03太陽輻射傳輸.ppt

1、第五章地面和大氣中的輻射過程,5.4 太陽輻射在地球大氣中的傳輸 重點： 太陽輻射光譜、太陽常數(shù)、大氣上界輻射能分布 太陽輻射在地氣系統(tǒng)中的傳輸,5.4.1 太陽和太陽輻射,粗略估計，太陽向地球輸送的熱能大約是250億億卡/分鐘，相當于燃燒4億噸煙煤所產(chǎn)生的能量。 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； 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)部傳到地面的熱量，全年才為5.4卡/平方厘米，僅為來自太陽輻射能的萬分之一。,5.4.1 太陽和太陽輻射,地球和大氣最主要的能量來源是太陽輻射。 要了解大氣各層以及地面取得的太陽輻射能的規(guī)律，需要首先知道作為輻射源的太陽

2、進入大氣的輻射能譜分布以及地球和大氣的吸收特性。,5.4.1 太陽和太陽輻射,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，安詳穩(wěn)定。,5.4.1 太陽和太陽輻射,5.4.1 太陽和太陽輻射,太陽的X射線圖片,5.4.1 太陽和太陽輻射,結構,5.4.1 太陽和太陽輻射,5.4.1 太陽和太陽輻射,太陽之剖面,5.4.1 太陽和太陽輻射,日冕及其微細結構,5.4.1 太陽和太陽輻射,太陽黑子,5.4.1 太陽和太陽輻射,太陽光譜(solar spectrum) ：由極為寬闊的連續(xù)譜以及數(shù)以萬計的夫瑯和費吸收線和發(fā)射線組成 T=5777K 99.9% 的能量集中在IR、V

3、IS和UV。 地面觀測波段約為0.2952.5微米。 作用：可以探測太陽大氣特征和現(xiàn)象的產(chǎn)生機制與演變規(guī)律，可以認證譜線和確認元素的豐度，研究地球氣候等。,2. 大氣外界太陽光譜及太陽常數(shù),太陽輻射譜的觀測 關心3個問題： (1) 大氣外界太陽輻射的譜分布； (2) 總譜能量或太陽常數(shù)； (3) 太陽輻射隨時間的變化。,2. 大氣外界太陽光譜及太陽常數(shù),觀測簡史 在20世紀初即已開始，地面測量； 50年代利用火箭觀測了太陽的紫外輻射； 60年代利用飛機和高空氣球?qū)μ栞椛渥V作了仔細的觀測研究； 70年代又利用火箭和衛(wèi)星以及新的主動腔體輻射表觀測了太陽輻射的總譜能量。 氣象學領域，除了天氣預報這

4、項永恒的主題外，沒有哪一項工作，能象太陽常數(shù)測定那樣應用了從高空氣球、飛機、火箭到衛(wèi)星和航天器等如此眾多的現(xiàn)代高科技手段。,2. 大氣外界太陽光譜及太陽常數(shù),觀測簡史 目前，在高山上進行的長期測量，仍是測算大氣外界太陽輻射光譜的主要手段。借助高空觀測彌補紫外和紅外波段的測量。,2. 大氣外界太陽光譜及太陽常數(shù),2. 大氣外界太陽光譜及太陽常數(shù),美國斯密遜天體物理觀象臺 The Smithsonian Astrophysical Observatory (SAO) /cfa/ep/brochure/sao.html,太陽輻射譜標準 NASA標準：

5、70年代初，美宇航局用飛機測量，給出大氣上界太陽輻射譜分布，輻照度(即太陽常數(shù))為1353 Wm-2 。 WRC標準：瑞士達佛斯的世界輻射中心給出的大氣上界太陽譜分布，輻照度(即太陽常數(shù))為1367 Wm-2 。 WMO儀器與觀測方法委員會1981年10月決定采用WRC標準。,2. 大氣外界太陽光譜及太陽常數(shù),太陽輻射譜標準,2. 大氣外界太陽光譜及太陽常數(shù),太陽常數(shù) 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的太陽輻射總輻射通量密度(包括所有波長),2. 大氣外界太陽光譜及太陽常數(shù),太陽常數(shù)：太陽積分輻射通量密度,2. 大氣外界太陽光譜及太陽常數(shù),1981年，WMO推薦的太陽常

6、數(shù)最佳值為：,2. 大氣外界太陽光譜及太陽常數(shù),太陽常數(shù)的變化,2. 大氣外界太陽光譜及太陽常數(shù),Solanki and Fligge 1998,2. 大氣外界太陽光譜及太陽常數(shù),太陽常數(shù)的變化,太陽溫度的估計 P86：例5.2,2. 大氣外界太陽光譜及太陽常數(shù),太陽的位置和時間 7月北阿拉斯加午夜前后的太陽,5.4.2 地球大氣上界的太陽輻射能,入射到大氣上界水平面上的太陽輻照度,2. 水平面上太陽輻射通量的計算,大氣上界太陽輻射的日總量 取T = 86400 秒，太陽常數(shù)單位為 W m-2 ，Qd 單位為Jm-2d-1。,2. 水平面上太陽輻射通量的計算,大氣上界太陽輻射日總量 Qd 隨緯

