氣象學(xué)第七章大氣輻射

氣象學(xué)第七章大氣輻射為什么？2/763/76地球作為飄浮在宇宙空間的一個(gè)物體，它只有通過輻射過程才能與其周圍環(huán)境交換能量并最終達(dá)到某種平衡。地球圍繞著太陽運(yùn)行，太陽輻射的能量是地球最重要的能源。因此需要研究太陽、地球及大氣中的輻射能交換，掌握輻射能量在大氣中傳輸和轉(zhuǎn)換的規(guī)律。4/76美國(guó)科幻影片《后天》研究氣候變化的科學(xué)家哈爾教授，他根據(jù)觀測(cè)和研究古氣候的規(guī)律，提出嚴(yán)重的溫室效應(yīng)將造成氣溫劇降，地球?qū)⒃俅芜M(jìn)入冰河世紀(jì)的假設(shè)。結(jié)果，這個(gè)預(yù)言變成了現(xiàn)實(shí).5/76美國(guó)科幻影片《后天》描述了“明天之后”的未來世界：北半球冰川融化，地球進(jìn)入第二冰河期，龍卷風(fēng)、海嘯在全球肆虐，整個(gè)紐約陷入冰河的包圍中。6/76這一切都起源于溫室效應(yīng)，全球變暖……大氣輻射與氣候變化緊密關(guān)聯(lián)…….7/76參考書目：1、大氣輻射導(dǎo)論.Kuo-NanLiou.周詩健等譯.氣象出版社，1985,2004.2、大氣物理學(xué).盛裴軒.毛節(jié)泰.北京大學(xué)出版社，2002.3、大氣輻射學(xué).劉長(zhǎng)盛，劉文保編著.南大出版社，1990.4、大氣輻射學(xué)基礎(chǔ).尹宏.氣象出版社，1993.8/86

輻射觀測(cè)目前全國(guó)98個(gè)站，分為基準(zhǔn)輻射站、一級(jí)站、二級(jí)站和三級(jí)站根據(jù)不同需求，開展太陽總輻射、散射輻射、太陽直接輻射、反射輻射和凈全輻射觀測(cè)等業(yè)務(wù)。9/86基準(zhǔn)輻射站地面反照率測(cè)量塔

輻射表

輻射表的架設(shè)

基準(zhǔn)輻射站，能夠長(zhǎng)期自動(dòng)監(jiān)測(cè)幾種能反映氣候變化特征的要素，作為我國(guó)的輻射測(cè)量基準(zhǔn)并用于其他太陽輻射資料的校準(zhǔn)學(xué)什么？10/7611/76主要內(nèi)容7.1輻射的基本概念

7.2輻射的物理規(guī)律

7.3地球大氣與輻射的相互作用

7.4太陽輻射在地球大氣中的傳輸

7.5地球–大氣系統(tǒng)的長(zhǎng)波輻射

7.6地面、大氣及地氣系統(tǒng)的輻射平衡12/767.1輻射的基本概念定義：自然界中的一切物體,只要溫度在絕對(duì)溫度零度以上,都以電磁波的形式時(shí)刻不停地向外傳送熱量,這種傳送能量的方式稱為輻射。物體通過輻射所放出的能量，稱為輻射能，簡(jiǎn)稱輻射。[一般把這種電磁波能量本身稱為輻射能（或簡(jiǎn)稱為輻射），而把這種能量傳播方式稱為輻射]。分類：按激發(fā)電磁波的方式分為：熱輻射、電致輻射、光致輻射、化學(xué)致輻射。13/76

電磁波描述：可以用頻率f、波長(zhǎng)、波數(shù)ν和波速c來描述，其間的關(guān)系為7.1.1電磁輻射

14/76不同波長(zhǎng)或頻率的電磁波有不同的物理特性，因此可以用波長(zhǎng)頻率來區(qū)分輻射，并給以不同的名稱，稱之為電磁波譜。在大氣科學(xué)中，波長(zhǎng)的單位常用μm(10-6m)，但在紫外和可見光波段也用nm(10-9m)。在紅外波段習(xí)慣上用波數(shù)表示，其單位常用cm-1，表示在1cm空間距離內(nèi)有幾個(gè)波動(dòng)。頻率f的單位則用赫茲(Hz)等，表示一秒鐘內(nèi)有幾次振動(dòng)。15/7616/76色彩

大腦對(duì)波長(zhǎng)介于350-750nm之間的電磁輻射的視覺效應(yīng)。光譜中光的波長(zhǎng)不同，大腦所反映的顏色就不同。7.1.1電磁輻射

17/767.1.1電磁輻射

電磁波長(zhǎng)范圍：10-16μm(1μm=10-6m)~1012μm

γ射線、X射線、紫外線、可見光、紅外線，無線電波。大氣科學(xué)關(guān)注波段：太陽、地球和大氣輻射波段：0.1μm----120μm,短波輻射：太陽輻射波長(zhǎng)主要為0.15-4微米，其中最大輻射波長(zhǎng)平均為0.5微米；長(zhǎng)波輻射：地面和大氣輻射波長(zhǎng)主要為3-120微米，其中最大輻射波長(zhǎng)平均為10微米。18/76電磁波譜

19/76肉眼看得見的是電磁波中很短的一段:

可見光波段(

μm)集中太陽輻射的主要能量，不但對(duì)地球大氣輻射收支有著重要影響，而且還提供人眼不同的色彩。可見光經(jīng)三棱鏡分光后，成為一條由紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫七種顏色組成的光帶，這光帶稱為光譜。20/767.1.2描述輻射場(chǎng)的物理量

大氣中的許多參量都是以場(chǎng)的形式出現(xiàn)的，如溫度場(chǎng)、氣壓場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)等。其中溫度場(chǎng)、氣壓場(chǎng)是標(biāo)量場(chǎng)，風(fēng)場(chǎng)是矢量場(chǎng)，它們都是空間和時(shí)間（x,y,z,t）的函數(shù)。輻射場(chǎng)則是比上述參量更復(fù)雜的場(chǎng)。21/761.輻射通量(radiantflux)

指單位時(shí)間能通過某一平面（或虛擬平面）的輻射能，也稱輻射功率，單位為J/s或W。輻射通量也可指單位時(shí)間內(nèi)某個(gè)表面發(fā)射或接收的輻射能。以表示輻射通量。輻射能Q：?jiǎn)挝粸榻苟↗）22/762.輻亮度（Radiance）引言當(dāng)我們白晝站在戶外，抬頭遠(yuǎn)望天空各個(gè)方向時(shí)，都可以看到有光亮，而且也可感覺到不同方向的光亮程度是不相同的。在靠近太陽的地方，天空要亮一些，而在其反面，天空要暗些。

