【气象学】第七章 大气辐射
大气辐射学
大气辐射学
大气辐射学是研究大气中的辐射传输现象的学科，主要研究太阳辐射、地球辐射和大气中的辐射传输过程。
它是大气物理学和气候学的重要分支。
大气辐射学的主要研究内容包括以下几个方面：
1. 太阳辐射：太阳辐射是地球上最主要的能量来源，大气辐射学研究太阳辐射的强度、能量分布和光谱特性等，以及大气中对太阳辐射的吸收、散射和透射等过程。
2. 地球辐射：地球辐射是地球表面向大气以及太空输送的能量，大气辐射学研究地球辐射的特性、分布和变化等，以及大气中对地球辐射的吸收、反射和散射等过程。
3. 辐射传输：大气中的辐射传输是指太阳辐射和地球辐射在大气中的传播过程，大气辐射学研究辐射在大气中的吸收、散射和透射等过程，以及这些过程对大气温度、湿度和气候等的影响。
4. 辐射平衡：大气辐射学研究大气中辐射能量的收支平衡，即太阳辐射和地球辐射的能量输入与输出之间的平衡关系，以及这种平衡对大气的能量分布和热力学过程的影响。
大气辐射学的研究对于理解和模拟大气的物理过程、预测气象和气候、开展环境保护和利用太阳能等方面具有重要意义。
动力气象学第七章习题ALL
第七章大气能量学解：内能和动能通过进行转换，位能和动能通过进行转换，解：大气的能量最终来源于太阳辐射，太阳辐射首先增加大气的全位能，然后通过穿越等压线做功才能使得有效位能转换成大气的动能共大气运动消耗。
由于地球的旋转作用产生科氏力，科氏力使得大气不能完全有效地做穿越等压线的运动，降低了气压梯度力的做功效率，所以它降低了大气能量过程的转换效率。
解：不能，要通过穿越等压线做功才能发生转换。
解：解：解：垂直运动可以引起位能和动能转换，但在净力平衡条件下，不能单独存在垂直运动使得这种能量转换发生，因为动能的增加必然使得位能改变，这将破坏内能和位能的比例，这样全位能也不能改变。
解：推导证明。
由定义。
由定义。
由定义。
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大气辐射估计
大气辐射估计
大气辐射是指地球和大气层之间的能量交换。
地球表面吸收太阳辐射后会释放热量，一部分热量通过大气层向外辐射，这就是大气辐射。
大气辐射主要有两种形式：长波辐射和短波辐射。
太阳辐射到达地球的辐射波长主要在0.2-4.0μm范围内，称为短波辐射。
地球表面吸收短波辐射后会发射长波辐射，其波长主要在4.0-100μm范围内。
这两种辐射的相对比例决定了大气辐射的大小。
大气辐射受到多种因素的影响。
首先，大气辐射与太阳高度角有关。
太阳高度角越高，入射到地球表面的辐射能量越大，导致大气辐射增加。
其次，云量对大气辐射的影响也很大。
云层会反射和散射太阳辐射，减少地表的入射辐射，从而减小大气辐射。
此外，大气中气体的成分也会影响大气辐射的大小。
温室气体比如二氧化碳、甲烷和水汽会吸收地球表面发射的长波辐射，导致大气辐射增加。
为了估计大气辐射，科学家使用不同的观测和模拟方法。
观测方法包括使用辐射计来测量地球和大气之间的辐射能量变化。
这些观测数据可以用于计算大气辐射。
另一种方法是使用气象和气候模型来模拟大气辐射。
这些模型可以考虑不同的因素，如太阳辐射、云量和大气成分等，以估计大气辐射的大小。
精确估计大气辐射对于了解地球能量平衡和气候变化非常重要。
通过研究大气辐射的变化，我们可以更好地理解地球能量的分
布和调节过程。
这对于推进气候科学研究和应对气候变化具有重要意义。
【气象学】第七章 大气辐射
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。
20/76
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
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
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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
