17 辐射平衡
第一章地球上的辐射平衡
特殊时刻、特殊位置 春秋分日 赤道上 极地处 冬季
夏季 在永夜区 在永昼区
天文气候----天文辐射的时空分布特征
天文气候带：赤道带：10S-10N 热带： 10-25 副热带：25-35 温带： 35-55 副寒带：55-60 寒带： 60-75 极地： 75-90
1、标出最大值、最低值 2、指出东西向变化、南北向变化
根据维恩定律， max=C/T
若太阳近似为黑体，则太阳表面温度为6113.7K。
2、太阳辐射的99%集中在0.17~4.0m的波长范围内---短波辐射。
二、天文辐射和天文气候
天文辐射（extraterrestrial solar radiation）： 大气上界的太阳辐射 S0
天文气候
S0:S00=R2:R02
近日天气
2008年9月23日22时登陆前
2008年9月24日7时登陆
黑格比的威力
黑格比的威力
黑格比的威力
“黑格比”具有3个显著特点： 一是生成后强度加强快。19日晚生成热带风暴后， 于第二天加强为强热带风暴，第三天加强为台风， 第四天加强为强台风。 二是台风移动速度较快。生成后一直以每小时20 公里左右的速度向西北方向移动，是今年登陆我国 移动速度最快的热带气旋之一。 三是云系范围大，可能带来较强降雨。“黑格比” 移动路径与今年第12号台风“鹦鹉”、2005年第 10号台风“珊瑚”极为相似，台风云系较大，可 能给珠江和长江流域的部分地区带来强降雨。
大气的反射作用：云 0.50—0.55
2、到达地面的太阳辐射—直接辐射和散射辐射 直接辐射： 太阳高度角 大气的透明系数 MAX 中午 夏季 北回归线 散射辐射： 太阳高度角 大气的透明系数
第4章 带电粒子平衡和辐射平衡
第4章带电粒子平衡和辐射平衡I.引言在放射物理体中，作为把某些基本的量关联起来的一种方法，辐射平衡(RE)和带电粒子平衡(CPE)K等同起来，而辐射平衡使D 的概念是很有用处的。
即：CPE能使得吸收剂量D和碰撞比释动能c与感兴趣的点处每单位质量转换成能量的净静止质量等同起来。
II. 辐射平衡让我们考虑一块如图4.1所示的扩展的体积V，体积中含有一分布的放射源。
在感兴趣的P点的周围有一块小的内部体积v。
这里，V要求要足够地大，以致任何发射出的射线（中微子除外）及其次级粒子（即散射射线及次级射线）的最大贯穿距离d小于V的边界和v的边界之间的最小间距。
放射性平均来说是各向同性地发射。
图4.1. 辐射平衡。
扩展的体积V含有均匀的介质和均匀分布的各向同性的源。
如果初级射线加上其次级射线的最大贯穿距离（d）小于v与V的边界的最小间距（s），则在小的内部体积v中存在辐射平衡。
中微子略而不计。
（见正文）如果在整个体积V中，存在下述的四个条件，则可以证明，对于体积v（v的大小在非随机的范围之内），存在辐射平衡(RE)：a. 介质的原子组成是均匀的。
b. 介质的密度是均匀的*。
c. 放射源是均匀分布的*。
*按Fano(1954)定理的说法，如果每单位质量中的源的强度是均匀的，则介质的密度不要求一定得是均匀的。
然而，这个定理在存在极化效应的情况下不够严格精确（见第8章）。
因此，对于更普遍的情况，我们还是要求条件b要得到满足。
d. 不存在能对带电粒子的路径造成干扰的电场或磁场——与随机取向的单个原子相关联的电场除外。
就这个命题的论证而言，分布在介质中的放射性物质的类型不要求特别地指定；放射性将在下一章论述。
然而，在此应该指出，所有的放射源都可以由所涉及的原子的静止质量的减少借助于爱因斯坦的质能关系式2mc =E 推导出他们所放出的能量，在质能关系式中，c 为光在真空中的速度。
在放出正β或负β射线的情况下，这个能量的很大一部分被连带的中微子以动能的方式所携走。
辐射平衡
辐射平衡任何一个物体都能不断地以辐射方式进行着热量交换。
地面和大气与其它物体一样，都在不断地进行着这种热量交换。
在某段时间内，物体的辐射收支差值称为辐射差额。
当收入大于支出时，辐射差额为正值；反之，为负值；若收支相等，则称为辐射平衡。
差额为正时，物体有热量盈余，温度将升高；反之，则温度降低。
地面辐射差额为地面所吸收的太阳总辐射及地面放出的长波辐射之差，以公式表示为：Rg=(Q+q)(1-a)-F0式中，Rg为地面辐射差额；(Q+q)是到达地面的总辐射，即直接辐射和散射辐射之和；a为地面对总辐射的反射率，(1-a)为地面的吸收率；F0为地面的有效辐射。
当地面收入的热量多于支出的热量，则地面温度不断升高；反之，则地温不断下降。
一般最高温度出现在从升温转为降温的转折点上，最低温度出现在从降温转为升温的转折点。
因此，晴朗无云的天气里，地面温度最高值并不出现在太阳高度角最高的正午，而是在午后一点钟左右；最低温度出现稍迟于日出时刻。
