地面和大气的辐射.ppt

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1、气象学与气候学气象学与气候学大气科学学院大气科学学院2009年9月12.2 地面辐射与大气辐射地面辐射与大气辐射一、地面、大气的辐射和地面有效辐射一、地面、大气的辐射和地面有效辐射二、地面及地气系统辐射差额二、地面及地气系统辐射差额2下垫面下垫面大气的直接热源大气的直接热源l大气吸收太阳直接辐射很少，下垫面（水、大气吸收太阳直接辐射很少，下垫面（水、陆、植被等地球表面）却能大量吸收太阳陆、植被等地球表面）却能大量吸收太阳辐射，并供给大气。辐射，并供给大气。l在研究大气热状况时，须了解地面和大气在研究大气热状况时，须了解地面和大气之间交换热量的方式及地之间交换热量的方式及地-气系统的辐射差气系统

2、的辐射差额。额。3l大气对大气对太阳太阳短波辐射吸收很少短波辐射吸收很少，但，但对对地面的地面的长波辐射长波辐射却却能能强烈吸收强烈吸收。l通过长波辐射，通过长波辐射，地地气气之间，以及大气中之间，以及大气中气气气气之间，之间，相互交换热量，并相互交换热量，并也将热量向宇宙空间散发也将热量向宇宙空间散发。一、地面、大气的辐射和地面有效辐射一、地面、大气的辐射和地面有效辐射4（一）地面和大气辐射的表示（一）地面和大气辐射的表示 l地面和大气不是绝对黑体地面和大气不是绝对黑体lEg=T4（地面的辐射能力），（地面的辐射能力），地面相对辐射率地面相对辐射率lEa=T4(大气的辐射能力大气的辐射能力)

3、，大气相对辐射率大气相对辐射率5长波辐射长波辐射 当地面温度为当地面温度为15C时，根据维恩定理：时，根据维恩定理：定义：定义：地表面的实际平均温度约为地表面的实际平均温度约为地表面的实际平均温度约为地表面的实际平均温度约为300K,300K,对流层大气对流层大气对流层大气对流层大气的平均温度约为的平均温度约为的平均温度约为的平均温度约为250K250K。在这样的温度条件下。在这样的温度条件下。在这样的温度条件下。在这样的温度条件下,地面和地面和地面和地面和大气的辐射能主要集中在大气的辐射能主要集中在大气的辐射能主要集中在大气的辐射能主要集中在31203120微米的波长范围内微米的波长范围内微

4、米的波长范围内微米的波长范围内,均均均均为肉眼所不能看见的红外辐射。为肉眼所不能看见的红外辐射。为肉眼所不能看见的红外辐射。为肉眼所不能看见的红外辐射。这比太阳辐射的波长这比太阳辐射的波长这比太阳辐射的波长这比太阳辐射的波长(0.154(0.154微米微米微米微米)要长得多。因此要长得多。因此要长得多。因此要长得多。因此,气象学上把地面和大气的辐射称为长波辐射。气象学上把地面和大气的辐射称为长波辐射。气象学上把地面和大气的辐射称为长波辐射。气象学上把地面和大气的辐射称为长波辐射。6（二）地面和大气长波辐射的特点（二）地面和大气长波辐射的特点l大气中大气中对长波辐射的吸收对长波辐射的吸收起重要作

5、用的成分有起重要作用的成分有水汽、液水汽、液态水、二氧化碳和臭氧态水、二氧化碳和臭氧等。它们对长波辐射的吸收同样等。它们对长波辐射的吸收同样具有选择性。具有选择性。1.大气对长波辐射的吸收大气对长波辐射的吸收 79.6m9.6m附近狭窄的臭氧吸附近狭窄的臭氧吸附近狭窄的臭氧吸附近狭窄的臭氧吸收带收带收带收带 地面放射的地面放射的地面放射的地面放射的14m14m以上的远红外以上的远红外以上的远红外以上的远红外辐射，几乎能全部吸收，故此辐射，几乎能全部吸收，故此辐射，几乎能全部吸收，故此辐射，几乎能全部吸收，故此带可以看成近于黑体带可以看成近于黑体带可以看成近于黑体带可以看成近于黑体 大气窗口8大

