第三章 大氣輻射和熱力過程-NO1-NO3

第二章大氣的輻射過程和熱力過程2（1）大氣中熱量來自何處？

（2）大氣的冷暖變化是怎樣形成的？

地球上熱量的基本來源是太陽輻射，尤其太陽輻射是大氣能量的主要來源。SOLAR1輻射的基本原理2太陽輻射的傳輸3地面和大氣的輻射4大氣的增溫和冷卻5大氣溫度的時空變化一、輻射的基本原理溫度大于絕對零度的物體，都以電磁波的方式向外放射能量，同時也接受來自周圍的電磁波輻射：

①把這種電磁波能量本身稱為輻射能（簡稱為輻射）；

②這種傳播能量的方式稱為輻射。電磁波頻率、波長和波速的關系：電磁波包括的范圍很廣。實驗證明，無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線、r射線都是電磁波。電磁波譜：

按照頻率或波長、能量的順序把這些電磁波排列起來。61、輻射能傳輸過程中的定量描述①輻射通量密度（E）：單位時間內(nèi)通過單位面積的輻射總能量W/m2入射輻射通量密度：投射過來被物體所接收的輻射放射輻射通量密度：自物體表面射出的輻射輻射通量密度沒有限定輻射方向，輻射接受面可以垂直于射線或與之成某一角度

②輻射強度（I）：單位時間內(nèi)，通過垂直于選定方向上的單位面積的輻射能（W/m2）輻射通量密度E輻射強度I9

③輻射光譜物體發(fā)出的輻射都構(gòu)成了電磁波譜，但是在不同波段輻射強度不同。10輻射光譜曲線11設一物體的輻射出射度為F（W/m2），在波長λ至λ+dλ間的輻射能為dFFλ是波長的函數(shù)，是單位波長間隔內(nèi)的輻射出射度。波長λ1~λ2總輻射能：該物體發(fā)射的總輻射能：2、物體的輻射性質(zhì)能量守恒原理：

吸收率a反射率r透射率d反射Qr吸收Qa透射Qd總輻射Q0吸收率、反射率和透射率：影響因素：①波長②物體的性質(zhì)雪面對太陽輻射的反射率很大，但對地面和大氣的輻射則幾乎能全部吸收。

干潔空氣對紅外線是近似透明的，而水汽對紅外線卻能強烈地吸收；物體對輻射的吸收、反射和透射具有選擇性黑體是一個理想的輻射體，是衡量地物發(fā)射電磁波能力大小的一個標準黑體模型定義：如果一個物體對于任何波長的電磁輻射

都全部吸收：a=1黑色的煙煤是最接近絕對黑體的自然物質(zhì)。1.黑體

不透明的材料制成帶小孔的的空腔,可近似看作黑體。3、輻射的基本規(guī)律

物體處于熱平衡狀況下發(fā)射和吸收輻射的物理規(guī)律：

普朗克定律斯蒂芬——玻爾茲曼定律

韋恩定律

基爾霍夫定律輻射學黑體輻射學的發(fā)展歷史(一)黑體輻射的經(jīng)驗定律

（1）19世紀初，英國天文學家赫謝耳(Herschel)在實驗中用靈敏溫度計測試太陽光譜各部分的熱效應，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在紅外光譜以外的區(qū)域溫度升得最高——紅外輻射的熱效應。

在實驗發(fā)現(xiàn)的基礎上，理論研究也活躍起來了，總結(jié)實驗發(fā)現(xiàn)的經(jīng)驗規(guī)律也就相繼地提出來了。171859年基爾霍夫(Kirchhoff，德國物理學家)得到如下結(jié)論：

在相同的溫度下同一波長的輻射本領與吸收系數(shù)之比對于所有物體都是相同的，是一個取決于波長和溫度的函數(shù)。輻射率吸收率對于黑體1879年德國物理學家斯蒂芬(Stefan)從試驗測量數(shù)據(jù)中推導出，黑體單位表面積在單位時間內(nèi)發(fā)出的熱輻射總能量ETb與絕對溫度T的四次方成正比:該定律只反映了總的輻射能與溫度的關系，不能反映輻射能隨波長的分布。斯蒂芬-玻爾茲曼定律1884年玻爾茲曼由熱力學理論得到了相同的結(jié)論191881年，美國物理學家蘭利(Langley)發(fā)明了輻射儀，靈敏度較高，可測出1×10-3℃的溫度變化，大大提高了熱輻射能量的測量精度。他雖然沒有得到精確的分布定律，卻已發(fā)現(xiàn)分布曲線并不對稱，而且最大能量隨溫度升高而向短波方向移動1893年，德國物理學家維恩(Wien)由電磁理論和熱力學理論得到了維恩位移定律：

