大气物理地面和大气中的辐射过程市公开课金奖市赛课一等奖课件.pptx

大气物理学第四章 地面和大气中辐射过程1 辐射基本概念辐射基本概念2 辐射物理规律3 大气对辐射吸取和散射4 太阳辐射在地球大气中传播 5 地球大气系统长波辐射6 地面、大气及地气系统辐射平衡第1页第1页大气物理学1 辐射基本概念一、电磁辐射一、电磁辐射二、辐射场物理量第2页第2页大气物理学一、电磁辐射什么是电磁辐射？它如何进行传播？第3页第3页一、电磁辐射地球和太阳辐射地球和太阳辐射地球和太阳辐射地球和太阳辐射第4页第4页大气物理学一、电磁辐射1、辐射与辐射能、辐射与辐射能 辐射能是能量一个形式，指物质以辐射能是能量一个形式，指物质以电磁波电磁波形式放射能量，形式放射能量，而这种而这种能量传播方式能量传播方式称为称为辐射辐射。描述电磁波参量：描述电磁波参量：波速波速 c=3108m/s 波长波长 频率频率 波数波数第5页第5页一、电磁辐射第6页第6页2、电磁波谱、电磁波谱波长范围波长范围：10-16m103m：宇宙射宇宙射线线 射射线线X射线紫外线射线紫外线可见光可见光红外线红外线（微波微波）无线电波无线电波太阳、地球和大气辐射波长范围：太阳、地球和大气辐射波长范围：0.1120m，即紫外、可见，即紫外、可见光和红外波段，光和红外波段，(m)第7页第7页名称名称名称名称波长范围波长范围波长范围波长范围紫外线紫外线紫外线紫外线100100埃埃埃埃0.40.4微米微米微米微米可见光可见光可见光可见光0.40.4微米微米微米微米0.760.76微米微米微米微米红红红红外外外外线线线线近红外近红外近红外近红外0.760.76微米微米微米微米3.03.0微米微米微米微米中红外中红外中红外中红外3.03.0微米微米微米微米6.06.0微米微米微米微米远红外远红外远红外远红外6.06.0微米微米微米微米1515微米微米微米微米超远红外超远红外超远红外超远红外1515微米微米微米微米10001000微米微米微米微米微微微微波波波波毫米波毫米波毫米波毫米波1 11010毫米毫米毫米毫米厘米波厘米波厘米波厘米波1 11010厘米厘米厘米厘米分米波分米波分米波分米波1010厘米厘米厘米厘米1 1米米米米色彩名称色彩名称色彩名称色彩名称波长范围波长范围波长范围波长范围紫紫紫紫0.400.400.400.400.430.430.430.43微米微米微米微米蓝蓝蓝蓝0.430.430.430.430.470.470.470.47微米微米微米微米青青青青0.470.470.470.470.500.500.500.50微米微米微米微米绿绿绿绿0.500.500.500.500.560.560.560.56微米微米微米微米黄黄黄黄0.560.560.560.560.590.590.590.59微米微米微米微米橙橙橙橙0.590.590.590.590.620.620.620.62微米微米微米微米红红红红0.620.620.620.620.760.760.760.76微米微米微米微米不同电磁波详细波长范围可见光波长范围可见光波长范围可见光波长范围可见光波长范围第8页第8页大气物理学一、电磁辐射3、大气科学研究对象：太阳短波辐射、地球和大气长波辐射、大气科学研究对象：太阳短波辐射、地球和大气长波辐射第9页第9页大气物理学二、辐射场物理量1、辐射通量辐射通量：单位时间内通过某一平面辐射能，也称为：单位时间内通过某一平面辐射能，也称为辐射功率，单位为辐射功率，单位为J/S或或W。（1-1）2、辐射通量密度辐射通量密度E：单位面积辐射通量，或是单位面积单：单位面积辐射通量，或是单位面积单位时间内通过辐射能，单位为位时间内通过辐射能，单位为Wm-2 （1-2）第10页第10页辐照度 辐出度3、辐照度、辐照度E与辐出度与辐出度F到达到达接受面接受面辐射通量密度称为辐射通量密度称为辐照度辐照度，用，用E表示。表示。自自放射面放射面射出辐射通量密度称为射出辐射通量密度称为辐出度辐出度，用，用F表示。表示。第11页第11页4、分光辐出度、分光辐出度F：又称又称单色辐射通量密度单色辐射通量密度，指物体温度为指物体温度为 T 时，单位时间内从单位表面发出波长时，单位时间内从单位表面发出波长在在d附近单位波长间隔内电磁波能量，它表示热辐射附近单位波长间隔内电磁波能量，它表示热辐射能量按波长分布，单位为能量按波长分布，单位为Wm-2m-1。