大气科学概论ch4radiation

Chapter4RadiativeTransfer

主要研究大气中辐射传输的基本规律和物理过程，以及地球大气系统的辐射能量收支问题，地球大气系统能量的主要来源是太阳的辐射能，它从根本上决定了地球、大气热状态，从而成为制约大气运动和其它大气过程的能量，是产生各种大气物理、大气化学过程和天气现象的根本原因，也是气候形成的重要因子之一。研究内容4.1TheSpectrumofRadiationElectromagneticradiationshortwave2(λ<4μm)longwave(λ>4μm)visibleregion(0.39~0.76μm)nearinfraredregion(0.76~4μm)isdominatedbysolarradiation,whiletheremainderoftheinfraredregionisdominatedbyterrestrialradiation:hence,thenearinfraredregionisincludedintheterm"shortwaveradiation".电磁波谱可见光电磁波谱颜色紫青蓝绿黄橙红波长范围[μm]0.390~0.4550.455~0.4850.485~0.5050.505~0.5750.575~0.5850.585~0.6200.620~0.760典型波长[μm]0.4300.4700.4950.5400.5800.6000.6404.2QuantitativeDescriptionofRadiation辐射能：以辐射方式传递的能量，单位为焦耳(J)辐射通量P：它表示单位时间传递的辐射能单位为焦耳/秒（）或瓦(w)。monochromaticfluxdensity(单色辐射通量密度）ormonochromaticirradiance(单色辐射（照）度)Fλ是指单位时间内通过单位面积，波长在λ～λ+dλ之间的辐射能。自放射面射出的辐射通量密度称为辐射度。到达接收面的辐射通量密度称为辐照度fluxdensity(辐射通量密度)F：是指单位时间内通过单位面积的辐射能。

monochromaticradianceIλ辐射率I

：单位时间内，通过垂直于给定方向上单位面积的单位立体角内的辐射能。立体角的概念:锥体所拦截的球面积σ与半径r的平方之比，单位为球面度（sr：Steradian）定义：整个球形所张立体角为4π[sr]。立体角假定辐射是各向同性的(I=常数)

F=πI

若某点处的辐射率都不随方向而变，则称该点处的辐射为各向同性辐射(isotropic)。均匀辐射L与观测位置（x,y,z）无关（L是观测位置的函数—非均匀辐射）定常辐射L与时间t无关（L与时间t的函数—非定常辐射）天顶角和高度角高度角天顶角inversesquarelaw

fluxofsolarradiationEs物体既向外辐射能量，也会吸收外界的辐射能量。物体放出的辐射等于吸收的辐射，它的热状态保持不变，此时称为辐射平衡(radiativeequilibrium)。辐射平衡物体对辐射的吸收，透射和反射

媒介对辐射的三种作用：吸收:反射:透射:Q0QaQrQd=

+

+

a+r+d=1

定义三个无量纲比率：Absorptivity（吸收率)：Reflectivity(反射率)：Transmissivity(透射率)：则有：a=r=d=实际地表反射率水面

水面

森林3~10%田地（绿色）3~15%田地（已开垦的干地）20~25%草地15~30%裸地7~20%沙地15~25%雪地（新雪）80%雪地（陈雪）50~70%冰50~70%2~4%6~40%对不透明的物体a+r=1，吸收率愈大，反射率愈小，反之亦然。物体的吸收率、反射率和透射率大小随着辐射的波长和物体的性质而异。物体这种对不同波长的辐射具有不同的吸收率、反射率和透射率的特性称为物体对辐射的吸收、反射和透射的选择性。4.3BlackbodyRadiation

如果某物体能把投射其上的所有波长的辐射全部吸收，即其吸收率为1，这种物体称为绝对黑体，简称黑体。如果某物体仅对某一波长辐射的吸收率为1，则称该物体为对某波长的黑体。如果物体的吸收率小于1，且不随波长而改变，则这种物体称为灰体。4.3.1Planckfunction

