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%。
4、到达地面的太阳辐射强度
到达地面的太阳总辐射由太阳直接辐射强度和天空 辐射强度（散射辐射强度）组成。 太阳直接辐射强度 定义
单位时间内以平行光形式投射到地表单位水平面积上 的太阳辐射能。
ds
影响因子 大气透明系数(P )、大气量( m )和太阳高度角（h）
影响，此外，纬度、海拔、坡度坡向和云量有间接或直 接的影响。
天空散射辐射强度(D)
定义
阳光被大气散射后，
单位时间内以散射光形式
到达地表单位水平面积上
ds
的太阳辐射能。
假设散射辐射的一半回到宇宙空间， 另一半被大 气和地表吸收。
影响因子
主要受太阳高度角（h）、大气透明度(P )和大气 量(m)影响，此外，纬度、海拔、云量有直接和间接的 影响。
定义：当地球位于日地平均距离时(约为1.496×108km)， 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。
S0变化范围： 1325 W·m-2 ～1457 W·m-2 我国采用的太阳常数值为1382 W·m-2
2、太阳高度角、太阳方位角
太阳高度角 （h） 定义
太阳光线与地表水平面之间的夹角。(0°≤h≤90°)
对同一物体，如果在温度T时它放射某一波长的辐射， 那么，在同一温度下它也吸收这一波长的辐射。
斯蒂芬—波尔兹曼(Stefan-Boltzmann)定律 定律 黑体的总放射能力（ET）与它本身绝对温度（T）的四
次方成正比。即：
ET ＝σT 4
式中σ＝5.67×10-8W.m-2.K-4为斯蒂芬—波尔兹曼常数。 意义 物体温度愈高，其放射能力愈强。
不同温度下黑体辐射强度与温度的关系
三、地球大气与辐射的相互作用
各种不同的大气成分及尘埃、水滴 作用形式：吸收、散射、折射
大气分子的选择性吸收： 各种气体成分对辐射有选择吸收的特性， 是由于其自身特殊的分子和原子结构及运 动状态所决定的。
吸收光谱
太阳辐射吸收光谱
大气臭氧层对紫外线波段（λ≤0.29μm）的吸
3、大气对太阳辐射的减弱
太阳辐射在大气中的减弱
减弱方式
吸收作用 主要的吸收成分 氧、臭氧、水汽和CO2 各成分的吸收波段
气体成分 氧 臭氧
水汽
强吸收波段
弱吸收波段
<200nm的紫外光
690~760nm的可见光
200~320nm的紫外光
600nm的可见光
930~1500nm的红外光 600~700nm的可见光
定律
在一定温度下，任何物体对于某一波长的放射能力(eλ,T) 与物体对该波长的吸收率(aλ,T)的比值，只是温度和波长的 函数，而与物体的其它性质无关。即:
e ,T a ,T
E ,T
Eλ,T只是波长和温度的函数。
推论 对不同性质的物体，放射能力较强的物体，吸收能力 也较强；反之，放射能力弱者，吸收能力也弱，黑体 的吸收能力最强，所以它也是放射能力最强的物体。
瑞利散射的特点
➢ 散射通量密度与波长的四次方成反比。散射辐 射以短波为主。
➢ 散射光强度与粒子的体积平方成正比，与距离 的平方成反比。
✓ 蓝色天空的成因
四、太阳辐射在地球大气中的传输
1、太阳辐射强度和太阳常数
太阳辐射强度 （太阳辐射通量密度） 太阳辐射强度及单位
定义：单位时间内投射到单位面积上的太阳辐射能量。 单位：W·m-2 太阳常数 （S0） 太阳常数及变化范围
（三个强吸收带）
（三个弱吸收带）
散射作用
散射 当太阳辐射通过大气时，遇到大气中的各种质点，
太阳辐射能的一部分散向四面八方，称为散射。
分类
由入射辐射波长 与散射质点的相对大小r，将
散射分为分子散射（瑞利散射）和米（Mie）散射。
✓ r《 时，分子散射。
✓ r ~ 时，米散射。
反射作用 参与反射作用的物质 大气中较大的尘粒和云滴、云层。 云的反射作用
维恩(Wien)位移定律 定律 绝对黑体的放射能力最大值对应的波长(λm) 与其本身的绝
对温度(T)成反比。即：
λm＝C/T 或 λm T=C
如果波长以nm为单位，则常数C＝2,897×103nm· K,于是
(2-5)式为：
λmT＝2897×103nm·K
意义 物体的温度愈高， 放射能量最大值 的波长愈短，随 着物体温度不断 增高，最大辐射 波长由长向短位 移。 太阳辐射是短波 辐射，人、地 面和大气辐射 是长波辐射。
Sm和Sm′与h的关系图
太阳方位角 （A） 定义 太阳光线在水平面上的投影和当地子午线的夹角。
A值： 正南：A=0
正南以西：A>0 正南以东：A<0
四季的形成
曙暮光
在日出前和日落后，太阳光线在地平线以下0°～ 6°时，光通过大气散射到地表产生一定的光照强度， 这种光称为曙光和暮光。
一般曙暮光随纬度升高而加长；夏季尤为显著。