1、第五章 地面和大气中的辐射过程5.1 辐射的基本概念5.2 辐射的物理规律5.3 地球大气与辐射的相互作用5.4 太阳辐射在地球大气中的传输5.5 地球大气系统的长波辐射5.6 地面、大气及地气系统的辐射平衡5.1 辐射的基本概念5.1.1 电磁辐射5.1.2 描述辐射场的物理量任何物体，只要温度大于绝对零度，都以电磁波形式向四周放射能量，同时也接收来自周围的电磁波。这是物质的本性决定的，是有物质本身的电子、原子、分子运动产生的。一般把这种电磁波能量本身称为辐射能（或简称为辐射）。而把这种能量传播方式称为辐射。辐射能和辐射Energy Transfer能量传输Conduction 传导Conv
2、ection 对流Radiation 辐射Energy TransferConduction（传导）Transfer of energy by molecular motion由分子运动传输能量Energy TransferConvection（对流）Transfer of energy through the movement of mass 靠物质运动传输能量Energy TransferConvection 对流Meteorology Terminology 气象学术语Convection（对流）Advection（平流）Convection对流Meteorology Terminolo
3、gy气象学术语Convection 对流transfer of energy through the vertical movement of mass 通过物质垂直运动传输能量Convection对流Meteorology Terminology气象学术语Advection平流transfer of energy through the horizontal movement of mass通过物质的水平运动传输能量Energy Transfer能量传输Conduction 传导Convection 对流Radiation 辐射Energy TransferRadiationTransfer
4、 of energy by electromagnetic wave 电磁波辐射传输能量Energy TransferRadiationTransverse Wave 横波Particle motion is perpendicular to the direction of wave velocity质点运动与波速方向垂直Energy TransferRadiation辐射Requires no transport medium不需要传输介质Electromagnetic WavesWaves that are propagated by simultaneous periodic vari
5、ations of electronic and magnetic field intensity靠电场和磁场密度的同步周期变化传播波Electric FieldMagnetic FieldElectromagnetic WavesSpeed of Light (c)光速3 x 108 m/s (in a vacuum)Electromagnetic WavesWavelength ()波长Distance between two successive crests of a wave两个相邻波峰之间的距离Electromagnetic WavesFrequency (f)频率Number o
6、f cycles that the wave is repeated over a time period一段时间内波的重复循环次数Electromagnetic WavesFrequency (f)频率Measured inCycles/Second 循环数/秒Hertz 赫兹Electromagnetic WavesRelationship Between光速/波长/频率之间的关系Speed of Light (c)Wavelength ()Frequency (f)m (10-6m) nm(10-9m)Electromagnetic Wavesc = f颜色 紫 蓝 绿 黄 橙 红 波长
