地面和大气中的辐射过程

若定义比发射率
,T
F ,T FB ( , T )
则有 ,T A ,T (5.2.5)
公式（5.2.3）、（5.2.5）都是 Kirchhoff 定律的表达式
– 意义： • 将物体的吸收能力和放射能力联系起来， 只要知道了某种物体的吸收率，也就知 道了它的比辐射率； • 特别是，将各种物体的吸收、放射能力 与黑体的放射能力联系了起来。 有了这种联系以后，我们就可以根据对黑体 辐射的研究结果来了解一般物体的辐射规律， 而对于绝对黑体的研究，无论从实验上或理 论上都是比较简单的。
– Measured in
• Cycles/Second 循环数/秒 • Hertz 赫兹
1
2
Electromagnetic Waves
• Relationship Between
• 光速/波长/频率之间的关系
– Speed of Light (c)
C

– Wavelength ()
μm (10-6m) nm(10-9m)
1
5.1.2 描述辐射场的物理量
• 1. 辐射通量(radiant flux) • 2. 辐亮度(radiance) • 3. 辐射通量密度(radiant flux density) • 4. 辐射源
1. 辐射通量(radiant flux)
– 指单位时间内通过某一平面（或虚拟平面）的辐 射能，也称为辐射功率。 – 也可指单位时间内某个表面发射或接收的辐射能。 Units energy per unit time Joules/sec Watts
• Sun’s Radius = 7 x 108 m
S 4r
7 X 108 m
2
S 4(7x10 m)
8
2
S 6.15x10 m
18
2
Irradiance (E)
• Sun’s Irradiance太阳辐照度
– Sun’s Radiant Flux = 3.9 x 1026 W
3.9x1026 W E 6.15x1018 m2

