大气科学概论课件到达地面的太阳辐射
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大气科学概论第十三辐射5PPT学习课件
4
SG (1 rs ) F0
δ为地面红外辐射吸收率。
凡是影响太阳总辐射和地面有效辐射 的因子都能影响FB。
白天，总辐射起主要作用； 夜间，地面有效辐射起主要作用。
辐射差额的日变化：
辐射差额夜间为负， 白天为正。 由负值转到正值的时刻 一般在日出后1小时， 由正值转到负值的时刻 在日落前1—1.5小时。
由于海洋和陆地的热力性质不同，在地表能量 平衡的条件下，温度变化不同：
陆地热容量小，陆地上的气温变化大；
海洋热容量大，海水可以流动，因此海出来，因而海洋上的 气温变化不大。
海陆差异引起白天陆地上气温比邻近海洋高， 夜间相反；夏季陆地上气温比邻近海洋高，冬季相反。
这种因海陆分布引起的对流层水平温度梯度的季节性转换， 是引起大规模的季风环流的主要原因之一。
6.5.3 气温的日变化
白天大气通过辐射、分子运动、 湍流及 对流运动和潜热输送等方式将热量传递，使 大气温度随之升高；夜间地表面因放射长波辐射 而冷却，使边界层大气温度也随之降低，因而引起 大气温度的日变化。
气温的日变化通常包括极值出现的时间 和日较差的变化：
◇在一日内有一个最高值，一般出现在 午后14时左右，一个最低值，一般出现在
日出前后。（为何不出现在正午？）
因为地面的最高值取决于地面储存能量的多少，地面 收入大于支出转为收入小于支出的时间在下午1点左右，即地 面温度最高，传递给大气须一定的滞后时间，所以最高气温出现 在14时左右。
如图为辐射差额日变化的情况。
地面辐射差额的年变化： 地面辐射差额的年变化随纬度而异： 纬度越低，辐射差额保持正的月份越多， 纬度越高，辐射差额保持正的月份越少
p50图中给出不同纬度辐射差额的年变化
大气科学概论课件(第九：辐射1)
3、若把太阳当作温度为6000K的黑体，计算太阳表面每 年向外放射多少辐射？计算出太阳辐射最强的波长 λm为多少？
太阳是一个巨大灼热的气体球，它不断地 进行着氢核聚变，因而以巨大的能量向外辐射。
一年中整个地球可以从太阳获得5.67×1024J 的辐射能量。
虽然地球大气也接收其他天体发送的粒子流， 但从能量角度来讲微不足道。 而来自宇宙中其它星体的辐射能仅是来自太阳辐射 能的亿分之一。从地球内部传递到地面上的能量也仅是 来自太阳辐射能的万分之一。
实验室可人工制造接近绝对黑体的表面：
应当注意，黑体与黑色物体有区别： 因为黑色物体只表明它对可见光的反射性质，我们 不能仅根据颜色来判断它对各波段的吸收能力。 如洁白的雪面对远红外波段的吸收能力比其它物体强。
二、灰体 如果物体的吸收率a<1，但a是一常量，且 不随波长而改变，这种物体称灰体。
如地面对长波辐射的吸收率a近于常数，a<1，故可 以认为地面为灰体。
练习：
1、假设一半径为１厘米的球状黑体，表 面温度为100C时，其辐出度为多少？每秒向外 放射多少辐射能？若该球体为一般物体，对辐射 的吸收率为0.85，则该物体每秒向外发射的辐射 能为多少？ 2、已知到达地球上界的太阳平均辐照度为1367W/m-2, 求黑体太阳表面的有效温度。太阳表面平均直径＝ 1.41×109m，日地平均距离为1.5×1011m。
当放射的辐射能恰好等于吸收的辐射能时，该物体 处于热平衡状态，可以用态函数—温度来描述。
一般认为： 地面到60km以下的大气处于局地辐射平衡状态，可以 用平衡辐射规律来解决平流层以下的大气辐射问题。
下面讨论物体处于热平衡状态下放射和 吸收辐射的物理规律：
• • • • 基尔霍夫（Kirchhoff）定律 普朗克(planck)定律 斯蒂芬（Stefan）-玻耳兹曼（Boltzman）定律 维恩（Wein）位移定律
太阳是一个巨大灼热的气体球，它不断地 进行着氢核聚变，因而以巨大的能量向外辐射。
一年中整个地球可以从太阳获得5.67×1024J 的辐射能量。
虽然地球大气也接收其他天体发送的粒子流， 但从能量角度来讲微不足道。 而来自宇宙中其它星体的辐射能仅是来自太阳辐射 能的亿分之一。从地球内部传递到地面上的能量也仅是 来自太阳辐射能的万分之一。
实验室可人工制造接近绝对黑体的表面：
应当注意，黑体与黑色物体有区别： 因为黑色物体只表明它对可见光的反射性质，我们 不能仅根据颜色来判断它对各波段的吸收能力。 如洁白的雪面对远红外波段的吸收能力比其它物体强。
二、灰体 如果物体的吸收率a<1，但a是一常量，且 不随波长而改变，这种物体称灰体。
如地面对长波辐射的吸收率a近于常数，a<1，故可 以认为地面为灰体。
练习：
1、假设一半径为１厘米的球状黑体，表 面温度为100C时，其辐出度为多少？每秒向外 放射多少辐射能？若该球体为一般物体，对辐射 的吸收率为0.85，则该物体每秒向外发射的辐射 能为多少？ 2、已知到达地球上界的太阳平均辐照度为1367W/m-2, 求黑体太阳表面的有效温度。太阳表面平均直径＝ 1.41×109m，日地平均距离为1.5×1011m。
