量最大值的波长愈短，随着物体温度不断增高，最大辐射波长由长

5、向短位移。不断增高，最大辐射波长由长向短位移。太阳辐射的能量主要集中在太阳辐射的能量主要集中在0.174m，而地球和大气辐射的主要能，而地球和大气辐射的主要能量集中在量集中在3120m。一般以。一般以4m为界，把太阳辐射称为为界，把太阳辐射称为短波辐射短波辐射(Shortwave Radiation)，把地球和大气辐射称为，把地球和大气辐射称为长波辐射长波辐射(Long-wave Radiation)。维恩维恩-德国物理学家德国物理学家（1864-1928）mC/T 或或 m T=C 如果波长以如果波长以m为单位，则常数为单位，则常数C2.897103m K，于是上式为：于是上式为：绝对黑体的

6、放射能力最强的波的波长绝对黑体的放射能力最强的波的波长(m)与其本身的绝对温度与其本身的绝对温度(T)成反比。即：成反比。即：mT2.897103mK 根据根据m算出的温度为色温度，故太阳色温度为算出的温度为色温度，故太阳色温度为6100K。维恩位移定律维恩位移定律(Wiens displacement Law)斯蒂芬斯蒂芬波尔兹曼定律波尔兹曼定律(Stefan-Boltzmanns Law)E*T 4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。根据根据E*算出的温度为等效黑体温度，故太阳等效黑体算出的温度为等效黑体温度，故太阳等效黑体温度为温度为5780K。斯蒂芬斯蒂芬波尔兹

7、曼波尔兹曼（1844-1906,奥地利）奥地利）基尔霍夫定律基尔霍夫定律(选择吸收定律选择吸收定律)(Kirchoffs Law)物体对一定波长的比辐射率物体对一定波长的比辐射率（物体的辐射通量密度（物体的辐射通量密度E与同温度下黑体的辐射通量密度与同温度下黑体的辐射通量密度E*之比）之比）与该物体对同一与该物体对同一波长的吸收率波长的吸收率(a)相等。相等。=a推推 论论对不同性质的物体，放射能力较强的物体，吸收能力对不同性质的物体，放射能力较强的物体，吸收能力也较强；反之，放射能力弱者，吸收能力也弱，黑体的吸也较强；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

8、强的物体。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T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。物质如能强烈吸收某一波长的辐射，则一定能强烈地物质如能强烈吸收某一波长的辐射，则一定能强烈地发射同一波长的辐射。发射同一波长的辐射。太阳辐射光谱太阳辐射光谱(Solar radiation spectrum)太阳辐射中辐射随波长的分布。太阳辐射中辐射随波长的分布。图中：图中：实线是大气上界的太阳辐实线是大气上界的太阳辐射光谱；射光谱；虚线是温度在虚线是温度在6000K

9、时的时的黑体辐射光谱。黑体辐射光谱。太阳常数太阳常数（I0）定义：当地球位于日地平均距离时定义：当地球位于日地平均距离时(约为约为1.496108km)，地球，地球大气上界，垂直于太阳光线单位面积上，单位时间内获得的太大气上界，垂直于太阳光线单位面积上，单位时间内获得的太阳辐射能。阳辐射能。变化范围：变化范围：1325 1457 W/m2（世界气象组织推荐太阳常数值（世界气象组织推荐太阳常数值为为1367W/m2）。）。约约1.5亿亿km大气圈大气上界大气上界太阳常数太阳常数2002rIIr 地球上接收到的地球上接收到的太阳辐射强度太阳辐射强度I与与日地距离日地距离r的平方成反的平方成反比，与

10、地球比，与地球公转轨道的平均半径公转轨道的平均半径r0成正比。成正比。太阳光线与地表水平面之间的夹角。太阳光线与地表水平面之间的夹角。（0h90)sin hsinsin+coscoscos式中：式中：为观测点为观测点纬度纬度，为为太阳赤纬太阳赤纬，是是时角时角。sin IIh 太阳赤纬:地球赤道平面与太阳和地球中心的连线之间的夹角 赤纬角以年为周期，在赤纬角以年为周期，在+23 27与与-23 27的范围内移动的范围内移动太阳赤纬的周年变化太阳赤纬的周年变化 23.5sinN 正午：正午：0 0；上午：上午：0 0；下午：下午：0 0。h正午正午90-+时角:用角度表示的时间，距离正午每差1小

