地面和大氣的輻射

1、2022-5-181第二節(jié)第二節(jié) 地面和大氣的輻射地面和大氣的輻射2022-5-182 太陽輻射雖然是地球上的主要能源，但因?yàn)榇髿獗咎栞椛潆m然是地球上的主要能源，但因?yàn)榇髿獗旧韺?duì)太陽輻射直接吸收很少，而水、陸、植被等地球表身對(duì)太陽輻射直接吸收很少，而水、陸、植被等地球表面面( (又稱下墊面又稱下墊面) )卻能大量吸收太陽輻射，并經(jīng)轉(zhuǎn)化供給卻能大量吸收太陽輻射，并經(jīng)轉(zhuǎn)化供給大氣，大氣，從這個(gè)意義來說從這個(gè)意義來說，下墊面是大氣的直接能源下墊面是大氣的直接能源。為。為此，在研究大氣的熱狀況時(shí)，必須了解地面和大氣之間此，在研究大氣的熱狀況時(shí)，必須了解地面和大氣之間交換熱量的方式及地交換熱量的方式及

2、地氣系統(tǒng)的輻射差額。氣系統(tǒng)的輻射差額。2022-5-183一、地面、大氣的輻射和地面有效輻射一、地面、大氣的輻射和地面有效輻射 地面輻射地面輻射：地面吸收太陽輻射后：地面吸收太陽輻射后( (45%反射掉反射掉) )轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎?，使地面增溫，然后日夜不停的向外放射輻射，熱能后，使地面增溫，然后日夜不停的向外放射輻射，這就是這就是地面輻射地面輻射。p 宇宙中的任何物質(zhì)，只要它的溫度高于絕對(duì)零度時(shí)宇宙中的任何物質(zhì)，只要它的溫度高于絕對(duì)零度時(shí)都能放射能量。都能放射能量。 大氣輻射大氣輻射：大氣對(duì)太陽輻射的吸收很少：大氣對(duì)太陽輻射的吸收很少( (24%) )但能強(qiáng)但能強(qiáng)烈的吸收地面的輻射，大氣主要

3、靠吸收地面輻射后升溫，烈的吸收地面的輻射，大氣主要靠吸收地面輻射后升溫，它也日夜不停的向外放出輻射，叫它也日夜不停的向外放出輻射，叫大氣輻射大氣輻射。1.1 地面輻射、大氣輻射地面輻射、大氣輻射2022-5-1841.2 地面和大氣輻射的表示地面和大氣輻射的表示 近似把地面和大氣的輻射看成近似把地面和大氣的輻射看成灰體輻射灰體輻射； 根據(jù)斯蒂芬根據(jù)斯蒂芬-波耳茲曼定律，輻射通量密度：波耳茲曼定律，輻射通量密度：式中，式中，Eg和和Ea分別表示地面和大氣的輻射通量密度；分別表示地面和大氣的輻射通量密度；Eb和和 Eb分別表示與地面和大氣同溫度的黑體輻射通量密度；分別表示與地面和大氣同溫度的黑體輻

4、射通量密度；和和分別為地面和大氣的相對(duì)輻射率，又稱比輻射率；分別為地面和大氣的相對(duì)輻射率，又稱比輻射率；Tg和和Ta分別為地面和大氣的溫度。分別為地面和大氣的溫度。4gbgEET4abaEET 2022-5-185 地面平均溫度約為地面平均溫度約為300K，對(duì)流層的大氣平均溫度約，對(duì)流層的大氣平均溫度約250K，故其熱輻射中，故其熱輻射中95以上的能量集中在以上的能量集中在3120m的波長(zhǎng)范圍內(nèi)。其輻射能最大段波長(zhǎng)在的波長(zhǎng)范圍內(nèi)。其輻射能最大段波長(zhǎng)在1015m范圍內(nèi)，范圍內(nèi)，因此，我們把因此，我們把地面和大氣的輻射稱為地面和大氣的輻射稱為長(zhǎng)波輻射長(zhǎng)波輻射。 地面、大氣輻射為地面、大氣輻射為長(zhǎng)波

