大氣輻射傳輸理論

1大氣輻射傳輸理論引言學(xué)科定義：1、大氣輻射學(xué)爭(zhēng)論輻射能在地球-大氣系統(tǒng)內(nèi)傳輸和轉(zhuǎn)換的規(guī)律及其應(yīng)用，屬大氣物理學(xué)的一個(gè)分支。大氣輻射學(xué)是天氣學(xué)、氣候?qū)W、動(dòng)力氣象學(xué)、應(yīng)用氣象學(xué)、大氣化學(xué)和大氣遙感等學(xué)科的理論根底之一。2、地球－大氣系統(tǒng)的輻射差額是天氣變化和氣候形成及其演化的根本因素，可以說(shuō)輻射過(guò)程與動(dòng)力過(guò)程的作用共同打算了地球的氣候環(huán)境。學(xué)習(xí)、爭(zhēng)論的意義輻射是地氣系統(tǒng)與宇宙空間能量交換的唯一方式數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中需要定量化考察大氣輻射過(guò)程輻射傳輸規(guī)律是大氣遙感的理論根底氣候問(wèn)題——輻射強(qiáng)迫近年來(lái)人類(lèi)活動(dòng)造成的地球大氣氣候變遷成為大氣科學(xué)爭(zhēng)論熱點(diǎn)，其緣由也在于人類(lèi)活動(dòng)所排放的某些物質(zhì)會(huì)轉(zhuǎn)變地球大氣中的輻射過(guò)程所致。大氣輻射學(xué)主要爭(zhēng)論內(nèi)容：一、地-氣系統(tǒng)輻射傳輸?shù)母疚锢磉^(guò)程和規(guī)律，包括1、太陽(yáng)的輻射(97%E0.3～3μm波段內(nèi)，m=0.5μm四周)；2、地-氣系統(tǒng)輻射(絕大局部E4～80μm波段內(nèi)，m=10μm四周)；3、不同地表狀態(tài)云、氣溶膠、水汽、臭氧、二氧化碳等對(duì)輻射傳輸?shù)挠绊?。二、大氣輻射學(xué)還要爭(zhēng)論輻射傳輸方程的求解。輻射傳輸方程：是描述輻射傳播通過(guò)介質(zhì)時(shí)與介質(zhì)發(fā)生相互作用(吸取、散射、放射等)而使輻射能按肯定規(guī)律傳輸?shù)姆匠蹋诘厍虼髿鈼l件下，求解格外簡(jiǎn)單，只能在一些假定下求得解析解，因此輻射傳輸方程的求解，始終是大氣輻射學(xué)爭(zhēng)論的重要內(nèi)容。三、另外，對(duì)輻射與天氣、氣候關(guān)系的爭(zhēng)論也是大氣輻射學(xué)的重要內(nèi)容，它是從地-氣系統(tǒng)輻射收支的角度，來(lái)爭(zhēng)論天氣和氣候的形成以及氣候變遷問(wèn)題的。相關(guān)內(nèi)容：很多簡(jiǎn)單的物理動(dòng)力氣候?qū)W問(wèn)題中，涉及到海洋、極冰、陸地外表的輻射和熱狀況，大氣中的云、氣溶膠、二氧化碳等因子在輻射過(guò)程中對(duì)氣候所造成的影響，以及這些過(guò)程和大氣輻射過(guò)程之間簡(jiǎn)單的相互作用和反響關(guān)系。第一章用于大氣輻射的根本學(xué)問(wèn)第一節(jié)輻射的根本概念太陽(yáng)輻射和地球大氣輻射雖具有不同的特性，其本質(zhì)是一樣的，它們都是電磁輻射。電磁輻射是以波動(dòng)和粒子形式表現(xiàn)出的一種能量傳送形式。電磁涉及其特性二、機(jī)械波：機(jī)械振動(dòng)在媒質(zhì)中的傳播，如聲波、水波和地震波。三、電磁波二、機(jī)械波：機(jī)械振動(dòng)在媒質(zhì)中的傳播，如聲波、水波和地震波。三、電磁波ElectroMagneticSpectru：變化電場(chǎng)和變化磁場(chǎng)在空間的傳播。四、電磁輻射:電磁能量的傳遞過(guò)程〔包括輻射、吸取、反射和投射〕稱(chēng)為電磁輻射。