AP長波輻射與輻射平衡

1、1第五章第五章地面和大氣中的輻射過程地面和大氣中的輻射過程5.5 地球地球大氣系統(tǒng)的長波輻射大氣系統(tǒng)的長波輻射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波、短波吸收率的不同特點比較地面長波、短波吸收率的不同特點 地面對于長波輻射的吸收率接近常數(shù)，可作為地面對于長波輻射的吸收率接近常數(shù)，可作為灰體，但對短波輻射的吸收率較低，且隨波長灰體，但對短波輻射的吸收率較低，且隨波長變化大。變化大。理解（理解（5.5.1)(5.5.2)式式 5.5.1 地面的長波輻射特性地面的長波輻射特性表表 5.12

2、 地地面面長長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 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Tg，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) 大氣的長波輻射性質(zhì)大氣的長波輻射性質(zhì)(分別與短波對比分別與短波對比)1: 太陽直接輻射太陽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: 大氣對長波輻射的散射削弱極小大氣對長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考慮。大氣的吸收和放射須同時考慮。長波輻射在大氣中傳輸是一種漫射輻射，是在無散射但有吸收，長波輻射在大氣中傳輸是一種漫射輻射，是在無散射但有吸收，放射的介質(zhì)中的傳輸。放射的介質(zhì)中的傳輸。5.5.2 長波輻射在大氣中傳輸長波輻射在大氣中傳輸5.5.2 長波輻射在大氣中傳輸長波輻射在大氣中傳輸理解并能寫出理解并能寫出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) 式中各項含義式中各項含義 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，可以從理論上計算大氣中輻射場的分布

5、。 000de)(),(e),()(0)(TBLL00de)(e),()()(0TBL0de)(), 0(e),(TBLL0) (de)(e), 0(TBL掌握漫射透過率、漫射因子的概念，理解（掌握漫射透過率、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率漫射透過率 5.5.2 長波輻射在大氣中傳輸長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對比平行輻射透過率和漫射平行輻射透過率和漫射透過率表達示形式透過率表達示形式,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，因為倍。其原理是清楚的，因為( 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，其吸收當(dāng)?shù)穆窂蕉家娱L，其吸收當(dāng)然也增加了。作為對各

7、個方然也增加了。作為對各個方向的積分，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 稱為稱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) 式各項意義，結(jié)合（式各項意義，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Tg，則有邊條件：則有邊條件： = 0處，處，L ( 0)=B (Tg)。根據(jù)長波輻射傳輸方程的通解根據(jù)長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，對的，對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 大氣頂射出的長波輻射大氣頂射出的長波輻射00)(g000de)()(e), 0(TBTBL000gde)(e)(TBTB 2020ddsincos), 0()0(LE0001010gdde2)(de2)(TBTB其中第一項為來自地表的輻射，其中第一項為來自地表的輻射， 第二項為各層大氣的輻射和吸收。第二項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波輻射（OLR），則需對所有波長積分， 0L,d)0(EE (5.5.22) 5.5.3 大氣頂射出的長波輻射大氣頂射出的長波輻射在推導(dǎo)前面的公式時請?zhí)貏e注意其物理意義:各高度上發(fā)射的長波輻射量為該點溫度所對應(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波出射輻射（OLR）為各波長出射輻射之和。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)平衡時的有效溫度（氣系統(tǒng)平衡時的有效溫度（5.6.2），），說明其與地球表面平均溫度相差說明其與地球表面平均溫度相差33度的原因度的原因 接受太陽輻射：接受太陽輻射： 地氣系統(tǒng)發(fā)射：地氣系統(tǒng)發(fā)射： 在地在地氣系統(tǒng)達到輻射平衡時，有氣系統(tǒng)達到輻射平衡時，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，但對長波有吸收，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，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（長波）凈輻射通量理解以下概念：地面短波（長波）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 = 入射到地面的長波輻射入射到地面的長波輻射 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)驗公式許多經(jīng)驗公式: 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)輻射平衡地面長波輻射 = + 地面發(fā)射 地面反射 地面長波凈輻射 = 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短波輻射和地面放出的有效輻射（長波）之差。在白天無云條件下，E0*是正值，地面升溫；而在夜間，因無太陽輻射，E0*是負值，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算大氣變溫率的計算對于光學(xué)薄層對于光學(xué)薄層薄層輻射