积分辐出度积分辐出度 F：对物体所发射所有波长范围内分光辐对物体所发射所有波长范围内分光辐出度积分。出度积分。Fd（1-3）第12页第12页5、辐亮度、辐亮度L：也称辐射率，它指是单位立体角、垂直于辐也称辐射率，它指是单位立体角、垂直于辐射传播方向单位面积，单位波长间隔内所通过辐射功率，射传播方向单位面积，单位波长间隔内所通过辐射功率，单位为单位为 Wm-2 sr-1m-1。全自动太阳分光光度全自动太阳分光光度计计dA 第13页第13页x、y、z为观测位置坐标；为观测位置坐标；天顶角天顶角 方位角方位角 波长波长 t 观测时间观测时间（Wm-2 sr-1m-1）（1-4）第14页第14页d 辐射功率辐射功率；dA 光线通过面积；光线通过面积；d 观测辐射波长范围；观测辐射波长范围；d 所张立体角；所张立体角；A（Wm-2 sr-1m-1）第15页第15页大气物理学5、辐亮度、辐亮度L 各各向向同同性性：L与与观观测测方方向向（，）无无关关（L与与方方向向相相关关各向异性。）各向异性。）均均匀匀辐辐射射：L与与观观测测位位置置（x,y,z）无无关关（L是是观观测测位位置置函函数数非均匀辐射。）非均匀辐射。）定定常常辐辐射射：L与与时时间间t无无关关（L是是时时间间t函函数数非非定定常常辐辐射射。）朗朗伯伯体体：辐辐亮亮度度不不随随方方向向而而改改变变辐辐射射体体，通通常常我我们们把把太太阳阳、陆地表面都看作是朗伯体。、陆地表面都看作是朗伯体。第16页第16页6、辐射通量密度与辐亮度关系、辐射通量密度与辐亮度关系 （1）朗伯定律）朗伯定律 例：设从一无限平面向所有方向均以均一辐亮度例：设从一无限平面向所有方向均以均一辐亮度L L发射辐射，发射辐射，问平行于此表面平面上辐照度问平行于此表面平面上辐照度E E等于多少？（等于多少？（P66P66）第17页第17页解：解：通过空间某一平面辐照度，可把从各个方向通过空间某一平面辐照度，可把从各个方向射来辐亮度在垂直方向分量累加起来，射来辐亮度在垂直方向分量累加起来，球坐标：球坐标：第18页第18页大气物理学6、辐射通量密度与辐亮度关系、辐射通量密度与辐亮度关系 朗伯定律：朗伯定律：对于发射辐射表面，假如向半球空间各方向发对于发射辐射表面，假如向半球空间各方向发射辐亮度均为射辐亮度均为L（朗伯体），则在该面上辐出度为（朗伯体），则在该面上辐出度为L。（1-5）第19页第19页大气物理学（2）平面平行大气辐射通量密度与净辐射通量密度）平面平行大气辐射通量密度与净辐射通量密度 平面平行大气平面平行大气：考虑到大气中各种变量在水平方向改变率远小于垂直方向改变率，因此经常可假设大气是水平均一，相应大气模型在大气辐射学中称为平面平行大气。6、辐射通量密度与辐亮度关系第20页第20页 平面平行大气辐射通量密度平面平行大气辐射通量密度：可把从各个方向射来辐亮度在垂直方向分量累加起来，其计算公式为第21页第21页 计算水平面上辐射通量密度，分别对从上半球和下半球入射辐射垂直分量进行积分 （1-6）（1-7）净辐射通量密度或净辐照度净辐射通量密度或净辐照度:（1-8）第22页第22页 若对一薄层大气，上边界为 ，下边界为z，若上边界净辐射通量密度是向下，下边界净辐射通量密度是向上，则辐射能收支为正，气层温度升高；反之降温。第23页第23页大气物理学2 辐射物理规律一、吸取率、反射率和透射率二、黑体与灰体 三、平衡辐射基本规律 第24页第24页一、吸取率、反射率和透射率QQ0 0QQr rQQa aQQt t吸取率吸取率 反射率反射率 透射率透射率（2-1）第25页第25页大气物理学水分含量对玉米叶子反射率影响第26页第26页大气物理学不同土壤反射波谱曲线第27页第27页大气物理学各种地表对太阳辐射反射率（%）地表反射率地表反射率森林310雪地（新雪）80田地（绿色）315雪地（陈雪）5070田地（已开垦干地）2025冰5070草地1530水面h4024裸地720水面h=530640沙地1525第28页第28页大气物理学以上图表能够阐明什么？物体吸取率、反射率和透射率大小伴随辐射波长和物体性质而改变。第29页第29页大气物理学二、黑体与灰体 绝对黑体绝对黑体：若物体对于投射到其上所有波长辐射都能所：若物体对于投射到其上所有波长辐射都能所有吸取物体称为有吸取物体称为绝对黑体绝对黑体。故有：。故有：相对黑体：相对黑体：物体仅对某一波长辐射能所有吸取。物体仅对某一波长辐射能所有吸取。A=1,R=0灰体灰体：A A小于小于1 1且不随波长而改变物体且不随波长而改变物体。