气象学：第六章 能量平衡
气候系统的能量平衡
正午太阳高度的纬度变化：
在春分、秋分，赤道最大，极地最小。 在夏半年，北回归线最大，由此向北、向南递减。 在冬半年，南回归线最大，由此向北、向南递减。
正午太阳高度的季节变化：
在赤道,夏至、冬至最小，春、秋分最大。 在赤道-北回归线，两次直射时最大，两次最小。 在北回归线，夏至最大，冬至最小。 在北极圈，夏至最大，但小于90°。
色辐射强度极大值所对应的波长与其绝对温度成反比，即
λmT=C
（2·13）
上式称维恩位移定律。如果波长以微米为单位，则常数
C=2896μm· K。于是（2·13）式为
λmT=2896μm·K
（2·14）
上式表明：物体的温度愈高，其单色辐射极大值所对应的波长
愈短；反之，物体的温度愈低，其辐射的波长则愈长。
I I0 cos( 23.5 ) D2
在赤道地区 （ φ =0），
I I0 cos
D2
太阳辐射强度在春秋分最大，冬、夏最小。
在极地（ φ =90 ），
I
I0 D2
sin
北极，太阳辐射强度夏至最大，冬至太阳辐射强度
为零（永夜）。
南极冬至最大，夏至为永夜。
2006-11-29
32
ds I 0 (sin sin cos cos cos)dt
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5
④静力属性： 包括大气和海水的密度和压强、大气的
组成成分、大洋盐度及气候系统的几何边 界和物理常数等。
这四种属性在一定的外因条件下，通过 气候系统内部的物理过程、化学过程和生 物过程而相互作用，并在不同时间尺度内 变化，形成不同时期的气候特征。
2006-11-29
6
③水分属性：
☆辐射强度 I：单位时间内，通过垂直于 选定方向上的单位面积（对球面坐标系，即单 位立体角）的辐射能，称为辐射强度（I）。 其单位是W/m2 或W/sr。
能量平衡对气候变化的响应
能量平衡对气候变化的响应
能量平衡是指地球的能量收入与能量发出保持平衡，即地球接收到的太阳辐射能与地球向空间发射的热辐射能之间的平衡。
气候变化与能量平衡密切相关，因为气候变化主要是由地球大气层中的温室气体造成的。
这些温室气体，例如二氧化碳、甲烷和氟利昂，可以像温室一样阻止地球向空间释放热量，导致能量平衡失衡。
能量平衡对气候变化的响应主要表现为全球变暖。
温室气体的增加导致地球大气层层透明度逐渐降低，这会抑制地球向空间释放热量。
因此，地球表面的温度上升，从而引起全球变暖。
由于地球气候系统具有复杂的动态特征，全球变暖的效果在世界各地表现得不同，例如降雨量的数量和分布方式，海平面的上升等。
每个地理位置的能量平衡取决于太阳辐射强度、大气的深度、云层、反照率和地形等多种因素。
地面温度和气候状态通过能量的平衡调节彼此之间的关系。
如果地球向空间辐射的热量超过进入地球的太阳辐射量，则地球将变冷。
相反，如果进入地球的太阳辐射光谱高于向空间辐射热量，则地球将变暖。
科学家们警告说，全球变暖对生态系统造成了威胁，例如海洋温度上升、海平面上升、冰川退缩、季节性变化和自然灾害等等。
因此，我
们必须采取行动减少温室气体的排放，以保持能量平衡。
通过采用可再生能源技术，例如太阳能、风能和水力能源等，我们可以减少对化石燃料的依赖，并减少温室气体的排放。
此外，在日常生活中注意节能减排，例如通过减少使用塑料袋和减少机动车的使用等贡献也是必要的。
总之，我们每个人都有责任为减少温室气体的排放做出贡献，并共同保护我们的地球。
农学类《气象学》名词解释
绪论：气象学：专门研究大气中物理现象和物理过程的学科。
农业气象学：是研究农业生产中所有气象问题及其解决途径的一门科学。
第一章：大气的组成：干洁空气+ 水汽+ 固体杂质+ 液体微粒= 大气干洁空气：除掉水汽、固体杂质和液体微粒的混合空气。
水汽：其来源于下垫面，因而越靠近地面水汽含量越多。
固杂：尘埃、尘土、污染粒子等。
液微：主要以云、雾的形式存在于空气中。
