大气科学概论-大气辐射课件.ppt
大气科学概论第七章 大气辐射第七章 大气辐射l第一节 辐射概述l第二节 热辐射的基本定律l第三节 太阳辐射及其在大气中的衰弱l第四节 到达地面的太阳辐射l第五节 地球辐射l第六节 地面辐射差额和能量平衡l第七节 地气系统的能量平衡引言引言l大气辐射学主要研究大气中辐射传输的基本规律和物理过程，以及地球大气系统的辐射能量收支问题。l地球大气系统能量的主要来源是太阳的辐射能，它从根本上决定了地球、大气热状态，从而成为制约大气运动和其它大气过程的能量，是产生各种大气物理、大气化学过程和天气现象的根本原因，也是气候形成的重要因子之一。第一节第一节 辐射概述辐射概述l辐射物质以电磁波的形式放射能量，称为辐射物质以电磁波的形式放射能量，称为辐射l辐射是能量的一种形式，只要物质温度高于绝对零度就存在l物质既以电磁波形式放射能量，同时也不断地吸收外界辐射l物质之间以辐射形式交换热量，称为辐射热交换l辐射平衡物体放出的辐射等于吸收的辐射时，称为辐射平衡物体放出的辐射等于吸收的辐射时，称为辐射平衡l此时物体的热状态保持不变，温度既不升高，也不降低l如收支不相等，但仍能维持热平衡状态，称为准辐射平衡一、辐射的概念一、辐射的概念l辐射能量守恒：物体的吸收率、反射率和透射率大小随着辐射的波长物体的吸收率、反射率和透射率大小随着辐射的波长和物体的性质而异。和物体的性质而异。l干空气 水汽 红外辐射物体这种对不同波长的辐射具有不同的吸收率、反射物体这种对不同波长的辐射具有不同的吸收率、反射率和透射率的特性称为物体对辐射的吸收、反射和透率和透射率的特性称为物体对辐射的吸收、反射和透射的选择性射的选择性 第一节第一节 辐射概述辐射概述l辐射的波动性辐射在传播的过程中表现为波动，物体时刻不停地放辐射在传播的过程中表现为波动，物体时刻不停地放射和吸收电磁波。射和吸收电磁波。l光的干涉、光的衍射充分证明光是一种波（光是电磁波）电磁波的波长（电磁波的波长（）、）、频率（频率（f f）和波速（和波速（v v）关系为关系为l光速 v=3*108 m/slf 的单位为赫兹(Hz)、的法定单位为纳米(nm)l1 nm=109 m、1 nm=10-3 ml频率越高的波，则波长越短第一节第一节 辐射概述辐射概述l电磁波谱将各种不同电磁波，按波长（或频率）的大小依次排将各种不同电磁波，按波长（或频率）的大小依次排列成一个谱，称为电磁波谱。列成一个谱，称为电磁波谱。l电磁波的波长范围很宽，从 10-3 nm 1012 nml可见光只是其中很窄的一段（紫蓝青绿黄橙红）l大气科学着重研究太阳短波、地面长波、大气长波l气象通讯用中短波、气象探测是超高频、气象雷达用微波l练习一：计算波长为10厘米的多普勒雷达的工作频率l练习二：卫星传送云图用的频率是1697MHz，波长是多少第一节第一节 辐射概述辐射概述l辐射的粒子性电磁波是由具有一定质量、能量和动量的微粒子（光电磁波是由具有一定质量、能量和动量的微粒子（光量子）流组成的。量子）流组成的。l光电效应充分说明了电磁波具有粒子性每个光量子的能量（每个光量子的能量（EL）、）、频率（频率（f）、）、波长（波长（）的的关系式如下：关系式如下：l普朗克常数 h=6.626 *10-34 J.sl光量子能量高的物体，其辐射频率也高第一节第一节 辐射概述辐射概述l辐射的度量与单位1、辐射度量的能量单位、辐射度量的能量单位l辐射通量单位时间通过任意面积上的辐射能量，单位 J/s，即Wl辐射通量密度（辐射强度、辐射能力、放射能力）单位面积上的辐射通量，单位J/(s.m2)，即W/m2正规定义：单位时间、通过单位面积上的辐射能量第一节第一节 辐射概述辐射概述l辐射的度量与单位2、辐射度量的光度单位、辐射度量的光度单位l光通量由于辐射能量而产生的光感觉的量，单位为流明lml光通量密度（辐射强度、辐射能力、放射能力）单位面积上的光通量，单位流明/m2l照度单位面积上所接受的光通量，单位勒克斯lx二、辐射能的度量二、辐射能的度量l辐射能以辐射方式传递的能量，用符号表示，单位为焦耳(J)。l辐射通量P 单位时间传递的辐射能。l辐射通量密度F 指单位时间内通过单位面积的辐射能。l辐射率I 单位时间内，通过垂直于给定方向上单位面积的单位立体角内的辐射能。l辐射强度J 指点辐射源在某一方向上单位立体角内的辐射通量。