若物体不透明若物体不透明,则透射率则透射率=，吸取率，吸取率A=1-RA=1-R。第30页第30页大气物理学二、黑体与灰体 试验室黑体：密闭空腔，内涂烟黑，烟黑吸取率90%Q0第31页第31页大气物理学二、黑体与灰体 试验室黑体：密闭空腔，内涂烟黑，烟黑吸取率90%Q0RQ0第32页第32页大气物理学二、黑体与灰体 试验室黑体：密闭空腔，内涂烟黑，烟黑吸取率90%Q0RQ0R2Q0第33页第33页大气物理学二、黑体与灰体 试验室黑体：密闭空腔，内涂烟黑，烟黑吸取率90%Q0RQ0R2Q0RnQ0吸取率1-Rn第34页第34页大气物理学二、黑体与灰体 黑色物体与黑体区别？黑色物体与黑体区别？黑色物体只表明它对可见光反射性质，而对非可见光吸取黑色物体只表明它对可见光反射性质，而对非可见光吸取无法鉴定，而黑体是对整个电磁波谱范围内所有波长或无法鉴定，而黑体是对整个电磁波谱范围内所有波长或某一特定波长而言，它对辐射是所有吸取，它考虑是对某一特定波长而言，它对辐射是所有吸取，它考虑是对辐射吸取性质。辐射吸取性质。第35页第35页大气物理学三、平衡辐射基本规律1、辐射平衡 当物体当物体放射放射出辐射能出辐射能等于等于它它吸取吸取辐射能时，则称该物体处辐射能时，则称该物体处于辐射平衡状态，这时物体处于热平衡态，可用一态函于辐射平衡状态，这时物体处于热平衡态，可用一态函数数温度温度T T来描述来描述，因此平衡辐射又称为温度辐射。，因此平衡辐射又称为温度辐射。第36页第36页2、基尔霍夫定律 （1）在一定温度下，对某一特定波长而言，任何物体）在一定温度下，对某一特定波长而言，任何物体辐辐出度出度与与吸取率吸取率之比是一个普适函数，该函数只与之比是一个普适函数，该函数只与温度温度和和波波长长相关，而与物体其它性质无关。即含有相关，而与物体其它性质无关。即含有选择吸取性选择吸取性。（2-2）FB(,T)绝对黑体分光辐出度；绝对黑体分光辐出度；F,T物体辐出度物体辐出度 A,T物体吸取率物体吸取率 第37页第37页（2）比辐射率）比辐射率 ：物体放射能力和黑体辐射能力之比物体放射能力和黑体辐射能力之比。（2-3）（3）基尔霍夫定律意义：）基尔霍夫定律意义：它将物体放射与吸取联系起来了，只要知道某物体吸取率就能够知它将物体放射与吸取联系起来了，只要知道某物体吸取率就能够知道其放射率，反之亦然。道其放射率，反之亦然。它把各种物质吸取、放射与黑体辐射能力联系起来。使我们有能够它把各种物质吸取、放射与黑体辐射能力联系起来。使我们有能够通过研究黑体辐射来理解普通物体辐射。而对于黑体研究，无论从通过研究黑体辐射来理解普通物体辐射。而对于黑体研究，无论从理论上还是试验上都比较简朴。理论上还是试验上都比较简朴。第38页第38页3、普朗克定律绝对绝对黑体辐射黑体辐射率仅是率仅是波长波长和和温度温度函数，单位为函数，单位为Wm-2m-1。（2-4）FB(,T)为绝对黑体分光辐出度为绝对黑体分光辐出度第一辐射常数第一辐射常数C1=3.7427108Wm4m-2第二辐射常数第二辐射常数C2=14388mK第39页第39页由于绝对黑体是朗伯体，依据朗伯定律，由于绝对黑体是朗伯体，依据朗伯定律，（2-5）B(,T)：绝对黑体分光辐亮度，：绝对黑体分光辐亮度，也称也称普朗克函数普朗克函数，单位为单位为波长波长B(,T)第40页第40页大气物理学4、斯蒂芬-玻尔兹曼定律黑体积分辐出度黑体积分辐出度FT与温度与温度T四次方成正比。四次方成正比。（2-6）（=5.669610-8 Wm-2K-4）FT黑体积分辐出度黑体积分辐出度 斯蒂芬斯蒂芬-玻尔兹曼常数，玻尔兹曼常数，有效温度有效温度Te：将物体视作绝对黑体时计算出温度。：将物体视作绝对黑体时计算出温度。第41页第41页5、维恩定律黑体辐射光谱极大值相应波长黑体辐射光谱极大值相应波长(max)与其本身温度与其本身温度(T)乘乘积为一常数。积为一常数。（2-7）（b=2897.8mK）颜色温度颜色温度Tc：由光谱测定物体温度。：由光谱测定物体温度。第42页第42页Planck functionWiens LawStefan-Boltzman law小小 结：结：普朗克定律普朗克定律给出绝对黑体分光辐出度与波长、温度关给出绝对黑体分光辐出度与波长、温度关系，从而绘出黑体辐射光谱曲线，而系，从而绘出黑体辐射光谱曲线，而Wien位移定律位移定律描述了曲描述了曲线中辐射能力最强相应波长与温度关系，线中辐射能力最强相应波长与温度关系，Stefan-Boltzmann Law则描述了黑体积分辐射能力与温度四次方成正比，则描述了黑体积分辐射能力与温度四次方成正比，基尔霍基尔霍夫定律夫定律把任何物体和绝对黑体联系起来。