04第二章大气的热能和温度1

8
yqun
• L（ x,y,z,θ,φ,λ,t） =d Φ/dA· dΩ· dλ • dA:通光面积；dΩ：立体角；波长：dλ
A
dΩ
r
单位：W· m-2· sr-1· μm-1
2012-09-18
9
yqun
• 物理意义： • 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。这个 量表示了辐射场内任一点在任一方向上、任一波长 处辐射的强弱程度。 • 例如L与测点位置无关，则辐射场是均匀的； • 例如L与观测方向（θ,φ）无关，则辐射场是各向同 性的； • 例如L与时间t无关，则辐射场是定常的。
2012-09-18 13
yqun
• 为了进一步描述辐射能的性质，引入了一个能确 定辐射能按波长分布的函数——单色辐射通量密 度 F 。它是波长与温度的函数。
dF F d
2012-09-18
14
yqun
物体对辐射的吸收、反射和透射
• 投射到物体上的总辐射能为 Qo,，被分成三部分，即吸收Qa 、反射Qr 、 透射Qd 。根据能量守恒定律：Qo=Qa+Qr+Qd
基尔荷夫定律适用于处于辐射平衡的任何物体。对流层和 平流层大气以及地球表面都可以认为是处于辐射平衡状态， 因此可直接应用这一定律。
2012-09-18 18
yqun
• 斯蒂芬—玻尔兹曼定律（Stefan-Boltzman）
黑体的总放射能力与它本身的绝对温度的四 次方成正比，即：
ETB σT 4 σ 5.67 108 w(m 2 k 4 )
紫外线光谱区（波长小于0.4µm）
可见光光谱区（波长在0.4~0.76µm） 红外线光谱区（波长大于0.76µm）
2012-09-18 21
yqun
• The Sun’s surface temperature is 5,500° C, and its peak radiation is in visible wavelengths of light. Earth’s effective temperature—the temperature it appears when viewed from space—is -20° C, and it radiates energy that peaks in thermal infrared wavelengths. (Illustration adapted from Robert Rohde.)
2012-09-18 5
yqun
• 温度升高，辐射的总功率就会增大，并且 辐射的电磁波的波长将移向短波。 • 例：铁棒的加热
2012-09-18
6
yqun
• 描述辐射场的物理量
辐射场是比气压场、温度场（标量场）和风场 （矢量场）更复杂的场。 1、辐射通量Φ （radiant flux）： 单位时间内通过某一平面的辐射能，也称 辐射功率（J/S）。
地面大气通过太阳辐射增温每天不足1℃，例如：秋天最高 气温20 ℃ ，最低气温5 ℃ ，日较差15 ℃ ；可见，大气温 度升高不是通过吸收太阳辐射来的。
24
yqun
2012-09-18
• 太阳辐射光谱穿过大气后： 总辐射明显减弱 辐射能随波长的分布变得极不规律 波长短的辐射能减弱得更为明显。
2012-09-18
25
yqun
1、大气对太阳辐射的吸收——有选择性
占大气体积的99%以上的氮、氧对太阳辐射的吸 收微弱，而含量不多的水汽、二氧化碳和臭氧可 以吸收某些波段的太阳辐射能。
气象学与气候学 第二章 大气的热能和温度1
第一节 太阳辐射
yqun
• 大气中的主要要素：
温度T：ch2，反映了冷与热的矛盾，表现为热状况 、温度的分布和变化。形式：热能、温度。 湿度q：ch3，反映了干与湿的矛盾，表现为湿状况 、湿度的分布和变化。形式：云、雾、雨、雪等 。过程：蒸发、凝结、降水。 气压P：ch4，高气压与低气压的矛盾。表现为大气 运动的产生和变化，大气压的空间分布和变化。 形式：气压、风。
2012-09-18 10
yqun
3、辐射通量密度（radiance flux density）： 辐射场内任一点处通过单位面积的辐射功率，亦 称为辐照度（ irradiance ），以E示之。它反应了 物体放射能力的强弱。 设有一平面空间，通过该平面的辐射通量密度可认 为是从各个方向射来的辐亮度在法线方向分量的累 加，即 E= L cos d
2012-09-18 15
yqun
绝对黑体
• 在理想状态下，为了研究方便，假设某种 物体对所有波长电磁波都一视同仁，吸收 率为同一个小于1的值，这种物体叫灰体； • 若吸收率不但一致，而且为1，即全部吸收 ，这种物体为绝对黑体，简称黑体。
2012-09-18
16
yqun
• 有关辐射的三个基本定律： 基尔荷夫定律（Kirchhoff） 斯蒂芬—玻尔兹曼定律（Stefan-Boltzman） 维恩位移定律（Wein）
