大气物理第四章地面和大气中的辐射过程.ppt

《大气物理第四章地面和大气中的辐射过程.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大气物理第四章地面和大气中的辐射过程.ppt（171页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、第四章 地面和大气中的辐射过程,1 辐射的基本概念2 辐射的物理规律3 大气对辐射的吸收和散射4 太阳辐射在地球大气中的传输 5 地球大气系统的长波辐射6 地面、大气及地气系统的辐射平衡,1 辐射的基本概念,一、电磁辐射二、辐射场物理量,一、电磁辐射,什么是电磁辐射？它如何进行传输？,一、电磁辐射,地球和太阳的辐射,一、电磁辐射,1、辐射与辐射能 辐射能是能量的一种形式，指物质以电磁波的形式放射的能量，而这种能量传播方式称为辐射。描述电磁波参量：波速 c=3108m/s 波长 频率 波数,一、电磁辐射,2、电磁波谱波长范围：10-16m103m：宇宙射线 射线X射线紫外线可见光红外线（微波）无

2、线电波太阳、地球和大气辐射的波长范围：0.1120m，即紫外、可见光和红外波段，,(m),不同电磁波的具体波长范围,可见光波长范围,一、电磁辐射,3、大气科学研究对象：太阳短波辐射、地球和大气长波辐射,二、辐射场物理量,1、辐射通量：单位时间内通过某一平面的辐射能，也称为辐射功率，单位为J/S或W。（1-1）2、辐射通量密度E：单位面积的辐射通量，或是单位面积单位时间内通过的辐射能，单位为Wm-2（1-2）,辐照度 辐出度,3、辐照度E与辐出度F到达接收面的辐射通量密度称为辐照度，用E表示。自放射面射出的辐射通量密度称为辐出度，用F表示。,4、分光辐出度F：又称单色辐射通量密度，指物体温度为

3、T 时，单位时间内从单位表面发出的波长在d附近单位波长间隔内的电磁波能量，它表示热辐射能量按波长的分布，单位为Wm-2m-1。积分辐出度 F：对物体所发射的所有波长范围内的分光辐出度积分。,F,d,（1-3）,5、辐亮度L：也称辐射率，它指的是单位立体角、垂直于辐射传输方向单位面积，单位波长间隔内所通过的辐射功率，单位为 Wm-2 sr-1m-1。,全自动太阳分光光度计,dA,x、y、z为观测位置坐标；天顶角 方位角 波长 t 观测时间,（Wm-2 sr-1m-1）,（1-4）,d 辐射功率；dA 光线通过的面积；d 观测的辐射波长范围；d 所张立体角；,A,（Wm-2 sr-1m-1）,5、

4、辐亮度L,各向同性：L与观测方向（，）无关（L与方向有关各向异性。）均匀辐射：L与观测位置（x,y,z）无关（L是观测位置的函数非均匀辐射。）定常辐射：L与时间t无关（L是时间t的函数非定常辐射。）朗伯体：辐亮度不随方向而变化的辐射体，通常我们把太阳、陆地表面都看作是朗伯体。,6、辐射通量密度与辐亮度的关系,（1）朗伯定律 例：设从一无限平面向所有方向均以均一的辐亮度L发射辐射，问平行于此表面的平面上的辐照度E等于多少？（P66）,解：通过空间某一平面的辐照度，可把从各个方向射来的辐亮度在垂直方向的分量累加起来，球坐标：,6、辐射通量密度与辐亮度的关系,朗伯定律：对于发射辐射的表面，如果向半球

5、空间各方向发射的辐亮度均为L（朗伯体），则在该面上的辐出度为L。,（1-5）,（2）平面平行大气辐射通量密度与净辐射通量密度 平面平行大气：考虑到大气中各种变量在水平方向的变化率远小于垂直方向的变化率，因此经常可假设大气是水平均一的，相应的大气模型在大气辐射学中称为平面平行大气。,6、辐射通量密度与辐亮度的关系,平面平行大气辐射通量密度：可把从各个方向射来的辐亮度在垂直方向的分量累加起来，其计算公式为,计算水平面上的辐射通量密度，分别对从上半球和下半球入射辐射的垂直分量进行积分（1-6）（1-7）净辐射通量密度或净辐照度:（1-8）,若对一薄层大气，上边界为，下边界为z，若上边界净辐射通量密度