把任何物体和绝对黑体联系起来。第43页第43页6、太阳辐射与地球辐射差别第44页第44页大气物理学6、太阳辐射与地球辐射差别太阳太阳近似为温度为近似为温度为6000K黑体黑体地面地面近似温度为近似温度为300K黑体黑体太阳辐射太阳辐射能量集中在能量集中在0.1 m至至4.0 m之间，之间，地球大气辐地球大气辐射射能量主要集中在能量主要集中在4 m至至120 m之间。之间。太阳太阳辐射为辐射为短波辐射短波辐射，称，称地气地气辐射为辐射为长波辐射长波辐射。短波和长。短波和长波辐射以波辐射以4 m分界。分界。作业：（P120）习题1、3、4 第45页第45页大气物理学3 大气对辐射吸取和散射 一、大气对辐射吸取二、大气对辐射散射三、辐射能在介质中传播第46页第46页大气物理学1、大气对辐射吸取物理过程、大气对辐射吸取物理过程（1）大气分子选择吸取）大气分子选择吸取第47页第47页Emission spectrum of H(cont.)Light BulbHydrogen LampQuantized,not continuous第48页第48页单个分子，当它处于某一特定运动状态时，其分子内部总能量E由三部分构成，且均为量子化。E=Ee+Ev+Er（5.3.1）Ee：电子轨道能量电子轨道能量 Ev：原子振动能量原子振动能量 Er：分子转动能量分子转动能量 第49页第49页选择性吸取是指介质分子被入射辐射激发，从低能级跃迁到高能级，两个能级差就是介质吸取辐射能量。由于分子能量改变是不连续，从而吸取辐射须满足一定波长，也就是气体分子对辐射吸取含有波长选择性。而辐射过程正好相反。第50页第50页大气物理学1、大气对辐射吸取物理过程、大气对辐射吸取物理过程（2）光化反应 分子吸取足够辐射能分裂为原子，不稳定原子结合成较稳定分子释放多余辐射能。光化反应所要求辐射波谱可认为连续谱，只要其中波长短到使一个光子所提高化学能足以造成分子光解。其它能量转化为原子动能，使气体温度增高。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。第51页第51页大气物理学1、大气对辐射吸取物理过程、大气对辐射吸取物理过程（3）光致电离）光致电离 任何原子都能被波长非常短辐射所电离。含有足够能量光子把电子从绕原子核旋转外层轨道上剥离开来，这种过程称为光致电离。也象光化反应那样，光致电离要求辐射含有低于一定临界能量波长连续波。引起电离辐射波长通常小于0.1m。第52页第52页大气物理学2、吸取系数、吸取系数单个粒子吸取截面单个粒子吸取截面ab：粒子所吸取辐射通量相称于面积：粒子所吸取辐射通量相称于面积ab从入射辐射场中所截获辐射通量。从入射辐射场中所截获辐射通量。体积吸取系数体积吸取系数：单位体积中各粒子吸取截面之和。：单位体积中各粒子吸取截面之和。N：单位体积中吸取气体分子数；单位体积中吸取气体分子数；ab：单个粒子吸取截面单个粒子吸取截面第53页第53页大气物理学2、吸取系数、吸取系数质量吸取系数质量吸取系数（p81）：）：1cm2气柱中单位质量吸取物质气柱中单位质量吸取物质吸取了原辐射能份数，单位为吸取了原辐射能份数，单位为cm2/g。NA：阿伏伽德罗常数；阿伏伽德罗常数；M：摩尔质量；：摩尔质量；：吸取气体密度；：吸取气体密度；：质量吸取系数：质量吸取系数第54页第54页大气物理学3、大气吸取光谱、大气吸取光谱（1）气体分子波长选择性）气体分子波长选择性 短波辐射短波辐射：主要是水汽，另一方面是氧、臭氧，而：主要是水汽，另一方面是氧、臭氧，而 CO2 吸取不多；吸取不多；长波辐射长波辐射：主要是水汽，另一方面是：主要是水汽，另一方面是CO2和臭氧。和臭氧。（2）大气吸取光谱）大气吸取光谱（见附表）（见附表）第55页第55页吸取气体吸取光谱对辐射作用H2O水汽主要为红外区：最强为6.3m振转带和12m转动带；液态水吸取带与水汽相应，但向长波移动吸取了约20%太阳能量，使太阳光谱改变。几乎覆盖地气长波辐射全波段。O2主要主要0.25m 2mm红外区红外区（2.7m2.7m、4.3m4.3m、15m15m）对太阳辐射吸取不专门讨论。