在大氣輻射中把這一亮度稱為輻亮度L，是反映輻射場(chǎng)特性最重要的物理量。23/76表達(dá)式：現(xiàn)以q表示天頂角，

表示方位。由上面的討論可知，天空輻亮度至少應(yīng)是觀測(cè)位置（x,y,z）、觀測(cè)時(shí)間t和觀測(cè)方向（q,

）的函數(shù)。若再考慮到不同顏色的光應(yīng)有不同的亮度，則應(yīng)有h-太陽高度角-太陽天頂角-方位角24/76立體角定義類似于平面角。一個(gè)錐體（圓錐、棱錐）其頂角就是一個(gè)立體角。定義：以錐體頂點(diǎn)為球心，以任意長(zhǎng)r為半徑做一球面，球面與錐面交線在球面上所圍部分面積為A(或稱錐面在球面上所截取部分面積為A），則立體角定義為，單位為球面度，記作sr(sphericalradian)25/76物理意義：在輻射傳輸方向上的單位立體角內(nèi)，通過垂直于該方向的單位面積的，單位波長(zhǎng)間隔的輻射功率。此處L的單位為Wm-2sr-1μm-1

。26/76·odAnFA此定義針對(duì)傳遞非平行輻射的曲面。27/76

特點(diǎn)：一般來說，這個(gè)量表示了輻射場(chǎng)內(nèi)任一點(diǎn)在任一方向上、任一波長(zhǎng)處輻射的強(qiáng)弱程度。假如L與觀測(cè)位置（x,y,z）無關(guān)，則輻射場(chǎng)是均勻的；假如L與觀測(cè)方向（q,

）無關(guān)，則輻射場(chǎng)在該點(diǎn)是各向同性的；假如L與時(shí)間t無關(guān)，則輻射場(chǎng)就是定常的。

28/76定義

輻射場(chǎng)內(nèi)任一點(diǎn)處通過單位面積的輻射功率，也稱為輻照度（Irradiance），以E表示?？烧J(rèn)為通過一空間平面的輻射通量密度是從各個(gè)方向射來的輻亮度在法線方向分量的累加，即注：這里q為輻亮度方向與平面法線之間的交角。

3.輻射通量密度29/76計(jì)算水平面上的輻射通量密度時(shí)，分別對(duì)上半球和下半球射入輻射的垂直分量進(jìn)行積分。球坐標(biāo)中的立體角為dΩ=sinqdqd。其中q角的取法是（不同文獻(xiàn)的規(guī)定可能不同）：規(guī)定水平面的法線方向是自下向上，q角從法線方向開始順時(shí)針從0增大到180。因此，向上輻射的q為0到90，向下輻射的q為90到180。有

30/76凈輻照度其中E為自下向上的輻射通量密度，E

為自上向下的輻射通量密度，這二個(gè)輻射通量密度之差稱為凈輻射通量密度或凈輻照度，寫為凈輻射通量密度的單位為Wm-2mm-1。其值的正和負(fù)，分別代表了從上往下的凈輻射通量密度和從下往上的凈輻射通量密度。31/76凈輻射通量密度在討論大氣輻射平衡時(shí)有重要的應(yīng)用。例如討論一薄層空氣，它的上邊界有一個(gè)向下的凈輻射通量密度，而其下邊界有一個(gè)向上的凈輻射通量密度。那么對(duì)這氣層而言，輻射能的收支是正的，氣層溫度將升高；反之，氣層將降溫。32/764.輻射源往外發(fā)射輻射的物體稱為輻射源。最簡(jiǎn)單的輻射源是點(diǎn)源。假設(shè)源向四周發(fā)射是均勻的，發(fā)射輻射的功率為W

，則在以點(diǎn)源為中心、半徑為r的球表面上的輻照度為33/76這里輻射傳輸?shù)姆较蚨荚诎霃椒较颉？梢?，點(diǎn)源的輻照度隨距離的變化服從反平方規(guī)律。在離點(diǎn)輻射源距離相當(dāng)大并且在討論相對(duì)比較小范圍中的問題時(shí)，可以把由點(diǎn)源發(fā)出的輻射當(dāng)作平行輻射或平行光來處理。在大氣輻射中，我們常把來自太陽的直接輻射看作平行光。

34/76對(duì)于平行輻射,若需計(jì)算地面接收到的太陽輻射，設(shè)太陽的天頂角為θ，則該地水平面上接收的太陽積分（所有波長(zhǎng)）輻照度為35/76面輻射源：面輻射源的特點(diǎn)是它可以向2π立體角中發(fā)射輻射能。對(duì)面輻射源首先關(guān)心的是其輻出度，即通過單位面積在面源的法線方向射出的能量大?。ㄝ椛涑錾涠龋┗蜉椛渎?。以F表示，其單位是Wm2。對(duì)于某一波長(zhǎng)，可寫成，并且有

稱為譜（或單色、分光）輻出度，單位是Wm2mm1。36/76一般來說，輻射面源射向各個(gè)方向的輻亮度是不同的，具有方向性。若輻亮度不隨方向

變化，這類輻射體就稱為朗伯體（朗伯面）。朗伯體是向所有方向以同一輻亮度發(fā)射輻射的物體。在大氣輻射研究中，朗伯體是一個(gè)重要的概念，我們常常把太陽、陸地表面看作朗伯面；而平靜的水面因有反射，則不能當(dāng)作朗伯面處理。37/767.2輻射的物理規(guī)律38/767.2輻射的物理規(guī)律吸收率、反射率和透射率設(shè)投射到物體的輻射能為Q0，被吸收的部分為Qa、被反射的部分為Qr、被透射的部分為Qt。從能量守恒考慮應(yīng)有Q0QrQaQt39/76定義：

當(dāng)物體不透明時(shí)，

=0，則有A+R=1，這時(shí)反射率大的物體吸收率一定小。吸收率反射率透射率40/76吸收率、反射率、透射率的概念可用于各種波長(zhǎng)的條件。對(duì)于單色(或分光)輻射的場(chǎng)合，稱為單色(或分光、譜)吸收率、反射率和透射率。分別記為Al,Rl

,l

。而對(duì)于某一個(gè)波段，也有相應(yīng)的該波段的吸收率、反射率和透射率。各種物體對(duì)不同波長(zhǎng)的輻射具有不同的吸收率與放射率，構(gòu)成了該物體的吸收光譜或輻射光譜。41/76如果某一物體對(duì)任何波長(zhǎng)的輻射都能全部吸收，即A=1，則稱該物體為絕對(duì)黑體，相應(yīng)的必有R=0,

=0。如果物體僅對(duì)某一波長(zhǎng)全部吸收，即Al

=1，則稱該物體對(duì)這一波長(zhǎng)為黑體。絕對(duì)黑體在自然界是不存在的。1.黑體42/76注意:這里所討論的黑體與一般所謂黑色物體是有區(qū)別的，黑色物體只表明它對(duì)可見光的反射性質(zhì)。我們不能根據(jù)物體的顏色來判斷它對(duì)其它波段的吸收能力，例如潔白的雪面對(duì)遠(yuǎn)紅外波段而言，遠(yuǎn)比一般物體更接近于黑體。43/762.灰體如果物體的吸收率A

不隨波長(zhǎng)而變,但A<1，則稱該物體為灰體。例如地面對(duì)于長(zhǎng)波輻射的吸收率近于常數(shù)，故可認(rèn)為地面為灰體，而且吸收率A