11、时，时角相差15。l 正午太阳高度角（h正午）的计算思考：思考：已知某地的纬度为北纬已知某地的纬度为北纬30，试计算出该地春分、，试计算出该地春分、秋分、夏至和冬至这四个特定日子正午时的太阳高度角。秋分、夏至和冬至这四个特定日子正午时的太阳高度角。解：已知=30，代入公式得（1）春分、秋分时：=0 h=90-（30-0）=60（2）夏至时：=235 h=90-（30-23.5）=83.5（3）冬至时：=-235 h=90-（30+23.5）=36.5 相同纬度，冬短夏长，春秋介于二者之间。相同纬度，冬短夏长，春秋介于二者之间。夏季随纬度升高而加长，冬季随纬度升高而缩短，春、夏季随纬度升高而加长

12、，冬季随纬度升高而缩短，春、秋分则不随纬度升高而变。秋分则不随纬度升高而变。cos0tantan式中：式中：0是时角；是时角；为观测点纬度；为观测点纬度；为赤纬。为赤纬。h=0（日出与日没），时角记为（日出与日没），时角记为0，则有，则有:负根负根(-0)为日出的时角，正根为日出的时角，正根0为日没的时角。为日没的时角。-0 0，20就是白昼长度。就是白昼长度。赤道赤道全年全年日天文辐射变化较小日天文辐射变化较小,获得的太阳辐射总量最多，获得的太阳辐射总量最多，从赤道向极地随纬度增高而减小从赤道向极地随纬度增高而减小，极小值出现在极点。，极小值出现在极点。夏半年夏半年在在20 25的纬度带，获

13、得太阳辐射最多，由此的纬度带，获得太阳辐射最多，由此向赤道和极地递减，最小值在极点。向赤道和极地递减，最小值在极点。冬半年冬半年赤道获得太阳辐射最多，随纬度增高迅速递减。高赤道获得太阳辐射最多，随纬度增高迅速递减。高低纬度之间的差值大。低纬度之间的差值大。冬、夏太阳辐射的差值，随纬度增高而增大，即太阳辐射冬、夏太阳辐射的差值，随纬度增高而增大，即太阳辐射的的年振幅随纬度增高而增大年振幅随纬度增高而增大。大气的热量是大气的热量是否直接来自太否直接来自太阳辐射呢？阳辐射呢？吸 收散 射反 射 氧、臭氧、水汽和氧、臭氧、水汽和CO21、O2：主要吸收小于主要吸收小于0.2 m的紫外线。的紫外线。2、

14、O3：主要吸收：主要吸收0.2-0.31 m紫外线，这是一个最强的吸收带。紫外线，这是一个最强的吸收带。3、CO2：主要吸收：主要吸收1.46-2.78 m的红外线区。的红外线区。4、水汽：对太阳辐射吸收范围很广，主要吸收波长在、水汽：对太阳辐射吸收范围很广，主要吸收波长在0.7-3 m的红外线。的红外线。5、水滴和尘埃：水滴和尘埃能吸收、水滴和尘埃：水滴和尘埃能吸收0.59 m及及3 m附近的太阳附近的太阳辐射。辐射。地地 面面高层大气高层大气平流层平流层对流层对流层臭氧大量吸收紫外线臭氧大量吸收紫外线二氧化碳、水汽吸收二氧化碳、水汽吸收红外线红外线选择特性选择特性思考思考1、从臭氧、二氧化

15、碳、从臭氧、二氧化碳和水汽的吸收作用，可和水汽的吸收作用，可知大气吸收具有什么特知大气吸收具有什么特性？性？2、为什么大气直接吸、为什么大气直接吸收的太阳辐射能量是收的太阳辐射能量是很少的？很少的？大气对太阳辐射中大气对太阳辐射中能量最强的可见光能量最强的可见光吸收得很少，大部吸收得很少，大部分可见光能够透过分可见光能够透过大气到地面。大气到地面。氧原子吸收部分紫外线氧原子吸收部分紫外线1.0.31m在到达对流层前就被全部吸收，在到达对流层前就被全部吸收，高层大高层大气对大于气对大于0.35m的太阳辐射几乎透明。的太阳辐射几乎透明。2.在在0.39-0.76m的可见光部分很少有吸收发生（无的可