6、是向下的，下边界净辐射通量密度是向上，则辐射能收支为正，气层温度升高；反之降温。,2 辐射的物理规律,一、吸收率、反射率和透射率二、黑体与灰体 三、平衡辐射的基本规律,一、吸收率、反射率和透射率,吸收率 反射率 透射率,（2-1）,水分含量对玉米叶子反射率的影响,不同土壤的反射波谱曲线,各种地表对太阳辐射的反射率（%）,以上图表可以说明什么？,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。,二、黑体与灰体,绝对黑体：若物体对于投射到其上所有波长的辐射都能全部吸收的物体称为绝对黑体。故有：相对黑体：物体仅对某一波长辐射能全部吸收。,A=1,R=0,灰体：A小于1且不随波长而变

7、化的物体。若物体不透明,则透射率=，吸收率A=1-R。,二、黑体与灰体,实验室黑体：密闭空腔，内涂烟黑，烟黑吸收率90%,Q0,二、黑体与灰体,实验室黑体：密闭空腔，内涂烟黑，烟黑吸收率90%,Q0,RQ0,二、黑体与灰体,实验室黑体：密闭空腔，内涂烟黑，烟黑吸收率90%,Q0,RQ0,R2Q0,二、黑体与灰体,实验室黑体：密闭空腔，内涂烟黑，烟黑吸收率90%,Q0,RQ0,R2Q0,RnQ0,吸收率1-Rn,二、黑体与灰体,黑色物体与黑体的区别？黑色物体只表明它对可见光的反射性质，而对非可见光的吸收无法判定，而黑体是对整个电磁波谱范围内所有波长或某一特定波长而言，它对辐射是全部吸收的，它考虑

8、的是对辐射的吸收性质。,三、平衡辐射的基本规律,1、辐射平衡 当物体放射出的辐射能等于它吸收的辐射能时，则称该物体处于辐射平衡状态，这时物体处于热平衡态，可用一态函数温度T来描述，因此平衡辐射又称为温度辐射。,2、基尔霍夫定律,（1）在一定温度下，对某一特定波长而言，任何物体的辐出度与吸收率之比是一个普适函数，该函数只与温度和波长有关，而与物体的其它性质无关。即具有选择吸收性。（2-2）FB(,T)绝对黑体的分光辐出度；F,T物体的辐出度 A,T物体的吸收率,（2）比辐射率：物体的放射能力和黑体的辐射能力之比。（2-3）（3）基尔霍夫定律的意义：它将物体的放射与吸收联系起来了，只要知道某物体的

9、吸收率就可以知道其放射率，反之亦然。它把各种物质的吸收、放射与黑体的辐射能力联系起来。使我们有可以通过研究黑体的辐射来了解一般物体的辐射。而对于黑体的研究，无论从理论上还是实验上都比较简单。,3、普朗克定律,绝对黑体辐射率仅是波长和温度的函数，单位为Wm-2m-1。（2-4）FB(,T)为绝对黑体的分光辐出度第一辐射常数C1=3.7427108Wm4m-2第二辐射常数C2=14388mK,由于绝对黑体是朗伯体，根据朗伯定律，（2-5）B(,T)：绝对黑体的分光辐亮度，也称普朗克函数，单位为,波长,B(,T),4、斯蒂芬-玻尔兹曼定律,黑体的积分辐出度FT与温度T的四次方成正比。（2-6）（=5

