大气热能和温度
第二章大气的热能与温度
●教材分析：
本章分为五小节。内容涵盖太阳辐射；地面、大气之间的热传导、热平衡；以及大气增温、冷却的各种方式和大气温度的时间、空间分布格局。围绕气温这个最为重要的气象要素进行全方位的剖析，使学生不仅知道太阳本身的一些基本知识，而且知道太阳辐射的能量如何转化为大气热量，热量的传递有那些过程，大气热量在不同的时间、空间里有那些特点及变化。
其中，第一节太阳辐射介绍了太阳辐射的基本知识，黑体辐射定律可以作为一般得了解。太阳辐射光谱、太阳辐射在大气中的减弱、到达地面的太阳辐射的内容既是基础，也是重点，也是本章乃至本书的关键。
第二节地面和大气辐射重点有：地面和大气辐射都是长波辐射；大气对长波辐射的吸收；大气逆辐射；地——气系统热量平衡的思想。
难点：大气窗口、地面有效辐射、地面的辐射差额、大气辐射差额、地——气系统的辐射差额
第三节大气的增温重点有：海陆的增温和冷却的差异；气温的非绝热变化；干绝热过程和湿绝热过程；大气的稳定度及判别方法。
第四节大气温度随时间的变化重点有：气温的日变化和年变化
第五节大气温度的空间分布重点有：世界1月和7月海平面气温分布图；逆温及其在气象上的意义。
●教学设想
?课时安排：本章可用10个教学课时，1个实验课时
?教学目标：1、掌握教材分析中的所有基础及重点内容（黑体字）
2、课程讲完之后，可以配合实验课对气温中的最高最低温
度、气温、地温、日照的观测进行实习，同时学会仪器的安装。
?授课类型：讲授、实验
?教学媒体：幻灯片
●教学过程：见幻灯片
●参考资料：
1、《气象学与气候学实习》周淑贞高等教育出版社
2、《风云变幻的大气》杨遵仪江苏科学技术出版社
3、《细说八方晴雨》林之光科学普及出版社
4、《气象与生活》林之光江苏教育出版社
5、《气象学与气候学》张菀莹北京师范大学出版社
●本章小结
大气中各种物理过程是在太阳辐射、地面辐射与大气辐射的相互作用下产生和发展的。太阳辐射是地球的主要能量来源，而地面辐射是对流层大气的主要热源。
太阳辐射穿过大气层受到削弱。削弱的程度主要取决于太阳高度角和大气透明度的大小。因为大气直接吸收的太阳辐射数量很少，故太阳辐射并不主要增热大气，尤其是底层大气。
辐射波波长的长短和辐射体的温度有关，太阳辐射为短波辐射，地面为长波辐射。地面辐射大部分被大气所吸收，因而地表面是大气热量的主要供给者。
大气主要靠吸收地面的长波辐射而增暖，同时大气又通过逆辐射向地面输送热量，对地面起保暖作用和调节作用。因此地面和大气的热状况取决于地面和地——气系统的辐射收支的变化。如果收入大于支出，净得热量，则增温；反之，则降温。大气的增温和冷却还取决于下垫面状况。特别是海陆热力差异对大气的影响不同，使海洋上气温变化和缓，陆地上气温变化剧烈。就整个地球多年平均状况来看，全球的热量收支是平衡的，因而气温也比较稳定。
引起气温变化的主要方式有绝热变化和非绝热变化。当空气沿水平方向运动时，非绝热变化是主要的；当空气块作较快的铅直运动时，绝热变化是主要的。空气的绝热变化有干绝热过程和湿绝热过程两种。
空气与外界交换热量的方式有辐射、平流、乱流、对流、蒸发、凝结等。当大气层结m γγ<时，大气处于绝对稳定状态；当d γγ>时，大气处于绝对不稳定状态，当m d γγγ>> 时，大气处于条件性不稳定状态。
气温的变化和分布有一定的规律性。气温随时间的变化，主要取决于太阳辐射随时间的变化，故以周期性的日、年变化为主。但有时非周期性变化很显著，不容忽视。气温的水平分布基本上呈纬向带状分布，南半球更为明显。由于下垫面诸多因素的影响，北半球气温分布更为复杂一些。气温的垂直分布，在对流层中随高度的增加气温逐渐降低。但是在一定条件下，也会出现短暂的逆温现象。逆温层会阻碍空气的上升运动，并使逆温层下的大气污染物难以扩散，能见度降低。根据逆温形成的原因可将逆温分为辐射逆温、平流逆温、乱流逆温、下沉逆温和锋面逆温等。
教师在讲解知识的基础上注意：
1、 本节内容比较凌乱，但内在又有联系性，教师要在上课中不仅讲授每个知识点，而且要给学生贯穿本章的体系、内容之间的联系。
2、 多联系实际，增加学生学习的兴趣。
3、 在辐射差额中主要给学生灌输热量平衡的概念
第二章大气的热能和温度
第一节太阳辐射
一、辐射的基本知识
（一）什么是辐射
1、定义：自然界中的一切物体，只要温度高于-273℃（0k）都可以以电磁波的形势时可不停的向外传送能量，这种传送能量的方式及其所传送的能量都叫辐射。
2、特点：辐射透过空间并不需要媒介物质，真空中也可以进行能量的传输（不像声音在120公里的稀薄大气中就不能传播了）有许多辐射使我们感觉不到的，我们四周的物体都向外辐射能量，火炉向四周传送的热量就是辐射的形式。其速度为V=C;太阳辐射就是以光速从太阳向四周发射的。
3、波长：电磁波长范围有很大的差异，如宇宙射线的波长为10-10 微米，而无线电波长可达几公里根据波长可将电磁波分为涉县、涉县紫外线、可见光、红外线、无线电波。气象学这种研究的是太阳、地球、大气的热辐射，他们的波长范围大约在0.15~120微米。
4、单位：一个物体的辐射能力可以用辐射通量密度E来表示，
E：辐射通量密度: 单位时间内通过单位面积的辐射能量
I：辐射强度: 单位时间内，通过垂直于选定方向上的单位面积的
辐射能量。
即E没有方向性，可以是垂直的，也可以是有一个倾角的能量，强度必须是光线无论从哪个方向射来垂直于平面的那个分量（E)。
（二）物体对辐射的吸收、反射和透射
投射到物体上的总辐射能为Qo,，被分成三部分，即吸收Qa 、反射Qr 、透射Qd
根据能量守恒定律：Qo=Qa+Qr+Qd
第一项，吸收的辐射能量与投射到其上的总辐射能量之比，是吸收率
第二项，反射出的辐射能量与投射到其上的总辐射能量之比，是反射率
第三项，透射过的辐射能量与投射到其上的总辐射能量之比，是透射率。
也即：a+r+d=1
对于一般物体来讲是不透明的，则用于透射的能量为零，d=0
,则公式变为a+r=1
对于同一物体，吸收率大则反射率小，反之，吸收率小则反射率大。
在理想状态下，为了研究方便，假设某种物体对所有波长电磁波都一视同仁，吸收率为同一个小于1的值，这种物体叫灰体；
若吸收率不但一致，而且为1，即全部吸收，这种物体为绝对黑体，简称黑体。
（三）辐射差额
定义：自然界中的一切物体，不仅不停地向外放出辐射能，而且还不停地吸
收别的物体放出的辐射能，在某一时段内，收支差额即为辐射差额额。
若：收入>支出差额为正温度升高
收入=支出差额为零温度不变
收入<支出差额为负温度降低（四）辐射的基本定律
1、基尔霍夫定律
2、斯蒂芬—波尔兹曼定律
3、维恩定律
二、太阳辐射
( 一)太阳辐射光谱和太阳常数
1、太阳辐射光谱：按太阳辐射光线的波长顺序而成的波谱叫做太阳辐射光谱。
三个光谱区：紫外线光谱区（波长小于0.4μm）
可见光光谱区（波长在0.4~0.76μm）
红外线光谱区（波长大于0.76μm）。
2、太阳常数
太阳辐射通过星际空间到达地球表面，中间首先到达大气上界。在日地平均距离处在大气上界垂直于太阳光线的1平方厘米的面积上，1分钟内所获得的太阳辐射能量即为太阳辐射常数。
（二）太阳辐射在大气中的衰减
1、吸收——有选择性
占大气体积的99%以上的氮、氧对太阳辐射的吸收微弱，而含量不多的水气、二氧化碳和臭氧可以吸收某些波段的太阳辐射能。
地面大气通过太阳辐射增温每天不足1℃，例如：秋天最高气温20 ℃，最低气温5 ℃，日较差15 ℃；可见，大气温度升高不是通过吸收太阳辐射来的。
2、散射
太阳辐射通过大气时遇到空气分子、尘埃、云滴等介质质点时，都要发生散射，但散射并不像吸收那样把辐射变成热能，而是改变了辐射的方向，使太阳辐射的以质点为中心向四面八方传播。因而，经过散射，一部分太阳辐射就不会沿原方向到达地面。