第一节第一节 辐射概述辐射概述l吸收率、透射率、反射率物体所吸收、反射和透射的辐射能量与投射到该物体物体所吸收、反射和透射的辐射能量与投射到该物体表面上的总辐射能量之比，分别称为吸收率（表面上的总辐射能量之比，分别称为吸收率（a）、）、反射率（反射率（r）和透射率（和透射率（d）la+r+d=1，a、r、d都是无量纲的量la、r、d的大小，随着物体的性质和辐射的波长而改变雪面反射短波辐射，但吸收长波辐射干空气对红外线透明，但水汽强烈吸收红外线一、辐射的概念一、辐射的概念l辐射能量守恒：总辐射能吸收总辐射能吸收+反射反射+透射透射吸收率吸收率(a)：a=Qa/Q 反射率反射率(r)：r=Qr/Q 透射率透射率(d)：d=Qd/Q 入入入入射射射射反反反反射射射射吸收吸收吸收吸收透透透透射射射射第一节第一节 辐射概述辐射概述l不同植被对太阳辐射的反射率第一节第一节 辐射概述辐射概述l黑体、灰体绝对黑体：对所有波长的辐射能都能全部吸收的物体绝对黑体：对所有波长的辐射能都能全部吸收的物体l如果针对某一波长能全部吸收，则此物体对该波长为黑体l非黑体的吸收率都小于1l黑体不一定是黑颜色的物体灰体：吸收率小于灰体：吸收率小于1，但吸收率不随波长改变，但吸收率不随波长改变l自然界中不存在真正的黑体和灰体第二节、辐射基本定律第二节、辐射基本定律lKirchhoff（基尔霍夫）定律（辐射平衡）物体对某波长的放射能力与该波长的吸收率之比，是温度和波长的普适物体对某波长的放射能力与该波长的吸收率之比，是温度和波长的普适函数，与物体其它性质无关。函数，与物体其它性质无关。le,T为物体对某波长的放射能力（辐出度），a,T为对该波长的吸收率。lE,T为针对同一波长黑体放射能力，等于同一温度下黑体的辐出度。l相同温度下，黑体的辐出度最大，某物体放射能力与黑体放射能力之比称为比辐射率（吸收率）定律的物理意义定律的物理意义l对不同的物体，辐射能力强的物体，其吸收能力也强；辐射能力弱的物体，其吸收能力也弱。l对同一物体，如果在温度T时，它辐射某一波长的辐射，那么在同一温度下它也吸收这一辐射。如果物体不吸收某波长的辐射，也就不放射这个波长的辐射。l将物体的吸收能力、放射能力和黑体的放射能力联系了起来，只要知道了某种物体的吸收率，也就知道了它的比辐射率。第二节、辐射基本定律第二节、辐射基本定律lPlanck（普朗克）定律（黑体辐射）绝对黑体的辐射能力（辐射通量密度）绝对黑体的辐射能力（辐射通量密度）E E,T,T为黑体的为黑体的波长波长和温度和温度,T T的函数。的函数。lv为光速，h为普朗克常数，e为自然对数的底l波尔兹曼常数 k=1.381*10-23 J/K第二节、辐射基本定律第二节、辐射基本定律lPlanck定律任何温度的黑体都会放任何温度的黑体都会放射不同波长的辐射。射不同波长的辐射。第二节、辐射基本定律第二节、辐射基本定律lPlanck定律温度不同，黑体的温度不同，黑体的放射能力不同，温放射能力不同，温度越高，放射能力度越高，放射能力越强。越强。任何温度的黑体放任何温度的黑体放射能力都有一个最射能力都有一个最大值，且温度升高大值，且温度升高时，最大值对应的时，最大值对应的波长越短。波长越短。第二节、辐射基本定律第二节、辐射基本定律lPlanck定律不同温度的黑体不同温度的黑体对应的波长范围对应的波长范围不同。即黑体辐不同。即黑体辐射能力集中的波射能力集中的波段不同。段不同。温度越高，能量温度越高，能量集中的波段越短。集中的波段越短。太阳是短波，地太阳是短波，地球和大气是长波。球和大气是长波。二、普朗克定律二、普朗克定律l普朗克定律 描述在任意温度下，从一个黑体中发射的电磁辐射的辐射率与电描述在任意温度下，从一个黑体中发射的电磁辐射的辐射率与电磁辐射的频率的关系磁辐射的频率的关系它表示在几种温度下黑体辐射率随波长的变化。它表示在几种温度下黑体辐射率随波长的变化。在大气科学中，以在大气科学中，以4 4微米作为分界线，把太阳辐射称为短波辐射，微米作为分界线，把太阳辐射称为短波辐射，而把地球和大气的辐射称为长波辐射或红外辐射。而把地球和大气的辐射称为长波辐射或红外辐射。太阳辐射（太阳辐射（6000K6000K）能量集中在）能量集中在0.170.174.0um4.0um，极值波长为，极值波长为0.483um0.483um地气系统辐射（地气系统辐射（300K300K）能量集中在）能量集中在3.33.380um80um，极值波长为，极值波长为9.659um9.659um。