当放射的辐射能恰好等于吸收的辐射能时，该物体 处于热平衡状态，可以用态函数—温度来描述。
一般认为： 地面到60km以下的大气处于局地辐射平衡状态，可以 用平衡辐射规律来解决平流层以下的大气辐射问题。
下面讨论物体处于热平衡状态下放射和 吸收辐射的物理规律：
• • • • 基尔霍夫（Kirchhoff）定律 普朗克(planck)定律 斯蒂芬（Stefan）-玻耳兹曼（Boltzman）定律 维恩（Wein）位移定律
大气科学概论课件太阳辐射及其在大气中的衰减
大气科学概论课件太阳辐射及其在大气中的衰减太阳辐射及其在大气中的衰减6.3.1 太阳和太阳辐射一、太阳概况太阳是一个巨大的等离子体球。
等离子体，指其正负两种离子所带的电荷的总量相等，因而整体上呈现中性。
这种温度极高、电离度极高的物质聚集态，被称为物质的第四态。
包括太阳、恒星和星际气体在内，宇宙空间几乎99的物质是等离子体。
太阳是太阳系的中心天体是太阳系里唯一的一颗恒星也是离地球最近的一颗恒星。
1、太阳的大小 ?太阳的直径为139.2万千米，是地球的109倍。
?太阳的体积为141亿亿立方千米，是地球的130万倍。
?太阳的质量近2000亿亿亿吨，是地球的33万倍。
?太阳的表面温度约为5800K，中心温度可达1.7×107K。
它集中了太阳系99.865的质量，是一个绝对至高无上的“国王”。
2、太阳的大气主要成分太阳是个炽热的气体星球，没有固体的星体或核心。
太阳大气的主要成分是氢(质量约占71) 与氦(质量约占27)。
3、太阳的结构太阳从中心到边缘可分为太阳内部和大气层。
太阳内部大气层太阳内部:日核区、中介层、对流层;大气层:光球、色球和日冕。
太阳能量的99是由中心的核反应区的热核反应产生的。
太阳中心的密度和温度极高，它发生着由氢聚变为氦的热核反应，而该反应足以维持100亿年因此太阳目前正处于中年期。
在进入地球大气之前，太阳光谱是怎样的,其辐射通量密度是多少, 这不仅是研究大气辐射问题时首先要了解的，而且在研究太阳物理、环境科学、宇航和太阳能利用等许多领域都具有重要的意义。
二、大气上界的太阳光谱及太阳常数 1、大气上界的太阳光谱太阳辐射通量密度或辐射率随波长的分布称为太阳辐射光谱。
p36 2、太阳常数太阳常数:当日地间处于平均距离时大气上界垂直于太阳光线的平面上单位时间单位面积内接受到的太阳辐射能量。
世界气象组织在1981年推荐的太阳常数最近值S01367?7W/m2。
1372 大气中有各种气体成分以及水滴、尘埃等气溶胶颗粒，太阳辐射在大气中传输时，要受到大气的影响，其强度、传输方向以及偏振状态都会发生变化。
大气科学概论-大气辐射
第二节、辐射基本定律
Planck（普朗克）定律（黑体辐射）
绝对黑体的辐射能力（辐射通量密度）Eλ,T为黑体的 波长λ和温度,T的函数。
E ,T
2hv2 5
vh
(e kT
1) 1
v为光速，h为普朗克常数，e为自然对数的底 波尔兹曼常数 k = 1.381 * 10-23 J / K
第二节、辐射基本定律
Planck定律
– 任何温度的黑体都会放 射不同波长的辐射。
第二节、辐射基本定律
Planck定律
温度不同，黑体的 放射能力不同，温 度越高，放射能力 越强。
任何温度的黑体放 射能力都有一个最 大值，且温度升高 时，最大值对应的 波长越短。
第二节、辐射基本定律
Planck定律
不同温度的黑体 对应的波长范围 不同。即黑体辐 射能力集中的波 段不同。
太阳表面温度为6000K，而地球表面的平均温度为288K。因此， 太阳表面单位面积上放射的能量要比地球表面放射的能量大几 百万倍。
第二节、辐射基本定律
Wien(维恩)位移定律（黑体辐射）
绝对黑体的放射能力最大值对应波长，与其本身的绝对温度成反比
（黑体辐射光谱极大值对应的波长和温度的乘积为一常数。）
一、太阳辐射强度和太阳常数
一、太阳辐射强度和太阳常数
太阳常数
当地球位于日地平均距离时，在地球大气上界投射到 垂直于太阳光线平面上的太阳辐射强度称为太阳常数， 用S0表示。
S0 = 1367 W / M2 太阳常数的变化范围为 1325 ～ 1457 W / M2 之间
太阳辐射强度主要由太阳高度角和大气透明度决定 大气对太阳辐射强度和地面光照度都有减弱作用
第一节 辐射概述
《太阳辐射》课件
监测设备
使用太阳辐射监测设备，如太 阳辐射计和紫外线指数计，可 以实时监测太阳辐射的强度。
气象预报
气象部门会发布紫外线指数预 报，提醒公众当天的太阳辐射 强度和防护建议。
网络查询
通过查询网络上的紫外线指数 查询系统，可以了解当前和未 来一段时间内的紫外线强度。
个人感受
根据个人感受和皮肤反应，也 可以大致判断太阳辐射的强度
吸收
地面吸收太阳辐射的量取决于地 面的性质，如土壤、草地、水面 的吸收能力各不相同。
太阳辐射在地球表面的分布
纬度分布
随着纬度的升高，太阳辐射的强 度逐渐减弱。
经度与海拔分布
同一纬度上，太阳辐射的分布还受 到经度和海拔的影响。
