大氣科學(xué)概論第二章

1、第二章 大氣輻射學(xué),§1 輻射概述§2 輻射平衡的基本規(guī)律§3 太陽輻射及其在大氣中的衰減§4 到達(dá)地面的太陽輻射§5 地氣輻射§6 地面輻射差額和氣溫變化§7 地氣系統(tǒng)能量平衡,本章重點：,黑體與灰體基爾霍夫定律斯蒂芬-玻爾茲曼定律維恩定律大氣對輻射的吸收特點大氣對太陽輻射的散射太陽高度角大氣透明度大氣中長波輻射的特點地

2、面輻射差額時空分布特征大氣窗,§1 輻射概述,§1.1 輻射的概念§1.2 輻射的傳播—電磁波§1.3 黑體與灰體§1.4 輻射場物理量,§1 習(xí)題,1、什么是輻射？2、什么是黑體和灰體？3、輻射通量和輻射通量密度的概念。,§1.1 輻射的概念,自然界中的一切物體，只要其溫度在-273℃以上，都以電磁波的方式向四周放射能量，這種傳播能量的方式稱

3、為輻射。 輻射是能量的一種形式，指物質(zhì)以電磁波的形式放射的能量。,,,,,§1.2 輻射的傳播—電磁波,1、傳播速度：3×108m/s2、波長范圍：10-16m—103mλ： 宇宙射線＜ γ射線＜X射線＜紫外線＜可見光＜紅外線（＜微波）＜無線電波,,不同電磁波的具體波長范圍,可見光波長范圍,§1.2 輻射的傳播—電磁波,3、大氣科學(xué)對輻射的研究對象：太陽短波輻射、地球和大氣長波輻射,§

4、1.3 黑體與灰體(1),,,,,水分含量對玉米葉子反射率的影響,不同土壤的反射波譜曲線,土壤濕度對反射率的影響,水的混濁度對其反射波譜曲線的影響,各種地表對太陽輻射的反射率（%）,以上圖表可以說明什么？,物體的吸收率、反射率和透射率大小隨著輻射的波長和物體的性質(zhì)而改變。,§1.3 黑體與灰體(2),黑體：若物體對于投射到其上所有波長的輻射都能全部吸收的物體稱為絕對黑體。故有：,a=1,r=d=0,§1.3 黑

5、體與灰體(3),若物體僅對某一波長輻射能全部吸收，稱為相對黑體。,灰體：a小于1且不隨波長而變化的物體。 若物體不透明,則透射率d=０ ，吸收率a=1-r。,§1.4 輻射場物理量,1、輻射通量Φ：單位時間內(nèi)通過某一平面的輻射能，也稱為輻射功率，單位為J/s或W。2、輻射通量密度E：單位面積的輻射通量，或是單位面積單位時間內(nèi)通過的輻射能，單位為W·m-2,,,輻照度

6、 輻出度,輻射光譜,全部波長的總輻射能：Fλ為分光輻射出射度或者叫單色輻射通量密度。,Fλ,λ,,,,,,dλ,第二章 大氣輻射學(xué),§2 輻射平衡的基本規(guī)律,,習(xí)題：基爾霍夫定律斯蒂芬-玻爾茲曼定律維恩定律,,§2 輻射平衡的基本規(guī)律,§2.1 輻射平衡§2.2 基爾霍夫定律§2.3 斯蒂芬-玻爾茲曼定律§2.4 維恩定律,§

7、;2.1 輻射平衡,當(dāng)物體放射出的輻射能等于它吸收的輻射能時，物體處于輻射平衡狀態(tài)，可用一態(tài)函數(shù)—溫度T來描述，因此平衡輻射又稱為溫度輻射。,§2.2 基爾霍夫定律,在一定溫度下，對某一特定波長而言，任何物體的輻出度與吸收率之比是一個普適函數(shù)，該函數(shù)只與溫度和波長有關(guān)，而與物體的其它性質(zhì)無關(guān)。即具有選擇吸收性： E(λ,T)為絕對黑體的分光輻出度，即某一波長范圍內(nèi)的輻出度。,,,,§2.3斯蒂芬-玻爾茲

8、曼定律,黑體的總放射能力ETb與它本身的絕對溫度T的四次方成正比。 斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)：σ=5.6696×10-8 W·m-2·K-4 σ=5.67×10-8 W·m-2·K-4,,,§2.4 維恩

9、定律,黑體單色輻射極大值所對應(yīng)的波長(λm) 與其本身絕對溫度(T)的乘積為一常數(shù)。 C=2896μm·K,,第二章 大氣輻射學(xué),§3 太陽輻射及其在大氣中的衰減,習(xí)題,1、大氣對太陽輻射的削弱

10、作用有哪些？2、為何晴朗的天空呈藍(lán)色？3、大氣散射如何分類？,§3 太陽輻射及其在大氣中的衰減,§3.1 太陽輻射及日地關(guān)系§3.2 大氣對輻射的衰減 §3.2.1大氣對太陽輻射的吸收 §3.2.2大氣對太陽輻射的散射 §3.2.3 大氣對太陽輻射的反射,§3.1 太陽輻射及日地關(guān)系(1),s-sun e-eart