極近于1。

44/76平衡輻射的基本規(guī)律

輻射平衡：自然界的任何物體都通過輻射過程交換著能量。當(dāng)物體放射出的輻射能恰好等于吸收的輻射能時(shí)，該物體處于輻射平衡。這時(shí)物體處于熱平衡態(tài)，可以用態(tài)函數(shù)—溫度來描述。一般認(rèn)為地面至60公里以下的大氣處于局地輻射平衡狀態(tài)，因此可用平衡輻射的規(guī)律來解決平流層以下的大氣輻射學(xué)問題。45/76平衡輻射的基本規(guī)律：

物體處于熱動(dòng)平衡狀態(tài)下發(fā)射和吸收輻射的物理規(guī)律，即

1.基爾霍夫定律

2.普朗克定律

3.斯蒂芬

–波爾茲曼定律

4.維恩定律46/76一.基爾霍夫（Kirchhoff）定律

基爾霍夫在1859年論證出在熱平衡條件下，任何物體的輻射率Fλ,T（輻出度）和它的吸收率Aλ,T之比值是一個(gè)普適函數(shù)。該普適函數(shù)只是溫度和波長(zhǎng)的函數(shù)，而與物體的性質(zhì)無關(guān)。47/76其公式為：

為物體在溫度T下對(duì)波長(zhǎng)為λ的輻射能的單色吸收率

為溫度為T的物體所發(fā)射的波長(zhǎng)為λ的單色輻出度是與物體的性質(zhì)無關(guān)的普適函數(shù)48/76如果有幾種物體，在同一溫度，對(duì)同一波長(zhǎng)的吸收率分別為A1λ,T，A2λ,T，A3

λ,T，A4λ,T，A5λ,T，輻出度分別為F1λ,T

，F(xiàn)2λ,T，F(xiàn)3λ,T，F(xiàn)4

λ,T

，F(xiàn)5

λ,T，則有當(dāng)某一物體對(duì)該波長(zhǎng)為黑體(Aλ,T=1)時(shí)，其輻出度就等于f(λ,T)?，F(xiàn)以FB(λ,T)表示黑體的輻出度，則有FB(λ,T)=f(λ,T)

。49/76通常定義物體的放射能力和黑體的輻射能力之比為比輻射率則基爾霍夫定律也可以表達(dá)為50/76FB

(l,T)=f（l,T

）（1）（2）λ,T=Fl,T

/FB

(l,T)（3）推導(dǎo)過程Aλ,T

吸收率；Fλ,T

輻射率/輻出度;FB

(λ,T)黑體輻出度;λ,T比輻射率51/761、引申結(jié)論1）不同物體在同溫下，對(duì)同一波長(zhǎng)的輻射，輻射能力強(qiáng)的物體，吸收能力也強(qiáng)；2）某物體在某溫度下，若放射某波長(zhǎng)的輻射，則該物體一定吸收該波長(zhǎng)的輻射；若不吸收某波長(zhǎng)的輻射，則該物體一定也不放射這個(gè)波長(zhǎng)的輻射。52/762、意義1）它把物體的放射能力與吸收能力聯(lián)系起來只要知道了某種物體的吸收率，也就知道了它的比輻射率2）它把各種物體的放射、吸收與黑體的輻射能力聯(lián)系起來。有了這種聯(lián)系以后，我們就可以根據(jù)對(duì)黑體輻射的研究結(jié)果來了解一般物體的輻射規(guī)律，而對(duì)于絕對(duì)黑體的研究，無論從實(shí)驗(yàn)上或理論上都是比較簡(jiǎn)單的。53/763、適用范圍處于輻射平衡的任何物體

對(duì)流層和平流層中的大氣，地球表面都可看作處于輻射平衡狀態(tài)，因而可以直接應(yīng)用這一定律。輻射平衡：當(dāng)物體放射出的輻射能恰好等于吸收的輻射能時(shí)，稱該物體處于輻射平衡。54/76MaxKarlErnstLudwigPlanck（1858-1947）德國(guó)物理學(xué)家，量子力學(xué)的開創(chuàng)人二、普朗克（Planck）定律1900年M.

Planck依據(jù)量子理論導(dǎo)出了黑體輻射關(guān)于溫度T和波長(zhǎng)λ的函數(shù)關(guān)系式55/76公式：

絕對(duì)黑體的輻射光譜對(duì)于研究一切物體的輻射規(guī)律具有根本的意義。普朗克定律關(guān)系式為：

FB(λ,T)是絕對(duì)黑體的分光輻出度，單位為

Wm–2μm–1

。第一輻射常數(shù)Wμm4m2第二輻射常數(shù)μmK其中c為光速，h為普朗克常數(shù)，k

為波爾茲曼常數(shù)。

56/76說明絕對(duì)黑體的分光輻出度只是向各個(gè)方向射出能量在表面法線方向分量的總和，是通量。由于絕對(duì)黑體是朗伯體，服從朗伯定律的，因此黑體的分光輻亮度（Wm2μm1sr1）為

B(,T)稱為普朗克函數(shù)，也常寫為B(T)。57/76朗伯體若輻亮度不隨方向

變化，這類輻射體就稱為朗伯體（朗伯面）。朗伯體是向所有方向以同一輻亮度發(fā)射輻射的物體。在大氣輻射研究中，朗伯體是一個(gè)重要的概念，我們常常把太陽、陸地表面看作朗伯面。58/76由普朗克定律可以得出各種溫度下絕對(duì)黑體的輻射光譜曲線59/76下表列出了與上圖對(duì)應(yīng)的不同溫度時(shí)黑體輻射光譜的峰值波長(zhǎng)、相應(yīng)的輻亮度B(λ,T)、黑體總的輻射能力FT以及輻亮度下降到峰值的一半時(shí)的左右二個(gè)波長(zhǎng)。1）理論上，任何溫度的絕對(duì)黑體都放射波長(zhǎng)0~∞mm的輻射，但溫度不同，輻射能量集中的波段也就不同。顯然，隨著溫度的下降，輻射能量集中的波段向長(zhǎng)波方向移動(dòng)。

2）當(dāng)溫度升高時(shí)，各波段放射的能量均加大，積分輻射能力FT也隨著迅速加大，且能量集中的波段向短波方向移動(dòng)。例如當(dāng)加熱一塊鐵時(shí)，隨著溫度的升高，鐵塊向外輻射的能量增加，而且顏色由暗紅變紅，再變黃直至發(fā)出耀眼的白光。

3）每一溫度下，都有輻射最強(qiáng)的波長(zhǎng)λmax，即光譜曲線有一極大值，而且隨溫度升高，λmax變小。

61/76

1879年斯蒂芬由實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，1884年波爾茲曼由熱力學(xué)理論得出：絕對(duì)黑體的積分輻出度與其溫度的4次方成正比，即σ稱為斯蒂芬

–波爾茲曼常數(shù)有效溫度（等效黑體溫度）Te:把實(shí)際物體的FT代入上面公式所求出的溫度稱為此物體的有效溫度。三.斯蒂芬–玻爾茲曼(Stefen–Boltzmann)定律62/76