时间分布
一天中，太阳辐射的强度在中午时 分达到最大，早晚较小。一年中， 夏季接收到的太阳辐射较多，冬季 较少。
太阳辐射对地球的影响
太阳辐射是地球气候变化的主要驱动力，通过影响地球的温度和气候系统，对人类 生活产生深远影响。
太阳辐射中的紫外线有助于杀菌、预防佝偻病等，但过量的紫外线会导致皮肤癌等 疾病。
太阳辐射中的红外线有助于维持地球的温度，但过量的红外线会导致温室效应等环 境问题。
02
太阳辐射的传输
太阳辐射在大气中的传
演化也具有重要意义。
03
技术创新
太阳辐射研究促进了太阳能利用技术的发展和创新，推动了新能源产业
的发展，有助于减少对化石燃料的依赖，降低温室气体排放，为应对全
球气候变化做出贡献。
THANK YOU
感谢观看
太阳辐射的波长范围覆盖了从紫外、 可见光、红外线直到微波的所有波段 。
太阳辐射的来源与组成
太阳辐射主要来源于太阳内部的 核聚变反应，释放出大量的能量
使用太阳辐射监测设备，如太 阳辐射计和紫外线指数计，可 以实时监测太阳辐射的强度。
气象预报
气象部门会发布紫外线指数预 报，提醒公众当天的太阳辐射 强度和防护建议。
网络查询
通过查询网络上的紫外线指数 查询系统，可以了解当前和未 来一段时间内的紫外线强度。
个人感受
根据个人感受和皮肤反应，也 可以大致判断太阳辐射的强度
吸收
地面吸收太阳辐射的量取决于地 面的性质，如土壤、草地、水面 的吸收能力各不相同。
太阳辐射在地球表面的分布
纬度分布
随着纬度的升高，太阳辐射的强 度逐渐减弱。
经度与海拔分布
同一纬度上，太阳辐射的分布还受 到经度和海拔的影响。
时间分布
一天中，太阳辐射的强度在中午时 分达到最大，早晚较小。一年中， 夏季接收到的太阳辐射较多，冬季 较少。
太阳辐射对地球的影响
太阳辐射是地球气候变化的主要驱动力，通过影响地球的温度和气候系统，对人类 生活产生深远影响。
太阳辐射中的紫外线有助于杀菌、预防佝偻病等，但过量的紫外线会导致皮肤癌等 疾病。
太阳辐射中的红外线有助于维持地球的温度，但过量的红外线会导致温室效应等环 境问题。
02
太阳辐射的传输
太阳辐射在大气中的传
演化也具有重要意义。
03
技术创新
太阳辐射研究促进了太阳能利用技术的发展和创新，推动了新能源产业
的发展，有助于减少对化石燃料的依赖，降低温室气体排放，为应对全
球气候变化做出贡献。
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太阳辐射的波长范围覆盖了从紫外、 可见光、红外线直到微波的所有波段 。
太阳辐射的来源与组成
太阳辐射主要来源于太阳内部的 核聚变反应，释放出大量的能量
《气象学太阳辐射》课件
太阳辐射变化对气候的影响
温度变化
太阳辐射的变化直接影响 地球表面的热量分布，导 致温度变化，进而影响气 候系统的运行。
降水变化
太阳辐射的变化通过影响 蒸发和凝结过程，进而影 响降水分布和强度，对水 循环产生影响。
风和洋流变化
太阳辐射的变化还可能影 响大气环流和洋流运动， 从而影响气候系统的稳定 性。
太阳辐射光谱
太阳辐射的能量分布在不 同波长范围内，形成的光 谱曲线。
太阳辐射的来源和特性
核聚变
太阳内部的氢核聚变成氦核，释放出大量能量，形成太阳辐 射。
特性
太阳辐射具有连续光谱和偏振特性，其强度随时间和空间变 化。
太阳辐射对地球的影响
气候变化
太阳辐射是地球气候系统的主要能量来源，影响地球 的气候变化。
THANKS
感谢观看
《气象学太阳辐射》PPT课 件
contents
目录
• 太阳辐射的基础知识 • 太阳辐射的测量和观测 • 太阳辐射与气象学的关系 • 太阳辐射的变化及其影响 • 太阳辐射的防护和利用
01 太阳辐射的基础 知识
太阳辐射的定义
01
02
03
太阳辐射
太阳以电磁波的形式向外 发送的能量。
太阳常数
在地球大气层顶，垂直于 太阳光线的单位面积上， 每分钟接收到的太阳辐射 能量。
总结词
太阳辐射的变化会影响降水量的多少和分布。
详细描述
太阳辐射的变化会影响气候系统的运行，如季风、洋流等，从而影响降水量的多 少和分布。此外，太阳辐射的加热作用还
太阳辐射通过加热地表和大气层，引 起气流运动，从而影响风的方向和速 度。
详细描述
太阳辐射的加热作用会导致地表和大 气层之间的温度差异，这种差异会引 起气流运动，从而导致风的形成。此 外，太阳辐射的强度和分布还会影响 风的方向和速度。
大气分层和太阳辐射课件
06
大气分层与太阳辐射的未来研 究展望
大气分层与气候变化的关系研究展望
深入研究大气分层对气候变化的影响
未来研究可以进一步探讨大气分层如何影响气候变化，包括温度、湿度、风速等 气候要素的变化。
建立精细化的大气模型
利用先进的数值模拟技术和观测数据，建立更精细化的大气模型，以更准确地预 测和评估气候变化的影响。
大气分层与太阳辐射在环境保护中的应用前景
利用大气分层和太阳辐射信息进行空气质量监测和预警
通过观测大气分层和太阳辐射信息，可以更准确地监测和预警空气污染和空气质量状况 ，以保护环境和人类健康。