在大气上界日地平均距离处通过与太阳光线垂直的单位面积上单位时间内所接收到的太阳总辐射能包括所有波长1367wm212286742大气上界的太阳辐射能全球各地大气上界太阳辐射的日总量的年变化较小而高纬区年变化较大则随纬度的增高而迅速下降进入极圈甚至变为零随纬度的变化是决定地球上各纬度间气候差异的基本因素
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平衡辐射的基本规律：
高一地理大气辐射知识点
高一地理大气辐射知识点大气辐射是地球上的重要能量传递方式之一，它对于地球气候和生态系统的运行具有重要影响。
了解大气辐射的基本概念和知识点，对于理解地球的能量平衡和气候变化具有重要意义。
本文将介绍高一地理课程中的大气辐射知识点，帮助大家更好地理解这一概念。
一、大气辐射的基本概念大气辐射是指太阳辐射经过大气层传播而到达地球表面的过程。
太阳辐射将地球表面加热，并引起大气运动、水循环以及其他气候变化。
大气辐射主要包括可见光、红外线和紫外线三种辐射类型。
其中，可见光是太阳辐射的主要组成部分，红外线和紫外线辐射则具有重要的生物和物理效应。
二、大气辐射的主要特征大气辐射的特征包括辐射强度、入射角度、反射和吸收等。
辐射强度表示单位时间内某一面积的辐射能量。
太阳辐射在不同经纬度和季节的入射角度不同，这会导致地球表面不同区域的辐射分布不均匀。
地球表面对太阳辐射的反射和吸收也会影响大气辐射的传播和分布。
三、大气辐射对地球的影响大气辐射对地球的影响体现在能量平衡、气候变化和生态系统三个方面。
能量平衡是指太阳辐射和地球表面辐射之间的平衡关系。
通过对大气辐射的观测和分析，科学家可以了解能量平衡的变化情况，进而研究气候变化和全球能量循环等重要问题。
大气辐射还能够影响地球的气候变化，例如太阳辐射的变化会引起全球气温的变化，从而影响气候型态和季风等气候现象。
此外，大气辐射对生态系统的运行也具有重要作用，例如对植物的生长和动物的生态适应等。
四、大气辐射的观测方法为了了解大气辐射的分布和变化情况，科学家使用多种观测方法进行研究。
例如，通过太阳辐射计和红外辐射计等仪器可以测量大气辐射的强度和频谱特征。
同时，气象卫星也可以获取大气辐射的遥感信息，提供全球范围的观测数据。
这些观测方法的应用，为我们研究大气辐射的特性和变化提供了重要的数据支持。
总结：大气辐射是地球气候和生态系统运行的重要能量传递方式，理解大气辐射的基本概念和知识点对于我们认识地球的能量平衡和气候变化至关重要。
大气辐射
第二章大气的热能和温度第一节太阳辐射第二节地面辐射和大气辐射第三节地球热量平衡第四节大气的增温和冷却第五节大气温度随时间的变化第六节大气温度的空间分布一、辐射的基本知识（一）辐射（二）辐射光谱（三）辐射差额﹙R﹚二、太阳辐射（一）辐射以电磁波的形式向外不停地放出能量，这种传递能量的方式叫辐射，而传递出来的能量称为辐射能。
太阳、地面和大气间能量交换的波长范围0.15－120 μm 。
太阳辐射波长范围很广，但其能量的绝大部份集中在0.15－4 μm之间，习惯称短波辐射。
地面、大气间（简称地－气系统）波长3－120 μm ，习惯称长波辐射。
（气象上通常以4 μm 作为长短波的界限）（二）辐射光谱表示辐射能随波长的分布。
（三）辐射差额﹙R﹚在某一段时间内物体的辐射收支差值，称为辐射差额。
当物体的：收入大于支出，辐射差额为正，物体温度升高；收入小于支出，辐射差额为负，温度降低。
收入等于支出，差额为零，温度无变化。
此时为辐射平衡状态。
二、太阳辐射太阳辐射光谱和太阳常数太阳辐射在大气中的减弱到达地面的太阳辐射地面对太阳辐射的反射（一）太阳辐射光谱太阳辐射中的辐射能随波长的分布称为太阳辐射光谱。
（二）太阳常数在日地平均距离（1.5亿km）处的大气上界、垂直于太阳光线的平面、每分钟每平方厘米面积上得到的太阳辐射能量值，该数值称为太阳常数，用I。