对长波辐射，以15m吸取带最为主要。第56页第56页大气物理学3.2.1大气对辐射吸取（2）大气吸取光谱）大气吸取光谱（见附表）（见附表）太太阳阳辐辐射射：紫紫外外14mm几乎全吸取，除几乎全吸取，除大气之窗大气之窗（3）大大气气之之窗窗：除除了了9.6m附附近近臭臭氧氧有有一一个个较较强强吸吸取取带带外外，在在812m波波段段，整整层层大大气气对对长长波波辐辐射射吸吸取取很很弱弱，称称为为大气之窗。大气之窗。第57页第57页透射率（透射率（%）O3CO2CO2H2OH2O第58页第58页大气物理学3 大气对辐射吸取和散射 一、大气对辐射吸取二、大气对辐射散射三、辐射能在介质中传播第59页第59页大气物理学Scattering-ExamplePurely absorbingWith ScatteringLambert-Beer Law does not apply here!Need to calculate true pathlength of lightPhoton pathlength LPhoton pathlength=LL第60页第60页1、散射过程分类 分分子子散散射射：散散射射能能力力与与波波长长四四次次方方成成反反比比，即即散散射射含含有有波波长选择性，散射能量分布呈对称球形。长选择性，散射能量分布呈对称球形。第61页第61页1、散射过程分类分分子子散散射射：散散射射能能力力与与波波长长四四次次方方成成反反比比，即即散散射射含含有有波波长选择性，散射能量分布呈对称球形。长选择性，散射能量分布呈对称球形。米米散散射射：散散射射对对所所有有波波长长辐辐射射都都同同样样地地发发生生，无无波波长长选选择择性性，散散射射能能量量在在入入射射光光方方向向伸伸长长，散散射射质质点点越越大大，偏偏离离对对称越多。称越多。第62页第62页大气物理学1、散射过程分类 散射散射在整个电磁波谱内都会发生，但散射强弱及散射能在整个电磁波谱内都会发生，但散射强弱及散射能 量空间分布与波长、散射质点相对大小相关量空间分布与波长、散射质点相对大小相关。尺度数尺度数：（1）瑞利散射）瑞利散射：x1，a(气体分子对可见光散射气体分子对可见光散射)（2）米散射：）米散射：0.1x50，a（大雨滴对可见光产生折（大雨滴对可见光产生折射、反射现象）射、反射现象）为何晴朗天空呈蓝色为何晴朗天空呈蓝色？第63页第63页1、散射过程分类散散射射类类型型是是由由入入射射辐辐射射波波长长与与质质点点半半径径相相对大小来拟定。对大小来拟定。第64页第64页大气物理学2、散射削弱系数 一个粒子一个粒子散射截面散射截面sc，表示当有辐照度为，表示当有辐照度为E辐射射入时，辐射射入时，将把将把Esc能量散射到四周八方，而使入射波能量减少能量散射到四周八方，而使入射波能量减少Esc。若单位体积中有。若单位体积中有N个相同颗粒，则总散射掉辐射能个相同颗粒，则总散射掉辐射能为为 ENsc。单位体积中各个粒子散射截面之和称为单位体积单位体积中各个粒子散射截面之和称为单位体积散射削弱散射削弱系数系数ksc 第65页第65页大气物理学2、散射削弱系数对于不同大小气溶胶散射粒子：r为粒子半径，n(r)dr表示单位体积中半径从r到r+dr范围内粒子数。散射截面、散射系数与粒子尺度参数a和复折射（指数）率m相关。第66页第66页大气物理学2、散射削弱系数（1）瑞利散射散射系数：）瑞利散射散射系数：N：单位体积中散射质点数目；：单位体积中散射质点数目；m：介质折射指数；：介质折射指数；对于处于特定状态特定介质，对于处于特定状态特定介质，m和和N都是拟定数值，则散都是拟定数值，则散射系数与波长四次方成反比。射系数与波长四次方成反比。第67页第67页大气物理学2、散射削弱系数（2）米散射散射系数：）米散射散射系数：假设：粒子是球体；介质均匀球状粒子散射特性取决于粒子相对尺度数a和粒子介质复折射指数m。米散射理论是球状粒子散射通用理论，第68页第68页2、散射削弱系数散射效率因子：粒子散射截面与粒子几何截面之比。第69页第69页大气物理学2、散射削弱系数（2）米散射散射系数：）米散射散射系数：假论普通大气条件下粒子是独立散射，则单位体积中粒子总散射截面就是各粒子散射截面之和，即得到散射系数散射效率因子散射效率因子第70页第70页大气物理学问题问题1：为何晴朗天空呈蓝色？云是白色？为何晴朗天空呈蓝色？云是白色？