6、气窗口:是指太阳辐射通过大气层未被反射、吸收和散射的那些透射率高的光辐射波段范围。9 大气窗口主要有：大气窗口主要有：0.30.31.3m1.3m，即紫外、可见光、近红外波段。，即紫外、可见光、近红外波段。，即紫外、可见光、近红外波段。，即紫外、可见光、近红外波段。这一波段是摄影成像的最佳波段，也是许多卫星传感这一波段是摄影成像的最佳波段，也是许多卫星传感这一波段是摄影成像的最佳波段，也是许多卫星传感这一波段是摄影成像的最佳波段，也是许多卫星传感器扫描成像的常用波段。比如，器扫描成像的常用波段。比如，器扫描成像的常用波段。比如，器扫描成像的常用波段。比如，LandsatLandsat卫星的卫星

7、的卫星的卫星的TMTM的的的的 1 14 4波段，波段，波段，波段，SPOTSPOT卫星的卫星的卫星的卫星的HRVHRV波段等。波段等。波段等。波段等。1.51.51.8m1.8m，2.02.03.5m3.5m，即近、中红外波段。，即近、中红外波段。，即近、中红外波段。，即近、中红外波段。在白天日照条件好的时候扫描成像常用这些波段，比在白天日照条件好的时候扫描成像常用这些波段，比在白天日照条件好的时候扫描成像常用这些波段，比在白天日照条件好的时候扫描成像常用这些波段，比如如如如TMTM的的的的5 5、7 7波段等用以探测植物含水量以及云、雪或波段等用以探测植物含水量以及云、雪或波段等用以探测植

8、物含水量以及云、雪或波段等用以探测植物含水量以及云、雪或用于地质制图等。用于地质制图等。用于地质制图等。用于地质制图等。10 大气窗口主要有：大气窗口主要有：3.53.55.5m5.5m，即中红外波段，物体的热辐射较强。，即中红外波段，物体的热辐射较强。，即中红外波段，物体的热辐射较强。，即中红外波段，物体的热辐射较强。这一区间除了地面物体反射光谱反射太阳辐射外，地这一区间除了地面物体反射光谱反射太阳辐射外，地这一区间除了地面物体反射光谱反射太阳辐射外，地这一区间除了地面物体反射光谱反射太阳辐射外，地面物体也有自身的发射能量。比如，面物体也有自身的发射能量。比如，面物体也有自身的发射能量。比如

9、，面物体也有自身的发射能量。比如，NOAANOAA卫星的卫星的卫星的卫星的AVHRRAVHRR传感器用传感器用传感器用传感器用3.553.553.93m3.93m探测海面温度，获得昼夜探测海面温度，获得昼夜探测海面温度，获得昼夜探测海面温度，获得昼夜云图。云图。云图。云图。11 大气窗口主要有：大气窗口主要有：8 814m14m，即远红外波段。，即远红外波段。，即远红外波段。，即远红外波段。主要来自物体热辐射的能量，适于夜间成像，测量主要来自物体热辐射的能量，适于夜间成像，测量主要来自物体热辐射的能量，适于夜间成像，测量主要来自物体热辐射的能量，适于夜间成像，测量探测目标的地物温度。探测目标的

10、地物温度。探测目标的地物温度。探测目标的地物温度。0.80.82.5cm2.5cm，即微波波段，由于微波穿云透雾的能力。，即微波波段，由于微波穿云透雾的能力。，即微波波段，由于微波穿云透雾的能力。，即微波波段，由于微波穿云透雾的能力。这一区间可以全天候工作。而且由其他窗口区间的被这一区间可以全天候工作。而且由其他窗口区间的被这一区间可以全天候工作。而且由其他窗口区间的被这一区间可以全天候工作。而且由其他窗口区间的被动遥感工作方式过渡到主动遥感的工作方式。如侧视雷动遥感工作方式过渡到主动遥感的工作方式。如侧视雷动遥感工作方式过渡到主动遥感的工作方式。如侧视雷动遥感工作方式过渡到主动遥感的工作方式

