大气物理学 第四章 地面和大气中的辐射过程.pdf

第四章地面和大气中的辐射过程1辐射的基本概念2辐射的物理规律3大气对辐射的吸收和散射4太阳辐射在地球大气中的传输5地球一大气系统的长波辐射6地面、大气及地气系统的辐射平衡大气辐射学大气运动的能量来源于太阳辐射，地面和大气中的辐射过程从大尺度开始控制了地球大气 系统的能量平衡，从而决定了地球气候的基本 特征。研究辐射能在地球-大气系统内传输和转换 的规律及其应用，属大气物理学的一个重要分 支。是天气学、气候学、动力气象学、应用气象 学、大气化学和大气遥感等学科的理论基础之33辐射平衡入射太阳辐射 反射太阳辐射100 6 20 416七，（）3 和灰尘的吸收气后向散射云反射射出红外幅射6 38 26放行的净辐射云放射感热通量潜热通量地面放射的 净红外辐射14H/LCOz吸收地面反射云吸收4学习、研究的意义 辐射能是地面和大气的基本能量来源，辐射是地气系统与宇宙空间能量交换的唯一方式 辐射传输规律是大气遥感的理论基础 数值天气预报中需要定量化考察大气辐射过程 气候问题一辐射强迫1辐射的基本概念电磁波61辐射的基本知识自然界一切物体都时刻不停地以电磁波的 形式向四周传递能量，同时也接收外界投射 来的电磁波，这种能量传递的方式称为辐射 O以这种方式传递的能量，称为辐射能，速 度即光速，UNITS：Wavelength units:LENGTH.Angstrom(A):1 A=IxlO10 m;Nanometer(mn):1 mn=1x109 ni;Micrometer(pm):1 pm=IxlO_6 m:71辐射的基本知识 赢波描述波长2 频率/波数V 波速C81辐射的基本知识例1：波长10|Lim对应的波数和频率?91辐射的基本知识A=10 pm=10 xl0-6 mco 3x10s m-s-1二 10 x10一=3X1013HZ1 i0 xW6m=1000 cm-1101辐射的基本知识不同波长的电磁波有不同的物理特性，因此可以 用波长来区分辐射，并给以不同的名称，称之 为电磁波谱。Wavelength Spectrumpm=micrometer(10*GmetJ61辐射的基本知识Y射线VX射线V紫外线V可见光V红外线（V微波）V无线电波太阳、地球和大气辐射的波长范围：0.1一120pm,即紫外、可见光和红外波X射线一曲线襁电波卜线Tr h=-缈卜线-10R6 10E 5 10E 4 10R3 10E 2 10E1 0 4 0.76 110E+1 1CE+2各种辐射的波长范3m)121辐射的基本知识不同电磁波的具体波长范围名称波长范围紫外线100埃 0.4微米1可见光0.4微米 0.76微米红外线近红外0.76微米 3.0微米中红外3.0微米 6.0微米远红外6.0微米*15微米超远红外15微米-1000微米微波毫米波1 10毫米厘米波1 10厘米分米波10厘米1米可见光波长范围色彩名称波长范围紫Q.40Q.43 微米蓝0.43 0.47 微米青0.47 0.50 微米绿0.5Q0.56 微米橙Q.595.62WK红0.62 0.76 微米13工辐射场物理量3,!Stefan-g 2Boltzmann Law 最大强度的波长I随温度增高而减J 2。小 oLfWien位移定律 二,0.5 1 0 1.5 2.0A(/m)斯蒂芬-玻尔兹曼定律黑体的积分辐出度FT与温度T的四次方成正比。FT=OT4(Q=5.6696X10-8 W m2 K-4)FT黑体的积分辐出度。一斯蒂芬玻尔兹曼常数，有效温度Te：将物体视作绝对黑体时计算出的温度。斯蒂芬玻尔兹曼定律黑体的积分辐射通量密度与温度的4次方成正比 由温度可以求出绝对黑体的积分辐射通量密度;反之，也可由积分辐射通量密度反求其温度,这就是用辐射方法测量物体温度的基础。将太阳视作绝对黑体而计算出的温度称为太阳 的有效温度，约为6000K,与太阳表面的实际 温度略有差异。如果不是绝对黑体，反演出的温度就会偏低。41维恩定律肌y黑体辐射光谱极大值对应的波长(Amax)与其本身温度(T)的乘积为一常数。maxb(b=2897.8um K)颜色温度：由光谱测定物体温度。