（1）分子散射（瑞利散射）——有选择性
d <
波长愈小散射能力越强，波长较短的可见光为青蓝紫光，这是天空蓝色的原因。
（2）粗粒散射——没有选择性
这种质点往往是直径较大的灰尘、冰晶等。各种波长的太阳辐射都要被散射。如：当空中存在较多的尘埃、或雾等粗粒时，太阳辐射的长短波都被同等的散射，使天空呈现灰白色，也叫漫射。
3、反射——无选择性
云层、尘埃具有强烈的反射作用对各种波段的光都反射，因而呈白色。随着云层增厚反射能力也增强。平均为50%——55%
大气对太阳辐射的减弱，依次为：反射>散射>吸收
从全球平均状况来看：大气直接吸收的太阳辐射占20%；散射占到30%，只有50%到达地面被吸收。
（三）到达地面的太阳辐射
1、直接辐射
太阳以平行光线的形式直接投射到地面上的称为直接辐射
其大小取决于两个条件：
（1）太阳高度角（h)：太阳光线和水平面的夹角。
根据经验中午太阳高度角大时，太阳光强烈；早晚太阳高度角小时辐射较弱。原因：
A 太阳高度角越小，等量的太阳辐射散布的面积就越大，因而地表单位面积上所获得的太阳辐射就越小。“手电筒效应”
B太阳高度角越小，太阳穿过的大气层越厚，被吸收、散射、反射的能量越多，太阳辐射被减弱也较多，到达地面的太阳辐射也就少了。
大气质量——在地面为标准大气压时，太阳光线垂直投射到地面（h=90)所经过的路程中，规定单位面积的空气柱的质量为1个大气质量。太阳高度角小时，则大气质量数要增大。
（2）大气透明度
大气干净的程度。它取决于大气中所含水汽、水汽凝结物和尘粒杂质的多少这些物质越多，大气透明度越差。如西北的沙尘暴遮天蔽日，飞沙走石，白天尚需电灯透明度低，而大雨大雪后的天空是澄净的大气透明度高。
大气透明度可以用透明系数来表示（p）
I为到达地面的太阳辐射强度
I0为太阳位于天顶时的大气上界的辐射强度
实质上p表示太阳辐射穿过大气后的削弱程度，若p=0.8 就表示削弱了20% ，若=1则大气透明度为最大。
综合考虑太阳高度角和大气透明度，可用布格公式表示
到达地面的太阳辐射的多少，最主要是受到太阳高度角的影响。
太阳直接辐射随时间空间的变化规律：
同一地点，
在同一天，日出日暮时太阳高度角最小直接辐射最弱；中午太阳高度角最大直接辐射最强。
在一年中，夏季最强；冬季最弱。
不同纬度，低纬度一年各季太阳高度角都很大，地面得到的直接辐射较中、高纬度大得多。
2、散射辐射
太阳高度角（h)
大散射辐射强
小散射辐射弱
大气透明度（p）
大散射辐射弱
小散射辐射强
3、总辐射
总辐射=直接辐射+散射辐射
总辐射随维纬度的分布一般是:
纬度越低总辐射越大。反之，越小。
一般情况下，一年中总辐射量最大的时候往往不会出现在雨季云量最大的时间。在我国北方出现在雨季到来之前的5、6月份。
根据计算，考虑了纬度、大气、云的共同影响到达地面的有效辐射最大值不在赤道，而在20°N——热赤道。
我国年总辐射量最高的地区在
西藏﹥青海、新疆、黄河流域﹥长江流域、华南地区
（四）地面对太阳辐射的反射
投射到地面的辐射，并非完全被地面吸收，其中一部分被地面所反射。反射的多少，取决于地表面的性质和状态。陆地表面对太阳辐射的反射率为10%—30%。其中深色土<浅色土；粗糙土<平滑土；潮湿土<干燥土。雪面的反射率很大为90%；水的反射率随太阳高度角的增大而减小；总的来说水面的反射率比陆面要小些。
由此可见，即使总辐射的强度一样，不同性质的地表真正得到的太阳辐射仍有很大的差异。这也是导致地表温度分布不均匀的重要原因之一。
第二节地面和大气辐射
一、地面、大气的辐射
1、地面辐射：宇宙中的任何物质，只要它的温度高于绝对零度时都能放射能量，地面吸收太阳辐射后（45%-反射掉）转变为热能后，使地面增温，然后日夜不停的向外放射辐射，这就是地面辐射。
2、大气辐射：大气对太阳辐射的吸收很少（24%）但能强烈的吸收地面的辐射，大气主要靠吸收地面辐射后升温，它也日夜不停的向外放出辐射，叫大气辐射。
3、地面辐射与大气辐射的共同特点：
根据斯蒂芬—波尔兹曼定律物体温度越高放射辐射的能力越强所以太阳辐射的能力远远高于地面和大气，白天高于夜晚，也可以通过公式具体计算出大气、地面在一定温度下的辐射能量。
根据维恩定律可以计算出大气、地面在自然温度幅度内的波长范围根据计算地面和大气的辐射波长范围大概在3——120微米属于红外辐射其辐射能最大的波段集中在10—15微米。所以将地面大气的辐射称为长波辐射。而将太阳辐射称为短波辐射。
太阳辐射0.2——3.0μm 短波辐射
地面大气辐射3——120 μm 长波辐射
4、大气辐射的特点：
（1）大气对长波辐射的吸收
大气对长波辐射的吸收非常强烈大气中对长波吸收其重要作用的成分有水汽、液态水、二氧化碳、和臭氧，他们对长波辐射的吸收同样具有选择性。
（2）、大气窗口：
在8—12 μm ，大气中的各种物质吸收地面长波辐射最弱因此这个波段的辐射不受阻挡，可以畅通无阻的进入宇宙空间投射率最大，而其他波段被大气中的物质吸收，不能出去，像被墙挡住一样，就像大气特地为这个波段开了一个窗口一样，所以把这个波段叫做大气窗口，即大气对这个波段无影响。
这个波段的辐射，正好位于地面辐射能力最强处，所以地面辐射有20%的能量经过这个窗口射向宇宙空间。——遥感
（3）、大气直接热源——地面的长波辐射
（4）大气逆辐射：地面辐射是向上的，大气辐射既有向上的，也有向下的，大气辐射中向下的那一部分因为刚好和地面辐射相反，故称大气逆辐射。
（5）、大气对地面的保温作用
保温作用：大气对地面辐射的强烈吸收
大气逆辐射
月球表面没有大气，因而没有大气的保温效应，白天太阳辐射的地方温度可达127℃ ，夜晚则降到-183℃ 。
二、地面有效辐射（二个研究对象）
地面辐射与大气逆辐射是经常存在的，地面放出辐射和地面吸收的大气逆辐射之差称为地面有效辐射。
F0 在通常情况下为正，是地面通过长波辐射失去热量 F0 为负时（逆温、潮湿），是地面通过长波辐射失去热量
地面有效辐射的变化规律：
日变化：中午前后达到最大值以后逐渐变小，到早晨达到最小
年变化：夏季大，冬季小，但由于水汽和云的影响，最大值出现在春季。
三、地——气系统的辐射差额（一个研究对象）
1、地面的辐射差额：
地面吸收的辐射与放出的辐射之差。
即 地面的辐射差额=地面得到的能量—地面失去的能量 地面得到的能量=地面得到的太阳辐射能+大气逆辐射 地面失去的能量=地面辐射
g
R
为正时地面有热量积累，地面温度将上升 为负时地面有热量亏损，地面温度将下降
为零时地温没有变化，处于辐射动态平衡状态
时空分布：
日变化：白天为正,夜间为负。由正值变为负值是日落前1—1.5小时，由负值变为正值时是日出后1小时。
年变化：夏季为正，冬季为负，低纬度地区辐射差额保持正值的月份越多，高纬度地区辐射差额保持正值的月份越少。
就整个地球表面平均来讲收入是大于支出的,也就是说,地球表面通过辐射的交换来获得热量。
2、大气的辐射差额：
大气得到的辐射能与大气失去的能量之差 得：大气直接吸收的太阳辐射+地面辐射 失：大气逆辐射+大气辐射到宇宙空间
整个大气层的辐射差额为负值，也就是说，大气是通过辐射能量来失去热量的。
3、地——气系统的辐射差额
如果将地面和大气看作是一个系统那么收入的辐射和支出的辐射之差就是地—气系统的辐射差额
得：(Q+q)(1-a)——地面吸收的太阳辐射能 qa ——大气吸收的太阳辐射
失： F ∞ ——透过大气层地面辐射和大气辐射射向宇宙空间的能量 也可变为：R ?= (Q+q)(1-a) +qa-F ∞ 就个别地区来说，地—气系统的辐射差额即可以为正也可以为负。就整个地气系统来讲，这种辐射差额的多年平均值因为零，整个地球所吸收的能量和放出的辐射能量是相等的，从而使全球达到辐射平衡。