开发基于大气分层和太阳辐射的清洁能源技术
利用大气分层和太阳辐射的信息，可以开发更高效的太阳能发电和风能发电技术，以减 少化石燃料的使用和温室气体排放。
影响
平流层中的臭氧主要吸取紫外线， 对地球生命系统具有保护作用。
臭氧层
定义
臭氧层位于平流层上部，从平流 层顶部延伸至50~70千米的高度
。
特征
臭氧层中的臭氧主要吸取紫外线 中的有害部分，减少其对地球生
命系统的伤害。
影响
臭氧层是地球生命系统的重要保 护屏障，对人类健康和生物多样
性具有重要意义。
电离层
大气分层和太阳辐射课件
目 录
• 大气分层概述 • 大气分层结构与特征 • 太阳辐射基本原理 • 大气对太阳辐射的吸取与散射作用 • 太阳辐射在大气分层中的影响与应用 • 大气分层与太阳辐射的未来研究展望
01
大气分层概述
大气层的定义与组成
大气层定义
地球表面以上包围地球的气体层 ，称为大气层。
大气层组成
05
太阳辐射在大气分层中的影响 与应用
地球大气及其对太阳辐射的影响课件
当波长进入红外波段后，米散射的影响超过瑞利散射。
六 大气窗口 就辐射强度而言，太阳辐射经过大气传输后， 主要是反射，吸收和散射的共同影响衰减了辐射强 度，剩余部分即为透过的部分。剩余强度越高，透 过率越高。对遥感传感器而言，只能选择透过率高 的波段，才对遥感观测有意义。 把电磁波通过大气层时较少被反射、吸收或散 射的透过率较高的波段称为大气窗口。 大气窗口的光谱段主要有： 0.3－1.3μm，即紫外、可见光、近红外波段 （可摄影窗口）。这一波段是摄影成像的最佳波段， 也是许多卫星传感器扫描成像的常用波段。如： Landsat卫星的TM的1－4波段，SPOT卫星的HRV 波段等。
三 大气的反射 电磁波传播过程中通过两种介质的交界面上时，
还会出现反射现象。而通过大气时，气体、尘埃反 射作用很小，反射现象主要发生在云层顶部，取决 于云量和云雾，而且各个波段均受到不同程度的影 响，严重地削弱了电磁波强度。因此，如果不是专 门研究云层，尽量选择无云的天气接收遥感信号， 则不用考虑大气的反射。 四 大气吸收
太阳辐射穿过大气层时，大气分子对电磁波的 某些波段有吸收作用，吸收作用使辐射能量变成分 子的内能，引起这些波段的太阳辐射强度衰减。吸 收作用越强，辐射强度衰减越大，甚至于某些波段 的电磁波完全不能通过大气。因此在太阳辐射到达 地面时，形成了电磁波的某些吸收带
图2.14表示大气中几种主要分子对太阳辐射的 吸收率。图中可以看出，每种分子形成吸收带 的粗略位置。其中，水的吸收带主要有 2.5~3.0、5~7、0.94、7.13、1.38、1.86、 3.24以及24μm以上对微波的强吸收；
太阳辐射到达地面后，物体除了 反射作用外，还有对电磁辐射的 吸收作用。最后，电磁辐射未被 吸收和反射的其余部分则是透射 的部分,即： 到达地面的太阳辐射 能量＝反射能量＋吸收能量＋透 射能量。 （图2·21）
六 大气窗口 就辐射强度而言，太阳辐射经过大气传输后， 主要是反射，吸收和散射的共同影响衰减了辐射强 度，剩余部分即为透过的部分。剩余强度越高，透 过率越高。对遥感传感器而言，只能选择透过率高 的波段，才对遥感观测有意义。 把电磁波通过大气层时较少被反射、吸收或散 射的透过率较高的波段称为大气窗口。 大气窗口的光谱段主要有： 0.3－1.3μm，即紫外、可见光、近红外波段 （可摄影窗口）。这一波段是摄影成像的最佳波段， 也是许多卫星传感器扫描成像的常用波段。如： Landsat卫星的TM的1－4波段，SPOT卫星的HRV 波段等。
三 大气的反射 电磁波传播过程中通过两种介质的交界面上时，
还会出现反射现象。而通过大气时，气体、尘埃反 射作用很小，反射现象主要发生在云层顶部，取决 于云量和云雾，而且各个波段均受到不同程度的影 响，严重地削弱了电磁波强度。因此，如果不是专 门研究云层，尽量选择无云的天气接收遥感信号， 则不用考虑大气的反射。 四 大气吸收
太阳辐射穿过大气层时，大气分子对电磁波的 某些波段有吸收作用，吸收作用使辐射能量变成分 子的内能，引起这些波段的太阳辐射强度衰减。吸 收作用越强，辐射强度衰减越大，甚至于某些波段 的电磁波完全不能通过大气。因此在太阳辐射到达 地面时，形成了电磁波的某些吸收带
图2.14表示大气中几种主要分子对太阳辐射的 吸收率。图中可以看出，每种分子形成吸收带 的粗略位置。其中，水的吸收带主要有 2.5~3.0、5~7、0.94、7.13、1.38、1.86、 3.24以及24μm以上对微波的强吸收；
太阳辐射到达地面后，物体除了 反射作用外，还有对电磁辐射的 吸收作用。最后，电磁辐射未被 吸收和反射的其余部分则是透射 的部分,即： 到达地面的太阳辐射 能量＝反射能量＋吸收能量＋透 射能量。 （图2·21）
大气科学基础第二章
2、大气吸收光谱
2、大气吸收光谱
O3 强吸收在的紫外区：
哈特来（Hartley）带—最强 哈金斯（Huggins）带—较弱 可见光区：查普尤（Chappuis）带—较弱 O3层吸收太阳辐射的2%—平流层温度高的原因（图） 红外区： 4.7m、9.6m 、14.1m较强吸收带