11、。如侧视雷达影像，达影像，达影像，达影像，RadarsatRadarsat的卫星雷达影像等。其常用的波段为的卫星雷达影像等。其常用的波段为的卫星雷达影像等。其常用的波段为的卫星雷达影像等。其常用的波段为 0.8cm0.8cm，3crn3crn，5cm5cm，10cm10cm，有时也可将该窗口扩展为，有时也可将该窗口扩展为，有时也可将该窗口扩展为，有时也可将该窗口扩展为0.05cm0.05cm至至至至300cm300cm波段。波段。波段。波段。122.大气中长波辐射的特点大气中长波辐射的特点l长波辐射在大气中的传输过程与太阳辐射的传输有很大不同。长波辐射在大气中的传输过程与太阳辐射的传输有很大不

12、同。l第一：第一：太阳辐射太阳辐射中的直接辐射是作为中的直接辐射是作为定向的平行辐射进入大气。定向的平行辐射进入大气。地面和大气辐射是漫射辐射地面和大气辐射是漫射辐射。l第二：第二：太阳辐射太阳辐射在大气中传播时，在大气中传播时，仅考虑大气对太阳辐射的削弱作用仅考虑大气对太阳辐射的削弱作用，而未，而未考虑大气本身的辐射的影响。这是因为大气产生的短波辐射是极其微考虑大气本身的辐射的影响。这是因为大气产生的短波辐射是极其微弱的。弱的。长波辐射在大气中的传播时，不仅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要考虑大气对长波辐射的吸收，而且，而且还要考虑大气本身的长波辐射还要考虑大气本身

13、的长波辐射。l第三：第三：l大气对太阳辐射有散射作用大气对太阳辐射有散射作用长波辐射在大气中传播时，可以不考虑散射作用。长波辐射在大气中传播时，可以不考虑散射作用。这是由于大气中气这是由于大气中气体分子和尘粒的尺度比长波辐射的波长要小得多，散射作用非常微弱。体分子和尘粒的尺度比长波辐射的波长要小得多，散射作用非常微弱。13（三）大气逆辐射和地面有效辐射（三）大气逆辐射和地面有效辐射1.大气逆辐射和大气保温效应l大气辐射大气辐射指向地面的部分指向地面的部分称为称为大气逆辐射大气逆辐射。l大气逆辐射使地面因放射辐射而损耗的能量得到一定的大气逆辐射使地面因放射辐射而损耗的能量得到一定的补偿，由此可看

14、出大气对地面有一种保暖作用，这种作补偿，由此可看出大气对地面有一种保暖作用，这种作用称为大气的保温效应。用称为大气的保温效应。14巴山夜雨巴山夜雨唐李商隐君问归期未有期，君问归期未有期，巴山夜雨涨秋池。巴山夜雨涨秋池。何当共剪西窗烛，何当共剪西窗烛，却话巴山夜雨时。却话巴山夜雨时。15其中之一的原因是：西南山地潮湿多云。夜间，密云蔽空，云层和地面之间，进行着多次的吸收、辐射、再吸收、再辐射的热量交换过程，因此云层对地面有保暖作用，也使得夜间云层下部的温度不至于降得过低；夜间，在云层的上部，由于云体本身的辐射散热作用，使云层上部温度偏低。这样，在云层的上部和下部之间便形成了温差，大气层结构趋向不

