1、第五章 地面和大氣中的輻射過(guò)程5.5 地球大氣系統(tǒng)的長(zhǎng)波輻射5.6 地面、大氣及地氣系統(tǒng)的輻射平衡5.5.1 地面的長(zhǎng)波輻射特性 結(jié)合前面內(nèi)容掌握吸收率、比輻射率概念； 比較地面長(zhǎng)波、短波吸收率的不同特點(diǎn)。 地面對(duì)于長(zhǎng)波輻射的吸收率接近常數(shù)，可作為灰體，但對(duì)短波輻射的吸收率較低，且隨波長(zhǎng)變化大。 理解（5.5.1)(5.5.2)式 表表 5.12 地地面面長(zhǎng)長(zhǎng)波波輻輻射射吸吸收收率率（或或比比輻輻射射率率） 表面種類 土壤 沙土 巖石 瀝青路 土路 植被 海水 純水 陳雪 雪 吸收率 0.95 0.97 0.91 0.95 0.82 0.93 0.956 0.966 0.95 0.98 0.9

2、6 0.993 0.97 0.995 設(shè)地表溫度為Tg，地面的積分出射度應(yīng)是： 或以地面比輻射率eg 表示，為 陸地表面可看作朗伯面；而平靜的水面因有反射，則不能當(dāng)作朗伯面處理。 4(5.5.1)ggFAT4(5.5.2)ggFT 大氣的長(zhǎng)波輻射性質(zhì)地球與大氣都是放射紅外輻射的輻射源，通過(guò)大氣中的任一平面射出的是具有各個(gè)方向的漫射輻射。而太陽(yáng)直接輻射是主要集中在某一個(gè)方向的平行輻射。在紅外波段，到達(dá)地面的太陽(yáng)直接輻射能量遠(yuǎn)小于地球與大氣發(fā)射的紅外輻射，常可不予考慮。除非在云或塵埃等大顆粒質(zhì)點(diǎn)較多時(shí)，大氣對(duì)長(zhǎng)波輻射的散射削弱極小，可以忽略不計(jì)。即使在有云時(shí)，云對(duì)長(zhǎng)波的吸收作用很大，較薄的云層已可

3、視為黑體。因而研究長(zhǎng)波輻射時(shí)，往往只考慮其吸收作用，忽略散射。大氣不僅是削弱輻射的介質(zhì)，而且它本身也放射輻射，有時(shí)甚至其放射的輻射會(huì)超出吸收部分，因此必須將大氣的放射與吸收同時(shí)考慮?？傊?，長(zhǎng)波輻射在大氣中的傳輸，是一種漫射輻射，是在無(wú)散射但有吸收又有放射的介質(zhì)中的傳輸。5.5.2 長(zhǎng)波輻射在大氣中傳輸長(zhǎng)波輻射傳輸方程（Schwarzschild方程） 同時(shí)考慮氣層的放射與吸收，但不考慮散射，并假定大氣是水平均一的，即是平面平行大氣。 射入的輻亮度L沿傳播方向經(jīng)過(guò)一段距離 dl 后，由于吸收作用而使輻亮度變化 ，由于吸收作用而使輻亮度變化： 此處 k是體積吸收系數(shù)。按吸收率定義，該薄氣層的吸收率

4、： 根據(jù)基爾霍夫定律，該氣層放射的輻亮度是,ababkL dldLAkdlLL ab,( )( )dA B TkB Tl,abdLkL dl 式中T為大氣溫度,( )secabdLkLB Tdz ,( )abd LkLB Td z ( )d LLB Tdcos,ababkL dldLAkdlLL ,( )( )abA B TkB T dl 方程的解的形式為(5.5.8a)(5.5.8b)00000( )()( )(00)( , )(, )( )5.5.8 (,)a)dBdLeLTBeeeLT 0()0( ,)(0,) ( )5.5.8b(0,) ( )dLeLB TedLeB Te 在已知吸收

5、物質(zhì)的吸收系數(shù)和光學(xué)厚度以及介質(zhì)的溫度分布以后，可以從理論上計(jì)算大氣中輻射場(chǎng)的分布。 向上傳輸向下傳輸Figure 1. Three isothermal layers model the atmosphere in this illustration of upward-moving electromagnetic radiation with frequency v. The radiation, assumed not to scatter, propagates at an angle with respect to the vertical and emerges from laye