10、.669610-8 Wm-2K-4）FT黑体的积分辐出度 斯蒂芬-玻尔兹曼常数，有效温度Te：将物体视作绝对黑体时计算出的温度。,5、维恩定律,黑体辐射光谱极大值对应的波长(max)与其本身温度(T)的乘积为一常数。（2-7）（b=2897.8mK）颜色温度Tc：由光谱测定物体温度。,Planck function,Wiens Law,Stefan-Boltzman law,小 结：普朗克定律给出绝对黑体的分光辐出度与波长、温度的关系，从而绘出黑体辐射光谱曲线，而Wien位移定律描述了曲线中辐射能力最强对应的波长与温度的关系，Stefan-Boltzmann Law则描述了黑体积分辐射能力与温

11、度的四次方成正比，基尔霍夫定律把任何物体和绝对黑体联系起来。,6、太阳辐射与地球辐射的差别,6、太阳辐射与地球辐射的差别,太阳近似为温度为6000K的黑体地面近似温度为300K的黑体太阳辐射的能量集中在0.1m至4.0m之间，地球大气辐射的能量主要集中在4m至120m之间。太阳辐射为短波辐射，称地气辐射为长波辐射。短波和长波辐射以4m分界。,作业：（P120）习题1、3、4,3 大气对辐射的吸收和散射,一、大气对辐射的吸收二、大气对辐射的散射三、辐射能在介质中的传输,1、大气对辐射吸收的物理过程,（1）大气分子的选择吸收,Emission spectrum of H(cont.),Light

12、Bulb,Hydrogen Lamp,Quantized,not continuous,单个分子，当它处于某一特定运动状态时，其分子内部总能量E由三部分组成，且均为量子化的。E=Ee+Ev+Er（）Ee：电子轨道能量 Ev：原子振动能量 Er：分子转动能量,选择性吸收是指介质的分子被入射辐射激发，从低能级跃迁到高能级，两个能级的差就是介质吸收的辐射能量。由于分子能量的变化是不连续的，从而吸收的辐射须满足一定波长，也就是气体分子对辐射的吸收具有波长选择性。而辐射过程正好相反。,1、大气对辐射吸收的物理过程,（2）光化反应 分子吸收足够的辐射能分裂为原子，不稳定的原子结合成较稳定的分子释放多余的辐

13、射能。光化反应所要求的辐射波谱可以为连续谱，只要其中的波长短到使一个光子所提高的化学能足以造成分子的光解。其它能量转化为原子的动能，使气体的温度增高。地球大气中，大多数光化反应需要有紫外辐射和可见光辐射。,1、大气对辐射吸收的物理过程,（3）光致电离 任何原子都能被波长非常短的辐射所电离。具有足够能量的光子把电子从绕原子核旋转的外层轨道上剥离开来，这种过程称为光致电离。也象光化反应那样，光致电离要求辐射具有低于一定的临界能量波长的连续波。引起电离的辐射波长通常小于0.1m。,2、吸收系数,单个粒子的吸收截面ab：粒子所吸收的辐射通量相当于面积ab从入射辐射场中所截获的辐射通量。体积吸收系数：单

14、位体积中各粒子吸收截面之和。N：单位体积中吸收气体的分子数；ab：单个粒子的吸收截面,2、吸收系数,质量吸收系数（p81）：1cm2气柱中单位质量的吸收物质吸收了原辐射能的份数，单位为cm2/g。NA：阿伏伽德罗常数；M：摩尔质量；：吸收气体密度；：质量吸收系数,3、大气吸收光谱,（1）气体分子的波长选择性 短波辐射：主要是水汽，其次是氧、臭氧，而 CO2 吸收不多；长波辐射：主要是水汽，其次是CO2和臭氧。（2）大气吸收光谱（见附表）,大气对辐射的吸收,（2）大气吸收光谱（见附表）太阳辐射：紫外14m几乎全吸收，除大气之窗（3）大气之窗：除了9.6m附近臭氧有一个较强的吸收带外，在812m波

15、段，整层大气对长波辐射吸收很弱，称为大气之窗。,透射率（%）,O3,CO2,CO2,H2O,H2O,3 大气对辐射的吸收和散射,一、大气对辐射的吸收二、大气对辐射的散射三、辐射能在介质中的传输,Scattering-Example,Purely absorbing,With Scattering,Lambert-Beer Law does not apply here!Need to calculate true pathlength of light,Photon pathlength L,Photon pathlength=L,L,1、散射过程分类,分子散射：散射能力与波长的四次方成反比，

