第五章

地面和大氣中的輻射過程1學(xué)習(xí)要求提前預(yù)習(xí)課堂聽講習(xí)題（復(fù)習(xí)）2第五章

地面和大氣中的輻射過程大氣運(yùn)動的能量來源于太陽輻射，地面和大氣中的輻射過程從大尺度開始控制了地球大氣系統(tǒng)的能量平衡，從而決定了地球氣候的基本特征。3學(xué)習(xí)、研究的意義學(xué)習(xí)、研究的意義輻射能是地面和大氣的基本能量來源，輻射是地氣系統(tǒng)與宇宙空間能量交換的唯一方式輻射傳輸規(guī)律是大氣遙感的理論基礎(chǔ)數(shù)值天氣預(yù)報中需要定量化考察大氣輻射過程氣候問題——輻射強(qiáng)迫

近年來人類活動造成的地球大氣氣候變遷成為大氣科學(xué)研究熱點(diǎn)，其原因也在于人類活動所排放的某些物質(zhì)會改變地球大氣中的輻射過程所致。光的本性之爭17世紀(jì)70年代微粒說（牛頓）和波動說（胡克、惠更斯）《光學(xué)》170419世紀(jì)初波動說（橫波）占統(tǒng)治地位（托馬斯.楊和菲涅耳）20世紀(jì)統(tǒng)一簡史1880-1900七大實驗1887年赫茲證實電磁波-光電效應(yīng)1887年的邁克耳孫一莫雷實驗—以太1895年倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線1896年貝可勒爾發(fā)現(xiàn)了放射性輻射1897年J.·J.湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子1898年居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性元素Planck黑體輻射實驗簡史簡史—現(xiàn)代大氣輻射學(xué)的理論基礎(chǔ)MaxPlanck(1858-1947)德國物理學(xué)家1901：Planck’sLaw1918NobelPrizeQuantumtheoryGustavRobertKirchhoff(1824-1887)德國物理學(xué)家1859：Kirchhoff’sLaw光譜學(xué)電學(xué)發(fā)現(xiàn)了銫和銣簡史—現(xiàn)代大氣輻射學(xué)的理論基礎(chǔ)LudwigBoltzmann(1844-1906)奧地利物理學(xué)家1884：Stefan-Boltzmannlaw（理論推導(dǎo)）統(tǒng)計力學(xué)簡史—現(xiàn)代大氣輻射學(xué)的理論基礎(chǔ)LordRayleigh(JohnWilliamStrutt1842-1919)英國物理學(xué)家1871：RayleighScattering聲學(xué)電學(xué)1904NobelPrize簡史—現(xiàn)代大氣輻射學(xué)的理論基礎(chǔ)WilhelmWien(1864-1928)德國物理學(xué)家1893：Wien’sDisplacementLaw1911NobelPrize定義blackbody簡史—現(xiàn)代大氣輻射學(xué)的理論基礎(chǔ)簡史—現(xiàn)代大氣輻射學(xué)的完善20世紀(jì)20年代：計算地-氣系統(tǒng)的輻射收支30年代：輻射傳輸?shù)幕驹?950年：美籍巴基斯坦學(xué)者SubramanyanChandrasekhar1983NobelPrizeRadiativeTransferClarendonPress,Oxford,1950,reprintedbyDoverPublications,NewYork,393pp.,1960.