6、r 3, the topmost atmospheric slice. The ground below the atmosphere emits as an ideal blackbody, characterized by the Planck function B. Each layer, at its own temperature T, emits with its own emissivity ev and, by Kirchhoffs law, absorbs a proportion av = ev of the incident radiation. The radiatio

7、n flux distribution incident on layer 3 is Iv. It is the sum of the thermal emission from the ground, layer 1, and layer 2, attenuated by absorption in the intervening layers 1 and 2. Squiggly arrows indicate thermal emission; straight arrows indicate transmitted radiation. 漫射輻射的輻射通量是由各個(gè)方向的輻射流積分而成的。

8、雖然每個(gè)方向輻射的傳輸符合指數(shù)衰減規(guī)律，但作為其總和的輻射通量，其衰減規(guī)律就要復(fù)雜一些。 漫射輻射透過(guò)率 單色輻射通過(guò)這層大氣，只考慮經(jīng)過(guò)氣層的吸收削弱，其削弱為： 輻射由地面向上至 z 處時(shí)，由（5.5.8a）可得到， 設(shè)地面是朗伯面，即可求出在z高度上的輻照度為， 定義由地面至 z 處氣層的漫射輻射通量透過(guò)率為，0()/0( ,)()LLe ,secabdLL kdzLd 0011()()0000( ) 2()() 2ELedEed 01(),000( )()2()fEedE 若令 ， ， 代入上式即得 式中 Ei3(0 )一個(gè)三階指數(shù)積分。n 階指數(shù)積分的定義式是 而且有下列關(guān)系， 通過(guò)

9、數(shù)值積分方法可求出此指數(shù)積分的函數(shù)表便于應(yīng)用。121dd 0(),03031()22()fdeEi 1XnndEiXe1()nndEiXEiXdX 對(duì)比平行輻射透過(guò)率和漫射透過(guò)率平行輻射透過(guò)率和漫射透過(guò)率表達(dá)示形式表達(dá)示形式,若要把漫射輻射當(dāng)作平若要把漫射輻射當(dāng)作平行輻射處理，應(yīng)當(dāng)將其光學(xué)厚度加行輻射處理，應(yīng)當(dāng)將其光學(xué)厚度加大大1.66 倍。其原理是清楚的，因?yàn)楸丁Ｆ湓硎乔宄?，因?yàn)? 0 ) 是這一層大氣的垂直光學(xué)厚是這一層大氣的垂直光學(xué)厚度，垂直方向輻射的光學(xué)路徑最短，度，垂直方向輻射的光學(xué)路徑最短，而其它方向的路徑都要加長(zhǎng)，其吸而其它方向的路徑都要加長(zhǎng)，其吸收當(dāng)然也增加了。作為對(duì)各個(gè)方

10、向收當(dāng)然也增加了。作為對(duì)各個(gè)方向的積分，其最終效果是加大的積分，其最終效果是加大 1.66 倍，倍，因此也有人把因此也有人把 稱為稱為漫射因子漫射因子 掌握掌握OLR(Outgoing Longwave Radiation )概念，理解概念，理解（5.5.21) 式各項(xiàng)意義，結(jié)合（式各項(xiàng)意義，結(jié)合（5.5.8) 式。式。假定地面為黑體，溫度為假定地面為黑體，溫度為Tg，則有邊條件：，則有邊條件： = 0處，處，L ( 0)=B (Tg)。根據(jù)長(zhǎng)波輻射傳輸方程的通解根據(jù)長(zhǎng)波輻射傳輸方程的通解(5.5. 8),大氣頂大氣頂 處向外單色幅亮度為處向外單色幅亮度為假設(shè)大氣放射是假設(shè)大氣放射是各向同性各

11、向同性的，對(duì)的，對(duì)半球空間積分半球空間積分以后，可得到大氣上界的單色輻射以后，可得到大氣上界的單色輻射通量密度通量密度（5.5.18）5.5.3 大氣頂射出的長(zhǎng)波輻射00)(g000de)()(e), 0(TBTBL000gde)(e)(TBTB 2020ddsincos), 0()0(LE0001010gdde2)(de2)(TBTB其中第一項(xiàng)為來(lái)自地表的輻射，其中第一項(xiàng)為來(lái)自地表的輻射， 第二項(xiàng)為各層大氣的輻射和吸收。第二項(xiàng)為各層大氣的輻射和吸收。0f,0f,g0dd)(d)()()()0(TBTBE 1)(f,0f,g0)(d)()()(TBTB (5.5.21) 若求地氣系統(tǒng)從大氣頂部