第71页第71页大气物理学小结瑞利散射基本特性：瑞利散射基本特性：散射光强度和波长散射光强度和波长4次方成反比，这也是天空为何是蓝次方成反比，这也是天空为何是蓝色原因。色原因。散射光强度和粒子体积平方成正比。散射光强度和粒子体积平方成正比。当入射光为自然光时，前后向散射呈对称分布。当入射光为自然光时，前后向散射呈对称分布。散射光有很高偏振度。散射光有很高偏振度。第72页第72页大气物理学小结米散射主要特点：米散射主要特点：伴随粒子尺度数伴随粒子尺度数a增大，前向散射光在总散射光中比值增大，前向散射光在总散射光中比值快速增大，这就是所谓米效应。快速增大，这就是所谓米效应。在吸取不强时，散射效率在吸取不强时，散射效率Qsc随随a增大呈振动状态改变，增大呈振动状态改变，最后趋向于最后趋向于2，即散射截面是几何截面二倍。但当吸取增，即散射截面是几何截面二倍。但当吸取增强时，强时，Qsc曲线上振动消失了。曲线上振动消失了。散射截面随波长而变。当散射截面随波长而变。当r很小时，和瑞利散射同样，很小时，和瑞利散射同样，与波长四次方成反比；当与波长四次方成反比；当r增大时，逐步变为和增大时，逐步变为和 n (0 n 4)；最后当；最后当r相称大时，和波长无明显关系。相称大时，和波长无明显关系。第73页第73页大气物理学3 大气对辐射吸取和散射 一、大气对辐射吸取二、大气对辐射散射三、辐射能在介质中传播第74页第74页大气物理学1、布格朗伯定律（比尔定律）第75页第75页E E+dE dl 设有单色平行定向辐射，设有单色平行定向辐射，辐照度为辐照度为E，通过一有吸取介质，通过一有吸取介质气层厚度气层厚度dl后就要被吸取削弱，后就要被吸取削弱，通过通过dl后辐照后辐照度变成度变成E+dE，此时，此时dEh0时，第134页第134页大气物理学1、太阳高度角、太阳高度角2）太阳高度角越小，太阳光透过大气层就越厚，削弱太阳高度角越小，太阳光透过大气层就越厚，削弱就越强，到达地面太阳辐射就越小。就越强，到达地面太阳辐射就越小。当当h=90h=90时，太阳光在大气中射程为时，太阳光在大气中射程为OAOA。当当90h090h0时，太阳光在大气中射程为时，太阳光在大气中射程为OCOC。第135页第135页大气物理学大气质量：在地面为原则气压大气质量：在地面为原则气压(1013hPa)(1013hPa)时，太阳光垂时，太阳光垂直投射到地面所经路程中，单位截面积空气柱质量，直投射到地面所经路程中，单位截面积空气柱质量，称为一个大气质量。称为一个大气质量。1、太阳高度角、太阳高度角第136页第136页大气物理学2、大气透明度、大气透明度大气透明度：大气对太阳辐射透射程度大气透明度：大气对太阳辐射透射程度透明系数（透明系数（p p）:指透过一个大气质量辐射强度与进入该指透过一个大气质量辐射强度与进入该大气辐射强度之比。大气辐射强度之比。当太阳位于天顶处，若在大气上界太阳辐射通量为当太阳位于天顶处，若在大气上界太阳辐射通量为I0，而到达地面后为而到达地面后为I，则，则主要影响原因主要影响原因:水汽、凝结物、杂质等。水汽、凝结物、杂质等。第137页第137页大气物理学4.2 散射辐射天空散射辐射天空散射辐射SD：水平地表面上自天空各方向上大气散射来太阳辐射通量密度，单位为Wm-2。第138页第138页大气物理学影响因子：影响因子：太阳高度角、大气透明度、云、地表反射率等太阳高度角、大气透明度、云、地表反射率等散射改变散射改变：一天中中午前后最大，一年中夏季最大。一天中中午前后最大，一年中夏季最大。4.2 散射辐射第139页第139页大气物理学4.3 总辐射地面总辐射地面总辐射：到达水平地表面太阳直接辐射与天到达水平地表面太阳直接辐射与天空散射之和空散射之和,单位为单位为Wm-2。SG=Sm+SD总辐射影响因子总辐射影响因子：太阳高度角、：太阳高度角、大气透明度、云量等大气透明度、云量等第140页第140页大气物理学4.3 总辐射总辐射日改变总辐射日改变日出以前，地面上总辐射收入不多，其中只有散射辐射；日出以前，地面上总辐射收入不多，其中只有散射辐射；日出以后，伴随太阳高度升高，太阳直接辐射和散射辐射逐日出以后，伴随太阳高度升高，太阳直接辐射和散射辐射逐步增长，但前者增长得较快；步增长，但前者增长得较快；当当h=8时，直接辐射时，直接辐射=散射辐射；散射辐射；当当h=50时，散射辐射值仅相称总辐射时，散射辐射值仅相称总辐射1020；中午时，太阳直接辐射与散射辐射强度均达到最大值；中午时，太阳直接辐射与散射辐射强度均达到最大值；中午以后，两者又按相反顺序改变。