5、輻射長(zhǎng)波輻射？2022-5-1862022-5-1871.3 地面和大氣長(zhǎng)波輻射的特點(diǎn)地面和大氣長(zhǎng)波輻射的特點(diǎn) 1.3.1 大氣對(duì)長(zhǎng)波輻射的吸收大氣對(duì)長(zhǎng)波輻射的吸收 大氣對(duì)長(zhǎng)波輻射的吸收非常強(qiáng)烈，吸收作用不僅與大氣對(duì)長(zhǎng)波輻射的吸收非常強(qiáng)烈，吸收作用不僅與吸收物質(zhì)及其分布有關(guān)，而且還與大氣溫度、壓強(qiáng)等有吸收物質(zhì)及其分布有關(guān)，而且還與大氣溫度、壓強(qiáng)等有關(guān)。大氣中水汽、液態(tài)水、二氧化碳和臭氧對(duì)長(zhǎng)波輻射關(guān)。大氣中水汽、液態(tài)水、二氧化碳和臭氧對(duì)長(zhǎng)波輻射的吸收起重要作用，他們對(duì)長(zhǎng)波輻射具有選擇性。的吸收起重要作用，他們對(duì)長(zhǎng)波輻射具有選擇性。( (大氣大氣窗口窗口) )大氣窗口：大氣窗口：812m處，處，位

6、于地面輻射波段最強(qiáng)處，位于地面輻射波段最強(qiáng)處，大氣的吸收率最小，透射率最大，這一波段能量透過大大氣的吸收率最小，透射率最大，這一波段能量透過大氣射向宇宙空間，將這一波段稱為氣射向宇宙空間，將這一波段稱為大氣窗口大氣窗口。2022-5-188CO2H2OO3CO2H2O大氣吸收譜與放射譜大氣吸收譜與放射譜2022-5-189大氣成分大氣成分吸收帶吸收帶液態(tài)水液態(tài)水水水 汽汽除大氣窗口外都能吸收，以除大氣窗口外都能吸收，以6m附近和附近和24m以上波段的吸收能力最強(qiáng)以上波段的吸收能力最強(qiáng)臭臭 氧氧9.6m二氧化碳二氧化碳4.3m；12.917.1m2022-5-1810 1.3.2 大氣中長(zhǎng)波輻射

7、的特點(diǎn)大氣中長(zhǎng)波輻射的特點(diǎn)( (長(zhǎng)短波傳輸區(qū)別長(zhǎng)短波傳輸區(qū)別) ) 第一第一，太陽輻射中的直接輻射是作為定向的平行輻射，太陽輻射中的直接輻射是作為定向的平行輻射進(jìn)入大氣的，而地面和大氣輻射是漫射輻射；進(jìn)入大氣的，而地面和大氣輻射是漫射輻射； 第二第二，太陽輻射過程中不考慮大氣短波輻射影響，因，太陽輻射過程中不考慮大氣短波輻射影響，因其極其微弱。長(zhǎng)波輻射在大氣中傳播時(shí)，不僅要考慮大其極其微弱。長(zhǎng)波輻射在大氣中傳播時(shí)，不僅要考慮大氣對(duì)長(zhǎng)波輻射的吸收，而且還要考慮大氣本身的長(zhǎng)波輻氣對(duì)長(zhǎng)波輻射的吸收，而且還要考慮大氣本身的長(zhǎng)波輻射；射； 第三第三，長(zhǎng)波輻射在大氣中傳播時(shí)，可以不考慮散射作，長(zhǎng)波輻射在大

