《大氣輻射學》課件

大氣輻射學探索大氣輻射的奧秘,了解太陽輻射、地球輻射及其相互作用,學習反射、吸收和散射等基本概念,掌握大氣輻射的測量與分析方法。重點解析大氣輻射在氣候變化、天氣預報等領域的應用。概述大氣輻射學概述大氣輻射學是研究大氣中輻射過程及其與氣候環(huán)境變化關系的一門學科。它涉及太陽輻射、地球輻射以及它們在大氣中的傳播和相互作用。研究內容大氣輻射學主要包括輻射的基本定律、黑體輻射、溫室效應、大氣輻射傳輸過程,以及遙感、氣候模式等應用領域。學科意義大氣輻射學為氣候變化研究、氣象預報、環(huán)境監(jiān)測等提供了理論基礎和技術支撐,在環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。學習目標掌握大氣輻射的基本理論和規(guī)律,了解其在氣候、氣象、環(huán)境等領域的應用,為后續(xù)進一步學習和研究奠定基礎。輻射的定義輻射的基本概念輻射是物質以電磁波的形式從一個點向四周傳播的過程。它可以是電磁波也可以是粒子。輻射的種類主要包括熱輻射、電磁輻射、粒子輻射等。每種輻射都有不同的特性和應用領域。輻射的傳播方式輻射可以通過傳導、對流和輻射的方式在物質和空間中傳播。它遵循一定的物理規(guī)律。輻射的基本規(guī)律1能量守恒定律能量既不會憑空產生,也不會憑空消失,只會轉換形式。2平方反比定律輻射能量隨距離的平方成反比遞減,即距離越遠能量越小。3波長依賴性不同波長的輻射可能會有不同的傳播、吸收和散射規(guī)律。4偏振性質部分輻射具有偏振特性,這會影響其與物質的相互作用。黑體輻射黑體是一種理想的輻射體,它能完全吸收所有入射的輻射,并以其自身的溫度發(fā)出最大可能的輻射。黑體輻射遵循普朗克輻射定律,描述了輻射體的輻射特性。這個定律對于理解大氣中的輻射過程非常重要,為各種輻射分析奠定了基礎。普朗克輻射公式普朗克輻射公式是描述黑體輻射特性的重要公式。它表示了物體表面的輻射功率與溫度和波長的關系。該公式為研究星體、氣體和其他熱源的輻射特性提供了理論基礎。參數含義單位B(λ,T)波長λ時物體表面的輻射功率密度W/m2·μmC?第一輻射常數W·m2C?第二輻射常數m·KT物體的絕對溫度Kλ輻射波長μm太陽輻射太陽輻射是地球上所有生命得以存在的基礎。它為地球提供光能和熱能,是地球大氣環(huán)境和氣候變化的重要驅動力。理解太陽輻射的特性和過程對于認識氣候系統(tǒng)、發(fā)展可再生能源等都具有重要意義。輻射通量輻射功率從太陽到地球表面,太陽輻射經歷了復雜的傳輸和轉換過程。表格顯示了太陽輻射在不同層面的通量和功率數據,這些數據反映了太陽輻射在進入大氣層后的衰減規(guī)律。地球表面輻射地球表面輻射是太陽輻射經大氣層吸收和反射后到達地球表面的剩余能量。這部分輻射能量決定了地表的溫度分布和熱力平衡。492W/m2太陽常數代表太陽每平方米表面發(fā)出的輻射功率。342W/m2入射地表輻射到達地表的太陽輻射能量。390W/m2地表發(fā)射輻射地表根據溫度而發(fā)射的長波輻射。50W/m2大氣窗輻射從地表直接通過大氣射向外層空間的輻射。