16、即散射具有波长选择性，散射能量分布呈对称球形。,1、散射过程分类,分子散射：散射能力与波长的四次方成反比，即散射具有波长选择性，散射能量分布呈对称球形。米散射：散射对所有波长的辐射都同样地发生，无波长选择性，散射能量在入射光方向伸长，散射质点越大，偏离对称越多。,1、散射过程分类,散射在整个电磁波谱内都会发生，但散射的强弱及散射能 量的空间分布与波长、散射质点的相对大小有关。尺度数：（1）瑞利散射：x50，a（大雨滴对可见光产生折射、反射现象）为何晴朗的天空呈蓝色？,1、散射过程分类,散射类型是由入射辐射波长与质点半径的相对大小来确定。,2、散射削弱系数,一个粒子的散射截面sc，表示当有辐照度

17、为E的辐射射入时，将把Esc的能量散射到四面八方，而使入射波的能量减少Esc。若单位体积中有N个相同的颗粒，则总散射掉的辐射能为 ENsc。单位体积中各个粒子散射截面之和称为单位体积的散射削弱系数ksc,2、散射削弱系数,对于不同大小的气溶胶散射粒子：r为粒子半径，n(r)dr表示单位体积中半径从r到r+dr范围内的粒子数。散射截面、散射系数与粒子尺度参数a和复折射（指数）率m有关。,2、散射削弱系数,（1）瑞利散射散射系数：N：单位体积中散射质点的数目；m：介质的折射指数；对于处于特定状态的特定介质，m和N都是确定的数值，则散射系数与波长的四次方成反比。,2、散射削弱系数,（2）米散射散射系

18、数：假设：粒子是球体；介质均匀球状粒子的散射特性取决于粒子的相对尺度数a和粒子介质复折射指数m。米散射理论是球状粒子散射的通用理论，,2、散射削弱系数,散射效率因子：粒子的散射截面与粒子几何截面之比。,2、散射削弱系数,（2）米散射散射系数：假论一般大气条件下粒子是独立散射的，则单位体积中粒子的总散射截面就是各粒子散射截面之和，即得到散射系数,散射效率因子,问题1：为何晴朗的天空呈蓝色？云是白色的？,小结,瑞利散射的基本特征：散射光强度和波长的4次方成反比，这也是天空为什么是蓝色的原因。散射光强度和粒子体积的平方成正比。当入射光为自然光时，前后向散射呈对称分布。散射光有很高的偏振度。,小结,米

19、散射的主要特点：随着粒子尺度数a的增大，前向散射光在总散射光中的比值迅速增大，这就是所谓米效应。在吸收不强时，散射效率Qsc随a的增大呈振动状态变化，最后趋向于2，即散射截面是几何截面的二倍。但当吸收增强时，Qsc曲线上的振动消失了。散射截面随波长而变。当r很小时，和瑞利散射一样，与波长四次方成反比；当r增大时，逐渐变为和n(0 n 4)；最后当r相当大时，和波长无明显关系。,3 大气对辐射的吸收和散射,一、大气对辐射的吸收二、大气对辐射的散射三、辐射能在介质中的传输,1、布格朗伯定律（比尔定律）,E,E+dE,dl,设有单色平行的定向辐射，辐照度为E，经过一有吸收介质的气层厚度dl后就要被吸

20、收削弱，经过dl后辐照度变成E+dE，此时dE0,体积吸收系数,质量吸收系数,E,E+dE,dl,l=0,E，0,l=l,E，l,设投到l=0处的辐照度为E，0，求经过厚度为l的气层后，辐照度的值E，l为多少，即在l=l处的辐照度？,E,E+dE,dl,l=0,E，0,l=l,E，l,设投到l=0处的辐照度为E，0，求经过厚度为l的气层后，辐照度的值E，l为多少，即在l=l处的辐照度？对上式移项积分得：,对于单色辐射，光经过介质吸收后，其辐照度呈指数衰减，此为比尔定律。,1、布格朗伯定律（比尔定律）,比尔定律也适用于散射引起的辐射衰减，若将散射和吸收的作用综合到一起，可得：衰减系数或削弱系数,

