AP長(zhǎng)波輻射與輻射平衡

1、1第五章第五章地面和大氣中的輻射過(guò)程地面和大氣中的輻射過(guò)程5.5 地球地球大氣系統(tǒng)的長(zhǎng)波輻射大氣系統(tǒng)的長(zhǎng)波輻射5.6 地面、大氣及地氣系統(tǒng)的輻射平衡地面、大氣及地氣系統(tǒng)的輻射平衡接合前面內(nèi)容掌握吸收率接合前面內(nèi)容掌握吸收率、比輻射率概念比輻射率概念比較地面長(zhǎng)波、短波吸收率的不同特點(diǎn)比較地面長(zhǎng)波、短波吸收率的不同特點(diǎn) 地面對(duì)于長(zhǎng)波輻射的吸收率接近常數(shù)，可作為地面對(duì)于長(zhǎng)波輻射的吸收率接近常數(shù)，可作為灰體，但對(duì)短波輻射的吸收率較低，且隨波長(zhǎng)灰體，但對(duì)短波輻射的吸收率較低，且隨波長(zhǎng)變化大。變化大。理解（理解（5.5.1)(5.5.2)式式 5.5.1 地面的長(zhǎng)波輻射特性地面的長(zhǎng)波輻射特性表表 5.12

2、 地地面面長(zhǎng)長(zhǎng)波波輻輻射射吸吸收收率率（或或比比輻輻射射率率） 表面種類(lèi) 土壤 沙土 巖石 瀝青路 土路 植被 海水 純水 陳雪 雪 吸收率 0.95 0.97 0.91 0.95 0.82 0.93 0.956 0.966 0.95 0.98 0.96 0.993 0.97 0.995 設(shè)地表溫度為設(shè)地表溫度為T(mén)g，地面的積分出射度應(yīng)是地面的積分出射度應(yīng)是或以地面比輻射率或以地面比輻射率eg 表示，為表示，為陸地表面可看作朗伯面；而平靜的水面因有反陸地表面可看作朗伯面；而平靜的水面因有反射，則不能當(dāng)作朗伯面處理。射，則不能當(dāng)作朗伯面處理。 4ggTAF (5.5.1) 4ggTF (5.5.

3、2) 大氣的長(zhǎng)波輻射性質(zhì)大氣的長(zhǎng)波輻射性質(zhì)(分別與短波對(duì)比分別與短波對(duì)比)1: 太陽(yáng)直接輻射太陽(yáng)直接輻射地球與大氣的紅外輻射；地球與大氣的紅外輻射；2: 大氣對(duì)長(zhǎng)波輻射的散射削弱極小大氣對(duì)長(zhǎng)波輻射的散射削弱極小,一般只考慮吸一般只考慮吸 收作用；收作用；3: 大氣的吸收和放射須同時(shí)考慮。大氣的吸收和放射須同時(shí)考慮。長(zhǎng)波輻射在大氣中傳輸是一種漫射輻射，是在無(wú)散射但有吸收，長(zhǎng)波輻射在大氣中傳輸是一種漫射輻射，是在無(wú)散射但有吸收，放射的介質(zhì)中的傳輸。放射的介質(zhì)中的傳輸。5.5.2 長(zhǎng)波輻射在大氣中傳輸長(zhǎng)波輻射在大氣中傳輸5.5.2 長(zhǎng)波輻射在大氣中傳輸長(zhǎng)波輻射在大氣中傳輸理解并能寫(xiě)出理解并能寫(xiě)出Sc

4、hwarzchild 方程（方程（5.5.3) (5.5.4) (5.5.7)式，理解式，理解（5.5.8) 式中各項(xiàng)含義式中各項(xiàng)含義 吸收吸收+放出放出 總變化（總變化（5.5.3） Z坐標(biāo)下方程（坐標(biāo)下方程（5.5.4） 光學(xué)厚度坐標(biāo)光學(xué)厚度坐標(biāo) 方程（方程（5.5.7） 解方程解方程 結(jié)果（結(jié)果（5.5.8）lkLlLkLLAdddab,ab,lTBkTBAd)()(ab,zTBLkLdsec)(dab,)(ddab,TBLkzL)(ddTBLL方程的解的形式為:(5.5.8a)(5.5.8b) 在已知吸收物質(zhì)的吸收系數(shù)和光學(xué)厚度以及介質(zhì)的溫度分布以后，可以從理論上計(jì)算大氣中輻射場(chǎng)的分布

