辐射与热量平衡

辐射与热量平衡第1页，共53页，2023年，2月20日，星期四自然界中一切物理过程和现象，乃至生命活动和现象，都直接或间接地以辐射能为能源基础，辐射能包括太阳辐射、地面辐射和大气辐射。Visiblelight第2章辐射与热量平衡2.1辐射的基础知识2.1.1辐射与辐射能第2页，共53页，2023年，2月20日，星期四X-raysl<10nmUltraviolet(UV)10<l<400nmVisible0.4<l<0.7µmNear-Infrared(Near-IR)0.7<l<3.5µmMiddle-IR3.5<l<30µmFar-IR30<l<100µmMicrowave1mm<l<1m电磁波谱第3页，共53页，2023年，2月20日，星期四辐射的度量(1)辐射通量和辐射通量密度：单位时间内通过任一表面的辐射能称为辐射通量，单位W，或J/s；辐射通量除以辐射所通过的面积则称为辐射通量密度，用F表示，单位W/m-2。第2章辐射与热量平衡例如，太阳辐射通量约为3.9X1026W，太阳半径约为7X108m，则太阳表面辐射通量密度为2.1辐射的基础知识2.1.1辐射与辐射能第4页，共53页，2023年，2月20日，星期四辐射的度量（2）辐射强度（I）：在单位时间(△t)、单位立体角(△ω)内，沿一定方向垂直通过任意单位面积的辐射能(△F)，称为该方向的辐射强度，单位为Wm-2sr-1；第2章辐射与热量平衡△S△F△ωI点光源n2.1辐射的基础知识2.1.1辐射与辐射能第5页，共53页，2023年，2月20日，星期四辐射的度量（3）辐射通量密度与辐射强度的关系：第2章辐射与热量平衡△S上的辐射通量密度为或于是，整个半球面的辐射通量为注：所以，对于各向同性的辐射，辐射通量密度等于辐射强度的倍。dFI2.1辐射的基础知识2.1.1辐射与辐射能第6页，共53页，2023年，2月20日，星期四附：立体角定义积分得球面弧度ω：球坐标系中，半径为r的球面上位于天顶角和方位角处的立体角微元dω定义为：rdldαdα=dl/ro第2章辐射与热量平衡立体角单位为立体弧度（steradians,sr）r第7页，共53页，2023年，2月20日，星期四普朗克函数（ThePlanckFunction）：

单色波黑体辐射强度Iλ*)与其温度(T)和辐射的波长(λ)之间具有如下的关系：其中，h、k及c依次为普朗克常数、Boltzmann常数及光速:第2章辐射与热量平衡太阳辐射地球辐射2.1辐射的基础知识2.1.1辐射与辐射能第8页，共53页，2023年，2月20日，星期四基尔霍夫(Kirchhoff)定律：

基尔霍夫(Kirchhoff)定律：任何物体对一定波长(λ)的比辐射率ελ与其对同一波长的吸收率aλ相等，即意义：若物体能强烈吸收某一波长的辐射，则一定也能强烈发射同一波长的辐射。任何物体的辐射通量密度Eλ与同温度下黑体辐射通量密度Eλ*之比，称为比辐射率ελ，即第2章辐射与热量平衡2.1辐射的基础知识2.1.1辐射与辐射能作用：任意物体的辐射强度等于黑体辐射强度与其比辐射率之积，即第9页，共53页，2023年，2月20日，星期四Stefan-Boltzmann定律：将普朗克函数Iλ*对波长(λ)积分，得黑体辐射强度（I*），即上式称为Stefan-Boltzmann定律。表明物体温度越高，其放射能力越强。因黑体辐射为各向同性，根据辐射通量和辐射强度的关系，得黑体辐射通量密度E*，为。推论：根据Stefan-Boltzmann定律计算的温度称为等效黑体温度或亮度温度（Brightnesstemperature）TB。第2章辐射与热量平衡2.1辐射的基础知识2.1.1辐射与辐射能第10页，共53页，2023年，2月20日，星期四Wien定律：黑体辐射的光谱强度（单色辐射能力）最大值对应的波长（λm）与其热力学温度(T)成反比，其中，常数C=2897×103nmK

太阳辐射(短波辐射):T=6000K,则λm=480nm;

