大气科学基础第二章.ppt

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1、第二章 大气辐射学,1 辐射概述2 辐射平衡的基本规律3 太阳辐射及其在大气中的衰减4 到达地面的太阳辐射5 地气辐射6 地面辐射差额和气温变化7 地气系统能量平衡,1 辐射概述,1.1 辐射的定义1.2 辐射的传播电磁波1.3 黑体与灰体1.4 辐射场物理量,1.1 辐射的定义,地球和太阳的辐射,1.1 辐射的定义,辐射能是能量的一种形式，物质以电磁波的形式放射的能量，称为辐射能，而这种能量传播方式称为辐射。,1.2 辐射的传播电磁波,1、传播速度：3108m/s2、波长范围：10-16m103m：宇宙射线 射线X射线紫外线可见光红外线（微波）无线电波,(微米),不同电磁波的具体波长范围,可

2、见光波长范围,1.2 辐射的传播电磁波,3、大气科学研究对象：太阳短波辐射、地球和大气长波辐射,1.3 黑体与灰体(1),吸收率 反射率 透射率,水分含量对玉米叶子反射率的影响,不同土壤的反射波谱曲线,各种地表对太阳辐射的反射率（%）,以上图表可以说明什么？,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改变。,1.3 黑体与灰体(2),黑体：若物体对于投射到其上所有波长的辐射都能全部吸收的物体称为绝对黑体。故有：若物体仅对某一波长辐射能全部吸收，称为相对黑体。,A=1,R=0,灰体：A小于1且不随波长而变化的物体。若物体不透明,则透射率=，吸收率A=1-R。,1.3 黑体与灰体

3、(3),实验室黑体:,Q0,1.3 黑体与灰体(3),实验室黑体:,Q0,RQ0,1.3 黑体与灰体(3),实验室黑体:,Q0,RQ0,R2Q0,1.3 黑体与灰体(3),实验室黑体:,Q0,RQ0,R2Q0,RnQ0,吸收率1-Rn,1.3 黑体与灰体(4),黑色物体与黑体的区别？黑色物体只表明它对可见光的反射性质，而对非可见光的吸收无法判定，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，它对辐射是全部吸收的，它考虑的是对辐射的吸收性质。,1.4 辐射场物理量,1、辐射通量：单位时间内通过某一平面的辐射能，也称为辐射功率，单位为J/S或W。2、辐射通量密度F：单位面积的辐射通量，或

4、是单位面积单位时间内通过的辐射能，单位为Wm-2,辐照度 辐出度,辐射光谱,F：分光辐射出射度或者叫单色辐射通量密度，指物体温度为 T 时，单位时间内从单位表面发出的波长在d附近单位波长间隔内的电磁波能量，它表示热辐射能量按波长的分布。,F,d,F：积分辐出度，表示单位时间通过单位面积全部波长的总辐射能。,已知F可计算空间某一面积A上的辐射通量。若，则辐射通量,1 复习题,1、什么是黑体和灰体？黑体与黑色物体有何区别？2、辐射通量、辐射通量密度、辐出度、辐照度、分光辐出度、积分辐出度的概念。,第二章 大气辐射学,1 辐射概述2 辐射平衡的基本规律3 太阳辐射及其在大气中的衰减4 到达地面的太阳

5、辐射5 地气辐射6 地面辐射差额和气温变化7 地气系统能量平衡,2 辐射平衡的基本规律,2.1 辐射平衡2.2 基尔霍夫定律2.3 普朗克定律2.4 玻尔兹曼定律2.5 维恩定律,2.1 辐射平衡,当物体放射出的辐射能等于它吸收的辐射能时，物体处于辐射平衡状态，可用态函数温度T来描述，因此平衡辐射又称为温度辐射。,2.2 基尔霍夫定律,在一定温度下，对某一特定波长而言，任何物体的辐出度与吸收率之比是一个普适函数，该函数只与温度和波长有关，而与物体的其它性质无关。即具有选择吸收性：E(,T)：绝对黑体的分光辐出度，即某一波长范围内的辐出度。,2.2 基尔霍夫定律,基尔霍夫定律的意义：它将物体的放

