【气象学】第七章 大气辐射

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F
n
dA
q
· o
A
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特点:
一般来说,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。 假如L与观测位置(x, y, z)无关,则辐射场是 均匀的; 假如L与观测方向(q , )无关,则辐射场在该 点是各向同性的; 假如L与时间t无关,则辐射场就是定常的。



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平衡辐射的基本规律:
物体处于热动平衡状态下发射和吸收辐射的物理规 律,即
中发射辐射能。

对面辐射源首先关心的是其辐出度,即通过单位
面积在面源的法线方向射出的能量大小(辐射出
射度)或辐射率。以F表示,其单位是W m2。对
于某一波长,可写成 F ,并且有
F F d

F 称为谱(或单色、分光)辐出度,单位是W
m2 mm1。
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一般来说,辐射面源射向各个方向的辐亮度是不 同的,具有方向性。若辐亮度不随方向q 变化,这 类辐射体就称为朗伯体(朗伯面)。 朗伯体是向所有方向以同一辐亮度发射辐射的物 体。在大气辐射研究中,朗伯体是一个重要的概念, 我们常常把太阳、陆地表面看作朗伯面;而平静的
E E
0 2π

0 π
L cosq sin q d q d
0

π 2
L cosq sin q d q d
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净辐照度
其中E为自下向上的辐射通量密度, E 为自上向下的辐射通量密度,这二个 辐射通量密度之差称为净辐射通量密度 或净辐照度,写为
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4. 辐射源
往外发射辐射的物体称为辐射源。最简单的辐 射源是点源。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 4π r
2
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这里辐射传输的方向都在半径方向。可见,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并且在讨论相对比较小
计算水平面上的辐射通量密度时,分别对上半 球和下半球射入辐射的垂直分量进行积分。球 坐标中的立体角为dΩ=sinq dq d。其中q 角 的取法是(不同文献的规定可能不同):规定 水平面的法线方向是自下向上,q 角从法线方 向开始顺时针从0增大到180。因此,向上 辐射的q 为0到90,向下辐射的q 为90到 180。有 2π π 2
距离内有几个波动。频率f 的单位则用赫兹(Hz)等, 表示一秒钟内有几次振动。 不同波长或频率的电磁波有不同的物理特性,因 此可以用波长频率来区分辐射,并给以不同的名称, 称之为电磁波谱。
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超高频

0.505 0.505 0.575
0.575
0.585
0.585 0.620
0.62015/76 0.760
天空要亮一些,而在其反面,天空要暗些。
在大气辐射中把这一亮度称为辐亮度L,是
反映辐射场特性最重要的物理量。
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表达式:
现以q 表示天顶角, 表示方位。由上面的讨论可知, 天空辐亮度至少应是观测位置(x, y, z)、观测时间t和观测
方向(q , )的函数。若再考虑到不同颜色的光应有不同的
第七章 大气辐射学
地面和大气中的辐射过程
为什么要研究地气系统对太阳辐射的吸收和反射及地气 之间的辐射交换过程?
为什么?
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地球作为飘浮在宇宙空间的 一个物体,它只有通过辐射
过程才能与其周围环境交换
能量并最终达到某种平衡。
地球围绕着太阳运行,太阳辐 射的能量是地球最重要的能源。
因此需要研究太阳、地球及大
辐射表
辐射表的架设
地面反照率测量塔
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学什么?
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主要内容

7.1 辐射的基本概念


7.2 辐射的物理规律
7.3 地球大气与辐射的相互作用
7.4 太阳辐射在地球大气中的传输
7.5 地球–大气系统的长波辐射
7.6 地面、大气及地气系统的辐射平衡
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7.1 辐射的基本概念
E E E

ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
*


净辐射通量密度的单位为W m-2 mm-1。 其值的正和负,分别代表了从上往下的 净辐射通量密度和从下往上的净辐射通 量密度。
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净辐射通量密度在讨论大气辐射平衡时有 重要的应用。例如讨论一薄层空气,它的上 边界有一个向下的净辐射通量密度,而其下 边界有一个向上的净辐射通量密度。那么对 这气层而言,辐射能的收支是正的,气层温 度将升高;反之,气层将降温。
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辐射观测
目前全国98个站, 分为基准辐射站、一 级站、二级站和三级 站 根据不同需求,开 展太阳总辐射、散射 辐射、太阳直接辐射、 反射辐射和净全辐射 观测等业务。
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基准辐射站
基准辐射站,能够长期自动监测几种能 反映气候变化特征的要素,作为我国的 辐射测量基准并用于其他太阳辐射资料 的校准
吸收能力,例如洁白的雪面对远红外波段而言,远
比一般物体更接近于黑体。
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2. 灰体
如果物体的吸收率A 不随波长而变, 但A < 1,则称该物体为灰体。例如地 面对于长波辐射的吸收率近于常数,
故可认为地面为灰体,而且吸收率A
极近于1。
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7.2.2平衡辐射的基本规律

辐射平衡: 自然界的任何物体都通过辐射过程交换着能 量。当物体放射出的辐射能恰好等于吸收的辐 射能时,该物体处于辐射平衡。这时物体处于 热平衡态,可以用态函数—温度来描述。 一般认为地面至60公里以下的大气处于局 地辐射平衡状态,因此可用平衡辐射的规律来 解决平流层以下的大气辐射学问题。
射能,也称辐射功率,单位为J/s或W。辐射通量也可 指单位时间内某个表面发射或接收的辐射能。以表 示辐射通量 。
dQ dt
辐射能Q:单位为焦耳(J)
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2. 辐亮度(Radiance)

引言 当我们白昼站在户外,抬头远望天空各个方 向时,都可以看到有光亮,而且也可感觉到不同 方向的光亮程度是不相同的。在靠近太阳的地方,
3.辐射通量密度 定义
辐射场内任一点处通过单位面积的辐射功率, 也称为辐照度(Irradiance),以E表示。可认为 通过一空间平面的辐射通量密度是从各个方向射来 的辐亮度在法线方向分量的累加,即
E L cos q dΩ
注:这里q 为辐亮度方向与平面法线之间的交角。
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大气科学关注波段: 太阳、地球和大气辐射波段:0.1μm ----120μm,
短波辐射:太阳辐射波长主要为0.15-4微米,其中最大辐射 波长平均为0.5微米;
长波辐射:地面和大气辐射波长主要为3-120微米,其中最大
辐射波长平均为10微米。
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电磁波谱
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肉眼看得见的是电磁波中很短的 一段: 可见光波段(0.4-0.76 µ m)集中 太阳辐射的主要能量,不但对地球 大气辐射收支有着重要影响,而且 还提供人眼不同的色彩。 可见光经三棱镜分光后,成为 一条由红、橙、黄、绿、青、蓝、 紫七种颜色组成的光带,这光带称 为光谱。
气中的辐射能交换,掌握辐射 能量在大气中传输和转换的规 律。
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美国科幻影片《后天》研究气候变化的科学家哈尔教授,他根
地球将再次进入冰河世纪的假设。结果,这个预言变成了现实.
据观测和研究古气候的规律,提出严重的温室效应将造成气温剧降,
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美国科幻影片《后天》描述了“明天之后”的未来世界: 北半球冰川融化,地球进入第二冰河期,龙卷风、海啸在 全球肆虐,整个纽约陷入冰河的包围中。
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7.1.2 描述辐射场的物理量

大气中的许多参量都是以场的形式出现的,如温 度场、气压场、风场等。

其中温度场、气压场是标量场,风场是矢量场,
它们都是空间和时间(x, y, z, t)的函数。

辐射场则是比上述参量更复杂的场。
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1.辐射通量(radiant flux)
指单位时间能通过某一平面(或虚拟平面)的辐
水面因有反射,则不能当作朗伯面处理。
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7.2 辐射的物理规律
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7.2
辐射的物理规律 Q0 Qr Qa Qt
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7.2.1吸收率、反射率和透射率
设投射到物体的辐射能为Q0,
被吸收的部分为Qa、被反射的
部分为Qr、被透射的部分为Qt。 从能量守恒考虑应有
Q0 Qa Qr Qt
7.1.1 电磁辐射
色彩 大脑对波长介于350-750nm
之间的电磁辐射的视觉效应。光谱 中光的波长不同,大脑所反映的颜 色就不同。
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7.1.1 电磁辐射