包括过冷却水滴、冰晶、云滴，对流层：为云、雾、雨、雪发生的主要层次，是气象学研究的重点层次，但不足大气厚度的1％，平均厚度为十几km。
三大特征：①气温随Z升高而降低，气温直减率γ= -dT/dz；②气象要素水平分布不均匀；③对流运动强。
气象要素：是指表示大气中物理现象的物理量。
如：气压、温度、湿度、风向、风力、云、能、天、降水、日照等。
温度：表示空气冷热程度的物理量。
气压：任一高度的气压就是在这个高度上单位面积所承受的大气柱重量：P=Mg/A=Mg。
大气静力学方程：条件是在铅直方向上大气无运动。
dP= -ρgdz湿度：表示空气潮湿程度或水汽含量多少的物理量。
水汽压e：大气中水汽所具有的压强。
单位同气压，mb、mmHg饱和水汽压E：在一定温度下，单位体积的空气所能容纳的最大水汽压强。
相对湿度f：f=e/E×100﹪，e与E要在同温下的比值才是f。
f反应了空气距离饱和的程度。
饱和差d：d=E – e 在温度相同时，E与e的差值。
d也反应了空气距离饱和的程度：露点温度Td：空气中水汽含量不变，气压一定时，降低温度，使空气饱和，达到饱和时的温度就叫Td。
第二章：辐射：自然界所有物体都以电磁波的形式时刻不停地向外放射能量，这种放射形式称为辐射，放射的能量称为辐射能，又称辐射。
黑体：能全部吸收所有波长的辐射的物体我们称之为黑体：辐射差额（R）：在一定时段内，物体吸收的辐射能量与放出的辐射能量的差值。
R=收入-支出基尔霍夫定律：在一定温度下，任何物体对一定波长的放射能力与吸收率之比为一常数。
动力气象学第六章
动力气象学第六章
大气中常见的能量形式：辐射能、内能、重力位能、动能
辐射能
湍流输送
长波辐射 凝结潜热
内能 胀铅
直 膨
重力位能
力
对
空
气
动能
做
功
动力气象学第六章
本章的主要内容：
1、大气能量的主要形式 2、铅直气柱中各种能量的比较 3、能量方程与能量守恒 4、大气中的能量转换
动力气象学第六章
一、大气中的主要能量形式
动力气象学第六章
四、有效位能(Available potential energy)
1、有效位能的概念： 动能与全位能间的转换，使动能变
化，即天气系统变化的重要机理。 但大气中的全位能不能被全部释放，
在考虑天气系统变化时，有意义的是能 够转换成动能的那部分全位能。
有效位能，可以理解为：能够被释 放出来的那部分全位能。
单位质量气块所具有的动能：
1V2 2 其中， 动V力气2象学第u六章2 v2 w2
dz厚度的簿块所具有的动能：
dK 1V2dz
2
Z1—Z2单位截面积气柱所具有的动能：
K z2 1 V2dz
2 z1
1 P2V2dP 1 P1V2dP
2g P1
能量平衡分析
能量平衡分析1-1夏天的早晨，一个大学生离开宿舍时的温度为20℃。
他希望晚上回到房间时的温度能够低一些，于是早上离开时紧闭门窗，并打开了一个功率为15W的电风扇，该房间的长、宽、高分别为5m、3m、2.5m。
如果该大学生10h以后回来，试估算房间的平均温度是多少？解：因关闭门窗户后，相当于隔绝了房间内外的热交换，但是电风扇要在房间内做工产生热量：为全部被房间的空气吸收而升温，空气在20℃时的比热为：1.005KJ/Kg.K,密度为1.205Kg/m3,所以当他回来时房间的温度近似为32℃。
1-2理发吹风器的结构示意图如附图所示，风道的流通面积，进入吹风器的空气压力，温度℃。
要求吹风器出口的空气温度℃，试确定流过吹风器的空气的质量流量以及吹风器出口的空气平均速度。
电加热器的功率为1500W。
解：1-3淋浴器的喷头正常工作时的供水量一般为每分钟。
冷水通过电热器从15℃被加热到43℃。
试问电热器的加热功率是多少？为了节省能源，有人提出可以将用过后的热水（温度为38℃）送入一个换热器去加热进入淋浴器的冷水。
如果该换热器能将冷水加热到27℃，试计算采用余热回收换热器后洗澡15min可以节省多少能源？解：1-4对于附图所示的两种水平夹层，试分析冷、热表面间热量交换的方式有何不同？如果要通过实验来测定夹层中流体的导热系数，应采用哪一种布置？解：（a）中热量交换的方式主要为热传导。
