AP06长波辐射与辐射平衡.ppt
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d kab, dz
dL Ld /
E
2
/2
Lcos sindd
00
由地面到Z处,由(5.5.8a)得 L ( , ) 利L用(（0 )e5.(10.5）)/
可求出在Z高度上的辐照度Eλ()
E (0 ) 2
1 0
e(0 )
d
定义地面至Z处气层的漫射透过率 f ,
f , ( 0
E S,0
E S,0
E* L,0
E L,0
E L,0
E * S,0
1 Rg
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
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
=
(5.5.21)
若求地气系统从大气顶部向外射出的长波辐射（OLR），则需对所有波长积分，
EL,
0
E
(0)
d
(5.5.22)
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
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。
光学厚度坐标方程（5.5.7）
Z坐标下方程（5.5.4） 解方程 结果（5.5.8）
A
d L L
kab, L L
dl
kab,
dl
A B (T ) kab, B (T ) d l
d L kab, [L B (T )]sec d z
d L
dz
kab, [L
B (T )]
d L
d
L
B (T )
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 * z z E z z E z z E * z E z E z
薄层辐射差额（净辐射）
E* E*z z E*z
变温率
T t
1
cp
E* z
g cp
E* p
d
E* p
5.6 地气系统辐射平衡
大气变温率的计算
F Ag Tg4
(5.5.1)
或以地面比辐射率eg 表示，为
F g Tg4
(5.5.2)
陆地表面可看作朗伯面；而平静的水面因有反 射，则不能当作朗伯面处理。
5.5.2 长波辐射在大气中传输
大气的长波辐射性质(分别与短波对比) 1: 太阳直接辐射<<地球与大气的红外辐射； 2: 大气对长波辐射的散射削弱极小,一般只考虑吸
土壤 0.95 ~0.97
沙土
表 5.12 地面长波辐射吸收率（或比辐射率） 岩石 沥青路 土路 植被 海水
纯水
0.91
0.82
0.95
0.956 0.966
0.96
~0.95 ~0.93
~0.98
0.993
陈雪 0.97
雪 0.995
理解（5.5.1)(5.5.2)式
设地表温度为Tg，地面的积分出射度应是
g Tg4
+ (1 g )EL,0
地面发射 地面反射
地面长波净辐射
E* L,0
=
g
( Tg4
E L,0
)
一般情况，EL,0< EL,0定义地面有效辐射
E0 EL,0*
由以上讨论得地面的净辐射通量（包括短波和长波）为
E0* ES,0
1 R g
g(
Tg 4
E
L ,0
)
(5.6.20)
或
E0* ES,0 1 R g E0
)
E ( ) E ( 0 )
2
e1 (0 )
0
d
对比平行辐射透过率和漫射 透过率表达示形式,若要把漫 射辐射当作平行辐射处理， 应当将其光学厚度加大1.66 倍。其原理是清楚的，因为
(0) 是这一层大气的垂直
光学厚度，垂直方向辐射的 光学路径最短，而其它方向 的路径都要加长，其吸收当 然也增加了。作为对各个方 向的积分，其最终效果是加 大 1.66 倍，因此也有人把β 称为漫射因子
S0 4
1
R
Ta 4
AL
Tg 4
1
AL
S0 4
1
R
As
Ta 4
AL
Tg 4
Tg 4
S0 4
2 1 R 2 AL
As
Ta 4
S0 4
As AL (1 R As ) 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。
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
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
0
B [T ( ' )] e( ')
d '
在已知吸收物质的吸收系数和光学厚度以及介 质的温度分布以后，可以从理论上计算大气中 辐射场的分布。
5.5.2 长波辐射在大气中传输
掌握漫射透过率、漫射因子的概念，理解（5.5.12) 、 （5.5.16) 式
只考虑气层的吸收削弱
dL kab, L sec dz
• 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。
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*
E* S,0
E* L,0
E* S,0
Earth’s radiation budget
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
收作用； 3: 大气的吸收和放射须同时考虑。
长波辐射在大气中传输是一种漫射辐射，是在无散射但有吸收， 放射的介质中的传输。
5.5.2 长波辐射在大气中传输
理解并能写出Schwarzchild 方程（5.5.3) (5.5.4) (5.5.7)式，理解 （5.5.8) 式中各项含义
吸收+放出
总变化（5.5.3）
Байду номын сангаас
π
B (Tg ) 2
1 e0
0
d
0 0
π
B [T (
)] 2
1 e
0
d
d
E (0) π B (Tg ) f, ( 0 )
0 0
π
B
[T
(
)]
d f, ( d
)
d
1
π B (Tg ) 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。
接受太阳辐射： 地气系统发射：
s0 r2 (1 R)
4 r 2 Te4
在地–气系统达到辐射平衡时，有
S0 π r2 (1 R) 4π r2Te4
有效温度 Te
4 S0 1 R
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）
(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。
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
L (0, ) e0
B
(Tg
)
0 0
B [T (
)] e( 0 )
d
B (Tg ) e0
0 0
B [T ( )] e
d
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)
2π 0
π2
0 L (0, ) cos sin d d
方程的解的形式为:(5.5.8a)(5.5.8b)
L
(
,
)
e (0
)
L
( 0 ,
)
0
B [T (
' )] e( '0 )
d
'
L ( 0 , ) e(0 )
0
B [T (
' )] e( '
)
d '
L ( ,)
e
L
(0,
)
0
B [T ( ' )] e '
d
'
L (0,) e
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。
假定地面为黑体，温度为Tg，则有边条件：
= 0处，L ( 0)=B(Tg)。 0
根据长波辐射传输方程的通解(5.5. 8),大气顶 处向外单色幅亮度为
第五章 地面和大气中的辐射过程
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
