(AP05)太阳辐射传输--大气物理学课件.ppt

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1、第五章地面和大气中的辐射过程5.4 5.4 太阳辐射在地球大气中的传输太阳辐射在地球大气中的传输重点：重点：太阳辐射光谱、太阳常数、大气上界辐射能分布。太阳辐射光谱、太阳常数、大气上界辐射能分布。太阳辐射在地气系统中的传输。太阳辐射在地气系统中的传输。5.4.1 太阳和太阳辐射粗略估计，太阳向地球输送的热能大约是250亿亿卡/分钟，相当于燃烧4亿吨烟煤所产生的能量。4地球从月球等其它天体所得的辐射能，仅为太阳的亿分之一；4来自宇宙的辐射能也仅为太阳辐射能的20亿分之一；4从地球内部传到地面的热量，全年才为5.4卡/平方厘米，仅为来自太阳辐射能的万分之一。5.4.1 太阳和太阳辐射地球和大气最主

2、要的能量来源是太阳辐射。要了解大气各层以及地面取得的太阳辐射能的规律，需要首先知道作为辐射源的太阳进入大气的辐射能谱分布以及地球和大气的吸收特性。5.4.1 太阳和太阳辐射这是太阳在紫外线这是太阳在紫外线波段的照片波段的照片(1996)(ESA/NASA)(1996)(ESA/NASA)太阳极紫外辐射图象日珥日珥_1979_1979年年1212月月1919日日NASANASA拍拍,它跨越太阳表面它跨越太阳表面588,000588,000千米千米19941994年发生的日全食，照片摄于智利。图中可见因月球表面折射产生的贝丽珠。年发生的日全食，照片摄于智利。图中可见因月球表面折射产生的贝丽珠。太阳

3、的X射线图片5.4.1 太阳和太阳辐射太阳剖面日冕及其微细结构5.4.1 太阳和太阳辐射太阳黑子 太阳辐射谱的观测关心3个问题：(1)大气外界太阳辐射的谱分布；(2)总谱能量或太阳常数；(3)太阳辐射随时间的变化。2.大气外界太阳光谱及太阳常数观测简史观测简史4在在2020世纪初即已开始，地面测量；世纪初即已开始，地面测量；45050年代利用火箭观测了太阳的紫外辐射；年代利用火箭观测了太阳的紫外辐射；46060年代利用飞机和高空气球对太阳辐射谱作年代利用飞机和高空气球对太阳辐射谱作了仔细的观测研究；了仔细的观测研究；47070年代又利用火箭和卫星以及新的主动腔体年代又利用火箭和卫星以及新的主动

4、腔体辐射表观测了太阳辐射的总谱能量。辐射表观测了太阳辐射的总谱能量。气象学领域，除了天气预报这项永恒的主题外，没有哪一项工作，能象太阳常数测定那样应用了从高空气球、飞机、火箭到卫星和航天器等如此众多的现代高科技手段。2.大气外界太阳光谱及太阳常数观测简史观测简史目前，在高山上进行的长期测量，仍是测算大气外界目前，在高山上进行的长期测量，仍是测算大气外界太阳辐射光谱的主要手段。借助高空观测弥补紫外和太阳辐射光谱的主要手段。借助高空观测弥补紫外和红外波段的测量。红外波段的测量。2.大气外界太阳光谱及太阳常数2.大气外界太阳光谱及太阳常数 美国斯密逊天体物理美国斯密逊天体物理观象台观象台The Sm

5、ithsonian The Smithsonian Astrophysical Astrophysical Observatory(SAO)Observatory(SAO)太阳辐射谱标准太阳辐射谱标准NASANASA标准：标准：7070年代初，美宇航局用飞机测量，年代初，美宇航局用飞机测量，给出大气上界太阳辐射谱分布，辐照度给出大气上界太阳辐射谱分布，辐照度(即太即太阳常数阳常数)为为1353 Wm1353 Wm-2-2 。WRCWRC标准：瑞士达佛斯的世界辐射中心给出的标准：瑞士达佛斯的世界辐射中心给出的大气上界太阳谱分布，辐照度大气上界太阳谱分布，辐照度(即太阳常数即太阳常数)为为1367