1900年普朗克(M.Plank)依据量子理论导出了黑体辐射随温度T和波长λ的分布函数形式，这就是普朗克定律

MaxKarlErnstLudwigPlanck（1858-1947）德国物理学家，量子力学的开创人其中h为普朗克常数6.62*10-34Js-1K为玻尔兹曼常数1.38*10-23Jk-1 PeakWavelength Max.IntensitySun 0.5micrometers 7.35X107W/m2Earth 10micrometers 390W/m2辐射能量的分布亮温度由探测到的单色辐射率Bλ，根据Planck定律反演得到的温度称为亮温度。Tb亮温度通常应用于地球资源卫星遥感和大气遥感领域。4.3.1Wien’sdisplacementlaw

(维恩位移定律）

维恩

维恩是一位理论、实验都有很高造诣的物理学家。

正象劳厄所评价的那样：“他的不朽的业绩在于引导我们走到量子物理学的大门口”。（1864-1928）德国物理学家1911因发现了热辐射定律或诺贝尔物理学奖。

黑体光谱辐射率极大值对应的波长与绝对温度成反比。其表达式为(微米·开)

辐射体愈热(温度愈高)，所发出的光就愈“白”。

图5.4黑体光谱辐射率曲线最大值连线表示Wein位移定律colortemperature（色温度）由测量到的最大单色辐射通量密度对应的波长值，根据Wein

定律计算得到的温度称为色温度。Tc色温度仅仅表示辐射体的主体颜色。色温度传统应用于冶金工业和高温加热工程领域，随着高温遥感探测技术发展，色温度的直接应用逐渐减少。

4.3.2TheStefan-BoltzmannLaw

（斯蒂芬-玻耳兹曼定律)

1879年Stefan

从热力学实验得出，1884年Boltzmann在理论上给与了证明

：黑体辐射通量密度E0(T)与其自身热力学温度的四次方成正比。

σ=5.67*10-8[Wm-2K-4]

斯蒂芬-玻尔兹曼定律可以从普朗克定律中推导出来。将上式对整个波长积分

equivalentblackbodytemperature

（等效黑体辐射温度）由实际测量到的辐射通量密度，根据Stefan-Boltzmann

定律计算得到的温度称为等效黑体辐射温度。Te研究辐射问题时常用等效黑体辐射温度planetaryalbedo(行星反照率)定义:地球-大气系统的反照率称为行星反照率，它表示射入地球的太阳辐射被大气、云及地面反射回宇宙空间的总百分数。目前认为全球的行星反照率数值可取0.304.3.4radiativepropertiesofnonblack(非黑体）

materialsemissivityελ

(比辐射率):各种自然表面的比辐射率表面比辐射率表面比辐射率干沙0.95青草0.98湿沙0.96水0.95粘土0.93新雪0.99黑土0.95脏雪0.97地面辐射

地面辐射可以近似地看成灰体辐射，根据基尔霍夫定律和斯蒂芬玻尔兹曼定律，地面辐射通量密度可写为

式中FE为与地面同温度的黑体辐射通量密度，TE为地表温度,ε为比辐射率，

在地面通常的温度条件下(－40℃～40℃)，FE的数值在154～525W/M2

。比太阳常数小得多，而与到达地面上的太阳直接辐射通量密度相近。4.3.5Kirchhoff’sLaw(基尔霍夫定律

)研究物体的发射能力与吸收能力之间的关系1859年由基尔霍夫根据实验得到：物体的发射能力与吸收能力之间关系密切，在同一温度下，吸收能力大的物体其发射能力也大；反之亦然。且发射能力是温度和波长的函数。G.R.Kirchhoff（1824-1887）德国物理学家

设有一真空恒温器(温度为T)，放出黑体辐射。代表在温度T，波长λ时的黑体辐射率，在其中用绝热线悬挂一个非黑体物体，它们温度与容器温度一样亦为T，它的辐射率为，吸收率为。这样，非黑体和器壁之间将要达到辐射平衡。器壁放射的辐射能、非黑体放射的辐射能和未被吸收的非黑体反射辐射能，三者达到平衡，则