五、電磁波的特性：123、電磁波具有波粒二相性：波動(dòng)性：表現(xiàn)在電磁輻射以波動(dòng)方式在大氣中傳播，并發(fā)生反射、折射、衍射和偏振等效應(yīng)。也就是說(shuō)電磁波是以波動(dòng)的形式在空間傳播，因此具有波動(dòng)性。粒子性：電磁波是由密集的光電子微粒組成的，電磁輻射的實(shí)質(zhì)是光子微粒的有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)。電磁波的粒子性使得電磁輻射的能量具有統(tǒng)計(jì)性。表現(xiàn)在電磁輻射過(guò)程、吸取過(guò)程發(fā)生的氣體輻射譜線和吸取譜線、光電效應(yīng)等。波粒二相性的程度與電磁波的波長(zhǎng)有關(guān)：波長(zhǎng)越短，輻射的粒子性越明顯；波長(zhǎng)越長(zhǎng)，輻射的波動(dòng)性越明顯。這種雙重特性實(shí)際正是電磁輻射本質(zhì)在不同方面的表現(xiàn)。輻射的物理本質(zhì)自然界一切物體都時(shí)刻不停地以電磁波〔電場(chǎng)和磁場(chǎng)的交變波動(dòng)〕的形式向四周傳遞能量，同時(shí)也接收外界投射來(lái)的電磁波，這種能量傳遞的方式稱(chēng)為輻射。以這種方式傳遞的能量，稱(chēng)為輻射能。輻射產(chǎn)生的緣由光輻射：依靠入射光補(bǔ)充能量而導(dǎo)致的輻射〔如夜光等〕電輻射：依靠放電補(bǔ)充能量而導(dǎo)致的輻射〔如日光燈等〕化學(xué)輻射：依靠化學(xué)反響補(bǔ)充能量而導(dǎo)致的發(fā)光在物理學(xué)中，直接把輻射作為電磁波每份能量的輻射稱(chēng)為光子。每個(gè)光子的能量為在物理學(xué)中，直接把輻射作為電磁波每份能量的輻射稱(chēng)為光子。每個(gè)光子的能量為為輻射頻率，以S－1為單位，h為Planck常數(shù)，h＝6.626*10-34JS。在真空中以光速c傳播，c＝2.9979*108ms－1頻率與波長(zhǎng)之間的關(guān)系：習(xí)慣上常用微米μm(1μm＝10-4cm)nm〔1nm＝10-7cm＝10-3μm〕和埃米?〔1?＝10-4μm〕也常常使用，特別是用于紫外輻射。頻率單位通常使用GHz，1GHz＝109Hz，因此，1cm30GHz。射特征，它的定義是：波長(zhǎng)的倒數(shù)稱(chēng)為波數(shù)n，表示單位距離內(nèi)波的數(shù)目，常以cm－1為單位，習(xí)慣上常用波數(shù)n來(lái)描述紅外輻射特征，它的定義是：因此，一個(gè)光子的能量與輻射的波長(zhǎng)成反比，光子的輻射頻率和相應(yīng)的能量與波數(shù)成正比。電磁波譜不同波長(zhǎng)的電磁波具有不同的物理性質(zhì)，因此我們可以按波長(zhǎng)或頻率來(lái)區(qū)分輻射，確定相應(yīng)的名稱(chēng)，它們共同組成了電磁波的頻譜。紅外線：近紅外：0.7-2.5微米紅外線：近紅外：0.7-2.5微米遠(yuǎn)紅外：2.5-1000微米長(zhǎng)短波〔太陽(yáng)輻射與地球輻射光譜不重疊〕分界：4微米1.1.4根本輻射量立體角電磁波譜紫外線：uv-A：0.315-0.400微米u(yù)v-B：0.280-0.315微米u(yù)v-C：0.150-0.280微米nearuv：0.3-0.4微米Middleuv:0.2-0.3微米faruv：0.1-0.2微米extremeuv：0.01-0.1微米定義：錐體所攔截的球面積σ與半徑r的平方之比，單位為球面度sr，為一無(wú)量綱量。4πr24πsr。以放射體角定義為：drd rsindddr2