2、大气吸收光谱
波）＜无线电波
(微米)
不同电磁波的具体波长范围
名称
紫外线
可见光
近红外
红
中红外
外
线
远红外
超远红外
毫米波
微
波
厘米波
分米波
波长范围 100埃～0.4微米 0.4微米～0.76微米 0.76微米～3.0微米 3.0微米～6.0微米 6.0微米～15微米 15微米～1000微米
1～10毫米 1～10厘米 10厘米～1米
第二章 大气辐射学
§1 辐射概述 §2 辐射平衡的基本规律 §3 太阳辐射及其在大气中的衰减 §4 到达地面的太阳辐射 §5 地气辐射 §6 地面辐射差额和气温变化 §7 地气系统能量平衡
大气科学概论
大气科学概论
§3 太阳辐射及其在大气中的衰减
§3.1 太阳辐射及日地关系 §3.2 大气对辐射的衰减
虚线是温度在6,000K时的 黑体辐射光谱。
§3.1 太阳辐射及日地关系(4)
4、太阳常数：当地球位于日地平均距离处，与日光垂直平面 上的太阳辐照度。
s013 67W 7m 2
Average Solar Radiation on a Sphere
§3.1 习题（1）
大气科学概论
1、概念:太阳常数 2、试从日地关系解释地球上季节变化的原因。 3 * 、已知太阳常数为 1367 Wm2 ，请计算（1）
《气象学太阳辐射》PPT课件
8
二十四节－立春
立春 惊蛰 清明 立夏 芒种 小暑 立秋 白露 寒露 立冬 大雪 小寒
雨水 春分 谷雨 小满 夏至 大暑 处暑 秋分 霜降 小雪 冬至 大寒
立春：2月3日-- 2月5日
ppt课件
春季 开始 植物 开始 萌发 生长
9
二十四节气－雨水
立春 惊蛰 清明 立夏 芒种 小暑 立秋 3月7日
ppt课件
11
二十四节气—春分
立春 惊蛰 清明 立夏 芒种 小暑 立秋 白露 寒露 立冬 大雪 小寒
雨水 春分 谷雨 小满 夏至 大暑 处暑 秋分 霜降 小雪 冬至 大寒
太阳 直射 赤道 昼夜 平分
春分：3月20日-- 3月21日
ppt课件
12
二十四节气—清明
立春 惊蛰 清明 立夏 芒种 小暑 立秋 白露 寒露 立冬 大雪 小寒
球为夏季。
• 夏至日 太阳直射北 回归线，北半球昼长 夜短，纬度愈高，白 昼愈长，在北极圈内 （66.5°N）为24h白 昼，称极昼现象；南 半球则相反。此时， 北半球为夏季，南半 球为冬季。
地球公转与四季形成
ppt课件
5
四季的划分
四季 春季
天文学 春分-夏至
气候学 （月份）
3-5
农业科学 古代民间 （候均温） 10.0-22.0 立春~谷雨
夜交替的现象，如右图
ppt课件
36
2、昼夜长短的变化
地球在自转和公转的过程中，由于地轴和地球公转 轨道面保持66º33ˊ的倾角，使得晨昏线和地轴不在一个 平面上（春秋分除外），因此晨昏线和地球上的纬度 线相交割，把同一纬度线分为两部分，一部分在昼半 球，称之为昼弧段；一部分在夜半球，称为夜弧段。
《大气科学基础》课件§4 地面、大气及地气系统的辐射平衡
辐射差额（或净辐射），物体辐射能与支出辐射能 的差值。 ✓ 如果没有其它的热交换方式获得的能量： 太阳直接辐射、太阳散射辐射、大气逆辐射 • 地面失去的能量： 地面发射的长波辐射、地面对太阳辐射的反射
因此，
Rg Q q Ea (Q q) Eg
夏季为正冬季为负地理纬度低纬度以及大部分中高纬度地区为正极区为负地面反照率反照率大的地方为负2大气辐射差额大气获得的能量太阳短波辐射的吸收地面有效长波辐射大气失去的能量大气上界的有效长波辐射一般而言整层大气的辐射差额为负值大气的热量平衡要依靠其它的热传输渠道来维持如
§4 地面、大气及地气系统的辐射平衡
传导和对流 到大气
7
潜热携带 到云和大气
23
辐射 到大气
15
大气吸收
16
云吸收
3
直接发射 到空间
6
通过大气和云 发射到空间
64
✓ The Earth Radiation Budget Experiment is designed around three Earth-orbiting satellites: the NASA Earth Radiation Budget Satellite (ERBS), and two NOAA satellites. The data from these satellites is being used to study the radiation budget；
✓ In addition, the ERBE data has helped scientists better understand how the amount of energy emitted by the Earth varies from day to night. These diurnal changes are also very important aspects of our daily weather and climate.