由于地面热量传输给大气，需要有一定时间，所以气温日变化的最高、最低稍落后于地温日变化的最高最低，这就是地面辐射差额的日变化情况。
地面辐射差额年变化因纬度而异，纬度愈低辐射差额正值的月份愈多；纬度愈高，辐射差额保持正值的月份就愈少。
如果把地面和对流层大气看成是一整体，来研究此系统的辐射差额，能更清楚地看出辐射差额随纬度分布的情况。
这这个系统中，收入部分是由地面和大气所吸收的太阳辐射所组成，而支出部分则是辐射到宇宙空间去的地面和大气长波辐射。
地气系统辐射差额是随纬度增高而由正值转变为负值的，在35°S到35°N之间的地气系统辐射差额为正值，在此范围以外的中、高纬度地区为负值。
辐射差额的这种分布，也正是引起高低纬度之间大气环流和洋流产生的基本原因。
大气科学中的辐射平衡与能量传输
大气科学中的辐射平衡与能量传输大气科学研究了地球大气中的各种物理现象和过程，其中辐射平衡和能量传输是大气层中至关重要的一部分。
本文将着重探讨大气科学中的辐射平衡和能量传输。
一、辐射平衡辐射平衡指的是地球大气层接收到的太阳辐射与地球辐射的平衡。
太阳辐射是指从太阳射向地球的电磁辐射，通过辐射传输到地球的热能。
地球辐射是指通过地球表面向外传输的热能。
辐射平衡在维持地球气候和温度平衡方面起着至关重要的作用。
在辐射平衡中，太阳辐射的吸收和地球辐射的散发是相互平衡的。
地球表面吸收到的太阳辐射一部分被转化为热能，使地球表面温度升高，而剩余的一部分太阳辐射则被反射或散射回太空。
同时，地球表面也会向外辐射热能，这些热能被大气吸收，一部分再次向外辐射，维持着辐射平衡。
辐射平衡的研究帮助我们更好地理解地球气候变化和气温调控机制。
通过观测太阳辐射和地球辐射的变化，可以预测气候变化趋势，为应对全球变暖等问题提供科学依据。
二、能量传输能量传输是指地球大气层中能量在不同层次之间的传递和交换。
大气层中的能量传输是通过辐射、传导和对流等方式进行的。
这些传输方式的不同导致了地球大气层中空气温度、湿度和气候等方面的变化。
辐射传输是指能量通过辐射的方式在大气层中传递。
辐射传输主要包括太阳辐射和地球辐射。
太阳辐射通过大气层透过或被反射，一部分到达地球表面，一部分被大气吸收。
地球辐射也通过大气层透过或被吸收，一部分向太空散发，一部分被大气吸收。
传导传输是指能量通过物质的直接接触传递。
在大气层中，传导主要通过分子之间的碰撞实现。
热能会从高温区域向低温区域传导，使得大气不同层次之间的温度差异逐渐减小。
对流传输是指通过流体的运动来传递能量。
在大气层中，对流传输通过大气的热对流运动实现。
暖空气上升，冷空气下沉，形成了大气层中的气团运动，从而实现了能量的传递。
能量传输对于研究大气层中的气候变化和天气现象有着重要的意义。
了解能量传输的机制和规律有助于预测气候变化趋势和天气预报，为人们的生活和决策提供依据。
成信工动力气象学讲义08专业名词解释
动力气象学专业名词解释注：序号右上角有星号的为核心名词。
1、有效辐射：即地面有效辐射，指地面长波辐射与地面所吸收的大气长波逆辐射的差额。
2、辐射平衡：地面吸收的总辐射能与发射的总辐射能的差额。
3、太阳常数：在日地平均距离处，大气上界与太阳光线垂直的平面上所接受到的太阳辐射能，通常取其值S0=L97卡・厘米τ・分τ=1367瓦・米一）4、凝结高度：多指抬升凝结高度（不同于对流凝结高度），即未饱和气块绝热上升至其水汽达到饱和时的高度，亦即云开始形成的高度，也是干绝热线与通过地面露点等饱和比湿线相交的高度。
5、自由对流高度：状态曲线与层结曲线初次相交的高度，对流依靠不稳定能量的释放而自由发展的高度。
6、多元大气：气温随高度呈线性变化的大气，即∂TT=To-γz（γ=- =const.）o∂z若γ→0,多元大气→等温大气；若γ→£多元大气->均质大气；若γ→Yd,多元大气->R等位温大气（绝热大气）。
7*、温室效应：大气中有许多成分（如水汽、CO2）可以很好地透过太阳短波辐射，又能够有效地吸收地表发射的长波辐射。
大气吸收长波辐射后使自身温度升高，并向各方向重新发射长波辐射，而大气向下发射的长波辐射将补充地表损失的长波辐射而使地表升温。
8、大气窗：大气对地面的长波辐射的吸收具有选择性，在8.512微米的波长范围内吸收很弱，而地面辐射在这段波长范围内的放射能力较强，可透过大气进入宇宙空间。
9*、位温：气压为p,温度为T的干气块，干绝热膨胀或压缩到1000百帕时所具有的温度，即O=A!!”ZP如果也=0→干绝热。
dt10、假相当位温：气块沿干绝热线上升到凝结高度后，再沿湿绝热上升，直到所含水汽全部凝结脱落后，再沿干绝热线下降到IOOO百帕时所具有的温度，记为Q seo如果”=0,则为湿绝热、假湿绝热。
dt11、假湿绝热过程：饱和湿空气上升过程中发生凝结，并将其凝结物全部降落，则上升时为湿绝热过程，下降时为干绝热过程。