—(1—

—

=0)

上式就是基尔霍夫定律，也称选择吸收定律。该定律的文字表述如下：在热平衡条件下，一物体放射波长λ的辐射率和该物体对波长λ辐射的吸收率之比值等于同温度、同波长时的黑体辐射率

该定律的意义在于：

1对不同的物体，辐射能力强的物体，其吸收能力也强；辐射能力弱的物体，其吸收能力也弱。

2对同一物体，如果在温度T时，它辐射某一波长的辐射，那么在同一温度下它也吸收这一辐射。如果物体不吸收某波长的辐射，也就不放射这个波长的辐射。物体的辐射能力与黑体辐射能力之比，称作物体的比辐射率又称相对辐射能力，因此基尔霍夫定律还可以写成另一种形式：

=

即物体的吸收率就是它的比辐射率Kirchhoff

定律的物理意义1、将物体的辐射能力与其吸收能力联系起来。而吸收率是可以通过实验测定的；2、将物体的实际辐射能力与黑体的辐射能力联系起来。因此，有关黑体的研究较为深入，其辐射定律可以应用于实际非黑体物体。温室效应4.3.6Thegreenhouseeffect

温室效应温室气体:大气中的主要温室气体包括水汽，CO2，CH4，N2O，CFCs，他们不是大气的主要成分。温室效应同“温室”的保暖效应是不同的。

自然界的温室气体使地球保持适当的温度（平均～15℃），适于人类和生物生存。但是当他们的浓度增加，将会使地球温度升高，改变气候及其他气象要素，特别是降水。温室气体浓度增加，使全球平均地表温度升高，严格地说，这是在自然温室气体浓度之上增加的“增强温室效应”，人们经常把”增强”二字省略，但不应忘记。

地气系统平均发射功率240wm-2

相当黑体温度255K地面发射率390wm-2

相当黑体温度288K温室气体的温室效应33K温室效应在全球能量平衡中的作用自然过程控制下的温室效应使得地表平均温度提高了33°C。地球表面平均温度：15°C

月球表面平均温度：-18°C如果没有温室效应，生命就不可能存在。人类活动造成大气中温室气体的急剧增加，从而加强的温室效应，导致地球系统面临全球增暖的威胁。4.4PhysicsofScatteringandAbsorptionandEmission散射是指每一个散射分子或散射质点将λ射的辐射重新向各方辐射出去的一种现象。Kλisthe(dimensionless)scatteringorabsorptionefficiencyρisthedensityoftheairristhemassoftheabsorbinggasperunitmassofairρristhedensityoftheabsorbinggaskλisthemassabsorptioncoefficient,whichhasunitsofm2kg−1.ρrkλarevolumescattering,theunitism−Scatteringbyairmoleculesandparticlessizeparameter(尺度参数)x<<1,Rayleighscattering(瑞利散射)1871年，Rayleigh为解释天空的颜色，根据Maxwell电磁波理论，创立了分子散射理论。所有的粒子尺度如果比入射波长小得多，都适用Rayleigh散射理论。散射角Rayleigh散射的特点散射通量密度与波长的四次方成反比。散射辐射以短波为主。散射光强度与粒子的体积平方成正比，与距离的平方成反比。入射方向上，前向和后向的散射相等并且为最强；垂直方向上散射为最弱，只有最强方向上的一半。前向和后向的散射辐射为非偏振光，垂直方向上为全偏振光，其它方向为部分偏振光。Rayleigh散射的特点图5.8分子散射问题？晴朗的天空为什么呈兰色？早晨和傍晚太阳为什么呈红色？中午太阳为什么呈白色？