g g g E E a q Q R -+-+=δ)1)((0)1)((F a q Q R g --+=
第三节大气的增温和冷却
一、海陆的增温与冷却的差异
同样的太阳辐射到达地面也会因下垫面性质的不同而温度不同，而大气的热源主要来自下垫面，所以下垫面的不同对大气温度有着深刻的影响。其中海洋与陆地的差异最大。
1、二者对太阳辐射的吸收和反射不同
2、能量分布的厚度不同
3、水汽含量不同
4、陆地比热小于海洋比热
结论：陆地受热快，冷却也快，温度升降变化大。海洋好像大气热量的存储器和调节器升温和冷却都较慢，所以年最高气温和最低气温的出现比大陆延迟1—2个月，且日较差和年较差都比陆地小。陆地是急性子，海洋是慢性子。
二、空气的增温与冷却
空气的温度高低实质是空气分子运动快慢（内能）的表现，所以空气既可以通过与外部的能量交换而升高或降低温度——气温的绝热变化，也可以通过做功而变化——气温的绝热变化。
1、气温的非绝热变化（几种与外界传递热量的方式）
传导
辐射
对流
湍流
蒸发
凝结
2、气温的绝热变化
当某一气团在与外界没有任何热量交换的情况下，做上升运动，如果该气团体积不变上升到某一处，则其内部的压强会比周围大气的要高，气团为了与外界大气相平衡，气块体积要膨胀，在膨胀的过程中克服外界压力而做功，气团做功所消耗的能量取自气团内部，因此使气块温度降低，以上过程称为气温的绝热冷却。
反之，气团作下沉运动时，若与外界没有热量交换的情况下，由于外界气压比起团内部气压高，会压缩气块使气团体积缩小，同时气团内气体被压缩做功，内能增加，温度上升，这种现象称为绝热增温。
干绝热方程：
1、干绝热变化及干绝热直减率
当一团干空气或未饱和的
湿空气与外界没有任何热量交
换做升降运动，且气块内没有任何水相变化时的温度变化过
程叫干绝热变化。
P
P-Δ
P
P+ΔP
绝热冷却
绝热增温
气温的绝热变化
286.00
)(P P T T =0
T 100m
x T -0
干绝热直减率（γd ）-------干空气或未饱和的湿空气，气块绝热上升（或下沉）单位距离时温度降低（或升高）的数值。
γd =1oC/100m
注意：
干绝热直减率=1℃/100m 气温直减率=0.65℃/100m
原因：
气温直减率是大气温度随着距离地面越来越远得到的热量越来越少。
干绝热直减率是干空气在绝热上升或绝热下降运动过程中由于做功气块本身的温度变化
2、湿绝热变化及湿绝热直减率
湿绝热变化过程：当饱和湿空气在做绝热上升（或下沉时）温度受到两方面的影响
(1)气团中的干空气上升体积膨胀降温，也是每上升100米温度降低1oC 。 （2）水汽既已是饱和，的，它会因为上升冷却而发生凝结，凝结就要放热，所以放出的热量又使温度有所回升。所以可以推论，因为有凝结放出热量的补给，降温要小于γd 。这整个过程就是大气温度的湿绝热变化。
湿绝热直减率（γm ）：饱和湿空气块上升（下沉）单位距离使温度降低（升高）的数值。
Γm <1oC 是一个变数
γd =1oC/100m
To
To- γd = To-1
To
ΔT=
Γm =1oC- ΔT
湿绝热直减率是一个变数，它的大小是气压和温度的函数
（1）：温度高低对湿绝热直减率的影响
在体积、气压相等的情况下，温度高的饱和空气含水量大，所以降低同样的温度，要比温度低的饱和空气凝结出更多的水分，意味着放出更多的热量来。
例如: 20oC —19oC 饱和空气凝结出1克水/立方米 0oC — -1oC 饱和空气凝结出0.33克水/立方米
高温 凝结水多 放热多（ΔT 大）Γm=1oC- ΔT Γm 小 低温 凝结水少 放热少（ΔT 小）Γm=1oC- ΔT Γm 大
结论：当两块饱和空气气压相同，容积相等而气温不同时，气温高的Γm 小，温度变化不大。气温低的Γm 大，温度变化较大。
（2）气压大小对湿绝热直减率的影响
假设温度相同则而这所含的水汽是一定的，于是按湿绝热上升时因温度降低产生的凝结潜热是相等的，但热量不是温度，对于空气密度大小不同的气团，相同的热量引起的增温作用会不同。
P 大 等量的热量引起的升温要小些（ΔT 小） Γm=1oC- ΔT Γm 大 P 小 等量的热量引起的升温要大些（ΔT 大） Γm=1oC- ΔT Γm 小
结论：在温度相等的情况下气压高的饱和空气Γm 大，气压低的Γm 小
P 大
P 小
3、干湿绝热线的比较：
（1）干绝热直减率γd 近似于常数，故是一直线。
（2）Γ湿绝热直减率是一个变
量，所以是一个曲线。
①湿绝热直减率曲线始终在干绝热线的右方。
γm < γd ，上升同样的高度始终是T(湿）>T （干
②Γm 不是恒定的，因而不是一个直线，而且是一条下陡上缓的曲线。因为大气层下层温度高，γm 小随高度上升温度下降慢；大气层上部温度低γm 大，随着高度上升温度下降快。
（3）到了高层，两条线近于平行。 温度越降越低，水汽凝结越来越多，空气团中的水汽含量越来越少，当水汽为零时，饱和空气也就变为干空气，则γm = γd ，从而使两条线近于平行。
三、大气的稳定度
许多天气现象的发生都和大气稳定度有密切关系大气稳定度是指气块受到任意方向的扰动后返回或远离平衡位置的趋势和程度。也即表示空气是否安于原来的层次，是否易于发生垂直运动（对流）。如果容易就不稳定，不容易就稳定。
判定大气稳定度的基本方法：
（1）γ越小越稳定，越大越不稳定。Γ=0 随高度升高温度不变是同温层。 γ<0时随高度的升高温度反而增加叫逆温层，稳定到了对流不能进行的程度，也叫阻挡层。
（2）当γ <γm 时，就肯定γ <γd ，无论空气是否达到饱和，大气总是处 于稳定状态叫绝对稳定。
当γ> γd 时就肯定γ> γd > γm ，无论空气是否达到饱和，大气总是处于不稳定状态，叫绝对不稳定。
（3） γm < γ < γd ，
对于作垂直运动的饱和空气来讲，层结是不稳定的，右边大 对于作垂直运动的不饱和空气来讲，层结是稳定的，左边大
T(干） T(湿）
< 0
第四节 大气温度随时间的变化
一、气温的周期性变化
1、气温的日变化
太阳辐射
地面温度 大气（温度） 短波
长波
最大值 12点 13点
14—15点 原因
太阳高度角最大
12点之后地面热量仍然得大于失，温度还要上升一段时间
大气接收地
面辐射需要一个过程而
不是瞬间
11oC 12oC 13oC γ
d =
γ
11.2oC
12oC
12.8o
C
10.8oC
12oC
13.2oC
0.8= <γ < γd =1
γ>(γd =1 )=1.2
返回原地—稳定
推到哪里就在那里 属中性气层
远离原地
（2）最低气温
次日日出前，大地不停地向外界散失热量而没有接收任何太阳辐射，所以地面温度最低大气温度也达到了一天当中的最低值。
日较差：一天中最高温与最低温的差值。其变化规律为：
纬度：低纬大于高纬，从副热带向两极递减
低纬正午太阳高度角大接受的太阳辐射多最高温高夜间放出的也多差值大
高纬正午太阳高度角小接受的太阳辐射少最高温低夜间放出的也少差值小
季节：夏季大于冬季
地表性质：陆地大于海洋；山谷、河川、盆地大于山峰、凸地形
云量：晴天大于阴天
2、气温的年变化
就北半球而言，太阳辐射最强和最弱的月份分别是夏至（6.22）和冬至（12.22），由于地面储存热量，并把热量传给大气需要一个过程，所以气温最高和最低值出现的时间要落后1—2个月。
年较差：一年中月平均温最高值与最低值之差。
变化规律：
纬度：随着纬度的增加而增大
在赤道地区太阳高度角终年相差不大，最冷月和最热月热
量收支差别不明显所以气温年较差较小。
在高纬地区夏季太阳直射北回归线与冬季太阳直射南回归