平衡辐射的热力学均匀物质的热力学性质热力学
Ju 。
6. 辐射压强： 电磁波投射到物体上时，它对物体所施加的压强。
电磁场理论：
p 1 3 u
物态方程
平衡辐射特点：窖内电磁辐射的能量密度以及能量密度按频率 的分布只是温度的函数，而与空腔的其他性质无关。即：
u=u(T)
证明：
假设在ω — ω+dω范围内
u1 u 2
则能量将由空窖1流向空窖2，造成
积分得：
u (T ) T
4
3. 辐射场的熵 S ：
p 1 3 u
u (T ) T
4
U ( T , V ) Vu ( T )
dS
dU pdV T
1 1 4 4 d T V T dV T 3
4 T V d T T d V
4 4 2) 与面元dA成θ角的,单位时间内,传播到dA 上的能量为 d u ( cdA cos ) 4 u d u sin d d
3) 辐射的总能量,则对球体的立体角求和. 0 ,0 2 取球面坐标系：
2
J udA
一. 基本微分方程
dU TdS
磁场做功：
Y dy
i i
i
激发磁场的功
磁化功
dW Vd (
0H
2
2
) 0VHdM
当热力学系统界定为介质时：
dW 0VHdM
0 Hdm
( m VM )
中
p 0H , V m
忽略体积变化功时，将 dU TdS pdV
U ( T , V ) Vu ( T )
关于大气物理学题库_答案
关于⼤⽓物理学题库_答案⼤⽓物理学题库答案1. 氮⽓、氧⽓、氩⽓（或N 2、O 2、Ar ）2.原始⼤⽓、次⽣⼤⽓、现代⼤⽓3.基尔霍夫定律、普朗克定律、斯蒂芬-玻尔兹曼定律、维恩定律。
4.核化（或填异质核化）、凝结、碰并、连锁；5.⽔云、冰云、混合云；6.⾊；7.爱根核，⼤核，巨核；8.增加空⽓中的⽔汽、降温。
9.CO2、O3；10.瑞利散射，⽶散射，⼏何光学散射；11.宇宙射线地壳αβγ射线作⽤⼤⽓中放射性元素12.低⽓压、⾼⽓压、低压槽、⾼压脊、鞍型⽓压场13.Kirchhoff （或基尔霍夫）14.紫外光、红外光15.辐射平衡、热量平衡，潜热、感热，太阳辐射，⼤⽓。
16.⾼压、低压17.冷却、增湿、冷却、增湿18.⽇地平均距离⼤⽓上界19.⽐湿、混合⽐、⽔汽密度、露点、相对湿度。
20.状态（变化）、层结。
21.对流层、平流层、中层、热层、外层。
22.绝热上升膨胀冷却、辐射冷却、平流冷却、混合冷却。
（降温过程很多，写出其中四种即可）23. 0>??z θ、 0se θ。
24. ⼤⽓温度直减率，⼲绝热递减率，湿绝热递减率。
25. TSP 、降尘、PM10 。
（任意写出其中的三种）（可在TSP 、降尘、PM10、、尘粒、粉尘、灰、飞灰、总灰等中任选三个）26. 虚温。
27. 8 ，等温。
28.29. 、分⼦散射（或瑞利散射）。
30. 波长、红外光、紫外光。
31. 太阳散射辐射，⽡/⽶2 。
32. ⾏星反照率。
33. 热流量。
34. 100035. ⼤⽓压⼒是指单位⾯积上直⾄⼤⽓上界整个空⽓柱的重量，是⽓象学中极其重要的⼀个物理量。
常⽤的单位有： Pa 、 hPa 、毫巴（标准⼤⽓压）等。
标准⼤⽓状态下，我们假设海平⾯⽓压为 1000hPa ，1.5km ⾼度⽓压为 850 hPa ，5.5km ⾼度⽓压为 500hPa 。
36. ⽔汽混合⽐是指⽔汽的质量与⼲空⽓的质量⽐，⽐湿是指⽔汽的质量与湿空⽓的质量⽐。
大气物理学题库答案
⼤⽓物理学题库答案⼤⽓物理学题库答案1.氮⽓、氧⽓、氩⽓（或N2、O2、Ar）2. 原始⼤⽓、次⽣⼤⽓、现代⼤⽓3. 基尔霍夫定律、普朗克定律、斯蒂芬-玻尔兹曼定律、维恩定律。
4. 核化（或填异质核化）、凝结、碰并、连锁；5. ⽔云、冰云、混合云；6. ⾊；7. 爱根核，⼤核，巨核；8. 增加空⽓中的⽔汽、降温。
9. CO2、O3；10. 瑞利散射，⽶散射，⼏何光学散射；11. 宇宙射线地壳αβγ射线作⽤⼤⽓中放射性元素 12. 低⽓压、⾼⽓压、低压槽、⾼压脊、鞍型⽓压场 13. Kirchhoff （或基尔霍夫） 14. 紫外光、红外光15. 辐射平衡、热量平衡，潜热、感热，太阳辐射，⼤⽓。
16. ⾼压、低压17. 冷却、增湿、冷却、增湿 18. ⽇地平均距离⼤⽓上界19. ⽐湿、混合⽐、⽔汽密度、露点、相对湿度。
20. 状态（变化）、层结。
21. 对流层、平流层、中层、热层、外层。
22.绝热上升膨胀冷却、辐射冷却、平流冷却、混合冷却。
（降温过程很多，写出其中四种即可）23.0>??zθ、25. TSP 、降尘、PM10 。
（任意写出其中的三种）（可在TSP 、降尘、PM10、、尘粒、粉尘、灰、飞灰、总灰等中任选三个） 26. 虚温。
27. 8 ，等温。
28.29. 。
30. 31. 太阳散射辐射，⽡/⽶2 。
32. ⾏星反照率。
33. 热流量。