大氣吸收和散射氣體吸收大氣中的氣體分子會吸收特定波長的輻射,如水蒸氣吸收紅外輻射,臭氧吸收紫外線。這會影響地表和大氣的輻射平衡。粒子散射氣溶膠、云滴和冰晶會散射太陽輻射和地面輻射,改變大氣的能量傳輸過程。這包括拉利散射和米氏散射等機制。溫室效應溫室氣體如二氧化碳和甲烷會吸收地面輻射,減少向外界輻射能量的逸出,造成溫室效應升溫。這是導致氣候變化的重要原因。溫室效應溫室效應的基本原理溫室效應是由一些溫室氣體吸收和散射地表輻射熱而導致大氣溫度升高的過程。這些氣體主要包括二氧化碳、甲烷和一些氟化物等。溫室氣體排放現狀工業(yè)革命以來,人類活動大量釋放溫室氣體,使得大氣中溫室氣體濃度不斷升高,加劇了溫室效應。這是造成全球氣候變化的主要原因之一。溫室效應的負面影響溫室效應引起的全球氣溫升高導致冰川融化、海平面上升、極端天氣事件頻發(fā)等一系列嚴重的氣候變化,對生態(tài)環(huán)境和人類社會都造成了巨大的危害。大氣輻射傳輸方程1微分形式描述輻射能量在大氣中傳播的微分方程2積分形式采用積分形式求解輻射傳輸過程3分析解通過分析求解得到輻射傳輸的解析解4數值解利用數值方法求解輻射傳輸方程大氣輻射傳輸方程是描述大氣中輻射能量傳播的基本方程。該方程可以采用微分形式或積分形式進行表達和求解。通過分析解或數值解的方法,可以得到輻射傳輸過程的詳細描述,為大氣遙感、氣候模擬等應用提供基礎。輻射傳輸數值解1有限差分方法通過對輻射傳輸方程的離散化來求解2MonteCarlo方法通過模擬大量光子的傳輸來統(tǒng)計性地求解3譜方法通過傅里葉變換將方程轉化為線性代數方程求解數值解決輻射傳輸方程是大氣輻射學的重要研究內容。主要使用有限差分、MonteCarlo和譜方法等技術來求解這一復雜的微分方程。這些方法各有優(yōu)缺點,需要根據具體問題的特點來選擇合適的求解方法。大氣輻射傳輸過程1輻射吸收氣體分子和氣溶膠顆粒通過吸收太陽輻射和地球輻射而獲得能量,從而導致大氣溫度升高。2輻射散射氣體分子和氣溶膠顆粒使得部分輻射能量偏離其原始傳播方向,形成散射效應。3輻射發(fā)射大氣中的氣體分子和氣溶膠顆粒也會根據自身溫度而發(fā)射出熱量輻射,這種輻射過程稱為熱量輻射。熱紅外成像原理熱紅外成像技術利用物體表面的熱量輻射特性,通過檢測和分析被動輻射的紅外波段信號,構建出目標物體的熱分布圖像。這種成像方式可以在黑暗環(huán)境下對目標進行監(jiān)測和識別,廣泛應用于軍事、安防、醫(yī)療等領域。熱紅外成像系統(tǒng)的核心部件是紅外探測器,能夠將溫度信息轉換為電信號。將探測器掃描獲得的數字圖像經過信號處理和顯示,即可呈現目標物體的溫度分布圖。熱紅外遙感應用精準監(jiān)測熱紅外遙感可以精準監(jiān)測目標物體的溫度和狀態(tài),廣泛應用于工業(yè)、農業(yè)、安全等領域。夜間觀測熱紅外相機可以在夜間和低光環(huán)境下工作,實現對目標的全天候觀測和偵查。環(huán)境檢測熱紅外遙感可以監(jiān)測環(huán)境溫度分布、熱量流動、大氣狀況等,為環(huán)境保護提供重要數據支撐。醫(yī)療診斷熱紅外成像可以無創(chuàng)地測量人體溫度分布,用于疾病診斷和身體健康監(jiān)測。