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(yáng)輻射及其在大氣中的衰減§4 到達(dá)地面的太陽(yáng)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(diǎn)：,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(duì)輻射的吸收特點(diǎn)大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的散射太陽(yáng)高度角大氣透明度大氣中長(zhǎng)波輻射的特點(diǎn)地

2、面輻射差額時(shí)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(chǎng)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(zhǎng)范圍：10-16m—103mλ： 宇宙射線＜ γ射線＜X射線＜紫外線＜可見(jiàn)光＜紅外線（＜微波）＜無(wú)線電波,,不同電磁波的具體波長(zhǎng)范圍,可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍,§1.2 輻射的傳播—電磁波,3、大氣科學(xué)對(duì)輻射的研究對(duì)象：太陽(yáng)短波輻射、地球和大氣長(zhǎng)波輻射,§

4、1.3 黑體與灰體(1),,,,,水分含量對(duì)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(duì)反射率的影響,水的混濁度對(duì)其反射波譜曲線的影響,各種地表對(duì)太陽(yáng)輻射的反射率（%）,以上圖表可以說(shuō)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(zhǎng)和物體的性質(zhì)而改變。,§1.3 黑體與灰體(2),黑體：若物體對(duì)于投射到其上所有波長(zhǎng)的輻射都能全部吸收的物體稱為絕對(duì)黑體。故有：,a=1,r=d=0,§1.3 黑

5、體與灰體(3),若物體僅對(duì)某一波長(zhǎng)輻射能全部吸收，稱為相對(duì)黑體。,灰體：a小于1且不隨波長(zhǎng)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(chǎng)物理量,1、輻射通量Φ：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)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：?jiǎn)挝幻娣e的輻射通量，或是單位面積單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)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(zhǎng)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(shí)，物體處于輻射平衡狀態(tài)，可用一態(tài)函數(shù)—溫度T來(lái)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(duì)某一特定波長(zhǎng)而言，任何物體的輻出度與吸收率之比是一個(gè)普適函數(shù)，該函數(shù)只與溫度和波長(zhǎng)有關(guān)，而與物體的其它性質(zhì)無(wú)關(guān)。即具有選擇吸收性： E(λ,T)為絕對(duì)黑體的分光輻出度，即某一波長(zhǎng)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(duì)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(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)(λm) 與其本身絕對(duì)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(yáng)輻射及其在大氣中的衰減,習(xí)題,1、大氣對(duì)太陽(yáng)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(lèi)？,§3 太陽(yáng)輻射及其在大氣中的衰減,§3.1 太陽(yáng)輻射及日地關(guān)系§3.2 大氣對(duì)輻射的衰減 §3.2.1大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收 §3.2.2大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的散射 §3.2.3 大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的反射,§3.1 太陽(yáng)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(yáng)輻射為18×1016W，約為太陽(yáng)總輻射能量的22億分之一。,§3.1 太陽(yáng)輻射及日地關(guān)系(1),§3.1 太陽(yáng)輻射及日地關(guān)系(2),§3.1 太陽(yáng)輻射及日地關(guān)系(3

12、),太陽(yáng)輻射光譜：6000K的黑體光譜，其中可見(jiàn)光50%，紅外43%，紫外7%，絕大部分能量集中于0.15～4μm。,,圖中：實(shí)線是大氣上界的太陽(yáng)輻射光譜； 虛線是溫度在6,000K時(shí)的黑體輻射光譜。,§3.1 太陽(yáng)輻射及日地關(guān)系(4),太陽(yáng)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(yáng)光線的1cm2面積內(nèi)，1min內(nèi)獲得的太陽(yáng)輻射能量。,§3 太陽(yáng)輻射及其在大氣中的衰減,§3.2 大氣對(duì)

13、輻射的衰減 §3.2.1大氣對(duì)輻射的吸收 §3.2.2大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的散射 §3.2.3大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的反射,,臭氧,臭氧,分子散射,§3.2.1大氣對(duì)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(yáng)能24%。,2、大氣吸收光譜：（見(jiàn)附表） 太陽(yáng)輻射：紫外<0.29μm幾乎全吸收，可見(jiàn)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(duì)輻射的吸收,大氣吸收的特點(diǎn)：,a) 大氣吸收太陽(yáng)能具有選擇性，且位于太陽(yáng)光譜能量較小的區(qū)域內(nèi)。b) 大氣對(duì)太陽(yáng)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(duì)太陽(yáng)輻射的散射,§3.2.2 大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的散射,散射：（對(duì)太陽(yáng)輻射需考慮，對(duì)長(zhǎng)波輻射可忽略。）尺度數(shù)：（1）瑞利散射：x50，a>>λ（大雨滴對(duì)

15、可見(jiàn)光產(chǎn)生折射、反射現(xiàn)象）,,§3.2.3 大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的反射,反射沒(méi)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(yáng)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(yáng)輻射,包括兩部分：太陽(yáng)直接輻射和天空散射輻射。§4.1 到達(dá)地面的

16、太陽(yáng)直接輻射§4.2 散射輻射§4.3 總輻射§4.4 地面對(duì)太陽(yáng)輻射的反射,,§4.1 到達(dá)地面的太陽(yáng)直接輻射,太陽(yáng)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(yáng)直接輻射的輻照度來(lái)表示直接輻射的大小。直接輻射的影響因子： 太陽(yáng)高度角、大氣透明度,1、太陽(yáng)高度角,1）太陽(yáng)高度角越大，等量的太陽(yáng)輻射散布的面積就越小，地表單位面積上所獲得的太

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

18、AO。當(dāng)90°>h>0°時(shí)，太陽(yáng)光在大氣中的射程為OC。,,一個(gè)大氣質(zhì)量：在地面為標(biāo)準(zhǔn)氣壓(1013hPa)時(shí)，太陽(yáng)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(gè)大氣質(zhì)量。,2、大氣透明度,大氣透明度：大氣對(duì)太陽(yáng)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(yáng)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(lái)的太陽(yáng)輻射通量密度，單位為W·m-2。,,影響因子：太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)高度角、大氣透明度、云量等。總輻射日變化特點(diǎn)：日出

20、以前——只有散射輻射；日出以后，太陽(yáng)直接輻射和散射輻射逐漸增加。當(dāng)h=8°時(shí)，直接輻射 = 散射輻射；當(dāng)h=50°時(shí)，散射輻射值僅相當(dāng)總輻射的10％～20％；中午時(shí)，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(diǎn)：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(zhǎng)波輻射的特點(diǎn)？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(yáng)輻射能后不停地向外放射

22、輻射，稱為地面輻射。屬于長(zhǎng)波輻射（3-120 μm ）。最大放射能量所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)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(chǔ)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(zhǎng)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(xiě)成如下形式：,,（三）

23、大氣窗地面長(zhǎng)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(guò)大氣層，在高空看地面在此波段開(kāi)了一個(gè)“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(cè)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(zhǎng)波輻射的特點(diǎn),（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?duì)地面有保溫

24、作用。地球—無(wú)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?yè)p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(diǎn)？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(yáng)總輻射 +

26、 吸收的大氣逆輻射 - 向外放射的長(zhǎng)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(diǎn)：,,§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(zhǎng)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(diǎn)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(gè)大氣層的輻射差額和某一層大氣的輻射差額。2、整個(gè)大氣層輻射差額的表達(dá)式為：,,,二、地-