5、。 000de)(),(e),()(0)(TBLL00de)(e),()()(0TBL0de)(), 0(e),(TBLL0) (de)(e), 0(TBL掌握漫射透過(guò)率、漫射因子的概念，理解（掌握漫射透過(guò)率、漫射因子的概念，理解（5.5.12) 、（5.5.16) 式式只考慮氣層的只考慮氣層的吸收削弱吸收削弱 由地面到由地面到Z處處,由由(5.5.8a)得得 利用利用（5.1.5） 可求出可求出在在Z高度上的輻照度高度上的輻照度E ( ) 定義定義地面至地面至Z處氣層的處氣層的漫射透過(guò)率漫射透過(guò)率 5.5.2 長(zhǎng)波輻射在大氣中傳輸長(zhǎng)波輻射在大氣中傳輸,secabdLkLdz ,abdkdz

6、/dLL d 0()/0( ,)()LLe ,f2/200cos sinELd d de2)()(1000E10)(00,fde2)()()(0EE對(duì)比平行輻射透過(guò)率和漫射平行輻射透過(guò)率和漫射透過(guò)率表達(dá)示形式透過(guò)率表達(dá)示形式,若要把漫若要把漫射輻射當(dāng)作平行輻射處理，射輻射當(dāng)作平行輻射處理，應(yīng)當(dāng)將其光學(xué)厚度加大應(yīng)當(dāng)將其光學(xué)厚度加大1.66 倍。其原理是清楚的，因?yàn)楸丁Ｆ湓硎乔宄?，因?yàn)? 0 ) 是這一層大氣的垂直是這一層大氣的垂直光學(xué)厚度，垂直方向輻射的光學(xué)厚度，垂直方向輻射的光學(xué)路徑最短，而其它方向光學(xué)路徑最短，而其它方向的路徑都要加長(zhǎng)，其吸收當(dāng)?shù)穆窂蕉家娱L(zhǎng)，其吸收當(dāng)然也增加了。作為對(duì)各

7、個(gè)方然也增加了。作為對(duì)各個(gè)方向的積分，其最終效果是加向的積分，其最終效果是加大大 1.66 倍，因此也有人把倍，因此也有人把 稱(chēng)為稱(chēng)為漫射因子漫射因子 掌握掌握OLR(Outgoing Longwave Radiation )概念，概念，理解（理解（5.5.21) 式各項(xiàng)意義，結(jié)合（式各項(xiàng)意義，結(jié)合（5.5.8) 式。式。假定地面為黑體，溫度為假定地面為黑體，溫度為T(mén)g，則有邊條件：則有邊條件： = 0處，處，L ( 0)=B (Tg)。根據(jù)長(zhǎng)波輻射傳輸方程的通解根據(jù)長(zhǎng)波輻射傳輸方程的通解(5.5. 8),大氣頂大氣頂 處向外單色幅亮度為處向外單色幅亮度為假設(shè)大氣放射是假設(shè)大氣放射是各向同性各

8、向同性的，對(duì)的，對(duì)半球空間積分半球空間積分以后，可得到大氣上以后，可得到大氣上界的單色輻射通量密度界的單色輻射通量密度（5.5.18）5.5.3 大氣頂射出的長(zhǎng)波輻射大氣頂射出的長(zhǎng)波輻射00)(g000de)()(e), 0(TBTBL000gde)(e)(TBTB 2020ddsincos), 0()0(LE0001010gdde2)(de2)(TBTB其中第一項(xiàng)為來(lái)自地表的輻射，其中第一項(xiàng)為來(lái)自地表的輻射， 第二項(xiàng)為各層大氣的輻射和吸收。第二項(xiàng)為各層大氣的輻射和吸收。0f,0f,g0dd)(d)()()()0(TBTBE 1)(f,0f,g0)(d)()()(TBTB (5.5.21) 若

9、求地氣系統(tǒng)從大氣頂部向外射出的長(zhǎng)波輻射（OLR），則需對(duì)所有波長(zhǎng)積分， 0L,d)0(EE (5.5.22) 5.5.3 大氣頂射出的長(zhǎng)波輻射大氣頂射出的長(zhǎng)波輻射在推導(dǎo)前面的公式時(shí)請(qǐng)?zhí)貏e注意其物理意義:各高度上發(fā)射的長(zhǎng)波輻射量為該點(diǎn)溫度所對(duì)應(yīng)的黑體輻射量乘以其比輻射率（吸收率）。這一輻射在傳輸?shù)酱髿馍辖鐣r(shí)要受到它上部這層大氣的吸收衰減。大氣層頂部的出射輻射是地面和各層大氣輻射之和。地球大氣頂部總的長(zhǎng)波出射輻射（OLR）為各波長(zhǎng)出射輻射之和。掌握凈輻射、輻射差額概念掌握凈輻射、輻射差額概念 系統(tǒng)或物體收入輻射能與支出輻射能的差值系統(tǒng)或物體收入輻射能與支出輻射能的差值 輻射差額輻射差額=輻射收入輻