第二节、辐射基本定律第二节、辐射基本定律lStefan-Boltzmann(斯蒂芬-玻耳兹曼)定律（黑体辐射）黑体总放射能力与它本身的绝对温度的四次方成正比黑体总放射能力与它本身的绝对温度的四次方成正比斯蒂芬斯蒂芬-波尔兹曼常数波尔兹曼常数 =5.67*10-8 W/(m2K4)物理意义物理意义l根据表面温度可以计算黑体放射能力，反之亦然l一般而言，物体温度越高，则其放射能力越强太阳表面温度为太阳表面温度为6000K6000K，而地球表面的平均温度为，而地球表面的平均温度为288K288K。因此，。因此，太阳表面单位面积上放射的能量要比地球表面放射的能量大几太阳表面单位面积上放射的能量要比地球表面放射的能量大几百万倍百万倍。第二节、辐射基本定律第二节、辐射基本定律lWien(维恩)位移定律（黑体辐射）绝对黑体的放射能力最大值对应波长，与其本身的绝对温度成反比绝对黑体的放射能力最大值对应波长，与其本身的绝对温度成反比（黑体辐射光谱极大值对应的波长和温度的乘积为一常数。）黑体辐射光谱极大值对应的波长和温度的乘积为一常数。）设波长用设波长用nm，则常数则常数 C=2897*103 nmK物理意义：温度越高，放射能量最大值的波长越短；温度越高，发物理意义：温度越高，放射能量最大值的波长越短；温度越高，发出的光的颜色越出的光的颜色越“白白”（由红向紫）（由红向紫）；高温物体发射短波，低温物高温物体发射短波，低温物体发射长波。体发射长波。太阳放射的最大辐射波长太阳放射的最大辐射波长0.483 微米，而地球放射的最大辐射波长为微米，而地球放射的最大辐射波长为9.659微米。微米。不同温度下黑体辐射强度与温度的关系不同温度下黑体辐射强度与温度的关系不同温度下黑体辐射强度与温度的关系不同温度下黑体辐射强度与温度的关系l l物理物理物理物理意义意义意义意义 物体的温度愈高，物体的温度愈高，物体的温度愈高，物体的温度愈高，放射能量最大值放射能量最大值放射能量最大值放射能量最大值 的波长愈短，随的波长愈短，随的波长愈短，随的波长愈短，随 着物体温度不断着物体温度不断着物体温度不断着物体温度不断 增高，最大辐射增高，最大辐射增高，最大辐射增高，最大辐射 波长由长向短位波长由长向短位波长由长向短位波长由长向短位 移。移。移。移。太阳辐射是短波太阳辐射是短波太阳辐射是短波太阳辐射是短波 辐射，人、地辐射，人、地辐射，人、地辐射，人、地 面和大气辐射面和大气辐射面和大气辐射面和大气辐射 是长波辐射。是长波辐射。是长波辐射。是长波辐射。辐射的基本规律辐射的基本规律l辐射能力强的物体，其吸收辐射的能力也强；反之，辐射能力弱的物体，吸收能力也弱。l所有物体不论其温度如何，都向外放射辐射能。高温的太阳和地球都在不停地向外辐射能量。l温度较高的物体单位面积放射的总能量，要比温度低的物体放射多。l物体温度愈高，其放射的最大辐射的波长愈短；反之，物体的温度愈低，其放射的最大辐射波长愈长。l在地球上测得太阳光谱的最大波长 ，若把太阳视为黑体，则太阳表面温度是 ；若地球表面温度为15，则地球最大放射能力的波长为 。参考答案：6000K 10微米l设地球-大气系统是一个半径为r的求，可看做黑体，其有效温度为Te，它向宇宙空间发射的长波辐射为 第二节、辐射基本定律第二节、辐射基本定律l关于辐射基本定律的课堂练习1.求温度为求温度为27的物体的辐射强度和最大辐射波长。的物体的辐射强度和最大辐射波长。2.试求温度为试求温度为4828K的物体的最大辐射波长和光量子的物体的最大辐射波长和光量子能量和频率。能量和频率。3.试求太阳（试求太阳（T=6000K）和地球大气（和地球大气（t=7 ）的辐的辐射强度和最大辐射波长，并比较和讨论计算结果。射强度和最大辐射波长，并比较和讨论计算结果。第三节第三节 太阳辐射及其在大气中太阳辐射及其在大气中 的衰弱的衰弱l一、太阳辐射强度和太阳常数l二、太阳和地球l三、太阳高度角、方位角和昼长l四、大气对太阳辐射的减弱一、太阳辐射强度和太阳常数一、太阳辐射强度和太阳常数l太阳辐射能（太阳辐射）太阳时刻向周围空间放射出的巨大能量称为太阳辐射太阳时刻向周围空间放射出的巨大能量称为太阳辐射单位时间内投射于单位面积上的太阳辐射能量，称为单位时间内投射于单位面积上的太阳辐射能量，称为太阳辐射强度（太阳辐射通量密度）太阳辐射强度（太阳辐射通量密度）l单位：W/m2 或 J /（sm2）太阳是地球和大气最主要的能量来源太阳是地球和大气最主要的能量来源l地球内部为万分之一，其它星体为亿分之一一、太阳辐射强度和太阳常数一、太阳辐射强度和太阳常数一、太阳辐射强度和太阳常数一、太阳辐射强度和太阳常数l太阳常数当地球位于日地平均距离时，在地球大气上界投射到当地球位于日地平均距离时，在地球大气上界投射到垂直于太阳光线平面上的太阳辐射强度称为太阳常数，垂直于太阳光线平面上的太阳辐射强度称为太阳常数，用用S0表示。