7、度的變化是決定地球上各緯度間氣候差異的基本因素。 S0 的日變化與Qd 的年變化，使得氣溫也具有日變化與年變化。 氣溫并非簡單地取決于S0 和Qd,2. 水平面上太陽輻射通量的計算,由于太陽離地球較遠，在地面上觀測到太陽的視角僅為0.5，因此太陽直接輻射可以認為是一種平行光輻射。 由于大氣中的各種氣體成份會吸收和散射部分太陽輻射的能量，造成了太陽直接輻射的衰減(也稱削弱、消光)。,5.4.3 太陽的直接輻射,太陽輻射在大氣中的吸收和散射(示意圖),5.4.3 太陽的直接輻射,太陽輻射傳輸,5.4.3 太陽的直接輻射,5.4.3 太陽的直接輻射,假設：各吸收、散射過程相互獨立 衰減系數(shù)： kl,

8、R 為氣體分子散射所引起的衰減，k l,p 為氣溶膠粒子的散射所引起的衰減 kl,O 為臭氧吸收所引起的衰減 kl,a 為其它均勻混合氣體分子（主要是O2和CO2）吸收所引起的衰減。,1.地面太陽直接輻射,衰減系數(shù)：,1.地面太陽直接輻射,大氣質(zhì)量數(shù)是傾斜路徑的光學厚度與垂直路徑光學厚度之比 日光傾斜入射時與自天頂入射時的光學質(zhì)量之比,2.相對大氣質(zhì)量,均勻混合氣體相對大氣質(zhì)量 平面平行無折射均質(zhì)大氣,2.相對大氣質(zhì)量,均勻混合氣體相對大氣質(zhì)量 有折射地球非均質(zhì)大氣 Kasten經(jīng)驗公式 WMO推薦,2.相對大氣質(zhì)量,水汽和臭氧的相對大氣質(zhì)量 由于水汽和臭氧厚度不易準確確定，所以此二式計算誤差

9、較大，很少使用 由Kasten公式代替，并不作氣壓訂正,2.相對大氣質(zhì)量,總光學厚度 日光以天頂角角傾斜入射 空氣分子散射、 氣溶膠粒子散射、 臭氧吸收、 水汽吸收、 均勻混合氣體吸收,3地面太陽直接輻射的簡單模式,（1）空氣分子散射的光學厚度 由于空氣折射指數(shù)也與波長有關，Robinson (1966) 將上式修正為,3地面太陽直接輻射的簡單模式,（2）氣溶膠散射光學厚度 安斯川姆 ( ngstrm，1964 ) 提出下式計算整層大氣米散射的光學厚度 b 稱為渾濁度系數(shù)，隨大氣中氣溶膠總量而變 稱為波長指數(shù)，平均半徑越小，4,3地面太陽直接輻射的簡單模式,（2）氣溶膠散射光學厚度 FY-1C

10、,3地面太陽直接輻射的簡單模式,（3）臭氧吸收光學厚度 式中uO 為臭氧總量（m），mO 為臭氧的大氣質(zhì)量數(shù),3地面太陽直接輻射的簡單模式,（4）水汽吸收光學厚度 Pv：可降水量，把單位面積空氣柱中所有水汽都凝結成液態(tài)水時所具有的厚度（上式用m） e為地面水汽壓（hPa）;Pv：cm,3地面太陽直接輻射的簡單模式,（4）水汽吸收光學厚度,3地面太陽直接輻射的簡單模式,（5）均勻混合氣體吸收光學厚度,3地面太陽直接輻射的簡單模式,4 地面太陽直接輻射光譜,4 地面太陽直接輻射光譜,由公式 (5.4.20)，如果在一段時間不變，則地面所測太陽直接輻射光譜僅隨m 變化 長法需較長時間進行觀測，保證m

11、有相當大的變化范圍 天氣條件；紫外、紅外觀測不全，需補足,5大氣上界太陽光譜的地面測量,無論是晴朗無云或全天是云的白晝，天空總是明亮的。這些光是空氣分子和大氣氣溶膠顆粒散射太陽輻射的結果。,5.4.4 天空的散射輻射,1.空氣分子散射,5.4.4 天空的散射輻射,2.氣溶膠顆粒的散射 瑞利散射總存在，米散射因大氣顆粒物而存在 瑞利散射與波長四次方成反比，米散射光譜接近入射輻射 當散射過程以米散射為主時，在太陽周圍的天空表現(xiàn)出很強的散射光強。稱為日周光,5.4.4 天空的散射輻射,3.陽傘效應 由于云和氣溶膠（特別是火山灰）對太陽輻射的強散射作用，導致到達地面的太陽輻射能減少，稱為陽傘效應或反射

12、效應,5.4.4 天空的散射輻射,在地球大氣系統(tǒng)對太陽輻射的吸收中, 大 氣的吸收只占20%，地球表面吸收了約50%,5.4.5地面對太陽輻射的反射和吸收,1 地面反照率,5.4.5地面對太陽輻射的反射和吸收,1 地面反照率 應用：植被指數(shù)（NDVI） 在NOAA氣象衛(wèi)星上利用二個通道，分別測量可見光通道（例如0.580.68m）和近紅外通道（例如0.71.1m）波段的地面反照率 NDVI = (Ch2Ch1) / (Ch2+Ch1) 當植被生長茂盛，植被指數(shù)值就較大,5.4.5地面對太陽輻射的反射和吸收,5.4.5地面對太陽輻射的反射和吸收,2 云的反照率 云的反照率既依賴于云的厚度、相態(tài)和含水量等云的宏微觀特性，而且和太陽高度角和下墊面反照率有關,5.4.5地面對太陽輻射的反射和吸收,2 云的反照率,5.4.5地面對太陽輻射的反射和