34. 100035. ⼤⽓压⼒是指单位⾯积上直⾄⼤⽓上界整个空⽓柱的重量，是⽓象学中极其重要的⼀个物理量。
常⽤的单位有： Pa 、 hPa 、毫巴（标准⼤⽓压）等。
标准⼤⽓状态下，我们假设海平⾯⽓压为 1000hPa ，1.5km ⾼度⽓压为 850 hPa ，5.5km ⾼度⽓压为 500hPa 。
36. ⽔汽混合⽐是指⽔汽的质量与⼲空⽓的质量⽐，⽐湿是指⽔汽的质量与湿空⽓的质量⽐。
37.绝热过程指系统与外界没有热量交换的过程。
自然地理学总复习辅导
自然地理学教学要点一、名词解释（每题4分，20分）1、自然地理学：是研究自然地理环境的一门科学，包括只受到人类间接或轻微影响，而原有自然面貌未发生明显变化的天然环境，和长期受到人类直接影响而使原有自然面貌发生重大变化的人为环境。
2、自然地理环境：自然地理环境是指地球表面，具有一定厚度的圈层，即岩石圈、水圈、大气圈、生物圈相互作用、相互渗透的区间内的一个特殊圈层，它是在太阳辐射能、地球内能和生物能作用下形成的。
3、天然环境：只受到人类间接或轻微影响，而原有自然面貌未发生明显变化的自然环境。
如森林和原始森林。
4、人为环境：是长期受到人类直接影响而使原有自然面貌发生重大变化的人为环境。
如城市环境、农田环境。
5、海陆起伏曲线：为形象的表示地球上的各种高度和深度的对比关系，根据陆地等高线和海洋等深线图，计算各高度陆地和各深度海洋所占的面积或占全球总面积的百分比绘出的曲线。
6、辐射平衡：一个物体或系统的辐射能量收支相等时的状态。
（把地面指导大气上界当作一个整体，其辐射能净收入就是地-气系统的辐射平衡（P.68）7、天气与气候：天气是一定区域短时段内的大气状态（如冷暖、风雨、干湿、阴晴等）及其变化的总称。
气候是指某一地区多年间大气的一般状态及其变化特征。
8、降雨量：从天空降落到地面上的雨水，未经蒸发、渗透、流失而在水面上积聚的水层深度，我们称为降雨量(以毫米为单位)(它可以直观地表示降雨的多少)。
9、锋与锋面：温度或密度差异很大的两个气团相遇形成的狭窄过渡区域称为峰，也可以将峰看做两个气团的界面，故又称为峰面。
P.99（关键是两侧气团气象要素的差异）10、河流、水系和流域：河流:降水或由地下涌出地表的水，汇集在地面低洼处，在重力作用下经常地在周期地沿流水本身造成的低洼流动；水系：河流沿途接纳众多支流，并形成复杂的干支流网络系统；任何河流或水系分水线内的范围，就是它的流域（P.150）。
11、喀斯特地貌:地下水与地表水对可溶性岩石溶蚀与沉淀，侵蚀与沉积，以及重力崩塌，塌陷、堆积等作用形成的地貌，以南斯拉夫喀斯特高原命名。
大气科学中的地球辐射平衡与气候调节机制
大气科学中的地球辐射平衡与气候调节机制在大气科学中，地球辐射平衡是指地球接收到的太阳辐射能量与地球自身辐射出的能量之间的平衡关系。
这一平衡关系对地球的气候调节起到至关重要的作用。
本文将探讨地球辐射平衡的基本概念、影响因素及气候调节机制。
一、地球辐射平衡的基本概念地球辐射平衡是指地球接收到的太阳辐射能量与地球自身辐射出的能量之间的平衡状态。
地球接收到的太阳辐射主要包括可见光、紫外线和红外线等能量，而地球自身辐射出的能量则主要为红外辐射。
当地球辐射出的能量与接收到的能量相等时，就达到了辐射平衡。
地球辐射平衡的维持依赖于多种因素的相互作用。
太阳辐射的强弱取决于太阳角高度、云量、大气中的气溶胶颗粒等因素。
而地球辐射的强弱则受大气中的温室气体的影响。
当地球自身辐射的能量无法通过大气层逃逸时，就形成了温室效应，进而影响到地球的能量平衡。
二、地球辐射平衡的影响因素1. 太阳辐射：太阳辐射是地球辐射平衡的主要能量来源。
太阳辐射的强度随着太阳角高度的变化而变化，同时云量、气溶胶等因素也会对太阳辐射的强度产生影响。
2. 温室气体：大气中的温室气体对地球辐射平衡起到重要作用。
温室气体可以吸收地球辐射出的红外辐射，使其难以逃逸到太空中，从而导致地球温度升高。
3. 云量和云的特性：云量的变化会影响地球的辐射平衡。
云层可以反射太阳辐射，减少地面的吸热能力，也可以吸收地球辐射，减少地球向太空散发热量的能力。
此外，云的高度、厚度和云滴的大小等特性也会对辐射平衡产生影响。
4. 地表特性：地表的颜色、纹理和海陆分布等特征也会对辐射平衡产生影响。
例如，黑色的地表会吸收更多的太阳辐射，而白色的地表则会反射更多的太阳辐射。
三、气候调节机制1. 温室效应：地球大气中的温室气体能够吸收地球向太空辐射的红外辐射，使其难以逃逸到太空中，从而导致地球温度升高。
温室气体包括二氧化碳、甲烷、氮氧化物等。
温室效应的增强会导致地球变暖，引发气候的变化。
2. 云的反照率调节：云层对太阳辐射和地球辐射的反射和吸收会影响地球的辐射平衡。
长波辐射与辐射平衡
L ( , ) L (0 )e(0 )/