008000Ewz(Y)n500 1000X nm1500200042维恩定律r黑体辐射最大单色通量密度与它的温度成反比4/=2897.8(2K)例如对6000 K黑体，2max=0.48 pirn（蓝色光）由辐射最强的波长也可以确定绝对黑体的温度，光谱方法测定物体温度的基础。由维恩位移定律求出的温度称为颜色温度或色 温。43普朗克定律斯蒂芬波尔兹曼（维恩（Wien 基尔霍夫定律前三个定律均是描述黑体-般物体44普朗克定律维恩位移定律 C斯蒂芬波尔兹曼定律基尔霍夫定彳小结:给出绝对黑体的分光辐出度与波长、温度的关系，从而绘出黑体辐射光谱曲线，而描述了曲线中辐射能力最强对应的波长与温度的关系,则描述了黑体积分辐射能力与温度的四次方成正比,把任何物体和绝对黑体联系起来。452.3太阳辐射与地球辐射的差别太阳近似为温度为6000K的黑体，地面近似温度为300K的黑体。46太阳辐射与地球辐射的差别 太阳近似为温度为6000K的黑体，地面近似温度为300K 的黑体。太阳辐射的能量集中在O.lpim至4.0Mn之间，地球大气辐 射的能量主要集中在4/11至120/11之间。太阳辐射为短波辐射，称地气辐射为长波辐射。短波和长 波辐射以401分界。473.1、大气对辐射的吸收3.2,大气对辐射的散射3.3.辐射能在介质中的传输493.1大气吸收的物理过程吸收：投射到介质上面的辐射能中的一部分被转变为物质本身的内能或其它形式的能量大气中有各种气体成分及气溶胶粒子分对辐射具有选择吸收的特性与是分子和原子结构及其所处运动状态决定的O50ElectronElectron gains potential energy and moves farther from nucleus.A photon of light is absorbed.Low potential energyHigh potential energyNE=h-fElectron loses potential energy and moves closer to nucleus.A photon of light is emitted.NucleusNucleus选择性吸收是指介质的分子被入射辐射激发，从低能级跃迁 到高能级，两个能级的差就是介质吸收的辐射能量。由于分 子能量的变化是不连续的，从而吸收的辐射须满足一定波长,也就是气体分子对辐射的吸收具有波长选择性。而辐射过程 正好相反。吸收系数单个粒子的吸收截面qy粒子所吸收的辐射通量相当于 面积Oab从入射辐射场中所截获的辐射通量。体积吸收系数：单位体积中各粒子吸收截面之和。kab=NabN：单位体积中吸收气体的分子数.%单个粒子的吸收截面光化反应分子吸收足够的辐射能分裂为原子，不稳定的原子结合成较 稳定的分子释放多余的辐射能。O2+h f 20+0光化反应所要求的辐射波谱可以为连续谱，只要其中的波 长短到使一个光子所提高的化学能足以造成分子的光解 o其它能量转化为原子的动能，使气体的温度增高。地球大气中，大多数光化反应需要有紫外辐射和可见光 辐射。任何原子都能被波长非常短的辐射所电离。具 有足够能量的光子把电子从绕原子核旋转的 纱层轨道上剥离开来，这种过程称为光致电 离。也象光化反应那样，光致电离要求辐射具有 低于一定的临界能量波长的连续波。引起电 离的辐射波长通常小于O.lpn。54大气吸收光谱(1)气体分子的波长选择性短波辐射：主要是水汽，其次是氧、臭氧，而CO2吸收不多；长波辐射：主要是水汽，其次是CO2和臭氧。(2)气体吸收对大气辐射平衡的重要性取决于：一是吸收的强度二是吸收气体的含量及其空间分布。55大气吸收光谱H2O吸收约20%的太阳能量几乎覆盖长波辐射整个波段6.3RII振动带波长/Fim56大气吸收光谱-H2。主要集中在大气下层，吸收作用主要在对流层，特 别是对流层下层。液态水：吸收带与气态对应，波段向长波方向移动。波长/nm57大气吸收光谱。2主要在小于0.25pm的紫外区：舒曼一龙格(Schumann-Runge)吸收市 赫兹堡(Herzberg)带因小于0.25|iim的太阳辐射能量不到0.2%,而且在可见光波段的两吸收带较弱，所以对太阳辐射的削弱不大。