第二节 地面和大气的辐射

地面平均温度约为300K，对流层大气的平均温度约为250K，其热辐射中95%以上的能量集中在3～120微米的波长范围内（属于红外辐射）。其辐射能量最大段波长在10～15微米范围内，所以我们把地面和大气的辐射称为长波辐射。
（二）地面和大气长波辐射的特点
1、大气对长波辐射的吸收
（1）大气对长波辐射的吸收非常强烈。
液态水对长波辐射的吸收性质与水汽相仿，厚度大的云层表面可当作黑体表面。
二氧化碳：
有两个吸收带，中心分别位于4.3微米和14.7微米。
2、大气中长波辐射的特点
（1）地面和大气辐射是漫射辐射。
（2）考虑长波辐射在大气中的传播时，不仅要考虑大气对长波辐射的吸收，还要考虑大气本身的长波辐射。
（3）长波辐射在大气中传播时，可以不考虑散射作用。
这个波段的辐射，正好位于地面辐射能力最强处，地面辐射有20%的能量透过这一窗口射向宇宙空间。
在这一窗口中9.6微米附近有一狭窄的臭氧吸收带，对于地面放射的14微米以上的远红外辐射，几乎能全部吸收，此带可以看成近于黑体。
水汽对长波辐射的吸收最显著。
除了8～12微米波段的辐射外，其它波段都能吸收，以6微米附近和24微米以上波段的吸收能力最强。
（2能力，T表示地面和大气的温度，
分别称为地面和大气的相对辐射率，又称比辐射率。
相对辐射率的大小为地面或大气的辐射能力与同一温度下黑体辐射能力的比值，在数值上等于吸收率。
如果地面温度为15℃，则可算得
当地面温度为15℃时，根据维恩定律，可算得
即该温度下地面最强的辐射能位于波长10微米左右的光谱范围内。
（3）地面反射率
3、地面辐射差额的日变化和年变化
（1）日变化：
夜间为负，白天为正。
（2）年变化：
夏季为正，冬季为负。
4、地面辐射差额的年振幅
（1）随着纬度增加而增大
（2）同纬度的陆地大于海洋
5、地球表面平均辐射差额为正。
（二）大气的辐射差额
1、大气中各层大气的辐射差额的差别很大。
2、整个大气层的辐射差额是负值。
（由于大气中气体分子和尘粒的尺度比长波辐射的波长要小得多，散射作用非常微弱。）
（三）大气逆辐射和地面有效辐射
1、大气逆辐射和大气保温效应
（1）大气逆辐射：大气辐射指向地面的部分。
（2）大气保温效应：
大气逆辐射使地面因放射辐射而损耗的能量得到一定的补偿，大气对地面的这种保暖作用称为大气保温效应。
[15℃-（-23℃）= 38℃，大气使近地面的温度升高了38℃]
空气混浊时小于空气干洁时
夜间风大时小于夜间风小时
海拔低处小于海拔高处
有逆温时小于近地层气温随高度降低时
平滑地表小于粗糙地表
植被覆盖地小于裸地
（4）地面有效辐射有明显的日变化和年变化
①日变化与气温日变化有相似的特征。
②年变化与气温的年变化相似，夏季最大，冬季最小。
二、地面及地-气系统的辐射差额
辐射差额（净辐射）：指物体收入辐射能与支出辐射能的差额。
辐射差额=收入辐射–支出辐射
（一）地面的辐射差额
1、地面的辐射差额
某段时间内单位面积地表吸收的总辐射和其有效辐射之差值。
Rg=(Q+q)(1-a)-F0 ( 2-21 )
Rg为辐射差额，(Q+q)是到达地面的太阳总辐射，a为反射率，F0为地面有效辐射。
2、影响地面辐射差额的主要因子
（1）太阳高度
（2）云量
第二节地面和大气的辐射
一、地面、大气的辐射和地面有效辐射
通过长波辐射，地面和大气之间，气层和气层之间，相互交换热量。
地面吸收太阳短波辐射，向外放射长波辐射；大气能强烈地吸收地面的长波辐射，同时也向外放射长波辐射。
（一）地面和大气辐射的表示
地面和大气都向外放射出辐射能，由于它们不是绝对黑体，运用史蒂芬-玻尔兹曼定律，可以写成如下形式
（2）影响吸收作用的因素
①吸收物质及其分布
②大气的压强、温度。
（3）主要吸收物质
水汽、液态水、二氧化碳和臭氧。
它们对长波辐射的吸收具有选择性。
由图2-12（P32)可以看出，大气在整个长波段，除了8～12微米一段外，其余的透射率近于零，即吸收率为1。
8～12微米处吸收率最小，透明度最大，称为“大气窗口”。
（三）地-气系统的辐射差额
1、整个地气系统辐射差额的多年平均为零。
2、地气系统的辐射差额在纬度30°附近是转折点。
2、地面有效辐射
（1）概念：
指地面放射的辐射（）与地面吸收的大气逆辐射（）之差。以表示。
（2-20）
（2）地面有效辐射的大小
为正值：通常情况下。
为负值：在近地层有很强的逆温及空气湿度很大的情况下。
（3）影响地面有效辐射的主要因素：
地面温度
空气温度
空气湿度
云况
（4）地面有效辐射的比较
湿热时小于干冷时
云量大时小于云量小时