6、射与吸收联系起来了，只要知道某物体的吸收率就可以知道其放射率，反之亦然。它把各种物质的吸收、放射与黑体的辐射能力联系起来。使我们有可以通过研究黑体的辐射来了解一般物体的辐射。而对于黑体的研究，无论从理论上还是实验上都比较简单。,2.3 普朗克定律,绝对黑体辐射率仅是波长和温度的函数，单位为Wm-2m-1。第一辐射常数C1=3.7427108Wm4m-2第二辐射常数C2=14388mK,2.4 玻尔兹曼定律,黑体的积分辐出度ET与温度T的四次方成正比。（=5.669610-8 Wm-2K-4）有效温度Te：将物体视作绝对黑体时计算出的温度。,5、维恩定律,黑体辐射光谱极大值对应的波长(max)与

7、其本身温度(T)的乘积为一常数。（b=2897.8mK）颜色温度Tc：由光谱测定物体温度。,卫星在火灾监测中的应用,Planck function,Wiens Law,Stefan-Boltzman law,小 结：普朗克定律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Wien位移定律描述了曲线中辐射能力最强对应的波长与温度的关系，Stefan-Boltzmann Law则描述了黑体积分辐射能力与温度的四次方成正比，基尔霍夫定律把任何物体和绝对黑体联系起来。,2 习题,1*、已知太阳辐射的辐出度，其中 为太阳常数，d0为日地平均距离，rs为太阳半径，太阳光谱中最强波

8、长为0.48 m，试求太阳的有效温度Te和颜色温度Tc。(=5.669610-8 Wm-2K-4，=1367Wm-2，rs=6.96105Km，d0=1.496108Km)2*、一不透明物体的辐射通量密度为1396.5Wm-2，反射率为0.3，试求其温度为多少摄氏度?,2 习题,3*、一个物体的温度为300，其最大辐射能量所对应的波长为多少？4、试列出平衡辐射四大定律，并简述其含义。,第二章 大气辐射学,1 辐射概述2 辐射平衡的基本规律3 太阳辐射及其在大气中的衰减4 到达地面的太阳辐射5 地气辐射6 地面辐射差额和气温变化7 地气系统能量平衡,3 太阳辐射及其在大气中的衰减,3.1 太阳辐

9、射及日地关系3.2 大气对辐射的衰减 大气对辐射的吸收 大气对太阳辐射的散射,3.1 太阳辐射及日地关系(1),1、太阳概况：s-sun e-earth半径：rs=6.96105Km，re=6370.9Km，rs 109re 质量：ms 3.3105me体积：Vs 1.36106Ve表面温度：Ts 5800K地球接收太阳辐射为181016W，约为太阳总辐射能量的22亿分之一。,3.1 太阳辐射及日地关系(2),2、日地关系,1月2日,3.1 太阳辐射及日地关系(2),平均日地距离,2、日地关系,1月2日,7月4日,四季的变化是怎么产生的？,3.1 太阳辐射及日地关系(3),3.1 太阳辐射及日

10、地关系(4),3、太阳辐射光谱：太阳辐射光谱6000K的黑体光谱，其中可见光50%，红外43%，紫外7%，绝大部分能量集中于0.154m，故太阳辐射也称为短波辐射。,图中：实线是大气上界的太阳辐射光谱；虚线是温度在6,000K时的黑体辐射光谱。,3.1 太阳辐射及日地关系(4),4、太阳常数：当地球位于日地平均距离处，与日光垂直平面上的太阳辐照度。,Average Solar Radiation on a Sphere,3.1 习题（1）,1、概念:太阳常数2、试从日地关系解释地球上季节变化的原因。3*、已知太阳常数为 1367，请计算（1）太阳表面的辐射出射度；（2）全太阳表面的辐射通量；（