表示。lS0=1367 W/M2l太阳常数的变化范围为 1325 1457 W/M2 之间太阳辐射强度主要由太阳高度角和大气透明度决定太阳辐射强度主要由太阳高度角和大气透明度决定大气对太阳辐射强度和地面光照度都有减弱作用大气对太阳辐射强度和地面光照度都有减弱作用l设地球-大气系统是一个半径为r的球，对短波辐射的反射率是R，则其每秒接收的太阳短波辐射为二、太阳和地球二、太阳和地球l太阳与地球的比较半径为地球的半径为地球的109倍倍表面积为地球的表面积为地球的1.19万倍万倍体积为地球的体积为地球的130万倍万倍质量为地球的质量为地球的32.94万倍万倍密度为地球的密度为地球的0.255倍倍l太阳与地球平均距离为14960万公里在地球上任何地方都可以将太阳光线看作平行光线在地球上任何地方都可以将太阳光线看作平行光线二、太阳和地球二、太阳和地球l地球的公转与自转地球每年绕太阳公转一圈，形成四季地球每年绕太阳公转一圈，形成四季地球每天绕南北轴线自转一圈，形成昼夜地球每天绕南北轴线自转一圈，形成昼夜地球赤道平面与公转轨道平面夹角为地球赤道平面与公转轨道平面夹角为2323度度2727分分公转轨道为椭圆形，太阳位于其中之一的焦点公转轨道为椭圆形，太阳位于其中之一的焦点昼夜两个半球的分界线称为晨昏线昼夜两个半球的分界线称为晨昏线二、太阳和地球二、太阳和地球二、太阳和地球二、太阳和地球l天文学四季划分春分（春分（春春）夏至（）夏至（夏夏）秋分（）秋分（秋秋）冬至（）冬至（冬冬）春分）春分l气象上一般划分春春：35、夏夏：68、秋秋：911、冬冬：122l气候上精细划分（张宝堃）结合天文学特点，以候平均温度值来划分结合天文学特点，以候平均温度值来划分 1022介于两者之间为介于两者之间为春春、秋秋，高于，高于22为为夏夏，低于，低于10为为冬冬三、太阳高度角、方位角和昼长三、太阳高度角、方位角和昼长l太阳高度角太阳光线与地表水平面之间的夹角太阳光线与地表水平面之间的夹角太阳高度角越高，太阳辐射强度越大太阳高度角越高，太阳辐射强度越大早晚最小、中午最大；北半球冬至最小、夏至最大早晚最小、中午最大；北半球冬至最小、夏至最大赤纬：太阳直射点纬度（太阳光线与赤道平面夹角）赤纬：太阳直射点纬度（太阳光线与赤道平面夹角）l春、秋分为0。，夏、冬至约为23.5。，赤纬又称太阳倾角l赤纬23.5sinN。，N为距春、秋分最近的天数，（间取正）时角：用角度表示的时间时角：用角度表示的时间l正午时为0。，上午0，春分日下午3时为45。三、太阳高度角、方位角和昼长三、太阳高度角、方位角和昼长l太阳高度角计算公式任意纬度、任意一天、任意时刻的太阳高度角任意纬度、任意一天、任意时刻的太阳高度角h为为h为太阳高度角，为太阳高度角，为观测时赤纬为观测时赤纬为观测点纬度，为观测点纬度，为观测时时角为观测时时角l正午太阳高度角计算公式三、太阳高度角和昼长三、太阳高度角和昼长l太阳高度角计算公式任意纬度、任意一天、任意时刻的太阳高度角任意纬度、任意一天、任意时刻的太阳高度角h为为h为太阳高度角，为太阳高度角，为观测时赤纬为观测时赤纬为观测点纬度，为观测点纬度，为观测时时角为观测时时角l正午太阳高度角计算公式例题：分析太阳高度角变化三、太阳高度角和昼长三、太阳高度角和昼长l可照时数日出至日没的时数，即昼长日出至日没的时数，即昼长l实照时数地面上用日照计实际测量的日照时数地面上用日照计实际测量的日照时数l日照百分率实照时数与可照时数的百分比实照时数与可照时数的百分比l光照时间可照时间可照时间+曙暮光时间曙暮光时间三、太阳高度角和昼长三、太阳高度角和昼长l北半球昼长规律相同纬度，昼长随季节变化，冬短夏长相同纬度，昼长随季节变化，冬短夏长昼长夏季随纬度升高加长，冬季随纬度升高缩短昼长夏季随纬度升高加长，冬季随纬度升高缩短l课堂练习推导公式推导公式3-14、3-15，并根据公式完成以下题目，并根据公式完成以下题目分析赤道上的不同季节的昼长分析赤道上的不同季节的昼长分析春、秋分时不同纬度的昼长分析春、秋分时不同纬度的昼长分析北半球永昼的条件分析北半球永昼的条件分析北半球永夜的条件分析北半球永夜的条件四、大气对太阳辐射的减弱四、大气对太阳辐射的减弱l太阳辐射在大气中的减弱三个因素：吸收、散射、反射三个因素：吸收、散射、反射太阳辐射太阳辐射 