6、 Wm-2 1367 Wm-2。WMOWMO仪器与观测方法委员会仪器与观测方法委员会19811981年年1010月决定采月决定采用用WRCWRC标准。标准。2.大气外界太阳光谱及太阳常数太阳常数太阳常数在大气上界日地平均距离处，通过与太阳光在大气上界日地平均距离处，通过与太阳光线垂直的单位面积上的太阳辐射总辐射通量线垂直的单位面积上的太阳辐射总辐射通量密度密度(包括所有波长包括所有波长)2.大气外界太阳光谱及太阳常数Average Solar Radiation on a Sphere太阳常数：太阳积分辐射通量密度太阳常数：太阳积分辐射通量密度2.大气外界太阳光谱及太阳常数太阳常数的变化太阳常

7、数的变化2.大气外界太阳光谱及太阳常数19911994Sunspot numberLean et al 1995Lockwood and Stamper(1999)Hoyt ans Schatten(1993)Plot from IPCC TARSolanki and Fligge 19982.大气外界太阳光谱及太阳常数太阳常数的变化太阳常数的变化1.太阳的位置和时间5.4.2 地球大气上界的太阳辐射能7月（极昼）北阿拉斯加午夜前后的太阳 季節與太陽輻射左圖,地球繞日的橢圓軌道，地球在1月比7月靠近太陽。地球的季節主要受太陽輻射變動的影響,影響太陽輻射強度的因素主要為日照角度和日照時間.太陽光

8、斜射時,所照射面積較直射大,但能量強度較小.Sun-Earth relationship夏季太阳直射北半球，夏季太阳直射北半球，日射必日射必须经过较厚的大气才能到达较须经过较厚的大气才能到达较高纬度地区高纬度地区(光程光程)。地球自转轴和绕日轨道有地球自转轴和绕日轨道有23.5度的夹角，度的夹角，6月北月北半球较倾向太阳，接收较多的日射，白天较长，半球较倾向太阳，接收较多的日射，白天较长，故天气较暖，十二月则相反。故天气较暖，十二月则相反。Variability due to orbitLiou Figures 2.5F(t)=S(ro/r)2 cos qoro=mean distanceqo

9、=solar zenith angleEccentricity,e=0.017Major axis ro(1+e)Minor axis ro(1-e)Variation=(1+e)/(1-e)2 7%Solar zenith anglecos qo=sin y sin d+cos y cos d cos hWherey=latituded=solar declinationh=hour angleSolar noon,h=0Each hour h=+15 degrees K.N.Liou,大气辐射导论（第二版）大气辐射导论（第二版）Fig 2.6.太阳天顶角太阳天顶角theta0与纬度与纬度p

10、hi、太阳赤纬、太阳赤纬delta以及时角以及时角h的关系的关系（P和和D分别是观测点及日下点）分别是观测点及日下点）入射到大气上界水平面上的太阳辐照度入射到大气上界水平面上的太阳辐照度2.水平面上太阳辐射通量的计算大气上界太阳辐射的日总量大气上界太阳辐射的日总量取取T T=86400 =86400 秒，太阳常数单位为秒，太阳常数单位为 W m W m-2-2 ，Q Qd d 单位为单位为JmJm-2-2d d-1-1。2.水平面上太阳辐射通量的计算大气上界太阳辐大气上界太阳辐射日总量射日总量Q Qd d 随纬度的变化是随纬度的变化是决定地球上各纬度决定地球上各纬度间气候差异的基本间气候差异的