11、3）整个地球得到的太阳辐射通量占太阳发射辐射通量的份数。,4*、设大气上界太阳直接辐射在近日点时为S1，在远日点时为S2，求其相对变化值。5*、设太阳表面为5800K的黑体，地球大气上界表面为300K的黑体，在日地平均距离时，求大气上界处波长为10m的太阳单色辐照度及地球的单色辐射出射度。,3.1 习题（2）,6*、如果太阳常数增加4%，则太阳表面有效温度升高多少度？地球表面有效温度升高多少度（行星反射率为0.3）？,3.1 习题（3）,3.2 大气对辐射的衰减,大气对太阳短波辐射的削弱：主要是吸收和散射作用。大气对地气长波辐射的削弱：往往只考虑吸收，忽略散射。大气对辐射的吸收大气对太阳辐射的

12、散射,大气对辐射的吸收,1、选择性吸收 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、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6.3m振动带大于12m转动带,2、大气吸收光谱,H2OH2O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。,2、大气吸收光谱,O2主要在小于0.25m的紫外区：舒曼-龙格（Schumann-Runge）吸收带赫兹堡（Herzberg）带因小于0.25m的太阳辐射能量不到0.2%，而且O2在可见光波段的两吸收带较弱(A带、B带

13、），所以对太阳辐射的削弱不大。,2、大气吸收光谱,2、大气吸收光谱,O3强吸收在的紫外区：哈特来（Hartley）带最强哈金斯（Huggins）带较弱可见光区：查普尤（Chappuis）带较弱O3层吸收太阳辐射的2%平流层温度高的原因（图）红外区：4.7m、9.6m、14.1m较强吸收带,2、大气吸收光谱,2、大气吸收光谱,CO2大于2m的红外区：较强中心：2.7m、4.3m、15m（图）对长波辐射，以15m最重要,2、大气吸收光谱,太阳辐射：紫外14m远红外辐射几乎全吸收，除大气之窗。,2、大气吸收光谱,紫外,可见,红外,远红外,3、大气之窗：除了9.6m附近臭氧有一个较强的吸收带外，在81

14、2m波段，整层大气对长波辐射吸收很弱，称为大气之窗。,3 太阳辐射及其在大气中的衰减,3.1 太阳辐射及日地关系3.2 大气对辐射的衰减 大气对辐射的吸收 大气对太阳辐射的散射 对太阳辐射需考虑散射，对长波辐射可忽略。,分子散射：散射能力与波长的四次方成反比，即散射具有波长选择性，散射能量分布呈对称球形。,1、分子散射与米散射,1、分子散射与米散射,分子散射：散射能力与波长的四次方成反比，即散射具有波长选择性，散射能量分布呈对称球形。米散射：散射对所有波长的辐射都同样地发生，无波长选择性，散射能量在入射光方向伸长，散射质点越大，偏离对称越多。,2、尺度数,散射在整个电磁波谱内都会发生，但散射的

15、强弱及散射能 量的空间分布与波长、散射质点的相对大小有关。尺度数：,x：尺度数 a：粒子半径：入射辐射波长,3、散射过程分类,（1）瑞利散射：50，r（大雨滴对可见光产生折射、反射现象,散射类型是由入射辐射波长与质点半径的相对大小来确定。,问题1：为何晴朗的天空呈蓝色？云是白色的？问题2：为什么三伏天最热？,3.2 复习题,1、大气对太阳辐射的削弱作用有哪些？试列出吸收太阳辐射的主要气体和吸收光谱。2、大气对辐射的散射作用可分为哪几类？,第二章 大气辐射学,1 辐射概述2 辐射平衡的基本规律3 太阳辐射及其在大气中的衰减4 到达地面的太阳辐射5 地气辐射6 地面辐射差额和气温变化7 地气系统能

