地面和大气的辐射.ppt

1 气象学与气候学 气象学与气候学 大气科学学院 2009年9月 2 2 2地面辐射与大气辐射 一 地面 大气的辐射和地面有效辐射 二 地面及地气系统辐射差额 3 下垫面 大气的直接热源 大气吸收太阳直接辐射很少 下垫面 水 陆 植被等地球表面 却能大量吸收太阳辐射 并供给大气 在研究大气热状况时 须了解地面和大气之间交换热量的方式及地 气系统的辐射差额 4 大气对太阳短波辐射吸收很少 但对地面的长波辐射却能强烈吸收 通过长波辐射 地 气之间 以及大气中气 气之间 相互交换热量 并也将热量向宇宙空间散发 一 地面 大气的辐射和地面有效辐射 5 一 地面和大气辐射的表示 地面和大气不是绝对黑体Eg T4 地面的辐射能力 地面相对辐射率Ea T4 大气的辐射能力 大气相对辐射率 6 长波辐射 当地面温度为15C时 根据维恩定理 定义 地表面的实际平均温度约为300K 对流层大气的平均温度约为250K 在这样的温度条件下 地面和大气的辐射能主要集中在3 120微米的波长范围内 均为肉眼所不能看见的红外辐射 这比太阳辐射的波长 0 15 4微米 要长得多 因此 气象学上把地面和大气的辐射称为长波辐射 7 二 地面和大气长波辐射的特点 大气中对长波辐射的吸收起重要作用的成分有水汽 液态水 二氧化碳和臭氧等 它们对长波辐射的吸收同样具有选择性 1 大气对长波辐射的吸收 8 9 6 m附近狭窄的臭氧吸收带 地面放射的14 m以上的远红外辐射 几乎能全部吸收 故此带可以看成近于黑体 大气窗口 9 大气窗口 是指太阳辐射通过大气层未被反射 吸收和散射的那些透射率高的光辐射波段范围 10 大气窗口主要有 0 3 1 3 m 即紫外 可见光 近红外波段 这一波段是摄影成像的最佳波段 也是许多卫星传感器扫描成像的常用波段 比如 Landsat卫星的TM的1 4波段 SPOT卫星的HRV波段等 1 5 1 8 m 2 0 3 5 m 即近 中红外波段 在白天日照条件好的时候扫描成像常用这些波段 比如TM的5 7波段等用以探测植物含水量以及云 雪或用于地质制图等 11 大气窗口主要有 3 5 5 5 m 即中红外波段 物体的热辐射较强 这一区间除了地面物体反射光谱反射太阳辐射外 地面物体也有自身的发射能量 比如 NOAA卫星的AVHRR传感器用3 55 3 93 m探测海面温度 获得昼夜云图 12 大气窗口主要有 8 14 m 即远红外波段 主要来自物体热辐射的能量 适于夜间成像 测量探测目标的地物温度 0 8 2 5cm 即微波波段 由于微波穿云透雾的能力 这一区间可以全天候工作 而且由其他窗口区间的被动遥感工作方式过渡到主动遥感的工作方式 如侧视雷达影像 Radarsat的卫星雷达影像等 其常用的波段为0 8cm 3crn 5cm 10cm 有时也可将该窗口扩展为0 05cm至300cm波段 13 2 大气中长波辐射的特点 长波辐射在大气中的传输过程与太阳辐射的传输有很大不同 第一 太阳辐射中的直接辐射是作为定向的平行辐射进入大气 地面和大气辐射是漫射辐射 第二 太阳辐射在大气中传播时 仅考虑大气对太阳辐射的削弱作用 而未考虑大气本身的辐射的影响 这是因为大气产生的短波辐射是极其微弱的 长波辐射在大气中的传播时 不仅要考虑大气对长波辐射的吸收 而且还要考虑大气本身的长波辐射 第三 大气对太阳辐射有散射作用长波辐射在大气中传播时 可以不考虑散射作用 这是由于大气中气体分子和尘粒的尺度比长波辐射的波长要小得多 