15、稳定，偏暖湿的空气上升形成降雨。16大气逆辐射和保温效应大气逆辐射和保温效应太太阳阳辐辐射射地地面面吸吸收收太太阳阳辐辐射射大气吸收大气吸收大气吸收大气吸收地面增温地面增温地面增温地面增温地地面面吸吸收收大大气气逆逆辐辐射射大气辐射大气辐射大气辐射大气辐射大气吸收大气吸收大气吸收大气吸收地面保温地面保温地面保温地面保温 地面辐射地面辐射地地地地 面面面面宇宙吸收宇宙吸收宇宙吸收宇宙吸收大气上界大气上界大气上界大气上界地地地地面面面面降降降降温温温温17大气逆辐射的作用：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，因此其对其值的大小，决定了地表得到热能补偿的多少，因此其对其值的大

16、小，决定了地表得到热能补偿的多少，因此其对其值的大小，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。地面有保温作用。地面有保温作用。地面有保温作用。地球地球地球地球无大气：无大气：无大气：无大气：T=-23T=-23 有大气：有大气：有大气：有大气：T=15T=15月球月球月球月球白天：白天：白天：白天：T=127T=127 夜晚：夜晚：夜晚：夜晚：T=-183T=-183182.地面有效辐射l地面放射的辐射地面放射的辐射（Eg）与）与地面吸收的大气逆辐射地面吸收的大气逆辐射（Ea）之差，称为地面）之差，称为地面有效辐射有效辐射。以。以F0表示，则表示，则F0=Eg-Ea影响有效辐射的

17、主要因子有：地面温度，空气温度，空影响有效辐射的主要因子有：地面温度，空气温度，空影响有效辐射的主要因子有：地面温度，空气温度，空影响有效辐射的主要因子有：地面温度，空气温度，空气湿度和云况。气湿度和云况。气湿度和云况。气湿度和云况。19有效辐射的时间变化l有效辐射具有有效辐射具有明显的明显的日变化和年变化日变化和年变化。其日变化具有与温度。其日变化具有与温度日变化相似的特征。日变化相似的特征。l在白天，由于低层大气中在白天，由于低层大气中垂直温度梯度增大垂直温度梯度增大，所以，所以有效辐射有效辐射值也增大值也增大，中午，中午1214时达最大；时达最大；l而在夜间由于地面而在夜间由于地面辐射冷

18、却的缘故辐射冷却的缘故，有效辐射值也逐渐减小有效辐射值也逐渐减小，在清晨达到最小。当天空有云时，可以破坏有效辐射的日变在清晨达到最小。当天空有云时，可以破坏有效辐射的日变化规律。化规律。l有效辐射的年变化也与气温的年变化相似，有效辐射的年变化也与气温的年变化相似，夏季最大夏季最大，冬季冬季最小最小。20二、地面及地二、地面及地-气系统的辐射差额气系统的辐射差额 l辐射差额辐射差额=收入辐射收入辐射-支出辐射支出辐射21l地面由于吸收太阳总辐射和大气逆辐射而获得能量，同时又以其地面由于吸收太阳总辐射和大气逆辐射而获得能量，同时又以其本身的温度不断向外放出辐射而失去能量。本身的温度不断向外放出辐射

19、而失去能量。l某段时间内某段时间内单位面积单位面积地表面所吸收的总辐射地表面所吸收的总辐射和其和其有效辐射有效辐射之之差值差值，称为地面的辐射差额称为地面的辐射差额Rg（表示单位水平面积、单位时间的辐射（表示单位水平面积、单位时间的辐射差额）差额）lRg=（Q+q）（）（1-a）-F0l式中（式中（Q+q）是到达地面的太阳总辐射，即太阳直接辐射和散射）是到达地面的太阳总辐射，即太阳直接辐射和散射辐射之和；辐射之和；a为地面对总辐射的反射率；为地面对总辐射的反射率；F0为地面的有效辐射。为地面的有效辐射。（一）地面的辐射差额（一）地面的辐射差额（一）地面的辐射差额（一）地面的辐射差额22辐射差额

