第二章 大气的热能

2 太阳辐射在大气中的散射
• 太阳辐射通过大气，遇到空气分子、尘 粒、云端等质点时，都要发生散射，但 散射并不像吸收那样把辐射转变为热能， 而只是改变辐射的方向，使太阳辐射以 质点为中心四面八方传播因而经过散射 同部分太阳辐射就到不了地面，如果太 阳辐射遇到直径比波长小的空气分子， 则辐射的波长愈短，散射得愈强。
• （1）波长过短或过长所负荷的辐射能量都 很少； • （2）大气上界太阳辐射光谱在0.1~5um的 范围； • （3）太阳辐射中99%的能量在0.15~4um 的范围，其中 0.4~0.76um为可见光区， ＞0.76um的为红外区，＜0.4um为紫外区。 • （4）太阳辐射能主要分布在可见光区和 红外光区，其中，可见光占太阳辐射总能 量的50%，并以0.47um附近最强，红外区 占43%； • （5）紫外区的太阳辐射能很少，只占7%。
• 水面比陆面的反射率小，不同性质的 地表真正得到的太阳辐射仍有很大差 异，这是导致地表温度分布不均匀的 主要原因。
第二节 地面和大气的辐射能
• 太阳辐射能大部分被下垫面吸收，大气 直接吸收的太阳辐射很少。下垫面将吸 收的能量以长波辐射的形式传给大气， 成为大气的直接热源。
一 、地面、大气的辐射和地面有效辐射
思考:有效总辐射不在赤道而在北纬 20度（热赤道北移）？ • 参考答案： • 一是赤道地区多云，太阳辐射被削弱较 多，而南纬20度地区海洋面积相对较多， 水汽蒸发多，云量多，太阳辐射被削弱 也多； 二是在北纬20度附近常年受到副 热带高气压带的影响。 •
4、地面对太阳辐射的反射 • 到达地面的太阳辐射只有一部分被地 面吸收，另一部他则被地面反射出去。 地面对入射太阳辐射的反射取决于地 面的反射率。而它又取决于地面的性 质。
• 1 直接辐射 • 太阳以平行光的形式直接投射到达地面 上的那部分辐射就称为太阳的直接辐射。 影响因素很多，但太阳高度角和大气透 明度是诸因素中影响太阳直接辐射的主 要因子。 • ①太阳高度角愈小，等量的太阳辐射散 布的面积就愈大，因而地平面单位面积 上所获得的太阳辐射就愈小。 • 一天中：早晚：太阳直接辐射小，中午 大；一年中：夏季太阳辐射大，冬季小。
大气透明度
• 大气对太阳辐射的透射程度称为大气透 明度。 • 大气透明系数：指透过一个大气质量的 辐射强度与进入该大气的辐射强度之比。 I/Io=P • P表示对各种波长的平均削弱情况。如 P=0.8，表示削弱了20%。
• 大气透明系数决定于大气中所含水汽、 水汽凝结物、和尘粒杂质。这些杂质愈 多大气透明程度愈差，透明系数愈小， 因而太阳辐射受到的减弱愈强，到达地 面的太阳辐射也就相应地减小。
太阳直接辐射时空分布
• 直接辐射有显著的年变化、日变化和随 纬度的变化。
2 散射辐射
• 太阳辐射经过散射后，向下到达地面的 辐射，叫散射辐射。 • 与太阳高度角及大气透明度有关，太阳 高度角高度角增大时，到达近地面层的 直接辐射增强，散射辐射也相应地增强， 反之亦然。一日正午前后、一年夏季最 强烈。 • 透明度差，参与散射作用的质点多，散 射辐射也强； • 云量也能强烈地增大散射辐射。
散射分类
• 1、分子散射（蕾利散射）：散射质点的 直径比入射辐射的波长小时，所发生的 散射。在分子散射中，前向散射和后向 散射相等。 • 为何天空呈蔚蓝色？主要是空气分子中 起散射作用的主要是比光的波长更短的 空气分子，属于分子散射，对于波长短 的蓝色、紫色光散射作用最强。因而天 空呈蔚蓝色。
2、粗粒散射（米散射）
• 物体吸收率、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。干洁空气对红外线 是近似透明的，而水汽对红外线却能强烈地吸 收，雪对太阳辐射的反射率很大，但对地面和 大气的辐射却能全部吸收。
（四）有关辐射的基本定律
• 1 基尔荷夫定律 • 1859年，德国科学家基尔荷夫由热力学 定律从理论上推导出与其早年实验发现 一致的理论，即在一定温度下，物体对 某波长的吸收率等于该物体在同温度下 对该波长的发射率。
• 单位时间内，通过垂直于选定方向 上的单位面积的辐射能称为辐射强 度（I）。单位是W/m2或W/sr。 • 二者的关系为：I＝E/cosθ , θ为法 线方向与选定方向的夹角。
（二）辐射光谱
• 辐射能按波长的分布叫称辐射光谱。 • 辐射能随波长变动的几何图形，是不同波长辐 射能的集合。
（三）物体对辐射的吸收、反射和透射
• 通过辐射形式传播的能量称为辐射能。单位可 用焦耳（J）或卡。
• 辐射能是通过电磁波的方式传输的。电磁波的 波长范围很广，从波长10-10um 的宇宙射线， 到波长达几千米的无线电波。肉眼看得见的是 从0.4－0.76μm的波长，这部分称为可见光。
• 在气象学中着重研究的是太阳、地球和大气 的热辐射。热辐射发出的光波仅是整个电磁 波的一个组成部分，它由紫外线、可见光和 红外线组成。研究 波长范 围