散射作用非常微弱 14 三 大气逆辐射和地面有效辐射 1 大气逆辐射和大气保温效应大气辐射指向地面的部分称为大气逆辐射 大气逆辐射使地面因放射辐射而损耗的能量得到一定的补偿 由此可看出大气对地面有一种保暖作用 这种作用称为大气的保温效应 15 巴山夜雨唐 李商隐君问归期未有期 巴山夜雨涨秋池 何当共剪西窗烛 却话巴山夜雨时 16 其中之一的原因是 西南山地潮湿多云 夜间 密云蔽空 云层和地面之间 进行着多次的吸收 辐射 再吸收 再辐射的热量交换过程 因此云层对地面有保暖作用 也使得夜间云层下部的温度不至于降得过低 夜间 在云层的上部 由于云体本身的辐射散热作用 使云层上部温度偏低 这样 在云层的上部和下部之间便形成了温差 大气层结构趋向不稳定 偏暖湿的空气上升形成降雨 17 大气逆辐射和保温效应 太阳辐射 地面吸收太阳辐射 大气吸收 地面增温 地面吸收大气逆辐射 大气辐射 大气吸收 地面保温 地面辐射 地面 宇宙吸收 大气上界 地面降温 18 大气逆辐射的作用 其值的大小 决定了地表得到热能补偿的多少 因此其对地面有保温作用 地球 无大气 T 23 有大气 T 15 月球 白天 T 127 夜晚 T 183 19 2 地面有效辐射 地面放射的辐射 Eg 与地面吸收的大气逆辐射 Ea 之差 称为地面有效辐射 以F0表示 则F0 Eg Ea 影响有效辐射的主要因子有 地面温度 空气温度 空气湿度和云况 20 有效辐射的时间变化 有效辐射具有明显的日变化和年变化 其日变化具有与温度日变化相似的特征 在白天 由于低层大气中垂直温度梯度增大 所以有效辐射值也增大 中午12 14时达最大 而在夜间由于地面辐射冷却的缘故 有效辐射值也逐渐减小 在清晨达到最小 当天空有云时 可以破坏有效辐射的日变化规律 有效辐射的年变化也与气温的年变化相似 夏季最大 冬季最小 21 二 地面及地 气系统的辐射差额 辐射差额 收入辐射 支出辐射 22 地面由于吸收太阳总辐射和大气逆辐射而获得能量 同时又以其本身的温度不断向外放出辐射而失去能量 某段时间内单位面积地表面所吸收的总辐射和其有效辐射之差值 称为地面的辐射差额Rg 表示单位水平面积 单位时间的辐射差额 Rg Q q 1 a F0式中 Q q 是到达地面的太阳总辐射 即太阳直接辐射和散射辐射之和 a为地面对总辐射的反射率 F0为地面的有效辐射 一 地面的辐射差额 23 辐射差额各分量的日变化 地面辐射和有效辐射曲线对正午来说是不对称的 因为地表最高温度出现在13时左右 辐射差额负值 辐射差额正值 辐射差额负值 24 地面辐射差额特点 时空分布 1 一天之中Rg的大小决定于太阳的总辐射 2 年变化特点 随纬度增加Rg 0的时间就减少 25 二 大气的辐射差额 大气的辐射差额 整层大气辐射差额 Ra 某一层大气辐射差额 qa 整个大气层所吸收的太阳辐射 F0 地面有效辐射 F 大气上界有效辐射 Ra qa F0 F 26 二 大气的辐射差额 Ra qa F0 F F F0 qa F F0 Ra是负值大气要维持热平衡 还要靠地面以对流及潜热释放等来输送一部分热量给大气 27 三 地 气系统的辐射差额 如果把地面和大气看作为一个整体 其辐射能的净收入为Rs Q q 1 a qa F Q q是到达地面的太阳总辐射qa大气所吸收的太阳辐射F 大气上界的有效辐射a为地面对总辐射的反射率就个别地区来说 地气系统的辐射差额既可以为正 也可以为负 但就整个地气系统来说 这种辐射差额的多