20、各分量的日变化辐射差额各分量的日变化辐射差额各分量的日变化辐射差额各分量的日变化 地地地地面面面面辐辐辐辐射射射射和和和和有有有有效效效效辐辐辐辐射射射射曲曲曲曲线线线线对对对对正正正正午午午午来来来来说说说说是是是是不不不不对对对对称称称称的的的的，因因因因为为为为地地地地表表表表最最最最高高高高温温温温度度度度出出出出现现现现在在在在1313时时时时左左左左右右右右 辐射辐射辐射辐射差额差额差额差额负值负值负值负值辐射差辐射差辐射差辐射差额正值额正值额正值额正值辐辐辐辐射射射射差差差差额额额额负负负负值值值值23地面辐射差额特点：时空分布地面辐射差额特点：时空分布（1 1）一天之中）一天之

21、中）一天之中）一天之中R Rg g的大小决定于太阳的总辐射。的大小决定于太阳的总辐射。的大小决定于太阳的总辐射。的大小决定于太阳的总辐射。（2 2）年变化特点：随纬度增加）年变化特点：随纬度增加）年变化特点：随纬度增加）年变化特点：随纬度增加R Rg g 00的时间就减少。的时间就减少。的时间就减少。的时间就减少。24（二）大气的辐射差额（二）大气的辐射差额大气的辐射差额：整层大气辐射差额（Ra）某一层大气辐射差额qa：整个大气层所吸收的太阳辐射F0：地面有效辐射F：大气上界有效辐射Ra=qa+F0-F25（二）大气的辐射差额（二）大气的辐射差额Ra=qa+F0-FlFF0，qaF-F0，Ra

22、是负值l大气要维持热平衡，还要靠地面以对流及潜热释放等来输送一部分热量给大气。26（三）地（三）地（三）地（三）地-气系统的辐射差额气系统的辐射差额气系统的辐射差额气系统的辐射差额l如果把地面和大气看作为一个整体，其辐射能的净收入为如果把地面和大气看作为一个整体，其辐射能的净收入为lRs=（Q+q）（）（1-a）+qa-FlQ+q是是到达地面的太阳总辐射到达地面的太阳总辐射lqa大气所吸收的太阳辐射大气所吸收的太阳辐射lF大气上界的有效辐射大气上界的有效辐射la为地面对总辐射的反射率为地面对总辐射的反射率l就个别地区来说，地气系统的辐射差额既可以为正，也可以为负。就个别地区来说，地气系统的辐射

23、差额既可以为正，也可以为负。l但就整个地气系统来说，这种辐射差额的多年平均应为零。因整但就整个地气系统来说，这种辐射差额的多年平均应为零。因整个个地球和大气的平均温度地球和大气的平均温度多年来是多年来是没有什么变化没有什么变化。27地地地地-气系统的辐气系统的辐气系统的辐气系统的辐射差额是正值射差额是正值射差额是正值射差额是正值 地地地地-气系气系气系气系统的辐统的辐统的辐统的辐射差额射差额射差额射差额是负值是负值是负值是负值 地地地地-气系气系气系气系统的辐统的辐统的辐统的辐射差额射差额射差额射差额是负值是负值是负值是负值 28地气系统辐射差额地气系统辐射差额结论：结论：结论：结论：由于地气系统辐射差额分布不均，使高低纬度受热不均，由于地气系统辐射差额分布不均，使高低纬度受热不均，由于地气系统辐射差额分布不均，使高低纬度受热不均，由于地气系统辐射差额分布不均，使高低纬度受热不均，引起气压分布不均，导致大气运动，使高低纬间有水平的热量引起气压分布不均，导致大气运动，使高低纬间有水平的热量引起气压分布不均，导致大气运动，使高低纬间有水平的热量引起气压分布不均，导致大气运动，使高低纬间有水平的热量输送，进而产生大气环流输送，进而产生大气环流输送，进而产生大气环流输送，进而产生大气环流 。29