• 设地面是朗伯面，即可求出在z高度上的辐照度为，
E ( )2 L ( 0 )e
0 1 ( 0 ) 1
d E ( 0 ) 2 e(
0
0 )
d
• 定义由地面至 z 处气层的漫射辐射通量透过率为，
• 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：
F AgT
F gT
4 g
4 g
(5.5.1)
(5.5.2)
• 或以地面比辐射率eg 表示，为
• 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 ① 地球与大气都是放射红外辐射的辐射源，通过大气中的任一平面射出的是 具有各个方向的漫射辐射。而太阳直接辐射是主要集中在某一个方向的平 行辐射。在红外波段，到达地面的太阳直接辐射能量远小于地球与大气发 射的红外辐射，常可不予考虑。 除非在云或尘埃等大颗粒质点较多时，大气对长波辐射的散射削弱极小， 可以忽略不计。即使在有云时，云对长波的吸收作用很大，较薄的云层已 可视为黑体。因而研究长波辐射时，往往只考虑其吸收作用，忽略散射。 大气不仅是削弱辐射的介质，而且它本身也放射辐射，有时甚至其放射的 辐射会超出吸收部分，因此必须将大气的放射与吸收同时考虑。 总之，长波辐射在大气中的传输，是一种漫射辐射，是在无散射但有吸收 又有放射的介质中的传输。
(5.5.21)
第二项为各层大气的辐射和吸收。
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，
E L,
0
信息工程学院《大气物理学》历年试卷及参考答案
题号一二三四总分题分一、选择题（每小题2分，共40 分）1.温室气体对（）吸收较强，而对（）基本不吸收，大气中如果没有温室气体，地面平均温度将比现在（）。
A）可见光，红外辐射，高；B）可见光，红外辐射，低；C）红外辐射，可见光，高；D）红外辐射，可见光，低由下图回答247－248题：2.日最高气温不是出现在正午，而是在下午，其原因是（）。
A）太阳正好直射；B）地面净出射红外辐射正好等于地表吸收的太阳入射辐射；C）日落前地面已被太阳晒了一整天3.下列不属于地面温度下降原因的是（）。
A）地表发射红外辐射；B）地表温度高于贴地层气温时发生传导过程；C）地表水份蒸发；D）地表吸收大气逆辐射4.霾和云阻碍（）辐射到达地面使得日最高气温降低，同时吸收（）辐射后再向地面发射使得日最低气温升高。
A）短波，长波；B）长波，短波；C）长波，长波；D）短波，短波信息工程学院考试试卷及参考答案课程名称：大气物理学专业：班级：考生学号：考生姓名：注意：试卷评阅统一使用红色笔，要求对的打“√”，错的打“×”，并采用加分的方法评定。
5.（）对太阳辐射的反射是地球行星反照率中占比例最大的部分。
A）海洋；B）陆地；C）云6.辐射作为能量传递的方式之一，其重要性体现在（）。
A）辐射能传递可以不需要介质；B）所有物体都发射辐射；C）对人类而言，可见光是辐射的一部分；D）以上都是7.在相同条件下，当太阳照到下列几种下垫面时，吸收太阳辐射最多的是（）。
A）水面；B）黑色沥青路面；C）绿草地；D）新雪8.下列几种下垫面中，对太阳辐射的反照率最大的是（）。
A）水面；B）黑色沥青路面；C）绿草地；D）新雪9.如果空气分子仅对可见光中最大波长部分进行选择性散射，则天空的颜色将为（）。
A）白色；B）蓝色；C）红色；D）黑色10.日出和日落时，太阳看起来颜色发红是因为（）。
A）红光散射较多；B）红光散射最少；C）红光易被大气吸收；D）红光不易被大气吸收11.平均而言，地气系统（）。
介绍辐射平衡及其公式和作用
介绍辐射平衡及其公式和作用辐射平衡是指地球在接收到来自太阳和宇宙空间的辐射能量后，再通过各种途径向外辐射能量，以维持一个相对稳定的温度。
辐射平衡是地球能维持生态系统平衡的基础，对地球上的生物和环境起着至关重要的作用。
辐射平衡的公式可以通过斯特藩-玻尔兹曼定律来描述。
根据斯特藩-玻尔兹曼定律，地球向外辐射的能量与地球表面的温度的四次方成正比。
换句话说，辐射出去的能量与地球表面的温度之间存在着强烈的关系。
辐射平衡的作用非常重要。
首先，辐射平衡使地球保持了相对恒定的温度范围，这是地球上生物存在的前提。
如果没有辐射平衡，地球将无法维持适宜的温度，生物将无法生存。
其次，辐射平衡影响着地球的气候和气象变化。
太阳的辐射通过辐射平衡对地球的表面和大气层进行加热，从而影响了全球的气候系统。
不同地区和季节的辐射平衡变化会导致气温的变化，形成季节变化和气候带。
此外，辐射平衡还影响地球的水循环。
太阳的辐射能量使得海洋和地表水蒸发，形成云和降水，维持了地球上的水资源循环。
辐射平衡不仅影响了水循环的速率和分布，还决定了地球表面上蒸发和降水的能量。