簡史—現(xiàn)代大氣輻射學(xué)的完善1964:英國RichardM.GoodyAtmosphericRadiation,TheoreticalBasis,(secondeditionbyR.M.GoodyandY.Yung),OxfordUniversityPress,436pp.,1964,519pp.,1989.1969：蘇聯(lián)地球物理學(xué)家Kondratyev,K.Ya.RadiationintheAtmosphere.AcademicPress簡史—現(xiàn)代大氣輻射學(xué)的完善70年代后：非球形粒子的吸收和散射、輻射傳輸方程的數(shù)值解法簡史—華人的貢獻(xiàn)1932年：嚴(yán)濟(jì)慈采用照相光度術(shù)方法，精確測定了臭氧在全部紫外區(qū)域（即215-345納米）的吸收系數(shù)，并發(fā)現(xiàn)了若干新光帶國際臭氧委員會把嚴(yán)濟(jì)慈精確測定的吸收系數(shù)定為標(biāo)準(zhǔn)值，各國氣象學(xué)家用以每日測定高空臭氧層厚度的變化，長達(dá)３０年之久簡史—華人的貢獻(xiàn)程純樞(1914-1997）根據(jù)1931-1935年南京地區(qū)日射強(qiáng)度記錄，計算過大氣消光系數(shù)，分析了大氣混濁度因子1944：郭曉嵐（Hsiao-LanKuo）根據(jù)當(dāng)時最完善的水汽與CO2紅外吸收系數(shù)資料，重新計算了北半球大氣輻射圖及大氣冷卻率，其計算精度超過了當(dāng)時的國際水平廖國男（Kuo-NanLiou）參考書目—教材類廖國男著，1980，周詩健等譯，1985：大氣輻射導(dǎo)論，氣象出版社。第2版，2005，120元Liou,K.N.,1980:AnIntroductiontoAtmosphericRadiation.AcademicPress,NewYork,392pp.Liou,K.N.,2002:AnIntroductiontoAtmosphericRadiation.2ndedition,AcademicPress,SanDiego,583pp.參考書目—參考類吳北嬰等編著，1998，大氣輻射傳輸實用算法，氣象出版社。大氣光學(xué)—分子散射Paltridge,G.W.andC.M.Platt,1976,呂達(dá)仁等譯，1981：氣象學(xué)和氣候?qū)W中的輻射問題。科學(xué)出版社。M.Iqbal,1983,AnIntroductiontoSolarRadiation,AcademicPress.參考書目—參考類JacquelineLenoble,1993,AtmosphericRadiativeTransfer,A.DeepakPublishing.Chandrasekhar,S.,RadiativeTransfer,ClarendonPress,Oxford,1950,reprintedbyDoverPub.,NewYork,393pp.,1960.Goody,R.M.,AtmosphericRadiation,TheoreticalBasis,(secondeditionbyR.M.GoodyandY.Yung),OxfordUniversityPress,436pp.,1964,519pp.,1989.5.1輻射的基本知識5.1.1電磁波譜5.1.2描述輻射場的物理量295.1輻射的基本知識自然界一切物體都時刻不停地以電磁波的形式向四周傳遞能量，同時也接收外界投射來的電磁波，這種能量傳遞的方式稱為輻射。以這種方式傳遞的能量，稱為輻射能。以橫波形式在空間傳播，速度即光速5.1.1電磁波譜電磁波描述波長頻率f