輻射中能量最強的波長λm與黑體的溫度成反比1900年10月19日在德國物理學會會議上，普朗克作了《維恩輻射定律的改進》的報告，提出了他的這一新的輻射公式，即普朗克定律：絕對黑體輻射率隨波長和溫度變化的函數(shù)關系二、太陽輻射的傳輸太陽常數(shù)

:就日地平均距離來說，在大氣上界，垂直于太陽光線的1cm2面積內(nèi)，1min內(nèi)獲得的太陽輻射能量，稱太陽常數(shù)I0表示。

I0=1367(±7)W.m-2(可能與太陽黑子的活動周期有關

)可見光：0.4-0.76μm（占50%）紅外：

0.76-4.0

μm（占43%）紫外：0.15-0.4μm（占7%）太陽輻射能量隨波長的分布

6000K黑體光譜能量分布曲線1、太陽輻射在大氣中的削弱:吸收、散射和反射臭氧:0.2-0.31大氣上界2臭氧層下3分子散射4粗粒子散射

5水汽吸收臭氧:0.32-0.65(1)大氣對太陽輻射的吸收

（1）大氣吸收太陽能具有選擇性，因而使穿過大氣后的太陽輻射光譜變得極不規(guī)則。（2）大氣中吸收太陽輻射的成分主要有水汽、氧、臭氧、二氧化碳及固體雜質(zhì)等，由于大氣中主要吸收物質(zhì)（臭氧和水汽）對太陽輻射的吸收帶都位于太陽輻射光譜兩端能量較小的區(qū)域，因而對太陽輻射的減弱作用不大，這意味著太陽輻射不是大氣的主要直接熱源。（2）大氣對太陽輻射的散射

大氣中的散射體：空氣分子、塵粒、云滴等。散射只改變輻射的方向，不改變輻射能量的大小。依據(jù)散射粒子與入射輻射波長的相對大小，散射基本類型可分為：①瑞利散射（分子散射）②米散射（大顆粒散射）①

瑞利散射（分子散射）

粒子直徑小于入射光的波長，波長越小，散射越強。其散射能力與波長的對比關系是：對于一定大小的分子來說，散射能力與波長的四次方成反比，這種散射是有選擇性的。天空呈現(xiàn)藍色的原因藍光的散射比紅光大9倍以上②米散射（大顆粒散射）

粒子直徑大于入射光波長，散射無選擇性，各種波長同樣散射、且粗粒散射就失去對稱的形式，而在射入光方向伸長。散射質(zhì)點愈大，這種偏對稱的程度更加增大例如當空氣中存在較多的塵?；蜢F粒，一定范圍的長短波都被同樣的散射，使天空呈灰白色大氣中云層和較大顆粒的塵埃能將太陽輻射中一部分能量反射到宇宙空間去。云的反射作用最為顯著，太陽輻射遇到云時被反射一部分或大部分。反射對各種波長沒有選擇性，所以反射光呈白色。云的反射能力隨云狀和云的厚度而不同，高云反射率約25％，中云為50％，低云為65％，稀薄的云層也可反射10％—20％。隨著云層增厚反射增強，厚云層反射可達90％，一般情況下云的平均反射率為50％—55％。28（3）大氣對太陽輻射的反射太陽輻射在大氣中削弱的總結(jié)（1）吸收、散射和反射三種方式中：①反射作用最重要，尤其是云層對太陽輻射的反射最為明顯，另外還包括大氣散射回宇宙以及地面反射回宇宙的部分；②散射作用次之，形成了到達地面的散射輻射；

③吸收作用相對最小。（2）以全球平均而言，太陽輻射約有30％被散射

和漫射回宇宙，稱之為行星反射率，20％被

大氣和云層直接吸收，50％到達地面被吸收。2、

到達地面的太陽輻射直接輻射和散射輻射的影響因子：太陽高度角和大氣透明度達到地面的太陽輻射有兩部分：直接輻射和散射輻射直接輻射:

太陽以平行光的形式直接投射到地面上直接輻射+散射輻射=總輻射散射輻射:經(jīng)過散射后自天空投射到地面的太陽輻射（a）太陽高度角越小，等量的太陽輻射散布的面積就越大，地表單位面積上所獲得的太陽輻射能就越小。（1）太陽高度角:太陽光入射方向和地平面之間夾角太陽高度角和大氣透明度是如何影響直接輻射？SS'（b）太陽高度角越小，太陽光透過的大氣層就越厚，削弱就越強，到達地面的太陽輻射就越小。當h=90°時，太陽光在大氣中的射程為AO當90°>h>0°時，太陽光在大氣中的射程為CO