11、基本因素。因素。S S0 0 的日变化与的日变化与Q Qd d 的年变化，使得气的年变化，使得气温也具有日变化与温也具有日变化与年变化。年变化。气温并非简单地取气温并非简单地取决于决于S S0 0 和和Q Qd d 2.水平面上太阳辐射通量的计算由于太阳离地球较远，在地面上观测到太阳的视角仅为0.5，因此太阳直接辐射可以认为是一种平行光辐射。由于大气中的各种气体成份会吸收和散射部分太阳辐射的能量，造成了太阳直接辐射的衰减(也称削弱、消光)。5.4.3 太阳的直接辐射太阳辐射在大气中的吸收和散射示意图太阳辐射在大气中的吸收和散射示意图5.4.3 太阳的直接辐射5.4.3 太阳的直接辐射平均而言平

12、均而言，每年入射地球的太阳辐射约，每年入射地球的太阳辐射约30%由地球和大气反射和散射回太空（地球由地球和大气反射和散射回太空（地球行星反照率行星反照率0.3），），19%被大气选择性吸收，被大气选择性吸收，51%被地表吸收。被地表吸收。5.4.3 太阳的直接辐射假设：各吸收、散射过程相互独立假设：各吸收、散射过程相互独立衰减系数：衰减系数：kl,R 为气体分子散射所引起的衰减，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（主要是为其它均匀混合气体分子

13、（主要是O2和和CO2）吸收所引起的衰减。吸收所引起的衰减。1.地面太阳直接辐射衰减系数：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均匀混合气体相对大气质量平面平行无折射均质大气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均匀混合气体相对大气质量有折射地球非均质大气有折射地球非均质大气Kasten经验公式经验公式WMO推荐推荐2.相对大气质量 水汽和臭氧的相对大气质量水汽和臭氧的相对大气质量 由于水

14、汽和臭氧厚度不易准确确定，所以此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。二式计算误差较大，很少使用。由由Kasten公式代替，并不作气压订正。公式代替，并不作气压订正。2.相对大气质量总光学厚度总光学厚度日光以天顶角日光以天顶角角倾斜入射角倾斜入射4空气分子散射空气分子散射4气溶胶粒子散射气溶胶粒子散射4臭氧吸收臭氧吸收4水汽吸收水汽吸收4均匀混合气体吸收均匀混合气体吸收3地面太阳直接辐射的简单模式（1）空气分子散射的光学厚度）空气分子散射的光学厚度由于空气折射指数也与波长有关，由于空气折射指数也与波长有关，Robinson(1966)将上式修正为将上式修正为3地面太

15、阳直接辐射的简单模式（2）气溶胶散射光学厚度）气溶胶散射光学厚度 安斯川姆安斯川姆(ngstrm，1964)提出下式计算整提出下式计算整层大气米散射的光学厚度层大气米散射的光学厚度 b 称为浑浊度系数，随大气中气溶胶总量而变称为浑浊度系数，随大气中气溶胶总量而变 称为波长指数，平均半径越小，称为波长指数，平均半径越小，43地面太阳直接辐射的简单模式（2）气溶胶散射光学厚度）气溶胶散射光学厚度FY-1C3地面太阳直接辐射的简单模式（3）臭氧吸收光学厚度）臭氧吸收光学厚度 式中式中uO 为臭氧总量（为臭氧总量（m），），mO 为臭氧的大气为臭氧的大气质量数质量数 3地面太阳直接辐射的简单模式（4）

16、水汽吸收光学厚度）水汽吸收光学厚度Pv：可降水量，把单位面积空气柱中所有水汽：可降水量，把单位面积空气柱中所有水汽都凝结成液态水时所具有的厚度（上式用都凝结成液态水时所具有的厚度（上式用m）e为地面水汽压（为地面水汽压（hPa）;Pv：cm3地面太阳直接辐射的简单模式（4 4）水汽吸收光学厚度）水汽吸收光学厚度3.地面太阳直接辐射的简单模式（5）均匀混合气体吸收光学厚度）均匀混合气体吸收光学厚度3.地面太阳直接辐射的简单模式4.地面太阳直接辐射光谱4.地面太阳直接辐射光谱由公式由公式(5.4.20)，如果在一段时间，如果在一段时间 不变，则地面所不变，则地面所测太阳直接辐射光谱仅随测太阳直接辐