因此，
Rg Q q Ea (Q q) Eg
夏季为正冬季为负地理纬度低纬度以及大部分中高纬度地区为正极区为负地面反照率反照率大的地方为负2大气辐射差额大气获得的能量太阳短波辐射的吸收地面有效长波辐射大气失去的能量大气上界的有效长波辐射一般而言整层大气的辐射差额为负值大气的热量平衡要依靠其它的热传输渠道来维持如
§4 地面、大气及地气系统的辐射平衡
传导和对流 到大气
7
潜热携带 到云和大气
23
辐射 到大气
15
大气吸收
16
云吸收
3
直接发射 到空间
6
通过大气和云 发射到空间
64
✓ The Earth Radiation Budget Experiment is designed around three Earth-orbiting satellites: the NASA Earth Radiation Budget Satellite (ERBS), and two NOAA satellites. The data from these satellites is being used to study the radiation budget；
✓ In addition, the ERBE data has helped scientists better understand how the amount of energy emitted by the Earth varies from day to night. These diurnal changes are also very important aspects of our daily weather and climate.
大气科学概论ppt课件
6.3.3 到达地面的太阳辐射
6.3.3.1 大气上界的太阳辐射能
一、不同日地距离日期的太阳常数 ◇ 在平均日地距离的日期，垂直到达 大气上界的太阳常数S0： ◇ 在非平均日地距离的其他日期，垂直到达 大气上界的太阳常数 须订正：
推导：设日地距离为r，平均日地距离为r0， 和S0分别为距太阳r 和r0处垂直于太阳光的
正南为0o,正西为90o,
正北为180o,正东为270o。
☺太阳赤纬δ：日地连线与赤道平面的夹角。 北半球春秋分δ=0；ω0=90o或270o 。 夏至日δ=23.5o ； 在φ=66.5处ω0=180o 。 冬至日δ=-23.5o ；在φ=66.5处ω0=0o 。
对地面上处于纬度φ和经度λ的观测者 而言，在某一时刻观测到的太阳高度角h和 方位角α可以用下列方程计算。
散射辐射一般比直接辐射弱（中纬度S散仅是直接辐射的35%-90% 但有时会大于直接辐射。如高纬云多的地区，有时会大几倍。
6.3.3.4 地面总辐射
到达地面的太阳直接辐射与散射辐射之和 称为地面总辐射。
地面总辐射=直接辐射+散射辐射
地面总辐射的日变化：
夜间为0，日出后增大，正午最大，午后逐 渐减少，有云使最大值提前和推后出现。
6.3.3.2 到达地面的太阳直接辐射
由于大气对太阳辐射有吸收和散射的消光作 用，直接到达地面的太阳辐射 有所衰减。 设S为到达大气上界的太阳直接辐射通量密度；
为到达地面的太阳直接辐射通量密度。 根据皮耳定律：（p38的指数削减定律）
m为大气质量数，P为所有波长范围内的平均透明系数。
所以，有
太阳直接辐射的日总量只要对上式积分即可：
辐射通量密度。 因为通过半径为r 的球面的太阳辐射通量与 通过半径为r0的球面的太阳辐射通量相等，
6.3.3.1 大气上界的太阳辐射能
一、不同日地距离日期的太阳常数 ◇ 在平均日地距离的日期，垂直到达 大气上界的太阳常数S0： ◇ 在非平均日地距离的其他日期，垂直到达 大气上界的太阳常数 须订正：
推导：设日地距离为r，平均日地距离为r0， 和S0分别为距太阳r 和r0处垂直于太阳光的
正南为0o,正西为90o,
正北为180o,正东为270o。
☺太阳赤纬δ：日地连线与赤道平面的夹角。 北半球春秋分δ=0；ω0=90o或270o 。 夏至日δ=23.5o ； 在φ=66.5处ω0=180o 。 冬至日δ=-23.5o ；在φ=66.5处ω0=0o 。
对地面上处于纬度φ和经度λ的观测者 而言，在某一时刻观测到的太阳高度角h和 方位角α可以用下列方程计算。
散射辐射一般比直接辐射弱（中纬度S散仅是直接辐射的35%-90% 但有时会大于直接辐射。如高纬云多的地区，有时会大几倍。
6.3.3.4 地面总辐射
到达地面的太阳直接辐射与散射辐射之和 称为地面总辐射。
地面总辐射=直接辐射+散射辐射
地面总辐射的日变化：
夜间为0，日出后增大，正午最大，午后逐 渐减少，有云使最大值提前和推后出现。
6.3.3.2 到达地面的太阳直接辐射
由于大气对太阳辐射有吸收和散射的消光作 用，直接到达地面的太阳辐射 有所衰减。 设S为到达大气上界的太阳直接辐射通量密度；
为到达地面的太阳直接辐射通量密度。 根据皮耳定律：（p38的指数削减定律）
m为大气质量数，P为所有波长范围内的平均透明系数。
所以，有
太阳直接辐射的日总量只要对上式积分即可：
辐射通量密度。 因为通过半径为r 的球面的太阳辐射通量与 通过半径为r0的球面的太阳辐射通量相等，
大气科学概论：第5章5.5到达地面的太阳辐射
可吸收掉90%的辐射；对积雨云，40米厚的云可吸 收掉90%的辐射。 对于红外辐射，水云可视为绝对黑体。
云对太阳光的反射: 云越厚,反射率越大。水云的反射率很大,可达90%,薄 的卷云的反射率只有30%.