大氣厚度CO＞AO，因此太陽輻射被減弱也較多，到達地面的直接輻射就較少。34夏至日全球的晝長金額正午太陽高度角35冬至日全球的晝長金額正午太陽高度角（2）大氣透明度大氣質(zhì)量（m）：在地面為標準氣壓（1013Pa）時，太陽光垂直投射到地面所經(jīng)路程中，單位截面積的空氣柱的質(zhì)量，稱為一個大氣質(zhì)量。大氣透明度的表示方法：透明系數(shù)p37

在相同的大氣質(zhì)量下，到達地面的太陽輻射也受大氣透明度的影響。P：透過一個大氣質(zhì)量的輻射強度與進入該大氣的輻射強度之比：P表明輻射通過大氣后的削弱程度。不同波長的削弱也不相同，p僅表征對各種波長的平均削弱情況，例如p=0.80，表示平均削弱了20％。

大氣透明系數(shù)的影響因子：——大氣中水汽、水汽凝結(jié)物和塵粒雜質(zhì)的多少

這些物質(zhì)愈多，大氣透明程度愈差，透明系數(shù)愈小。因而太陽輻射受到的減弱愈強，到達地面的太陽輻射也就相應地減少。

太陽輻射透過大氣層后的減弱與大氣透明系數(shù)和通過大氣質(zhì)量之間的關系，可用布格（Bouguer）公式表示：直接輻射的時間變化特征:

年變化、日變化和隨緯度的變化日變化：日出/日沒時：太陽高度最小，直接輻射最弱中午：太陽高度角最大，直接輻射最強。年變化：在一年當中，直接輻射在夏季最強，冬季最弱。緯度變化：

低緯度地區(qū)一年各季太陽高度角都很大，地表面得到的直接輻射較中、高緯度地區(qū)大得多。太陽直接輻射的年變化自動跟蹤裝置光筒散射輻射（漫射輻射）①太陽高度角增大時，到達近地表直接輻射增強，散射輻射也就相應地增強；

②大氣透明度不好時，參與散射作用的質(zhì)點增多，散射輻射增強；云也能強烈地增大散射輻射。

散射輻射是到達地表面太陽總輻射的重要組成部分。在中緯度地區(qū)占太陽總輻射的30～40%；高緯度地區(qū)所占比例更大。太陽高度角和大氣透明度是如何影響散射輻射？散射輻射表是由總輻射表和遮光環(huán)兩部分組成遮光環(huán)：保證從日出到日落能連續(xù)遮住太陽直接輻射總輻射表總輻射直接輻射散射輻射日出日落散射比總輻射=直接輻射+散射輻射日出前：只有散射輻射；日出后：隨著太陽高度的升高，

太陽直接輻射和散射輻射逐

漸增加。但前者增加得較快，

即散射輻射在總輻射中所占

的成分逐漸減??；中午時：太陽直接輻射與散射輻射

強度均達到最大值；中午后：二者又按相反的次序變化。云的影響：例如中午云量突然增多時，總輻射的最大值可能提前或推后，這是因為直接輻射是組成總輻射的主要部分，有云時直接輻射的減弱比散射輻射的增強要多的緣故?？赡芸傒椛洌嚎紤]了受大氣減弱之后到達地面的太陽輻射

有效總輻射：考慮了大氣和云減弱之后到達地面的太陽輻射

由于赤道附近云多，太陽輻射減弱得也多，因此有效輻射的最大值并不在赤道，而在20°N?？傒椛鋾r空分布特征：①在一年中總輻射強度（月平均值）在夏季最大，冬季最小。②總輻射隨緯度的分布一般是緯度愈低，總輻射愈大。反之就愈小。①最高值在西藏②青海、新疆和

黃河流域次之：③長江流域與大部分東南、華南地區(qū)則反而最少。這是因為西藏海拔高度大，總輻射量最大；西北地區(qū)晴朗干燥的天氣較多，總輻射也較大。長江中、下游云量多，總輻射較小，。3、地面對太陽輻射的反射不同性質(zhì)地面的反射率（%）地面反射率地面反射率地面反射率沙土粘土深色土淺色土29-352022-3215-10黑鈣土（干）黑鈣土（濕）耕地綠草1481426干草地小麥地新雪陳雪2910-1584-9546-60