表示。
据测算：I0=1367W/㎡（三）太阳辐射在大气中的减弱大气的吸收作用大气的散射作用云层对太阳辐射的反射（四）到达地表的太阳辐射经大气削减后到达地表的太阳短波辐射由直接辐射和散射辐射两部分组成。
二者之和为到达地表的太阳辐射总量，常称为太阳总辐射。
直接辐射由平行光形式直接投射到地面上的太阳辐射。
影响直接辐射值大小、强弱的两个最主要因素：大气透明度和太阳高度角（h⊙）。
大气透明度好，到达地表的直接辐射量多，反之则少。
太阳高度角（h⊙）愈小，太阳辐射强度愈弱，单位时间、单位面积地表上获得太阳辐射热能（直接辐射）愈少；相反愈多。
大气中的辐射-ppt课件
18
2. 辐射传输的有关物理量
(1)光学厚度
19
2. 辐射传输的有关物理量
(2) 光学质量
辐射传输路径上气体的质量
20
2. 辐射传输的有关物理量
(2) 光学质量
标准状态下厚度
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2. 辐射传输的有关物理量
(3)单色透射率和单色吸收率
辐射通过一段大气路径后，辐射通量密度之比
常将整层大气在垂直方向的透过率称为透明系数
2
n
k
1.333
0
2.6
1.0
1.96
0.66
1.55
0
1.544
0
1.53
0
1.53
0
1.52
0
1.55
0
NOTE: hematite (赤铁矿) is a mineral that is a main light absorbing components of mineral d1u2st.
2．散射削弱系数
1
谱线增宽
2
5.3.2 大气吸收光谱
H2O
吸收约20%的太阳能量
几乎覆盖长波辐射整个波段 6.3 m振动带
大于12 m转动带
3
5.3.2 大气吸收光谱
• O2
• 主要在小于0.25 m的紫外区：
• 舒曼-龙格(Schumann-Runge)吸收带 • 赫 兹 堡 ( Herzberg) 带
• 因小于0.25 m的太阳辐射能量不到0.2%，而且 O2在可见光波段的两吸收带较弱，所以对太阳 辐射的削弱不大。
22
2. 辐射传输的有关物理量
• 透射率函数
• 光谱间隔内的平均透过率
地面辐射与大气辐射课件
地面辐射的来源与影响
来源
主要来源于地球表面吸收的太阳辐射 能，以及地球内部的热能。
影响
地面辐射是地球表面热量交换的主要 方式，对气候变化、生态系统和人类 生活等方面都有重要影响。
地面辐射的测量与计算
测量
使用红外辐射计等仪器测量地面辐射的通量、光谱分布等参数。
计算
根据测量数据和相关公式，计算地面辐射的发射率、反射率 等参数，以及地面辐射通量等数值。
气象预测
气象服务
地面辐射与大气辐射的研究可以为气 象服务提供科学依据，如旅游气象服 务、农业气象服务等。
地面辐射与大气辐射的监测数据可以 用于气象预测，如短期天气预报、灾 害预警等。
在气候模型中的应用
01
02
03
气候模型验证
地面辐射与大气辐射的观 测数据可以用来验证气候 模型的准确性和可靠性。
气候变化模拟
对气候变化的影响
气候变化
辐射强迫
气候反馈
气候变化涉及到地球表面状况的长期 变化，包括气温、降水、风等气象要 素的变化以及冰川、植被等自然环境 的改变。
人类活动和自然因素引起的温室气体 排放、气溶胶污染等会改变大气中的 成分，进而改变太阳辐射和地面辐射 在大气中的传输和散射特性。这种改 变称为“辐射强迫”，它会导致气候 变化。
气候模型可以通过模拟地 面辐射与大气辐射的相互 作用，预测未来气候变化 的情况。
气候变化应对
气候模型可以为应对气候 变化提供科学依据，如制 定减排政策、适应气候变 化的措施等。
在环境保护中的应用
大气污染监测
地面辐射与大气辐射的监测数据 可以用于监测大气污染物的浓度
和分布情况。
环境影响评估
地面辐射与大气辐射的研究可以为 环境影响评估提供科学依据，如建 设项目对环境的影响评估、规划方 案的环境影响评估等。