16、量平衡,4 到达地面的太阳辐射,包括两部分：太阳直接辐射和天空散射辐射。4.1 到达地面的太阳直接辐射4.2 散射辐射4.3 总辐射4.4 地面对太阳辐射的反射,4.1 到达地面的太阳直接辐射,1、直接辐射：太阳以平行光的形式，投射到地面上的那部分辐射能，称为直接辐射，通常以到达水平面上的太阳直接辐射的辐照度Sm来表示直接辐射的大小。2、直接辐射的影响因子：（1）太阳高度角（2）大气透明度,（1）太阳高度角,太阳高度角h：太阳光的入射方向和地平面之间的夹角。太阳天顶角：太阳高度角的余角。,A,B,a、太阳高度角越大，等量的太阳辐射散布的面积就越小（图a），地表单位面积上所获得的太阳辐射能就越大

17、。（图b）,水平面上的太阳辐照度,与日光垂直平面上的太阳辐照度,AC面接收的辐射能与AB面上所接收的辐射能相等,当h=90时，,当90h0时，,b、太阳高度角越小，太阳光透过的大气层就越厚，削弱就越强，到达地面的太阳辐射就越小。当h=90时，太阳光在大气中的射程为OA。当90h0时，太阳光在大气中的射程为OC。,（2）大气透明度,大气透明度：大气对太阳辐射的透射程度透明系数（p）:指透过一个大气质量的辐射强度与进入该大气的辐射强度之比。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I，则主要影响因素:水汽、凝结物、杂质等。,4.2 散射辐射,天空散射辐射SD：水平地表面上的自天

18、空各方向上大气散射来的太阳辐射通量密度，单位为Wm-2。,影响因子：太阳高度角、大气透明度、云、地表反射率等。散射变化：一天中中午前后最大，一年中夏季最大。,4.2 散射辐射,4.3 总辐射,1、地面总辐射：到达水平地表面的太阳直接辐射与天空散射之和,单位为Wm-2。SG=Sm+SD2、总辐射影响因子：太阳高度角、大气透明度、云量等,4.3 总辐射,3、总辐射日变化日出以前，地面上总辐射的收入不多，其中只有散射辐射；日出以后，随着太阳高度的升高，太阳直接辐射和散射辐射逐渐增加，但前者增加得较快；当h=8时，直接辐射=散射辐射；当h=50时，散射辐射值仅相当总辐射的1020；中午时，太阳直接辐射

19、与散射辐射强度均达到最大值；中午以后，二者又按相反的次序变化。,4.3 总辐射,4、总辐射分布特点：日总量随纬度的增大而减小，最大的在20N。我国最大总辐射：西藏、青海、新疆；次之辐射：黄河流域；最小辐射：长江流域、华南地区。,4.4 地面反射辐射,地表反射率：与下垫面性质和状态有关。反射率与地面状况、颜色、粗糙度、植被、土壤性质有关。新雪：8095%裸地：7%20%,不同性质地面的反射率（%）,第二章 大气辐射学,1 辐射概述2 辐射平衡的基本规律3 太阳辐射及其在大气中的衰减4 到达地面的太阳辐射5 地气辐射6 地面辐射差额和气温变化7 地气系统能量平衡,5.1地面辐射,1、概念：地面吸收

20、太阳辐射能后不停地向外放射辐射，称为地面辐射。2、最大放射能量所对应的波长为10-15m。,5.2大气辐射,1、概念：大气吸收地面辐射后向外放射辐射，称为大气辐射。属于长波辐射（3-120 m）。2、大气的主要吸收体：水（水汽和液态水）、二氧化碳、臭氧。3、地面长波辐射极少能透过大气进入宇宙空间，除大气之窗。,透射率（%）,O3,CO2,CO2,H2O,H2O,（1）太阳辐射中的直接辐射是作为定向的平行辐射进入大气的，而地面和大气辐射是漫射辐射。,5.3大气中长波辐射的特点,漫射辐射,平行辐射,5.3 大气中长波辐射的特点,大气散射,（1）太阳辐射中的直接辐射是作为定向的平行辐射进入大气的，而