sindd是極坐標(biāo)中的天頂角[0，90]是方位角[0,360]常用輻射量輻射能E能量:焦耳、熱力學(xué)卡〔1k=4.1840J〕輻射通量〔發(fā)光度〕f〔輻射功率W〕單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)任意外表的輻射能量，單位為J/s，即W

fdEF單位時(shí)間通過(guò)單位面積的輻射能量，單位為F單位時(shí)間通過(guò)單位面積的輻射能量，單位為W/m2。設(shè)面元為dA：表示面元承受的F時(shí)，又稱(chēng)輻照度〔irradiance〕輻射強(qiáng)度I〔又稱(chēng)輻亮度，輻射率〕單位立體角、單位時(shí)間、單位面積所通過(guò)的輻射能量，單位為W/m2sr。表示從物體外表放射出的，又稱(chēng)輻出度、輻射度、輻射力量輻射強(qiáng)度I〔又稱(chēng)輻亮度，輻射率〕單位立體角、單位時(shí)間、單位面積所通過(guò)的輻射能量，單位為W/m2sr。符號(hào)Quantity量綱單位”符號(hào)Quantity量綱單位”EfFI如面元法向與輻射方向成θ角，則上式為：EnergyML2T2焦耳(J)Flux(發(fā)光度)通量ML2T3Joulepersecond(JFluxdensity(輻照度or輻出度)強(qiáng)度(輻亮度，輻射率)MTMT33sec1,W)Joulepersecondpersquaremeter(Wm2)Joulepersecondpersquaremeterpersteradian(Wm2srl)在爭(zhēng)論限制在一個(gè)指定的無(wú)窮小的波長(zhǎng)λ、頻率 或波數(shù)在爭(zhēng)論限制在一個(gè)指定的無(wú)窮小的波長(zhǎng)λ、頻率 或波數(shù)n間隔上的單色輻射時(shí)，各輻射量都有它對(duì)應(yīng)的量，這些量是光譜量，在符號(hào)上分別用下標(biāo)λ、和n來(lái)標(biāo)注，如fλFλIλ。單色與譜段積分輻射量Q單色與譜段積分輻射量Q2Qd1輻射強(qiáng)度與方向無(wú)關(guān)稱(chēng)為各向同性，如太陽(yáng)、陸地外表，又稱(chēng)：余弦輻射體或朗伯體光源。安靜的水面因 I輻射強(qiáng)度與方向無(wú)關(guān)稱(chēng)為各向同性，如太陽(yáng)、陸地外表，又稱(chēng)：余弦輻射體或朗伯體光源。安靜的水面因有反射不能當(dāng)做朗伯面處理。 F 在極坐標(biāo)系中，對(duì)各向同性輻射，其單色輻射通量密度與單色輻射強(qiáng)度的關(guān)系為：〔1：證明此關(guān)系式〕輻射源球外表的輻射通量密度為：往外放射輻射的物體稱(chēng)為輻射源。最簡(jiǎn)潔的輻射源是點(diǎn)源，這是一種抱負(fù)的狀況，即其幾何尺度可以被忽f0r的球面，則通過(guò)球外表的輻射通量密度為：這里輻射傳輸?shù)姆较蚨荚诎霃椒较?。由于與立體角相對(duì)的面積隨距離以r2增大，因此通過(guò)單位面積的輻r2減小。在離點(diǎn)光源距離相當(dāng)大并且在爭(zhēng)論相比照較小的范圍中的問(wèn)題時(shí)，可以把由點(diǎn)源發(fā)出的輻射當(dāng)作平行輻射處理。在大氣輻射中，我們常把來(lái)自太陽(yáng)的直接輻射看作平行光。在不考慮吸取散射等因素時(shí)，平行光的輻射通量密度應(yīng)當(dāng)是常數(shù)，即在任何位置上設(shè)置一個(gè)和輻射傳輸方向相垂直的平面，通過(guò)這平面的輻射通量密度都應(yīng)當(dāng)是一個(gè)常數(shù)。