維恩維恩是一位理論、實(shí)驗(yàn)都有很高造詣的物理學(xué)家。

勞厄的評(píng)價(jià)：“他的不朽的業(yè)績(jī)?cè)谟谝龑?dǎo)我們走到量子物理學(xué)的大門口”。四、Wien位移定律（1864-1928）德國(guó)物理學(xué)家1911年因發(fā)現(xiàn)了熱輻射定律獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。63/761893年維恩從熱力學(xué)理論推導(dǎo)出黑體輻射光譜極大值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)lmax和溫度T的乘積為一常數(shù)

由此可知，若黑體溫度越高，則lmax愈小，故稱維恩位移定律。若我們知道一絕對(duì)黑體的溫度，就可由此求出它輻射最強(qiáng)的波長(zhǎng)。反之，由輻射最強(qiáng)的波長(zhǎng)也可以確定絕對(duì)黑體的溫度，這是用光譜方法測(cè)定物體溫度的基礎(chǔ)。由維恩位移定律求出的溫度稱為顏色溫度或簡(jiǎn)稱色溫。

維恩（Wien）定律64/76維恩位移定律實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)絕對(duì)黑體的溫度升高時(shí)，單色輻出度最大值m

向短波方向移動(dòng)。1700k1500k1300kF(λ,T)65/76小結(jié)有了上述有關(guān)輻射的定律，黑體輻射的規(guī)律就全部確定了。這些定律把黑體的溫度與輻射光譜聯(lián)系了起來。對(duì)于非黑體，只要知道了它的溫度與吸收率，通過基爾霍夫定律，其輻射光譜也就確定了。在研究大氣輻射過程時(shí)，首先要確定地球和大氣的吸收率。

66/76在宇宙蕓蕓眾星之中，太陽是極其普通的恒星，目前處于星體演化的中年階段。7.2.3太陽輻射和地球輻射的區(qū)別67/7668/76美探測(cè)器拍攝到的太陽風(fēng)暴爆發(fā)照片69/76太陽源源不斷地以電磁波的形式向宇宙空間放射能量，稱為太陽輻射。它是地球上最主要的能量源泉7.2.3太陽輻射和地球輻射的區(qū)別

太陽輻射的概念70/76除太陽外，地球還可從其它天體，如月球等取得能量，但其數(shù)量是微不足道的。地球從月球等其它天體所得的輻射能，僅為太陽的億分之一。而來自宇宙的輻射能也僅為太陽輻射能的20億分之一；從地球內(nèi)部傳到每平方厘米地面上的熱量，全年才為5.4卡，僅為來自太陽輻射能的萬分之一。太陽是地球和大氣能量的源泉。71/76太陽是個(gè)大火球，太陽輻射波長(zhǎng)：太陽輻射的主要波長(zhǎng)范圍是0.15--4微米，包括紅外線（大于0.76微米）、紫外線（小于0.4微米）和可見光（微米）三部分?！?/p>

72/76太陽輻射能主要集中在可見光區(qū)和紅外區(qū)，前者占太陽輻射總量的50％，后者占43％。紫外區(qū)只占能量的7％。因此太陽輻射又稱為短波輻射。73/76

表征到達(dá)大氣頂(大氣層上界)的總太陽能量(即包含整個(gè)太陽光譜)值。2.太陽常數(shù)(solarconstant)定義：在日地平均距離(1.5×108km：一天文單位）處，與太陽光束方向垂直的單位面積上，單位時(shí)間內(nèi)所接受到的太陽總輻射能，單位為W/m2。74/76

太陽輻射通過星際空間到達(dá)地球，但由于地球以橢圓形軌道繞太陽運(yùn)行，因此太陽與地球之間的距離不是一個(gè)常數(shù)，而且一年里每天的日地距離也不一樣。眾所周知，某一點(diǎn)的輻射強(qiáng)度與距輻射源的距離的平方成反比，這意味著地球大氣上方的太陽輻射強(qiáng)度會(huì)隨日地間距離不同而異。然而，由于日地間距離太大（d0=1.5×108km），所以地球大氣層外的太陽輻射強(qiáng)度幾乎是一個(gè)常數(shù)。因此人們就采用“太陽常數(shù)”來描述地球大氣層上方的太陽輻射強(qiáng)度。75/76

測(cè)定：

1881年，第一次試圖直接測(cè)定太陽常數(shù)的是法國(guó)物理學(xué)家ClaudePouillet(1790-1868)和英國(guó)天文學(xué)家JohnHerschel(1792-1871)。兩人分別獨(dú)立地設(shè)計(jì)了不同的測(cè)定裝置。但原理都一樣：利用已知質(zhì)量的水在太陽光下放置一定時(shí)間，用溫度計(jì)測(cè)量升溫過程，水的比熱已知，則可以計(jì)算得出光照強(qiáng)度。(附圖為Pouillet日溫計(jì))。他們推定的值是現(xiàn)在所用值1367(±4)w/m2的一半左右，這是因?yàn)樗麄兌紱]有考慮地球大氣對(duì)光的吸收。

76/761875年，法國(guó)物理學(xué)家JulesViolle(JulesLouisGabrielViolle)以在位于法國(guó)和瑞士交界的阿爾卑斯山MontBlanc第一個(gè)開展高海拔區(qū)測(cè)定太陽常數(shù)而聞名.1902-1957,斯密森研究所的科學(xué)家C.G.Abbot(CharlesGreeleyAbbot)等人在根據(jù)多年高海拔地區(qū)觀測(cè)結(jié)果，基于地基法確定的數(shù)值為1322-1465W/m2。近年來通過各種先進(jìn)手段,基于地基法測(cè)得的太陽常數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值為1353W/m2。

1976年，美國(guó)宇航局根據(jù)高空平臺(tái)的觀測(cè)結(jié)果,發(fā)布的太陽常數(shù)值為1353(±21)W/m2(TheKaekara,1976);77/76?根據(jù)1978-1998年6顆衛(wèi)星上的觀測(cè)平臺(tái)近20年連續(xù)不斷的觀測(cè)結(jié)果，得出的太陽常數(shù)值為1366.1W/m2,標(biāo)準(zhǔn)差為425ppm,0.37%的波動(dòng)范圍(1363-1368W/m2)(LeanandRind,1998)。20年衛(wèi)星數(shù)據(jù)也揭示了太陽常數(shù)也存在不同時(shí)間尺度的波動(dòng)。?1957年國(guó)際地球物理年決定采用1380W/m2?世界氣象組織(WMO)1981年公布的太陽常數(shù)值是

1367±7W/m2?多數(shù)文獻(xiàn)上采用1367W/m2?太陽常數(shù)也有周期性的變化，變化范圍在1％~2％，這可能與太陽黑子的活動(dòng)周期有關(guān)。78/767.2.3太陽輻射和地球輻射的區(qū)別

在大氣物理學(xué)中，常稱太陽輻射為短波輻射，以可見光與近紅外為主；地球和大氣輻射為長(zhǎng)波輻射，以紅外波段為主；短波和長(zhǎng)波輻射基本上以4mm為分界。79/76

太陽輻射通過大氣時(shí)，分別受到大氣中的水汽、二氧化碳、微塵、氧和臭氧以及云滴、霧、冰晶、空氣分子的吸收、散射、反射等作用，而使投射到大氣上界的太陽輻射不能完全到達(dá)地面。80/7681/76（1）大氣對(duì)太陽輻射的削弱作用