地球辐射(长波辐射):T=288K,则λm=10.1×103nm;太阳辐射地球辐射第2章辐射与热量平衡2.1辐射的基础知识2.1.1辐射与辐射能第11页，共53页，2023年，2月20日，星期四太阳常数(I0)：当日地平均距离时，大气上界垂直于太阳光线的单位面积上单位时间内获得的太阳辐射能量，称为太阳常数I0，I0=1370W/m2。由于地球与太阳间的天体运动，大气上界的实际太阳辐射强度是有所变化的。第2章辐射与热量平衡2.2太阳辐射2.2.1太阳辐射光谱和太阳常数第12页，共53页，2023年，2月20日，星期四太阳光谱：6000K黑体光谱大气上界太阳光谱波长范围：0.15μm~4μm可见光0.4~0.76μm，50%；红外线＞0.76μm，43%；紫外线＜0.4μm，7%。第2章辐射与热量平衡2.2太阳辐射2.2.1太阳辐射光谱和太阳常数第13页，共53页，2023年，2月20日，星期四日地距离：到达大气上界的太阳辐射又称为天文辐射，与日地距离的平方成反比，若日地平均距离为r0，则实际距离为r时的天文辐射强度I为：第2章辐射与热量平衡-3.5%+3.5%2.2太阳辐射2.2.2到达大气上界的太阳辐射第14页，共53页，2023年，2月20日，星期四太阳高度：第2章辐射与热量平衡2.2太阳辐射2.2.2到达大气上界的太阳辐射定义：太阳光线与地表水平面之间的夹角，变化范围0º~90º；第15页，共53页，2023年，2月20日，星期四hI’I

太阳光线地面公式：φ——地理纬度δ——太阳赤纬ω——时角地面水平面上太阳辐射强度I’：其中，dt为时间，dQs为该时间里地面单位水平面积上的太阳辐射能。2.2太阳辐射2.2.2到达大气上界的太阳辐射太阳高度：第16页，共53页，2023年，2月20日，星期四相关天文学知识←天体视运动Z’Z=纬度jS’S=日赤纬δZ’S’=日时角ωZS=天顶角θ春分夏至冬至E秋分日时圈rZ’Z北天极南天极SS’天子午圈天赤道黄道第17页，共53页，2023年，2月20日，星期四白昼长度：第2章辐射与热量平衡定义：从日出到日落的时间间隔。公式：令则其中，-ω0为日出时角，ω0为日落时角，2ω0为白昼长度，表示天文辐射的可照时间，随纬度和太阳赤纬而变。任意地点一日内单位面积水平面上的太阳辐射能：其中，T为一日时间长度（1440min），2.2太阳辐射2.2.2到达大气上界的太阳辐射结论：太阳（天文）辐射Qs取决于纬度和季节变化。第18页，共53页，2023年，2月20日，星期四天文辐射的分布和变化不受大气影响，主要决定于日地距离、太阳高度角和白昼长度。据理论计算，天文辐射的时空分布规律：①全年赤道获得的太阳辐射最多，从赤道向极地随纬度增高而减小，极小值出现在极点，年变幅最小。②夏半年在20°～25°的纬度带，获得太阳辐射最多，由此向赤道和极地递减，最小值在极点，出现极昼，高低纬度之间的差值较小。③冬半年赤道获得太阳辐射最多，随纬度增高迅速递减，，高低纬度之间的差值大。④同一纬度，冬、夏太阳辐射的差值，随纬度增高而增大，即太阳辐射的年振幅随纬度增高而增大。天文辐射的时空分布规律第19页，共53页，2023年，2月20日，星期四（1）大气吸收选择性：大气只吸收特定波段的太阳辐射。O2强烈吸收λ<200nm、O3强吸收带200nm~320nm及弱吸收带600nm、CO2主要吸收红外线（2.5/4.3/14.7μm）、H2O吸收红光和红外线，0.72~2μm间有多个吸收带,另外吸收带包括2~3μm、4~7μm。

特点：大气直接吸收太阳辐射比例很小，约占19%，因此太阳辐射并非对流层大气的直接热源。但是，大气能强烈吸收地面红外辐射，8×103nm~13×103nm波段除外，该波段即所谓的“红外窗口（IRWindows）”。

皮尔定律（自学）第2章辐射与热量平衡2.2太阳辐射2.2.3太阳辐射在大气中的减弱第20页，共53页，2023年，2月20日，星期四红外窗口第21页，共53页，2023年，2月20日，星期四（2）大气散射定义：太阳辐射遇到大气分子或杂质粒子等时转向各个方向传播；特点：