21、地面和大气辐射是漫射辐射。（2）长波辐射在大气中传播时，可以不考虑散射作用。（3）太阳辐射在大气中传播时，仅考虑大气对太阳辐射的削弱作用，而未考虑大气本身辐射的影响。但考虑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，而且还要考虑大气本身放射的长波辐射。大气本身放射的辐射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的那部分大气辐射称为大气逆辐射。,5.3大气中长波辐射的特点,5.4大气逆辐射和保温效应,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，因此其对地面有保温作用。地球无大气：T=-23 有大气：T=15 月球白天：T=127 夜晚：T=-183,

22、5.5地面的有效辐射,1、概念：地面有效辐射F0:地面放射的辐射Eg与地面吸收的大气逆辐射Ea之差。F0表示地表损失热量的多少。一般地面失去热量（逆温和湿度很大时例外）,4、5 习题,1、概念：太阳直接辐射、天空散射辐射、地面总辐射、大气之窗、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3、大气中长波辐射的特点,),第二章 大气辐射学,1 辐射概述2 辐射平衡的基本规律3 太阳辐射及其在大气中的衰减4 到达地面的太阳辐射5 地气辐射6 地面辐射差额和气温变化7 地气系统能量平衡,6 地面辐射差额和能量平衡,6.1 地面辐射差额6.2 地面能量平衡6.3 气温日变化6.

23、4 气温年变化,6.1 地面辐射差额(1),辐射差额（净辐射）=收入辐射能-支出辐射能,6.1 地面辐射差额(2),地 面 辐 射 差 额=吸收的太阳总辐射+吸收的大气逆辐射-向外放射的长波辐射,6.1 地面辐射差额(2),地 面 辐 射 差 额=吸收的太阳总辐射+吸收的大气逆辐射-向外放射的长波辐射-(地表有效辐射),地面辐射差额：单位面积地表面所吸收的总辐射与它的有效辐射之差。,6.1 地面辐射差额(3),地面辐射差额特点：一般夜间为负，白天为正；负到正：日出后1h；正到负：日落前l1.5h。,6.2 地面能量平衡,地表净能量通量=地表净短波辐射通量-净长波辐射通量-地表感热通量-地表潜热

24、通量-流进土壤深层的热量,6.3 气温日变化,气温日变化最高值出现在午后14点左右，最低值出现在清晨日出左右。原因:对流层热量来源于地面,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.,6.3 气温日变化,日较差变化:纬度(高纬冬季)下垫面(海洋陆地)地形(凸地凹地),6.4 气温年变化,气温年变化：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：高纬大于低纬，陆地大于海洋,6 复习题,1、为什么气温最高值出现在下午14点左右，最低值出现在凌晨？2、气温日变化、年变化特点。,第二章

25、 大气辐射学,1 辐射概述2 辐射平衡的基本规律3 太阳辐射及其在大气中的衰减4 到达地面的太阳辐射5 地气辐射6 地面辐射差额和气温变化7 地气系统能量平衡,7 地气系统能量平衡（1）,太阳短波辐射平衡,地气长波辐射平衡,7 地气系统能量平衡（2）,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19个单位（水汽、臭氧、尘埃吸收为16，云吸收为3），被地表吸收的有51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51个单位太阳短波辐射中，21个单位以长波（即红外）辐射的形式进入大气（15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），7个以感热的形式进入大气，23个以潜热的形式进入大气；,7 地气系统能量平衡（3）,对大气而言，它吸收了19个单位太阳辐射，15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。,7 复习题,1、以投射到大气顶的太阳辐射有100个单位为例,说明地气系统能量如何达到平衡？,谢谢,