第一节 地球大气的能量来源

1、第二章第二章 千变万化的天气现象千变万化的天气现象1 地球大气的能量来源三个主要内容（1）电磁波谱（2）大气对太阳辐射传播的影响（3） 长短波辐射能量分配 1.1 电磁波谱 太阳能以电磁波的形式到达地球。 电磁波是一种能在宇宙空间传播的能量形式，一般依据波长或频率来分类。 能量以电磁波的形式传递称为辐射（radiation）。 1.1 电磁波谱 太阳光谱是连续的，且辐射特性与绝对黑体辐射特性近似； 能量各波段所占比例不同，近紫外、可见光、近红外和中红外部分约占太阳总辐射的84.62%；X射线、射线、远紫外、远红外及微波波段的总能量不到1%。 地表接受的太阳辐射曲线与大气外的曲线不同，差异主要由

2、大气引起。 吸收：水、氧、臭氧、二氧化碳等；散射。1.2 大气对太阳辐射传播的影响 折射 反射 吸收 散射1.2 大气对太阳辐射传播的影响主要吸收带：水汽： 0.94 m ， 1.13 m ，1.38 m ， 1.86 m ， 2.5-3.0 m ， 3.24 m ， 5-7 m ，7.13 m ，24 m以上（微波）；二氧化碳：2.8 m ，4.3 m臭氧：0.2-0.32 m ，0.6 m ，9.6 m氧气：0.2 m ，0.6 m ，0.76 m1.2 大气对太阳辐射传播的影响散射：辐射在传播过程中遇到小微粒而使传播方向改变，散射：辐射在传播过程中遇到小微粒而使传播方向改变，并向各个方向

3、散开。其实质是电磁波的衍射。并向各个方向散开。其实质是电磁波的衍射。由于粒子的散射作用使电磁波在原传播方向上的由于粒子的散射作用使电磁波在原传播方向上的辐射强度减弱，增加了向其它各方向的辐射辐射强度减弱，增加了向其它各方向的辐射三种散射类型：三种散射类型： 瑞利散射瑞利散射 米氏散射米氏散射 无选择性散射无选择性散射I-4I-21.2 大气对太阳辐射传播的影响瑞利散射率与波长的四次方成反比，因此，瑞利散射的强度随着波长变短而迅速增大。紫外线是红光散射的30倍，0.4微米的蓝光是4微米红外线散射的1万倍（多波段中不使用蓝紫光的原因） 瑞利散射对可见光的影响较大，对红外辐射的影响很小，对微波的影响

4、可以不计。瑞利散射1.2 大气对太阳辐射传播的影响 大气中的微粒如烟、尘埃、小水滴及气溶胶等引起的散射，粒子直径与辐射的波长相当。这种散射的强度对气候影响大。 米氏散射的散射强度与波长的二次方成反比， 即 I-2 且散射光的向前方向比向后方向的散射强度更强，方向性较明显 云雾对红外线（0.76-15 m ）的散射主要氏米氏散射云、雾的粒子大小与红外线的波长接近，所以云雾对对红外线的米氏散射不可忽视。米散射(Mie scattering)1.2 大气对太阳辐射传播的影响 大气中的微粒如烟、尘埃、小水滴及气溶胶等引起的散射，粒子直径与辐射的波长相当。这种散射的强度受气候影响大。 米散射的散射强度与

5、波长的二次方成反比， 即 I-2 且散射光的前向散射比后向散射强度更强，方向性较明显 云雾对红外线（0.76-15 m ）的散射主要是米散射。 云、雾的粒子大小与红外线的波长接近，所以云雾对对红外线的米散射不可忽视。米散射(Mie scattering)（水汽与霞光）1.2 大气对太阳辐射传播的影响发生在大气粒子的直径比波长大得多时。散射的特点时散射强度与波长无关，任何波长的散射强度相同无选择性散射(Non-selective scattering)1.2 大气对太阳辐射传播的影响 散射强度遵循的规律与波长密切相关。在大气状况相同时，同时会出现各种类型的散射。 对于大气分子、原子引起的瑞利散射

6、主要发生在可见光和近红外波段。波长超过1m 后，瑞利散射的影响大大减弱，而米氏散射的影响逐渐超过瑞利散射。 大气中的云层、小雨滴等，由于直径较大，对不同波长产生不同散射作用。对于可见光而言只有无选择性散射发生 , 云层越厚无选择散射越强。云雾对红外线（0.76-15 m ）的散射主要是米氏散射；对于微波而言，粒子的直径比微波波长小很多，则属于瑞利散射的类型，散射强度与波长四次方成反比，波长越长，散射强度越小。在这一条件下，微波探测便可以发挥优越性，将有最小散射、最大透射，而具有“穿云透雾”的能力。散射特征总结主要发生在云层顶部取决于云量和云雾，且波段不同大气影响不同，削弱了电磁波强度大气反射1

7、.2 大气对太阳辐射传播的影响电磁波穿过大气层时，会产生传播方向改变，即折射现象。大气密度越大，折射率越大；离地面高度越大，空气越稀薄，折射率越小。地面接收的电磁波方向与实际太阳辐射方向偏离了一个角度，称为折射值。折射折射改变了太阳辐射的方向，并不改变太阳辐射的强度。1.2 大气对太阳辐射传播的影响大气折射大气折射对电磁波传播的影响？电磁波通过大气层时较少被反射、吸收或散射的透过率较高的波段，称为大气窗口。太阳辐射经过大气传输后，主要是反射、吸反射、吸收和散射收和散射的共同影响衰减了辐射强度，剩余部分即为透过透过部分。1.2 大气对太阳辐射传播的影响 遥感传感器只能选择透过率较高的波段透过率较

8、高的波段才有意义。（反照率， 反演）0.3-1.3m：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。1.5-1.8m, 2.0-3.5m，即近、短波、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。3.5-5.5m，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。如NOAA卫星的 AVHRR传感器用3.55-3.93m探测海面温度，获得昼夜云

9、图。8-14m，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至更长, 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。而且工作方式为主动遥感。其常用的波段为0.8cm，3cm，5cm, 10cm等等, 有时也可将该窗口扩展为0.05cm至300cm 波段。主要的大气窗口光谱段1.2 大气对太阳辐射传播的影响1.3 辐射能量分配38地面辐射平衡？大气辐射平衡？1.3 辐射能量分配地气系统辐射差额 收入部分是地面和大气吸收的太阳辐射；支出部分为发射到宇宙空间去的地面和大气的长波辐射 地气系统辐射平衡随纬度增高由正值变为负值，在35S35N之间为正值，在此范围以外的中、高纬度地区则为负值。 辐射平衡的这种分布正是引起高低纬度之间大气环流和洋流产生的基本原因。 1.3 辐射能量分配1.3 辐射能量分配 在一定地理环境中形成、发展和演变的天气系统是天气变化的主要原因。 比如极地和高纬地区，终年严寒、干燥。这一环境特性成为极地和高纬地区