（b）热量交换的方式主要有热传导和自然对流。
所以如果要通过实验来测定夹层中流体的导热系数，应采用（a）布置。
1-5 一个内部发热的圆球悬挂于室内，对于附图所示的三种情况，试分析：（1）圆球表面散热的方式；（2）圆球表面与空气之间的换热方式。
解：（2）圆球为表面传热方式散热。
（1）换热方式：（a）自然对流换热；（b）自然对流与强制对流换热相当的过渡流传热；（c）强制对流换热；1-6 一宇宙飞船的外形示于附图中，其中外遮光罩是凸出于飞船体之外的一个光学窗口，其表面的温度状态直接影响到飞船的光学遥感器。
气象学：第六章 能量平衡
森林作用层的净辐射(W/m2)
地类 短波净辐射 长波净辐射 净辐射
森林
108
29
79
农田
97
30
67
绿地
93
35
58
裸地
78
32
46
蒸发占降水量的百分率
地类 裸地 农地 绿地 森林 水面
平均 30 40 65 70 75
空气湿度低，地、气温变化剧烈的小气 候特点。
定义：地球上能量收入和支出的代数和。
地气系统全年获得的太阳辐射为 S0×πR2×24×60×60×365.25 全年投射到大气上界每平方米面积上的 太阳辐射能为 S0×πR2×24×60×60×365.25/4πR2≈ 1010J/(m2·a)
大气 太阳辐射
森林蒸散量接近水面蒸发，比田野大 10~30%，见表。平均来说：E森=E田+0.1Q； 森林蒸散中的60%以上为植物蒸腾，LE0随 树种、林龄、林分密度、叶面积系数等林分 因子而变化。
森林作用层的感热通量大于其它植被( 粗糙 度的影响)
森林作用层贮热量的变化和植物新陈代谢能 通量均很小，前者约占8%，后者约占1%。
林地作用层的能量平衡方程：Bs=LEs+Ps+Qs+IAs ≈ LEs+Ps+Qs
林木层的能量平衡方程：BD=LED+PD+QD+IAD
B0 LED PD
林
冠
森
BD
QD
IAD
作 用
林
层
作
用 层
Bs
LEs
Ps
成信工动力气象学讲义07热带大气动力学
§1热带大气运动的主要特征§2热带大气运动的尺度分析§3热带大气波动§4热带扰动发生、发展的机制§5热带气旋结构的动力学分析重点：热带大气的基本特征，热带波动，CISK 理论§1热带大气运动的主要特征1f 的数值比较小，，比中高纬度小一个量级（但较大），所以热带地区采用赤道51010f s --=ββ平面近似：。
由于科氏力较小，大尺度运动是非地转的，但准静力平衡仍成立。
2()f y aββΩ==2大气运动的主要能源：太阳辐射能大部分在热带吸收，所以是大气运动的主要能源区，是平均动能的制造源。
3湿空气运动：凝结潜热能作为热带系统发展的主要能源。
4对流层的中、下层的层结稳定度较弱，有利于对流与物理量的垂直输送。
5水平温差较小，大气斜压性弱，所以热带某些地区的大气可视为准正压。
6主要的天气系统：1）积云对流云团（积云对流群）：中、小尺度运动，水平尺度：几百千米，生命史：3—4天。
2）热带气旋（台风typhoon ，飓风Hurricane ）：气旋式涡旋，低压，眼结构，暖心，螺旋云带。
易产生大风、暴雨等灾害性天气，水平尺度：几百千米，生命史：3天左右。
飓风一词源自加勒比海言语的恶魔Hurican，亦有说是马雅人神话中创世众神的其中一位，就是雷暴与旋风之神Hurakan。
台风一词则源自希腊神话中大地之母盖亚之子Typhon，它是一头长有一百个龙头的魔物，传说其孩子就是可怕的大风。
台风一词的由来：英语typhoon ：（1）来自汉语（土耳其人在他们的"命名书"里说"TAYFUN"是指发生在中国海及西太平洋上的大风，译自“大风”（dais fang ),1560年进入英语。
（2）外来语（《辞海》，《英语大字典》：源自希腊语,与TYPHUS 有关.）中文「台風」一詞：（1）來自中国（2）源于日語台风的词汇几乎都一样，只是写法不同而已，而发音则几乎相同。
《动力气象学》课程笔记
《动力气象学》课程笔记绪论1. 动力气象学发展史1.1 重大理论发现动力气象学的早期发展主要基于对大气运动的观测和理论推测。