大氣遙感衛(wèi)星遙感利用搭載在人造衛(wèi)星上的傳感器,遠程監(jiān)測和采集大氣數據,為氣象預報及環(huán)境監(jiān)測提供重要信息。紅外遙感探測大氣中的溫度、濕度、氣體成分等信息,通過分析紅外輻射特性來研究大氣狀況。雷達遙感利用雷達反射信號分析大氣中的云、雨、雪等,為氣象預報和環(huán)境監(jiān)測提供實時數據。激光雷達遙感通過分析激光信號反射特性,可以探測大氣中的氣體組分、氣溶膠、云層等信息。大氣環(huán)境監(jiān)測實時監(jiān)測大氣質量部署在城市各個角落的大氣質量監(jiān)測站,實時收集并分析PM2.5、二氧化硫等指標數據,為大氣污染防治提供關鍵信息支持。遙感技術監(jiān)測大氣利用衛(wèi)星、雷達等遙感設備,可以全方位監(jiān)測大氣溫度、濕度、云量等動態(tài)變化,為大氣環(huán)境管理提供寶貴數據。在線監(jiān)測大氣污染將各類大氣污染物傳感器實時連網,可以隨時掌握污染物濃度動態(tài),為大氣環(huán)境治理提供可靠依據。大氣環(huán)境預報1天氣預報利用大氣輻射數據可以更準確地預測未來天氣狀況,如溫度、濕度、降水等。2空氣質量預報通過分析大氣輻射數據可以預測未來空氣污染物濃度,為公眾提供更好的環(huán)境預報。3氣候預報大氣輻射數據可以幫助預測長期氣候趨勢,為氣候變化研究提供重要信息。4自然災害預報評估大氣輻射數據有助于預測臺風、暴雨等自然災害,提高防災減災能力。大氣環(huán)境模擬數值模式基于先進的數學方程和計算機算法模擬大氣環(huán)境的動態(tài)過程,預測氣象、污染物擴散等。情景分析通過設置不同的初始條件和邊界條件,對氣候變化、污染事故等情景進行模擬分析?？梢暬故纠萌S模擬和動態(tài)圖形,直觀呈現大氣環(huán)境的變化過程和特征。氣溶膠輻射效應0.1大氣濃度氣溶膠在大氣中的平均濃度非常低，約為0.1mg/m3。$10B經濟損失氣溶膠引起的短期氣候效應每年可能導致超過100億美元的經濟損失。20%全球輻射氣溶膠可引起地球表面接收太陽輻射的20%左右降低。0.5℃溫度下降由此導致的平均氣溫下降可超過0.5℃。氣溶膠是大氣中懸浮的微小固體或液體顆粒。它們對地球輻射平衡和氣候產生重要影響。氣溶膠可散射和吸收太陽輻射,減弱到達地表的輻射量,從而使地表溫度下降。此外,氣溶膠還可作為云凝結核,影響云的形成和性質,進而改變云的輻射特性。這些過程統(tǒng)稱為氣溶膠輻射效應。云輻射效應云對輻射的影響是一個復雜的過程。云的反照率、吸收率和溫室效應會顯著影響地球能量平衡。不同類型的云具有不同的輻射效應:云類型輻射效應高層云主要散射和吸收來自太陽的短波輻射,阻礙地球長波輻射散逸,產生溫室效應。中低層云反射較多來自太陽的短波輻射,同時阻礙地球長波輻射散逸,兩種效應相互抵消。云輻射效應的定量評估對于改善氣候模型預報至關重要。大氣輻射過程建模數值模擬利用復雜的數值模式模擬大氣輻射過程,包括輻射傳輸、云微物理過程和氣溶膠效應等。參數化方法開發(fā)簡化的參數化方案,用于在氣候和天氣模式中高效地描述大氣輻射過程。觀測數據同化利用遙感等觀測數據,通過同化技術改進大氣輻射模型參數和初始條件,提高模擬精度。