①吸收：臭氧吸收波長(zhǎng)較短的太陽紫外線；水汽、二氧化碳吸收波長(zhǎng)較長(zhǎng)的太陽紅外線

②反射：云層和塵埃對(duì)太陽輻射進(jìn)行反射。云層愈厚，云量愈多時(shí)，反射作用愈強(qiáng)

③散射：以空氣中的分子、塵埃、云滴等質(zhì)點(diǎn)為中心向四面八方散射開來。散射改變了太陽輻射的方向，使一部分太陽輻射不能到達(dá)地面。82/762）大氣對(duì)地面的保溫作用

①大氣吸收太陽短波輻射能力很差，使大部分太陽輻射能透過大氣射到地面。

②大氣吸收地面長(zhǎng)波輻射的能力很強(qiáng)，從而能把地面放出的熱量保存在大氣中。

③大氣輻射除一部分射向宇宙空間外，大部分向下射回地面，稱為大氣逆輻射，這在一定程度上補(bǔ)償了地面輻射損失的熱量。地球大氣與輻射的相互作用83/86回顧基本概念:太陽常數(shù)、…輻射定律:基爾霍夫、…84/867.3地球大氣與輻射的相互作用大氣對(duì)輻射吸收的物理過程大氣吸收光譜大氣對(duì)輻射的散射輻射能在介質(zhì)中的傳輸85/86一、大氣對(duì)輻射吸收的物理過程吸收：投射到介質(zhì)上面的輻射能中的一部分被轉(zhuǎn)變?yōu)槲镔|(zhì)本身的內(nèi)能或其它形式的能量大氣中各種氣體成分具有選擇吸收的特性，這是由組成大氣的分子和原子結(jié)構(gòu)及其所處運(yùn)動(dòng)狀態(tài)決定的。重點(diǎn)：吸收光譜、散射特征、布格定律相關(guān)物理量86/86二、大氣吸收光譜水汽、氧、臭氧、二氧化碳、固體雜質(zhì)等

吸收太陽地球87/86

O3強(qiáng)吸收在的紫外區(qū)：

O3層吸收太陽輻射的2%—平流層溫度高的原因O3紅外區(qū)：4.7m、9.6m、14.1m較強(qiáng)吸收帶

吸收O2主要在小于0.25m的紫外區(qū)：因小于0.25m的太陽輻射能量不到0.2%，而且O2在可見光波段0.69和0.76微米的兩吸收帶較弱，所以對(duì)太陽輻射的削弱不大。88/86H2O主要集中在大氣下層，吸收作用主要在對(duì)流層，特別是對(duì)流層下層。水汽雖然在可見光區(qū)和紅外區(qū)都有不少吸收帶，但吸收最強(qiáng)的是在紅外區(qū)。最強(qiáng)的太陽輻射能主要集中在可見光部分，因此水汽從總的太陽輻射能里所吸收的能量是不多的。據(jù)估計(jì)，太陽輻射因水汽的吸收可以減弱4-15％。所以大氣因直接吸收太陽輻射能而引起的增溫并不顯著。

吸收89/86CO2大于2m的紅外區(qū)：較強(qiáng)中心：2.7m、4.3m、15m對(duì)于大氣長(zhǎng)波,15m最重要

吸收90/86

懸浮在大氣中的水滴、塵埃等雜質(zhì)，也能吸收一部分太陽輻射，但其量甚微。只有當(dāng)大氣中塵埃等雜質(zhì)很多(如有沙暴、煙幕或浮塵)時(shí)，吸收才比較顯著。

吸收91/86大氣透明窗或大氣光譜窗

8-12m大氣的吸收很弱稱為大氣的透明窗。這一區(qū)域中只有9.6um附近臭氧有一個(gè)較強(qiáng)的吸收帶，因?yàn)槌粞踔饕煞址植荚诟呖?，因此這一吸收帶對(duì)高空的增溫有很大的作用，大氣窗區(qū)對(duì)地氣系統(tǒng)的輻射平衡有十分重要的意義。地表的溫度約300K，與這個(gè)溫度相對(duì)應(yīng)的黑體輻射能量主要集中在10m這一范圍，通過窗區(qū)，地面發(fā)出的長(zhǎng)波輻射可順利地被發(fā)送到宇宙空間。92/86風(fēng)云二C5個(gè)通道93/86氣象衛(wèi)星在這個(gè)波段主要接收來自地面和云面對(duì)太陽輻射的反射輻射只能在白天獲得云和氣溶膠的分布94/86高云的溫度很低，高云比低云顯得亮。95/86紅外波段接收來自地面和云面發(fā)射的長(zhǎng)波紅外輻射96/8697/8698/86總結(jié)大氣對(duì)太陽輻射的吸收是具有明顯的選擇性；吸收太陽輻射的氣體主要是H2O，其次是O2、O3，CO2吸收的不多，吸收長(zhǎng)波輻射的主要是H2O，其次是CO2和O3；對(duì)于波長(zhǎng)小于0.29μm的太陽輻射，吸收率接近1；對(duì)可見光區(qū)，大氣吸收很少，只有不強(qiáng)的吸收帶；在紅外區(qū)有許多很強(qiáng)的吸收帶。

吸收99/86由于大氣主要吸收物質(zhì)(臭氧和水汽)對(duì)太陽輻射的吸收帶都位于太陽輻射光譜兩端能量較小的區(qū)域，因而吸收對(duì)太陽輻射的減弱作用不大。大氣直接吸收的太陽輻射并不多，特別是對(duì)于對(duì)流層大氣來說。所以，太陽輻射不是大氣主要的直接熱源。

吸收總結(jié)100/86問題

晴朗的天空為什么是蔚藍(lán)色？旭日為什么是紅色的？101/86

散射三、大氣對(duì)太陽輻射的散射散射的定義散射是指微粒把入射到其上的輻射重新向各方向輻射出去的一種現(xiàn)象。大氣中起散射作用的微粒在10-8cm—100cm范圍內(nèi)，如空氣分子、塵埃、云滴、雨滴、雪花、冰雹等。102/86散射分類x引進(jìn)無量綱尺度參數(shù)，對(duì)散射進(jìn)行劃分。式中r為散射微粒的半徑，λ為入射輻射的波長(zhǎng)。103/86例如，可見光的波長(zhǎng)在0.5μm左右，氣體分子的大小約為10-4μm，因此氣體分子對(duì)可見光的散射屬于瑞利散射(1)若x<0.1，即r<λ，則稱為分子散射，也稱為瑞利散射。104/86例如，云滴、塵埃等對(duì)可見光的散射。