云对辐射的影响依赖于： 云的种类、云滴的谱分布、云量等。 云的双重作用
云在可见光波段的反射率
随波长而变；云滴越大，对辐射衰减越强。对红外辐射，云有很强
吸收。对于红外辐射，水云可视为绝对黑体。）
1 地平面上的太阳直接辐射
经过大气对太阳辐射的吸收和散射后，到达地面与日
光垂直的太阳直接辐射为
Sm
S '0
Pm
S
' 0
是没有大气时
到达地面的太阳
辐射
SA
S0Pm
S 0 ( d0 d
)2
sinh
Pm
S0
(
d0 d
)2
Pm
cos
S0
m ( ) (0)
L
k dl
0
SA
k k,R k, p k,o k,v k,a
h
气体&气溶胶
臭氧&水汽 其他气体分子吸收
分子散射
吸收
平均透明度系数P：大气对太阳辐射的透明程 度，主要决定于水汽和云量。
• 大气中水汽多、尘埃多，P值就小，到达地面的太阳辐 射能就小。
All energy comes from the sun
•地气系统吸收70%的太阳辐射, 而地球吸收了其中大部分 (51%)。地球的行星反射率R（大气、云、地面）30%。 •地面主要是靠吸收太阳辐射而增温。
• 当m=1时，P就表示太阳辐射通过一个大气质量数到达 地面的份数。
• P是一个小于1的无量纲量。 • P值随时间地点而变。冬季大、夏季小、高纬地区大、
云对太阳光的反射: 云越厚,反射率越大。水云的反射率很大,可达90%,薄 的卷云的反射率只有30%.
云对辐射的影响依赖于： 云的种类、云滴的谱分布、云量等。 云的双重作用
云在可见光波段的反射率
随波长而变；云滴越大，对辐射衰减越强。对红外辐射，云有很强
吸收。对于红外辐射，水云可视为绝对黑体。）
1 地平面上的太阳直接辐射
经过大气对太阳辐射的吸收和散射后，到达地面与日
光垂直的太阳直接辐射为
Sm
S '0
Pm
S
' 0
是没有大气时
到达地面的太阳
辐射
SA
S0Pm
S 0 ( d0 d
)2
sinh
Pm
S0
(
d0 d
)2
Pm
cos
S0
m ( ) (0)
L
k dl
0
SA
k k,R k, p k,o k,v k,a
h
气体&气溶胶
臭氧&水汽 其他气体分子吸收
分子散射
吸收
平均透明度系数P：大气对太阳辐射的透明程 度，主要决定于水汽和云量。
• 大气中水汽多、尘埃多，P值就小，到达地面的太阳辐 射能就小。
All energy comes from the sun
•地气系统吸收70%的太阳辐射, 而地球吸收了其中大部分 (51%)。地球的行星反射率R（大气、云、地面）30%。 •地面主要是靠吸收太阳辐射而增温。
• 当m=1时，P就表示太阳辐射通过一个大气质量数到达 地面的份数。
• P是一个小于1的无量纲量。 • P值随时间地点而变。冬季大、夏季小、高纬地区大、
(大气科学基础)太阳、地面和大气的辐射
long wavelengths
short wavelengths
radio---infra red-----visible-----ultraviolet----X rays-----gamma rays
✓ 太阳辐射的波长范围主要在0.15-4微米 ——太阳短波辐射
✓ 地面和大气的辐射波长范围在3-120微米 ——地面长波辐射、大气长波辐射
F dQ(W) dt
As an example, our Sun has a radiant flux of 3.9x1026 W.
✓ 辐射通量密度（辐射能力or辐射出射度）
Irradiance (flux density, emittance), E, is the radiant energy per unit time passing through unit area. It usually refers to the radiant energy arriving from 2 steradians; that is, from the hemisphere on one side of the surface. In general, the irradiance depends on the orientation of the surface, which can be specified by the unit vector normal to the surface. Hence the irradiance can be thought of as a vector whose direction is opposite to that of the surface normal. Its units are Watts per square meter.
大气科学概论：第5章5.6地球辐射
雾顶降温举例
问题：为什么春季雾中降温更明显？ 根据所学辐射知识，进行逻辑推理。
要点
T ( t )z
1
CP
FN Z
g CP
FN p
d
FN p
因为P<0,如 FN >0（出去 能量的多）, 则大气降温.
∆Z气层的净 辐射能量
• 一般情况下，大气的降温率约为1-2ºC/d,太 阳辐射的增温约1ºC/d，说明大气由于辐射 能量交换的结果，入不敷出。
• 要维持大气的温度必然要以其他方式（对 流等）由地面获得热量。
厚的气层。 • 造成长波辐射衰减的主要原因是大气气
体的吸收
• 大气分子对红外辐射的吸收
吸收地球长波 辐射的主要气 体：水汽、二
氧化碳、甲 烷、臭氧。 其它吸收气 体：一氧化二 氮、一氧化
碳、氧气等。
5.2 大气辐射
• 放射红外辐射. 主要放射气体是水汽、二 氧化碳、臭氧。
• 大气的辐射将被大气中某些气体所吸收， 这些吸收随波长变化很大。
L ,
u u
du u0
z0
B,T 绝对黑体的辐射率
u u0
Z高度气层以上向下的辐射 L, 经过薄层du后，在方向的变化为
dL, (l) k0, secdu(L, B,T )
同样对于向上辐射也有
dL, (l) k0, secdu(L, B,T )