大氣輻射數據分析太陽輻射地表輻射大氣吸收通過分析近年來大氣輻射相關數據,可以清楚地看到太陽輻射、地表輻射以及大氣吸收等指標均呈現逐年上升的趨勢。這為我們進一步了解和研究大氣輻射過程提供了重要依據。大氣輻射實驗研究1實驗測量技術利用精密的輻射測量儀器,如分光光度計、輻射傳感器等,對大氣輻射過程進行實驗觀測和數據收集。2模擬實驗平臺搭建大氣模擬實驗室,利用人工控制的環(huán)境參數,重現大氣輻射過程,驗證相關理論模型。3觀測實驗結合將實驗室研究與野外觀測相結合,全面反映大氣輻射的時空變化規(guī)律。4數據分析方法采用統(tǒng)計分析、數值模擬等手段,深入研究大氣輻射的物理機制和規(guī)律性。大氣輻射觀測技術衛(wèi)星遙感利用搭載在人造衛(wèi)星上的傳感器,實現全球范圍內連續(xù)和動態(tài)的大氣輻射觀測。地面監(jiān)測在地面部署各種輻射探測設備,如太陽輻射監(jiān)測、紅外輻射監(jiān)測等,獲取細致的局地數據。探空觀測利用探空氣球攜帶儀器探測大氣垂直結構,補充衛(wèi)星遙感和地面監(jiān)測的不足。航空觀測航空器搭載專業(yè)觀測儀器,可在特定高度和時間獲取大氣輻射數據。輻射對氣候變化的影響溫室氣體吸收輻射溫室氣體如二氧化碳和甲烷等能夠吸收地球輻射熱,導致地球整體變暖,引起氣候變化。太陽輻射的變化太陽活動周期的變化會影響到地球接收的輻射通量,從而影響氣候。云和氣溶膠的作用云和氣溶膠都能吸收和反射部分輻射,影響地球輻射收支,導致氣候變化。極區(qū)冰雪的反射作用冰雪表面反照率高,能反射大量太陽輻射,當冰雪融化時會降低反照率,加劇氣候變化。氣候模式中的輻射參數化輻射參數化的重要性氣候模式中的輻射參數化是模擬大氣輻射過程的關鍵環(huán)節(jié)。它直接影響模式對太陽輻射和地球紅外輻射的吸收和散射計算準確性，從而決定了對云、氣溶膠等的模擬效果。主要參數化方法常用的輻射參數化方法有經驗公式法、詳細輻射傳輸模型法和統(tǒng)計經驗模擬法等。它們各有優(yōu)缺點,需要根據具體應用場景選擇合適的方法。前沿發(fā)展趨勢輻射參數化的研究重點包括提高參數化方案的物理機理描述、增強對復雜云-輻射-地表過程的模擬精度以及提高計算效率等。大氣輻射在氣候預報中的應用氣候模型中的輻射參數化大氣輻射過程在氣候模型中扮演關鍵角色,通過參數化描述復雜的輻射傳輸過程,提高預報精度。遙感數據在氣候預報中的應用衛(wèi)星遙感能提供大氣輻射狀況的實時監(jiān)測數據,為氣候模型輸入提供重要支撐。云輻射效應對氣候的影響云層對地表和大氣的輻射平衡有重要影響,準確描述云輻射效應是提高氣候預報能力的關鍵。大氣輻射在氣象預報中的應用降水預報大氣輻射數據可以用于分析水汽分布和云量變化,從而更準確預報降水天氣。溫度預報地面和大氣層的輻射收支變化會影響溫度變化,利用輻射數據可以提高溫度預報精度。風速預報大氣層內的輻射加熱會引起局部的熱力環(huán)流,從而影響風速變化。輻射數據有助于風速預報。雷電預報大氣中的熱量分布和輻射能量變化可能導致雷暴天氣的形成和發(fā)展。利用輻射數據可預報雷電天氣。大氣輻射前沿技術新型遙感技術利用激光雷達、微波探測等新