Electromagnetic Waves
• Frequency (f)频率
– Number of cycles that the wave is repeated over a time period – 一段时间内波的重复循环次数
1
2
Electromagnetic Waves
• Frequency (f)频率
Radiant Flux 辐射通量
• Sun’s radiant flux • 太阳辐射通量
– 3.9 x 1026 W
2. 辐亮度(radiance)
• 在辐射传输方向上的单位立体角内，通过垂 直于该方向的单位面积、单位波长间隔的辐 射功率。 • 一般来说，表示辐射场任一点在任一方向上、 任一波长处辐射的强弱程度。
• 5.3 地球大气与辐射的相互作用
• 5.4 太阳辐射在地球大气中的传输
• 5.5 地球－大气系统的长波辐射
• 5.6 地面、大气及地气系统的辐射平衡
5.2 辐射的物理规律
• 5.2.1 吸收率、反射率和透射率 • 5.2.2 平衡辐射的基本规律 • 5.2.3太阳辐射和地球辐射的差别
Q0 Qa Qr Qt
Energy Transfer
• Radiation
– Transfer of energy by electromagnetic wave 电磁波辐射传输能量
Energy Transfer
• Radiation
– Transverse Wave 横波
• Particle motion is perpendicular to the direction of wave velocity • 质点运动与波速方向垂直
E 6.34x107 Wm 2
4. 辐射源——点源
• 假设源向四周发射是均匀的 • 辐照度随距离的变化服从反平方规律。
W E 4r 2
• 平行辐射
– 在不考虑吸收和散射等因素时，平行光在任何 位置上的辐照度应是常数。
Parallel Beam Radiation
平行辐射
• Most natural objects are isotropic radiators • 大部分自然物体是各向同性的辐射体
• Meteorology Terminology气象学术语
Advection平流
• transfer of energy through the horizontal movement of mass • 通过物质的水平运动传输能量
Hot
Cold
Energy Transfer能量传输
• Conduction 传导 • Convection 对流 • Radiation 辐射
单位面积单位时间内通过的能量 W/m2
Irradiance (E)
• Radiant flux per area • Also known as radiant flux density
Unit Area
Irradiance (E)
• Sun’s Irradiance太阳辐照度
– Calculate the surface area of the Sun
• 单位为：W · m-2 ·sr-1 ·μm -1
2. 辐亮度(radiance)
• 图5.2 • 公式5.1.3
3. 辐射通量密度(radiant flux density)
– 指辐射场内任一点处通过单位面积的辐射 功率，也称辐照度(irradiance)。 – 净辐射通量密度：水平面上自上向下和自 下向上的辐射通量密度之差，单位为 W ·m-2 ·μm -1
4. 辐射源——面辐射源
• 特点
– 可以向2π立体角中发射辐射能。
• 辐出度
– 即通过单位面积在面源的法线方向射出的能量有多少。
F F d
• 郎伯体（面）
– 向所有方向以同一辐亮度发射辐射的物体。 – 常常把太阳、陆地表面看做朗伯体。
第五章 地面和大气中的辐射过程
• 5.1 辐射的基本概念 • 5.2 辐射的物理规律
吸收率
A Qa Q0
反射率 透射率
Qr R Q0
Qt Q0
A R 1
1. 黑体
• 绝对黑体：
• 对某一波长的黑体： – 如果某一物体仅对某一波长全部吸收，即Aλ=1，则 称该物体对这一波长为黑体。 • 这里所讨论的黑体与一般所谓黑色物体是黑色物体只 表明它对可见光的反射性质。
第五章 地面和大气中的辐射过程
• 5.1 辐射的基本概念 • 5.2 辐射的物理规律
• 5.3 地球大气与辐射的相互作用
• 5.4 太阳辐射在地球大气中的传输
• 5.5 地球－大气系统的长波辐射
• 5.6 地面、大气及地气系统的辐射平衡
5.1 辐射的基本概念
– 5.1.1 电磁辐射 – 5.1.2 描述辐射场的物理量
• 靠电场和磁场密度的同步周期变化传播波
1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1
0 80 160 240 320 400 480 560 640 720
Electric Field
800
880
960ຫໍສະໝຸດ Baidu
1040
1120
1200
Magnetic Field
1360
Time
1280
S1
Electromagnetic Waves
• Speed of Light (c)光速
– 3 x 108 m/s (in a vacuum)
C
Electromagnetic Waves
• Wavelength ()波长
– Distance between two successive crests of a wave – 两个相邻波峰之间的距离
Irradiance (E)
• Rate at which radiant energy in a radiation field is transferred across a unit area
Unit Area
Glossary of Meteorology
Units of E energy per unit time per unit area Watts/meter2
Constant radiance in all directions
各方向辐射恒定
Parallel Beam Radiation
平行辐射
• Change of angle with distance is small at great radii
150 x 106 km
Parallel-Beam Radiation
1. 基尔霍夫（Kirchhoff）定律
• 在热平衡条件下，任何物体的辐射率（辐出 度）和它的吸收率之比值是一个普适函数。
F ,T A ,T f ( , T )
– 该普适函数只是温度和波长的函数，而与物质的 性质无关。
F ,T A ,T
FB ( , T )
• 表明：任何物体的辐出度和它的吸收率之比都等于 同一温度下黑体的辐出度。
Convection对流
• Meteorology Terminology气象学术语
Convection 对流 – transfer of energy through the vertical movement of mass 通过物质垂直运动传 Cold 输能量
Hot
Convection对流
辐射能和辐射
– 任何物体，只要温度大于绝对零度，都以电磁波形 式向四周放射能量，同时也接收来自周围的电磁波。
– 这是物质的本性决定的，是有物质本身的电子、原 子、分子运动产生的。
– 一般把这种电磁波能量本身称为辐射能（或简称为 辐射）。 – 而把这种能量传播方式称为辐射。
Energy Transfer能量传输
• Conduction 传导 • Convection 对流 • Radiation 辐射
Energy Transfer
• Conduction（传导）
– Transfer of energy by molecular motion – 由分子运动传输能量
Hot
Cold
Energy Transfer
Particle Motion
Speed of Wave
Energy Transfer
• Radiation辐射
– Requires no transport medium – 不需要传输介质
Electromagnetic Waves
• Waves that are propagated by simultaneous periodic variations of electronic and magnetic field intensity
1 2
– Frequency (f)
Electromagnetic Waves
c =f
High Frequency Short Wavelength 频率高/波长短 Low Frequency Long Wavelength 频率低/波长长


各种颜色光对应的波长
颜色 波长/μm 范围/μm 紫 420 0.400～0.450 蓝 470 0.450～0.480 绿 510 0.480～0.550 黄 580 0.550～0.600 橙 620 0.600～0.640 红 700 0.640～0.750
• Convection（对流）
– Transfer of energy through the movement of mass 靠物质运动传输能量
Energy Transfer
• Convection 对流 – Meteorology Terminology 气象学术语 • Convection（对流） • Advection（平流）
– 某一物体对任何波长的辐射都能全部吸收，即A＝1。
2. 灰体
• 如果物体的吸收率A不随波长而变，但 A<1，则称该物体为灰体。
• 如地面对长波辐射的吸收率接近于常数,
故可认为地面为灰体,且吸收率A极近于1.
5.2 平衡辐射的基本规律
• 辐射平衡：当物体放射出的辐射能恰 好等于吸收的辐射能时，该物体处于 辐射平衡。 • 这时物体处于热平衡态，可以用态函 数——温度来描述，所以平衡辐射也 称为温度辐射。
• Sunlight reaching earth can be assumed to be parallel-beam radiation • 太阳辐射可假设为平行光辐射
Parallel-Beam Radiation
• This effectively eliminates the need to integrate over solid angle. • 这有效地避免对立体角积分.