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
地面辐射和大气辐射及影响因素PPT课件
①更多地吸收了地面长波辐射，提高了大气温度； ②增强了大气逆辐射，补偿了地面损失的热量。
• 利用“温室效应”原理，我国北方地区冬季采用 大棚技术种植蔬菜、花卉等作物。
（2）分别说明大棚技术对农业生产光、热、水条件 的有利影响。
①使冬季的太阳光照得以充分利用 ②提高了大棚内的温度，使作物在冬季也可种植
（可以减轻冻害，提高农业生产抗灾能力）
③有利于保持、调节大棚内空气和土壤的水分
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温度越高，辐射最强部分的波长越短；反之则越长。 太阳辐射为短波辐射，地面辐射为长波辐射
3、对流层大气与地面辐射的关系？
地面辐射（长波辐射）是对流层大气增温的直接热 量来源。
二、大气辐射
1、概念
大气吸收地面辐射增温的同时，也向外辐射能量， 即大气辐射。它属于长波辐射。 射向地面的大气辐射，称为大气逆辐射。
地面辐射和大气辐射
大气主要吸收的是红外光和紫外光，占了太阳辐 射能量绝大部分的可见光没有被吸收，那么太阳 辐射中的可见光部分去了哪里呢？
一、地面辐射
阅读教材P44，思考下列问题：
第七章 大气辐射 大气科学基础培训班课件
V＝λ单位面积上的辐射通量。 单位： J·s-1·m-2或W·m-2 E=dF/(ds.dt )
dF
dF
ds
ds
辐射通量密度又被称为辐射强度、辐射能力或放射能力。
物体对辐射的吸收、反射和透射 概念
吸收率(a) ： 反射率(r) ：
a=Qa/Q r=Qr/Q
透射率(d) ： d=Qd/Q
入
反
射
射
吸收 透 射
a、r、d的变化 黑体：对于投射到该物体上所有波长的辐射都能全部吸
收的物体称为绝对黑体。故有： a＝１，r＝d＝０。
灰体：透射率d＝０，吸收率a＝（１－r），且a不随波 长而变化的物体。
二、辐射的基本定律
基尔荷夫(kirchoff)定律(选择吸收定律)
第 七 主要内容 章
辐射的基本知识
大 气
太阳辐射、地面辐射和大气辐射的 基本性质、变化规律
辐
大气的增热和冷却
射
低层气温的变化 逆温
一、辐射及其特性
辐射 物体以电磁波或粒子流形式向周围传递或交换能量的方式。 辐射能 物体以辐射的方式传递交换的能量。 基本特性 波粒二象性
波动性 波动性的反映
电磁波谱
收；
大气的透明窗：8~12 μm
辐射通道成像原理：卫星云图
大气对太阳辐射的散射
➢ 散射是指每一个散射分子或散射质点将入射的 辐射重新向各方辐射出去的一种现象。
➢ 散射的特性强烈地依赖于粒子尺度与入射辐射
波长的相对大小 。
➢ 尺度参数
2a
➢ 瑞利散射或称分子散射 ＜0.1 (a<<λ)
➢ 米散射 ＞50 (a>>λ)
其反射能力随云状、云量和云厚而不同。云量愈多， 云层愈厚，反射愈强。云层平均反射率为50%～55%。
《大气辐射学》课件
大气辐射的基本概念和原理
辐射
解释了辐射的基本概念和辐 射能量的传播方式。
辐射平衡
讲述了地球大气辐射平衡的 原理和影响因素。
辐射传输
介绍了大气中辐射的传输过 程和影响因素。
大气辐射的观测与测量方法
太阳辐射观测
介绍了太阳辐射的观测方法和 测量设备。
红外辐射观测
讲解了红外辐射的观测原理和 测量技术。
长波辐射观测
探讨了长波辐射的观测方法和 测量仪器。
大气辐射的影响因素和变化规律
地理位置
解释了地理位置对大气辐射的影响和差异。
季节变化
讨论了季节变化对大气辐射强度和大气污染对辐射能量的影响。
大气辐射对地球和气候的影响
1
全球气候
解释了大气辐射在全球气候系统中的
温室效应
2
作用。
讨论了大气辐射与温室效应的关系和
影响。
3
冰川融化
探究了大气辐射对冰川融化的影响和 加速效应。
大气辐射的应用领域
太阳能利用
介绍了大气辐射在太阳能利用 和光电发电中的应用。
天气预报
讲解了大气辐射在气象预报和 气候模拟中的应用。
农作物生长
探讨了大气辐射对农作物生长 和光合作用的影响。