100到达地面到达地面 43l直接到达+散射到达大气吸收大气吸收 14返回空间返回空间 43l地面反射+云层反射+大气散射四、大气对太阳辐射的减弱四、大气对太阳辐射的减弱l吸收作用大气某些成份选择性地吸收太阳辐射的某些波长大气某些成份选择性地吸收太阳辐射的某些波长主要成份是臭氧、水汽、液态水和二氧化碳主要成份是臭氧、水汽、液态水和二氧化碳主要吸收带位于太阳辐射能量较小的区域主要吸收带位于太阳辐射能量较小的区域液态水的吸收能力强于水汽液态水的吸收能力强于水汽大气能量的主要来源不是吸收太阳短波辐射大气能量的主要来源不是吸收太阳短波辐射l大气各成分的吸收光谱：氧气：能微弱地吸收太阳辐射。在波长小于氧气：能微弱地吸收太阳辐射。在波长小于0.2微米处为一宽吸收微米处为一宽吸收带，吸收能力较强；在带，吸收能力较强；在0.69 和和0.76微米附近，各有一个窄吸收带，微米附近，各有一个窄吸收带，吸收能力较弱。吸收能力较弱。臭氧：在大气中含量虽少，但对太阳辐射的吸收很强。在臭氧：在大气中含量虽少，但对太阳辐射的吸收很强。在0.20.3微米为一强吸收带，使小于微米为一强吸收带，使小于0.29 微米的太阳辐射不能到达地面。微米的太阳辐射不能到达地面。在在0.6 微米附近又有一宽吸收带，吸收能力虽然不强，但因位于太微米附近又有一宽吸收带，吸收能力虽然不强，但因位于太阳辐射最强烈的辐射带里，吸收的太阳辐射还是相当多的。阳辐射最强烈的辐射带里，吸收的太阳辐射还是相当多的。水汽：吸收最强的是在红外区，主要集中在水汽：吸收最强的是在红外区，主要集中在0.932.85微米之间。微米之间。最强的太阳辐射能是短波部分，因此，水汽从总的太阳辐射能里最强的太阳辐射能是短波部分，因此，水汽从总的太阳辐射能里所吸收的能量是不多的。所吸收的能量是不多的。l大气各成分的吸收光谱二氧化碳：对太阳辐射的吸收比较弱，仅对红外区二氧化碳：对太阳辐射的吸收比较弱，仅对红外区4.3微米附近的辐射微米附近的辐射吸收较强，但这一区域的太阳辐射很微弱，被吸收后对整个太阳辐射吸收较强，但这一区域的太阳辐射很微弱，被吸收后对整个太阳辐射影响不大。影响不大。氮气：吸收很弱。氮气：吸收很弱。l大气除吸收太阳辐射外，也吸收地面和大气发射的红外辐射。在吸收地面和大气红外辐射的气体中，二氧化碳,臭氧和水汽是最重要的。l除气体以外，大气气溶胶也吸收和散射部分太阳辐射和红外辐射。四、大气对太阳辐射的减弱四、大气对太阳辐射的减弱l大气及主要成份的吸收光谱四、大气对太阳辐射的减弱四、大气对太阳辐射的减弱l散射作用（瑞利散射、米散射、几何光学散射）大气中的各种质点对太阳辐射四面八方的散射大气中的各种质点对太阳辐射四面八方的散射散射的主要作用是将太阳辐射改变了方向散射的主要作用是将太阳辐射改变了方向散射的过程可以按质点的直径分为两类散射的过程可以按质点的直径分为两类四、大气对太阳辐射的减弱四、大气对太阳辐射的减弱l分子散射前提：太阳辐射的波长远大于质点直径前提：太阳辐射的波长远大于质点直径瑞利公式（瑞利公式（3-16）表明：入射光波长短，则散射较强）表明：入射光波长短，则散射较强现象：晴天的天空是蓝色的现象：晴天的天空是蓝色的特点：特点：四、大气对太阳辐射的减弱四、大气对太阳辐射的减弱l粗粒散射前提：太阳辐射的波长大于质点直径前提：太阳辐射的波长大于质点直径散射对太阳辐射的波长没有选择性散射对太阳辐射的波长没有选择性现象：有云或较多尘埃的天空是灰白色的现象：有云或较多尘埃的天空是灰白色的特点：特点：l散射是指每一个散射分子或散射质点将射的辐射重新向各方辐射出去的一种现象。l散射只是改变辐射方向，使太阳辐射以质点为中心向四面八方传播开来。l经过散射之后，有一部分太阳辐射就到不了地面。l太阳辐射遇到的是直径比波长小的空气分子，则辐射的波长愈短，被散射愈厉害。l对于一定大小的分子来说，散射能力与波长的四次方成反比，这种散射是有选择性的。