AP长波辐射与辐射平衡PPT课件

1、第五章第五章地面和大气中的辐射过程地面和大气中的辐射过程5.5 地球地球大气系统的长波辐射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地面、大气及地气系统的辐射平衡第1页/共22页 接合前面内容掌握吸收率、比辐射率概念 比较地面长波、短波吸收率的不同特点 地面对于长波辐射的吸收率接近常数，可作为灰体，但对短波辐射的吸收率较低，且随波长变化大。 理解（5.5.1)(5.5.2)式 5.5.1 地面的长波辐射特性表表 5.12 地地面面长长波波辐辐射射吸吸收收率率（或或比比辐辐射射率率） 表面种类 土壤 沙土 岩石 沥青路 土路 植被 海水 纯水 陈雪 雪 吸收率 0.95 0.97

2、0.91 0.95 0.82 0.93 0.956 0.966 0.95 0.98 0.96 0.993 0.97 0.995 第2页/共22页 设地表温度为设地表温度为Tg，地面的积分出射度应是地面的积分出射度应是 或以地面比辐射率或以地面比辐射率eg 表示，为表示，为 陆地表面可看作朗伯面；而平静的水面因有反射，则不能当作朗伯面处理。陆地表面可看作朗伯面；而平静的水面因有反射，则不能当作朗伯面处理。 4ggTAF (5.5.1) 4ggTF (5.5.2) 第3页/共22页大气的长波辐射性质(分别与短波对比)1: 太阳直接辐射地球与大气的红外辐射；2: 大气对长波辐射的散射削弱极小,一般只

3、考虑吸 收作用；3: 大气的吸收和放射须同时考虑。长波辐射在大气中传输是一种漫射辐射，是在无散射但有吸收，放射的介质中的传输。5.5.2 长波辐射在大气中传输第4页/共22页5.5.2 长波辐射在大气中传输 理解并能写出Schwarzchild 方程（5.5.3) (5.5.4) (5.5.7)式，理解（5.5.8) 式中各项含义 吸收+放出 总变化（5.5.3） Z坐标下方程（5.5.4） 光学厚度坐标 方程（5.5.7） 解方程 结果（5.5.8）lkLlLkLLAdddab,ab,lTBkTBAd)()(ab,zTBLkLdsec)(dab,)(ddab,TBLkzL)(ddTBLL第5

4、页/共22页方程的解的形式为a)(5.5.8b) 在已知吸收物质的吸收系数和光学厚度以及介质的温度分布以后，可以从理论上计算大气中辐射场的分布。 000de)(),(e),()(0)(TBLL00de)(e),()()(0TBL0de)(), 0(e),(TBLL0) (de)(e), 0(TBL第6页/共22页 掌握漫射透过率、漫射因子的概念，理解（5.5.12) 、（5.5.16) 式 只考虑气层的吸收削弱 由地面到Za)得 利用（5.1.5） 可求出在在Z高度上的辐照度高度上的辐照度E ( ) 定义地面至地面至Z处气层的处气层的漫射透过率 5.5.2 长波辐射在大气中传输,secabdL

5、kLdz ,abdkdz /dLL d 0()/0( ,)()LLe ,f2/200cos sinELd d de2)()(1000E10)(00, fde2)()()(0EE第7页/共22页 对比平行辐射透过率和漫射透过率表达示形式,若要把漫若要把漫射辐射当作平行辐射处理，射辐射当作平行辐射处理，应当将其光学厚度加大应当将其光学厚度加大1.66 倍。其原理是清楚的，因为倍。其原理是清楚的，因为( 0 ) 是这一层大气的垂直是这一层大气的垂直光学厚度，垂直方向辐射的光学厚度，垂直方向辐射的光学路径最短，而其它方向光学路径最短，而其它方向的路径都要加长，其吸收当的路径都要加长，其吸收当然也增加了

6、。作为对各个方然也增加了。作为对各个方向的积分，其最终效果是加向的积分，其最终效果是加大大 1.66 倍，因此也有人把倍，因此也有人把 称为称为漫射因子漫射因子 第8页/共22页掌握OLR(Outgoing Longwave Radiation )概念，理解（5.5.21) 式各项意义，结合（5.5.8) 式。假定地面为黑体，温度为假定地面为黑体，温度为Tg，则有边条件：则有边条件： = 0处，处，L ( 0)=B (Tg)。根据长波辐射传输方程的通解根据长波辐射传输方程的通解(5.5. 8),大气顶 处向外单色幅亮度为假设大气放射是假设大气放射是各向同性各向同性的，对的，对半球空间积分半球空