21、2.辐射传输的有关物理量,(1)光学厚度,质量削弱系数,体积削弱系数,2.辐射传输的有关物理量,(2)光学质量 有些情况下，吸收气体的吸收特性与其所处的状态（温度T，气压P）有关，因此我们需要对吸收系数进行订正，一般,订正光学质量（简称光学质量）,(3)单色透射率 和单色吸收率 辐射通过一段大气路径后，对单色光而言，气层透射的辐射与投射于其上的辐射之比称为单色透过率。而气层吸收的辐射与投射于其上的辐射之比称为单色吸收率。常将整层大气在垂直方向的透过率称为透明系数P,垂直方向光学厚度,(3)单色透射率 和单色吸收率当大气路径内仅有吸收作用时，当吸收物质很少时，因光学质量u很小，才能导出：此时吸收

22、率与物质的光学质量成正比。,第四章 地面和大气中的辐射过程,1 辐射的基本概念2 辐射的物理规律3 大气对辐射的吸收和散射4 太阳辐射在地球大气中的传输 5 地球大气系统的长波辐射6 地面、大气及地气系统的辐射平衡,4 太阳辐射在地球大气中的传输,一、太阳辐射及日地关系(视频)二、大气上界太阳辐射光谱三、太阳直接辐射 四、天空散射辐射五、地面对太阳辐射的反射和吸收,1、太阳概况：,s-sun e-earth半径：rs=6.96105Km，re=6370.9Km，rs 109re 质量：ms 3.3105me体积：Vs 1.36106Ve表面温度：Ts 5800K地球接收太阳辐射为181016W

23、，约为太阳总辐射能量的22亿分之一。,2、日地关系,1月2日,2、日地关系,平均日地距离,1月2日,7月4日,问题：,四季的变化是怎么产生的？,2、日地关系,地球的公转产生了季节变化，地球的自转产生了昼夜变化，由于日地距离很远，在地球上看，太阳相当于一点光源，地球上接收的太阳辐射为平行光。,4 太阳辐射在地球大气中的传输,一、太阳辐射及日地关系二、大气上界太阳辐射光谱三、太阳直接辐射 四、天空散射辐射五、地面对太阳辐射的反射和吸收,1、太阳常数,太阳常数：大气上界在日地平均距离d0时，与日光垂直平面上的太阳的积分辐照度，称为太阳常数，用 表示。,1、太阳常数,太阳的分光辐照度,太阳的积分辐照度

24、,Average Solar Radiation on a Sphere,问题1：,当日地距离为d时，与日光垂直平面上的太阳的分光辐照度和积分辐照度分别为多少？,太阳,d,d0,如图，中心为太阳，以d0为半径和以d为半径两个球面所通过的辐射通量相等。,同理可得：,问题2：,已知太阳常数，试计算太阳的有效温度和颜色温度。,太阳,地球,rs,d0,2、大气上界太阳辐射能,（1）大气上界水平面上太阳辐照度计算,太阳高度角h：太阳光的入射方向和地平面之间的夹角。太阳天顶角：太阳高度角的余角。,太阳高度角越大，等量的太阳辐射散布的面积就越小（图a）地表单位面积上所获得的太阳辐射能就越大。（图b）,水平面

25、上的太阳辐照度,与日光垂直平面上的太阳辐照度,AC面接收的辐射能与AB面上所接收的辐射能相等,：地球上的地理纬度，-90度到90度。：太阳赤纬（日地中心连线与赤道平面的夹角），-2327（冬至）到2327（夏至），时为春秋分。：时角，定义为观测点的经圈与太阳重合后（即当地正午）地球自转的角度，每天变化2，正午时刻时角为0，-到（对应0-24点）。,2、大气上界太阳辐射能,（2）日变化,2、大气上界太阳辐射能,（3）大气上界的日射总量,取T=86400 秒，太阳常数单位为 W m-2，Qd 单位为Jm-2d-1。,a、纬度变化：低纬地区Qd的年变化较小，而高纬地区年变化较大。b、季节变化：北半球

