地面輻射與大氣輻射.ppt

大氣科學(xué)概論 大氣科學(xué)概論王偉 第二章大氣的熱能和溫度 太陽輻射地面和大氣的輻射大氣的增溫和冷卻大氣溫度隨時(shí)間的變化大氣溫度的空間分布 太陽輻射 一 輻射的基本知識二 太陽輻射 第二章大氣的熱能和溫度 太陽輻射地面和大氣的輻射大氣的增溫和冷卻大氣溫度隨時(shí)間的變化大氣溫度的空間分布 地面和大氣的輻射 一 地面 大氣的輻射和地面有效輻射二 地面及地氣系統(tǒng)輻射差額 地面和大氣的輻射 一 地面 大氣的輻射和地面有效輻射二 地面及地氣系統(tǒng)輻射差額 一 地面 大氣的輻射和地面有效輻射 下墊面 大氣的直接熱源太陽輻射雖然是地球上的主要能源 大氣吸收太陽直接輻射很少 下墊面 水 陸 植被等地球表面 卻能大量吸收太陽輻射 并供給大氣 在研究大氣熱狀況時(shí) 必須了解地面和大氣之間交換熱量的方式及地 氣系統(tǒng)的輻射差額 大氣對太陽短波輻射吸收很少 但對地面的長波輻射卻能強(qiáng)烈吸收 通過長波輻射 地 氣之間 以及大氣中氣 氣之間 相互交換熱量 并也將熱量向宇宙空間散發(fā) 一 地面和大氣輻射的表示地面和大氣都按其本身的溫度向外放出輻射能 由于它們不是絕對黑體 運(yùn)用斯蒂芬 波耳茲曼定律 可寫成如下形式Eg T4 地面的輻射能力 地面相對輻射率Ea T4 大氣的輻射能力 大氣相對輻射率如地面溫度為15 以 0 9 則可算得同樣 當(dāng)?shù)孛鏈囟葹?5 根據(jù)維恩定律可算得即該溫度下地面最強(qiáng)的輻射能位于波長10 m左右的光譜范圍內(nèi) 一 地面 大氣的輻射和地面有效輻射 一 地面 大氣的輻射和地面有效輻射 二 地面和大氣長波輻射的特點(diǎn)1 大氣對長波輻射的吸收大氣中對長波輻射的吸收起重要作用的成分有水汽 液態(tài)水 二氧化碳和臭氧等 它們對長波輻射的吸收同樣具有選擇性 地面長波輻射在8 12 m范圍中放射能力較強(qiáng) 而水不吸收 臭氧吸收窄 因此此波段全部透過大氣層 在高空看地面在此波段開了一個(gè) 天窗 因此此波段稱為 大氣窗 大氣窗存在的意義 此波段是地面輻射強(qiáng)區(qū) 約占20 可利用紅外輻射觀測此波段的輻射強(qiáng)弱 推斷地表溫度的變化 9 6 m附近狹窄的臭氧吸收帶 透明度最大大氣窗口 地面放射的14 m以上的遠(yuǎn)紅外輻射 幾乎能全部吸收 故此帶可以看成近于黑體 一 地面 大氣的輻射和地面有效輻射 水汽對長波輻射的吸收最為顯著 除8 12 m波段的輻射外 其它波段都能吸收 并以6 m附近和24 m以上波段的吸收能力最強(qiáng) 液態(tài)水對長波輻射的吸收性質(zhì)與水汽相仿 只是作用更強(qiáng)一些 厚度大的云層表面可當(dāng)作黑體表面 二氧化碳有兩個(gè)吸收帶 中心分別位于4 3 m和14 7 m 第一個(gè)吸收帶位于溫度為200 300K決瀆很替的放射能量曲線的末端 其作用不大 第二個(gè)吸收帶從12 9 17 1 m 比較重要 2 大氣中長波輻射的特點(diǎn)長波輻射在大氣中的傳輸過程與太陽輻射的傳輸有很大不同 第一 太陽輻射中的直接輻射是作為定向的平行輻射進(jìn)入大氣 地面和大氣輻射是漫射輻射 第二 太陽輻射在大氣中傳播時(shí) 僅考慮大氣對太陽輻射的削弱作用 而未考慮大氣本身的輻射的影響 