最后，辐射平衡对地球上的能量平衡和能量分配起着重要作用。
地球接收来自太阳的辐射能量，通过辐射平衡将能量分配到地球表面、大气层和太空中。
这些能量分配影响了地球上的气候、海洋循环和生态系统的健康。
需要注意的是，辐射平衡并不是完全稳定的。
地球上的一些变化，如人类活动和天然灾害，会干扰辐射平衡，导致辐射能量的不平衡。
例如，大量的温室气体排放会引起地球表面的辐射不均衡，加剧全球变暖的问题。
总之，辐射平衡是地球上维持生态平衡和气候稳定的关键因素。
通过辐射平衡，地球将太阳的辐射能量转化为地球表面、大气层和太空中的能量，维持了地球的温度范围、水循环和能量平衡。
大气科学中的地球辐射平衡
大气科学中的地球辐射平衡地球辐射平衡是大气科学领域中的一个非常重要而又基础的概念。
简单来说就是指地球受到的太阳辐射和地球向宇宙空间发出的辐射相互平衡的状态。
在这篇文章中我们将探究这一概念的特征、影响以及相关科学研究的进展。
辐射平衡的特征地球辐射平衡是指在一个封闭的系统中，太阳辐射所形成的能量总和应该等于地球向宇宙空间发出的辐射所形成的能量总和。
在这个系统中，太阳辐射的能量从大气界面进入大气层，地球向宇宙空间发射辐射的能量则通过大气部分反射折射直接出射到宇宙空间。
在这个过程中，大气层和地表所吸收的太阳辐射能量作为热量通过空气和水汽的传递和扩散以及地表面的传导、对流、辐射作为热量释放到大气层中，使得大气层温度分布产生一定的变化，从而对大气环境产生较大的影响。
辐射平衡的影响地球辐射平衡与大气层的温度分布以及气候变化密切相关。
辐射平衡失衡则会引起温度变化，从而影响大气环境的稳定性、生态状况和人类活动。
例如，某些气候变化、极端气候事件的发生与太阳辐射、水汽和温室气体的浓度等因素有着密切关系。
科学研究的进展目前，研究地球辐射平衡和气候变化的学科涵盖了气象学、大气物理学、生态学、环境科学、地球科学等多个学科领域。
研究表明，在珂勒效应、大气吸收、反射、辐射等因素的影响下，大气层和地表之间辐射平衡的固有偏差是导致气候变化的主要因素之一。
由于科技的不断发展，科学家们已经可以利用多种技术手段去追踪、监测和预测地球辐射平衡的变化趋势。
例如，利用地球观测卫星和地球全球定位系统（GPS）数据可以对太阳辐射、地球辐射和大气成分进行长时间序列观测，并且可以对大范围的气候变化和环境变化进行研究。
此外，也有一些大型研究项目，如“地球能量预算项目（CEP）”和“亚洲气溶胶气体实时监测网（AERONET）”等，利用现代科技手段实时、精细地监测全球气候变化，为人类提供更加精准的气象预报以及环境保护决策等方面的服务。
总之，在大气科学领域，地球辐射平衡是一个十分重要而又基础的概念。
大气科学概论：第5章5.7辐射平衡
的净收入就是地气系统的辐射差额ES
• 地气系统吸收短波辐射 • 大气顶部射出长波辐射
地气系统多 年平均为辐
ES S0 (1 R) FS 射平衡
S0(1-R)为地气系统受到的太阳辐射能， R是行星反射率，FS是射出长波辐射OLR.
OLR指大气上界以及地表云层等透过大气射向宇 宙空间的长波辐射，即地气系统射向宇宙空间总 谱区（4-100m）的长波辐射影响 OLR 的因子： 无云时，地面温度； 有云时，云顶高度，水汽垂直分布
2、整层大气辐射差额
收入：云和大气吸收的短 波辐射、云和大气吸收的 来自地面的长波辐射。 支出：云和大气放射到宇 宙空间的长波辐射、 云和大气放射到地面的长 波辐射（大气逆辐射）
全球多年平均看，收入 小于支出，不足的部分 由显热和潜热获得。
大气
3 地气系统辐射差额
把地面和大气作为一个整体，其辐射能
Figure 7i-5: Average net longwave radiation at the Earth's surface: January 1984-1991. Net longwave loss is a negative quantity. Highest values of longwave loss occurs where surface temperatures are high and cloud cover is minimal, such as the subtropical deserts of the Northern and Southern Hemisphere. Cold surfaces have low values of loss. Color range: white - red - blue, Values: -100 to 0 W/m2. Global mean = -48 W/m2, Minimum = -125 W/m2, Maximum = -11 W/m2. (Source: NASA Surface Radiation Budget Project).