19世纪，科学家们开始系统地研究大气运动，并逐渐揭示了影响大气运动的一些关键因素。
这些因素包括：- 科里奥利力：由法国物理学家加斯帕尔·科里奥利首次提出，它解释了地球自转导致的风的偏转现象。
- 地转偏向力：由于地球自转，大气中的气流会相对于地面产生偏转，这个力就是地转偏向力。
- 大气压力和密度变化：大气压力和密度的变化会影响大气运动，这些变化与温度、湿度等因素有关。
1.2 数值天气预报20世纪中叶，随着计算机技术的发展，动力气象学进入了一个新的时代。
科学家们开始利用计算机来求解大气运动方程组，这种方法被称为数值天气预报。
数值天气预报的出现极大地提高了天气预报的准确性，使得气象学成为了一门更加精确的科学。
1.3 动力气象学发展新阶段近年来，动力气象学在气候变化研究中的应用变得越来越重要。
科学家们通过研究大气运动、能量转换和波动等现象，揭示了气候变化的原因和规律。
此外，动力气象学在防灾减灾、水资源管理等领域也发挥着重要作用。
2. 动力气象学的基本概念2.1 大气运动方程组大气运动方程组是描述大气运动的物理方程，包括连续性方程、动量方程和能量方程。
这些方程组基于质量守恒、牛顿第二定律和能量守恒等物理定律，为我们提供了研究大气运动的基本工具。
2.2 涡旋运动大气中的涡旋运动是天气系统和气候变化的重要因素。
涡旋运动包括环流、涡度和螺旋度等概念。
了解涡旋运动有助于我们预测天气变化和气候趋势。
2.3 准地转运动准地转运动是指大气中接近地转平衡状态的运动。
在这种状态下，大气运动主要受到地转偏向力和压力梯度力的作用。
准地转运动为我们提供了一个简化的大气运动模型，便于研究和预测天气。
2.4 大气波动大气波动是大气运动中的周期性变化，包括重力波、惯性重力波和Rossby 波等。
这些波动在天气系统和气候变化中起着关键作用，了解它们有助于我们预测天气和气候。
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本章主要内容
§1 下垫面的能量平衡
下垫面的能量平衡方程、下垫面能量平衡各分量 的变化
§2 地球的能量平衡 §3 森林的能量平衡
森林的能量平衡方程、森林能量平衡各分量的变 化
本章重点
一、下垫面能量平衡方程
B=LE+P+Qs+IA B为净辐射，P为感热能量，Qs为土壤热通量，
LE为潜热通量，IA为植物新陈代谢能通量 在自然界中IA很小，只占净辐射的1%左右， 可忽略，于是：
森林蒸散量接近水面蒸发，比田野大 10~30%，见表。平均来说：E森=E田+0.1Q； 森林蒸散中的60%以上为植物蒸腾，LE0随 树种、林龄、林分密度、叶面积系数等林分 因子而变化。
森林作用层的感热通量大于其它植被( 粗糙 度的影响)
森林作用层贮热量的变化和植物新陈代谢能 通量均很小，前者约占8%，后者约占1%。
B=LE+P+Qs
以上未考虑冰、雪融解的能量消耗，水 冻结时的能量收入，降水水滴温度与下 垫面温度不同输送的正的或负的能通量， 生物氧化的能量收入，以及洋流、潮汐、 风水平输送的能量等，对于长时间平均 来说，它们与能量平衡主要项目相比较 是相当小的，可以忽略不计。
年平均：B=LE+P
沙漠地区：B=P
林地作用层的能量平衡方程：Bs=LEs+Ps+Qs+IAs ≈ LEs+Ps+Qs
林木层的能量平衡方程：BD=LED+PD+QD+IAD
B0 LED PD
林
冠
森
BD
QD
IAD
作 用
林
层
作
用 层
Bs
LEs
Ps
林
地
作
用
Qs
森林能量平衡示意图
层
二、森林能量平衡各分量的变化
森林作用层与各种自然表面的净辐射的差异： 森林的反射率平均为10~15%(针叶为10%，阔叶为 15%)，除水面(5~10%)外是最小的，其得到的St比 其它表面大；另外，森林的温度比其它表面低，Ln 小；因此森林的B较大，比田野大10%以上，比裸 地可大30%。林地B明显减少(林冠的作用)，约占作 用层的7.4%.
