地面和大氣中的輻射過程

1、第三節(jié)第三節(jié) 太陽輻射的理論分布太陽輻射的理論分布 第二篇第二篇 大氣物理基礎(chǔ)大氣物理基礎(chǔ)第五章第五章 地面和大氣中的輻射過程地面和大氣中的輻射過程一、太陽輻射光譜和太陽常數(shù)一、太陽輻射光譜和太陽常數(shù)第二篇第二篇第五章第三節(jié)第五章第三節(jié)太陽輻射中輻射能按波長的分布，稱為太陽輻射光譜。 一、太陽輻射光譜和太陽常數(shù)一、太陽輻射光譜和太陽常數(shù)第二篇第二篇第五章第三節(jié)第五章第三節(jié) 太陽常數(shù)是一個用來衡量地球所獲得太陽輻射能多少的常數(shù)，是假定地球位于日地平均距離處時，地球大氣上界垂直于太陽光線的單位面積上在單位時間內(nèi)接受到的太陽輻射的全譜總能量。 dSS00 ,0太陽常數(shù) 大氣上界在日地平均距離 時與太

2、陽光垂直的平面上的太陽分光輻照度 0d0d二二 、大氣上界的太陽輻射能、大氣上界的太陽輻射能第二篇第二篇第五章第三節(jié)第五章第三節(jié)0200)(sdds 任意時刻大氣上界與陽光垂直的平面上所接受的太陽輻照度 太陽常數(shù) 任意時刻的日地距離 日地平均距離 二二 、大氣上界的太陽輻射能、大氣上界的太陽輻射能第二篇第二篇第五章第三節(jié)第五章第三節(jié))coscoscossin(sin)(2000ddss大氣上界水平面上的太陽輻射能到達(dá)水平面上的太陽輻照度 三、到達(dá)大氣上界的太陽輻射日總量三、到達(dá)大氣上界的太陽輻射日總量第二篇第二篇第五章第三節(jié)第五章第三節(jié)dddTdSQmmd00020),sincoscossin

3、sin(日地距離訂正因素 三、到達(dá)大氣上界的太陽輻射日總量第二篇第二篇第五章第三節(jié)第五章第三節(jié)三、到達(dá)大氣上界的太陽輻射日總量第二篇第二篇第五章第三節(jié)第五章第三節(jié) (1)北回歸線以北的任一緯度上，一年中太陽輻射能日總量夏至日最大，冬至日最小。而南回歸線以南的南半球各緯度上，一年中太陽輻射日總量冬至日最大，夏至日最小。（2）北極地區(qū)，夏季有極晝，冬季有極夜，南半球相反。所以北極地區(qū)太陽輻射日總量夏季較大，冬季為零。而南極地區(qū)相反。（3）南北回歸線之間的地區(qū)，一年中太陽高度角相差不大，所以太陽輻射日總量一年中相差不大。但在極地附近，因有極晝與極夜出現(xiàn)，因此太陽輻射日總量差異較大。 （4）南、北半球

4、接收的太陽輻射日總量的分布是不對稱的。 第四節(jié)第四節(jié) 太陽輻射在大氣中的減弱太陽輻射在大氣中的減弱第二篇第二篇 大氣物理基礎(chǔ)大氣物理基礎(chǔ)第五章第五章 地面和大氣中的輻射過程地面和大氣中的輻射過程一、大氣對太陽輻射的吸收作用一、大氣對太陽輻射的吸收作用第二篇第二篇第五章第四節(jié)第五章第四節(jié)（一）大氣的吸收光譜（一）大氣的吸收光譜一、大氣對太陽輻射的吸收作用一、大氣對太陽輻射的吸收作用第二篇第二篇第五章第四節(jié)第五章第四節(jié)（二）大氣中各種成分對太陽輻射的吸收（二）大氣中各種成分對太陽輻射的吸收一、大氣對太陽輻射的吸收作用一、大氣對太陽輻射的吸收作用第二篇第二篇第五章第四節(jié)第五章第四節(jié)（一）大氣的吸收光