26、夏季各纬度间Qd的差别不大，冬季Qd则随纬度的增高而迅速下降，进入极圈甚至变为零。,（4）全球大气上界的日总量,4 太阳辐射在地球大气中的传输,一、太阳辐射及日地关系二、大气上界太阳辐射光谱三、太阳直接辐射 四、天空散射辐射五、地面对太阳辐射的反射和吸收,假设：各吸收、散射过程相互独立衰减系数：kl,R 为气体分子散射所引起的衰减，kl,M 为气溶胶粒子的散射所引起的衰减 kl,O 为臭氧吸收所引起的衰减 kl,g 为其它均匀混合气体分子（主要是O2和CO2）吸收所引起的衰减。,1.地面太阳直接辐射,衰减系数：,1.地面太阳直接辐射,2.相对大气质量,大气质量数是倾斜路径的光学厚度与垂直路径光

27、学厚度之比日光倾斜入射时与自天顶入射时的光学质量之比,2.相对大气质量,均匀混合气体相对大气质量平面平行无折射均质大气,2.相对大气质量,均匀混合气体相对大气质量有折射地球非均质大气Kasten经验公式WMO推荐,2.相对大气质量,2、相对大气质量,由公式(5.4.20)，如果在一段时间不变，则地面所测太阳直接辐射光谱仅随m 变化长法需较长时间进行观测，保证m有相当大的变化范围天气条件；紫外、红外观测不全，需补足,3大气上界太阳光谱的地面测量,3.1 太阳辐射及日地关系(4),3、太阳辐射光谱：太阳辐射光谱6000K的黑体光谱，其中可见光50%，红外43%，紫外7%，绝大部分能量集中于0.15

28、4m，故太阳辐射也称为短波辐射。,图中：实线是大气上界的太阳辐射光谱；虚线是温度在6,000K时的黑体辐射光谱。,4 到达地面的太阳辐射,包括两部分：太阳直接辐射和天空散射辐射。4.1 到达地面的太阳直接辐射4.2 散射辐射4.3 总辐射4.4 地面对太阳辐射的反射,4.1 到达地面的太阳直接辐射,太阳以平行光的形式，投射到地面上的那部分辐射能，称为直接辐射，通常以到达水平面上的太阳直接辐射的辐照度Sm来表示直接辐射的大小。直接辐射的影响因子：太阳高度角、大气透明度,假设：各吸收、散射过程相互独立衰减系数：kl,R 为气体分子散射所引起的衰减，kl,M 为气溶胶粒子的散射所引起的衰减 kl,O

29、 为臭氧吸收所引起的衰减 kl,g 为其它均匀混合气体分子（主要是O2和CO2）吸收所引起的衰减。,1.地面太阳直接辐射,衰减系数：,1.地面太阳直接辐射,大气质量数是倾斜路径的光学厚度与垂直路径光学厚度之比日光倾斜入射时与自天顶入射时的光学质量之比,2.相对大气质量,均匀混合气体相对大气质量平面平行无折射均质大气,2.相对大气质量,均匀混合气体相对大气质量有折射地球非均质大气Kasten经验公式WMO推荐,2.相对大气质量,水汽和臭氧的相对大气质量 由于水汽和臭氧厚度不易准确确定，所以此二式计算误差较大，很少使用。由Kasten公式代替，并不作气压订正。,2.相对大气质量,当h=90时，,当

