第5章 地表热量平衡
大气遥感第五章：大气中的热红外辐射传输
空间分辨率 (水平/垂直)
视 场 瞬时视角
(度)
mrad
AIRS大气红外探测仪 EOS(美国) 2300;6 3.74-15.4 13.5km-1km 49.5
1.1
用途 大气温度湿度
ASTER高级空间热辐射 热反射探测器
ATSR纵向扫描辐射仪
EOS (美国)
ERS-1 (欧空局)
14
2 (MWR)
ASTER模拟仪器
美国
20
8-12
始于1991年 65或104 2或5.0
云,陆地测量
CIS中国成像光谱仪
DAIS-7915数值式 航空成像光谱仪 DAIS-16115数值式 航空成像光谱仪 GER-63通道扫描仪
ISM红外成像光谱仪
中国 美国 美国 美国 法国
1
3.53-3.94
始于1993年
80
大气不仅是削弱热红外辐射的介质，而且它本身也发射热红外 辐射，有时甚至发射的辐射会超出吸收的部分。
总之，热红外辐射在大气中的传输，是一种漫射辐射在无散射 但有吸收又有发射的介质中的传输。
热红外光谱和温室效应
➢ 地气系统维持辐射平衡状态，吸收太阳辐射的同 时，也向太空发射辐射，地气系统发射的辐射称 为热红外辐射。由能量守恒原理，令 表示地
热红外遥感系统
热红外遥感在海面温度、陆面温度、大气温度、大气 水汽、云顶温度的遥测中具有无可替代的地位。热红外遥 感传感器的发展十分迅速，现在使用和即将投入使用的热 红外传感器达几十种之多。我们把主要的热红外传感器的 有关信息列于下表。
传感器
现在及将来地球观测计划红外传感器概览(星载部分)
卫星/计划 波段数 光谱范围
态分辨仪
刘南威自然地理学第二版名词解释
第二章行星地球第一节地球的宇宙环境1光年：光在真空中一年时间锁经过的驱离为1光年。
2.天文单位：1天文单位即日地平均距离，约14960万km，用于测定太阳系天体的距离3.行星：指位于围绕太阳轨道上，有足够大的质量来克服固体应力以达到流体静力平衡的形状（近于球形），以及清空了其轨道附近区域的天体。
4.矮行星：指位于围绕太阳轨道上，有足够大的质量来克服固体应力以达到流体静力平衡的形状（近于球形），还没有清空其轨道附近区域以及不是一颗卫星的天体。
5.太阳系小天体：其余所有围绕太阳运转又不是卫星的天体。
6.柯伊伯带：沿黄道带平面的一个带状天区内，存在10亿至100亿颗以冰态为主要成分的小天体绕太阳公转。
是众多小行星和彗星的发源地。
是40多亿年前太阳系形成时留下的遗物，是太阳系的“化石”。
7.食分：一是表明日、月被掩食的程度，即食分愈大，被遮掩的面积愈大；二是表明日、月食过程的时间长短，即食分愈大，日、月食过程的时间愈长。
第二节地球的运动1.恒星日：某地经线连续两次通过同一恒星（或春分点）与地心连接的时间间隔。
2.太阳日：日地中心连线连续两次与某地经线相交的时间间隔。
3.时区：使用同一种时间制度的区域。
4.区时：本区中央经线的地方平时，作为区内使用的标准时。
5.恒星年：地心连续两次通过黄道同一恒星的时间间隔，年长为365.2564日。
也是地球公转的正周期。
6.黄道：地球的轨道平面无限扩大与天球相交的大圈。
是地球日心天球投影，与天赤道有23°26′的交角。
7.春分点：黄道与天赤道有两个交点，其中太阳向西向东作用年视运动时，从南半球进入北半球的交点。
第三节地球的形状和结构1.大地水准面：全球静止海面，是假设占地表四分之三的海洋表面完全处于静止的平衡状态，并将其延伸通过陆地内部所得到的全球性的连续的粉笔曲面，曲面上处处与铅垂线垂直。
它是陆地上海拔的起算面。
第二章地壳第一节地壳的组成物质1.矿床：包括成矿作用和经济技术开发因素的变化，其范围随科技的进步不断扩大。
遥感应用模型10 地表温度反演模型
?受环境辐射和大气辐射传输的影响，在星载传感 器上观测到的目标的辐射亮度为
辐射亮 光谱大气 比辐射率 下行 上行
度值
透过率Leabharlann ?因此，若想获得较精确的反演温度，必须考虑 3部 分：
?将DN值精确地转换为辐射亮度值
劈窗算法
?主要利用在一个大气窗口的 两个临近红外通道， 存在与大气影响密切相关的 大气吸收、散射信息 来进行大气纠正。