16、见光部分很少有吸收发生（无论高低层大气）论高低层大气）3.在在0.70-2.85m的红外辐射主要由对流层中的水汽的红外辐射主要由对流层中的水汽吸收，二氧化碳能吸收波长为吸收，二氧化碳能吸收波长为4.3m附近的太阳辐附近的太阳辐射。射。当太阳辐射通过大气时，遇到大气中的各种质点，当太阳辐射通过大气时，遇到大气中的各种质点，太阳辐射能的一部分散向四面八方，称为散射。太阳辐射能的一部分散向四面八方，称为散射。空气分子、尘粒、云滴空气分子、尘粒、云滴 由由入射辐射波长入射辐射波长 与散射质点的粒径与散射质点的粒径 r，将散射，将散射分为分为瑞利散射瑞利散射和和米（米（G.Mic）散射）散射。r 0，收

17、大于支，有热量盈余；当，收大于支，有热量盈余；当R0，靠近正午时，靠近正午时R达到最大值。夜间，达到最大值。夜间，R00高纬高纬：夏季：夏季 R R00，冬季，冬季 R R0 0 LE 0，P 0，A 0 白天地面辐射差额较大，通过蒸发、白天地面辐射差额较大，通过蒸发、湍流感热交换和土壤热交换等方式将热湍流感热交换和土壤热交换等方式将热量传给大气和土壤。量传给大气和土壤。（2）夜晚）夜晚 R 0 LE 0，P 0，A P干燥的下垫面，如干湖，干燥的下垫面，如干湖，LE 0 P 0 多余的热量主要通过感热多余的热量主要通过感热向大气中输送。向大气中输送。对于湿润的中纬度地区对于湿润的中纬度地区

18、LE P R 0 LE 0 P 0 湿润湿润、蒸发量大。、蒸发量大。u 冬季各月冬季各月 R 0，LE 0，一定有一定有 C 0，P 0，LE 0 一定有一定有 C 0 多余的热量由暖洋流带走。多余的热量由暖洋流带走。1.地表：吸收：51（直达32.5+散射18.5）支出：长波辐射21 感热7 潜热232.大气：吸收：太阳短波辐射19，地面长波辐射15 感 热7，潜热23 共吸收 19+15+7+23=64 支出：H2O，CO2净发射38 云发射长波辐射26 共支出38+26=641.热力性质差异（比热）：水的比热平均比陆地大3倍。陆地增温快，降温也快；水体则相反。2.对太阳辐射的吸收性能差异

19、：水体透射性强，吸收太阳辐射多；陆地对太阳辐射的反射更强，吸收仅限于表层。3.导热方式不同 水体具有水平和垂直运动，热量可以迅速交换，水温变化和缓；而陆地的热量主要靠分子传导，热量多集中于表层。4.水面蒸发大于陆面 水面的热力过程具有水面的热力过程具有调和平缓调和平缓的特性，而陆地则有的特性，而陆地则有急剧多变急剧多变的特性。的特性。Q=R+LE+P+A 式中，R：地面辐射差额（净得0，净失0）；LE：蒸发耗散热量（L为汽化潜热，E为蒸发量或凝结量）；P：地面与大气间湍流感热交换量；A：为地表与其下层间的热传输送量（B）和平流输送量（C）之和。最高：最高：13时前后；最低：日时前后；最低：日出

20、时出时 入地越深，温度变幅越小，入地越深，温度变幅越小，1米深处土温没有明显日变米深处土温没有明显日变化；最高、最低地温出现的化；最高、最低地温出现的时间随深度增加而线性后移。时间随深度增加而线性后移。日变化日变化 年变化年变化 最高最高7月，最低月，最低 1月（北半月（北半球）；球）；随土壤深度增加，最高值随土壤深度增加，最高值和最低值出现时间后移，和最低值出现时间后移，且变幅减小。且变幅减小。1日变化日变化 最高：最高：1516时时；最低：日出后不久最低：日出后不久2年变化年变化 最高：最高：8月；月；最低：最低：23月月 水温年变幅较地温小；水温年变幅较地温小；中纬度海洋水温变幅最大（受