四、大气对太阳辐射的减弱四、大气对太阳辐射的减弱l反射作用主要是云层、较大颗粒的尘埃主要是云层、较大颗粒的尘埃反射对波长没有选择性反射对波长没有选择性高云高云 25%中云中云 50%低云低云 65%薄云薄云 10%厚云厚云 90%平均平均 55%四、大气对太阳辐射的减弱四、大气对太阳辐射的减弱l大气对太阳辐射的减弱因素决定于大气层厚度、空气中能吸散反的质点数决定于大气层厚度、空气中能吸散反的质点数可以用大气光学质量、大气透明系数分别描述可以用大气光学质量、大气透明系数分别描述四、大气对太阳辐射的减弱四、大气对太阳辐射的减弱l大气光学质量（m）定义定义1：地面为标准大气压时，太阳光垂直投射到地：地面为标准大气压时，太阳光垂直投射到地面所经路程中单位截面上空气柱的质量。面所经路程中单位截面上空气柱的质量。定义定义2：太阳光通过大气路径的长度与大气铅直厚度：太阳光通过大气路径的长度与大气铅直厚度的比值。的比值。四、大气对太阳辐射的减弱四、大气对太阳辐射的减弱l大气光学质量（m）主要取决于太阳高度角主要取决于太阳高度角 h（面积、厚度面积、厚度）四、大气对太阳辐射的减弱四、大气对太阳辐射的减弱l大气光学质量经验计算公式：经验计算公式：四、大气对太阳辐射的减弱四、大气对太阳辐射的减弱l大气透明系数透过一个大气光学质量后的太阳辐射强度与透过前太透过一个大气光学质量后的太阳辐射强度与透过前太阳辐射强度的比值。阳辐射强度的比值。Bouguer Lambert 定律定律l地表垂直于太阳光线平面上的太阳辐射强度随大气透明系数增大而增大，随大气质量增加而减小。四、大气对太阳辐射的减弱四、大气对太阳辐射的减弱l大气透明系数纬度越高，透明系数越高纬度越高，透明系数越高l主要是由于高纬地区水汽和杂质较少的原因四、大气对太阳辐射的减弱四、大气对太阳辐射的减弱l大气透明系数波长越短，大气的透明系数越高波长越短，大气的透明系数越高l红色光的透明程度比蓝色光要好四、大气对太阳辐射的减弱四、大气对太阳辐射的减弱l大气透明系数大气光学质量数越大，大气透明系数越高大气光学质量数越大，大气透明系数越高 l主要是由于大气对太阳辐射的选择吸收和散射造成的l但是透过的辐射能仍然是减少的第四节、到达地面的太阳辐射第四节、到达地面的太阳辐射l太阳直接辐射单位时间内以平行光的形式投射到地表单位水平面积单位时间内以平行光的形式投射到地表单位水平面积上的太阳辐射能，用上的太阳辐射能，用S表示表示主要受大气透明系数、太阳高度角、大气质量影响主要受大气透明系数、太阳高度角、大气质量影响第四节、到达地面的太阳辐射第四节、到达地面的太阳辐射l太阳直接辐射第四节、到达地面的太阳辐射第四节、到达地面的太阳辐射l天空散射辐射单位时间内以散射光的形式投射到地表单位水平面积单位时间内以散射光的形式投射到地表单位水平面积上的太阳辐射能，用上的太阳辐射能，用S表示表示主要受大气透明系数、太阳高度角、大气质量影响主要受大气透明系数、太阳高度角、大气质量影响第四节、到达地面的太阳辐射第四节、到达地面的太阳辐射l天空散射辐射第四节、到达地面的太阳辐射第四节、到达地面的太阳辐射l太阳总辐射及其影响因素太阳总辐射太阳总辐射=太阳直接辐射太阳直接辐射+天空散射辐射天空散射辐射主要影响因素主要影响因素l太阳高度角l大气透明度l大气光学质量l纬度、海拔、坡向坡度l云的形状、云的厚度一、到达地面的太阳直接辐一、到达地面的太阳直接辐射射 l无大气时太阳直接辐射：天文辐射：无大气时到达地面的太阳直接辐射天文辐射：无大气时到达地面的太阳直接辐射上式表明，某时刻到达某地的太阳辐射通量密度与当时的日地上式表明，某时刻到达某地的太阳辐射通量密度与当时的日地距离平方成反比，与太阳高度角的正弦成正比。距离平方成反比，与太阳高度角的正弦成正比。一、到达地面的太阳直接辐一、到达地面的太阳直接辐射射l有大气时太阳直接辐射：在有大气的情况，由于大气对太阳辐射的消光作用，到达地表在有大气的情况，由于大气对太阳辐射的消光作用，到达地表的太阳直接辐射有所减弱的太阳直接辐射有所减弱。由上式可以看出，由于太阳常数变化很小以及日地距离的变化由上式可以看出，由于太阳常数变化很小以及日地距离的变化影响不大，所以太阳直接辐射的大小主要是有太阳高度角和大影响不大，所以太阳直接辐射的大小主要是有太阳高度角和大气透明系数决定的。气透明系数决定的。l直接辐射随太阳高度角的增大而增加。l直接辐射随着大气透明系数的改变而改变，当大气中的水汽、杂质等含量愈多时，太阳辐射被削弱的愈多。一、到达地面的太阳直接辐一、到达地面的太阳直接辐射射l太阳直接辐射的变化：直接辐射有显著的日变化。直接辐射有显著的日变化。l正午最大，午后小于午前，最小值是日出日落时刻。