30、90h0时，,1、太阳高度角,2）太阳高度角越小，太阳光透过的大气层就越厚，削弱就越强，到达地面的太阳辐射就越小。当h=90时，太阳光在大气中的射程为OA。当90h0时，太阳光在大气中的射程为OC。,大气质量：在地面为标准气压(1013hPa)时，太阳光垂直投射到地面所经路程中，单位截面积的空气柱的质量，称为一个大气质量。,1、太阳高度角,2、大气透明度,大气透明度：大气对太阳辐射的透射程度透明系数（p）:指透过一个大气质量的辐射强度与进入该大气的辐射强度之比。当太阳位于天顶处，若在大气上界太阳辐射通量为I0，而到达地面后为I，则主要影响因素:水汽、凝结物、杂质等。,4.2 散射辐射,天空散射

31、辐射SD：水平地表面上的自天空各方向上大气散射来的太阳辐射通量密度，单位为Wm-2。,影响因子：太阳高度角、大气透明度、云、地表反射率等散射变化：一天中中午前后最大，一年中夏季最大。,4.2 散射辐射,4.3 总辐射,地面总辐射：到达水平地表面的太阳直接辐射与天空散射之和,单位为Wm-2。SG=Sm+SD总辐射影响因子：太阳高度角、大气透明度、云量等,4.3 总辐射,总辐射日变化日出以前，地面上总辐射的收入不多，其中只有散射辐射；日出以后，随着太阳高度的升高，太阳直接辐射和散射辐射逐渐增加，但前者增加得较快；当h=8时，直接辐射=散射辐射；当h=50时，散射辐射值仅相当总辐射的1020；中午时

32、，太阳直接辐射与散射辐射强度均达到最大值；中午以后，二者又按相反的次序变化。,4.3 总辐射,特点：日总量随纬度的增大而减小，最大的在20N。我国最大总辐射：西藏、青海、新疆；次之辐射：黄河流域；最小辐射：长江流域、华南地区。,4.4 地面反射辐射,地表反射率：与下垫面性质和状态有关。反射率与地面状况、颜色、粗糙度、植被、土壤性质有关。新雪：8095%裸地：7%20%,不同性质地面的反射率（%）,第二章 大气辐射学,1 辐射概述2 辐射平衡的基本规律3 太阳辐射及其在大气中的衰减4 到达地面的太阳辐射5 地气辐射6 地面辐射差额和气温变化7 地气系统能量平衡,一、地面辐射,1、概念：地面吸收太

33、阳辐射能后不停地向外放射辐射，称为地面辐射。2、最大放射能量所对应的波长为10-15m。,二、大气辐射,1、概念：大气吸收地面辐射后向外放射辐射，称为大气辐射。属于长波辐射（3-120 m）。2、大气的主要吸收体：水（水汽和液态水）、二氧化碳、臭氧。3、地面长波辐射极少能透过大气进入宇宙空间，除大气之窗。,透射率（%）,O3,CO2,CO2,H2O,H2O,（1）太阳辐射中的直接辐射是作为定向的平行辐射进入大气的，而地面和大气辐射是漫射辐射。,三、大气中长波辐射的特点,漫射辐射,三、大气中长波辐射的特点,大气散射,（1）太阳辐射中的直接辐射是作为定向的平行辐射进入大气的，而地面和大气辐射是漫射

34、辐射。（2）长波辐射在大气中传播时，可以不考虑散射作用。（3）太阳辐射在大气中传播时，仅考虑大气对太阳辐射的削弱作用，而未考虑大气本身辐射的影响。但考虑长波辐射在大气中的传播时，不仅要考虑大气对长波辐射的吸收，而且还要考虑大气本身放射的长波辐射。大气本身放射的辐射一部分向上进入太空，一部分向下到达地面，我们把向下到达地面的那部分大气辐射称为大气逆辐射。,三、大气中长波辐射的特点,四、大气逆辐射和保温效应,大气逆辐射的作用：其值的大小，决定了地表得到热能补偿的多少，因此其对地面有保温作用。地球无大气：T=-23 有大气：T=15月球白天：T=127 夜晚：T=-183,五、地面的有效辐射,1、概