可见光
近红外
远红外
0.1~0.4 0.4~0.7 0.7~3.0 3.0~+12 μm μm μm 0μm
• 在上表的划分中，我们一般把波长在 0.1~3.0μm称为短波，3.0~+120μm 的为长波。 • 单位时间内通过单位面积上发射或吸 收、反射、透射的辐射能量称为辐射 通量密度（E），单位是W/m2。 • 辐射通量密度没有限定辐射方向，分 为入射通量密度和放射通量密度。其 数值的大小反映物体放射能力的强弱， 故称之为辐射能力或放射能力。
• 地面吸收太阳短波辐射——升温——放 射长波辐射。大气对太阳的短波辐射几 乎是透明的，吸收很少，却能强烈地吸 收地面的长波辐射——升温——放射长 波辐射，地面和大气之间，以及大气中 气层和气层之间相互交换热量，并也将 热量向宇宙间散发。
1、地面和大气辐射的表示
• 地球表面平均温度为300K，绝大部分地 面辐射能集中在3～80μm波长范围内， 最大辐射能力所对应波长为10μm 。 • 大气平均温度为250K，绝大部分地面辐 射集中在4～120μm波长范围内，最大辐 射能力的波长约在11.6μm处。 • 与太阳辐射相比，因此把地面和大气辐 射也叫长波辐射。
K T ＝eT
• 上式表明，A.在一定波长，一定温度下一 个物体的吸收率等于该物体同温度同波长 的放射率。黑体吸收能力最强，所以它也 是最好的放射体。 • B.同一物体在温度T时它放射某一波长的辐 射，那么，在同一温度下也能吸收这一波 长的辐射。
• 通过这一定律表明，在辐射平衡条件下， 任何物体在某波长的辐射强度和对该波长 的吸收率之比值与物体的性质无关。
• 散射辐射的时空分布：
• 日变化与年变化主要决定于太阳高度角 的变化，同时也与云量的变化有关。 • 一天中最大值出现在中午前后。一年内 最大值出现在夏季月份。
• 散射辐射随纬度不同而变化。散射辐射 月总量最大值与最小值的差值，随纬度 增大而显著地增大。
3 总辐射：直接辐射加上散射辐射 就是总辐射。
• 当散射质点的直径与入射辐射的波长差不多或 更大时，所发生的散射，叫粗粒散射。（主要 是云滴、尘埃） • 粗粒散射没有选择性，对入射光的各种波长具 有同等散射能力，散射削弱系数不再随波长而 改变。
3 大气的云层和尘埃对太阳 辐射的反射
• 反射能力取决于云的厚薄，薄云反射率： 10~20%；厚云反射率：90%。高层云反射率： 25%；中层云：50%；低层云：65%。 • 大气浑浊度越大，对太阳辐射的削弱也越大。 • 总之，太阳辐射有30%被散射或漫射回宇宙--行际反射率，20%被大气的云层直接吸收， 50%到达地面被吸收。以分子散射、粗粒散射、 反射解释天空的颜色及温度。
• 2 斯蒂芬—玻耳兹曼定律 • 1879年，斯蒂芬由实验发现，黑体 放射出的总辐射与该物体的绝对温度 的4次方成正比。 • 1884年，玻耳兹曼用热力学原理证 明了这一点。 • ETb = σT4 • σ—斯蒂芬－玻耳兹曼常数。
• 3 维恩位移定律 • 1893年，维恩从热力学理论导出了黑体辐 射光谱的极大值所对应的波长与物体的绝 对温度成反比。
• 物体的温度愈高，其单色辐射极大值所对 应的波长愈短，反之亦然。 • 通过这一公式，可计算出太阳发射的辐射 值是0.48μm，地球发射的辐射为10.06μm， 人体发射的辐射为9.48μm。
m T C
二、太阳辐射
• （一）、太阳辐射光谱和太阳常数 • 太阳辐射光谱——太阳辐射中辐射按 波长的分布，称为太阳辐射光谱。见 书太阳辐射光谱图。 • 从图中得出什么规律？
• 1 ) 影响太阳总辐射的因素： • ——太阳高度角越大，总辐射也越大； • ——云量越多，总辐射越小（因为云量多时， 直接辐射减小的幅度大于散射辐射增加的幅度） • 2）总辐射的时空分布规律： • ——总辐射，在夜间为零，日出后逐渐上升， 中午最大；一年中夏季大，冬季小。 • ——一般是纬度越低，总辐射越大，反之越小。 • 世界年总辐射量最小值在南北半球的极区，最 大值在非洲东北的沙漠地带。
（二）太阳辐射在大气中的减 弱
• 太阳辐射光谱穿过大气后的主要变化有： 总辐射能有明显的减弱；辐射能随波长 的分布变得极不规则；波长短的辐射能 减弱的更为显著。 • 原因有以下几个方面：
1 大气对太阳辐射的吸收
• 大气中吸收太阳辐射的成分主要是水 汽、氧、臭氧、二氧化碳及固体杂质。 大气对太阳辐射的吸收是有选择性的， 主要集中在太阳辐射光谱两端能量较 小的区域，因此大气直接吸收的太阳 能并不多，对大气来说太阳辐射不是 主要直接热源。
第二章 大气的热能和温 度
第一节 太阳辐射 第二节 地面和大气的辐射 第三节 大气的增温和冷却 第四节 大气温度随时间的变化 第五节 大气温度的空间分布
第一节 太阳辐射
• 一、 辐射的基本知识 • (一) 、 辐射和辐射能 • 辐射——自然界中的一切物体都以电磁波的方 式向四周放射能量，这种传播能量的方式称为 辐射。
(三)到达地面的太阳辐射