? 地表温度同亮度温度和发射率之间呈线性关系。 地表温度可以用相邻的两个波段的亮度温度来线 性表示，而表达式的系数是由通道发射率决定的 ，它们不依赖于大气状况。
?劈窗算法主要是针对 NOAA/AVHRR 开发的，最初用 在海面温度反演， 20世纪 80年代开始拓展到陆地 温度反演。
?目前遥感反演地表温度的方法主要有：
?单窗算法
?劈窗算法
?多通道算法
?自然界任何高于热力学温度的物体都不断地向外 发射具有一定能量的电磁波， 其辐射能量的强度 和波谱分布的位置是温度的函数 。随着温度的增 加，总辐射能量将相应增加，辐射能量的最大波 长也将逐渐变短。
?通常我们把物体的辐射亮度 Lg与相同温度下黑体 的辐射亮度 Lb的比值称为物体的 比辐射率 ?，用它 来表征物体的发射本领。
? 劈窗算法是当前热红外遥感反演地表温度中精度 较好、应用较广的算法，可以连续提供较高精度 、较高分辨率的海面温度场。
?进一步提高劈窗算法的精度主要是通过 修正大气 影响和地表发射率 来进行的。
?单窗算法所应用的数据 TM/ETM 与多通道 NOAA 、 MODIS 等数据相比，空间分辨率较高，并且对地 表发射率的敏感性较低，单从反演的技术及精度 来讲，具有较大优势，但如果反演大区域地表温 度则需要很大的资金投人。
2023年高考地理总复习第一部分自然地理第五章地表形态及其变化第15讲塑造地表形态的力量
第15讲塑造地表形态的力量[课程标准] 1.运用示意图，说明岩石圈物质循环过程。
2.结合实例，解释内力和外力对地表形态变化的影响。
核心素养解读1.综合思维：结合内外力作用对地表形态的影响，分析某地貌的形成过程和地貌特征。
2.区域认知：认识不同地区内外力作用的差异、地貌景观的差异。
3.地理实践力：绘制岩石圈物质循环图，结合当地地貌类型和特征，分析其成因。
知识体系导学积累必备知识——基础落实赢得良好开端一、内力作用1.能量来源：地球内部的。
二、外力作用1.能量来源：地球外部，主要是。
2.表现形式【易误辨析】风化作用和风力作用有何区别？三、岩石圈的物质循环1.三大类岩石2.物质循环过程（1）基础物质：A，B，C，D。
（2）循环环节：a，b作用（风化、侵蚀、搬运、沉积），c压实、（固结成岩），d作用（高温、高压），e（重熔再生），f、风化、搬运和沉积。
【易误辨析】岩石圈的三大类岩石都能直接相互转化吗？说明理由。
提升关键能力——能力突破掌握解题技法关键能力一解释内力和外力对地表形态变化的影响典题精研[典例1][2020·天津卷]下图所示地貌景观位于粤北地区，其形成需要特定的地质条件。
读图文材料，回答（1）～（2）题。
（1）形成上图所示地貌景观的岩石类型、地质构造和所需的外力作用分别是（）A．变质岩、水平裂隙、流水侵蚀B．沉积岩、水平裂隙、风力侵蚀C．岩浆岩、垂直裂隙、风力侵蚀D．沉积岩、垂直裂隙、流水侵蚀（2）导致上图所示景观岩层出露地表的最直接的内力作用形式是（）A．垂直抬升B．水平拉张C．水平挤压D．岩浆喷发[图解思路][答案]（1）（2）知能升华1.五种外力作用方式及其之间的关系外力作用只塑造地貌而不能形成地质构造。
外力作用的五种表现形式是一连续的过程，其作用规律如下：2.影响外力作用的因素（1）气候因素：①昼夜温差大→外力作用主要表现为风化作用。
②降水丰富→地表径流量大→外力作用主要表现为流水作用。
中图版高中地理选择性必修第1册 第5章 第1节 自然地理环境的整体性
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地理 选择性必修1 自然地理基础 配中图版
第五章 自然地理环境的整体性和地域分异规律
4．整体性的意义
认识自然地理环境的整体性，对自然资源的开发利用、自然地理环 境变化的预测、自然区划、生态环境保护和区域开发等方面有重要意义。
____主__要__场__所____ 是较活跃的自然地理要素之一，大气过程支配着海陆间的 气候 _水__循__环___和地表的热量平衡
土壤 是结合无机界和 __有__机__界__的纽带，是联系其他因素的关键环节