21、夏季低纬暖流和冬季高纬寒流中纬度海洋水温变幅最大（受夏季低纬暖流和冬季高纬寒流的影响）。的影响）。1.传导（分子热交换）：地面和大气都是热的不良导体，交换热量少2.辐射：是地面和大气最主要的热量交换方式3.对流：是对流层中热量交换的重要方式4.湍流：又称显热交换，比分子热传导大很多5.蒸发和凝结：称潜热交换，对水汽较多的对流层下半层热量交换起重要作用。最低：最低：日出前后日出前后 最高：最高：14时时 纬度：副热带最大，向两极减小纬度：副热带最大，向两极减小 季节：日较差夏季大于冬季季节：日较差夏季大于冬季 下垫面的性质：海洋上气温日较差小于陆地下垫面的性质：海洋上气温日较差小于陆地 海拔高度

22、：海拔越高，气温日较差越小。山谷大于山峰，凹地海拔高度：海拔越高，气温日较差越小。山谷大于山峰，凹地大于高地（小尺度地形区）；山地小于平原（大尺度地形区）大于高地（小尺度地形区）；山地小于平原（大尺度地形区）天空状况：阴天比晴天的气温日较差小天空状况：阴天比晴天的气温日较差小 气温日较差（日最高温度日最低温度）气温日较差（日最高温度日最低温度）日变化日变化 年变化年变化 北半球大陆北半球大陆7月最高，月最高，1月最低；海洋月最低；海洋8月最高，月最高，2月最低月最低 气温年较差：低纬高纬；陆地海洋；晴天多阴（雨）天多气温年较差：低纬高纬；陆地海洋；晴天多阴（雨）天多日变化日变化年变化（北半球为

23、例）年变化（北半球为例）最大最大最小最小最大最大最小最小太阳直接辐射太阳直接辐射1212时时日出日落时日出日落时春末夏初春末夏初冬季冬季地面温度地面温度1313时时日出时日出时7 7月月1 1月月水温水温15161516时时日出后不久日出后不久8 8月月2323月月气温气温1414时时日出前后日出前后7 7月（陆面）月（陆面）8 8月（海面）月（海面）1 1月（陆面）月（陆面）2 2月（海面）月（海面）比 较-10201002010-100066.50N66.50S23.50N23.50S1、等温线的分布为什么不跟纬线完全一致？、等温线的分布为什么不跟纬线完全一致？2、在世界年平均气温分布图上

24、，为什么南半球的等温线比、在世界年平均气温分布图上，为什么南半球的等温线比较平直，北半球的曲折较多？较平直，北半球的曲折较多？00S1月海平面平均气温示意图7月海平面平均气温示意图同纬度夏季冬季低高高低陆地海洋0101020这是因为在同一纬度上，冬季这是因为在同一纬度上，冬季大陆温度比海洋温度低，夏季大陆温度比海洋温度低，夏季大陆温度比海洋温度高的缘故。大陆温度比海洋温度高的缘故。南半球因陆地面积较小，海洋南半球因陆地面积较小，海洋面积较大，因此等温线较平直，面积较大，因此等温线较平直，遇有陆地的地方，等温线也发遇有陆地的地方，等温线也发生与北半球相类似的弯曲情况。生与北半球相类似的弯曲情况。

25、1气温总体上从低纬向两极递减；3陆地气温冬季较同纬海洋地区低，夏季则较同纬海洋地区高；4等温线分布明显受洋流的影响；5南半球最低气温出现在南极洲，北半球夏季最低气温出现在北极地区，冬季冷极出现在西伯利亚和格林兰岛。2夏季等温线稀疏，冬季等温线密集，即冬半球南北温度梯度大于夏半球；世界最高气温：世界最高气温：56.8 1921年年7月月8日巴士拉（伊拉克）日巴士拉（伊拉克）中国最高气温：中国最高气温：49.6 1975年年7月月13日吐鲁番日吐鲁番 世界最低气温：世界最低气温：-89.2 1983年年7月月21日南极洲俄罗斯东方站日南极洲俄罗斯东方站中国最低气温中国最低气温 漠河漠河-52.30C