1908年，米(G.Mic)用电磁理论给出了均匀球状粒子散射问题的精确解，也就是米散射理论。Miescattering米散射

方向性图随着尺度参数增大，图形愈来愈不规则，且前向散射增加很大，这一现象称为米效应。随着尺度参数增大，散射能量愈来愈集中于前向一个很小的角度范围内。随着尺度参数增加,图形呈现许多“花瓣”。散射方向指数出现许多极大值和极小值，角度分布变得越来越复杂。，4.4.3AbsorptionandEmissionbygasMoleculesPhotons(光子)X射线或紫外辐射能使空气分子产生光致电离(photoionization),是大气电离层形成的原因能量的变化是不连续的。当其由低能态跃迁到高能态时，增加的(吸收)能量满足爱因斯坦公式

ΔE=h·f

每一跃迁就产生一条吸收线，许多吸收线在一起就为吸收带，所有可能的这种跃迁就组成该种气体的吸收光谱气体的吸收具有明显的选择性。一定的气体，其吸收光谱与辐射光谱是一致的。吸收光谱O3太阳辐射光谱4.5RadiativeTransferinPlanetaryAtmospheres太阳辐射是地球上最主要的能源，也是地球大气中各种物理化学过程的总能源，太阳辐射在到达地表前，要经过大气层，大气层对太阳辐射有吸收和散射作用，从而导致到达地表的太阳直接辐射的减小。太阳辐射

太阳直径约为140万公里，相当于地球直径的109倍，体积约为地球体积的130万倍，质量约为地球质量的33万倍，约等于太阳系所有的行星、卫星总质量的750倍。但在宇宙中，它的质量在平均值附近，而它的大小却低于平均值。是地球最主要的能源，但这只不过是太阳辐射总能量的22亿分之一。太阳光球表面温度约为5800K，内部中心温度可达。太阳的X射线图片壮年期：主序星阶段结构太阳黑子核反应区：太阳中心区域这种超高温高压条件下，不断进行着大规模的氢热核聚变反应，释放出巨大的能量。辐射区：热核反应产生的高能射线经过这个辐射区逐步降低频率，最后成为太阳向空间辐射的较低能量的可见光和其他形式的辐射。对流区：稠密炽热的气体处于升降起伏的对流状态。在太阳大气中产生的各种活动现象(如黑子、耀斑等)都与对流区的活动有关。光球表面的黑子温度只有4500K左右，黑子数目还存在着11年左右的周期变化。平均日地距离为，称为一个天文单位

太阳辐射谱的观测关心3个问题：(1)大气外界太阳辐射的谱分布；(2)总谱能量或太阳常数；(3)太阳辐射随时间的变化。观测简史在20世纪初即已开始，地面测量；50年代利用火箭观测了太阳的紫外辐射；60年代利用飞机和高空气球对太阳辐射谱作了仔细的观测研究；70年代又利用火箭和卫星以及新的主动腔体辐射表观测了太阳辐射的总谱能量。气象学领域，除了天气预报这项永恒的主题外，没有哪一项工作，能象太阳常数测定那样应用了从高空气球、飞机、火箭到卫星和航天器等如此众多的现代高科技手段。观测简史目前，在高山上进行的长期测量，仍是测算大气外界太阳辐射光谱的主要手段。借助高空观测弥补紫外和红外波段的测量。太阳常数假设在大气上界日地平均距离处，放一块与太阳光垂直的平面，在这个平面上，每单位时间、单位面上所接收的太阳辐射能,称为太阳常数，用符号So表示。根据实测和计算表明：

So=1368瓦／米2在1981年墨西哥会议上，WMO的仪器和观测方法委员会建议S0=（1367±7）W.m-2太阳常数的变化19911994SunspotnumberLeanetal1995LockwoodandStamper(1999)HoytansSchatten(1993)PlotfromIPCCTARSolankiandFligge1998太阳常数的变化时刻不断地从太阳飞向地球的带电粒子流—氢核、钙核及电子流,构成太阳风。其速度可达500km/s,在太阳活动发生强烈爆发之后，太阳风的速度和粒子流密度都会增大。影响地球磁场,也可导致天气、气候的异常变化大气上界太阳辐射光谱特点：能量绝大部分集中在0.15-4.0μm，其中可见光区占50%，红外区占43%，紫外区占7%到达地面的太阳辐射