58。3强吸收在的紫外区：哈特来（Hartley）带一最强哈金斯（Huggins）带一较弱可见光区：查普尤（Chappuis）带一较弱O3层吸收太阳辐射的2%平流层温度高的原因红外区：4.7pm、9.6pm.14.lpim较强吸收带59大气吸收光谱co2大于2|nm的红外区：较强中心：2.7|nms 4.3|ixm s 15|nm（图）对长波辐射，以15|LLm最重要=0一一dosqvWavelength(m)60吸收 气体吸收光谱对辐射的作用H20水汽主要为红外区：最强为6.3p m振转 带和12p HI转动带；液态水吸收带与水汽对应，但向长波移 动吸收了约20%太阳能量。几乎覆盖地气长波辐 射全波段。2主要0.25|J ni紫外区：舒曼-龙格带(0.125-0.2026)、赫兹堡带(0.242-0.26)吸收作用很强，但吸收 能量不多，对太阳辐 射削弱不大。3最强在紫外区：哈特来带(0.22-0.30)、哈金斯带(0.32-0.36)可见光：查普尤带。3层吸收太阳辐射量 的2%左右，是导致 平流层上部温度较高 的原因。co22p m红外区（2.7p m、4.3p m、15p m）对长波辐射，以15p m 吸收带最为重要。大气吸收光谱太阳辐射：紫外V0.29H m几乎全吸收，可见光吸收不强，红外主要是水汽吸收，其次为CO2、CH4O地面辐射：14口 m远红外辐射几乎全吸收，吸收率1。62大气吸收光谱大气光谱花回：除了9.6pm附近臭氧有一个较强的吸收带外，在波段，整层大气对长波辐射吸收 很弱，称为大气光谱窗。波长卬mJ3大气对辐射的吸收和散射3-1.大气对辐射的吸收3.2,大气对辐射的散射33、辐射能在介质中的传输643.2大气对辐射的散射 _气体分子以及气溶胶粒子内含有多个分立的电子和质子，当电 磁波照射到粒子上后，使正负电荷中心产生偏移，构成电偶 极子或多极子，并在电磁波激发下作受迫振动，向各方向发 射次生电磁波，这种次生电磁波就是散射辐射。散射和吸收不同：（1 它不产生分子内能状态的变化，应以电 磁波理论和物质的电子理论来解释；吸收是因能态发生变化 而产生的，需要用量子理论来解释。（2 散射不是选择性的,它在电磁波谱的各个波长上都会发生，因而是全波段的。65定义无量纲尺度参数 a：尺度数；r：粒子半径；A：入射辐射波长当时：Rayleigh散射，也称分子散射。如空气分子对 短波辐射的散射。当0.1 a 50：几何光学：折射。如大雨滴对可见光的折射、反 射。66散射过程分类10 10310210 r(pm)i】。-1I10-21L毛毛而清娟生蠹空气分子雨满散射类型是由入射辐射波长云清与质点半径的相对大小来确 定。1 JO 102 104 1好入CpE)图5.23散射过程分类(引自W&】=e和日的也，1977 67散射过程分类分子散射al：散射能力与波长的四次方成反 比，散射能量分布呈对称球形。米散射0.la50：散射对所有波长的辐射都同样 地发生，散射能量在入射光方向伸长，散射质点 越大，偏离对称越多。几何光学散射a50：属于几何光学范畴，比如 虹，晕就是光在雨滴或者冰晶上的反射折射造成 的。散射削弱系数电y一个粒子的散射截面,c，表示当有辐照度为E的辐射射入时，将把的能量散射到四面八方，而使入射波的能量减少E“c。若单位体积中有N个相同的颗粒，则总散射掉的辐 射能为N*Easc o单位体积中各个粒子散射截面之和称为单位体积的散射削 弱系数1c69散射削弱系数对于N个相同的颗粒，如空气分子k=N cr SC sc对于不同大小的气溶胶散射粒子：4”(八九加)打曲r为粒子半径，n(r)dr表示单位体积中半径从r到r+dr 范围内的粒子数，m为复折射率。散射削弱系数(1)瑞利散射散射系数:ksc,A3243 加一1 2 3N11 二 cr424N：单位体积中散射质点的数目；m：介质的折射指数；对于处于特定状态的特定介质，m和N都是确定的数值,则散射系数与波长的四次方成反比。71散射削弱系数天空很蓝?夕阳红？72(2)米散射散射系数:粒子的散射截面与粒子几何散射效率因子Qsc 截面之比。