波數(shù)ν

波速c

5.1.1電磁波譜5.1.1電磁波譜例1：波長10mm對應(yīng)的頻率和波數(shù)？5.1.1電磁波譜不同波長的電磁波有不同的物理特性，因此可以用波長來區(qū)分輻射，并給以不同的名稱，稱之為電磁波譜。5.1.1電磁波譜5.1.1電磁波譜紫外線：uv-A： 0.315-0.400微米u(yù)v-B： 0.280-0.315微米u(yù)v-C： 0.150-0.280微米可見光紅外線：近紅外： 0.7-2.5微米遠(yuǎn)紅外： 2.5-1000微米微波無線電波長波、短波：4微米FLUXFLUX:INVERSESQUARELAW5.1.2描述輻射場的物理量立體角錐體所攔截的球面積σ與半徑r的平方之比，單位為球面度（sr：Steradian）5.1.2描述輻射場的物理量立體角輻射能Q能量:焦耳、熱力學(xué)卡（1k=4.1840J）輻射通量Φ

（radiantflux輻射功率W）單位時間內(nèi)通過任意表面的輻射能量，單位為J/s，即W5.1.2描述輻射場的物理量輻射通量密度E(radiantfluxdensity)單位時間通過單位面積的輻射能量，單位為W/m2。設(shè)面元為dA：表示面元接受的F時，又稱輻照度（irradiance）表示從物體表面發(fā)射出的E，又稱輻出度、輻射度、輻射能力（emittance）。5.1.2描述輻射場的物理量輻射強(qiáng)度L(radiance輻亮度、輻射率)單位立體角、單位時間、單位面積所通過的輻射能量，單位為W/m2sr5.1.2描述輻射場的物理量輻射強(qiáng)度L(radiance輻亮度、輻射率)光度計示意圖5.1.2描述輻射場的物理量CE318自動跟蹤太陽分光光度計5.1.2描述輻射場的物理量單色與譜段積分輻射量5.1.2描述輻射場的物理量各向同性輻亮度L與觀測方向（q,φ）

無關(guān)（L是立體角的函數(shù)，即與方向有關(guān)—各向異性）均勻輻射L與觀測位置（x,y,z）

無關(guān)（L是觀測位置的函數(shù)—非均勻輻射）定常輻射L與時間t無關(guān)（L與時間t的函數(shù)—非定常輻射）5.1.2描述輻射場的物理量平面平行大氣考慮到大氣中各種變量在水平方向的變化率遠(yuǎn)小于垂直方向的變化率，因此經(jīng)常可假設(shè)大氣是水平均一的，相應(yīng)的大氣模型在大氣輻射學(xué)中稱為平面平行大氣。5.1.2描述輻射場的物理量平面平行大氣可把從各個方向射來的輻亮度在垂直方向的分量累加起來，其計算公式為5.1.2描述輻射場的物理量凈輻射通量密度或凈輻照度計算水平面上的輻射通量密度，分別對從上半球和下半球入射輻射的垂直分量進(jìn)行積分凈輻照度5.1.2描述輻射場的物理量凈輻射通量密度或凈輻照度輻射能收支為正：氣層溫度升高；反之降溫。5.1.2描述輻射場的物理量凈輻射通量密度或凈輻照度5.1.2描述輻射場的物理量點(diǎn)輻射源假設(shè)點(diǎn)源向四周發(fā)射是均勻的，發(fā)射輻射的功率為Φ0，以點(diǎn)源為中心畫一個半徑為r的球面，則通過球表面的輻照度為點(diǎn)源的輻照度（或輻射通量密度）將隨r2減小。

5.1.2描述輻射場的物理量平行輻射當(dāng)光源的距離足夠遠(yuǎn)時，所有來自該光源的輻射傳輸方向可以認(rèn)為是相互平行的，這種輻射常被稱為平行輻射(或平行光)特點(diǎn)：在不考慮吸收散射等因素時，平行光的輻射通量密度應(yīng)當(dāng)是常數(shù)，即在任何位置上設(shè)置一個和輻射傳輸方向相垂直的平面，通過這平面的輻射通量密度都應(yīng)當(dāng)是一個常數(shù)。5.1.2描述輻射場的物理量平行輻射大氣輻射中，常把來自太陽的直接輻射看作平行光。因為地球離太陽的距離為149,597,890km，而大氣輻射學(xué)中討論的最大尺度是地球半徑的尺度，即6,371km。在這樣一個范圍中，太陽輻射的強(qiáng)度僅變化((149597890+6371)/149597890)2=1.000085。因此把太陽輻射當(dāng)作平行光，其輻照度不隨距離變化是合理的。5.1.2描述輻射場的物理量平行輻射對于平行輻射，由于輻射能是在同一個方向傳播，射線所張的立體角為零，此時輻射強(qiáng)度的概念不再適用。這種情況下，只需要知道平行輻射的方向和輻射通量密度即可。地面接收的太陽輻射通量密度5.1.2描述輻射場的物理量面輻射源特點(diǎn)是它可以向2π立體角中發(fā)射輻射能。對平面平行大氣，水平方向的輻射分量都是相同的，它們對局地能量平衡不起作用。因此只關(guān)心垂直方向的輻射通量密度。5.1.2描述輻射場的物理量余弦輻射體或Lambert光源輻射強(qiáng)度不隨方向變化的面輻射源如黑體、太陽、陸地表面…平靜水面？例5.1(朗伯定律)5.1.2描述輻射場的物理量5.2輻射的物理規(guī)律5.2.1吸收率、反射率和透射率5.2.2平衡輻射的基本規(guī)律5.2.3太陽輻射和地球輻射的區(qū)別60能量守恒 Q0=Qa