這是因?yàn)榇髿猱a(chǎn)生的短波輻射是極其微弱的 長波輻射在大氣中的傳播時(shí) 不僅要考慮大氣對長波輻射的吸收 而且還要考慮大氣本身的長波輻射 第三 大氣對太陽輻射有散射作用 長波輻射在大氣中傳播時(shí) 可以不考慮散射作用 這是由于大氣中氣體分子和塵粒的尺度比長波輻射的波長要小得多 散射作用非常微弱 一 地面 大氣的輻射和地面有效輻射 一 地面 大氣的輻射和地面有效輻射 三 大氣逆輻射和地面有效輻射1 大氣逆輻射和大氣保溫效應(yīng)大氣輻射指向地面的部分稱為大氣逆輻射 大氣逆輻射使地面因放射輻射而損耗的能量得到一定的補(bǔ)償 由此可看出大氣對地面有一種保暖作用 這種作用稱為大氣的保溫效應(yīng) 一 地面 大氣的輻射和地面有效輻射 大氣逆輻射的作用 其值的大小 決定了地表得到熱能補(bǔ)償?shù)亩嗌?因此其對地面有保溫作用 地球 無大氣 T 23 有大氣 T 15 月球 白天 T 127 夜晚 T 183 38 一 地面 大氣的輻射和地面有效輻射 2 地面有效輻射地面放射的輻射 Eg 與地面吸收的大氣逆輻射 Ea 之差 稱為地面有效輻射 以F0表示 則F0 Eg Ea 影響有效輻射的主要因子有 地面溫度 空氣溫度 空氣濕度和云況 一般情況下 在濕熱的天氣條件下 有效輻射比干冷時(shí)小 有云覆蓋時(shí)比晴朗天空條件下有效輻射小 空氣混濁度大時(shí)比空氣干潔時(shí)有效輻射小 在夜間風(fēng)大時(shí)有效輻射小 海拔高度高的地方有效輻射大 當(dāng)近地層氣溫隨高度顯著降低時(shí) 有效輻射大 有逆溫時(shí)有效輻射小 甚至可出現(xiàn)負(fù)值 此外 有效輻射還與地表面的性質(zhì)有關(guān) 平滑地表面的有效輻射比粗糙地表面有效輻射小 有植物覆蓋時(shí)的有效輻射比裸地的有效輻射小 一 地面 大氣的輻射和地面有效輻射 有效輻射的時(shí)間變化 有效輻射具有明顯的日變化和年變化 其日變化具有與溫度日變化相似的特征 在白天 由于低層大氣中垂直溫度梯度增大 所以有效輻射值也增大 中午12 14時(shí)達(dá)最大 而在夜間由于地面輻射冷卻的緣故 有效輻射值也逐漸減小 在清晨達(dá)到最小 當(dāng)天空有云時(shí) 可以破壞有效輻射的日變化規(guī)律 有效輻射的年變化也與氣溫的年變化相似 夏季最大 冬季最小 但由于水汽和云的影響使有效輻射的最大值不一定出現(xiàn)在盛夏 我國秦嶺 淮河以南地區(qū)有效輻射秋季最大 春季最小 華北 東北等地區(qū)有效輻射則春季最大 夏季最小 這是由于水汽和云況的影響 地面和大氣的輻射 一 地面 大氣的輻射和地面有效輻射二 地面及地氣系統(tǒng)輻射差額 二 地面及地氣系統(tǒng)輻射差額 地面和大氣因輻射進(jìn)行熱量的交換 其能量的收支狀況 是由短波和長波輻收支作用的總和來決定的 物體收入輻射能與支出輻射能的差值稱為凈輻射或輻射差額 即 輻射差額 收入輻射 支出輻射在沒有其它方式進(jìn)行熱交換時(shí) 輻射差額決定物體的升溫或降溫 輻射差額不為零 表明物體收支的輻射能不平衡 會(huì)有升溫或降溫產(chǎn)生 輻射差額為零時(shí) 物體的溫度保持不變 二 地面及地氣系統(tǒng)輻射差額 一 地面的輻射差額地面由于吸收太陽總輻射和大氣逆輻射而獲得能量 同時(shí)又以其本身的溫度不斷向外放出輻射而失去能量 