11、h半徑：rs =6.96×105Km，re =6370.9Km，rs ≈109re 質(zhì)量：ms ≈3.3×105me體積：Vs ≈1.36×106Ve表面溫度：Ts ≈5800K地球接收太陽輻射為18×1016W，約為太陽總輻射能量的22億分之一。,§3.1 太陽輻射及日地關(guān)系(1),§3.1 太陽輻射及日地關(guān)系(2),§3.1 太陽輻射及日地關(guān)系(3

12、),太陽輻射光譜：6000K的黑體光譜，其中可見光50%，紅外43%，紫外7%，絕大部分能量集中于0.15～4μm。,,圖中：實線是大氣上界的太陽輻射光譜； 虛線是溫度在6,000K時的黑體輻射光譜。,§3.1 太陽輻射及日地關(guān)系(4),太陽常數(shù)：當(dāng)?shù)厍蛭挥谌盏仄骄嚯x處，在大氣上界，垂直于太陽光線的1cm2面積內(nèi)，1min內(nèi)獲得的太陽輻射能量。,§3 太陽輻射及其在大氣中的衰減,§3.2 大氣對

13、輻射的衰減 §3.2.1大氣對輻射的吸收 §3.2.2大氣對太陽輻射的散射 §3.2.3大氣對太陽輻射的反射,,臭氧,臭氧,分子散射,§3.2.1大氣對輻射的吸收,1、吸收------有選擇地吸收。主要吸收主體：氧氣、水、臭氧、二氧化碳及固體雜質(zhì)，共占太陽能24%。,2、大氣吸收光譜：（見附表） 太陽輻射：紫外<0.29μm幾乎全吸收，可見光吸收不強(qiáng)，紅

14、外主要是水汽吸收，其次為CO2、CH4。,§3.2.1大氣對輻射的吸收,大氣吸收的特點：,a) 大氣吸收太陽能具有選擇性，且位于太陽光譜能量較小的區(qū)域內(nèi)。b) 大氣對太陽輻射吸收弱，不是直接加熱低層大氣的直接熱源。,§3.2.2 大氣對太陽輻射的散射,§3.2.2 大氣對太陽輻射的散射,散射：（對太陽輻射需考慮，對長波輻射可忽略。）尺度數(shù)：（1）瑞利散射：x50，a>>λ（大雨滴對

15、可見光產(chǎn)生折射、反射現(xiàn)象）,,§3.2.3 大氣對太陽輻射的反射,反射沒有選擇性，所以反射光呈白色。反射物：云的反射最強(qiáng)，平均50-55%。,第二章 大氣輻射學(xué),§4 到達(dá)地面的太陽輻射,習(xí)題：,直接輻射的影響因子是?它們是怎樣影響直接輻射的？影響散射輻射的因子？總輻射影響因子及其日變化特征？,§4 到達(dá)地面的太陽輻射,包括兩部分：太陽直接輻射和天空散射輻射。§4.1 到達(dá)地面的

16、太陽直接輻射§4.2 散射輻射§4.3 總輻射§4.4 地面對太陽輻射的反射,,§4.1 到達(dá)地面的太陽直接輻射,太陽以平行光的形式，投射到地面上的那部分輻射能，稱為直接輻射，通常以到達(dá)水平面上的太陽直接輻射的輻照度來表示直接輻射的大小。直接輻射的影響因子： 太陽高度角、大氣透明度,1、太陽高度角,1）太陽高度角越大，等量的太陽輻射散布的面積就越小，地表單位面積上所獲得的太

17、陽輻射能就越大。（圖2.8b）當(dāng)h=90°時，直接面上接受的太陽輻射是：I·S當(dāng)90°>h>0°時，太陽輻射是：I’·S’= I· S I’= I ·sinh,,,1、太陽高度角,2）太陽高度角越小，太陽光透過的大氣層就越厚(圖2.9)，削弱就越強(qiáng)，到達(dá)地面的太陽輻射就越小。當(dāng)h=90°時，太陽光在大氣中的射程為

18、AO。當(dāng)90°>h>0°時，太陽光在大氣中的射程為OC。,,一個大氣質(zhì)量：在地面為標(biāo)準(zhǔn)氣壓(1013hPa)時，太陽光垂直投射到地面所經(jīng)路程中，單位截面積的空氣柱的質(zhì)量，稱為一個大氣質(zhì)量。,2、大氣透明度,大氣透明度：大氣對太陽輻射的透射程度透明系數(shù)（p）: p=I/I0Bouguer 公式: I = I0pm主要影響因素有:水汽、凝結(jié)物、雜質(zhì)。,到達(dá)地面的太陽直接輻射的年變化,

19、7;4.2 散射輻射,天空散射輻射ID：水平地表面上的自天空各方向上大氣散射來的太陽輻射通量密度，單位為W·m-2。,,影響因子：太陽高度角、大氣透明度、云,§4.3 總輻射,地面總輻射：到達(dá)水平地表面的太陽直接輻射與天空散射之和,單位為W·m-2。 IG = I′+ ID,,總輻射影響因子及其日變化太陽高度角、大氣透明度、云量等?？傒椛淙兆兓攸c：日出