为辐亮度方向与平面法线之间的交角。
2012-09-18 11
yqun
• 考虑到大气中各种变量在水平方向的变化率远小 于垂直方向的变化率，因此经常可假设大气是水 平均一的，相应的大气模型称为平面平行大气， 由于水平方向的辐射分量都相同，它们对局地能 量平衡不起作用，因此将主要考虑垂直方向的辐 射分量，即考虑通过某一高度的水平面的辐射通 量密度。
第一项，吸收的辐射能量与投射到其上的总辐射能量之比，是吸收率
第二项，反射出的辐射能量与投射到其上的总辐射能量之比，是反射率 第三项，透射过的辐射能量与投射到其上的总辐射能量之比，是透射率
即：
a+r+d=1
• 对于一般物体来讲是不透明的，则用于透射的能量为零，d=0,则公式变 为a+r=1 • 对于同一物体，吸收率大则反射率小，反之，吸收率小则反射率大。 • 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。
2012-09-18 22
yqun
• 太阳常数：1370w/m2
必须在日地平均距离条件下，在地球大气上界， 垂直于太阳光线的1cm2面积上，1min内接受的太 阳辐射能量称为太阳常数。 • 注意： 日地平均距离 大气上界 到达大气上界的太阳辐射
2012-09-18 23
yqun
Hale Waihona Puke •The amount of solar radiation received at Earth’s surface varies by time and latitude. This graph illustrates the relationship between latitude, time, and solar energy during the equinoxes. The row of illustrations beneath the graph shows how the time of day (AE) affects the angle of incoming sunlight (revealed by the length of the shadow) and the light’s intensity. On the equinoxes, the Sun rises at 6:00 a.m. everywhere. The strength of sunlight increases from sunrise until noon, when the Sun is directly overhead along the equator (casting no shadow). After noon, the strength of sunlight decreases until the Sun sets at 6:00 p.m. During the equinoxes, the tropics (from 0 to 23.5° latitude) receive about 90% of the energy that falls on the equator, the mid-latitudes (45°) roughly 70%, and at the Arctic and Antarctic Circles (66.6°) about 40%. (NASA illustration by Robert Simmon.)
2012-09-18 2
yqun
本章的主要内容
• 大气的热能和温度是天气变化的一个基本因素， 是气候系统状态及演变的主要控制因子。 • 本章介绍地球上热量的基本来源——太阳辐射， 并着重分析太阳辐射通过下垫面引起大气增温、 冷却的物理过程，最后讨论大气温度随时间变化 和空间分布的一般规律。
2012-09-18
2012-09-18 7
yqun
2、辐亮度（辐射率）（radiance）
白昼在户外，抬头观测，不同方向的光亮程度不 同，靠近太阳处，天空亮些，在其反面，天空暗 些，大气辐射中把这一亮度成为辐亮度（L）。 L＝ L（x,y,z,θ,φ,λ,t） θ：天顶角， φ：方位，λ（波长）
2012-09-18
2012-09-18
12
yqun
4、辐射源 往外发射辐射的物体称为辐射源。假设源向四周 发射是均匀的，发射辐射的功率为W，则在以点 源为中心、半径为r的球表面上的辐照度为： E W / 4r 2 点源的辐照度随距离的变化服从反平方规律。 在离点辐射源距离相当大且讨论相对较小范围 的问题时，可把点源发出的辐射当作平行辐射或 平行光来处理。
斯蒂芬—玻尔兹曼常数 可以根据此计算黑体在温度T时的辐射强度，也可以由黑体 的辐射强度求得其表面温度。
2012-09-18