分子散射（Rayleigh散射）：有选择性。波长越短，散射越强，故晴天为蔚蓝色；

粒子散射（或米散射）：无选择性。散射系数不随波长而变，又称漫散，雨或雾天天空为乳白色正是米散射结果。第2章辐射与热量平衡2.2太阳辐射2.2.3太阳辐射在大气中的减弱第22页，共53页，2023年，2月20日，星期四（3）大气反射定义：太阳光线遇到大气中云层或较大尺度的颗粒时而改变传播方向；特点：无选择性，平均反射率为50％~55％。地-气系统平均反射率约30%，称为行星反射率(Albedo)云高越低，反射越强；云量越多，反射越强；云层越厚，反射越强。aba=b第2章辐射与热量平衡2.2太阳辐射2.2.3太阳辐射在大气中的减弱第23页，共53页，2023年，2月20日，星期四太阳辐射经过大气的吸收、反射和散射后，约有51%到达地面，这部分辐射包括两部分：太阳以平行光线的形式直接投射到地面上的，称为太阳直接辐射/Directsolarradiation(Q)；经过大气散射后投射到地面的，称为散射辐射/Diffuseradiation(D)，两者之和称为总辐射/TotalincomingsolarradiationorInsolation(Q总)，即Q总=Q+D第2章辐射与热量平衡2.2太阳辐射2.2.4到达地面的太阳辐射第24页，共53页，2023年，2月20日，星期四①太阳直接辐射：以平行光线直接投射到地面上的太阳辐射。直接辐射通量Q主要影响因素是太阳高度角h和大气透明度P。h地面太阳直接辐射强度S大气mI0hS地面直接辐射有显著的年变化、日变化和随纬度的变化。第2章辐射与热量平衡2.2太阳辐射2.2.4到达地面的太阳辐射通量第25页，共53页，2023年，2月20日，星期四②太阳散射辐射：

散射辐射的强弱也与太阳高度角及大气透明度有关。太阳高度角增大时，到达近地面层的直接辐射增强，散射辐射也就相应地增强；相反，太阳高度角减小时，散射辐射也弱；大气透明度差时，参与散射作用的质点增多，散射辐射增强；反之，减弱。云也能强烈地增大散射辐射。太阳散射辐射也具有日和年变化，一日内正午前后最强，一年内夏季最强。第2章辐射与热量平衡2.2太阳辐射2.2.4到达地面的太阳辐射通量第26页，共53页，2023年，2月20日，星期四③太阳总辐射：日变化：日出前，总辐射中只有散射辐射；日出后，直接辐射和散射辐射逐渐增加，但前者增加得较快；当太阳高度升到约等于8°时，直接辐射与散射辐射相等；当太阳高度为50°时，散射辐射值仅相当总辐射的10％—20％；到中午时太阳直接辐射与散射辐射强度均达到最大值；以后二者又按相反的次序变化。年变化：总辐射强度（月平均值）夏季最大、冬季最小。地理分布：纬度愈低，总辐射愈大。反之就愈小。第2章辐射与热量平衡2.2太阳辐射2.2.4到达地面的太阳辐射通量第27页，共53页，2023年，2月20日，星期四投射到地面的太阳辐射，并非完全被地面所吸收，其中一部分被地面所反射。地表对太阳辐射的反射率称为行星反射率/Albedo(A)。决定于地表面的性质和状态，约为10％~30％。太阳总辐射减去地面反射部分后称为净太阳（短波）辐射/Netshort-waveradiation，用Q’总表示，Q’总=Q总(1-A)=(Q+D)(1-A)第2章辐射与热量平衡2.2太阳辐射2.2.5地面对太阳辐射的反射第28页，共53页，2023年，2月20日，星期四第29页，共53页，2023年，2月20日，星期四第二章大气的热能和温度定义：地面吸收了净太阳短波辐射后，按其本身温度不断地向外放射的辐射能。波长：地面辐射波长范围为3~80μm，最大单色辐射强度的波长为10μm，因此，地面辐射又称长波辐射/TerrestrialLongwaveRadiation(Fs)。特点：①地面辐射绝大部分被大气（水汽和二氧化碳等温室气体）所吸收，只有小部分（8~13μm）透过大气层进入太空，形成所谓的“红外窗口”；②白天，地面吸收的太阳总辐射大于地面辐射，故地面升温；③夜晚，没有太阳辐射，地面辐射使地面降温。2.3地面和大气的辐射2.3.1地面辐射第30页，共53页，2023年，2月20日，星期四红外窗口地面辐射与大气窗第31页，共53页，2023年，2月20日，星期四第二章大气的热能和温度定义：大气按其本身温度不断地向外放射的辐射能，其向下部分称为大气逆辐射/Longwaveatmosphericcounter-radiation(Fa)。波长：95％以上的能量集中在3~120μm的波长范围内（红外辐射），其辐射能最大段波长在10~15μm范围内，因此大气辐射和地面辐射一样也为长波辐射。特点：

