最新04长波辐射与辐射平衡
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假设大气放射是各向同性的，对半球空间积分以后，可得到大气上界 的单色辐射通量密度（5.5.18）
E (0 )2 ππ2L (0 , )co ss id nd 00 π B ( T g ) 2 0 1 e 0 d 0 0 π B [ T ()2 ] 0 1 e d d
2：云的热辐射 （许多经验公式:Brunt、Swinbank、赵文广）(p111)
5.6 地气系统辐射平衡
地面长波辐射
E L ,0
=
g
T
4 g
+
(1g )EL,0
地面发射
地面反射
地面长波净辐射 E L , 0 * = g(Tg4 EL,0)
一般情况，E L ,0 <
E L ,0
定义地面有效辐射 E0 EL,0*
4
Te 255k
5.6 地气系统辐射平衡
掌握大气保温效应、温室效应的概念，理解图 5.24和（5.6.3）式
大气层让短波辐射通过，但对长波有吸收，使地面保持较高温度。 温室效应的辐射平衡模式（p109）
S0 4
1RTa4
AL
Tg4
1AL
S0 4
1RAsTa4
AL
Tg4
Tg4
S0 4
2 1 R 2 AL
E ( 0 ) π B ( T g )f( , 0 ) 0 0 π B [ T ()d ]d f( , )d 1
π B ( T g )f( , 0 ) ( 0 )π B [ T ()d ]f( , )
其中第一项为来自地表的辐射， 第二项为各层大气的辐射和吸收。
( 5 .5 .2 1 )
若 求 地 气 系 统 从 大 气 顶 部 向 外 射 出 的 长 波 辐 射 （ O L R ） ， 则 需 对 所 有 波 长 积 分 ，
E L ,0 E (0 )d
(5 .5 .2 2 )
5.5.3 大气顶射出的长波辐射
在推导前面的公式时请特别注意其物理意义: ①各高度上发射的长波辐射量为该点温度所对应
由 以 上 讨 论 得 地 面 的 净 辐 射 通 量 （ 包 括 短 波 和 长 波 ） 为
E0*ES0,1Rgg(Tg4EL0 , )
或
E0*ES0 , 1RgE0
(5.6.20) (5.6.21)
地球表面的辐射差额（净辐射）就是地面所吸收的太阳短波辐射和地面放 出的有效辐射（长波）之差。在白天无云条件下，E0*是正值，地面升温； 而在夜间，因无太阳辐射，E0*是负值，则地面降温。
辐射差额=辐射收入-辐射支出
5.6 地气系统辐射平衡
推导地–气系统平衡时的有效温度（5.6.2）， 说明其与地球表面平均温度相差33度的原因
接受太阳辐射： s0r2(1 R)
地气系统发射： 4 r2Te4
在地–气系统达到辐射平衡时，有
S 0 πr2(1 R ) 4 πr2T e4
有效温度
Te
4 S0 1R
5.6 地气系统辐射平衡
理解图5.25（p113）
内陆和海洋比较 （1）：洋面反射小---有效辐射小--辐射差额大 （2）：内陆温度变化大-----有效辐射变化大
5.6 地气系统辐射平衡
大气变温率的计算
对于光学薄层
E*zzEzzEzz E*zEzEz
薄层辐射差额（净辐射）
E * E * z z E * z
假定地面为黑体，温度为Tg，则有边条件： = 0处，L ( 0)=B(Tg)。 根据长波辐射传输方程的通解(5.5.8),大气顶 0处向外单色幅亮度为
L ( 0 ,) e B 0 (T g )B e ( T 0g ) 0 0 0 0 B B [T [ T (()) e ]e ] ( d 0 )d
变温率
T t 1 cp E z*cgp E p*d E p*
5.6 地气系统辐射平衡
大气变温率的计算
5.6 地气系统辐射平衡
思考理解并解释图5.31(p119)
习题
P121：13、15
Earth’s radiation budget
Average Solar Radiation on a Sphere