20、以前——只有散射輻射；日出以后，太陽直接輻射和散射輻射逐漸增加。當(dāng)h=8°時，直接輻射 = 散射輻射；當(dāng)h=50°時，散射輻射值僅相當(dāng)總輻射的10％～20％；中午時，總輻射達(dá)到最大值；中午以后，總輻射又按相反的次序變化。云的影響可以使這種變化規(guī)律受到破壞。,,總輻射分布特點：日總量隨緯度的增大而減小，最大的在20°N。,§4.4 地面反射輻射,地表反射率：與下墊面性質(zhì)和狀態(tài)有關(guān)。

21、反射率與地面狀況、顏色、粗糙度、植被、土壤性質(zhì)有關(guān)。新雪：80—95% 裸地：7%—20%,不同性質(zhì)地面的反射率（%）,第二章 大氣輻射學(xué),§5 地氣輻射,習(xí)題：,地面發(fā)射能量的大小主要決定于什么？什么是大氣窗？大氣窗存在的意義？大氣中長波輻射的特點？影響有效輻射的主要因子？有效輻射的日變化？有效輻射的年變化？,一、地面輻射和大氣輻射,（一）地面輻射：地面吸收太陽輻射能后不停地向外放射

22、輻射，稱為地面輻射。屬于長波輻射（3-120 μm ）。最大放射能量所對應(yīng)的波長為10-15 μm。地面發(fā)射能量的大小主要決定于：地面本身的溫度，而溫度的高低又決定于地面儲存能量的多少。,,（二）大氣輻射：1、概念：大氣吸收地面輻射后向外放射輻射，稱為大氣輻射。屬于長波輻射（3-120 μm ）。2、大氣的主要吸收體：水（水汽和液態(tài)水）、二氧化碳、臭氧。3、地面和大氣運(yùn)用斯蒂芬—波耳茲曼定律，可寫成如下形式：,,（三）

23、大氣窗地面長波輻射在8-12 μm范圍中放射能力較強(qiáng)，而水不吸收，臭氧吸收窄，因此此波段全部透過大氣層，在高空看地面在此波段開了一個“天窗”，因此此波段稱為“大氣窗”。,大氣窗存在的意義：此波段是地面輻射強(qiáng)區(qū)，約占20%，可利用紅外輻射觀測此波段的輻射強(qiáng)弱，推斷地表溫度的變化。,,透射率（%）,,（四）大氣中長波輻射的特點,（五）大氣逆輻射和保溫效應(yīng),大氣逆輻射的作用：其值的大小，決定了地表得到熱能補(bǔ)償?shù)亩嗌?，因此其對地面有保?/p>

24、作用。地球—無大氣：T=-23℃ 有大氣：T=15℃月球—白天： T=127℃ 夜晚： T=-183℃,二、地面的有效輻射,1、概念：地面有效輻射F0:地面放射的輻射Eg與地面吸收的大氣逆輻射δEa之差。表達(dá)式：F0 =Eg-δEaF0表示地表損失熱量的多少。,,2、影響有效輻射的主要因子有：地面溫度，空氣溫度，空氣濕度和云況，地表面的性質(zhì)。3、有效輻射的日變化4、有效輻射的年變

25、化,第二章 大氣輻射學(xué),§6 地面輻射差額和氣溫變化,習(xí)題：,地面輻射差額特點？氣溫日變化？氣溫年變化？,§6 地面輻射差額和能量平衡,§6.1 地面輻射差額§6.2 地面能量平衡§6.3 氣溫日變化§6.4 氣溫年變化,輻射差額（凈輻射）=收入輻射能-支出輻射能,,,,§6.1 地面輻射差額,地面輻射差額 = 吸收的太陽總輻射 +

26、 吸收的大氣逆輻射 - 向外放射的長波輻射,影響地面輻射差額的因子：地面溫度，空氣溫度，空氣濕度和云況，地面反射率。,地面輻射差額特點：,,§6.2 地面能量平衡,地表凈能量通量=地表凈短波輻射通量-凈長波輻射通量 -地表感熱通量-地表潛熱通量-流進(jìn)土壤深層的熱量,§6.3 氣溫日變化,氣溫日變化最高值出現(xiàn)在午后2點左右，最低值出現(xiàn)在清晨日出左右。

27、日較差：緯度、季節(jié)、下墊面、地形。,,§6.4 氣溫年變化,氣溫年變化：中緯大陸氣溫以7月最高，1月最低；海洋氣溫以8月最高，2月最低。 年較差：高緯大于低緯；同一緯度，陸地大于海洋。,第二章 大氣輻射學(xué),§7 地氣系統(tǒng)能量平衡,§7 地氣系統(tǒng)能量平衡,一、大氣的輻射差額1、大氣的輻射差額分為：整個大氣層的輻射差額和某一層大氣的輻射差額。2、整個大氣層輻射差額的表達(dá)式為：,,,二、地-