12、向外射出的長(zhǎng)波輻射（OLR），則需對(duì)所有波長(zhǎng)積分， 0L,d)0(EE (5.5.22) 5.5.3 大氣頂射出的長(zhǎng)波輻射在推導(dǎo)前面的公式時(shí)請(qǐng)?zhí)貏e注意其物理意義: 各高度上發(fā)射的長(zhǎng)波輻射量為該點(diǎn)溫度所對(duì)應(yīng)的黑體輻射量乘以其比輻射率（吸收率）。 這一輻射在傳輸?shù)酱髿馍辖鐣r(shí)要受到它上部這層大氣的吸收衰減。 大氣層頂部的出射輻射是地面和各層大氣輻射之和。 地球大氣頂部總的長(zhǎng)波出射輻射（OLR）為各波長(zhǎng)出射輻射之和。Figure 1. Three isothermal layers model the atmosphere in this illustration of upward-moving e

13、lectromagnetic radiation with frequency v. The radiation, assumed not to scatter, propagates at an angle with respect to the vertical and emerges from layer 3, the topmost atmospheric slice. The ground below the atmosphere emits as an ideal blackbody, characterized by the Planck function B. Each lay

14、er, at its own temperature T, emits with its own emissivity ev and, by Kirchhoffs law, absorbs a proportion av = ev of the incident radiation. The radiation flux distribution incident on layer 3 is Iv. It is the sum of the thermal emission from the ground, layer 1, and layer 2, attenuated by absorpt

15、ion in the intervening layers 1 and 2. Squiggly arrows indicate thermal emission; straight arrows indicate transmitted radiation. Outgoing Longwave Radiation (OLR) is the energy leaving the earth as infrared radiation at low energy. OLR is a critical component of the Earths radiation budget and repr

16、esents the total radiation going to space emitted by the atmosphere.1 Earths radiation balance is very closely achieved since the OLR very nearly equals the Shortwave Absorbed Radiation received at high energy from the sun. Thus, the first law of thermodynamics (energy conservation) is satisfied and

17、 the Earths average temperature is very nearly stable. The OLR is affected by clouds and dust in the atmosphere, which tend to reduce it below clear sky values. Greenhouse gases, such as methane (CH4), nitrous oxide (N2O), water vapor (H2O) and carbon dioxide (CO2), absorb certain wavelengths of OLR

18、 adding heat to the atmosphere, which in turn causes the atmosphere to emit more radiation. Some of this radiation is directed back towards the Earth, increasing the average temperature of the Earths surface. Therefore, an increase in the concentration of a greenhouse gas would contribute to global

19、warming by increasing the amount of radiation that is absorbed and emitted by these atmospheric constituents.The OLR is dependent on the temperature of the radiating body. It is affected by the earths skin temperature, skin surface emissivity, atmospheric temperature and water vapor profile, and clo

20、ud cover. 地氣系統(tǒng)的輻射平衡 地球大氣的溫室效應(yīng) 輻射差額沿緯度的變化 地面、大氣和地氣系統(tǒng)的輻射差額 觀測(cè)到的輻射平衡5.6 地面、大氣及地氣系統(tǒng)的輻射平衡地氣系統(tǒng)輻射平衡推導(dǎo)地氣系統(tǒng)平衡時(shí)的有效溫度（5.6.2），說(shuō)明其與地球表面平均溫度相差33度的原因。接受太陽(yáng)輻射：地氣系統(tǒng)發(fā)射：在地氣系統(tǒng)達(dá)到輻射平衡時(shí)，有 則有效溫度為，20(1)SrR244erT2024(1)4erSrTR04(1)2554eTSRK地球大氣的溫室效應(yīng) 掌握大氣保溫效應(yīng)（溫室效應(yīng)）的概念，理解圖5.24和5.6.3式:44044011414aLgLsaLgSRTATASRATAT04042 142(1)42sgLsLsaLLSRATASAARATAA云的保溫效應(yīng)：云對(duì)長(zhǎng)波輻射同大氣一樣，也具有吸收和發(fā)射能力。輻射差額沿緯度的變化 上面的討論把地球大氣當(dāng)作一個(gè)整體，沒(méi)有考慮水平方向的差異。地面、大氣和地氣系統(tǒng)的輻射差額 1. 地面的輻射差額 地面凈輻射通量：太陽(yáng)短