+Qr

+Qt

吸收率A=Qa/Q0反射率R=Qr/Q0透射率

=Qt/Q0(透過率)A+R+

=1

5.2.1吸收率、反射率和透射率對于單色輻射，稱為單色吸收率、反射率和透射率。分別記為Al,Rl

,l

各種物體對不同波長的輻射具有不同的吸收率與放射率，構(gòu)成了該物體的吸收光譜或輻射光譜。反照率：物體表面的反射輻射通量與入射輻射通量之比5.2.1吸收率、反射率和透射率絕對黑體所有波長吸收率均為1A=1單色黑體某一波長吸收率為1Al

=1

灰體吸收率不隨波長變化但小于15.2.1吸收率、反射率和透射率？黑色物體BLACKBODYRADIATION輻射平衡狀態(tài)吸收和發(fā)射輻射能量相等：1）物質(zhì)熱狀況保持不變，可用一確定溫度表示；2）各向同性局地輻射平衡狀態(tài)如果輻射熱交換的過程相當(dāng)緩慢，物體中內(nèi)能的分布來得及變化均勻，這時物體的溫度雖然在變化，但每一給定瞬間，物體的狀態(tài)可以看作是平衡的，仍可用一定的溫度來描述。地球大氣中的輻射過程，一般認(rèn)為地面至60公里以下的大氣處于局地輻射平衡狀態(tài)，因此可以應(yīng)用平衡輻射的規(guī)律來解訣平流層以下的大氣輻射學(xué)的問題5.2.2平衡輻射的基本規(guī)律KirchhoffLaw在輻射平衡條件下，任何物體的單色輻射通量密度FλT與吸收系數(shù)AλT成正比關(guān)系，二者比值只是波長和溫度的函數(shù)，與物體性質(zhì)無關(guān)，比值大小等于Planck函數(shù)的通量密度形式KirchhoffLaw若定義比輻射率(Emissivity)λ,T為物體的放射能力Fλ,T和黑體的輻射能力FB

(l,T)之比，則基爾霍夫定律可以寫成意義：將物體的吸收能力和放射能力聯(lián)系起來將各種物質(zhì)的吸收、放射能力與黑體的吸收放射能力聯(lián)系起來。GustavRobertKirchhoff(1824-1887)德國物理學(xué)家1859：Kirchhoff’sLaw光譜學(xué)電學(xué)發(fā)現(xiàn)了銫和銣KirchhoffLawPlanckLaw對于絕對黑體物質(zhì)，單色輻射通量密度與發(fā)射物質(zhì)的溫度和輻射波長或頻率的關(guān)系Planck定律：第一輻射常數(shù)第二輻射常數(shù)PlanckLaw普朗克函數(shù)(黑體分光輻亮度)PlanckLaw黑體輻射與物質(zhì)組成無關(guān)黑體輻射強(qiáng)度隨溫度增高而增大Stefan-BoltzmannLaw最大強(qiáng)度的波長隨溫度增高而減小Wien位移定律MaxPlanck(1858-1947)德國物理學(xué)家1901：Planck’sLaw1918NobelPrizeQuantumtheoryPlanckLawStefan-BoltzmannLaw黑體的積分輻射通量密度與溫度的4次方成正比由溫度可以求出絕對黑體的積分輻射通量密度；反之，也可由積分輻射通量密度反求其溫度，這就是用輻射方法測量物體溫度的基礎(chǔ)。將太陽視作絕對黑體而計算出的溫度稱為太陽的有效溫度，約為5777K，與太陽表面的實際溫度略有差異。如果不是絕對黑體，反演出的溫度就會偏低。JosephStefan(1835-1893)奧地利物理學(xué)家、詩人1884：Stefan-BoltzmannlawStefanflow熱學(xué)電磁學(xué)1904NobelPrizeTherealwayssomethingwillremain,thatweshallnotknow,why?5.2.2平衡輻射的基本規(guī)律LudwigBolt