上界
100
反射辐射
长波辐射
6 20 4
6
38
26
16 水汽、臭 氧等吸收
天空散射 云层反射
３ 云层吸收
地表反射
水汽、CO2辐射 云层辐射
水汽、CO2吸收 15
地表
51
21
7
地表长波净辐射 湍流
23 蒸发
地球能量平衡示意图
一、森林的能量平衡方程
森林作用层的能量平衡方程： B0=LE0+P0+Q0+IA0 B0=BD+Bs LE0=LED+Les P0=PD+Ps Q0=QD+Qs IA0=IAD+IAs≈IAD
总之，LE0占60~70%，P0占20~30%， Q0+IA0占10%以下，见表。
森林作用层的净辐射(W/m2)
地类 短波净辐射 长波净辐射 净辐射
森林
108
29
79
农田
97
裸地
78
32
46
蒸发占降水量的百分率
地类 裸地 农地 绿地 森林 水面
平均 30 40 65 70 75
空气湿度低，地、气温变化剧烈的小气 候特点。
定义：地球上能量收入和支出的代数和。
地气系统全年获得的太阳辐射为 S0×πR2×24×60×60×365.25 全年投射到大气上界每平方米面积上的 太阳辐射能为 S0×πR2×24×60×60×365.25/4πR2≈ 1010J/(m2·a)
大气 太阳辐射
二、下垫面能量平衡各分量的变化
净辐射B随时间和地点而变化，同纬度平坦的地方， 在大气环流和天气相同时，太阳辐射没有什么差别， 由于各种下垫面的反射率r(百分之几至百分之几十) 差别大，从而使B差别大，在有地形起伏或有建筑、 植被存在的地方，St差别大，如南北坡的差别。有 植被的地方，到达林地的太阳辐射随森林的组成、 郁闭度、林分结构、年龄等而异，使B大为减少。 这些差别晴天比阴天大。
最高 50 55 65 80 85
蒸发分量占年蒸散量的百分率
地类 森林 绿地 谷物地 未耕地
蒸发 10 25 45 100
截持水蒸发 30 25 15 —
蒸腾 60 50 40 —
图6－3
生长季森林的能量平衡(×103W/m2)
地
类 B0
LE0
P0 Q0+IA0
云 杉 林 157.8 105.1 52.3 0.0
土 豆 地 137.3 92.5 32.2 12.6
牧 草 地 132.7 109.3 20.5 2.9
本章重点
为什么说下垫面的能量平衡是小气候形成的 物理基础？
P、LE和Qs：白天，B>0，使P、LE、 Qs>0，使气温和土温由地面向上、下递 减，空气湿度向上递减，土壤湿度向下 递增，夜间则反之；B的绝对值愈大，各 分量变化愈大；B一定，各分量相互影响 和制约。改变任何一项都能引起其它各
项的变化。林区形成湿度大，地、气温
变化缓和的小气候特点，干旱地区形成