结论及总结
通过学习《大气辐射学》，您对大气辐射的基本概念、原理、观测方法、影响因素和应用领域有了更深 入的了解。希望本课件帮助您扩展知识领域并激发学术研究兴趣。
大气辐射学
《大气辐射学》PPT课件将带您深入了解大气辐射学的基本概念、原理、观 测方法、影响因素和应用领域，以及其对地球和气候的影响。
大气辐射学的介绍
1 定义和背景
解释了大气辐射学的定义和研究背景。
地面辐射和大气辐射.ppt
大气辐射：大气吸收地面辐射增温的同时，也 向外辐射能量。
物体的温度越高，辐射的最大能量部分的波长愈短； 物体温度愈低，辐射的最大能量部分的波长愈长。
太阳辐射 短波辐射
地面辐射 大气辐射
长波辐射
太
阳
辐
射
地 大气吸收
大 气
面
辐
吸
射
射向宇宙空 间射
地面增温
地面
“太阳暖大地” “大气还大地” “大地暖大气”
注意：
★太阳辐射是地球的能量源泉；
★地面辐射是对流层大气的主要直接热源；
★大气逆辐射对地面起保温作用，云层越 厚，尘埃越多，大气逆辐射越强。
探究一：在晚秋和寒冬季节，霜冻为什么 多出现在晴朗的夜晚？
深秋的夜晚
哈啾 ，咯吱 咯吱，骨头都 快冻散架了。
云兄弟，深秋夜晚 的你犹如冬日的阳
光温暖着我。
探究一：在晚秋和寒冬季节，霜冻为什么 多出现在晴朗的夜晚？
答：因为晴朗的夜晚大气中的水汽含量少，云量 少，因而对地面长波辐射的吸收能力就弱，进而 导致大气逆辐射弱，对地面的保温作用就弱，所 以容易出现霜冻。
因为月球上没有大气白天太阳辐射不经过大气的削弱作用直接到达月面使月面的温度迅速上升夜晚月面辐射也没有经过大气逆辐射的保温作用温度迅速下降
深秋的夜晚
哈啾 ，咯吱 咯吱，骨头都 快冻散架了。
云兄弟，深秋夜晚 的你犹如冬日的阳
光温暖着我。
陕西延安果农放烟阻霜冻
望城二中 周敏
太阳辐射:太阳以电磁波的形式向宇宙空间放 射的能量。
8、图中，昼夜温差最小的是 （ ）
5．下列四幅图是纬度相同的四地，昼夜温差最小的是( ) 解析：选D。海洋温差小于陆地，阴天的海洋温差小于晴天海洋。
气象学与气候学-地面和大气的辐射
地面辐射与大气辐射
1
地面辐射与大气辐射
一、地面、大气的辐射和地面有效辐射 二、地面及地气系统辐射差额
2
下垫面——大气的直接热源
大气吸收太阳直接辐射很少，下垫面（水、 陆、植被等地球表面）却能大量吸收太阳 辐射，并供给大气。
在研究大气热状况时，须了解地面和大气 之间交换热量的方式及地-气系统的辐射差 额。
3
一、地面、大气的辐射和地面有效辐射
大气对太阳短波辐射吸收很少，但对地面的长波辐射却 能强烈吸收。
通过长波辐射，地—气之间，以及大气中气—气之间， 相互交换热量，并也将热量向宇宙空间散发。
4
（一）地面和大气辐射的表示
地面和大气不是绝对黑体 Eg=δσT4 （地面的辐射能力），δ地面相对辐射率 Ea=δ′σT4 (大气的辐射能力)，δ′大气相对辐射率
辐射差额=收入辐射-支出辐射
21
（一）地面的辐射差额
地面由于吸收太阳总辐射和大气逆辐射而获得能量，同时又以其 本身的温度不断向外放出辐射而失去能量。
某段时间内单位面积地表面所吸收的总辐射和其有效辐射之差值， 称为地面的辐射差额Rg （表示单位水平面积、单位时间的辐射 差额）
Rg=（Q+q）（1-a）- F0
25
（二）大气的辐射差额
Ra =qa+F0-F∞ F∞ >F0，qa<F∞ -F0， Ra是负值 大气要维持热平衡，还要靠地面以对流及
潜热释放等来输送一部分热量给大气。
26
（三）地-气系统的辐射差额
如果把地面和大气看作为一个整体，其辐射能的净收入为 Rs=（Q+q）（1-a）+qa- F∞ Q+q是到达地面的太阳总辐射 qa大气所吸收的太阳辐射 F∞大气上界的有效辐射 a为地面对总辐射的反射率 就个别地区来说，地气系统的辐射差额既可以为正，也可以为负。 但就整个地气系统来说，这种辐射差额的多年平均应为零。因整
大气辐射原理
大气辐射原理
大气辐射是地球上的一种重要能量传输方式，它对地球的能量
平衡和气候变化起着至关重要的作用。