7、/m 420 470 510 580 620 700 范围/m 0.4000.450 0.4500.480 0.4800.550 0.5500.600 0.6000.640 0.6400.750 1 各种颜色光对应的波长 5.1.2 描述辐射场的物理量1. 辐射通量(radiant flux)2. 辐亮度(radiance)3. 辐射通量密度(radiant flux density)4. 辐射源指单位时间内通过某一平面（或虚拟平面）的辐射能，也称为辐射功率。也可指单位时间内某个表面发射或接收的辐射能。1. 辐射通量(radiant flux)Units energy per unit tim
8、e Joules/sec WattsRadiant Flux 辐射通量Suns radiant flux太阳辐射通量3.9 x 1026 W在辐射传输方向上的单位立体角内，通过垂直于该方向的单位面积、单位波长间隔的辐射功率。一般来说，表示辐射场任一点在任一方向上、任一波长处辐射的强弱程度。单位为：W m-2 sr-1 m -12. 辐亮度(radiance)2. 辐亮度(radiance)图5.2 公式5.1.3指辐射场内任一点处通过单位面积的辐射功率，也称辐照度(irradiance)。净辐射通量密度：水平面上自上向下和自下向上的辐射通量密度之差，单位为W m-2 m -13. 辐射通量密度
9、(radiant flux density)Irradiance (E)Rate at which radiant energy in a radiation field is transferred across a unit areaUnits of E energy per unit time per unit area Watts/meter2 单位面积单位时间内通过的能量W/m2Glossary of MeteorologyUnit AreaIrradiance (E)Radiant flux per areaAlso known as radiant flux densityUni
10、t AreaIrradiance (E) Suns Irradiance太阳辐照度Calculate the surface area of the SunSuns Radius = 7 x 108 m7 X 108 m2r4S28)m10 x7(4S218m10 x15.6S Irradiance (E)Suns Irradiance太阳辐照度Suns Radiant Flux = 3.9 x 1026 W27Wm10 x34.6E21826m10 x15.6W10 x9.3E 假设源向四周发射是均匀的辐照度随距离的变化服从反平方规律。平行辐射在不考虑吸收和散射等因素时，平行光在任何位置上的
11、辐照度应是常数。4. 辐射源点源24 rWEParallel Beam Radiation平行辐射Most natural objects are isotropic radiators大部分自然物体是各向同性的辐射体Constant radiance in all directions 各方向辐射恒定Parallel Beam Radiation平行辐射Change of angle with distance is small at great radii150 x 106 kmParallel-Beam RadiationSunlight reaching earth can be as
12、sumed to be parallel-beam radiation太阳辐射可假设为平行光辐射Parallel-Beam RadiationThis effectively eliminates the need to integrate over solid angle.这有效地避免对立体角积分.特点可以向2立体角中发射辐射能。辐出度即通过单位面积在面源的法线方向射出的能量有多少。郎伯体（面）向所有方向以同一辐亮度发射辐射的物体。常常把太阳、陆地表面看做朗伯体。4. 辐射源面辐射源dFF第五章 地面和大气中的辐射过程5.1 辐射的基本概念5.2 辐射的物理规律5.3 地球大气与辐射的相互作
13、用5.4 太阳辐射在地球大气中的传输5.5 地球大气系统的长波辐射5.6 地面、大气及地气系统的辐射平衡5.2 辐射的物理规律5.2.1 吸收率、反射率和透射率5.2.2 平衡辐射的基本规律5.2.3太阳辐射和地球辐射的差别traQQQQ00QQAa0QQRr0QQt1RA吸收率反射率透射率绝对黑体：某一物体对任何波长的辐射都能全部吸收，即A1。对某一波长的黑体：如果某一物体仅对某一波长全部吸收，即A=1，则称该物体对这一波长为黑体。这里所讨论的黑体与一般所谓黑色物体是黑色物体只表明它对可见光的反射性质。 1. 黑体2. 灰体如果物体的吸收率A不随波长而变，但A1，则称该物体为灰体。如地面对长