5.6 地气系统辐射平衡
理解以下概念：地面短波（长波）净辐射通量
密度（5.6.12）（5.6.18）、大气逆辐射、地
面有效辐射（5.6.19）
(5.6.12)
E0*ES,0*EL,0*
E* S,0
E S,0
E S,0
E* L,0
E L,0
E L,0
ES,0*1Rg
E S,0
大气逆辐射 = 入射到地面的长波辐射 由两部分组成 1：大气本身的热辐射
的黑体辐射量乘以其比辐射率（吸收率）。
②这一辐射在传输到大气上界时要受到它上部这 层大气的吸收衰减。
③大气层顶部的出射辐射是地面和各层大气辐射 之和。
④地球大气顶部总的长波出射辐射（OLR）为各 波长出射辐射之和。
5.6 地气系统辐射平衡
掌握净辐射、辐射差额概念 系统或物体收入辐射能与支出辐射能的差值
A s
Hale Waihona Puke Baidu
Ta 4
S0 4
A s A L (1 R A s ) AL 2 AL
取AL = 0.8，As=0.2 ，R=0.3 代入（5.6.4）后，有 Tg = 278.6 K，Ta = 247.7 K。
可见，大气层的存在使地面平衡温度高于全球的 有效温度，而大气层的平均温度却低于全球的 有效温度。
0.95 0.91 0.82
0.95
吸 收 率
0.956 0.966
0.96
~0.97 ~0.95 ~0.93
~0.98
0.993 0.97
0.995
理解（5.5.1)(5.5.2)式
5.5.3 大气顶射出的长波辐射
掌握OLR(Outgoing Longwave Radiation )概念， 理解（5.5.21) 式各项意义，结合（5.5.8) 式。
04长波辐射与辐射平衡
5.5.1 地面的长波辐射特性
接合前面内容掌握吸收率、比辐射率概念
比较地面长波、短波吸收率的不同特点
地面对于长波辐射的吸收率接近常数，可作为 灰体，但对短波辐射的吸收率较低，且随波长 变化大。
表5.12 地 面 长 波 辐 射 吸 收 率 （ 或 比 辐 射 率 ） 表 面 种 类 土 壤 沙 土 岩 石 沥 青 路土 路 植 被 海 水 纯 水 陈 雪 雪
E (0 )2 ππ2L (0 , )co ss id nd 00 π B ( T g ) 2 0 1 e 0 d 0 0 π B [ T ()2 ] 0 1 e d d
2：云的热辐射 （许多经验公式:Brunt、Swinbank、赵文广）(p111)
5.6 地气系统辐射平衡
地面长波辐射
E L ,0
=
g
T
4 g
+
(1g )EL,0
地面发射
地面反射
地面长波净辐射 E L , 0 * = g(Tg4 EL,0)
一般情况，E L ,0 <
E L ,0
定义地面有效辐射 E0 EL,0*
4
Te 255k
5.6 地气系统辐射平衡
掌握大气保温效应、温室效应的概念，理解图 5.24和（5.6.3）式
大气层让短波辐射通过，但对长波有吸收，使地面保持较高温度。 温室效应的辐射平衡模式（p109）
S0 4
1RTa4
AL
Tg4
1AL
S0 4
1RAsTa4
AL
Tg4
Tg4
S0 4
2 1 R 2 AL
E ( 0 ) π B ( T g )f( , 0 ) 0 0 π B [ T ()d ]d f( , )d 1
π B ( T g )f( , 0 ) ( 0 )π B [ T ()d ]f( , )
其中第一项为来自地表的辐射， 第二项为各层大气的辐射和吸收。
( 5 .5 .2 1 )
若 求 地 气 系 统 从 大 气 顶 部 向 外 射 出 的 长 波 辐 射 （ O L R ） ， 则 需 对 所 有 波 长 积 分 ，
E L ,0 E (0 )d
(5 .5 .2 2 )
5.5.3 大气顶射出的长波辐射
在推导前面的公式时请特别注意其物理意义: ①各高度上发射的长波辐射量为该点温度所对应
由 以 上 讨 论 得 地 面 的 净 辐 射 通 量 （ 包 括 短 波 和 长 波 ） 为