5、譜（一）大氣的吸收光譜1 1、氧和臭氧、氧和臭氧 氧對太陽輻射的吸收帶主要在0.25微米以下的紫外區(qū)，吸收很強(qiáng)。臭氧在紫外區(qū)和可見光區(qū)都有吸收帶 。 第二篇第二篇第五章第四節(jié)第五章第四節(jié)舒曼龍格吸收帶位于0.1250.2026微米；赫茲堡吸收帶位于0.19610.2439微米 氧在可見光區(qū)的吸收帶：位于0.69微米附近 和 0.76微米附近 氧氣的吸收帶第二篇第二篇第五章第四節(jié)第五章第四節(jié)哈特來哈特來(Hartley)帶帶，波長范圍0.220.3微米之間 ，吸收最強(qiáng)；哈金哈金斯（斯（Huggins）吸收）吸收帶帶，波長為0.320.36微米 較弱臭氧在可見光區(qū)的吸收帶：波長范圍在0.440.7

6、5微米 臭氧的吸收帶紅外波段臭氧比較強(qiáng)的吸收帶是4.7微米、9.6微米和14.1微米。 一、大氣對太陽輻射的吸收作用一、大氣對太陽輻射的吸收作用第二篇第二篇第五章第四節(jié)第五章第四節(jié)（一）大氣的吸收光譜（一）大氣的吸收光譜2 2、水汽和液態(tài)水、水汽和液態(tài)水水汽對太陽輻射的吸收帶和吸收線主要位于紅外區(qū) ，在紅外區(qū)從波長0.702.85微米之間有7個主要的吸收帶 一、大氣對太陽輻射的吸收作用一、大氣對太陽輻射的吸收作用第二篇第二篇第五章第四節(jié)第五章第四節(jié)水汽和液態(tài)水的吸收帶一、大氣對太陽輻射的吸收作用一、大氣對太陽輻射的吸收作用第二篇第二篇第五章第四節(jié)第五章第四節(jié)（一）大氣的吸收光譜（一）大氣的吸收

7、光譜3 3、二氧化碳、二氧化碳二氧化碳在波長大于2微米的紅外區(qū)有若干個吸收帶，比較強(qiáng)的中心位于2.7微米、4.3微米和15微米。 一、大氣對太陽輻射的吸收作用一、大氣對太陽輻射的吸收作用第二篇第二篇第五章第四節(jié)第五章第四節(jié)二氧化碳的吸收帶一、大氣對太陽輻射的吸收作用一、大氣對太陽輻射的吸收作用第二篇第二篇第五章第四節(jié)第五章第四節(jié) 大氣對太陽輻射的吸收，平流層以上主要是氧和臭氧對紫外輻射的吸收，平流層至地面主要是水汽對紅外輻射的吸收。整層大氣吸收削弱掉太陽輻射能的19%。 二、大氣對太陽輻射的散射二、大氣對太陽輻射的散射第二篇第二篇第五章第四節(jié)第五章第四節(jié)r2尺度函數(shù)二、大氣對太陽輻射的散射二、

8、大氣對太陽輻射的散射第二篇第二篇第五章第四節(jié)第五章第四節(jié)（一）瑞利散射（一）瑞利散射1（r）的散射稱為瑞利（Rayleigh）散射，也稱分子散射散射截面 ：表示粒子散射光的總能量等于數(shù)值為 的一塊面積從入射光中截取的能量。 scsc,sck 單位體積中各個粒子散射截面 之和為體積散射削弱系數(shù) ，對于N個相同的顆粒，例如空氣分子，有scscNksc二、大氣對太陽輻射的散射二、大氣對太陽輻射的散射第二篇第二篇第五章第四節(jié)第五章第四節(jié)（一）瑞利散射（一）瑞利散射 設(shè)在單位面積光柱中，投射的輻射能力為F，經(jīng)過dL氣層后，散射掉d F的輻射，則dLFkdFsc,單位體積的散射削弱系數(shù) 二、大氣對太陽輻射

9、的散射二、大氣對太陽輻射的散射第二篇第二篇第五章第四節(jié)第五章第四節(jié)（一）瑞利散射（一）瑞利散射 4423,13) 1(32CNmksc單位體積散射質(zhì)點(diǎn)的數(shù)目 介質(zhì)的折射率 入射光的波長對于空氣分子，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，m=1.000293，N0=2.6881025m-3, 330100563. 1mC二、大氣對太陽輻射的散射二、大氣對太陽輻射的散射第二篇第二篇第五章第四節(jié)第五章第四節(jié)（一）瑞利散射（一）瑞利散射 46, 0 ,100563. 1sck在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積散射削弱系數(shù), 0,sck二、大氣對太陽輻射的散射二、大氣對太陽輻射的散射第二篇第二篇第五章第四節(jié)第五章第四節(jié)（一）瑞利散射（一）瑞利