(2)若0.1<x<50,即r~λ,則稱為米散射（Mie散射）。105/86如大雨滴對(duì)可見光的折射、反射等

（3）若x>50，即時(shí)，屬于幾何光學(xué)問題。r》λ106/86

散射如果太陽輻射遇到的是直徑比波長(zhǎng)小的空氣分子，則輻射的波長(zhǎng)愈短，被散射愈厲害。其散射能力與波長(zhǎng)的對(duì)比關(guān)系是：對(duì)于一定大小的分子來說，散射能力和波長(zhǎng)的四次方成反比，這種散射是有選擇性的。例如波長(zhǎng)為0.7微米時(shí)的散射能力為1，波長(zhǎng)為0.3微米時(shí)的散射能力就為？？。散射能力=aλ-4請(qǐng)推導(dǎo)瑞利散射107/86

散射推導(dǎo)過程散射能力∝

λ-41=a

λ1-4X=a

λ2-4λ1=0.7微米，λ2=0.3微米，設(shè)X為波長(zhǎng)0.3微米對(duì)應(yīng)的散射能力X=29.6108/86

散射太陽輻射通過大氣時(shí)，由于空氣分子散射的結(jié)果，波長(zhǎng)較短的光被散射得較多。晴天，天空呈蔚藍(lán)色就是因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)較短的紫、藍(lán)、青色光最容易被散射，而波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅、橙、黃色光散射得較弱；日出日落，波長(zhǎng)較短的藍(lán)色光在穿越較長(zhǎng)路徑大部分被散射掉，只剩下波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅色光解釋109/86

散射如果太陽輻射遇到直徑比波長(zhǎng)大的質(zhì)點(diǎn)，雖然也被散射，但這種散射是沒有選擇性的，即輻射的各種波長(zhǎng)都同樣被散射。如空氣中存在較多的塵?；蜢F粒，一定范圍的長(zhǎng)短波都被同樣地散射，使天空呈灰白色的。110/86

散射有時(shí)為了區(qū)別有選擇性的散射和有沒有選擇性的散射，將前者稱為散射（r<λ

），后者稱為漫射（r>λ

）。111/86消光：散射和吸收作用使輻射在原傳播路徑上的能量被衰減，這種衰減稱為消光。1、容積吸收系數(shù)kab,λ輻射經(jīng)單位長(zhǎng)度氣柱吸收削弱的輻照度占入射輻照度的份數(shù)。kab,λ1四、輻射能在介質(zhì)中的傳輸

112/86

輻射經(jīng)單位長(zhǎng)度氣柱吸收和散射削弱的輻照度占入射輻照度的份數(shù)。-------(2)kex,λkab,λ+ksc,λ2、容積消光系數(shù)σλkex,λkex,λ的量綱為[L-1]113/863.布格

朗伯（Bouguer-Lanbert）定律

設(shè)有單色平行定向輻射的輻照度為E

，經(jīng)過一有吸收作用的氣層dl后變成E+dE。由于是被吸收削弱，所以dE

<0，設(shè)l=0處的輻照度為E,0

，則l=l處的輻照度E,l應(yīng)為：

或114/86即輻射能在介質(zhì)中傳輸時(shí)的衰減規(guī)律滿足指數(shù)削弱規(guī)律對(duì)于由散射和吸收引起的衰減，可寫為：式中kex,

=ksc,+kab,，稱為衰減系數(shù)。

115/864.輻射傳輸?shù)挠嘘P(guān)物理量

(1)光學(xué)厚度（opticalthickness）定義：沿輻射傳輸路徑，單位截面上所有吸收和散射物質(zhì)產(chǎn)生的總削弱。是無因次量（沒有單位的量）。以公式表示整層大氣垂直光學(xué)厚度定義為

116/86氣溶膠光學(xué)厚度FY-1C117/86（2）光學(xué)質(zhì)量

輻射束沿傳輸路徑在單位截面上所通過的吸收或散射氣體的質(zhì)量，稱為光學(xué)質(zhì)量

（3）單色透過率和單色吸收率A

通過一段大氣路徑后的透過率定義為前后輻射通量密度之比。若大氣路徑內(nèi)僅有吸收作用，則吸收率為A=1-118/867.4太陽輻射在地球大氣中的傳輸7.4.1太陽常數(shù)7.4.2大氣上界的太陽輻射能7.4.3到達(dá)地表的太陽直接輻射7.4.4地面對(duì)太陽輻射的反射和吸收119/86太陽直接輻射大氣上屆太陽輻射大氣圈地表的太陽輻射120/86121/867.4.1太陽常數(shù)定義：在大氣上界日地平均距離處，通過與太陽光線垂直的單位面積上單位時(shí)間內(nèi)所接收到的太陽總輻射能(包括所有波長(zhǎng))1367w/m2122/867.4.2大氣上界的太陽輻射能

全球各地大氣上界太陽輻射的日總量

陰影部分對(duì)應(yīng)于極夜。低緯區(qū)Qd

的年變化較小，而高緯區(qū)年變化較大北半球夏季各緯度間Qd

的差別不大，冬季Qd則隨緯度的增高而迅速下降，進(jìn)入極圈甚至變?yōu)榱鉗d

隨緯度的變化是決定地球上各緯度間氣候差異的基本因素。

123/86太陽直接輻射大氣圈到達(dá)地表的太陽直接輻射124/86

太陽直接輻射進(jìn)入地球大氣后，由于大氣中的各種成分會(huì)吸收和散射部分太陽輻射能量，造成了太陽直接輻射的衰減。散射過程將一部分輻射能量散發(fā)到四面八方，形成散射輻射，其中一部分到達(dá)地面，形成地面散射輻射。7.4.3到達(dá)地表的太陽直接輻射

太陽的平行光輻射稱為太陽直接輻射。125/86太陽輻射在大氣中的吸收和散射(示意圖)7.4.3太陽的直接輻射

總的說來，由于大氣對(duì)不同波長(zhǎng)的太陽輻射具有一定的選擇性，且吸收帶一般位于太陽輻射光譜的兩端能量較小的區(qū)域，因而大氣通過吸收作用對(duì)太陽直接輻射所造成的削弱并不太大。相對(duì)說來，大氣對(duì)太陽輻射的散射作用，則是削弱太陽輻射能的一個(gè)主要原因126/86太陽輻射傳輸7.4.3太陽的直接輻射127/867.4.4地面對(duì)太陽輻射的反射和吸收

在地球―大氣系統(tǒng)對(duì)太陽輻射的吸收中,大氣的吸收只占

20%，地球表面吸收了約50%，這一點(diǎn)在地球―大氣系統(tǒng)的能量平衡及氣候的形成和變化中有極重要的作用。

1.地面反照率

到達(dá)地面的總輻射中，有一部分被地面反射回大氣，稱為地面反射輻射.地球表面能獲得多少太陽輻射能，在很大程度上依賴于地表反射率。各種地面的平均反照率

128/86應(yīng)用：植被指數(shù)（NDVI）在NOAA氣象衛(wèi)星上利用二個(gè)通道，分別測(cè)量可見光通道（例如0.58~0.68μm）和近紅外通道（例如0.7~1.1μm）波段的地面反照率NDVI=(Ch2Ch1)/(Ch2+Ch1)

當(dāng)植被生長(zhǎng)茂盛，植被指數(shù)值就較大NDVI的應(yīng)用：檢測(cè)植被生長(zhǎng)狀態(tài)、植被覆蓋度和消除部分輻射誤差等；