Qsc=7i rasc：散射截面;r：散射粒子的半径;b:与粒子大小有关。kscA=CZbQ L,Zu3大气对辐射的吸收和戳Lr谢一、大气对辐射的吸收二、大气对辐射的散射三、辐射能在介质中的传输（大气消光）741、布格-朗伯定律（比尔定律）.翁 _ _设有单色平行的定向辐射，辐照度 为耳，经过一有吸收介质的气层厚 度dl后就要被吸收削弱，经过dl后 辐照度变成E+dEA,此时dE产04九=_卜吐入 E九 dl=一号3在九pdl kab=kab.p工、布格一朗伯定律（比尔定律）对上式移项积分得:Ex,i 曰k ab,A夕d/E对于单色辐射，光经过介质吸收后，其辐照度呈指数衰减，此为比 尔定律。工、布格一朗伯定律（比尔定律）比尔定律也适用于散射引起的辐射衰减，若将散射和 吸收的作用综合到一起，可得：EQI=E九0 e-（3-10）衰减系数或削弱系数 k8=ksc入+kab,九77工、布格一朗伯定律（比尔定律）M比尔定律也适用于散射引起的辐射衰减，若将散射和 吸收的作用综合到一起，可得：-吠陞，”/JUE=E九0-e光学厚度必78Q 2,辐射传输的有关物理量 r1 光学厚度：沿辐射传输路径,单位截面积上所 有吸收物质和散射物质产生的总削弱，它为无 量纲量。/E-吗,o.e-二号,。.加792.辐射传输的有关物理(2)光学质量辐射传输路径上在单位截面气柱内所吸收或削弱的气体质量.U=Jd/大气质量数m=802.辐射传输的有关物理量透射率和吸收率单色透过率：辐射通过一段大气路径后，对单 色光而言，气层透射的辐射与投射于其上的辐射之比。,eEQI S.-=e 20=九0当大气路径内仅有吸收作用时，单色吸收率44=1-TA=e一粒吸收率与物质的光学质量成指数关系。814太阳辐射在地球大气中的传输一、太阳辐射及日地关系二、大气上界太阳辐射光谱三、太阳直接辐射、天空散射辐射五、地面对太阳辐射的反射和吸收821 太阳概况: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。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；来自宇宙的辐射能也仅为太阳辐射能的20亿 分之一；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。83在宇宙芸芸众星之中，太阳是极其普通的恒星，目前处于星体演化的中年阶 段，安详稳定。84四季的变化是怎么产生的?2、日地关系远/中7 月 4 日 g纬度变化：低纬地区Qd的年变化较小，而 高纬地区年变化较大。b、季节变化：北半球 夏季各纬度间Qd的差别 不大，冬季Qd则随纬度的增高而迅速下降，进入极圈甚至变为零。7,。“川图5.13全球各地大气上界太阳辐射的日总量(List,1951,转引自 41)96大气上界太阳辐射日总量0随纬度的变化是决定地球 上各纬度间气候差异的基本因素。为 的日变化与0的年变化，使得气温也具有日变化 与年变化。气温并非简单地取决于为和&974太阳辐射在地球大气中的传输一、太阳辐射及日地关系二、大气上界太阳辐射光谱三、太阳直接辐射四、天空散射辐射五、地面对太阳辐射的反射和吸收98太阳直接辐射天空散射辐射 阳伞效应由于云和气溶胶（特别是 火山灰）对太阳辐射的强 散射作用，导致到达地面 的太阳辐射能减少，称为 阳伞效应或反射效应10012、测得太阳辐射最大能量所对应的波长为0.475微米，试问太 阳表面温度等于多少？-101习题12、测得太阳辐射最大能量所对应的波长为0.475微米，试问太阳表面温度等于多少？解：一根据维恩位移定律：一A1nXT=2884（微米度）r-r-i r 2884 2884/CR/TT、因此，T=-=6071.6（开）入 m 0.475色温102习题13、有一立方体的黑体，边长10厘米，如果把它加热到727七,求此黑体放射的辐射能有多少瓦？一10313、有一立方体的黑体，边长10厘米，如果把它加热到727X2,求此黑体放射的辐射能有多少瓦？