14、波辐射的吸收率接近于常数,故可认为地面为灰体,且吸收率A极近于1.5.2 平衡辐射的基本规律辐射平衡：当物体放射出的辐射能恰好等于吸收的辐射能时，该物体处于辐射平衡。这时物体处于热平衡态，可以用态函数温度来描述，所以平衡辐射也称为温度辐射。在热平衡条件下，任何物体的辐射率（辐出度）和它的吸收率之比值是一个普适函数。该普适函数只是温度和波长的函数，而与物质的性质无关。 ),(,TfAFTT1. 基尔霍夫（Kirchhoff）定律若定义比发射率),(,TFAFBTT),(,TFFBTT则有)5 . 2 . 5(,TTA公式（5.2.3）、（5.2.5）都是Kirchhoff 定律的表达式表明：任何
15、物体的辐出度和它的吸收率之比都等于同一温度下黑体的辐出度。意义：将物体的吸收能力和放射能力联系起来，只要知道了某种物体的吸收率，也就知道了它的比辐射率；特别是，将各种物体的吸收、放射能力与黑体的放射能力联系了起来。 有了这种联系以后，我们就可以根据对黑体辐射的研究结果来了解一般物体的辐射规律，而对于绝对黑体的研究，无论从实验上或理论上都是比较简单的。绝对黑体的辐射光谱对于研究一切物体的辐射规律具有根本的意义。1900年普朗克开创性地引进了量子概念，将辐射当做不连续的量子发射，成功地从理论上得出了与试验精确符合的绝对黑体辐射率随波长变化的函数关系，即普朗克定律。 2. 普朗克(Planck)定律
16、 普朗克(Planck)定律 1/51152) 1() 1(2),(2TcTkchBecehcTF821107427. 32hcc388142kchc第一辐射常数 第二辐射常数 是绝对黑体的分光辐出度 ),(TFB绝对黑体的分光辐出度指由一个表面向外发射能量的大小，并不涉及这些能量的出射方向。是向各个方向射出能量在表面法线方向分量的总和，是通量。绝对黑体服从朗伯定律，黑体的分光辐亮度：普朗克(Planck)定律 1/51) 1(),(1),(2TcBecTFTB称为普朗克函数 理论上，任何温度的绝对黑体都放射0m波长的辐射；但温度不同，辐射能力集中的波段也就不同；随着温度的下降，辐射能量集中的
17、波段向长波方向移动。不同温度黑体辐射光谱曲线当温度升高时，各波段放射的能量均加大；积分辐射能力也随着迅速加大；且能量集中的波段向短波方向移动。不同温度黑体辐射光谱曲线每一温度下，都有辐射最强的波长max，而且随温度升高，max变小。Wm-2K -4 1879年斯蒂芬由实验发现，绝对黑体的积分辐出度与其温度的4次方成正比1884年玻尔兹曼由热力学理论得出该公式 3.1 斯蒂芬玻尔兹曼(Stefen-Boltzmann)定律4TFT8421106696. 515cc3.1 斯蒂芬玻尔兹曼(Stefen-Boltzmann)定律4TFT可以由温度求出绝对黑体的积分辐出度；也可由积分辐出度反求起温度；
18、这就是用辐射方法测量物体温度的基础。将物体视作绝对黑体而计算出的温度称为有效温度。1893年维恩从热力学理论推导出黑体辐射光谱极大值对应的波长max和温度的乘积为一常数。即黑体温度越高，则max越小，故称维恩位移定律。若知道绝对黑体的温度，可求出辐射最强的波长；由辐射最强的波长也可以确定绝对黑体的温度；这是由光谱方法测定物体温度的基础。求出的温度称为颜色温度或简称色温。3.2 维恩(Wien)定律T8 .2897max有了上述有关辐射的定律，黑体辐射的规律就全部确定了。这些定律把黑体的温度与辐射光谱联系了起来。对于非黑体，只要知道了它的温度和吸收率，通过基尔霍夫定律，其辐射光谱也就确定了。因此
19、，在研究大气辐射过程时，首先要确定地球和大气的吸收率。5.2.3 太阳辐射和地球辐射的差别太阳表面的温度和地球大气的温度差别很大, 两者辐射能量集中的光谱段是不同的.若以温度T=6000K代表太阳，则能量集中在0.174.0m,极值波长为0.483 m ;称太阳辐射为短波辐射，以可见光与近红外为主；若以温度T=300K代表地面，则能量集中在3.380m,极值波长为9.659 m ;地球辐射和大气辐射为长波辐射，以红外波段为主；若以温度T=200K代表大气（平流层下层），则能量集中在5120 m,极值波长为14.489 m 。短波辐射和长波辐射基本上以4 m为分界。地球处于辐射平衡状态。在太阳光