129/86130/862.云的反照率

由于云中水滴和冰晶的散射，使云體表面成了比較強(qiáng)的反射面。云層覆蓋了大約50%的地球表面，云頂表面又具有較大的反射率，這就使得到達(dá)地面的太陽輻射大大減少，而返回宇宙空間的輻射能量加大。它隨云層厚度、云中含水量而增大。131/862云的反照率132/863.行星反照率地球-大氣系統(tǒng)的反照率稱為行星反照率，它表示射入地球的太陽輻射被大氣、云及地面反射回宇宙空間的總百分?jǐn)?shù)。地區(qū)行星反照率全球行星反照率目前認(rèn)為全球的行星反照率數(shù)值可取0.30。7.5.1地面的長(zhǎng)波輻射特性地面的吸收率在

0.82—0.99之間，沙土、巖石較低，而純水與雪則極接近于1，有時(shí)可以用作黑體源表面。相比之下地面對(duì)短波輻射的吸收率一般在0.5以下（除冰雪表面），而且隨波長(zhǎng)變化大。

表給出各類表面的吸收率Ag值（或比輻射率）1332、地面長(zhǎng)波總輻出度設(shè)地表溫度為Tg，地面的積分出射度應(yīng)是

或以地面比輻射率eg表示，為

7.5.1地面的長(zhǎng)波輻射特性

134由

F=eg

σTg4，取eg

=0.95，可算出各種溫度時(shí)地面放射的能量。這個(gè)數(shù)值已經(jīng)與地面收到的太陽輻射能接近。但是到日落后，地面沒有了太陽能收入，而這個(gè)放射卻仍在繼續(xù)著

各種溫度下地面放射的能量

(eg=0.95)7.5.1地面的長(zhǎng)波輻射特性

1357.5.2長(zhǎng)波輻射在大氣中的傳輸

1、傳輸特點(diǎn):（1）地球與大氣都是放射紅外輻射的輻射源，通過大氣中的任一平面射出的是具有各個(gè)方向的漫射輻射。太陽直接輻射是主要集中在某一個(gè)方向的平行輻射。在紅外波段，到達(dá)地面的太陽直接輻射能量遠(yuǎn)小于地球與大氣發(fā)射的紅外輻射，常常可不予考慮。136（2）大氣對(duì)長(zhǎng)波輻射的散射削弱極小，可以忽略不計(jì)。有云時(shí)，云對(duì)長(zhǎng)波的吸收作用很大，較薄的云層已可視為黑體。因而研究長(zhǎng)波輻射時(shí)，往往只考慮其吸收作用，忽略散射。（3）大氣不僅是削弱輻射的介質(zhì)，而且它本身也放射輻射，有時(shí)甚至其放射的輻射會(huì)超出吸收部分，因此必須將大氣的放射與吸收同時(shí)考慮?？傊?，長(zhǎng)波輻射在大氣中的傳輸，是一種漫射輻射，是在無散射但有吸收又有放射的介質(zhì)中的傳輸。

1372.長(zhǎng)波輻射傳輸方程

同時(shí)考慮氣層的放射與吸收，但不考慮散射，并假定大氣是水平均一的，即是平面平行大氣。

考慮一束單色輻射通過一層吸收氣體介質(zhì)。射入的輻亮度Lλ沿傳播方向經(jīng)過一段距離

dl后，由于吸收作用而使輻亮度變化:此處

kab,λ是體積吸收系數(shù)。138按吸收率定義，該薄氣層的吸收率應(yīng)是

根據(jù)基爾霍夫定律，該氣層放射的輻亮度是其中B(T)為普朗克函數(shù)，T為該薄層的溫度。

因此，經(jīng)過dl并考慮到大氣的吸收和發(fā)射后，輻亮度的變化為:

式中為輻射傳輸方向和天頂方向的夾角139

令，得

上式稱為施瓦茨恰爾德

(Schwarzchild)方程。普朗克函數(shù)Bλ(T)代表源函數(shù)，表征由于熱輻射造成輻亮度的增強(qiáng)，式中空氣溫度T=T(z)，隨高度而變化。由于垂直坐標(biāo)系統(tǒng)應(yīng)用不太方便，常引進(jìn)光學(xué)厚度座標(biāo)。按通常習(xí)慣，光學(xué)厚度向下為正。輻射傳輸向上時(shí)為（+），向下時(shí)只需將方程中的

換成（）即可

261407.5.3大氣頂部射出的長(zhǎng)波輻射

長(zhǎng)波輻射OLR（OutgoingLongwaveRadiation）：地氣系統(tǒng)從大氣頂部向外射出的長(zhǎng)波輻射，在決定地球大氣氣候方面有著十分重要的意義。利用OLR可以推求大氣溫度廓線或吸收物質(zhì)含量隨高度的分布。141物理意義:①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）。

②大氣層頂部的出射輻射是地面和各層大氣輻射之和。

③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。

1427.6地面、大氣及地氣系統(tǒng)的輻射平衡二、地球的“有效溫度”與大氣的“保溫效應(yīng)”一、凈輻射（輻射差額）三、輻射差額沿緯度的變化四、地面、大氣及地氣系統(tǒng)的輻射差額五、觀測(cè)到的輻射平衡及熱量平衡1431、定義：系統(tǒng)或物體收入輻射能與支出輻射能的差值稱為輻射差額，也稱凈輻射。既：輻射差額=收入輻射能支出輻射能一、凈輻射（輻射差額）2、對(duì)溫度的作用大于0，則使物體增溫；等于0，則使物體溫度不變；小于0，則使物體降溫。144二、地球的“有效溫度”與大氣的“保溫效應(yīng)”1、地球有效溫度在地氣系統(tǒng)處于輻射平衡的假定下，如果把地氣系統(tǒng)視為長(zhǎng)波輻射的黑體，地氣系統(tǒng)所應(yīng)具有的溫度。1）定義2）求地球有效溫度收入：支出：輻射平衡時(shí)有解得地球有效溫度為地–氣系統(tǒng)的有效溫度取決于兩個(gè)因子，一是太陽常數(shù)，它主要由日地距離決定的。二是地–氣系統(tǒng)的行星反照率，它與地氣系統(tǒng)的許多特性，如海洋的反射，陸面的反射和云的反射有關(guān)。

由上面還可導(dǎo)出地球表面收到的太陽短波平均輻照度為

Wm-2

考慮到全球應(yīng)當(dāng)是達(dá)到輻射平衡的，所以這與地球發(fā)射的長(zhǎng)波平均輻出度數(shù)值接近1502、地球大氣的溫室效應(yīng)

從上面的討論可以看到，地球的有效溫度255K（18C），而實(shí)際上地球表面平均溫度為15C，這是由于大氣“溫室效應(yīng)”的結(jié)果。大氣逆輻射定義：大氣輻射一部分向上進(jìn)入太空，一部分向下到達(dá)地面，向下到達(dá)地面的大氣輻射稱為大氣逆輻射。151溫室152