一.到达地面的太阳直接辐射

到达地面的太阳辐射包括太阳直接辐射和天空辐射(即太阳散射辐射)两种S0和S0’分别为距太阳r和r’处垂直于太阳光的辐射通量密度

D0DSS0吸收光谱O3以S表示无大气时地表水平面上的太阳辐射通量密度(到达大气上界水平面上的太阳辐射度,也定义为天文辐射)，h为太阳高度角

太阳高度角

为地理纬度，ω为时角，，t为当地时，δ为赤纬

太阳赤纬和日地距离可由天文年历查或由近似公式计算令太阳高度角为零，可得日出和日落时间三种时间:世界时,北京时,当地时7月北阿拉斯加午夜前后的太阳

平面平行大气考虑到大气中各种变量在水平方向的变化率远小于垂直方向的变化率，因此经常可假设大气是水平均一的，相应的大气模型在大气辐射学中称为平面平行大气。4.5.1Beer’sLaw比耳定律

该式表示，辐射通过均匀大气介质传输的辐射率，随路径增大而简单地安指数规律削弱。Beer

定律Bouguer定律，Lambert

定律Bouguer-Lambert

定律τλ：opticalthickness（光学厚度）Tλ：transmissivityoflayer,随时间而变。Pathlength(路径长度)themonochromaticabsorptivity光学厚度的测量Sunphotometer（太阳光度计）有大气时到达地表的太阳辐射A为地表反射率地球表面对太阳辐射的反照率陆面反照率主要决定于表面的组成和特征以及入射辐射的光谱分布和入射角度入射辐射光谱特征对地面的反照率有明显影响。反照率随波长增大而增强。地面吸收的总辐射为Sg（1-A）陆地表面反照率主要取决于表面的组成和入射辐射的光谱分布和入射角度城镇14~18%林带9~19%草地14~20%沙漠18~28%北京直接辐射的月平均值（)

月份123456直接辐射2.022.793.144.534.604.19月份789101112直接辐射3.843.423.492.591.881.67太阳直接辐射日总量，即一天(晴天)之内到达地表的太阳直接辐射，只要对直接辐射式积分即可到达地表的太阳散射辐射

散射辐射来自整个半球天空，又称天空辐射天空辐射的大小取决于太阳高度角、大气透明系数、云量、海拔高度，并受地面反射率影响，其变化范围较大。随太阳高度角的减小，天空辐射也减小,但太阳直接辐射减小得更多，因此太阳高度低时，散射辐射显得更重要大气透明程度差时，散射粒子较多，散射辐射增强云也能强烈地增大散射辐射

,但当云层很厚，云量很大时，减小散射辐射地面反射率加大时，加地面有雪，散射辐射加大，如果有云又有雪，会有反复反射现象，使散射辐射加大很多

同太阳直接辐射类似，散射辐射的变化也主要决定于太阳高度角。散射辐射一般比直接辐射弱，但有时散射辐射会大于直接辐射。例如在高纬度地区，散射辐射甚至比直接辐射大几倍，一般在中纬度，散射辐射只有直接辐射的35—90%地面总辐射

到达地表的太阳直接辐射与散射辐射之和称为地面总辐射

在夜间，总辐射为空，日出后随太阳高度角增加而增大，在正午时达最大值云对总辐射的影响很大，有云时虽然增加散射辐射，但使直接辐射减小，中午云量的增多会使总辐射的最大值提前或推后出现。总辐射在夏季最大，冬季最小。一般是纬度愈低，总辐射愈大,最大值在北纬20°附近一个地区总辐射的日总量和年总量，即一日或一年之内收受辐射能量的总值，是形在一地区气候条件的基本因素4.5.3Absorptionandemissionofinfraredradiation

1、传输特点：1）地球和大气都是放射红外辐射的辐射源，通过大气中任一平面射出