17、射光谱仅随m 变化变化长法需较长时间进行观测，保证长法需较长时间进行观测，保证m有相当大的变化范围有相当大的变化范围天气条件；紫外、红外观测不全，需补足天气条件；紫外、红外观测不全，需补足5大气上界太阳光谱的地面测量无论是晴朗无云或全天是云的白昼，天空总无论是晴朗无云或全天是云的白昼，天空总是明亮的。这些光是空气分子和大气气溶胶是明亮的。这些光是空气分子和大气气溶胶颗粒散射太阳辐射的结果。颗粒散射太阳辐射的结果。5.4.4 天空的散射辐射1.空气分子散射空气分子散射5.4.4 天空的散射辐射2.气溶胶颗粒的散射气溶胶颗粒的散射瑞利散射总存在，米散射因大气颗粒物而存瑞利散射总存在，米散射因大气颗

18、粒物而存在瑞利散射与波长四次方成反比，米散射光在瑞利散射与波长四次方成反比，米散射光谱接近入射辐射。谱接近入射辐射。当散射过程以米散射为主时，在太阳周围的当散射过程以米散射为主时，在太阳周围的天空表现出很强的散射光强，称为日周光。天空表现出很强的散射光强，称为日周光。5.4.4 天空的散射辐射3.阳伞效应阳伞效应由于云和气溶胶（特别是由于云和气溶胶（特别是火山灰）对太阳辐射的强火山灰）对太阳辐射的强散射作用，导致到达地面散射作用，导致到达地面的太阳辐射能减少，称为的太阳辐射能减少，称为阳伞效应或反射效应。阳伞效应或反射效应。5.4.4 天空的散射辐射在地球在地球大气系统对太阳辐射的吸收中大气系

19、统对太阳辐射的吸收中,大大气的吸收只占气的吸收只占20%，地球表面吸收了约，地球表面吸收了约50%5.4.5地面对太阳辐射的反射和吸收1 地面反照率地面反照率5.4.5地面对太阳辐射的反射和吸收1 地面反照率地面反照率应用：植被指数（应用：植被指数（NDVI）在在NOAA气象卫星上利用二个通道，分别测气象卫星上利用二个通道，分别测量可见光通道（例如量可见光通道（例如0.580.68m）和近红外和近红外通道（例如通道（例如0.71.1m）波段的地面反照率波段的地面反照率NDVI=(Ch2 Ch1)/(Ch2+Ch1)当植被生长茂盛，植被指数值就较大当植被生长茂盛，植被指数值就较大5.4.5地面对

20、太阳辐射的反射和吸收5.4.5地面对太阳辐射的反射和吸收2 云的反照率云的反照率云的反照率既依赖于云的厚度、相态和含水量等云的宏微观特云的反照率既依赖于云的厚度、相态和含水量等云的宏微观特性，而且和太阳高度角和下垫面反照率有关性，而且和太阳高度角和下垫面反照率有关5.4.5地面对太阳辐射的反射和吸收2 云的反照率云的反照率5.4.5地面对太阳辐射的反射和吸收3.行星反照率行星反照率地球地球-大气系统的反照率称为行星反照率，它大气系统的反照率称为行星反照率，它表示射入地球的太阳辐射被大气、云及地面表示射入地球的太阳辐射被大气、云及地面反射回宇宙空间的总百分数。反射回宇宙空间的总百分数。4地区行星反照率地区行星反照率4全球行星反照率全球行星反照率5.4.5地面对太阳辐射的反射和吸收3.行星反照率行星反照率目前认为全球的行星反照率数值可取目前认为全球的行星反照率数值可取0.30。地球表面的反照率地球表面的反照率 云反照率云反照率 大气的后向散射作用。大气的后向散射作用。5.4.5地面对太阳辐射的反射和吸收习题P120习题10习题11