线时的太阳高度角相差极大，所以年温差也较大。
海陆：陆地大于海洋（1、7月2、8月）
第五节、大气温度的空间分布
一、气温的水平分布
等温线图：把水平空间上，温度相同的各点用平滑的曲线连接起来。
影响温度的因素有纬度、海陆、海拔高度，但是一般的等温线图中常把不同海拔高度处的温度统一换算到海平面的温度。这样就在等温线图中突出地表现纬度和海陆对温度的影响。
特点：
1、一月份等温线图低纬温度高，从低纬向两级递减的大趋势。
2、北半球等温线较密，说明各纬度间温差大，南半球相反。因为
1月份太阳直射点位于南半球，北半球高纬度地区太阳高度角很小，而且白昼短，而低纬恰好相反，因此南北温差大。南半球正处于夏季，等温线也较稀疏。
3、热带以外的区域，大陆上等温线向南凸出，表示
北半球大陆的的温度低于海洋，这是由于海陆热力差异造成的，弯曲剧烈的地方往往是暖流经过的地方，如：黑潮和墨西哥暖流。
4、北半球冬季气温最低值出现在高纬度大陆内部和格陵兰地区，西伯利亚的维尔霍扬斯克-69.8 oC ；奥伊米亚康-73 oC
陆
2
4 6 8
陆
特点
1、7月份等温线图从低纬度向两级递减。
2、7月份等温线比较稀疏，说明北半球的夏季南北温差小。
原因：7月份太阳直射点位于北半球，北半球高纬度地区太阳高度角也很大，而且白昼变长，低纬地区太阳高度很大，因此南北温差小。
3、7月北半球等温线在大陆凸向高纬，海洋凸向赤道
4、近赤道地区有一个高温带，月平均温度在冬夏都高于25oC，称为热赤道。热赤道的位置随太阳直射点的移动而变化，冬季在5o—10oN，夏季在20oN，因此世界上最热的地方不在赤道，而在20o—30oN撒哈拉大沙漠的内部，曾出现40oC以上的高温。
二、对流层中气温的垂直分布
对流层中气温随高度的增加而降低，r=0.65oC/100米
逆温：气温随高度的增加而升高的现象
辐射逆温
平流逆温
湍流逆温
下沉逆温
锋面逆温
第二章 大气的热能和温度
第二章大气的热能和温度 【教学目的】 1、了解太阳辐射的基本知识，了解地面和大气的辐射， 了解大气的增温和冷却 2、掌握气温的周期性变化规律，掌握气温的空间分布规律 【教学重点】大气对太阳辐射的减弱，气温的周期性变化规律， 气温的空间分布规律 【教学难点】有关辐射的基本定律，地面辐射和大气辐射，气 温的绝热变化，空气温度的个别变化和局地变化，大气静力稳定度。【教学方法】讲授法，讨论法 【教学工具】多媒体 【教学时数】10课时 第一节太阳辐射 一、辐射的基本知识 （一）辐射与辐射能 1.辐射： 2.辐射能：通过辐射传播的能量称为辐射能。 3.电磁波：波长范围很广。 可见光：波长从0.4～0.76微米，是由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等颜色的光组成的光带，其中红光波长最长，紫光波长最短。 4.气象学着重研究的是太阳、地球和大气的热辐射，它们的波长范围大约在0.15～120微米之间。 5.辐射通量密度(E)： 6.辐射强度( I ) （二）物体对辐射的吸收、反射和透射 任何物体在向外放出辐射的同时，也会接受到周围物体向它投射过来的辐射，但投射到物体上的辐射并不能全部被吸收，其中一部分被反射，一部分可能透过物体。 a + r + d = 1 a、r、d都是0～1之间的无量纲量，分别表示物体对辐射吸收、反射和投射的能力。 物体的吸收率、反射率和透射率大小随着辐射的波长和物体的性质而改变。
例如：干洁空气对红外线是近似透明的，而水汽对红外线却能强烈地吸收；雪面对太阳辐射的反射率很大，但对地面和大气的辐射几乎能全部吸收。 （四）有关辐射的基本定律 1.基尔荷夫（Kirchhoff）定律 上式是基尔荷夫定律的基本形式。它表明： （1）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。 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。黑体吸收能力最强，所以它也是最好的放射体。即同一物体在温度T时它放射某一波长的辐射，在同一温度下它也吸收这一波长的辐射。 基尔荷夫定律适用于处于辐射平衡的任何物体。对流层和平流层大气以及地球表面都可认为是处于辐射平衡状态，因而可直接应用这一定律。 2.斯蒂芬（Stefan）-玻耳兹曼（Boltzman）定律 黑体的总放射能力与它本身的绝对温度的四次方成正比，即 上式称斯蒂芬-玻尔兹曼定律。 根据上式可以计算黑体在温度T时的辐射强度，也可以由黑体的辐射强度求得其表面温度。 3.维恩（Wein）位移定律 黑体单色辐射极大值所对应的波长是随着温度的升高而逐渐向波长较短的方向移动的。 黑体单色辐射强度极大值所对应的波长与其绝对温度成反比，即
第二章 大气的热能和温度
第二章大气的热能和温度 [主要内容] 本章主要讨论与大气温度有关的辐射能量及其转化，说明了大气温度变化的原因，揭示了大气温度的时空分布规律。 [名词解释] 辐射、辐射能、辐射强度、辐射通量密度、黑体、太阳常数、直接辐射、散射辐射、总辐射、行星反射率、大气窗口、地面有效辐射、干绝热直减率、湿绝热直减率、泊松方程、位温、假相当位温、大气稳定度、气温的日较差、气温的年较差、热赤道、逆温 1.辐射：自然界中的一切物体都以电磁波的方式向四周放射能量，这种传播能量的方式称 为辐射。 2.辐射能：通过电磁波的方式传输的能量。 3.辐射强度：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。 4.辐射通量密度：单位时间内通过单位面积的辐射能量。 5.黑体：在任何温度下，完全吸收任何波长的外来辐射而无任何反射的理想物体。 6.太阳常数：在大气上界日地距离处，垂直于太阳光线的1cm2面积内，1min内获得的太 阳辐射能量。 7.直接辐射：太阳以平行光线的形式直接投射到地面上的太阳辐射。 8.散射辐射：经过散射后自天空投射到地面的太阳辐射。 9.总辐射：直接辐射和散射辐射之和。 10.行星反射率：全球平均而言，太阳辐射约有30%被散射和漫射回宇宙，称之为行星反 射率。 11. 大气窗口：大气在整个波长段，8-12μm处吸收率最小，透明度最大。 12. 地面有效辐射：地面放射的辐射与地面吸收的大气逆辐射只差。 13. 干绝热直减率：干空气和未饱和的湿空气气块绝热上升单位距离时的温度降低值。 14. 湿绝热直减率：饱和湿空气绝热上升的直减率。 15. 泊松方程：即干绝热方程，即绝热变化时温度随气压变化的具体规律。 16. 位温：气压在1000hPa处所具有的温度。 17. 假相当位温：当气块中含有的水汽全部凝结降落时，所释放的潜热使原气块的位温提高 到了极值，这个数值称为假相当位温。 18. 大气稳定度，气块受任何方向扰动后，返回或远离原平衡位置的趋势和程度。 19. 气温的日较差：一天中气温的最高值与最低值之差。 20. 气温的年较差：一年中月平均气温的最高值与最低值之差。 21. 热赤道：平均温度1月和7月均高于24℃的地带，冬季在5°-10°N处，夏季移到20° N。 22. 逆温：在一定条件下，对流层中出现的气温随高度增高而升高的现象。 [填空] 1、太阳辐射是地球最重要的能量来源，一年中整个地球可以有太阳获得__5.44*1024J _的能 量。 2、气象学着重研究太阳、地球和大气的热辐射，它们的波长大约在_0.15-120μm_之间。 3、基耳荷夫定律表明：同一物体在温度T时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；一个物体的吸收率等于该物体同温度同波长的__放射率__；_黑
大气层结构组成