两层辐射平衡模式温室效应的原理
两层辐射平衡模式温室效应的原理
双层辐射平衡模型的温室效应原理是大气层和地球表面之间交换热量的原理。
它是热量收支平衡的原理，表示整个地球能量的辐射也是平衡的，在一定的条件下，它的辐射总和保持相等。
大气层得到太阳的入射辐射热量，一部分被反射回太阳，另一部分被大气层吸收，但是大气层散发的辐射热量比太阳所收到的热量小。
这有利于保持地球大气单调发展，否则大气状态将会受到严重影响。
厚厚的大气阻碍了太阳光直接照射地球，太阳辐射热量在大气层中经过反复交换，大气层在其中扮演着一个重要角色，将太阳热量吸收后，散发到地表，实现了双层辐射平衡的温室效应。
整个地球表面经历着三种辐射过程：一是太阳辐射到地表，二是地表发光（辐射）至大气，三是大气辐射到地表。
由于太阳辐射最终到达地表所经历的过程受到大气阻碍，能量暂时存储在大气中，经过反复的射量，热量才会最终由大气到达地表，实现双层辐射平衡的温室效应。
双层辐射平衡模型的温室效应是由大气层控制散射辐射的热量缓慢地分布到地
表的现象，它过滤了太阳的热量，又能够将热量灌注到地表，使地球温度稳定，它为地球生长和保护提供了一个良好的环境，并为所有生物提供了生存空间。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2. 入射到地表面的长波辐射 来自整层大气的辐射，是大气的逆辐射。 3. 地面向上的长波辐射 地面向上的长波辐射， 包括地面发射的长波辐射和地 面反射的部分大气逆辐射
Ts 为地面温度，s 为地面的发射率。
4. 地面长波净辐射和地面有效辐射 地面的长波净辐射通量密度
另外， 常将地面向上的长波辐射和大气逆辐射之差定 义为地面有效辐射
17.3 修正的温室效应模型
考虑非等温大气，假设大气对太阳辐射是透明的。假 设大气是灰体， 也即体积消光系数和折合光学厚度不 依赖于波长。 使用二流漫射近似方程对波长域进行积 分，得到向上、向下积分辐射通量密度 和 的方程 (1) (2) 为从大气层顶向下传输时折合光学厚度。
太阳辐射给予大气的热量为零。 假设大气处于辐射平 衡状态，则长波辐射加热率为零 常数 时， ， Wm2 (4) (1)和(2)式相减并使用(4)式，得到 (5) 积分 (6) (3)
• 1968年：提出地球是自调节系统 • 1972年：认为地球是超级有机体，以希腊地球女神 Gala命名（荷马史诗：盖娅，万物之母，我歌颂 你，最古老的神灵）。他是参考其英国乡下邻居英 国小说家的建议取名的。随后与生物学家马克利斯 创立盖娅假说，他直接称为地球生理学（是地球科 学、大气科学、生态学、微生物学等领域的交叉）。 • 30年来，宣传，参加国际会议，在环境方面的影响 很大，后来还获得国际环境大奖。
“雏菊世界”模型是用来描述地球表面温度是如何被调节的。 简单的假设： • 仅有两种：深色、浅色雏菊，纯种繁殖。 • 深色吸收所有太阳光，浅色反射掉所有太阳光。 • 两种生长状况：低于5℃时不生长；随着温度上升，生长率 也上升；超过20℃生长率下降；到温度40℃，生长都停止。 • 温度较低时，深色的能吸收更多的热量，生长比浅色的快。 • 温度较高时，浅色的因反射失去热量，生长比深色的快。
认识
一、地气系统辐射平衡温度 收入 支出
简单的地气系统辐射平衡模式
若取F = S = 1366 Wm2，r =0.3，可算出Te = 255K（即18C） W/m2 地球表面收到的太阳短波平均辐照度 也是地球发射的长波平均辐出度
太阳常数—地球辐射有效温度的关系 行星反照率 0.3 负反馈： S增加，地面温度增加，长波辐射增加（T4）， 又使温度下降。可以使地球系统维持稳定平恒。
若分别考虑短波和长波能量的收支关系，有 是大气吸收的太阳短波辐射。 是地面有效长波辐 射。 辐射。 是透过大气上界射向空间的长波辐射，它包 括大气射向空间的长波辐射和透过大气的地面向上
三、地气系统的净辐射 地气系统的净辐射是大气和地面的净辐射之和
是以地面为底， 以大气上界为顶的整个铅直气柱内接 收到的太阳短波辐射与大气上界向太空放出的长波 辐射之差。 与整层大气的净辐射比较可得 即大气顶部的净辐射就是地气系统的净辐射。
但这个模型在地面附近的温度是不连续的， 如果靠近 地面大气的温度为 ，则根据(9)式，得到 (11) (10)和(11)式比较得到 (12) 因此 ， 不切合实际。 如果考虑其他的物理过程，
例如对流，则可以消除这种不连续。
17.4 辐射平衡与盖娅假说
1900年开始，地面设立了太阳辐射观测，局限于某些点。 1959年，在探险者7号卫星上首次成功地进行了从空间测 量地球辐射收支的试验。以后在雨云–3上使用了中分辨率红外 辐射仪来继续这项工作。 从1975年开始，在雨云–6、7号卫星上安装了地球辐射收 支仪器（ERB），它可以测量地球行星反照率和发射的辐射通 量，并可监测太阳常数。 在20世纪70年代末到80年代初研制出了更先进的地球辐射 收支实验（ERBE）仪器，在NOAA–9，10号卫星和1984年开 始的ERBS卫星上都安装了ERBE仪器。 这些观测计划一直延续至今，提供了全球范围地气系统辐 射平衡的丰富资料，并获得了地气系统总的辐射平衡图像。
一、地面的净辐射 地面的净辐射通量密度 净辐射通量密度 和，即 其中短波和长波的净辐射通量可分别表示为 是水平面上太阳短波 之
和长波净辐射通量密度
1. 短波净辐射 入射到水平地面的太阳短波辐射通量 接辐射和天空散射辐射之和 射出的短波辐射是地面对入射短波辐射的反射 地面的短波净辐射通量密度 是太阳直