8、氣中傳播時(shí)，可以不考慮散射作用。因?yàn)橛?。因?yàn)閞( (長(zhǎng)波輻射的波長(zhǎng)大于氣體分子和塵粒的長(zhǎng)波輻射的波長(zhǎng)大于氣體分子和塵粒的尺度，散射作用非常弱尺度，散射作用非常弱) )2022-5-1811項(xiàng)目項(xiàng)目長(zhǎng)波輻射長(zhǎng)波輻射太陽輻射太陽輻射輻射類型輻射類型漫射輻射漫射輻射平行輻射平行輻射大氣本身的長(zhǎng)波輻射大氣本身的長(zhǎng)波輻射考慮考慮不考慮不考慮散射作用散射作用不考慮不考慮考慮考慮2022-5-18121.4 大氣逆輻射和地面有效輻射大氣逆輻射和地面有效輻射 1.4.1 大氣逆輻射和大氣保溫效應(yīng)大氣逆輻射和大氣保溫效應(yīng) 大氣逆輻射：大氣逆輻射：大氣輻射中指向地面的那一部分稱大大氣輻射中指向地面的那一部分稱大氣

9、逆輻射。氣逆輻射。p 地面輻射是向上的；地面輻射是向上的；p大氣輻射既有向上的，也有向下的。大氣輻射既有向上的，也有向下的。 大氣的保溫效應(yīng)大氣的保溫效應(yīng)( (花房效應(yīng)花房效應(yīng)/ /溫室效應(yīng)溫室效應(yīng)):):由于大氣逆由于大氣逆輻射的存在，使地面實(shí)際損失的能量比它以長(zhǎng)波輻射輻射的存在，使地面實(shí)際損失的能量比它以長(zhǎng)波輻射的能量要少一些，這種作用稱為的能量要少一些，這種作用稱為大氣的保溫效應(yīng)大氣的保溫效應(yīng)。2022-5-1813大氣對(duì)地面的保溫作用大氣對(duì)地面的保溫作用大氣上界大氣上界地面地面地面增溫地面增溫地地面面輻輻射射射向宇宙空射向宇宙空 間間大大氣氣吸吸收收“太陽暖太陽暖大地大地” “大氣還大

10、氣還大地大地”“大地大地暖大氣暖大氣”大大氣氣輻輻射射射向地面射向地面太太陽陽輻輻射射大氣吸收大氣吸收地地面面吸吸收收2022-5-1814大氣溫室效應(yīng)和陽傘效應(yīng)：大氣溫室效應(yīng)和陽傘效應(yīng)： 溫室效應(yīng)：溫室效應(yīng)：大氣中各種微塵和二氧化碳成分的存大氣中各種微塵和二氧化碳成分的存在，猶如溫室覆蓋的玻璃一樣，阻擋了地面向外的輻在，猶如溫室覆蓋的玻璃一樣，阻擋了地面向外的輻射，增強(qiáng)大氣逆輻射，對(duì)地面有保溫和增溫作用，這射，增強(qiáng)大氣逆輻射，對(duì)地面有保溫和增溫作用，這種現(xiàn)象稱為種現(xiàn)象稱為大氣溫室效應(yīng)大氣溫室效應(yīng)。 陽傘效應(yīng)：陽傘效應(yīng)：大氣中微塵和二氧化碳的增加，猶如大氣中微塵和二氧化碳的增加，猶如在陽光下?lián)?/p>

11、了一把傘，減弱了到達(dá)地面的太陽輻射，在陽光下?lián)瘟艘话褌?，減弱了到達(dá)地面的太陽輻射，對(duì)地面有降溫作用，這種現(xiàn)象稱之為對(duì)地面有降溫作用，這種現(xiàn)象稱之為大氣陽傘效應(yīng)大氣陽傘效應(yīng)。2022-5-1815玻璃溫室玻璃溫室2022-5-1816 1.4.2 地面有效輻射地面有效輻射 定義：定義：地面放射的輻射地面放射的輻射( (Eg) )與地面吸收的大氣輻射與地面吸收的大氣輻射( (Ea) )之差稱為地面有效輻射，以之差稱為地面有效輻射，以F0表示。表示。 F0=EgEa F0在通常情況下為正，是地面通過長(zhǎng)波輻射在通常情況下為正，是地面通過長(zhǎng)波輻射失去失去熱量；熱量； F0為負(fù)時(shí)為負(fù)時(shí)( (逆溫、潮濕逆溫