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②案例：光合作用合成有机物的过程。
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地理 选择性必修1 自然地理基础 配中图版
第五章 自然地理环境的整体性和地域分异规律
(2)平衡功能。
①概念：各自然地理要素通过□14 ___物__质___循环和能量转化，使自然 地理环境的性质保持□15 __相__对__稳__定__的能力。
(2)依托地理过程增强整体性观点：地理过程包括地貌过程、气候过
程、植被过程、水文过程、土壤过程等，如板块的碰撞导致安第斯山脉
的隆起，引起气候、植被等发生整体性的变化；湖泊演变为陆地的过程
其实是地貌、气候、生物、土壤、水文等要素统一演化的过程。
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第五章 土壤空气与热状况
4、对土壤热特性的影响因素：固、液、气三相物质比例 由下表可见，土壤水分热容量最大，土壤空气最小，而 矿质土粒和土壤有机质介于两者之间，而固体是相对稳 定的，则主要取决于土壤水分和土壤空气的含量。 所以，粘土：水分含量较高，早春季节解冻迟，土壤回 升慢，为冷性土； 砂土：水分含量低，早春土温回升快，为热性土。
三、土壤通气性（soil aeration） 土壤通气性（土壤透气性）：指土壤空气与近地层大气进行气
体交换以及土体内部允许气体扩散和流动的性能。
土壤通气性影响多种生物的生命活动，各种有机物质转化的化
学过程，根际呼吸，种子萌发，土壤病虫害的发生。
土壤通气产生的机制：
（一）、土壤空气扩散（Soil air diffusion） 指某种气体成分由于分压梯度与大气不同而产生的移动。它是 土壤空气与大气间进行交换的主要因素，原理服从气体扩散 公式： F＝－D· dc/dx F：单位时间气体扩散通过单位面积的数量； Dc/dx：气体浓度梯度或气体分压梯度； D：扩散系数，负号表示其从气体分压高向低扩散。
2、土壤水分调节：
减少土壤水分的损失；增加作物对降雨，灌溉水及土壤中 原有贮水的有效利用，同时包括对多余水分的排除等， 措施如下： （1）控制地表径流，增加土壤水分入渗；
合理耕翻：创造疏松的耕作层，保持土壤适当的透水性 以吸收更多的降雨和减少地表径流损失。 等高种植，建立水平梯田：改造地形，平整土地，减少 水土流失，梯田层层蓄水，坎地节节拦蓄 改良表土质地结构：增加土壤孔隙度，使蓄墒能力增强。
第二节
一、土壤热来源与平衡
土壤热状况
（一）土壤热来源
1、太阳辐射（solar radiation） 与所处的纬度有关，随纬度的提高，接受辐射减少；
自然地理 第五章 地理环境结构和地域分异规律
•第五章地理环境结构和地域分异规律第一节地理环境的整体性和差异性“什么是地理环境的结构呢？这就是它的整体性和差异性”“所谓整体性就是地理环境各组成要素和各个组成部分之间的内在联系性，它们相互联系相互制约并结成一个整体；这一要素影响另外的要素，这一部分影响另外的部分”“但是整体性不等于均一性，由于地球是一个球形。
它表面所吸收的太阳能，各部分是不均衡的；同时地表的组成和结构又不是均质的。
因此，地理环境的各组成部分又存在着差异性”《南美洲地理环境的结构》李春芬1.1自然地理环境的整体性自然综合体概念：自然环境各要素或各组成部分之间相互联系、相互制约，有规律的结合在一起而成的一个整体。
整体内部具有相对一致性，其中某一要素的变化，必然引起其它要素的变化，并不断发展和演变。
自然综合体洪堡提出了地球是一个不可分割的、有机的、各部分相互依存的整体道库恰耶夫预言将会产生一门研究各自然环境要素相互联系的科学——综合自然地理学前苏联地理学家建立严格的地理体系自然地理系统概念：地球表层各自然地理成分在能量流、物质流和信息流的作用下结合而形成的具有一定结构，能完成一定功能的自然整体。
系统：由若干要素以一定结构形式联结构成的具有某种功能的有机整体。