10、散射 瑞利散射還有一個特點(diǎn)是質(zhì)點(diǎn)散射對于其光學(xué)特性來說是對稱的球形 二、大氣對太陽輻射的散射二、大氣對太陽輻射的散射第二篇第二篇第五章第四節(jié)第五章第四節(jié)（二）米散射（二）米散射 散射效率因子scQ2rQscsc表示米散射的削弱情況。散射效率因子是粒子的散射截面與粒子幾何截面之比，即二、大氣對太陽輻射的散射二、大氣對太陽輻射的散射第二篇第二篇第五章第四節(jié)第五章第四節(jié)（三）幾何光學(xué)散射（三）幾何光學(xué)散射50，即r時的散射，屬于幾何光學(xué)散射的范疇 三、云層對太陽輻射的反射三、云層對太陽輻射的反射第二篇第二篇第五章第四節(jié)第五章第四節(jié) 四、四、布格布格朗伯（朗伯（Bouguer-Lambert）定律）定

11、律 第二篇第二篇第五章第四節(jié)第五章第四節(jié) labdlkleEE0,0 ,0lEdEE 0,ElE,dlkENdlEdEabab,吸收截面：粒子所吸收的輻射能相當(dāng)于面積從入射輻射場中所截獲的輻射能。 體積吸收系數(shù) ababNk第二篇第二篇第五章第四節(jié)第五章第四節(jié) 四、四、布格布格朗伯（朗伯（Bouguer-Lambert）定律）定律 ,ababkk質(zhì)量吸收系數(shù)密度labdlkleEE0,0,labdlkleEE0,0,布朗定律第二篇第二篇第五章第四節(jié)第五章第四節(jié) 四、四、布格布格朗伯（朗伯（Bouguer-Lambert）定律）定律 對于所有波長的輻射，有l(wèi)abdlkleEE00對于所有波長的體

12、積吸收系數(shù),abscexkkk衰減系數(shù)散射削弱系數(shù)lexlexdlkdlkleEeEE0,0,0 ,0 ,對于散射和吸收所引起的總衰減，有l(wèi)exlexdlkdlkleEeEE0000第二篇第二篇第五章第四節(jié)第五章第四節(jié) 四、四、布格布格朗伯（朗伯（Bouguer-Lambert）定律）定律 lexlexdlkdlkleEeEE0000lexlexdlkdlk00光學(xué)厚度表示沿輻射傳輸路徑，單位截面積上所有吸收和散射物質(zhì)產(chǎn)生的總削弱 體積削弱系數(shù)（含散射和吸收）質(zhì)量削弱系數(shù)（含散射和吸收）lexlexdlkdlk0,0,某一波長的光學(xué)厚度第二篇第二篇第五章第四節(jié)第五章第四節(jié) 四、四、布格布格朗伯

13、（朗伯（Bouguer-Lambert）定律）定律 指數(shù)削弱規(guī)律還可以寫為：eEEl0 ,eEEl0,單色透過率將整層大氣在垂直方向上的透過率稱為透明系數(shù)，單色輻射透明系數(shù)為 )0( eP表示當(dāng)太陽位于天頂?shù)臅r候，到達(dá)地面的太陽單色直接輻射通量密度與大氣上界太陽單色輻射通量密度的比值 第二篇第二篇第五章第四節(jié)第五章第四節(jié) 四、四、布格布格朗伯（朗伯（Bouguer-Lambert）定律）定律 0 ,EEl指數(shù)削弱規(guī)律用透明系數(shù)表示可以寫為 定義輻射束沿傳輸路徑在單位截面氣柱內(nèi)所吸收或散射的氣體質(zhì)量為光學(xué)質(zhì)量 ldlu0日光垂直入射時的光學(xué)厚度可表示為：0dzu利用均質(zhì)大氣概念，上面的公式可以表

14、示為Hdzu00第五節(jié)第五節(jié) 到達(dá)地面的太陽輻射到達(dá)地面的太陽輻射第二篇第二篇 大氣物理基礎(chǔ)大氣物理基礎(chǔ)第五章第五章 地面和大氣中的輻射過程地面和大氣中的輻射過程第二篇第二篇第五章第五節(jié)第五章第五節(jié) 一、直接輻射一、直接輻射 太陽以平行光的方式，投射到地面上的那一部分輻射能，稱為直接輻射 avOPRkkkkkk,大氣總的距離衰減系數(shù) 氣體分子散射所引起的衰減 氣溶膠粒子散射所引起的衰減 臭氧吸收所引起的衰減 水汽吸收所引起的衰減 其他氣體分子（主要是二氧化碳和氧氣）吸收所引起的衰減 第二篇第二篇第五章第五節(jié)第五章第五節(jié) 一、直接輻射一、直接輻射 在地面上與日光垂直平面上的太陽分光直接輻照度為