中午以后，两者又按相反顺序改变。第141页第141页大气物理学4.3 总辐射特点：特点：日总量随纬度增大而减小，最大在日总量随纬度增大而减小，最大在20N。我国最大总辐射：西藏、青海、新疆；我国最大总辐射：西藏、青海、新疆；次之辐射：黄河流域；次之辐射：黄河流域；最小辐射：长江流域、华南地域。最小辐射：长江流域、华南地域。第142页第142页大气物理学4.4 地面反射辐射地表反射率：与下垫面性质和状态相关。反射率与地面情况、颜色、粗糙度、植被、土壤性质相关。新雪：8095%裸地：7%20%第143页第143页大气物理学不同性质地面反射率（%）第144页第144页大气物理学第二章 大气辐射学1 辐射概述2 辐射平衡基本规律3 太阳辐射及其在大气中衰减4 到达地面太阳辐射5 地气辐射地气辐射6 地面辐射差额和气温改变7 地气系统能量平衡第145页第145页大气物理学一、地面辐射一、地面辐射 1 1、概念：地面吸取太阳辐射能后不断地向外放射辐射，称、概念：地面吸取太阳辐射能后不断地向外放射辐射，称为为地面辐射地面辐射。2 2、最大放射能量所相应波长为、最大放射能量所相应波长为10-15m10-15m。第146页第146页大气物理学二、大气辐射二、大气辐射1 1、概念：、概念：大气吸取地面辐射后向外放射辐射，称为大气辐射。大气吸取地面辐射后向外放射辐射，称为大气辐射。属于长波辐射（属于长波辐射（3-120 m 3-120 m）。）。2 2、大气主要吸取体：水（水汽和液态水）、二氧化碳、大气主要吸取体：水（水汽和液态水）、二氧化碳、臭氧。臭氧。3 3、地面长波辐射很少能透过大气进入宇宙空间，除大地面长波辐射很少能透过大气进入宇宙空间，除大气之窗。气之窗。第147页第147页透射率（透射率（%）O3CO2CO2H2OH2O第148页第148页（1）太阳辐射太阳辐射中直接辐射是作为定向中直接辐射是作为定向平行辐射平行辐射进入大气，进入大气，而而地面和大气辐射地面和大气辐射是是漫射辐射漫射辐射。三、大气中长波辐射特点三、大气中长波辐射特点漫射辐射漫射辐射第149页第149页三、大气中长波辐射特点三、大气中长波辐射特点大气大气散射散射第150页第150页大气物理学（1）太阳辐射太阳辐射中直接辐射是作为定向中直接辐射是作为定向平行辐射平行辐射进入大气，进入大气，而而地面和大气辐射地面和大气辐射是是漫射辐射漫射辐射。（2）长波辐射长波辐射在大气中在大气中传播传播时，能够时，能够不考虑散射不考虑散射作用。作用。（3）太阳辐射在大气中传播时，仅考虑大气对太阳辐射削）太阳辐射在大气中传播时，仅考虑大气对太阳辐射削弱作用，而未考虑大气本身辐射影响。但考虑弱作用，而未考虑大气本身辐射影响。但考虑长波辐射长波辐射在大气中传播在大气中传播时，时，不但要考虑大气对长波辐射吸取不但要考虑大气对长波辐射吸取，并，并且且还要考虑大气本身放射长波辐射还要考虑大气本身放射长波辐射。大气本身放射辐射。大气本身放射辐射一部分向上进入太空，一部分向下到达地面，我们把向一部分向上进入太空，一部分向下到达地面，我们把向下到达地面那部分大气辐射称为大气逆辐射。下到达地面那部分大气辐射称为大气逆辐射。三、大气中长波辐射特点三、大气中长波辐射特点第151页第151页大气物理学四、大气逆辐射和保温效应四、大气逆辐射和保温效应 大气逆辐射作用：大气逆辐射作用：其值大小，决定了地表得到热能补偿多少，其值大小，决定了地表得到热能补偿多少，因此其对地面有因此其对地面有保温作用保温作用。地球地球无大气：无大气：T=-23T=-23 有大气：有大气：T=15T=15月球月球白天：白天：T=127 T=127 夜晚：夜晚：T=-183 T=-183第152页第152页大气物理学五、地面有效辐射五、地面有效辐射1 1、概念：、概念：地面有效辐射地面有效辐射F F0 0:地面放射辐射地面放射辐射E Eg g与地面吸取大气逆辐射与地面吸取大气逆辐射EEa a之差。之差。F F0 0表示地表损失热量多少。表示地表损失热量多少。