大氣層就好象是一條毛毯，均勻地包住了整個(gè)地球，使整個(gè)地球就好象處在一個(gè)溫室之中。大氣的保溫作用153大氣上界地面地面和大氣頂?shù)妮椛淦胶夥匠碳僭O(shè)地球表面是溫度為Tg的黑體，大氣層的溫度為Ta，行星反照率為R，大氣對(duì)短波輻射的平均吸收率為As，對(duì)長(zhǎng)波輻射的平均吸收率為AL大氣對(duì)短波吸收大氣對(duì)短波反射地面對(duì)短波吸收地面的長(zhǎng)波輻射吸收大氣長(zhǎng)波逆輻射地面的長(zhǎng)波散射大氣逆輻射地面和大氣頂?shù)妮椛淦胶夥匠虨榍蠼馍狭蟹匠炭傻?/p>

155由上面的結(jié)果可以討論S0

、R、AL和As對(duì)大氣層平均溫度和地面平均溫度的影響。取AL=0.8，As=0.2，R=0.3代入上式，有

Tg

=278.6K，Ta=247.7K。地球表面是溫度為Tg的黑體，大氣層的溫度為Ta可見，大氣層的存在使地面平衡溫度高于全球的有效溫度(255K)，而大氣層的平均溫度卻低于全球的有效溫度。當(dāng)AL加大時(shí)，地面平均溫度也將升高。156“大氣保溫效應(yīng)”：

由于大氣層對(duì)短波輻射吸收弱，而對(duì)長(zhǎng)波輻射的吸收較強(qiáng)，使得地球表面平衡溫度比無大氣時(shí)要高，大氣的這種抬升地球表面平衡溫度的作用稱為大氣保溫效應(yīng)。溫室氣體增加和全球變暖

溫室氣體的增加會(huì)使大氣對(duì)長(zhǎng)波輻射的平均吸收率增大，而大氣對(duì)短波輻射的平均吸收率變化不大，從而使地球表面溫度增加，即全球地面平均溫度升高。157158全球平均溫度/海平面/北半球積雪覆蓋統(tǒng)計(jì)2007年2月，IPCC（政府間氣候變化專門委員會(huì)）報(bào)告三、輻射差額沿緯度的變化

上面的討論把地球大氣當(dāng)作一個(gè)整體，沒有考慮水平方向的差異。由于地球的自轉(zhuǎn)軸與太陽黃道平面有一個(gè)傾角，地球上不同緯度帶接收到的太陽輻射的情況是不同的，它們所達(dá)到的平衡溫度也將不同相鄰緯度帶平衡溫度的不同將引起力兩種變化:其一：會(huì)出現(xiàn)水平方向的能量輸送；其二：下墊面狀況的變化。尤其是對(duì)接受太陽輻射能較少的極區(qū)，低的平衡溫度造成下墊面冰雪覆蓋，而冰雪的高反射率又使該地接收的太陽輻射進(jìn)一步減小。

160下面用一個(gè)簡(jiǎn)單的輻射平衡模式討論這一反饋過程

將地球和大氣分割為一系列緯度帶。對(duì)每一個(gè)帶，其輻射平衡方程可寫為

這里Sφ

為某緯度帶收到的太陽輻射，Rφ

為該緯度帶的行星反照率。EL,(Tφ)為該緯度帶大氣層頂向外發(fā)射的長(zhǎng)波輻射，F(xiàn)(Tφ)為該緯度帶向相鄰緯度帶水平輸送的能量，都是溫度的函數(shù)。161簡(jiǎn)單地假設(shè)

Tc為雪線溫度，可選–10oC或0oC，表示在冰雪區(qū)行星反照率顯著變大。大氣層頂出射的長(zhǎng)波輻射為其中a、b為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。Rφ

為該緯度帶的行星反照率162緯度帶間能量的傳輸為其中

為全球平均溫度，而K0

為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。通過這些簡(jiǎn)化后，得到Budyko(1969)用a=204Wm-2,b=2.17Wm-2K-1,K0=3.81Wm-2K-1,Tc=10oC計(jì)算得下表

。這一結(jié)果與大氣緯向平均溫度分布大體一致。163四、地面、大氣和地–氣系統(tǒng)的輻射差額

分別就地面、大氣而言，在一定時(shí)間段、一定區(qū)域，總存在著輻射差額，這將導(dǎo)致該地的溫度隨時(shí)間變化。1. 地面的輻射差額

地面的凈輻射通量密度是指水平面上太陽短波凈輻射通量密度和長(zhǎng)波凈輻射通量密度之和其中短波和長(zhǎng)波的凈輻射通量密度可分別表示為

164165（1）短波凈輻射通量入射到水平地面的太陽短波輻射通量密度ES,0是太陽直接輻射和天空散射輻射之和，它有著顯著的日變化和季節(jié)變化，并強(qiáng)烈地受云的影響。

地面的短波凈輻射通量通量密度可寫為

這里

Rg

是地面反射率

返回166（2）入射到地面的長(zhǎng)波輻射

大氣輻射入射到地面的長(zhǎng)波輻射EL,0

，稱為大氣的逆輻射。

如果天空中有云，則大氣的逆輻射大大加強(qiáng)。

北京地區(qū)有云天空的經(jīng)驗(yàn)公式為

其中e（hPa）為百葉箱中觀測(cè)的近地氣層水汽壓。返回167（3）地面向上的長(zhǎng)波輻射

地面向上的長(zhǎng)波輻射，包括地面發(fā)射的長(zhǎng)波輻射和地面反射的部分大氣逆輻射。式中Tg為地面溫度，eg為地面的比輻射率。它隨地面溫度有日變化，午后最強(qiáng)，早晨最弱。返回168（4）地面長(zhǎng)波凈輻射通量地面的長(zhǎng)波凈輻射通量密度EL,0*為

一般情況下，EL,0*<0，這表明地面凈長(zhǎng)波輻射的作用是使地面冷卻。返回169在大氣輻射研究中，常將地面向上的長(zhǎng)波輻射和大氣逆輻射之差定義為地面有效輻射，若以E0表示，則有

E0的數(shù)值約為68.79~139.56W/m2之間。（5）地面有效輻射170通常，地面溫度高于大氣溫度，所以地面輻射要比大氣逆輻射強(qiáng)。地面有效輻射(1)根據(jù)輻射強(qiáng)度的關(guān)系，地面溫度增高時(shí)，地面輻射增強(qiáng)，如其它條件(溫度、云況等)不變，則地面有效輻射增大。(2)空氣溫度高時(shí)，大氣逆輻射增強(qiáng)，如其它條件不變，則地面有效輻射減小。171(3)空氣中含有水汽和水汽凝結(jié)物較多，則因水汽放射長(zhǎng)波輻射的能力比較強(qiáng)，使大氣逆輻射增強(qiáng)，從而也使地面有效輻射減弱。(4)天空中有云，特別是有濃密的低云存在，大氣逆輻射更強(qiáng)，使地面有效輻射減弱得更多。所以，有云的夜晚通常要比無云的夜晚暖和一些。云被的這種作用，我們也稱為云被的保溫效應(yīng)。人造煙幕所以能防御霜凍，其道理也在于此。返回172由以上討論得地面的凈輻射通量（包括短波和長(zhǎng)波）為

或上式表明，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(zhǎng)波）之差。