35、念：地面有效辐射F0:地面放射的辐射Eg与地面吸收的大气逆辐射Ea之差。F0表示地表损失热量的多少。一般地面失去热量（逆温和湿度很大时例外）,4、5 习题,1、概念：太阳直接辐射、天空散射辐射、地面总辐射、大气之窗、大气逆辐射、有效辐射2、太阳直接辐射、天空散射辐射、地面总辐射影响因子3、大气中长波辐射的特点,),4、5 习题,4*、夜间天空布满云层，设地面为黑体，T0=300K，气压为P0=1000hPa；云底也为黑体，温度Tb=280K，气压为Pb=800 hPa；中间大气为等温（T=285K）的灰体，其长波漫射透射率f=0.4。试求：（1）地面的有效辐射；（2）求出变温率T/t（/3h）

36、，说明中间气层的温度将增加还是降低；（3）如果云底温度Tb改为260K，则气层温度的变化将如何？,),第二章 大气辐射学,1 辐射概述2 辐射平衡的基本规律3 太阳辐射及其在大气中的衰减4 到达地面的太阳辐射5 地气辐射6 地面辐射差额和气温变化7 地气系统能量平衡,6 地面辐射差额和能量平衡,6.1 地面辐射差额6.2 地面能量平衡6.3 气温日变化6.4 气温年变化,6.1 地面辐射差额(1),辐射差额（净辐射）=收入辐射能-支出辐射能,6.1 地面辐射差额(2),地 面 辐 射 差 额=吸收的太阳总辐射+吸收的大气逆辐射-向外放射的长波辐射,6.1 地面辐射差额(2),地 面 辐 射 差

37、 额=吸收的太阳总辐射+吸收的大气逆辐射-向外放射的长波辐射-(地表有效辐射),地面辐射差额：单位面积地表面所吸收的总辐射与它的有效辐射之差。,6.1 地面辐射差额(3),地面辐射差额特点：一般夜间为负，白天为正；负到正：日出后1h；正到负：日落前l1.5h。,6.2 地面能量平衡,地表净能量通量=地表净短波辐射通量-净长波辐射通量-地表感热通量-地表潜热通量-流进土壤深层的热量,6.3 气温日变化,气温日变化最高值出现在午后14点左右，最低值出现在清晨日出左右。原因:对流层热量来源于地面,气温具滞后效应.正午:太阳辐射最强.13时:地面热量收=支,地温达最高.而气温由于滞后效应至14时达最大

38、.日出前后地面热量收支由负转正.,6.3 气温日变化,日较差变化:纬度(高纬冬季)下垫面(海洋陆地)地形(凸地凹地),6.4 气温年变化,气温年变化：中纬大陆气温以7月最高，1月最低；海洋气温以8月最高，2月最低。年较差：高纬大于低纬，陆地大于海洋,6 复习题,1、为什么气温最高值出现在下午14点左右，最低值出现在凌晨？2、气温日变化、年变化特点。,7 地气系统能量平衡（1）,太阳短波辐射平衡,地气长波辐射平衡,7 地气系统能量平衡（2）,若将入射到大气层顶的太阳辐射归一化为100个单位，其中被大气吸收的太阳辐射有19个单位（水汽、臭氧、尘埃吸收为16，云吸收为3），被地表吸收的有51个单位，

39、被反射的太阳辐射有30个单位（空气分子散射为6，云反射为20，地面反射为4），太阳辐射达到平衡；被地表吸收的51个单位太阳短波辐射中，21个单位以长波（即红外）辐射的形式进入大气（15个被大气中的水汽和二氧化碳吸收，6个直接透过大气进入太空），7个以感热的形式进入大气，23个以潜热的形式进入大气；,7 地气系统能量平衡（3）,对大气而言，它吸收了19个单位太阳辐射，15个单位长波辐射，30个单位感热潜热，能量收入为64个单位，而大气中的水汽和二氧化碳向外空间发射的净辐射为38，云放射的辐射为26，总计以长波形式向太空发射了64个单位，即能量支出为64个单位，能量收入等于支出，达到平衡。,7 复习题,1、以投射到大气顶的太阳辐射有100个单位为例,说明地气系统能量如何达到平衡？,谢谢,