10、射收入-輻射支出輻射支出5.6 地氣系統(tǒng)輻射平衡地氣系統(tǒng)輻射平衡5.6 地氣系統(tǒng)輻射平衡地氣系統(tǒng)輻射平衡推導(dǎo)地推導(dǎo)地氣系統(tǒng)平衡時(shí)的有效溫度（氣系統(tǒng)平衡時(shí)的有效溫度（5.6.2），），說(shuō)明其與地球表面平均溫度相差說(shuō)明其與地球表面平均溫度相差33度的原因度的原因 接受太陽(yáng)輻射：接受太陽(yáng)輻射： 地氣系統(tǒng)發(fā)射：地氣系統(tǒng)發(fā)射： 在地在地氣系統(tǒng)達(dá)到輻射平衡時(shí)，有氣系統(tǒng)達(dá)到輻射平衡時(shí)，有 有效溫度有效溫度20(1)srR244erT255eTk40e41RST4e2204)1 (TrRrS5.6 地氣系統(tǒng)輻射平衡地氣系統(tǒng)輻射平衡掌握大氣保溫效應(yīng)、溫室效應(yīng)的概念，理解圖掌握大氣保溫效應(yīng)、溫室效應(yīng)的概念，理解圖

11、5.24和（和（5.6.3）式）式 大氣層讓短波輻射通過(guò)，但對(duì)長(zhǎng)波有吸收，使地面保持較高溫度。溫室效應(yīng)的輻射平衡模式（p109）440aLgL440saLg11414SRTATASRATAT0s4gL0sLs4aLL2142(1)42SRATASAARATAA 取AL = 0.8，As=0.2，R=0.3 代入（5.6.4）后，有 Tg = 278.6 K，Ta = 247.7 K。 可見(jiàn)，大氣層的存在使地面平衡溫度高于全球的有效溫度，而大氣層的平均溫度卻低于全球的有效溫度。 5.6 地氣系統(tǒng)輻射平衡地氣系統(tǒng)輻射平衡理解以下概念：地面短波（長(zhǎng)波）凈輻射通量理解以下概念：地面短波（長(zhǎng)波）凈輻射通

12、量密度（密度（5.6.12）（）（5.6.18）、大氣逆輻射、地面）、大氣逆輻射、地面有效輻射（有效輻射（5.6.19）大氣逆輻射大氣逆輻射 = 入射到地面的長(zhǎng)波輻射入射到地面的長(zhǎng)波輻射 由兩部分組成由兩部分組成 1：大氣本身的熱輻射：大氣本身的熱輻射 2：云的熱輻射：云的熱輻射 （許多經(jīng)驗(yàn)公式許多經(jīng)驗(yàn)公式: Brunt、Swinbank、趙文廣）趙文廣）(p111)*S,0S,0S,0*L,0L,0L,0EEEEEE*0S,0L,0EEE*S,0gS,01ERE(5.6.12)5.6 地氣系統(tǒng)輻射平衡地氣系統(tǒng)輻射平衡地面長(zhǎng)波輻射 = + 地面發(fā)射 地面反射 地面長(zhǎng)波凈輻射 = 一般情況， 定

13、義地面有效輻射 地球表面的輻射差額（凈輻射）就是地面所吸收的太陽(yáng)短波輻射和地面放出的有效輻射（長(zhǎng)波）之差。在白天無(wú)云條件下，E0*是正值，地面升溫；而在夜間，因無(wú)太陽(yáng)輻射，E0*是負(fù)值，則地面降溫。L,0E4ggT L,0(1)gE*L,0E4L,0()ggTEL,0EL,0E*0L,0EE 由以上討論得地面的凈輻射通量（包括短波和長(zhǎng)波）為 )(10L,4ggg0S,*0ETREE (5.6.20) 或 0g0S,*01EREE (5.6.21) 5.6 地氣系統(tǒng)輻射平衡地氣系統(tǒng)輻射平衡理解圖理解圖5.25（p113）內(nèi)陸和海洋比較內(nèi)陸和海洋比較（1）：洋面反射?。貉竺娣瓷湫?有效輻射小有效輻射小-輻射差額大輻射差額大（2）：內(nèi)陸溫度變化大）：內(nèi)陸溫度變化大-有效輻射變化大有效輻射變化大大氣變溫率的計(jì)算大氣變溫率的計(jì)算對(duì)于光學(xué)薄層對(duì)于光學(xué)薄層薄層輻射