12、、潮濕) )，是地面通過長(zhǎng)波輻射，是地面通過長(zhǎng)波輻射得到得到熱量。熱量。2022-5-1817 1.4.2 地面有效輻射地面有效輻射 影響因子：影響因子： 地面溫度：地面溫度： 空氣溫度：空氣溫度： 空氣濕度：空氣濕度： 云況：云況：2022-5-1818 1.4.2 地面有效輻射地面有效輻射 變化規(guī)律：變化規(guī)律： 日變化：日變化：中午前后達(dá)到最大值以后逐漸變小，到早中午前后達(dá)到最大值以后逐漸變小，到早晨達(dá)到最小。晨達(dá)到最小。 年變化：年變化：夏季大，冬季小，但由于水汽和云的影響，夏季大，冬季小，但由于水汽和云的影響，最大值不一定出現(xiàn)在盛夏。如：最大值不一定出現(xiàn)在盛夏。如：u 秦嶺、淮河以南秦

13、嶺、淮河以南秋季最大，春季最??；秋季最大，春季最??；u 華北、東北等地華北、東北等地春季最大，夏季最小。春季最大，夏季最小。2022-5-1819二、地面及地二、地面及地-氣系統(tǒng)的輻射差額氣系統(tǒng)的輻射差額 定義定義：?jiǎn)挝幻娣e地表面所吸收的總輻射和有效輻射之：?jiǎn)挝幻娣e地表面所吸收的總輻射和有效輻射之差，稱為差，稱為地面的輻射差額地面的輻射差額。 Rg表示地面吸收的輻射與放出的輻射之差，即，表示地面吸收的輻射與放出的輻射之差，即， 地面的輻射差額地面的輻射差額= =地面得到的輻射能地面得到的輻射能- -地面失去的輻射能地面失去的輻射能2.1 地面的輻射差額地面的輻射差額地面放射輻射地面放射輻射ga

14、gEEqQR)1)(0)1)(FqQRg2022-5-1820gagEEqQR)1)(0)1)(FqQRg式中：式中： Rg為地面輻射差額；為地面輻射差額；( (Q+q) )是到達(dá)地面的太陽總輻射，即太陽直接是到達(dá)地面的太陽總輻射，即太陽直接 輻射和輻射和散射輻射之和；散射輻射之和； a為地面對(duì)總輻射的反射率；為地面對(duì)總輻射的反射率；( (1-a) )即為地面的吸收率；即為地面的吸收率； F0為地面的有效輻射。為地面的有效輻射。2022-5-18210)1)(FqQRg Rg為正時(shí)地面有熱量積累，地面溫度將上升為正時(shí)地面有熱量積累，地面溫度將上升; Rg為負(fù)時(shí)地面有熱量虧損，地面溫度將下降為負(fù)

15、時(shí)地面有熱量虧損，地面溫度將下降; Rg為零時(shí)地溫沒有變化，處于輻射動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)為零時(shí)地溫沒有變化，處于輻射動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)2022-5-1822 地面輻射差額地面輻射差額時(shí)間分布：時(shí)間分布： 日變化：日變化：白天為正，夜間為負(fù)。由正值變?yōu)樨?fù)值是白天為正，夜間為負(fù)。由正值變?yōu)樨?fù)值是日落前日落前11.5小時(shí)，由負(fù)值變?yōu)檎禃r(shí)是日出后小時(shí)，由負(fù)值變?yōu)檎禃r(shí)是日出后1小小時(shí)。時(shí)。 年變化：年變化：夏季為正，冬季為負(fù)，低緯度地區(qū)輻射差夏季為正，冬季為負(fù)，低緯度地區(qū)輻射差額保持正值的月份越多，高緯度地區(qū)輻射差額保持正額保持正值的月份越多，高緯度地區(qū)輻射差額保持正值的月份越少。值的月份越少。 就整個(gè)地球表面平