第17章 辐射平衡
17.1 地气系统的辐射平衡 17.2 地气系统的净辐射 17.3 修正的温室效应模型 17.4 辐射平衡与盖娅假说
17.1 地气系统的辐射平衡
控制因子 太阳输出 地球轨道变化 大气环流和海洋洋流 板块运动 云、冰雪 自然/人为放出的气体、粒子 系统内部的反馈作用（正、负反馈） 启发式的模式 全球气候模式 (GCMs)
联立(4)和(6)式得到 (7) (8) 同时将(7)式和(8)式分别代入(2)式和(1)式， 都得到 (9) 、 和 全部是随折合光学厚度 线性变化。
地面的辐射平衡， 的黑体，对应
。从
得到， 刚刚靠近地面的大气的向上的长波辐射通量密 度为 ，假设它等于地面本身的辐射，即 (10) 因为 对应的辐射平衡温度为 255 K，因此，在大气 中 ， 则 ， 即地面温度一定大于 255 K， 这也就证明了温室效应。
上层大气 2
下层大气 1 地球表面 s
辐射平衡要求 E = 0.25 Fs ＋ 0.5 F1 ＋ F2 E = 0.5 Fs ＋ F1 ― F2 E = Fs ― F1 ―0.5F2 Fs=Ts4，F1=a T14 ， F2=a T24 F2 = E / 3
F1 = E / 2 F2 = 5 E / 3
第一次测净辐射的卫星试验
大气层顶净辐射 1959，Explorer 7，Suomi & Parent设计了Suomi辐射计： 两个球，一个黑色吸收所有波段辐射，另一个白色，反射 短波吸收长波。
太阳直接辐射，反射短波辐射和长波辐射
一、地气系统总的辐射平衡
政府间气候变化专门委员会 IPCC，2007
二、盖娅假说中的辐射平衡
Gaia (希腊：地球母亲)假说 拉夫拉克（Lovelock）认 为生物控制气候（辐射平 衡），并使气候适宜生物 生存。 (自我平衡) Daisyworld：雏菊世界 雏菊：带有宗教色彩 验证生物自我调节全球 环境的简单模型，由拉 夫拉克与他的同事提出
拉夫拉克
英国大气化学家，也是发明家， 比如发明电子俘获装置：测浓度 ＜10-6的氟利昂气体，引起了生 态学家的恐慌。 60年代在美国国家喷气动力实验室工作，接受NASA的研 究课题：火星是否存在生命？ (1) 远离化学平衡态：地球存在生命 (2) 生物调节大气？ 他从天体学家获知：36亿年以来，太阳发光能力增强25% （发光度），但地球保持有利于生命的温度。
二、大气的净辐射 1. 某一气层的净辐射 ～ 别为 薄层大气， 其上下边界的净辐射通量密度分 和
该气层净辐射为
大气的变温率
利用静力学方程
在实际计算中，通常将太阳辐射分成 个谱区，对每 个谱区计算增温率，最终通过求和计算总增温率
有时按吸收气体的光学质量计算增温率比较方便。 例如，水汽的微分光学质量（路径长度）为
辐射平衡温度廓线 由多层大气计算的 辐射平衡温度廓线 （虚线）与美国标 准大气（实线）的 比较。
J. Atmos. Sci. 21, 370(1964)
17.2 地气系统的净辐射
系统或物体收入辐射能与支出辐射能的差值称为净 辐射，也称辐射差额。 例如，对于净辐射通量密度 ，它是收入辐射通量密 度 与支出辐射通量密度 的差， 。
包括短波和长波辐射在内的地面净辐射通量密度为 或
地球表面的净辐射（辐射差额）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， 密度 是正值，地面升温；而在夜间，因无太阳辐射， 是 负值，则地面降温。从全年平均值看，各地地面净辐射通量 都是正的，用于地面使水分蒸发，以潜热形式给予大 气或以热对流方式直接给予大气，维持了地面的能量平衡。
水汽吸收导致的增温率可表示为
一维辐射对流模式获得的不同吸收气体所引起的气温时间变 率的垂直分布。粗实线代表 3 种气体的总体效果。
2. 整层大气的净辐射 整层大气的净辐射可用下式表示
和 ， 偿。
分别代表大气上界和地面的净辐射。 一般为正。净辐射为负值，平衡所缺少
的那部分能量通过地面提供的显热和潜热而得到补
T2 = (0.33E / 0.5)1/4 = 231 K T1 = (0.5 E / 0.5)1/4 = 255 K Ts = (1.67E / )1/4 = 290 K
多层大气模型
n 层大气，每一层as=0，al=0.5。 可用归纳法证明，从最顶层开始，逐层发射 辐射的向上辐照度分别为： E/3、E/2、2E/3、…、(1+n)E/6 行星表面发射辐射的辐照度为： (1+n/3)E 从Stefan-Boltzmann定律可计算温度。
简化 as = 0，al = a =0.5，E=S/4，F积分辐射通量密度
E (1―a)2Fs (1―a)F1 F2 ____________________________________ ____________________________________ E (1―a)Fs F1 F2 ____________________________________ ____________________________________ F1 (1―a)F2 E Fs ____________________________________
• 平衡 & 自我调节Βιβλιοθήκη • 不同太阳发光度下的平衡
雏菊覆盖面积
表面温度
小结
• 辐射平衡模型：能量分量和计算
– 简单模式 – 一层大气 – 多层大气
• 大气变温率：表达式和计算
– 短波 – 长波
课后练习 习题 17.2～17.7