系统论的基本思想方法，就是把所研究和处理的对象，当作一个系统，分析系统的结构和功能，研究系统、要素、环境三者的相互关系和变动的规律性卡列斯尼克认为，“自然地理结构”是指各要素之间互相作用和互相联系的性质。
伊萨钦科把自然地理结构定义为：建立在景观组成部分之间内在联系的动态系统基础上的空间－时间组织（《现代地理学》，1997年）。
索恰瓦（1976年）则认为，每个地理综合体的结构应从空间结构和时间结构这两个方面来考虑。
空间结构是时间上稳定的地理综合体各组成要素的分布格局；时间结构是维持着空间结构的地理综合体在状态上一系列变化的结局。
•根据上述认识：地球表层系统的整体性，就是地球表层这个物质系统的整体性结构和由此产生的整体功能及其时间演化的规律性。
地球的 热量 平衡
地球的热量平衡地球表面的能量平衡1、地球表面的辐射平衡地球表面与大气之间进行着各种形式的运动过程，太阳辐射是维持着平衡的主要源泉。
因此，要研究地球的能量平衡，首先就要研究地球的辐射平衡。
由于地球距离太阳非常遥远，太阳释放的能量只有极微小的部分(20亿分之一)到达地球，以太阳常数计为1372W/m2。
地球每分钟接受的太阳辐射相当于燃烧4亿吨烟煤产生的热量，是地球最主要的能量源泉。
太阳常数的微小变化(或1%)都会引起地球能量系统包括气候的巨大变化。
太阳辐射到达地表以前，要经过大气的削弱作用(反射、散射和吸收)，最后被地表吸收的太阳辐射约占47%。
天气和气候就决定于接受的太阳辐射和散失热量(反射、散射和辐射)之间的平衡。
太阳辐射.1太阳辐射光谱和太阳常数辐射是指具有能量的称为光量子的物质在空间传播的一种形态，传播时释放出的能量称为辐射能。
太阳表面温度约为6000K，具有非常强的辐射能力。
太阳辐射中的辐射按波长的分布称为太阳辐射光谱。
其可分为三部分:紫外区、可见光区和红外区。
.2大气对太阳辐射的削弱作用太阳辐射是通过大气圈进入地球表面的。
由于大气对太阳辐射有一定的吸收、散射和反射等作用，而使太阳辐射不能全部到达地表。
(1)吸收作用太阳辐射穿过大气层时，大气中某些成分具有选择吸收一定波长辐射能的特性。
占大气体积99%以上的氮、氧对太阳辐射的吸收甚微，主要吸收物质是水汽、CO2和O3。
O3能吸收~的紫外线。
水汽在可见光区和红外区均有不少吸收带，但吸收最强的是在0.73~2.85um的红外区。
水汽的吸收可使太阳辐射损失4%~15%。
CO2的吸收带也主要在红外区，以1.5um和4.3um波长附近的吸收最强。
(2)散射作用太阳辐射遇到空气分子、尘埃、云滴等质点时，要发生散射。
散射可改变辐射的方向从前减少到达地面的太阳辐射能。
当晴空时，空气分子起主要的散射作用，使波长短的蓝紫光散射强，所以天空是蔚蓝色;当阴天或大气中尘埃很多时，以致各种波长的辐射同时被散射，形成散射光长短波混合，使天空呈灰白色。
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第六节 全球热量平衡
► 1.地气系统热量径向输送的特点
(1)两半球30º 之间的辐射过剩，中高纬地区辐射不足， 低纬地区的过剩与中高纬地区的不足相抵，整个地区保 持辐射平衡状态。 (2)低纬地区的过剩与中高纬地区的辐射不足将使赤道与 极地间的梯度加大，产生具有某些能量调节机制，从低 纬向高纬进行能量的水平输送。 (3)在纬度30º 之间的能量输送最大，从低纬度向高 ~40º 纬度输送的所有能量都必须经过这里。因此在中纬度地 区平均说来，风速最大，出现剧烈的天气系统。 （4）地纬向高纬总能量输送包括三部分：潜热输送、 海洋输送和大气输送（感热）。
► 地面与大气之间的潜热输送的特点
► 1）在海陆分界处，洋面和陆面的潜热输送相差很
大。这是由于大陆和海洋上净辐射的不同引起的蒸 发力不同；大陆上由于地表水分的限制，制约了潜 热的输送。 ► 2）大陆表面的潜热输送具有明显的非带状分布特 征。在充分湿润地区，潜热输送随净辐射自高纬向 赤道增大而增大；在干旱地区，潜热输送随干旱程 度的增加而减少。 ► 3）大洋上潜热输送年总量的分布与洋面净辐射的 分布基本相似。随纬度上升而下降，暖流所经处使 潜热明显加大，而冷洋流作用的地区，潜热输送偏 低。使潜热输送的带状分布特征遭到破坏。 ► 4）我国年平均潜热输送通量等值线基本呈纬向分 布，由南向北递减。这是因为南方较北方潮湿，且 温度较北方高；低值中心在塔里木盆地。
