AP長波輻射與輻射平衡PPT課件

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)的輻射平衡第1頁/共22頁 接合前面內(nèi)容掌握吸收率、比輻射率概念 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)，可作為灰體，但對短波輻射的吸收率較低，且隨波長變化大。 理解（5.5.1)(5.5.2)式 5.5.1 地面的長波輻射特性表表 5.12 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

2、0.91 0.95 0.82 0.93 0.956 0.966 0.95 0.98 0.96 0.993 0.97 0.995 第2頁/共22頁 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射，則不能當作朗伯面處理。陸地表面可看作朗伯面；而平靜的水面因有反射，則不能當作朗伯面處理。 4ggTAF (5.5.1) 4ggTF (5.5.2) 第3頁/共22頁大氣的長波輻射性質(zhì)(分別與短波對比)1: 太陽直接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,一般只

3、考慮吸 收作用；3: 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，放射的介質(zhì)中的傳輸。5.5.2 長波輻射在大氣中傳輸?shù)?頁/共22頁5.5.2 長波輻射在大氣中傳輸 理解并能寫出Schwarzchild 方程（5.5.3) (5.5.4) (5.5.7)式，理解（5.5.8) 式中各項含義 吸收+放出 總變化（5.5.3） Z坐標下方程（5.5.4） 光學(xué)厚度坐標 方程（5.5.7） 解方程 結(jié)果（5.5.8）lkLlLkLLAdddab,ab,lTBkTBAd)()(ab,zTBLkLdsec)(dab,)(ddab,TBLkzL)(ddTBLL第5

4、頁/共22頁方程的解的形式為a)(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。 000de)(),(e),()(0)(TBLL00de)(e),()()(0TBL0de)(), 0(e),(TBLL0) (de)(e), 0(TBL第6頁/共22頁 掌握漫射透過率、漫射因子的概念，理解（5.5.12) 、（5.5.16) 式 只考慮氣層的吸收削弱 由地面到Za)得 利用（5.1.5） 可求出在在Z高度上的輻照度高度上的輻照度E ( ) 定義地面至地面至Z處氣層的處氣層的漫射透過率 5.5.2 長波輻射在大氣中傳輸,secabdL

5、kLdz ,abdkdz /dLL d 0()/0( ,)()LLe ,f2/200cos sinELd d de2)()(1000E10)(00, fde2)()()(0EE第7頁/共22頁 對比平行輻射透過率和漫射透過率表達示形式,若要把漫若要把漫射輻射當作平行輻射處理，射輻射當作平行輻射處理，應(yīng)當將其光學(xué)厚度加大應(yīng)當將其光學(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?shù)穆窂蕉家娱L，其吸收當然也增加了

6、。作為對各個方然也增加了。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 第8頁/共22頁掌握OLR(Outgoing Longwave Radiation )概念，理解（5.5.21) 式各項意義，結(jié)合（5.5.8) 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 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向同性的，對的，對半球空間積分半球空

7、間積分以后，可得到大以后，可得到大氣上界的單色輻射通量密度氣上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00)(g000de)()(e), 0(TBTBL000gde)(e)(TBTB 2020ddsincos), 0()0(LE0001010gdde2)(de2)(TBTB第9頁/共22頁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。0f,0f,g0dd)(d)()()()0(TBTBE 1)(f,0f,g0)(d)()()(TBTB (5.5.21) 若求地氣系統(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.

8、5.22) 第10頁/共22頁5.5.3 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。第11頁/共22頁 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 輻射差額=輻射收入-輻射支出5.6 地氣系統(tǒng)輻射平衡第12頁/共22頁5.6 地氣系統(tǒng)輻射平衡推導(dǎo)地氣系統(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3

9、3度的原因 接受太陽輻射： 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20(1)srR244erT255eTk40e41RST4e2204)1 (TrRrS第13頁/共22頁5.6 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5.24和（5.6.3）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第14頁/共22頁 取AL ，As，R=0.3 代入（）后，有 Tg

10、 = 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。 第15頁/共22頁5.6 地氣系統(tǒng)輻射平衡 理解以下概念：地面短波（長波）凈輻射通量密度（5.6.12）（5.6.18）、大氣逆輻射、地面有效輻射（5.6.19） 大氣逆輻射 = 入射到地面的長波輻射 由兩部分組成 1：大氣本身的熱輻射 2：云的熱輻射 （許多經(jīng)驗公式: Brunt、Swinbank、趙文廣）(p111)*S,0S,0S,0*L,0L,0L,0EEEEEE*0S,0L,0EEE*S,0gS,01ERE(5.6.12)第16頁/共22頁5

11、.6 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) 第17頁/共22頁5.6 地氣系統(tǒng)輻射平衡 理解圖5.25（p113）內(nèi)陸和海洋比較（1）：洋面反射小-有效輻射小-輻射差額大（2）：內(nèi)陸溫度變化大-有效輻射變化大第18頁/共22頁