面輻射源：面輻射源的特點(diǎn)是其輻射的方向可以是不同的，它可以向2π立體角中放射輻射能。我們大部分爭(zhēng)論的是水平均一或球面均勻的大氣。吸取率、反射率和透射率定義：A=Ea/E0，R=Er/E0，A＋R＋＝1透射率=Et/E0。當(dāng)物體不透亮?xí)r，=0,則有A+R=1單色吸取率、反射率和透射率，分別記為AλRλλ各種物體對(duì)不同波長(zhǎng)的輻射具有不同的吸取率與放射率，構(gòu)成了該物體的吸取光譜或輻射光譜。黑體和灰體確定黑體：對(duì)全部波長(zhǎng)的輻射吸取率均為1單色黑體;對(duì)某一波長(zhǎng)的輻射吸取率為1留意：黑體與黑色物體是有區(qū)分的！灰體吸取率<1的常數(shù)，不隨波長(zhǎng)而變選擇性輻射體：吸取率小于1，且隨波長(zhǎng)而變化。輻射平衡當(dāng)物體放射出的輻射能恰好等于吸取的輻射能，稱(chēng)該物體處于輻射平衡。這時(shí)物體處于熱平衡態(tài)，因而可:基爾霍夫定律和有關(guān)黑體熱輻射的三個(gè)定律。四個(gè)定律〔1〕PlanckLaw(1901)波長(zhǎng)或頻率的關(guān)系。從理論上得出，與試驗(yàn)準(zhǔn)確符合Planck函數(shù)：第一輻射常數(shù)C1波長(zhǎng)或頻率的關(guān)系。從理論上得出，與試驗(yàn)準(zhǔn)確符合Planck函數(shù)：第一輻射常數(shù)C1：其次輻射常數(shù)C2：B 5exphcc3.0108ms-1，kT1普朗克常數(shù)h=6.626210-34Js-1，波爾茲曼常數(shù)k=1.380610-23JK-1。由普朗克定律可以得出各種溫度下確定黑體的輻射光譜曲線。黑體輻射與物質(zhì)組成無(wú)關(guān)1、任何溫度確實(shí)定黑體都放射波長(zhǎng)0~無(wú)窮mm的輻射，但溫度不同，輻射能量集中的波段不同。2、溫度越高，各波段放射的能量均加大。積分輻射力量也隨溫度上升而快速加大。但能量集中的波段則〔例：鐵〕3、每一溫度下，都有輻射最強(qiáng)的波長(zhǎng)lmax，即光譜曲線有一極大值，而且隨溫度上升，lmax變小。620380620380Stefan-Boltzmann通量密度很大的變化。Stefan-Boltzmann常數(shù)普朗克定律提出之前，1879StefanBoltzmann1884通量密度很大的變化。Stefan-Boltzmann常數(shù)是紅外裝置測(cè)定溫度的理論根底。=5.66961*10-8Wm2K4Wien位移定律分，可得：1893年維恩從熱力學(xué)理論推導(dǎo)出：黑體輻射最大強(qiáng)度的波長(zhǎng)與它的溫度成反比。同樣將planck函數(shù)對(duì)波長(zhǎng)微分，可得：黑體溫度越高，lmax愈小。即：隨著溫度的上升，輻射最大值對(duì)應(yīng)的峰值波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)。kirchhoff定律18591882年由熱力學(xué)定律論證在輻射平衡條件下，任何物體的單色輻射通量密度FλT與吸取系數(shù)AλT成正比關(guān)系，二者比值只是波長(zhǎng)和的函數(shù)，與物體性質(zhì)無(wú)關(guān)，比值大小等于Planck函數(shù)的通量密度形式 T BA T