15、)exp(00 ,dlkSSavOPRkkkkkk,)(exp)exp(,0,00,avOPRSdlkSS第二篇第二篇第五章第五節(jié)第五章第五節(jié) 一、直接輻射一、直接輻射 avOPRSdlkSS,0 ,00 ,)exp(太陽直接輻照度還可以可根據(jù)各組分透過率的乘積計(jì)算 第二篇第二篇第五章第五節(jié)第五章第五節(jié) 一、直接輻射一、直接輻射 通常以到達(dá)水平面上的太陽直接輻射的輻照度來表示直接輻射的大小sinh)(00mLpddSS)coscoscossin(sin)(00mLpddSS第二篇第二篇第五章第五節(jié)第五章第五節(jié)一、直接輻射一、直接輻射 sinh)(00mLpddSS第二篇第二篇第五章第五節(jié)第五章

16、第五節(jié)一、直接輻射一、直接輻射 sinh)(00mLpddSS關(guān)于相對大氣質(zhì)量m：日光自角傾斜入射與自天頂入射時的光學(xué)厚度之比 00)0()(dzkdlkm假設(shè)為 常數(shù)k00dzdlm第二篇第二篇第五章第五節(jié)第五章第五節(jié)一、直接輻射一、直接輻射 dzdlsecsecm第二篇第二篇第五章第五節(jié)第五章第五節(jié)一、直接輻射一、直接輻射 mdzkdlkoleEeEeEeEE)0(0,sec0,0,00)0( ePmmlPEeEE0,)0(0,sinh)(00mLpddSS第二篇第二篇第五章第五節(jié)第五章第五節(jié)一、直接輻射一、直接輻射 在地面為標(biāo)準(zhǔn)氣壓時，太陽光垂直照射到地面所經(jīng)路程中，單位截面積的空氣柱的

17、質(zhì)量，稱為一個大氣質(zhì)量。即把太陽位于天頂時，光線穿過大氣經(jīng)過的最短路徑作為一個單位大氣質(zhì)量。它表示傾斜方向太陽光的路程為鉛直方向的太陽光的路程的倍數(shù)。 第二篇第二篇第五章第五節(jié)第五章第五節(jié)一、直接輻射一、直接輻射 sinh)(00mLpddSS關(guān)于大氣透明系數(shù)P：整層大氣在垂直方向上的透過率稱為透明系數(shù) )0( ePeEEl0,0SSp 透過一個大氣質(zhì)量的輻射強(qiáng)度與進(jìn)入該大氣輻射強(qiáng)度之比 第二篇第二篇第五章第五節(jié)第五章第五節(jié)一、直接輻射一、直接輻射 （1）空氣透明系數(shù)隨大氣中的濕度的增加而減小。一般冬季濕度小，夏季濕度大，所以，冬季的大氣透明系數(shù)較夏季為大（2）空氣透明系數(shù)隨大氣中含塵量的增加

18、而減小，一般極地含塵量最小，所以大氣透明系數(shù)隨緯度的增加而增大（3）空氣透明系數(shù)隨大氣質(zhì)量數(shù)的增加而增大 第二篇第二篇第五章第五節(jié)第五章第五節(jié)一、直接輻射一、直接輻射 sinh)(00mLpddSS直接輻射隨太陽高度角的增大而增加 直接輻射有顯著的日變化，在無云的天氣條件下，一天中，直接輻射一般是正午最大，最小值是日出日落時刻。 直接輻射也有顯著的年變化，這種變化主要決定于太陽高度角的年變化。 直接輻射還隨緯度而改變第二篇第二篇第五章第五節(jié)第五章第五節(jié)二、散射輻射二、散射輻射 1、空氣分子的散射2、氣溶膠粒子的散射散射輻射：地平面上每單位時間在單位面積上接收到的來自天空一切方向的散射輻射及反射