20、谱中，可见光区(0.390.75 m)的能量占积分能量的44%，紫外区占8%,红外区占48%。第五章 地面和大气中的辐射过程5.1 辐射的基本概念5.2 辐射的物理规律5.3 地球大气与辐射的相互作用5.4 太阳辐射在地球大气中的传输5.5 地球大气系统的长波辐射5.6 地面、大气及地气系统的辐射平衡5.3.1 大气对辐射吸收的物理过程5.3.2 大气吸收光谱5.3.3 大气对辐射的散射5.3.4 辐射能在介质中的传输5.3 地球大气与辐射的相互作用吸收投射到介质上面的辐射能中的一部分被转变为物质本身的内能或其他形式的能量。辐射在通过吸收介质向前传输时,能量就会不断被削弱;介质则由于吸收了辐射
21、能而被加热,温度升高.(1)分子光谱气体分子或原子内的电子能级跃迁，原子和分子的振动、转动能级跃迁等，所发射和吸收的辐射谱是非连续性的，有分离的谱线和谱带组成，构成原子的线光谱和分子的带光谱。1.大气分子的选择吸收(1)分子光谱任何单个分子内含的能量:Ee：大部分是围绕各个原子核轨道运动的电子的能量（动能和静电势能），Ev ：一小部分是各原子在其分子平均位置周围的振动能量Er ：分子绕其质量中心转动的能量.分子的吸收光谱和辐射光谱必然是一致的。rveEEEE1.大气分子的选择吸收(1)分子光谱辐射频率及波数与能量改变的关系rverververvevvvhcEEEvfffhEEEf/ )(/ )
22、(1.大气分子的选择吸收得到辐射频率f和波数v即为分子吸收谱线或辐射谱线的位置。(1)分子光谱分子光谱包括电子光谱、振动光谱和转动光谱。仅有电子能级跃迁，光谱带在X谱线、紫外线和可见光部分；仅有振动能级跃迁，光谱带在近红外部分；仅有转动能级跃迁，光谱带在红外和微波波段部分。1.大气分子的选择吸收大气中含量最多的是N2和O2分子对称电荷分布，不具有电偶极子结构，无振动或转动谱吸收和发射谱有电子轨道跃迁所造成，因而位于紫外和可见光辐射区。大气中吸收长波辐射的主要是CO2、水汽和O3CO2分子以C原子为中心线型对称，没有转动带，15m的振动带（范围从1218 m ）是CO2在红外区的主要吸收带。4.
23、3 m带是一个很窄而非常强的的吸收带。水汽是极性分子，转动和振动态结合，吸收谱复杂而不规则，6.3 m带H和2.7 m吸收区。O3分子的振动转动带中比较重要的是9.6 m吸收带。1、自然增宽：没有任何外界因素作用，谱线本身也必然具有一定的宽度，这是由于能级具有一定的宽度造成的（测不准原理）。谱线增宽谱线增宽2、压力加宽(碰撞加宽)在对流层和平流层大气中，由于分子、原子或离子处于不断的无规则运动中，频繁碰撞的结果导致发射辐射的位相发生无规则变化，而使谱线加宽。压力加宽与T、P有关，由于大气压力的变化比温度的变化大得多，碰撞加宽的谱线宽度随压力的变化是主要的谱线增宽3、Doppler增宽由作热运动
24、的分子发射辐射的Doppler频移引起。分子不停地向各个方向以不同速度作无规则运动，即使每个分子所发射的辐射频率相同，但因相对速度的原因使不同运动速度的分子的辐射之间有一定的频率差异，从而引起辐射谱线有一定程度的增宽。与T有关，与P无关1.大气分子的选择吸收(2)吸收系数吸收截面：单个离子所吸收的辐射能相当于面积 从入射辐射场中所截获的辐射能。单位体积中各个粒子吸收截面之和称为体积吸收系数：某一波数处的体积吸收系数，是所有谱线在该处的叠加作用的总和：abababNkNiivabvabkk1,分子由于要分裂为原子而吸收足够的辐射；不稳定的原子由于要互相结合成较稳定的分子而释放多余的辐射能。在光化
25、反应过程中，电磁辐射的吸收或发射在供给和取走能量方面起着决定性的作用。在地球大气中，大多数光化反应都需要有紫外辐射和可见光辐射。 2. 光化反应和光致电离Photochemical ReactionsAbsorption of radiation causes molecule to break down into atomic componentsO2 + hn = O + OPhotochemical ReactionsCan occur at a continuum of wavelengthsShorter wavelengths with sufficient energyO2 +