直接辐射也有显著的年变化，这种变化主要决定于太阳高度角的年直接辐射也有显著的年变化，这种变化主要决定于太阳高度角的年变化。变化。l夏季最大，冬季最小。l直接辐射的月平均值的最大值出现在春未夏初的季节。直接辐射还随纬度而改变。直接辐射还随纬度而改变。l冬半年北半球随纬度增高而减少。l夏半年，随纬度增高而增长，但因太阳高度角较小直接辐射量仍然不大，全年直接辐射的最大值出现在北回归线附近。二、到达地表的太阳散射辐二、到达地表的太阳散射辐射射 l由于大气的存在，到达地表的辐射随太阳直接辐射外，还有从天空各方向散射而来的大阳散射辐射。散射辐射来自整个半球天空，又称天空辐射。l天空辐射的大小取决于太阳高度角、大气透明系数、云量、海拔高度，并受地面反射率影响，其变化范围较大。l散射辐射一般比直接辐射弱，但有时散射辐射会大于直接辐射。例如在高纬度地区，散射辐射甚至比直接辐射大几倍，一般在中纬度，散射辐射只有直接辐射的3590%。三、地面总辐射三、地面总辐射 l地面总辐射 到达地表的太阳直接辐射与散射辐射之和称为地到达地表的太阳直接辐射与散射辐射之和称为地面总辐射面总辐射 一年之内，总辐射在夏季最大，冬季最小。一年之内，总辐射在夏季最大，冬季最小。总辐射的纬度分布，一般是纬度愈低，总辐射愈大。总辐射的纬度分布，一般是纬度愈低，总辐射愈大。三、地面总辐射三、地面总辐射l一个地区总辐射的日总量和年总量，即一一个地区总辐射的日总量和年总量，即一日或一年之内收受辐射能量的总值，是形日或一年之内收受辐射能量的总值，是形在一地区气候条件的基本因素。在一地区气候条件的基本因素。总辐射的年变化情况和太阳直接辐射的年变化基本一致，中高总辐射的年变化情况和太阳直接辐射的年变化基本一致，中高纬度地区最大值出现在夏季月份，最小值出现在冬季月份；赤纬度地区最大值出现在夏季月份，最小值出现在冬季月份；赤道地区，一年中有两个最大值分别出现在春分和秋分，如图道地区，一年中有两个最大值分别出现在春分和秋分，如图2.18所示。所示。总辐射的日总量随纬度的分布，一般是由高纬向低纬增加，如总辐射的日总量随纬度的分布，一般是由高纬向低纬增加，如图图2.19所示所示。第四节、到达地面的太阳辐射第四节、到达地面的太阳辐射l地面反射的太阳辐射到达地面太阳辐射，大部分被吸收，小部分被反射到达地面太阳辐射，大部分被吸收，小部分被反射深色土壤比浅色土壤的反射率小深色土壤比浅色土壤的反射率小潮湿土壤比干燥土壤的反射率小潮湿土壤比干燥土壤的反射率小粗糙表面比光滑表面的反射率小粗糙表面比光滑表面的反射率小陈雪比新雪的反射率小陈雪比新雪的反射率小水面平均反射率比陆面平均反射率小水面平均反射率比陆面平均反射率小地球表面的平均反射率为地球表面的平均反射率为5%第四节、到达地面的太阳辐射第四节、到达地面的太阳辐射l地面反射的太阳辐射太阳辐射光谱太阳辐射光谱l定义太阳辐射能随波长的分布太阳辐射能随波长的分布曲线称为太阳辐射光谱。曲线称为太阳辐射光谱。紫外区紫外区(760nm)占占43%l有热效应可见光区最大，占可见光区最大，占50%l有光效应太阳辐射光谱太阳辐射光谱l太阳直接辐射太阳辐射光谱太阳辐射光谱l太阳直接辐射太阳辐射光谱太阳辐射光谱l天空散射辐射太阳辐射光谱太阳辐射光谱l太阳总辐射的变化特点总辐射为直接辐射和散射辐射之和，一般而言，直接总辐射为直接辐射和散射辐射之和，一般而言，直接辐射是总辐射的主要部份；辐射是总辐射的主要部份；日出前只有散射辐射，日出后直接辐射和散射辐射会日出前只有散射辐射，日出后直接辐射和散射辐射会同时增加，但直接辐射增加的较快，同时增加，但直接辐射增加的较快，h为为8度时相等；度时相等；有云时，由于占总辐射的比例不同，直接辐射的减少有云时，由于占总辐射的比例不同，直接辐射的减少比散射辐射的增强要多一些，因此总辐射仍然会减少。比散射辐射的增强要多一些，因此总辐射仍然会减少。第五节第五节 地球辐射地球辐射l一、地面、云和大气的长波辐射l二、大气对长波辐射的吸收l三、地面有效辐射l四、长波射出辐射l引言：地面能吸收太阳短波辐射，同时按其本身的温度不断向外放地面能吸收太阳短波辐射，同时按其本身的温度不断向外放射长波辐射。射长波辐射。大气对太阳短波辐射吸收很少，但对地面的长波辐射却能强大气对太阳短波辐射吸收很少，但对地面的长波辐射却能强烈吸收。烈吸收。大气也按其本身的温度向外放射长波辐射，地面和大气之间大气也按其本身的温度向外放射长波辐射，地面和大气之间以及气层和气层之间相互交换热量，并将热量向宇宙空间散以及气层和气层之间相互交换热量，并将热量向宇宙空间散发。