A610kirchhoff定律的意義：1、不僅將物體的輻射力量與其吸取率聯(lián)系起來(lái)，同時(shí)又將物體的輻射力量與黑體的輻射力量聯(lián)系在一起。可以將有關(guān)黑體的結(jié)果應(yīng)用于非黑體，就給爭(zhēng)論物體輻射的放射和吸取帶來(lái)很大方便。2、該定律要求熱力學(xué)平衡條件，所以要求到達(dá)均一的溫度分布和各向同性輻射。明顯，地球大60～70km以下的局部空間而言，可以作較好的近似。所以只有在局域熱力學(xué)平衡的意義上，基爾霍夫定律才適用于大氣。[2]FB=7.250104Wm2,計(jì)算該黑體的溫度以及輻射最強(qiáng)的波長(zhǎng)。=5.66961*10-8Wm2K4第四節(jié)輻射傳輸引論散射、吸取、放射散射(scattering):物體通過(guò)該過(guò)程從入射輻射中連續(xù)地提取能量，再將其向各方向重輻射出去RayleighMie散射；單次、二次和屢次散射吸取(absorption):輻射能量被吸取后被轉(zhuǎn)換為其它形式的能量消光(extinction=attenuation):散射+吸取放射(emission)輻射傳輸方程輻射強(qiáng)度I在大氣中傳播，通過(guò)ds輻射強(qiáng)度I在大氣中傳播，通過(guò)ds的距離后變?yōu)镮+dI，dI由以下兩方面緣由產(chǎn)生：dI＝dI1＋dI2

Ids1、吸取和散射作用輻射能衰減 dI 1ρ是傳輸介質(zhì)的密度，k稱(chēng)為單色輻射的質(zhì)量消光系數(shù)，是質(zhì)量吸取和質(zhì)量散射系數(shù)之和.(cm2*g-1)截面〔crosssection〕σ表示粒子從初始光束中移除的能量大小面積：[L2]cm2相對(duì)質(zhì)量：[L2M-1]cm2g-1質(zhì)量消光截面k紅外傳輸中，質(zhì)量吸取截面吸取系數(shù)…〔體積〕消光系數(shù)β：[L-1]cm-1消光截面σ(cm2)×數(shù)密度N(cm-3)或質(zhì)量消光截面k×密度ρ2、因物質(zhì)放射的同波長(zhǎng)輻射和屢次散射而增加定義源函數(shù)系數(shù)j〔質(zhì)量放射系數(shù)W.g-1.sr-1〕dI j ds2

kIdsjdsdI dI dI1 2定義源函數(shù)Jj/kdIdIkdsJI普遍的輻射傳輸方程，爭(zhēng)論任何輻射傳輸過(guò)程的根底sks=0積分到sks=0積分到s=s1可得

I(s)I(0)exp1

1kds0s假定傳輸介質(zhì)均勻〔如薄層近似，則k不依靠于距離，因此定義光學(xué)路徑長(zhǎng)度path或光學(xué)質(zhì)量opticalmas[ML-2]su

1dsII(s)I(0)eku10這就是著名的Beer-Bouguer-LambertLaw。表示通過(guò)均勻吸取介質(zhì)傳播的輻射按簡(jiǎn)潔的指數(shù)函數(shù)減弱，該指數(shù)函數(shù)的自變量是質(zhì)量吸取截面和光學(xué)質(zhì)量的乘積單色透過(guò)率T〔transmissivity〕TI(