①大气逆辐射极大部分被地面所吸收(aFa)，使地面辐射降温程度大大减小，形成所谓的“温室效应/Greenhouseeffect”；②大气辐射向上的部分是地球大气系统向外支出热量，以保持地球热量平衡的主要途径。2.3地面和大气的辐射2.3.2大气辐射第32页，共53页，2023年，2月20日，星期四第二章大气的热能和温度定义：地面辐射（Fs）与其吸收的大气逆辐射（aFa）之差(a为吸收率)，称为地面有效辐射/NetLongwaveRadiation，若用F表示，则F=Fs-aFa大气δL↓L↑地面地面有效辐射的影响因子：地面温度、气温、湿度和云况。有效辐射通常为正，即下垫面通过有效辐射向大气供热。2.3地面和大气的辐射2.3.4地面有效辐射第33页，共53页，2023年，2月20日，星期四第二章大气的热能和温度定义：地表面吸收的太阳总辐射（Q’总）与地面有效辐射（F）之差，称为地面辐射差额/NetRadiation，若用R表示，则R=Q’总-F=（Q+D）(1-A)-（Fs-aFa）

特点：①日变化——白天R>0，地面升温；夜晚R<0，地面降温；②年变化——低纬度R>0，地面热盈余；高纬度R<0，地面热亏损；③随天气状况而变——晴天，白天R正值越大、夜晚负值越大；阴天，白天R正值越小、夜晚负值越小大气Q’总地面F2.4地面及地-气系统的辐射差额2.4.1地面辐射差额第34页，共53页，2023年，2月20日，星期四第35页，共53页，2023年，2月20日，星期四地面辐射差额日变化第36页，共53页，2023年，2月20日，星期四地面辐射差额随纬度变化第37页，共53页，2023年，2月20日，星期四大气辐射差额第二章大气的热能和温度定义：整个大气层的辐射差额(Ra)等于其吸收的太阳短波辐射(Sa)和地面有效辐射(F)减去向太空的长波辐射（F∞），Ra=Sa+F-F∞=Sa–(F∞-

F)

特点：由于大气直接吸收的太阳短波辐射很少，整个大气层的辐射差额是负值，大气要维持热平衡，还要靠地面以其它的方式，例如对流及潜热等来输送一部分热量给大气。大气地面FF∞Sa2.4地面及地-气系统的辐射差额2.4.2地气系统的辐射差额第38页，共53页，2023年，2月20日，星期四地-气系统的辐射差额第二章大气的热能和温度定义：若将地面和大气看作为一个整体，其辐射差额(Re)等于地面辐射差额与大气辐射差额之和，即等于地面、大气吸收的太阳短波辐射(Q’总+Sa)减去大气上界的长波辐射（F∞）：Re

=R+Ra=Q’总+Sa-F∞

特点：整个地气系统多年平均，Re=0；35°N~35°S间,Re>0；35°N以北和35°S以南，Re<0。因此，为维持能量平衡，需将低纬地区盈余的热量输送至高纬地区，这种热量的输送主要是由大气环流和海洋环流来完成。大气Q’总地面F∞Sa2.4地面及地-气系统的辐射差额2.4.2地气系统的辐射差额第39页，共53页，2023年，2月20日，星期四全球年均辐射差额分布LatitudinalVariationoftheRadiationBalance第40页，共53页，2023年，2月20日，星期四全球年均地面太阳辐射分布Annualglobaldistributionofinsolation(kcal/cm2)Q’总=Q总(1-A)=(S+D)(1-A)第41页，共53页，2023年，2月20日，星期四全球年均地面辐射差额分布Annualglobaldistributionofnetradiation(Kcal/cm2)R=Q’总-F第42页，共53页，2023年，2月20日，星期四第二章大气的热能和温度定义：R+LE+P+A=0陆地表面：R+LE+P+B=0沙漠地区：R+P=0海洋：R+LE+P+A=0

特点：上述平衡方程是多年平均结果，方程中各项具有明显日、年等变化，因此，特定时段内热量通常并不平衡，表现为局部时段内的升温或降温。。大气地面R2.5地面热量平衡地-气系统的热量收支2.5.1地面热量平衡方程LEPCBA=B+C第43页，共53页，2023年，2月20日，星期四2.5地面热量平衡地-气系统的热量收支2.5.2地气系统的热量收支第44页，共53页，2023年，2月20日，星期四全球地-气热交换Globaldistributionofsensibleheat

第45页，共53页，2023年，2月20日，星期四全球蒸发潜热分布Globaldistributionoflatentheat.第46页，共53页，2023年，2月20日，星期四反射率不同陆面反射率比水面的大约10％~20；第二章大气的热能和温度热传导差异海水易流动、热传导快；蒸发量差异海面蒸发远大于陆面蒸发；热容量差异海水热容量远大于陆地。2.6地面温度和大气温度的分布变化2.6.1地面温度的变化（1）水陆热力差异第47页，共53页，2023年，2月20日，星期四第二章大气的热能和温度（1）大气传热方式辐射：近地面大气对太阳短波辐射直接吸收很少，主要吸收地面有效辐射。热传导：空气与下垫面、相邻空气层之间，通过分子热运动进行的热量