解：立方体的表面积为2S=0.12 X 6=6 X 10-2（米）一每单位表面积放射的辐射为Fb=aT4=5.670 X IO-2 X 273+727 2=5.67 X 104（瓦/米）黑体放射的总的辐射能为.IFto X S=5.67 X IO4 X 6 X 10-2=3.402 X 102=3.402 X 103（瓦）v104地面对太阳辐射的反射和吸收90-1.地面反照率地面总精射：到达水不地表面的太阳直接柘射鸟天生稳射8070605040302010()陛吆1.带有冰盖的雪，/=38；2.大粒湿雪,h=37。；3.湖面,77=56；4.土壤融雪后，；7=24.5；5.青玉米，/?=54；6.高的绿玉米，/尸56。；7.黄玉米，力=46。；8.苏丹草，h=52o；9.黑钙土，/?=410.谷9.,一-pm8 也9 O105敦煌戈壁下垫面反照率f!*。物体升温 辐射差额=0温度不变0物体降温115大气能使太阳短波辐射到达地面，但地表向外放出的长波热辐射线却被 大气吸收，这样就使地表与低层大气温度增高，因其作用类似于栽培农 作物的温室，故名温室效应。地面长波辐射净辐射：Rn=Sn+Ln净短波辐射：Sn=Sd-Su=Sd(l-R)净长波辐射：Ln=Ld-Lu大气逆辐射：Ld=a?T4布伦特公式：s=a+b4ea=0.340.66;b=0.03-0.127117地面长波辐射地面长波辐射：Lu=scyT4+(l-s)Ld地面净长波辐射：Ln=Ld-Lu=Ld-+(1-s)Ld)二 Y(oT：-Ld)地面有效辐射：L-Lu-Ld-Ln地面净辐射：Rn-Sn+Ln-Sn-LP113,图5.25118大气长波辐射大气辐射差额:En=E-EoEn-整层大气的辐射差额；Eg-大气上界净辐射；马-地面净辐射就整层大气而言，辐射差额一般为负值，这里缺少的部分能 量通过地面提供的感热和潜热得到补偿。119地气系统的辐射差额地气系统的辐射差额：Ea=En+RnEn-大气的辐射差额；Rn-地面的辐射差额。地气系统的辐射差额随季节、温度、云量等因素改变，平均而 言，在高纬和极低地区为负，在赤道热带地区为正值。120辞辐射平衡入射太阳辐射 100反射太阳辐射 6 20 46射出红外辐射 38交气后向散射16H2OX)3 和灰尘的吸收云反射地面反射地面放射的 净红外辐射感热通量潜热通量图5.31地气系统总的辐射平衡框图(J.P.Peixoto和A.H.Oort,1992)云吸收121辐射平衡 若将入射到大气层顶的太阳辐射归一化为100个单位，其中被大气吸收 的太阳辐射有20个单位（水汽、臭氧、尘埃吸收为16,云吸收为4 ，被地表吸收的有50个单位，被反射的太阳辐射有30个单位（空气分 子散射为6,云反射为20,地面反射为4,太阳辐射达到平衡；被地表吸收的50个单位太阳短波辐射中，20个单位以长波（即红外）辐射的形式进入大气（14个被大气中的水汽和二氧化碳吸收，6个直接 透过大气进入太空），6个以感热的形式进入大气，24个以潜热的形式 进入大气；对大气而言，它吸收了 20个单位太阳辐射，14个单位长波辐射，30个 单位感热潜热，能量收入为64个单位，而大气中的水汽和二氧化碳向外 空间发射的净辐射为38,云放射的辐射为26,总计以长波形式向太空 发射了64个单位，即能量支出为64个单位，能量收入等于支出，达到 平衡。122习题15、设有一束平行光线与铅直方向成60的角度入射并通过厚 100米的气层，已知气层的平均气体密度为01千克/米：气层 对某波长的吸收系数为10一2米2/千克，试计算某波长通过气层 的光学厚度、大气旋量数、透明度。一12315、设有一束平行光线与铅直方向成60的角度入射并通过厚 100米的气层，已知气层的平均气体密度为01千克/米：气层 对某波长的吸收系数为10一2米2/千克，试计算某波长通过气层 的光学厚度、大气旋量数、透明度。一解：一光学厚度：T入=j：k入pdz=102 X 0.1 X 100=0.1，透明度：PA=ef=0.9大气质量数m=fopdl _ fg00 pseczQdz _ O.IXIOOXSGCZQ fopdz f0 pdz 0.1X1002d124