1+1教育自然科学个性化教案 教师 朱银炎 学生姓名 上课日期 2012年6月8日 学科 自然科学 年级 初二 教材版本 人教版 类型 知识讲解□：考题讲解□: 学生课时统计 学案主题 班主任 授课时段 教学目标 教学内容 1. 知识与技能 2. 过程与方法 3. 情感态度与价值观 大气层 教学重点、难点 教学过程 学生活动 教师活动 1、大气层：指在地面以上到1000千米左右的高度内，包围着地球的空气层。 2、大气层的重要性：如果没有大气层，则地球A、没有天气变化；B、没有声音;;C、易受陨石侵袭；D、温差很大。
3、大气的分层：根据大气温度垂直分布的特点及大气的密度、物质组成，可以把大气分为5层----- 对流层、平流层、中间层、暖层、外层。 4、对流层：是大气的底层，与人类的生活和生产关系最密切的一层。 *重点记忆：A、对流层最显著的特点------有强烈的对流运动， 空气对流运动的规律：B、各种复杂的天气现象（如云、雨、雪、雷电等）都发生在对流层；*对流层集中了地球3/4的大气质量和几乎全部的水汽、固体杂质 C、对流层的厚度不均匀，表现在两极厚度小，赤道厚度大 *小问题：1、家用壁挂式空调一般都安装在房间的墙壁上部，这是为什么？ 答：夏天，空调吹出的空气气温低，密度大，会下沉，这样室间空气回形成对流，使整个房间内气温均匀。 5、平流层：大气温度随高度的增加而逐渐增高，气流平稳，利于高空飞行；内有臭氧层，能吸收紫外线，对人类起保护作用。 1．大气主要集中在地面以上________左右的高度内，与地球的半径相比，大气显得很______。 然而它对地球而言却非常重要，它像一件外衣一样__________着地球。 2．大气温度的变化范围约在_______之间。在85千米以上，大气的温度呈________趋势。3．我们对大气进行分层的主要依据是___________________。根据________，__________和 _________等特点，可以把地球大气层分为五层，即______________，_______________，______________，_____________和__________。其中对流层最显著的特点是___________ ___________________。 4．空气对流运动的规律：热空气密度_________，________运动；而上方空气温度低，密度 ___________，下沉，形成对流。 二、我会选择： 5．如果地球上没有大气，下列现象仍然存在的是( ) A、狂风暴雨 B、火山喷发 C、雷电交加 D、碧海蓝天 6．地球上的大气层像一件外衣一样保护着地球，如果地球上没有大气层，则地球将会( ) A、出现睛天、下雨等非常复杂的天气现象 B、仍然听到讲话的声音 C、频繁地受天外来客的袭击 D、没有白天和黑夜 7．指出下列大气对流图中正确的是( ) A B C D 8．地球大气与宇宙空间的过渡层是( ) A、暖层 B、平流层 C、中间层 D、外层 9．地球表面大气层的厚度大约为（） A、1000千米 B、2000千米 C、3000千米 D、5000千米10．大气分层的依据是（） A、大气密度在垂直方向上的垂直变化 B、大气温度在垂直方向上的垂直变化
高中地理 大气的组成和垂直分层教案 湘教版必修1
第一节大气的组成和结构 一、教学内容分析： 本章是讲述人类生存与发展的自然环境的重要组成部分，与第一章地球的宇宙环境相比，它所揭示的“人与自然”的关系更为密切，阐明为人类提供的生存空间的条件更为广阔。大气环境是人类三大环境，即大气、海洋和陆地环境之一，是海洋和陆地两环境的物质、能量交换的动力和媒体。所以，本章有助于对前后各单元知识的学习和理解。第一节大气的组成和结构则是全章的基础。 二、教学目标 1．知识目标 （1）了解大气的组成及其作用。 （2）认识人类活动对大气成分的影响。 （3）知道大气的结构，掌握对流层和平流层大气的特点。 2．能力目标 （1）培养读图、阅读和概括能力。 （2）运用对比法分析地理问题的能力。 3．德育目标 了解人类活动对大气环境的影响和作用，树立人类与环境相互协调、走可持续发展道路的观念和意识。 三、教学重点、难点、及解决办法 1．重点 （1）人类活动对大气成分的影响。 （2）对流层、平流层大气的特点。 2．难点 对流层、平流层大气的特点。 3．解决办法 （1）对比分析法。 （2）运用图片简要说明原理。 4、课时安排 1.5课时。 四、教学方法： 1．启发式； 2．读图分析法； 3．对比讨论法。 五、教学过程： 引入：前面，我们了解了地球所处的宇宙环境，从这节课开始，我们将进一步关注地球本身的特点，那么，地球是一个怎样的星球呢？ 读P．5的“地球表面圈层图”。
读图提问：地球表面是由哪几个圈层组成？ 学生回答：（略）教师小结并引入：由大气圈、水圈、生物圈和岩石圈组成，其中大气圈就是我们所处的大气环境。 [板书]第二单元大气环境 读书第29页，提问：地球表面的大气有什么作用？ [板书]引言 地球大气的作用。 学生回答：（略） 教师小结： 过渡：下面，我们先了解一下大气的组成和结构。 [板书]第一节大气的组成和结构 一、大气的组成及其作用 提问：大家想一想，在我们周围的大气中，除了纯净的空气，还有些什么物质？ 学生回答：（略） 教师小结：（略） 读表2-1，“干洁空气的主要成分”，回答下列问题： 1．干洁空气的主要成分是什么？各有什么作用？ 2．除了氮和氧，干洁空气中还有哪些气体呢？各有何作用？学生回答后，教师小结：（略） 提问：空气中的水汽和固体杂质又有什么作用？ （总结） 转折过渡：然而，大气的组成不是固定不变的，人类活动造成的大气污染，使大气的成分发生了越来越明显的变化。 （录象或投影资料） 1、二氧化碳增多，温室效应的出现。 2、氟氯烃对臭氧层的破坏。 （1）由于煤、石油等矿物燃料的使用越来越多，人类社会每年排放的二氧化碳总量在过去三十年里增加了一倍，再加上大量砍伐森林，减少了绿色植物通过光合作用吸收二氧化碳的能力，大气中二氧化碳的浓度在过去三十年里增长了12％。 （2）氯氟烃是一种人工合成的化合物，主要用于制冷剂、火箭推进剂等，到80年代中期为止，全球氯氟烃的年消费量已达到100万吨。 提问：大气组成的这种变化，会产生什么影响？ 学生回答：（略） 教师小结： 1．如果二氧化碳继续增加，地球持续不断变暖，对人类生存将产生严重影响。它将使极地冰雪融化、海平面上升，世界上许多的桑田将变成沧海。 2．氯氟烃给人类带来的危害是正在损害大气的臭氧层，导致全世界皮肤癌发病率上升和全球气温增高。
必修1第 8 讲 大气的组成、垂直分层和热力状况
必修1第8 讲大气的组成、垂直分层和热力状况 双基回归 一、大气的组成 1．大气的组成及其作用：低层大气是由干洁空气、水汽和杂质组成的。干洁空气又是由氮、氧、二氧化碳和臭氧等物质组成的。它们在大气中的作用是各不相同的。 2．人类对大气成分的影响：①改变大气成分的比例――人类活动导致二氧化碳含量增加； ②增加大气的成分，改变大气成分的比例――氟氯烃物质的增加，导致大气中臭氧的含量减少。 二、大气的垂直分层及其对人类活动的影响 说明：①自地面向上到大气上界，随高度的增加空气密度减小，大气压力降低。②大气垂直分层的主要依据是气温的垂直分布特点，不同大气层气温垂直分布不同，因而空气的运动也不同，对人类的影响也不一样。③对流层集中了几乎全部的水汽和固体杂质，这是天气现象多变的条件。④对流层的高度因时因地而异。一般来说，地面温度高，对流层厚度