26、hn = O + O .2424 mm任何原子都能被波长非常短的辐射所电离。具有足够能量的光子把电子从绕原子核旋转的外层轨道上剥离开来，这种过程称为光致电离。要求辐射具有低于一定的临界波长的连续波。引起电离的辐射波长通常小于0.1m 。2. 光化反应和光致电离PhotoionizationAtoms that are ionizied by high energy radiation+PhotoionizationPhotons strip outer electrons from its orbitOccurs at a continuum of wavelengths .1 mm5.3 地
27、球大气与辐射的相互作用5.3.1 大气对辐射吸收的物理过程5.3.2 大气吸收光谱5.3.3 大气对辐射的散射5.3.4 辐射能在介质中的传输大气吸收光谱大气透明窗大气光谱窗大气中的O2和O3把太阳辐射中小于0.29m 的紫外辐射几乎全部都吸收了。在可见光区，大气的吸收很少，只有不强的吸收带。在红外区，主要是水汽的吸收，其次有CO2和CH4的吸收。在14m 以外，大气可以看成是近于黑体，地面发射的大于14m 的远红外辐射全部被吸收，不能透过大气传向空间。在812m波段，大气的吸收很弱，被称为大气的透明窗或大气光谱窗。只有9.6 m附近臭氧有一个较强的吸收带，臭氧主要分布在高空，这一吸收带对由大
28、气上界向外的辐射有明显作用。大气窗区对地气系统的辐射平衡有十分重要的意义：地表温度约300K，与此温度向对应的黑体辐射能量主要集中在10 m这一范围，大气对这一波长范围的辐射少有吸收，地面发出的长波辐射透过这一窗口被发送到宇宙空间。散射现象的本质气体分子以及气溶胶粒子由电子和带正电的质子组成，当电磁波照射到气体分子和气溶胶粒子后，正负电荷中心产生变异而构成电偶极子或多极子，并在电磁波激发下作受破振动，向个方向发射次生电磁波。波长与原始波相同，并且与原始波有固定的相位关系。5.3.3 大气对辐射的散射r为粒子尺度为波长散射过程的分类/2 r瑞利(Rayleigh)散射： 1，即r ； 气体分子对
29、可见光的散射属于瑞利散射。米(Mie)散射：0.1 50，r 。 大雨滴对可见光的散射。散射削弱系数用散射截面 表示一个粒子的散射能力。体积散射削弱系数为单位体积中各粒子散射截面之和： 对于不同大小的气溶胶散射粒子：大气对辐射散射削弱作用的强弱取决于气溶胶散射粒子的数密度各个散射粒子的散射截面。scNiiscsck1,0)(),(drrnmrkscsc 瑞利散射4423sc,13)1(32CNmk460sc,100563. 1k00sc,sc,kk标准状态下体积散射消弱系数体积散射削弱系数与波长的4次方成正比，波长越短，分子散射削弱越强。可见蓝光的散射比红光强9倍以上，这就是晴空天空呈蓝色的原
30、因。太阳的直接辐射光在通过地球大气时，由于分子散射对蓝光的削弱要远大于对红光的削弱，从而是人们看到的日盘颜色向红色偏移。密度为 的空气米散射（大颗粒散射）米散射讨论大粒子的散射过程；假设粒子是球状的且球体的介质是均匀的。是球粒子散射的通用理论。散射效率因子粒子的散射截面积与粒子几何截面之比2rQscsc5.3 地球大气与辐射的相互作用5.3.1 大气对辐射吸收的物理过程5.3.2 大气吸收光谱5.3.3 大气对辐射的散射5.3.4 辐射能在介质中的传输布格郎伯(Bouguer-Lambert)定律仅适用于单色辐射的指数削弱规律可适用于任何原因引起的辐射衰减a ,ddbEEkl1a .0d,0e
31、bkllEEa ,ddbEEkl1a .0d,0ebkllEE辐射传输的有关物理量(1)光学厚度(optical depth或optical thickness)定义：沿辐射传输路径，单位截面上所有吸收和散射物质产生总削弱，是量纲一的量（原称无量纲量）。辐射传输的有关物理量(2)光学质量(optical mass)定义:辐射束沿传输路径在单位截面气柱内所吸收或散射的气体质量。llu0d00duzH0dlsul海平面以上整层大气的光学质量标准状态下吸收或散射气体的厚度lndlTTppu000订正光学质量辐射传输的有关物理量(3)单色透过率通过一段大气路径的透过率为前后辐射通量密度之比；习惯上将整层大气在垂直方向的透过率称为透明系数。单色辐射透明系数为：0,0eekulEE)0( eP单色吸收率若大气路径内仅有吸收作用，则吸收率为当吸收物质很少时0,11ekuA 0,0,0,1e1 (1)kuAkuku 辐射传输的有关物理量(4)