7、间积分以后，可得到大以后，可得到大气上界的单色辐射通量密度气上界的单色辐射通量密度（5.5.18）5.5.3 大气顶射出的长波辐射00)(g000de)()(e), 0(TBTBL000gde)(e)(TBTB 2020ddsincos), 0()0(LE0001010gdde2)(de2)(TBTB第9页/共22页其中第一项为来自地表的辐射， 第二项为各层大气的辐射和吸收。0f,0f,g0dd)(d)()()()0(TBTBE 1)(f,0f,g0)(d)()()(TBTB (5.5.21) 若求地气系统从大气顶部向外射出的长波辐射（OLR），则需对所有波长积分， 0L,d)0(EE (5.

8、5.22) 第10页/共22页5.5.3 大气顶射出的长波辐射 在推导前面的公式时请特别注意其物理意义:各高度上发射的长波辐射量为该点温度所对应的黑体辐射量乘以其比辐射率（吸收率）。这一辐射在传输到大气上界时要受到它上部这层大气的吸收衰减。大气层顶部的出射辐射是地面和各层大气辐射之和。地球大气顶部总的长波出射辐射（OLR）为各波长出射辐射之和。第11页/共22页 掌握净辐射、辐射差额概念 系统或物体收入辐射能与支出辐射能的差值 辐射差额=辐射收入-辐射支出5.6 地气系统辐射平衡第12页/共22页5.6 地气系统辐射平衡推导地气系统平衡时的有效温度（5.6.2），说明其与地球表面平均温度相差3

9、3度的原因 接受太阳辐射： 地气系统发射： 在地在地气系统达到辐射平衡时，有气系统达到辐射平衡时，有 有效温度20(1)srR244erT255eTk40e41RST4e2204)1 (TrRrS第13页/共22页5.6 地气系统辐射平衡 掌握大气保温效应、温室效应的概念，理解图5.24和（5.6.3）式 大气层让短波辐射通过，但对长波有吸收，使地面保持较高温度。温室效应的辐射平衡模式（p109）440aLgL440saLg11414SRTATASRATAT0s4gL0sLs4aLL2142(1)42SRATASAARATAA第14页/共22页 取AL ，As，R=0.3 代入（）后，有 Tg

10、 = 278.6 K，Ta = 247.7 K。 可见，大气层的存在使地面平衡温度高于全球的有效温度，而大气层的平均温度却低于全球的有效温度。 第15页/共22页5.6 地气系统辐射平衡 理解以下概念：地面短波（长波）净辐射通量密度（5.6.12）（5.6.18）、大气逆辐射、地面有效辐射（5.6.19） 大气逆辐射 = 入射到地面的长波辐射 由两部分组成 1：大气本身的热辐射 2：云的热辐射 （许多经验公式: Brunt、Swinbank、赵文广）(p111)*S,0S,0S,0*L,0L,0L,0EEEEEE*0S,0L,0EEE*S,0gS,01ERE(5.6.12)第16页/共22页5

11、.6 地气系统辐射平衡 地面长波辐射 = + 地面发射 地面反射 地面长波净辐射 = 一般情况， 定义地面有效辐射 地球表面的辐射差额（净辐射）就是地面所吸收的太阳短波辐射和地面放出的有效辐射（长波）之差。在白天无云条件下，E0*是正值，地面升温；而在夜间，因无太阳辐射，E0*是负值，则地面降温。L,0E4ggT L,0(1)gE*L,0E4L,0()ggTEL,0EL,0E*0L,0EE 由以上讨论得地面的净辐射通量（包括短波和长波）为 )(10L,4ggg0S,*0ETREE (5.6.20) 或 0g0S,*01EREE (5.6.21) 第17页/共22页5.6 地气系统辐射平衡 理解图5.25（p113）内陆和海洋比较（1）：洋面反射小-有效辐射小-辐射差额大（2）：内陆温度变化大-有效辐射变化大第18页/共22页