就大。即低纬大于高纬，夏季大于冬季。⑤电离层大气中的氧分子和氮分子在太阳紫外线和宇宙射线的作用下被分解为离子，大气处于高度电离状态，故能反射无线电短波。三、大气的受热过程 1．大气的受热过程：太阳→地面→大气→地面，即太阳暖大地，大地暖大气，大气返大地。对流层大气受热状况主要表现在“大气对太阳辐射的削弱作用和对地面辐射的保温作用”上，其实质是一个热量的连续传输过程（如下图所示）。理解“地面是大气主要的直接的热源”的含义，并在此基础上理解大气的热力作用包括削弱作用（反射作用、散射作用和吸收作用）和保温效应（大气对地面辐射的吸收作用和大气逆辐射）两大方面。 2．大气的热力作用包括大气对太阳辐射的削弱作用和大气对地面的温室效应，它们是一个连贯的能量转换过程，因此要运用综合图表法学习这部分内容，抓住主干，化繁为简。
高一地理大气的组成和垂直分层
2.1 大气的组成和垂直分层 ★教学目的 1.了解大气的组成及其作用；认识人类活动对大气成分的影响；知道大气的结构，掌握 对流层和平流层大气的特点。 2.培养读图、阅读和概括能力；运用对比法分析地理问题的能力。 3.了解人类活动对大气环境的影响和作用，树立人类及环境相互协调、走可持续发展道路的观念和意识。 ★重点、难点 1.重点：大气主要成分的环境意义；对流层、平流层大气的特点；人类活动及各层大气的关系 2.难点：大气垂直分层的依据；对流层、平流层大气的特点。 ★教材内容分析 本章是讲述人类生存及发展的自然环境的重要组成部分，及第一章地球的宇宙环境相比，它所揭示的"人及自然"的关系更为密切，阐明为人类提供的生存空间的条件更为广阔。大气环境是人类三大环境，即大气、海洋和陆地环境之一，是海洋和陆地两环境的物质、能量交换的动力和媒体。本节教材的涉前、涉后的知识较多，是整个单元的基础。如：臭氧对紫外线的吸收，二氧化碳的保温作用，人类活动对大气的影响等等，对于这些内容要主要不要讲得太细，要点到为止，考虑到以后的教学。 ★教学方法 启发式；读图分析法；对比讨论法；资料分析法 ★课时安排： 1.5课时 ★教学过程 引入新课：地球是宇宙中既普通又特殊的一颗行星，特殊的是它拥有生命，正是因为有了大气才使得生命的形成有了可能，从今天开始我们一起学习第二单元“大气环境”。 新课讲授： [板书]第二单元大气环境 读书第28页，思考：地球表面的大气有什么作用？ [板书]引言 围绕在地球周围的厚厚的大气，阻挡了来自宇宙和太阳的有害辐射，成为地球上生物生存不可缺少的保护层；大气既提供了动植物维持生命活动所需要的各种气体，又对地球自然环境产生深刻的影响。例如，地面上的水蒸发成水汽进入大气，大气中的水汽又凝结成雨、雪等降落地面，使得地球上的水循环不止。又如，增温、降温、刮风、下雨等大气现象，在漫长的地质年代里，不断地雕塑着地球表面的形态。如果地球上没有大气，也就没有生物界，没有人类及其赖以生存和发展的自然环境。大气是地球自然环境最活跃的组成部分。过渡：下面，我们先了解一下大气的组成和结构。 [板书]第一节大气的组成和垂直分层 一、大气的组成及其作用 大家想一想，在我们周围的大气中，除了纯净的空气，还有些什么物质？ 读表2-1，"干洁空气的主要成分"，回答下列问题： 1．干洁空气的主要成分是什么？各有什么作用？ 氧是人类和一切生物维持生命活动所必需的物质；氮是地球上生物体的基本成分。大气中的微量成分二氧化碳和臭氧，含量虽少，但对地球上的生命活动和自然环境有着重要作用。二
大气温度垂直分布规律及原因
大气温度垂直分布规律及原因各层的特点及原因： 大气温度随高度变化曲线：
对流层中温度的垂直分布： 在对流层中，总的情况是气温随高度而降低，这首先是因为对流层空气的增温主要依靠吸收地面的长波辐射，因此离地面愈近获得地面长波辐射的热能愈多，气温乃愈高。离地面愈远，气温愈低。其次，愈近地面空气密度愈大，水汽和固体杂质愈多，因而吸收地面辐射的效能愈大，气温愈高。愈向上空气密度愈小，能够吸收地面辐射的物质——水汽、微尘愈少，因此气温乃愈低。整个对流层的气温直减率平均为0.65℃/100m。实 际上，在对流层内各高度的气温垂直变化是因时因地而不同的。 对流层的中层和上层受地表的影响较小，气温直减率的变化比下层小得多。在中层气温直减率平均为0.5—0.6℃/100m，上层平均为0.65—0.75℃/100m。 对流层下层（由地面至2km）的气温直减率平均为0.3—0.4℃/100m。但由于气层受地面增热和冷却的影响很大，气温直减率随地面性质、季节、昼夜和天气条件的变化亦很大。例如，夏季白昼，在大陆上，当晴空无云时，地面剧烈地增热，底层（自地面至300—500m 高度）气温直减率可大于干绝热率（可达1.2—1.5℃/100m）。但在一定条件下，对流层中也会出现气温随高度增高而升高的逆温现象。造成逆温的条件是，地面辐射冷却、空气平流冷却、空气下沉增温、空气湍流混合等。但无论那种条件造成的逆温，都对天气有一定的影响。例如，它可以阻碍空气垂直运动的发展，使大量烟、尘、水汽凝结物聚集在其下面，使能见度变坏等等。下面分别讨论各种逆温的形成过程。 （一）辐射逆温 由于地面强烈辐射冷却而形成的逆温，称为辐射逆温。图2·35表明辐射逆温的生消过程。图中a为辐射逆温形成前的气温垂直分布情形；在晴朗无云或少云的夜间，地面很快辐射冷却，贴近地面的气层也随之降温。由于空气愈靠近地面，受地表的影响愈大，所以，离地面愈近，降温愈多，离地面愈远，降温愈少，因而形成了自地面开始的逆温（图2·35b）；随着地面辐射冷却的加剧，逆温逐渐向上扩展，黎明时达最强（图2·35中c）；日出后，太阳辐射逐渐增强，地面很快增温，逆温便逐渐自下而上地消失（图2·35中d、e）。 辐射逆温厚度从数十米到数百米，在大陆上常年都可出现，以冬季最强。夏季夜短，逆温层较薄，消失也快。冬季夜长，逆温层较厚，消失较慢。在山谷与盆地区域，由于冷却的空气还会沿斜坡流入低谷和盆地，因而常使低谷和盆地的辐射逆温得到加强，往往持续数天而不会消失。 （二）湍流逆温
大气热能和温度
第二章大气的热能与温度 ●教材分析： 本章分为五小节。内容涵盖太阳辐射；地面、大气之间的热传导、热平衡；以及大气增温、冷却的各种方式和大气温度的时间、空间分布格局。围绕气温这个最为重要的气象要素进行全方位的剖析，使学生不仅知道太阳本身的一些基本知识，而且知道太阳辐射的能量如何转化为大气热量，热量的传递有那些过程，大气热量在不同的时间、空间里有那些特点及变化。 其中，第一节太阳辐射介绍了太阳辐射的基本知识，黑体辐射定律可以作为一般得了解。太阳辐射光谱、太阳辐射在大气中的减弱、到达地面的太阳辐射的内容既是基础，也是重点，也是本章乃至本书的关键。 第二节地面和大气辐射重点有：地面和大气辐射都是长波辐射；大气对长波辐射的吸收；大气逆辐射；地——气系统热量平衡的思想。 难点：大气窗口、地面有效辐射、地面的辐射差额、大气辐射差额、地——气系统的辐射差额 第三节大气的增温重点有：海陆的增温和冷却的差异；气温的非绝热变化；干绝热过程和湿绝热过程；大气的稳定度及判别方法。 第四节大气温度随时间的变化重点有：气温的日变化和年变化 第五节大气温度的空间分布重点有：世界1月和7月海平面气温分布图；逆温及其在气象上的意义。 ●教学设想 ?课时安排：本章可用10个教学课时，1个实验课时 ?教学目标：1、掌握教材分析中的所有基础及重点内容（黑体字） 2、课程讲完之后，可以配合实验课对气温中的最高最低温 度、气温、地温、日照的观测进行实习，同时学会仪器的安装。 ?授课类型：讲授、实验 ?教学媒体：幻灯片 ●教学过程：见幻灯片 ●参考资料： 1、《气象学与气候学实习》周淑贞高等教育出版社 2、《风云变幻的大气》杨遵仪江苏科学技术出版社 3、《细说八方晴雨》林之光科学普及出版社 4、《气象与生活》林之光江苏教育出版社 5、《气象学与气候学》张菀莹北京师范大学出版社 ●本章小结 大气中各种物理过程是在太阳辐射、地面辐射与大气辐射的相互作用下产生和发展的。太阳辐射是地球的主要能量来源，而地面辐射是对流层大气的主要热源。