5.5.1 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。
表面种类 吸收率
dL Ld /
E
2
/2
Lcos sindd
00
由地面到Z处,由(5.5.8a)得 L ( , ) 利L用(（0 )e5.(10.5）)/
可求出在Z高度上的辐照度Eλ()
E (0 ) 2
1 0
e(0 )
d
定义地面至Z处气层的漫射透过率 f ,
f , ( 0
E S,0
E S,0
E* L,0
E L,0
E L,0
E * S,0
1 Rg
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
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
=
(5.5.21)
若求地气系统从大气顶部向外射出的长波辐射（OLR），则需对所有波长积分，
EL,
0
E
(0)
d
(5.5.22)
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
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。
光学厚度坐标方程（5.5.7）
Z坐标下方程（5.5.4） 解方程 结果（5.5.8）
A
d L L
kab, L L
dl
kab,
dl
A B (T ) kab, B (T ) d l
d L kab, [L B (T )]sec d z
d L
dz
kab, [L
B (T )]
d L
d
L
B (T )
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 * z z E z z E z z E * z E z E z
薄层辐射差额（净辐射）
E* E*z z E*z
变温率
T t
1
cp
E* z
g cp
E* p
d
E* p
5.6 地气系统辐射平衡
大气变温率的计算
F Ag Tg4
(5.5.1)
或以地面比辐射率eg 表示，为
F g Tg4
(5.5.2)
陆地表面可看作朗伯面；而平静的水面因有反 射，则不能当作朗伯面处理。
5.5.2 长波辐射在大气中传输
大气的长波辐射性质(分别与短波对比) 1: 太阳直接辐射<<地球与大气的红外辐射； 2: 大气对长波辐射的散射削弱极小,一般只考虑吸
土壤 0.95 ~0.97
沙土
表 5.12 地面长波辐射吸收率（或比辐射率） 岩石 沥青路 土路 植被 海水
纯水
0.91
0.82
0.95
0.956 0.966
0.96
~0.95 ~0.93
~0.98
0.993
陈雪 0.97
雪 0.995
理解（5.5.1)(5.5.2)式
设地表温度为Tg，地面的积分出射度应是
g Tg4
+ (1 g )EL,0
地面发射 地面反射
地面长波净辐射
E* L,0
=
g
( Tg4
E L,0
)
一般情况，EL,0< EL,0定义地面有效辐射
E0 EL,0*
由以上讨论得地面的净辐射通量（包括短波和长波）为
E0* ES,0
1 R g
g(
Tg 4
E
L ,0
)
(5.6.20)
或
E0* ES,0 1 R g E0
)
E ( ) E ( 0 )
2
e1 (0 )
0
d
对比平行辐射透过率和漫射 透过率表达示形式,若要把漫 射辐射当作平行辐射处理， 应当将其光学厚度加大1.66 倍。其原理是清楚的，因为
(0) 是这一层大气的垂直
光学厚度，垂直方向辐射的 光学路径最短，而其它方向 的路径都要加长，其吸收当 然也增加了。作为对各个方 向的积分，其最终效果是加 大 1.66 倍，因此也有人把β 称为漫射因子
S0 4
1
R
Ta 4
AL
Tg 4
1
AL
S0 4
1
R
As
Ta 4
AL
Tg 4
Tg 4
S0 4
2 1 R 2 AL
As
Ta 4
S0 4
As AL (1 R As ) 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。
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
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
0
B [T ( ' )] e( ')
d '
在已知吸收物质的吸收系数和光学厚度以及介 质的温度分布以后，可以从理论上计算大气中 辐射场的分布。
5.5.2 长波辐射在大气中传输
掌握漫射透过率、漫射因子的概念，理解（5.5.12) 、 （5.5.16) 式
只考虑气层的吸收削弱
dL kab, L sec dz
• 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。
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*
E* S,0
E* L,0
E* S,0
Earth’s radiation budget
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
收作用； 3: 大气的吸收和放射须同时考虑。
长波辐射在大气中传输是一种漫射辐射，是在无散射但有吸收， 放射的介质中的传输。
5.5.2 长波辐射在大气中传输
理解并能写出Schwarzchild 方程（5.5.3) (5.5.4) (5.5.7)式，理解 （5.5.8) 式中各项含义
吸收+放出
总变化（5.5.3）
Байду номын сангаас
π
B (Tg ) 2
1 e0
0
d
0 0
π
B [T (
)] 2
1 e
0
d
d
E (0) π B (Tg ) f, ( 0 )
0 0
π
B
[T
(
)]
d f, ( d
)
d
1
π B (Tg ) 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。
接受太阳辐射： 地气系统发射：
s0 r2 (1 R)
4 r 2 Te4
在地–气系统达到辐射平衡时，有
S0 π r2 (1 R) 4π r2Te4
有效温度 Te
4 S0 1 R
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）
(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。
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
L (0, ) e0
B
(Tg
)
0 0
B [T (
)] e( 0 )
d
B (Tg ) e0
0 0
B [T ( )] e
d
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)
2π 0
π2
0 L (0, ) cos sin d d
方程的解的形式为:(5.5.8a)(5.5.8b)
L
(
,
)
e (0
)
L
( 0 ,
)
0
B [T (
' )] e( '0 )
d
'
L ( 0 , ) e(0 )
0
B [T (
' )] e( '
)
d '
L ( ,)
e
L
(0,
)
0
B [T ( ' )] e '
d
'
L (0,) e
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。
假定地面为黑体，温度为Tg，则有边条件：
= 0处，L ( 0)=B(Tg)。 0
根据长波辐射传输方程的通解(5.5. 8),大气顶 处向外单色幅亮度为
第五章 地面和大气中的辐射过程
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
5.5.1 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。
表面种类 吸收率