普通地面失去热量（逆温和湿普通地面失去热量（逆温和湿度很大时例外）度很大时例外）第153页第153页大气物理学4、5 习题1、概念：太阳直接辐射、天空散射辐射、地面总辐射、大、概念：太阳直接辐射、天空散射辐射、地面总辐射、大气之窗气之窗、大气逆辐射、有效辐射、大气逆辐射、有效辐射2、太阳直接辐射、天空散射辐射、地面总辐射影响因子、太阳直接辐射、天空散射辐射、地面总辐射影响因子3、大气中长波辐射特点、大气中长波辐射特点)第154页第154页大气物理学4、5 习题4*、夜间天空充斥云层，设地面为黑体，夜间天空充斥云层，设地面为黑体，T0=300K，气压，气压为为P0=1000hPa；云底也为黑体，温度；云底也为黑体，温度Tb=280K，气压为，气压为Pb=800 hPa；中间大气为等温（；中间大气为等温（T=285K）灰体，其长）灰体，其长波漫射透射率波漫射透射率f=0.4。试求：（。试求：（1）地面有效辐射；（）地面有效辐射；（2）求出变温率求出变温率T/t（/3h），阐明中间气层温度将增长还），阐明中间气层温度将增长还是减少；（是减少；（3）假如云底温度）假如云底温度Tb改为改为260K，则气层温度改，则气层温度改变将如何？变将如何？)第155页第155页大气物理学第二章 大气辐射学1 辐射概述2 辐射平衡基本规律3 太阳辐射及其在大气中衰减4 到达地面太阳辐射5 地气辐射6 地面辐射差额和气温改变地面辐射差额和气温改变7 地气系统能量平衡第156页第156页大气物理学6 地面辐射差额和能量平衡6.1 地面辐射差额地面辐射差额6.2 地面能量平衡地面能量平衡6.3 气温日改变气温日改变6.4 气温年改变气温年改变第157页第157页大气物理学6.1 地面辐射差额(1)辐射差额（净辐射）辐射差额（净辐射）=收入辐射能收入辐射能-支出辐射能支出辐射能第158页第158页6.1 地面辐射差额(2)地地 面面 辐辐 射射 差差 额额=吸取太阳总辐射吸取太阳总辐射 +吸取大气逆辐射吸取大气逆辐射-向外放射长波辐射向外放射长波辐射 第159页第159页6.1 地面辐射差额(2)地地 面面 辐辐 射射 差差 额额=吸取太阳总辐射吸取太阳总辐射 +吸取大气逆辐射吸取大气逆辐射-向外放射长波辐射向外放射长波辐射 -(地表有效辐射地表有效辐射)地面辐射差额：单位面积地表面所吸取总辐射与它有效辐射之地面辐射差额：单位面积地表面所吸取总辐射与它有效辐射之差。差。第160页第160页6.1 地面辐射差额(3)地地面面辐辐射射差差额额特特点点：普普通通夜夜间间为为负负，白白天天为为正正；负负到到正正：日出后日出后1h；正到负：日落前；正到负：日落前l1.5h。第161页第161页大气物理学6.2 地面能量平衡地表净能量通量地表净能量通量=地表净短波辐射通量地表净短波辐射通量-净长波辐射通量净长波辐射通量 -地表感热通量地表感热通量-地表潜热通量地表潜热通量-流进土壤深层热量流进土壤深层热量第162页第162页6.3 气温日改变 气温日改变最高值出现在午后14点左右，最低值出现在清晨日出左右。原因:对流层热量起源于地面,气温具滞后效应.正午:太阳辐射最强.13时:地面热量收=支,地温达最高.而气温由于滞后效应至14时达最大.日出前后地面热量收支由负转正.第163页第163页6.3 气温日改变日较差改变:纬度(高纬冬季)下垫面(海洋陆地)地形(凸地凹地)第164页第164页6.4 气温年改变 气温年改变：中纬大陆气温以7月最高，1月最低；海洋气温以8月最高，2月最低。年较差：高纬不小于低纬，陆地不小于海洋第165页第165页大气物理学6 复习题1、为何气温最高值出现在下午14点左右，最低值出现在凌晨？2、气温日改变、年改变特点。第166页第166页7 地气系统能量平衡（1）太阳短波辐射平衡太阳短波辐射平衡地气长波辐射平衡地气长波辐射平衡第167页第167页大气物理学7 地气系统能量平衡（2）若将入射到大气层顶太阳辐射归一化为若将入射到大气层顶太阳辐射归一化为100个单位，其中个单位，其中被大气吸取太阳辐射有被大气吸取太阳辐射有19个单位（水汽、臭氧、尘埃吸个单位（水汽、臭氧、尘埃吸取为取为16，云吸取为，云吸取为3），被地表吸取有），被地表吸取有51个单位，被反射个单位，被反射太阳辐射有太阳辐射有30个单位（空气分子散射为个单位（空气分子散射为6，云反射为，云反射为20，地面反射为地面反射为4），太阳辐射达到平衡；），太阳辐射达到平衡；被地表吸取被地表吸取51个单位太阳短波辐射中，个单位太阳短波辐射中，21个单位以长波个单位以长波（即红外）辐射形式进入大气（即红外）辐射形式进入大气（15个被大气中水汽和二个被大气中水汽和二氧化碳吸取，氧化碳吸取，6个直接透过大气进入太空），个直接透过大气进入太空），7个以感热个以感热形式进入大气，形式进入大气