热能工程与动力类专业知识点--工程热力学知识点讲义整理
工程热力学知识点 1．什么是工程热力学 从工程技术观点出发，研究物质的热力学性质，热能转换为机械能的规律和方法，以及有效、合理地利用热能的途径。 2．能源的地位与作用及我国能源面临的主要问题 3. 热能及其利用 [1]热能：能量的一种形式 [2]来源：一次能源：以自然形式存在，可利用的能源。 如风能,水力能,太阳能、地热能、化学能和核能等。 二次能源：由一次能源转换而来的能源，如机械能、机械能等。 [3]利用形式： 直接利用：将热能利用来直接加热物体。如烘干、采暖、熔炼(能源消耗比例大) 间接利用：各种热能动力装置，将热能转换成机械能或者再转换成电能， 4．.热能动力转换装置的工作过程 5．热能利用的方向性及能量的两种属性 [1]过程的方向性：如：由高温传向低温 [2]能量属性：数量属性、,质量属性 (即做功能力) [3]数量守衡、质量不守衡 [4]提高热能利用率：能源消耗量与国民生产总值成正比。 1. 1 热力系统 一、热力系统 系统：用界面从周围的环境中分割出来的研究对象，或空间内物体的总和。 外界：与系统相互作用的环境。 界面：假想的、实际的、固定的、运动的、变形的。 依据：系统与外界的关系
系统与外界的作用：热交换、功交换、质交换。 二、闭口系统和开口系统 闭口系统：系统内外无物质交换,称控制质量。 开口系统：系统内外有物质交换,称控制体积。 三、绝热系统与孤立系统 绝热系统：系统内外无热量交换 (系统传递的热量可忽略不计时，可认为绝热) 孤立系统：系统与外界既无能量传递也无物质交换 =系统+相关外界=各相互作用的子系统之和= 一切热力系统连同相互作用的外界 四、根据系统内部状况划分 可压缩系统：由可压缩流体组成的系统。 简单可压缩系统：与外界只有热量及准静态容积变化 均匀系统：内部各部分化学成分和物理'性质都均匀一致的系统，是由单相组成的。 非均匀系统：由两个或两个以上的相所组成的系统。 单元系统：一种均匀的和化学成分不变的物质组成的系统。 多元系统：由两种或两种以上物质组成的系统。 单相系：系统中工质的物理、化学性质都均匀一致的系统称为单相系。 复相系：由两个相以上组成的系统称为复相系，如固、液、气组成的三相系统。 1．2 工质的热力状态与状态参数 一、状态与状态参数 状态：热力系统中某瞬间表现的工质热力性质的总状况。 状态参数：描述工质状态特性的各种状态的宏观物理量。 如：温度（T）、压力（P）、比容（υ）或密度（ρ）、内能（u）、焓（h）、熵（s）、自由能（f）、自由焓（g）等。 状态参数的数学特性:
第二章 大气的热能和温度
第二章 大气的热能和温度 大气内部始终存在着冷与暖、干与温、高气压与低气压三对基本矛盾，其中冷与暖这对矛盾所表现出来的地球及大气的热状况、温度的分布与变化，制约着大气的运动状态，影响着云和降雨的形成。大气的热能和温度变成了天气变化的一个基本因素，是气候系统状态及演变的主要控制因子。 长期观测实践证明，大气的冷暖变化，不仅在空间分布上是很不均衡的，在时间上也有周期性变化和非周期性变化。 第一节 太阳辐射 地球大气中的一切物理过程都伴着能量的转换，太阳辐射能是地球大气最重要的能量来源。地球和大气的其他能量来源同来自太阳的辐射能相比是极其微小的。 一、辐射的基本知识 1、辐射与辐射能 自然界中的一切物体都以电磁波的方式向四周放射能量，这种传播能量的方式称为辐射，通过辐射传播的能量称为辐射能。辐射是能量传播方式之一，也是太阳能传播到地球的唯一途径。 辐射能是通过电磁波的方式传输的。电磁波的波长范围很广，从波长10-10μm 的宇宙射线，到波长达几千米的无线电波。肉眼看得见的是从0.4－0.76μm 的波长，这部分称为可见光。 （1）单位时间内通过单位面积的辐射能量称为辐射通量密度（E ），单位是W/m 2。 辐射通量密度没有限定辐射方向，分为入射通量密度和放射通量密度。其数值的大小反映物体放射能力的强弱，故称之为辐射能力或放射能力。 （2）单位时间内，通过垂直于选定方向上的单位面积的辐射能称为辐射强度（I ）。单位是W/m 2或W/sr 。二者的关系为：I ＝E/cos θ , θ为法线方向与选定方向的夹角。 2、辐射光谱。辐射能随波长变动的几何，不同波长辐射能的集合。?∞ 0d F F λλ＝ 3、物体对辐射能的吸收、反射与透射.透射到物体上的辐射并不能被全部吸收，其中一部分被反射，一部分被可能透过物体。 物体吸收率、反射率和透射率大小随着辐射的波长和物体的性质而改变。干洁空气对红外线是近似透明的，而水汽对红外线却能强烈地吸收，雪对太阳辐射的反射率很大，但对地面和大气的辐射却能全部吸收。 4、有关辐射的基本定律 黑体——对外来辐射，不论波长如何，能全部吸收，而不透射与反射的理想物体，由于被任何波长的光照射时均呈黑色，故名黑体，是最好的吸收体和放射体，其放射能力只与波长和温度有关。 （1）基尔荷夫定律。设一类似于黑体的真空容器，放出黑体辐射I Tb λ。其中用绝热线悬挂一个非黑体物体，它们的温度相同，非黑体的辐射强度为I T λ，吸收率为K T λ。当黑体放射的辐射能、非黑体放射的辐射能和未被吸收的非黑体反射辐射能达到平衡时，则
大气的组成和结构
大气的组成和结构 一、大气的组成： 大气是由多种气体、水汽以及悬浮着的各种各样的杂质组成的。如果把水汽和杂质除去，则为干洁空气。 （一）干洁空气干洁空气是多种气体的混合物，主要成份：氮气、氧气、氩气占99.7%。 （二）水汽水汽是大气中最活跃的成分，大气中水汽含量少、不稳定、能引起热量转移、能强烈吸收和放射长波辐射，引起地面和空气温度的变化。 （三）杂质悬浮在大气中的各种固态的和液态的微粒，统称杂质。包括有机成分：花粉、微生物、细菌；无机成分，如尘埃、液滴等。 二、大气的垂直结构 观测表明，大气在垂直方向上的物理性质并不是均一的。按其温度、成分、电离等的不同，可将整个大气层分为五层。 （一）对流层对流层是大气最低层，厚度随纬度而变化。在低纬度地区17-18KM，中纬度为10-12KM，高纬度8-9KM，平均厚度为11km。 对流层的重要特征是：1）气温的分布随高度的增高而降低，平均每上升100米气温下降0.65度；2）空气具有强烈的对流运动；3）温度、湿度等气象要素水平分布不均匀，常形成大规模空气的水平运动，从而引起各地天气的变化。 （二）平流层平流层是自对流层顶到55KM高度左右。其主要特点是：1）整层气流比较稳定，没有强烈的对流运动；2）空气稀薄，水汽和微尘含量极少，天气晴好。 （三）中间层中间层是自平流层顶到85KM高度左右。其显著特点是气温随高度而迅速下降，其顶部可降至-83度以下。 （四）热层热层是自中间层顶到800KM高度左右。其特点主要是：1）空气稀薄，处于高度电离状态，具有导电性，能反射无线电波；2）气温随高度增加而迅速升高。 （五）散逸层散逸层是自热层顶到2000—3000KM高度。其特点是气温很高，空气极其稀薄。
大气的组成和结构的教案
大气的组成和结构 一、素质教育目标 知道地球大气环境的重要作用，了解大气的组成和结构，认识人类活动对大气成分的影响，对比掌握与人类关系密切的大气层的特点，树立起保护大气环境、坚持可持续发展的观念和意识。 二、教学重点、难点、疑点及解决办法 1．重点 （1）人类活动对大气成分的影响。 （2）对流层、平流层大气的特点。 2．难点 对流层、平流层大气的特点。 3．疑点 高空电离层大气反射无线电波。 4．解决办法 （1）对比分析法。 （2）运用图片简要说明原理。 三、课时安排 1.5课时。 四、学生活动设计 1．启发式； 2．读图分析法；