发。地球大气系统包括地面、各种气体分子以及云和气溶胶。地球大气系统包括地面、各种气体分子以及云和气溶胶。地球大气系统所处的温度为地球大气系统所处的温度为200200300K300K，其辐射能量主要，其辐射能量主要集中在集中在4 4120um120um之间，常称为长波辐射或地球辐射。之间，常称为长波辐射或地球辐射。一、地面辐射一、地面辐射 l由于地面对于长波辐射的吸收率接近于1，所以，可以将其近似地视为灰体。l根据基尔霍夫定律和斯蒂芬玻尔兹曼定律：l地面辐射通量密度主要取决于地面温度。FE=T 4二、云的辐射二、云的辐射l云对太阳辐射的作用主要是散射，还有反射。l对于红外辐射，一定厚度的云可简单地当作黑体看待。l云底构成对来自地面和低层大气向上辐射的吸收表面，云顶则构成另一表面，该表面通过大气窗区向太空放射辐射能。三、大气辐射三、大气辐射 l大气对太阳辐射的直接吸收很小，它主要是通过吸收地面红外辐射而维持其温度的，据估计，它能吸收地面辐射的7595%，而吸收这些辐射的又几乎全是贴近地面及4050m厚的气层。l大气中吸收红外辐射主要是水汽和液态水，此外还有一些微量气体，如 O3、CO2 等。l大气辐射的强弱解决定于大气温度，又决定于大气湿度和云况。大气辐射的强弱解决定于大气温度，又决定于大气湿度和云况。l大气逆辐射大气辐射一部分向上进入太空，一部分向下到达地面，向下到达地面的大气辐射大气辐射一部分向上进入太空，一部分向下到达地面，向下到达地面的大气辐射称为大气逆辐射称为大气逆辐射 三、大气辐射三、大气辐射l大气温室效应：大气对太阳辐射吸收很小，结果让大量的太阳辐射大气对太阳辐射吸收很小，结果让大量的太阳辐射透过大气到达地面，而大气又强烈地吸收地面红外透过大气到达地面，而大气又强烈地吸收地面红外辐射而增热，并以大气逆辐射的方式返回一部分给辐射而增热，并以大气逆辐射的方式返回一部分给地面，使得地面不致失热过多，大气的这种作用犹地面，使得地面不致失热过多，大气的这种作用犹如花房的保暖作用，所以称为大气温室效应，也称如花房的保暖作用，所以称为大气温室效应，也称大气效应。大气效应。二、大气对长波辐射的吸收二、大气对长波辐射的吸收对吸收起重要作用的是水汽、二氧化碳、臭氧对吸收起重要作用的是水汽、二氧化碳、臭氧812微米的波段，称为微米的波段，称为“大气窗口大气窗口”二、大气对长波辐射的吸收二、大气对长波辐射的吸收l大气长波辐射与太阳辐射的比较太阳是平行光定向辐射、地面和大气是散射辐射太阳是平行光定向辐射、地面和大气是散射辐射研究太阳辐射传播时，仅考虑大气减弱作用，没考虑研究太阳辐射传播时，仅考虑大气减弱作用，没考虑大气本身的辐射影响；但研究长波辐射传播时，必须大气本身的辐射影响；但研究长波辐射传播时，必须考虑大气的吸收和辐射（为什么？）考虑大气的吸收和辐射（为什么？）长波辐射在大气中传播时可以不考虑散射辐射作用长波辐射在大气中传播时可以不考虑散射辐射作用大气对长波辐射的吸收比其对太阳辐射的吸收大得多大气对长波辐射的吸收比其对太阳辐射的吸收大得多二、大气对长波辐射的吸收二、大气对长波辐射的吸收l大气逆辐射大气辐射指向地面的部分称为大气逆辐射大气辐射指向地面的部分称为大气逆辐射l大气保温效应l太阳短波辐射可通过大气到达地面（易进）l地面长波辐射绝大部份被大气吸收（难出）l大气的逆辐射使地面温度有所升高（保温）以上特性就称为大气保温效应以上特性就称为大气保温效应理论计算地面温度为理论计算地面温度为-23，但实际为，但实际为15 三、地面有效辐射三、地面有效辐射l地面发射辐射与吸收辐射之差值正值表示地表失去热量正值表示地表失去热量l常常如此，因地面温度常高于大气温度影响因子有地面温度、空气温度、空气湿度和云况影响因子有地面温度、空气温度、空气湿度和云况l在湿热天气时，比干冷时要小l在有云覆盖时，比晴朗时要小l在空气混浊时，比干洁时要小l在夜间风大时，比无风时要小l在海拨较低时，比较高时要小l在植物覆盖时，比裸露时要小l在逆温存在时，比正常时要小有效辐射有效辐射 l地面有效辐射是指地面辐射和地面所吸收的大气逆辐射之差。l地面有效辐射就是地面辐射和地面所吸收的大气逆辐射之间的差值。通常，地面温度高于大气温度，所以地面辐射要比大气逆辐射强。l地面有效辐射的大小主要决定于下垫面温度、空气温度、湿度和云况，在其它条件不变的情况下，