了解大气辐射原理对于气候
变化研究和环境保护具有重要意义。
首先，我们需要了解大气辐射的基本原理。
大气辐射是指太阳
辐射穿过大气层到达地球表面，并被地球表面重新辐射出去的过程。
太阳辐射主要是可见光和紫外光，而地球表面的辐射则主要是红外光。
大气层对这些辐射的吸收和散射会影响地球的能量平衡。
其次，大气辐射的影响因素有哪些呢？首先是大气的组成。
大
气主要由氮气、氧气、水蒸气、二氧化碳等组成，不同成分对辐射
的吸收和散射作用不同。
其次是大气的厚度和温度。
大气层的厚度
和温度会影响辐射的传播和吸收过程。
此外，地球表面的性质也会
影响辐射的反射和吸收，比如云层、地表覆盖物等。
大气辐射对地球气候的影响是复杂而微妙的。
太阳辐射的变化
会影响地球的能量收支，从而导致气候的变化。
而大气层的温室效
应则会影响地球表面的辐射平衡，进而影响气候的变化。
因此，我
们需要深入研究大气辐射原理，以更好地理解气候变化的机理，为
环境保护和气候调控提供科学依据。
总之，大气辐射原理是地球气候系统中的重要组成部分，对地球的能量平衡和气候变化有着重要影响。
了解大气辐射原理对于气候变化研究和环境保护具有重要意义。
希望通过本文的介绍，能够让读者对大气辐射原理有一个初步的了解，进而对气候变化有更深入的认识。
大气辐射概念
大气辐射概念大气辐射是指地球大气层中能量的传输和转换过程。
大气辐射包括短波辐射和长波辐射。
短波辐射通常来自太阳，其能量主要集中在可见光、紫外线和近红外波段。
太阳短波辐射穿过大气层，一部分直接到达地表，一部分被大气层反射和散射。
反射的短波辐射形成了地面反照率，即地表的反射能力。
散射的短波辐射使天空变亮。
长波辐射是由地球和大气层释放的能量，主要是地表和大气层的热辐射。
地表吸收太阳短波辐射后，会以辐射热的形式释放能量。
大气层也会吸收和散射部分热辐射。
长波辐射的能量在大气层中传输和转换，一部分直接向下辐射到地表，一部分向上辐射到大气层和太空。
大气辐射的研究对于理解气候变化、天气预报、能源利用和环境保护等方面具有重要意义。
大气辐射还可进一步分为几个不同的组成部分：1. 入射辐射（Incident radiation）：太阳辐射是指从太阳传出的能量，以电磁波的形式，在很大一部分频段上覆盖短波辐射。
2. 反射辐射（Reflected radiation）：指太阳辐射被地表或大气底部粗糙表面反射回大气层的辐射。
3. 散射辐射（Scattered radiation）：在大气中，入射的光线会与大气的气溶胶和气体分子发生散射，散射辐射就是这样一种散射后改变了光路径方向的辐射。
4. 平直辐射（Direct radiation）：指从太阳直接到达地球表面或大气某处的辐射，没有被散射或反射。
5. 天空辐射（Sky radiation）：是指散射辐射和散射后改变移动方向的辐射，包括散射到天空的辐射和散射到地上的辐射。
6. 地表辐射（Surface radiation）：是指地表吸收入射辐射后再辐射出去的能量。
这种辐射被称为长波辐射，主要是地球表面的热辐射。
7. 大气下行辐射（Atmospheric downward radiation）：是指从大气层向地表传输的辐射，包括太阳辐射的直接入射、散射辐射和反射辐射。
8. 大气上行辐射（Atmospheric upward radiation）：是指从地表向大气层传输的辐射，包括地表辐射和大气辐射的向上传递。
大气科学中的大气辐射与气候变化
大气科学中的大气辐射与气候变化大气辐射是大气科学中的重要研究领域之一，它在地球气候系统中起到至关重要的作用。
本文将介绍大气辐射的基本概念和原理，并探讨其与气候变化之间的关系。
一、大气辐射的概念和原理大气辐射是指地球大气层对太阳辐射和地球辐射的吸收、散射和发射过程。
太阳辐射是地球表面能量收入的主要来源，而地球辐射是地球表面能量输出的主要方式。
大气辐射过程的研究可以帮助我们理解地球能量平衡和气候变化。
大气辐射的主要过程包括吸收、散射和发射。