E0*ES0,1Rgg(Tg4EL0 , )
或
E0*ES0 , 1RgE0
(5.6.20) (5.6.21)
地球表面的辐射差额（净辐射）就是地面所吸收的太阳短波辐射和地面放 出的有效辐射（长波）之差。在白天无云条件下，E0*是正值，地面升温； 而在夜间，因无太阳辐射，E0*是负值，则地面降温。
辐射差额=辐射收入-辐射支出
5.6 地气系统辐射平衡
推导地–气系统平衡时的有效温度（5.6.2）， 说明其与地球表面平均温度相差33度的原因
接受太阳辐射： s0r2(1 R)
地气系统发射： 4 r2Te4
在地–气系统达到辐射平衡时，有
S 0 πr2(1 R ) 4 πr2T e4
有效温度
Te
4 S0 1R
5.6 地气系统辐射平衡
理解图5.25（p113）
内陆和海洋比较 （1）：洋面反射小---有效辐射小--辐射差额大 （2）：内陆温度变化大-----有效辐射变化大
5.6 地气系统辐射平衡
大气变温率的计算
对于光学薄层
E*zzEzzEzz E*zEzEz
薄层辐射差额（净辐射）
E * E * z z E * z
假定地面为黑体，温度为Tg，则有边条件： = 0处，L ( 0)=B(Tg)。 根据长波辐射传输方程的通解(5.5.8),大气顶 0处向外单色幅亮度为
L ( 0 ,) e B 0 (T g )B e ( T 0g ) 0 0 0 0 B B [T [ T (()) e ]e ] ( d 0 )d
变温率
T t 1 cp E z*cgp E p*d E p*
5.6 地气系统辐射平衡
大气变温率的计算
5.6 地气系统辐射平衡
思考理解并解释图5.31(p119)
习题
P121：13、15
Earth’s radiation budget
Average Solar Radiation on a Sphere
5.6 地气系统辐射平衡
理解以下概念：地面短波（长波）净辐射通量
密度（5.6.12）（5.6.18）、大气逆辐射、地
面有效辐射（5.6.19）
(5.6.12)
E0*ES,0*EL,0*
E* S,0
E S,0
E S,0
E* L,0
E L,0
E L,0
ES,0*1Rg
E S,0
大气逆辐射 = 入射到地面的长波辐射 由两部分组成 1：大气本身的热辐射
的黑体辐射量乘以其比辐射率（吸收率）。
②这一辐射在传输到大气上界时要受到它上部这 层大气的吸收衰减。
③大气层顶部的出射辐射是地面和各层大气辐射 之和。
④地球大气顶部总的长波出射辐射（OLR）为各 波长出射辐射之和。
5.6 地气系统辐射平衡
掌握净辐射、辐射差额概念 系统或物体收入辐射能与支出辐射能的差值
A s
Hale Waihona Puke Baidu
Ta 4
S0 4
A s A L (1 R A s ) AL 2 AL
取AL = 0.8，As=0.2 ，R=0.3 代入（5.6.4）后，有 Tg = 278.6 K，Ta = 247.7 K。
可见，大气层的存在使地面平衡温度高于全球的 有效温度，而大气层的平均温度却低于全球的 有效温度。
0.95 0.91 0.82
0.95
吸 收 率
0.956 0.966
0.96
~0.97 ~0.95 ~0.93
~0.98
0.993 0.97
0.995
理解（5.5.1)(5.5.2)式
5.5.3 大气顶射出的长波辐射
掌握OLR(Outgoing Longwave Radiation )概念， 理解（5.5.21) 式各项意义，结合（5.5.8) 式。
04长波辐射与辐射平衡
5.5.1 地面的长波辐射特性
接合前面内容掌握吸收率、比辐射率概念
比较地面长波、短波吸收率的不同特点
地面对于长波辐射的吸收率接近常数，可作为 灰体，但对短波辐射的吸收率较低，且随波长 变化大。
表5.12 地 面 长 波 辐 射 吸 收 率 （ 或 比 辐 射 率 ） 表 面 种 类 土 壤 沙 土 岩 石 沥 青 路土 路 植 被 海 水 纯 水 陈 雪 雪