投射到地面的太陽輻射，并非完全被地面所吸收，其中一部分被地面所反射。地表反射多少決定于地表性質(zhì)和地表狀態(tài)。三、地面和大氣的輻射49①太陽輻射是地球上的主要能源，大氣吸收太陽直接輻射很少，下墊面能大量吸收太陽輻射。②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烈吸收，同時大氣也按照其本身的溫度向外放射長波輻射。③通過大氣和地表對短波輻射（太陽輻射）和短波輻射的吸收、散射和反射等方式，地表、大氣以及地氣系統(tǒng)吸收的能量與發(fā)射的能量達到平衡。在研究大氣熱狀況時，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。（一）地面和大氣的長波輻射地表和大氣按照其本身的溫度向外發(fā)射輻射能：依據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律：依據(jù)基爾霍夫定律：地面的輻射能力：地面相對輻射率大氣的輻射能力：大氣相對輻射率相對輻射率，又稱比輻射率。其大小為地面或大氣的輻射能力與同一溫度下黑體輻射能力的比值，在數(shù)值上等于吸收率1、地面和大氣輻射的表示方法51全球表面平均溫度為15℃，以δ=0.9，則算得對流層大氣平均溫度為-23℃（250K）288K95％以上的熱輻射能量集中在3~120μm的波長范圍內(nèi)，其輻射能最大段波長在10~15μm范圍內(nèi)，所以地面和大氣的輻射被稱為長波輻射。太陽輻射最強的波長為0.475μm，絕大部分輻射能集中于波長在0.15~3μm,所以太陽輻射被稱為短波輻射。2、大氣對長波輻射的吸收大氣能夠強烈吸收長波輻射，其中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。大氣對8~12μm的長波輻射吸收率最小，而在其他長波波段的吸收率較大；在8-12μm范圍內(nèi)地面輻射能力最強——熱紅外線的“大氣窗口”。遙感衛(wèi)星利用這個窗口，可以實時監(jiān)測地表發(fā)生的各種情況。3、大氣中長波輻射的特點——與短波輻射相比①太陽輻射中的直接輻射是作為定向的平行輻射進入大氣；地面和大氣輻射是散射輻射。平行輻射：不考慮吸收和散射等因素時，平行光在

任何位置上的輻射強度是常數(shù)。點源在半徑為r的球面上的輻射強度：日地距離地球半徑太陽輻射強度的變化為：

54②太陽輻射在大氣中傳播時，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。這是因為大氣產(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，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。③大氣對太陽輻射有散射作用。長波輻射在大氣中傳播時，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（瑞利散射），散射作用非常微弱。

由于大氣對電磁波散射和吸收等因素的影響，使一部分波段的輻射在大氣層中的透過率很小或根本無法通過。電磁波輻射在大氣傳輸中透過率較高的波段稱為大氣窗口。紫外/可見光/部分近紅外波段:0.3～1.2μm：衛(wèi)星遙感器掃描成像的常用波段近紅外窗口中紅外窗口熱紅外窗口：8.0~14.0μm，主要來自物體熱輻射的能量，適于夜間成像，測量探測目標的地物溫度微波窗口：8.0~1000.0mm，透過率約100%。微波具有穿云透霧的特性，全天候、全天時特點。4、大氣逆輻射和大氣保溫效應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。太陽輻射地面吸收大氣吸收地面增溫大氣逆輻射大氣吸收地面保溫

地面輻射宇宙吸收大氣上界地面降溫返回宇宙返回宇宙假如地球沒有大氣層，地表溫度太陽常數(shù)為S0，行星反照率r為0.3，地氣系統(tǒng)達到輻射平衡時：地表實際溫度15℃月球：白天：T=127℃夜晚：T=-183℃地面有效輻射地面有效輻射F0：地面放射的輻射（Eg）與地面吸收的大氣逆輻射（δEa）之差，即F0=Eg-δEa

。通常情況下，地面溫度高于大氣溫度，地面有效輻射為正值。這意味著通過長波輻射的放射和吸收，地表面經(jīng)常失去熱量。只有在近地層有很強的逆溫及空氣濕度很大的情況下，有效輻射才可能為負值，這時地面才能通過長波輻射的交換而獲得熱量。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。

濕熱天氣條件下有效輻射較干冷時少

有云覆蓋時有效輻射較晴朗時少

空氣混濁時有效輻射較干潔時少夜間有風時有效輻射小

夜間有逆溫時有效輻射小有效輻射具有明顯的日/年變化，與溫度變化特征相似：原因在于太陽輻射具有明顯的日變化和年變化.59二、地面及地氣系統(tǒng)輻射差額輻射差額（凈輻射）：物體收入輻射能與支出輻射能的差值：輻射差額=收入輻射-支出輻射在沒有其它方式進行熱交換時，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，會有升溫或降溫產(chǎn)生。輻射差額為零時，物體的溫度保持不變。地面和大氣因輻射進行熱量的交換，其能量的收支狀況，是由短波和長波輻射收支作用的總和來決定的。1、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，同時又以其本身的溫度不斷向外放出輻射而失去能量。地面的輻射差額Rg=(Q+q)(1-a)-F0式中（Q+q）是到達地面的太陽總輻射，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。太陽輻射吸收反射長波輻射長波輻射EgδEa地面輻射差額決定了地面輻射能量的收支：①當Rg＞0時，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；②當Rg＜0時，則地面因輻射而有熱量的虧損，地面將有熱量