某段時(shí)間內(nèi)單位面積地表面所吸收的總輻射和其有效輻射之差值 稱為地面的輻射差額Rg 表示單位水平面積 單位時(shí)間的輻射差額 Rg Q q 1 a F0式中 Q q 是到達(dá)地面的太陽總輻射 即太陽直接輻射和散射輻射之和 a為地面對總輻射的反射率 F0為地面的有效輻射 二 地面及地氣系統(tǒng)輻射差額 顯然 地面輻射能量的收支 決定于地面的輻射差額 當(dāng)Rg 0時(shí) 即地面所吸收的太陽總輻射大于地面的有效輻射 地面將有熱量的積累 當(dāng)Rg 0時(shí) 則地面因輻射而有熱量的虧損 影響地面輻射差額的因子很多 除考慮到影響總輻射和有效輻射的因子外 還應(yīng)考慮地面反射率的影響 反射率是由不同的地面性質(zhì)決定的 所以不同的地理環(huán)境 不同的氣候條件下 地面輻射差額值有顯著的差異 輻射差額各分量的日變化 地面輻射和有效輻射曲線對正午來說是不對稱的 因?yàn)榈乇碜罡邷囟瘸霈F(xiàn)在13時(shí)左右 輻射差額負(fù)值 輻射差額正值 輻射差額負(fù)值 二 地面及地氣系統(tǒng)輻射差額 二 地面及地氣系統(tǒng)輻射差額 地面輻射差額的時(shí)間變化 地面輻射差額具有日變化和年變化 一般夜間為負(fù) 白天為正 由負(fù)值轉(zhuǎn)到正值的時(shí)刻一般在日出后1h 由正值轉(zhuǎn)到負(fù)值的時(shí)刻一般在日落前1 1 5h 在一年中 一般夏季輻射差額為正 冬季為負(fù)值 最大值出現(xiàn)在較暖的月份 最小值出現(xiàn)在較冷的月份 地面輻射差額的地理變化 輻射差額的年振幅隨地理緯度的增加而增大 對同一地理緯度來說 陸地的年振幅大于海洋的年振幅 全球各緯度絕大部分地區(qū)地面輻射差額的年平均值都是正值 只有在高緯度和某些高山終年積雪區(qū)才是負(fù)值 就整個(gè)地球表面平均來說是收入大于支出的 也就是說地球表面通過輻射方式獲得能量 地面輻射差額特點(diǎn) 時(shí)空分布 1 一天之中Rg的大小決定于太陽的總輻射 2 年變化特點(diǎn) 隨緯度增加Rg 0的時(shí)間就減少 二 地面及地氣系統(tǒng)輻射差額 二 地面及地氣系統(tǒng)輻射差額 二 大氣的輻射差額大氣的輻射差額可分為整個(gè)大氣層的輻射差額和某一層大氣的輻射差額 Ra整個(gè)大氣層的輻射差額qg整個(gè)大氣層所吸收的太陽輻射F0地面有效輻射F 大氣上界有效輻射Ra qa F0 F F F0 qa F F0 所以Ra是負(fù)值 大氣要維持熱平衡 還要靠地面以對流及潛熱釋放等來輸送一部分熱量給大氣 二 地面及地氣系統(tǒng)輻射差額 三 地 氣系統(tǒng)的輻射差額如果把地面和大氣看作為一個(gè)整體 其輻射能的凈收入為Rs Q q 1 a qa F Q q是到達(dá)地面的太陽總輻射qa大氣所吸收的太陽輻射F 大氣上界的有效輻射a為地面對總輻射的反射率就個(gè)別地區(qū)來說 地氣系統(tǒng)的輻射差額既可以為正 也可以為負(fù) 但就整個(gè)地氣系統(tǒng)來說 這種輻射差額的多年平均應(yīng)為零 因觀測表明 整個(gè)地球和大氣的平均溫度多年來是沒有什么變化 也就說明了整個(gè)地 氣系統(tǒng)所吸收的輻射能量和放射