3．对比讨论法。 五、教学步骤 （一）明确目标 1．知识目标 （1）了解大气的组成及其作用。 （2）认识人类活动对大气成分的影响。 （3）知道大气的结构，掌握对流层和平流层大气的特点。 2．能力目标 （1）培养读图、阅读和概括能力。 （2）运用对比法分析地理问题的能力。 3．德育目标 了解人类活动对大气环境的影响和作用，树立人类与环境相互协调、走可持续发展道路的观念和意识。 （二）整体感知 本章是讲述人类生存与发展的自然环境的重要组成部分，与第一章地球的宇宙环境相比，它所揭示的“人与自然”的关系更为密切，阐明为人类提供的生存空间的条件更为广阔。大气环境是人类三大环境，即大气、海洋和陆地环境之一，是海洋和陆地两环境的物质、能量交换的动力和媒体。所以，本章有助于对前后各单元知识的学习和理解。第一节大气的组成和结构则是全章的基础。 （三）重点、难点的学习与目标完成过程 引入：前面，我们了解了地球所处的宇宙环境，从这节课开始，我们将进一步关注地球本身的特点，那么，地球是一个怎样的星球呢？ 读P．5的“地球表面圈层图”。 读图提问：地球表面是由哪几个圈层组成？ 学生回答：（略）教师小结并引入：由大气圈、水圈、生物圈和岩石圈组成，其中大气圈就是我们所处的大气环境。 [板书]第二单元大气环境
大气的组成、垂直分布和热力状况
大气的组成、垂直分布和热力状况 [考纲要求] (1)大气的组成和垂直分层：大气的组成；大气垂直分层及各层对人类活动的影响。 (2)大气的热状况：大气对太阳辐射的削弱作用；大气的保温效应；全球的热量平衡。 [知识讲解] 一、大气的组成和垂直分层 1、地球外部的四大圈层：大气圈、水圈、岩石圈、生物圈。 大气圈的作用：保护作用；使水循环；雕塑地表形态；对生物界和人类影响更为深刻。 2 、大气的组成： 氮：含量最多（78%）是生物体的基本成分。 干洁 氧：含量第二（21%）是人类和一切生物维持生命活动必需的物质。 空气 二氧化碳：光合作用的重要原料，对地面有保温作用。 组成 臭氧：大量吸收紫外线，使生物免遭伤害，少量紫外线有杀菌作用。 水汽 成云致雨的必要条件——雨后的空气是清新的。 固体杂质 地球变暖的原因：①人类活动燃烧煤、石油等矿物燃料，排放大量的CO2，使大气中的CO2增加；②植被的破坏，光合作用吸收的CO2减少。 3、垂直分层 ①依据：温度、密度和大气运动状况在垂直方向上的差异。 ②各层的特点及原因： 大气温度随高度变化曲线： 逆温现象：对流 层由于热量主要直接 来自地面辐射，所以海拔越高，气温越低。一般情况下，海拔每 上升1000米，气温下 降6°C 。有时候出现 下列情况：①海拔上 升，气温升高；②海 拔上升1000米，气温 下降幅度小于6°C 。这就是逆温现象。逆温现象往往出现在近地面气温较低的时候，如冬季的早晨。逆温现象使空气对流运动减弱，大气中的污染物不易扩散，大气环境较差。 例1、比较同纬度青藏高原与长江中下游平原上空海拔均为5000米的A 、B 两点气温TA 、TB 的大小。（TA>TB ）（地面是大气的直接热源。） 二、大气的热力状况 1、大气的热力作用 （1）大气对太阳辐射的削弱作用：反射作用最强，吸收作用最弱 对流层平流层/oC
大气的组成、结构和热力状况
大气的组成、结构和热力状况 一、选择题 美国宇航局2009年2月11日称，美国1997年发射的一颗 卫星(铱33)，在美国东部时间10月11时55分，与俄罗斯一颗 1993年发射的、现已报废的卫星相撞，地点位于西伯利亚上空， 相撞时轨道高度约790 km(在空间站上方)，倾角74°；这是历史上首次卫星相撞事故。据此回答1～3题。 1.卫星相碰事故发生时，对我国大部分地区来说，下列现象可信的是 ( ) A.太阳辐射接近一天中最强烈时 B.气温仍在逐渐降低 C.对流层中对流运动显著 D.影响了我国的无线电短波通讯 2.关于卫星相碰地点的正确叙述是 ( ) A.气温很高 B.有大量电离层 C.大气密度很小 D.臭氧含量最多 3.1997年美国发射铱33卫星时，下列叙述正确的是 ( ) A.卫星依次穿越对流层、平流层、高层大气、电离层 B.卫星在穿越大气过程中，气温越来越低，最后进入宇宙空间 C.卫星在穿越大气过程中，运动方向发生偏右现象 D.卫星在穿越大气过程中，大气密度由大到小，气压越来越低，最后进入宇宙空间 4.(2009·上海高考)2008年初的雪灾与大气的逆温现象有关。逆温是指对流层中气温随高度上升而增 高的现象。下列四图中表示近地面逆温现象的是 下图表示某一时刻地面(a线)和大气上界(b线)的太阳辐射强度与波长关系。 5.形成图中a、b两线太阳辐射强度差异的原因主要是 ( ) A.正午太阳高度 B.大气状况 C.地面状况 D.人类活动 6.人类大量燃烧煤炭，会使 ( ) A.①部分增大 B.②部分缩小 C.③部分增大 D.③部分缩小 (2010·杭州联考)9月中旬，浙江地区一般进入秋季(如果连续5天日平均气温低于22℃，则被认为进入秋季)。读杭州2008年9月中下旬几日的天气状况表 日期1516日17日18日19日20日21日22日23日24日
大气的组成和结构
大气的组成和结构 一、大气的组成 大气是由多种气体混合组成的，按其成分可以概括为三部分：干燥清洁的空气、水汽和悬浮微粒。干洁空气的主要成分是氮、氧、氩、二氧化碳气体，其含量占全部干洁空气的 99.996% （体积）；氖、氦、氪、甲烷等次要成分只占 0.004% 左右，如表 5 － 1 所示。 由于空气的垂直运动、水平运动以及分子扩散，使得干洁空气的组成比例直到 90 － 100km 的高度还基本保持不变。也就是说，在人类经常活动的范围内，任何地方干洁空气的物理性质是基本相同的。例如，干洁空气的平均分子量为 28.966 ，在标准状态下（ 273.15K ， latm ）密度为 1.293kg /m3。 大气中的水蒸汽主要来自海水的蒸发，少量来自江河、湖泊水的蒸发以及因土壤、植物的蒸腾作用。大气中的水汽含量，随着时间、地点、气象条件等不同而有较大变化，在正常状态下其变化范围为 0.02-6% 。大气中的水汽含量虽然很少，但却导致了各种复杂的天气现象：云、雾、雨、雪、霜、露等。这些现象不仅引起大气中湿度的变化，而且还引起热量的转化。同时，水汽又具有很强的吸收长波辐射的能力，对地面的保温起着重要的作用。 大气中的悬浮微粒，除水汽凝结物如云、雾滴、冰晶等，主要是大气尘埃和悬浮在空气中的其他杂质。 二、大气圈的结构
根据大气在垂直方向上温度、化学成分等物理性质的差异，同时考虑到大气的垂直运动状况，可将大气圈分为五层（图 5 － 1 ）。 （一）对流层 对流层是大气的最低层，其厚度随纬度和季节而变化。在赤道低纬度区为 17 ～ 18km ；在中纬度地区为 10 ～ 12km ；两极附近高纬度地区为 8 ～ 9km 。夏季较厚，冬季较薄。 这一层的显著特点：一是气温随高度升高而递减，大约每上升 100m ，温度降低0.6 ℃ ～0.65 ℃ 。由于贴近地面的空气受地面辐射增温的影响而膨胀上升，上面冷空气下沉，故在垂直方向上形成强烈的对流；二是密度大，对流层虽然相对于大气圈的总厚度来说很薄，但是它的质量却占大气总质量的 3/4 以上。 图 5-1 大气圈的层状结构 （—） = 负值温度垂直梯度（ + ） = 正值温度垂直梯度 在对流层中，因受地表的影响不同，又可分为两层。在 1 ～ 2km 以下，受地表机械力、热力强烈作用的影响，通称为摩擦层或边界层，排入大气的污染物绝大部分活动在此层。在 1 ～ 2km 以上，受地表影响变小，称为自由大气层，主要天气现象如云、雾、雨、雪、雹的形成均在此层。对流层和人类的关系最为密切。 （二）平流层