16、均來講收入是大于支出的也就是就整個(gè)地球表面平均來講收入是大于支出的也就是說，地球表面通過輻射的交換來獲得熱量。說，地球表面通過輻射的交換來獲得熱量。2022-5-1823地面輻射差額各分量的日變化地面輻射差額各分量的日變化2022-5-1824上海上海7月份晴天輻射差額的日變化月份晴天輻射差額的日變化2022-5-1825輻射差額的年變化輻射差額的年變化贛州贛州- -北京北京- -敦煌敦煌2022-5-1826 地面輻射差額地面輻射差額空間分布：空間分布： 年總量海洋大于陸地；年總量海洋大于陸地；整個(gè)洋面和大陸，年總量為正；整個(gè)洋面和大陸，年總量為正； 極地附近，總量為負(fù)；極地附近，總量為負(fù)；

17、 南半球、海洋上更傾向帶狀分布；南半球、海洋上更傾向帶狀分布； 在低緯地區(qū)中，沙漠、干旱地區(qū)，季風(fēng)區(qū)為低值區(qū)。在低緯地區(qū)中，沙漠、干旱地區(qū)，季風(fēng)區(qū)為低值區(qū)。2022-5-1827年平均地表凈太陽輻射年平均地表凈太陽輻射2022-5-1828年平均地表凈長(zhǎng)波輻射年平均地表凈長(zhǎng)波輻射2022-5-1829年平均地表凈輻射（輻射差額）年平均地表凈輻射（輻射差額）2022-5-1830二、地面及地二、地面及地-氣系統(tǒng)的輻射差額氣系統(tǒng)的輻射差額 定義定義：大氣得到的輻射能與大氣失去的能量之差。：大氣得到的輻射能與大氣失去的能量之差。p 得：得：大氣直接吸收的太陽輻射大氣直接吸收的太陽輻射+地面輻射地面輻

18、射p 失：失：大氣逆輻射大氣逆輻射+大氣輻射到宇宙空間大氣輻射到宇宙空間得得失：失： 整個(gè)大氣層的輻射差額為負(fù)值，也就是說，大氣是通整個(gè)大氣層的輻射差額為負(fù)值，也就是說，大氣是通過輻射能量來失去熱量的。過輻射能量來失去熱量的。2.2 大氣的輻射差額大氣的輻射差額)(gaEq )( FEa)()(FEEqRagaaFFqRaa02022-5-1831大氣輻射差額隨緯度的分布大氣輻射差額隨緯度的分布2022-5-1832二、地面及地二、地面及地-氣系統(tǒng)的輻射差額氣系統(tǒng)的輻射差額 如果將地面和大氣看作是一個(gè)系統(tǒng)那么收入的輻射和如果將地面和大氣看作是一個(gè)系統(tǒng)那么收入的輻射和支出的輻射之差就是地支出的輻射之差就是地-氣系統(tǒng)的輻射差額。氣系統(tǒng)的輻射差額。 得：得：( (Q+q)()(1-) )地面吸收的太陽輻射能地面吸收的太陽輻射能 qa大氣吸收的太陽輻射大氣吸收的太陽輻射 失：失：F透過大氣層地面輻射和大氣輻射射向宇透過大氣層地面輻射和大氣輻射射向宇宙宙 輻射能凈收入：輻射能凈收入：Rs=( (Q+q)()(1-) )+qaF 2.3 地氣系統(tǒng)的輻射差額地氣系統(tǒng)的輻射差額2022-5-1833 就個(gè)別地區(qū)來說，地就個(gè)別地區(qū)來說，地-氣系統(tǒng)的輻射差額即可以為正也氣系統(tǒng)的輻射差額即可以為正也可以為負(fù)；可以為負(fù)； 就整個(gè)地氣系統(tǒng)來講，這種輻射差額的多年平均值因就