19、的短波輻射量。 第二篇第二篇第五章第五節(jié)第五章第五節(jié)二、散射輻射二、散射輻射 第二篇第二篇第五章第五節(jié)第五章第五節(jié)三、總輻射三、總輻射 同時到達(dá)地面上的太陽直接輻射和散射輻射之和，稱為總總輻射輻射 dLgESE總輻射直接輻射散射輻射第二篇第二篇第五章第五節(jié)第五章第五節(jié)三、總輻射三、總輻射 第二篇第二篇第五章第五節(jié)第五章第五節(jié)三、總輻射三、總輻射 四川盆地多云霧，是我國年總輻射量最小的地區(qū) 青藏高原南部，是我國總輻射最大的地區(qū) 第二篇第二篇第五章第五節(jié)第五章第五節(jié)三、總輻射三、總輻射 )(1baSQQod總輻射估算公式大氣上界太陽輻射日總量日照百分率地區(qū) 華南 華中 華北 西北a0.6250.4

20、750.7080.390b0.1300.2050.1050.344第二篇第二篇第五章第五節(jié)第五章第五節(jié)四、地面對太陽輻射的反射四、地面對太陽輻射的反射第二篇第二篇第五章第五節(jié)第五章第五節(jié)四、地面對太陽輻射的反射四、地面對太陽輻射的反射地球大氣系統(tǒng)的反照率稱為行星反照率行星反照率，它表示射入地球的太陽輻射被大氣、云及地面反射回宇宙空間的總百分?jǐn)?shù)。第六節(jié)第六節(jié) 地球地球大氣系統(tǒng)的長波輻射大氣系統(tǒng)的長波輻射第二篇第二篇 大氣物理基礎(chǔ)大氣物理基礎(chǔ)第五章第五章 地面和大氣中的輻射過程地面和大氣中的輻射過程第二篇第二篇第五章第六節(jié)第五章第六節(jié)一、地面長波輻射的性質(zhì)一、地面長波輻射的性質(zhì)（一）決定地球長波輻

21、射的溫度地球軌道上所接收到的太陽輻射能總量02)1 (SRr或22)()1 (dRSRr地球接收到這些能量之后全部放射出去，則地球輻射通量密度0202414)1 (SrRSRrFg第二篇第二篇第五章第六節(jié)第五章第六節(jié)一、地面長波輻射的性質(zhì)一、地面長波輻射的性質(zhì)（一）決定地球長波輻射的溫度假定地球在其本身所輻射的波長范圍內(nèi)是灰體，則按灰體的基爾霍夫定律，有 TgFF相對輻射率地球溫度時黑體輻射通量密度 第二篇第二篇第五章第六節(jié)第五章第六節(jié)一、地面長波輻射的性質(zhì)一、地面長波輻射的性質(zhì)（一）決定地球長波輻射的溫度TgFF4gTTF4041gTSr0202414)1 (SrRSRrFg412141)(

22、 SrdRTg第二篇第二篇第五章第六節(jié)第五章第六節(jié)一、地面長波輻射的性質(zhì)一、地面長波輻射的性質(zhì)（一）決定地球長波輻射的溫度412141)( SrdRTg根據(jù)此公式，假設(shè)地球?yàn)楹隗w，則萬公里6 .69R24106278mWSKTg25411第二篇第二篇第五章第六節(jié)第五章第六節(jié)一、地面長波輻射的性質(zhì)一、地面長波輻射的性質(zhì)（二）地球長波輻射的相對輻射率4gggTF4aaaTF地球的相對輻射率大氣的相對輻射率第二篇第二篇第五章第六節(jié)第五章第六節(jié)二、地面長波輻射的特點(diǎn)二、地面長波輻射的特點(diǎn)（一）大氣對地球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。 第二篇第二篇第五章第六節(jié)第五章第六節(jié)二、地面長波輻射的特點(diǎn)二、地面長波輻射的特點(diǎn)（一）大氣對地球長波輻射的吸收大氣天窗第二篇第二篇第五章第六節(jié)第五章第六節(jié)二、地面長波輻射的特點(diǎn)二、地面長波輻射的特點(diǎn)（二）大氣中長波輻射的傳播特點(diǎn)大氣中長波輻射的傳播特點(diǎn)1、太陽輻射中的直接輻射是平行輻射，地面和大氣的輻射是漫射輻射。在紅外波段，到達(dá)地面太陽的長波輻射能量輻射遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地面和大氣放射的輻射，所以太陽的長波輻射可