地面辐射与大气辐射.ppt

大气科学概论 大气科学概论王伟 第二章大气的热能和温度 太阳辐射地面和大气的辐射大气的增温和冷却大气温度随时间的变化大气温度的空间分布 太阳辐射 一 辐射的基本知识二 太阳辐射 第二章大气的热能和温度 太阳辐射地面和大气的辐射大气的增温和冷却大气温度随时间的变化大气温度的空间分布 地面和大气的辐射 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 地面和大气的辐射 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 一 地面 大气的辐射和地面有效辐射 下垫面 大气的直接热源太阳辐射虽然是地球上的主要能源 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 必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 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 地面和大气辐射的表示地面和大气都按其本身的温度向外放出辐射能 由于它们不是绝对黑体 运用斯蒂芬 波耳兹曼定律 可写成如下形式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 大气相对辐射率如地面温度为15 以 0 9 则可算得同样 当地面温度为15 根据维恩定律可算得即该温度下地面最强的辐射能位于波长10 m左右的光谱范围内 一 地面 大气的辐射和地面有效辐射 一 地面 大气的辐射和地面有效辐射 二 地面和大气长波辐射的特点1 大气对长波辐射的吸收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 地面长波辐射在8 12 m范围中放射能力较强 而水不吸收 臭氧吸收窄 因此此波段全部透过大气层 在高空看地面在此波段开了一个 天窗 因此此波段称为 大气窗 大气窗存在的意义 此波段是地面辐射强区 约占20 可利用红外辐射观测此波段的辐射强弱 推断地表温度的变化 9 6 m附近狭窄的臭氧吸收带 透明度最大大气窗口 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 一 地面 大气的辐射和地面有效辐射 水汽对长波辐射的吸收最为显著 除8 12 m波段的辐射外 其它波段都能吸收 并以6 m附近和24 m以上波段的吸收能力最强 液态水对长波辐射的吸收性质与水汽相仿 只是作用更强一些 厚度大的云层表面可当作黑体表面 二氧化碳有两个吸收带 中心分别位于4 3 m和14 7 m 第一个吸收带位于温度为200 300K决渎很替的放射能量曲线的末端 其作用不大 第二个吸收带从12 9 17 1 m 比较重要 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 一 地面 大气的辐射和地面有效辐射 一 地面 大气的辐射和地面有效辐射 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 一 地面 大气的辐射和地面有效辐射 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 38 一 地面 大气的辐射和地面有效辐射 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 一般情况下 在湿热的天气条件下 有效辐射比干冷时小 有云覆盖时比晴朗天空条件下有效辐射小 空气混浊度大时比空气干洁时有效辐射小 在夜间风大时有效辐射小 海拔高度高的地方有效辐射大 当近地层气温随高度显著降低时 有效辐射大 有逆温时有效辐射小 甚至可出现负值 此外 有效辐射还与地表面的性质有关 平滑地表面的有效辐射比粗糙地表面有效辐射小 有植物覆盖时的有效辐射比裸地的有效辐射小 一 地面 大气的辐射和地面有效辐射 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 但由于水汽和云的影响使有效辐射的最大值不一定出现在盛夏 我国秦岭 淮河以南地区有效辐射秋季最大 春季最小 华北 东北等地区有效辐射则春季最大 夏季最小 这是由于水汽和云况的影响 地面和大气的辐射 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 二 地面及地气系统辐射差额 地面和大气因辐射进行热量的交换 其能量的收支状况 是由短波和长波辐收支作用的总和来决定的 物体收入辐射能与支出辐射能的差值称为净辐射或辐射差额 即 辐射差额 收入辐射 支出辐射在没有其它方式进行热交换时 辐射差额决定物体的升温或降温 辐射差额不为零 表明物体收支的辐射能不平衡 会有升温或降温产生 辐射差额为零时 物体的温度保持不变 二 地面及地气系统辐射差额 一 地面的辐射差额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 二 地面及地气系统辐射差额 显然 地面辐射能量的收支 决定于地面的辐射差额 当Rg 0时 即地面所吸收的太阳总辐射大于地面的有效辐射 地面将有热量的积累 当Rg 0时 则地面因辐射而有热量的亏损 影响地面辐射差额的因子很多 除考虑到影响总辐射和有效辐射的因子外 还应考虑地面反射率的影响 反射率是由不同的地面性质决定的 所以不同的地理环境 不同的气候条件下 地面辐射差额值有显著的差异 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 二 地面及地气系统辐射差额 二 地面及地气系统辐射差额 地面辐射差额的时间变化 地面辐射差额具有日变化和年变化 一般夜间为负 白天为正 由负值转到正值的时刻一般在日出后1h 由正值转到负值的时刻一般在日落前1 1 5h 在一年中 一般夏季辐射差额为正 冬季为负值 最大值出现在较暖的月份 最小值出现在较冷的月份 地面辐射差额的地理变化 辐射差额的年振幅随地理纬度的增加而增大 对同一地理纬度来说 陆地的年振幅大于海洋的年振幅 全球各纬度绝大部分地区地面辐射差额的年平均值都是正值 只有在高纬度和某些高山终年积雪区才是负值 就整个地球表面平均来说是收入大于支出的 也就是说地球表面通过辐射方式获得能量 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 二 地面及地气系统辐射差额 二 地面及地气系统辐射差额 二 大气的辐射差额大气的辐射差额可分为整个大气层的辐射差额和某一层大气的辐射差额 Ra整个大气层的辐射差额qg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 F F0 qa F F0 所以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 二 地面及地气系统辐射差额 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 这种辐射差额的多年平均应为零 因观测表明 整个地球和大气的平均温度多年来是没有什么变化 也就说明了整个地 气系统所吸收的辐射能量和放射