► 全球能量平衡的模型
► 假定到达大气上界的太阳辐射为100。 ► ①经大气、云的吸收，反射和地面反射，被地球吸
收的只有51（长波辐射为21，潜热输送为23，感热 输送为7）。 ► ②被云、大气反射回太空的为30 ► ③被大气中水汽、尘埃、臭氧、云吸收的为19 ► ④地面反射的能量为51（⑤大气吸收为45，⑥透过 大气射向太空的为6） ► 所以共吸收的量是：③+④=70 ► 共向太空放出的量是：③+⑤+⑥=70
T H c p kt z
其中ρ为空气密度，cp为空气定压比热，kT为湍流热 交换系数。如令下垫面高度为：z=0，积分后则为：
H c p DT0 T
其中D为外扩散参数。
热量平衡法，也可以求得，即：
R Qs H Lq 1 c p T
整体空气动力学法：
H c p c D uT0 T
第五章 地表热量平衡
第一节
► R=LE+H+Qs+St
热量平衡方程
► R：地表净辐射通量 ► LE：蒸发潜热
► H：地表与大气间的湍流热通量，即感热通量
► Qs：地表向下的热通量
► St：地表面与生物、物理、化学过程有关的能l
量通量
第二节 感热通量
► 感热：地表与大气间的湍流热通量，由地面
与大气之间的温差造成的。
第三节 潜热通量
► 潜热：地表蒸发时液态水气化所吸收的热量，
它通过在大气中凝结液态水而向大气释放热 量。 q LE Lk g z
L为蒸发潜热，kg为水汽交换系数，当空气未饱和 时，LE可写牛顿形式：
LE LC D uq 0 q
R Qs LE 1
引入鲍文比β
地表与大气之间感热输送的特点 ► 1）无论是陆面或洋面，感热交换结果是由地表面 向大气输送能量，在大陆上感热输送平均由高纬向 低纬增加，干旱和潮湿地区差异很大，最大值出现 在热带的沙漠地区。 ► 2）感热输送随气侯湿润程度的增加而减小。 ► 3）洋面上最大的感热输送发生在北半球的大洋的 西部和北部海区。在赤道附近较小。 ► 4）我国年平均感热通量分布呈北高南低分布。塔 里木盆地和内蒙古高原为高值区，这里干旱、少云、 多日照。低值区出现在四川、贵州一带。
► 夏季：两大高值区分别位于内蒙古高原和淮
河以南的整个东南和华南沿海地区。 ► 低值区位于滇西南及青藏高原主体部分；另 一低值区位于山东半岛。 ► 内蒙高原的强大的热源是该地区很强的太阳 辐射作用所造成的，而东南沿海高值区则是 副高影响的结果，滇西南低值区是由于西南 季风影响下的雨带造成的；青藏高原南部的 高值区是由于夜雨造成的。
► 2.
南北半球热量径向输送的差异
(1)通过中纬度和热带地区的潜热输送，南半球比北半 球大。 (2)通过热带和副热带的海洋输送，北半球比南半球 大得多。 (3)由于南半球Hadley环流比北半球更为强大，使得 通过热带的大气输送在南半球远大于北半球。 (4)主要由大型涡旋通过中纬度的大气输送，在南半 球较弱，南半球能量输送更多的是以潜热输送的形式 进行。 (5)南半球的净辐射略有盈余，辐射盈余对赤道以北的 影响主要表现在海洋上，跨越赤道向北输送的巨大的 潜热量主要由反向流动的大气输送来实现。
第四节 土壤热通量
► 土壤热通量：地表土壤与下层土壤间热传导
的热量通量。导热率，c为土壤比热，k为土壤导温率。我 国热平衡占采用各时段年内不同深度土壤温度差的 关系计算：
Cw Qs t
k S1 S 2 10
► Cw土壤容积热容量，
► t为时间间隔。 ► k为土壤导温系数。 ► S1为各深度温度分布特征函数， ► S2为10~20cm处土壤温度变化的特征函数。
第五节 冷热源
► 如果地表有热量向大气输送，称这个地区为
地面热源，反之地表从大气得到热量，称这 个地区为冷源（热汇）。 ► 我国冷热源分布与气候的关系 ► 冬季：热源呈现南高北低的特点，零等值线 在40~48º N之间，北部由于地表积雪反射率增 大为冷源；南部为热源，四川盆地的云雾和 阴雨较多，出现大低值中心；青藏高原的东 南部旱季辐射加热作用较强，为热源；高原 的主体部分也为热源区。