电磁波长范围: 10-16 µ m (1 µ m= 10-6m) ~ 1012 μm
γ 射线、X射线、紫外线、可见光、红外线,无线电波。
化学致辐射。
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7.1.1 电磁辐射
电磁波描述:
可以用频率 f、波长、波数ν和波速c来描述,其间的关 系为
f c
c f 1 f c
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在大气科学中,波长的单位常用μm(10-6m), 但在
紫外和可见光波段也用nm(10-9m)。在红外波段习惯
上用波数表示,其单位常用cm-1,表示在1cm 空间
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1. 黑体
如果某一物体对任何波长的辐射都能
全部吸收,即A = 1,则称该物体为绝
对黑体,相应的必有R = 0 , = 0 。
如果物体仅对某一波长全部吸收,即
A = 1,则称该物体对这一波长为黑
体。
绝对黑体在自然界是不存在的。
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注意:这里所讨论的黑体与一般所谓黑色物体是 有区别的,黑色物体只表明它对可见光的反射性质。 我们不能根据物体的颜色来判断它对其它波段的
范围中的问题时,可以把由点源发出的辐射当作 平行辐射或平行光来处理。在大气辐射中,我们 常把来自太阳的直接辐射看作平行光。
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对于平行辐射,若需计算地面接收到的太阳辐射, 设太阳的天顶角为θ ,则该地水平面上接收的太 阳积分(所有波长)辐照度为
S ' S cos q
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面辐射源:面辐射源的特点是它可以向2π立体角
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这一切都起源于温室效应,全球变暖…… 大气辐射与气候变化紧密关联……. 6/76
参考书目:
1、大气辐射导论. Kuo-Nan Liou. 周诗健等译. 气象出版社,1985, 2004. 2、大气物理学.盛裴轩.毛节泰.北京大学出版社, 2002.
3、大气辐射学.刘长盛,刘文保编著 . 南大出 版社,1990. 4、大气辐射学基础.尹宏. 气象出版社,1993.
亮度,则应有
L ( x , y , z ,q , , , t )
q
h-太阳高度角
q -太阳天顶角
-方位角

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立体角定义
类似于平面角。 一个锥体(圆锥、棱锥)其 顶角就是一个立体角。
定义:以锥体顶点为球心,以任意长 r 为半 径做一球面,球面与锥面交线在球面上所围 部分面积为A(或称锥面在球面上所截取部分 面积为A),则立体角定义为 A ,单位为球面度,记作sr(spherical 2 r radian)
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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 积的,单位波长间隔的辐射功率。 此处 L 的单位为 W m-2 sr-1μm-1 。
d L ( x , y , z ,q , , , t ) dA d d
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此定义针对传递非平行辐射的曲面。
定义:
Qr R Q0
反射率
透射率
Qt Q0
吸收率
A R 1

当物体不透明时, = 0,则有A + R = 1,这 时反射率大的物体吸收率一定小。
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吸收率、反射率、透射率的概念可用于各种波长的条件。
对于单色(或分光)辐射的场合,称为单色(或分光、谱)吸收率、
反射率和透射率。分别记为A , R , 。而对于某一个波段, 也有相应的该波段的吸收率、反射率和透射率。 各种物体对不同波长的辐射具有不同的吸收率与放射率, 构成了该物体的吸收光谱或辐射光谱。

定义: 自然界中的一切物体,只要温度在绝对温度零度以上,都以
电磁波的形式时刻不停地向外传送热量,这种传送能量的方
式称为辐射。物体通过辐射所放出的能量,称为辐射能,简 称辐射。[一般把这种电磁波能量本身称为辐射能(或简称 为辐射),而把这种能量传播方式称为辐射]。

分类:
按激发电磁波的方式分为:热辐射、电致辐射、光致辐射、
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