大气层中的气体和云微粒对太阳辐射的吸收和散射会产生大气加热效应，进而影响大气的温度分布和大气运动。
同时，地球辐射的吸收和发射过程也会对地球表面的能量平衡和气候产生影响。
二、大气辐射对气候变化的影响大气辐射是气候变化的重要因素之一，它对气候系统的能量收支和温度分布产生显著影响。
1. 温室效应大气中的温室气体如二氧化碳、甲烷、氧化亚氮等，可以吸收地球辐射的一部分并重新辐射出去，使得地球表面的能量在一定程度上被“滞留”在大气中，产生温室效应。
温室效应对地球的气候起到重要调节作用，但人类活动导致的大气中温室气体浓度的增加，加剧了温室效应，进而引发全球气候变暖。
2. 气溶胶与云辐射效应大气中的气溶胶和云微粒对太阳辐射和地球辐射的散射和吸收会改变辐射能量的分布，进而影响地球的能量平衡和气候系统。
气溶胶和云辐射效应在气候变化中起到重要作用，它们的变化与人类活动和自然因素密切相关。
3. 太阳活动的影响太阳辐射的强度和太阳活动周期变化对地球的气候变化也有一定影响。
太阳活动周期的变化可能导致地球接收到的太阳辐射总量发生变化，进而影响地球表面温度和气候模式。
三、大气辐射研究的意义和挑战大气辐射研究对于准确理解气候变化机制、预测未来气候变化以及制定应对气候变化的政策和措施具有重要意义。
然而，大气辐射的研究面临着一些挑战。
首先，大气辐射过程极其复杂，需要利用先进的观测设备和数值模拟方法进行研究。
大气辐射：含典型案例的入门教程
大气辐射：含典型案例的入门教程
大气辐射指的是大气层中由电离和分子偶然碰撞或燃烧产生的可见电
离辐射，其中电离辐射占大气辐射的85％，而可见光、紫外线和红外线
则占据了剩余的15％。
大气辐射可以用来测量地球的温度分布，并通过
分析大气组成来推断大气压力等基本气象参数。
典型案例：
1、大气辐射的应用于气候研究中，可以用来探测大气的温度、风速、湿度等的异常变化，从而提前发现气候变化的信号。
2、大气辐射也可以用来研究地表温度的变化，从而了解地表反照率
和温度结构，这是气象研究中重要的一步。
3、大气辐射也可以用来研究大气的湿度结构，这对于寻找和研究天
气系统等有利的大气环境非常重要。
4、大气辐射还可以用来研究和估计大气降水的量和变化，以及大气
细分的结构及其时空分布，有助于预测天气系统的变化。
大气辐射原理
大气辐射原理大气辐射是指地球大气层中的各种分子和微粒对太阳辐射和地球辐射的吸收和发射。
大气辐射的特性对地球的能量平衡和气候变化具有重要影响，因此对大气辐射原理的研究具有重要的科学意义。
首先，大气辐射的原理是基于辐射传热的基本规律。
辐射传热是指热能以电磁波的形式传播的过程，太阳辐射和地球辐射都属于辐射传热的范畴。
太阳辐射主要是短波辐射，而地球辐射主要是长波辐射。
大气层中的气体和云对这些辐射的吸收和散射起着重要作用，影响地球的能量平衡。
其次，大气辐射的原理还涉及辐射平衡的问题。
地球表面吸收太阳辐射后会向大气层和宇宙空间辐射能量，形成地球的辐射平衡。
大气层中的温室气体会吸收地球辐射，使得地球表面的温度比没有温室气体的情况要高，这就是温室效应。
温室效应对地球气候的影响非常重要，也是当前全球气候变化的研究热点之一。
另外，大气辐射的原理还与辐射传输的过程密切相关。
辐射传输是指辐射能量在大气层中的传播和转化过程，包括吸收、散射、透射和发射等。
大气层中的水汽、二氧化碳等气体对辐射的传输有着重要的影响，它们会影响太阳辐射和地球辐射的能量分布和传播路径，进而影响地球的能量平衡和气候变化。
最后，大气辐射的原理还与地球辐射平衡和气候变化的模拟与预测密切相关。
通过对大气辐射的原理进行深入研究，可以更好地理解地球的能量平衡和气候变化机制，为气候变化的模拟和预测提供科学依据。
同时，大气辐射的原理也为开发利用太阳能等可再生能源提供了重要参考。
总之，大气辐射原理是地球大气层中能量传输和平衡的重要基础，对地球的能量平衡和气候变化具有重要影响。
通过深入研究大气辐射的原理，可以更好地理解地球的能量平衡和气候变化机制，为气候变化的应对和可再生能源的开发利用提供科学依据。
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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。
39/76
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。
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。
42/76
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。
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
蓝
0.505 0.505 0.575
0.575
0.585
0.585 0.620
0.62015/76 0.760
5/76
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.
水面因有反射，则不能当作朗伯面处理。
36/76
7.2 辐射的物理规律
37/76
7.2
辐射的物理规律 Q0 Qr Qa Qt
38/76
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
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。
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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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
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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
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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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
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
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。
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
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物理意义：
在辐射传输方向上的单Байду номын сангаас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： 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、
E E E
*
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。
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
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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
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