• 上式为长波辐射传输基本方程：施瓦茨 恰尔德方程(Schwaszschild equation)
第6节 地球辐射
• 地面和大气在吸收太阳辐射的同时，也在 按其本身温度向外放射辐射。
• 地面平均温度300K，对流层大气平均温度 250K。辐射能主要集中在3-120m波长内。 最大辐射相应波长10m。
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6.3.3.4 地面总辐射
到达地面的太阳直接辐射与散射辐射之和 称为地面总辐射。
地面总辐射=直接辐射+散射辐射
地面总辐射的日变化：
夜间为0，日出后增大，正午最大，午后逐 渐减少，有云使最大值提前和推后出现。
地面总辐射的年变化：
与直接辐射的年变化一致,中高纬度夏季最大， 冬季最小，赤道一年两个最大值出现在春分和秋 分，最小值出现在夏至和冬至。
地面总辐射的日总量随纬度的分布，由高纬向 低纬增加，如p46图2.19。
练习p54,6：
若大气透明度系数为0.8，求南京地区 （φ=32°Nω）夏至日中午时刻入射到地表水平 面上的辐射通量密度。 （δ=23°27′，r/r0=1.016)
解：S
S0 sinh
S0
(
r0 r
)2 (sin
sin
cos
散射辐射的大小取决于太阳高度角、大气透明系数、 云量、海拔高度，并受地面反射率影响，其变化范围较大
h越小，S散越小； p越小，散射粒子越多，S散越大；云层越厚， 云量很大时，因直接辐射少，S散越小。海拔越高，S散越小；反射率 越大，因反复散射，S散越大。
散射辐射一般比直接辐射弱（中纬度S散仅是直接辐射的35%-90% 但有时会大于直接辐射。如高纬云多的地区，有时会大几倍。
在日出日落时刻，因为h=0o，可求出日出 日落的时角和方位角为：
cos0 tan tan cos 0 sin / cos
◇对北半球的春分秋分日， δ=0o，ω0=±90o ,α0=90o和270o 即日夜等长,太阳从正东升起，从正西落下。
◇对北半球的夏至日， δ=23.5o，在φ=66.5o,ω0=±180o , 说明北极圈内全天太阳不落。
因为P是一个时空和m的复杂函数，日总量 的公式不好积分。
为简单起见，假定p=0和p=0.7,(大气完全透明 和大气衰减的一般情况），结果如p44图2.15和 图2.16，尽管上述处理是一致的，但仍然可以看出 大气对太阳辐射的消光作用。
6.3.3.3 到达地表的太阳散射辐射
由于大气的存在，到达地表的辐射除太阳直接 辐射外，还有从天空各方向散射而来太阳散射辐 射，散射辐射来自整个半球天空，又称天空辐射。
和SS00分别为距太阳r和r0处垂直于太阳光的
辐射通量密度。
因为通过半径为r的球面的太阳辐射通量与 通过半径为r0的球面的太ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ辐射通量相等，
4r02S0 4r2S0
所以，有
S0
(
r0 r
)
2
S0
rm=(r0/r)²为日地距离订正系数，也称地球轨道偏心率。
二、任何日期到达大气上界水平面上 太阳辐射通量密度S的计算
到达地面的太阳辐射
6.3.3.1 大气上界的太阳辐射能
一、不同日地距离日期的太阳常数
◇在平均日地距离的日期，垂直到达
大气上界的太阳常数S0： S0 1367 w / m2
◇在非平均日地距离的其他日期，垂直到达
大气上界的太阳常数 S0须 订正：
S0
( r0 r
)2 S0
推导：设日地距离为r，平均日地距离为r0，
所以，有
S
S0
(
r0 r
)
2
s
inh
P
m
太阳直接辐射的日总量只要对上式积分即可：
QG
t2 t1
S0
(
r0 r
)2 (sin
sin
cos
cos
cos)dt
0
d 2mS 0(sin sin cos cos cos)
T
d
0
2
t1和t2分别为日出日落的时间， ω０和－ω０为对应的时角，
T为一昼夜的时间，T=T(ω+π）/2πdω，
对地面上处于纬度φ和经度λ的观测者 而言，在某一时刻观测到的太阳高度角h和 方位角α可以用下列方程计算。
sinh sin sin cos cos cos cos (sin sin cos ) / cos sin
其中，δ为太阳赤纬，变化在正负23o27’； ω为时角，每天从0o变至360o 。
cos
cos)
因为中午ω=0°，将相关值代入公式: S=1318w/m²s
思考题：
1、入射到大气上界水平面上太阳辐照度。 2、大气上界水平面的太阳辐射能积分日总量。 3、什么叫地面总辐射？到达地面的散射辐射
的大小取决于那些因子？
☺太阳高度角h：阳光与水平面的夹角。 ☺天顶角θ：太阳高度角的余角。 ☺时角ω：观测点的经圈与太阳重合后（即当地 正午）地球自转的角度。
每天ω从0°变到360°，正午为0°，日出日落ω0的需计算。 ☺方位角α：太阳在赤道面所处的位置。
正南为0o,正西为90o, 正北为180o,正东为270o。 ☺太阳赤纬δ：日地连线与赤道平面的夹角。 北半球春秋分δ=0；ω0=90o或270o 。 夏至日δ=23.5o ； 在φ=66.5处ω0=180o 。 冬至日δ=-23.5o ；在φ=66.5处ω0=0o 。
6.3.3.2 到达地面的太阳直接辐射
由于大气对太阳辐射有吸收和散射的消光作 用，直接到达地面的太阳辐射 有S所 衰减。
设S为到达大气上界的太阳直接辐射通量密度； 为S到 达地面的太阳直接辐射通量密度。
根据皮耳定律：（p38的指数削减定律）
S S er m S pm
m为大气质量数，P为所有波长范围内的平均透明系数。
S S0sinh
因为 S AC S所0以，AB
S S0sinh
即
S
S0 sinh
S0
(
r0 r
)2 (sin
sin
cos
cos
cos)
介绍一些天文知识：
☺黄道平面:地球以椭圆轨道绕太阳旋转，地球 公转轨道平面称为黄道平面。
☺天文单位AU:日地之间的平均距离为1AU ☺近日点： 1月3日，日地 距离为0.973AU ☺远日点： 7月4日，日地 距离为1.017AU