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1、第五章 地面和大气中的辐射过程大气运动的能量来源于太阳辐射，地面和大气中的 辐射过程从大尺度开始控制了地球大气系统的能量 平衡，从而决定了地球气候的基本特征。5.1 辐射的基本知识 自然界一切物体都时刻不停地以电磁波的形式向四周 传递能量，同时也接收外界投射来的电磁波，这种能 量传递的方式称为辐射。以这种方式传递的能量，称为辐射能。以横波形式在空间传播，速度即光速。5.1.1 电磁波谱例1：波长10 m对应的频率和波数？5.1.1 电磁波谱紫外线：uv-A：0.315-0.400 微米uv-B：0.280-0.315微米uv-C：0.150-0.280微米可见光红外线：近红外：0.7-2.5微
2、米远红外：2.5-1000微米微波无线电波长波、短波：4微米Flux: inverse square law平方反比定律是表示辐射能通过空间传播方式的原则,表示光的强度与到光源的距离 的平方成反比 5.1.2 描述辐射场的物理量立体角 辐射能Q能量:焦耳、热力学卡（1k=4.1840J） 辐射通量（radiant flux 辐射功率W）单位时间内通过任意表面的辐射能量，单位为 J/s，即W5.1.2 描述辐射场的物理量5.1.2 描述辐射场的物理量 辐射通量密度E (radiant flux density) 单位时间通过单位面积的辐射能量，单位为W/m2 。 设面元为dA： 表示面元接受的F
3、时，又称辐照度（irradiance） 表示从物体表面发射出的E，又称辐出度、辐射度 、辐射能力（emittance）。 辐射强度L (radiance 辐亮度、辐射率) 单位立体角、单位时间、单位面积所通过的辐 射能量，单位为 W m-2 sr-1 .5.1.2 描述辐射场的物理量 单色与谱段积分辐射量5.1.2 描述辐射场的物理量 各向同性辐亮度L与观测方向（q , ） 无关（L是立体角的函数 ，即与方向有关各向异性） 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）5.1.2 描述辐射场的物理量5.1
4、.2 描述辐射场的物理量 净辐射通量密度或净辐照度计算水平面上的辐射通量密度，分别对从上半球和下半球入射辐射的垂直分量进行积分净辐照度 净辐射通量密度或净辐照度辐射能收支为正：气层温度升高；反之降温。5.1.2 描述辐射场的物理量 净辐射通量密度或净辐照度5.1.2 描述辐射场的物理量 点辐射源点辐射源假设点源向四周发射是均匀均匀的，发射辐射的功率 为0 ，以点源为中心画一个半径为r的球面，则通过 球表面的辐照度为点源的辐照度（或辐射通量密度）将随r 2减小。 5.1.2 描述辐射场的物理量 平行辐射 当光源的距离足够远时，所有来自该光源的 辐射传输方向可以认为是相互平行的，这种辐 射常被称为
5、平行辐射(或平行光) 特点：在不考虑吸收散射等因素时，平行光的 辐射通量密度应当是常数，即在任何位置上设 置一个和辐射传输方向相垂直的平面，通过这 平面的辐射通量密度都应当是一个常数。5.1.2 描述辐射场的物理量 平行辐射 对于平行辐射，由于辐射能是在同一个方向传播，射 线所张的立体角为零，此时辐射强度的概念不再适用 。 这种情况下，只需要知道平行辐射的方向和辐射通量 密度即可。 地面接收的太阳辐射通量密度5.1.2 描述辐射场的物理量 余弦辐射体或Lambert光源辐射强度不随方向变化的面辐射源如黑体、太阳、陆地表面平静水面？例5.1(朗伯定律)5.1.2 描述辐射场的物理量Planck
6、Law普朗克函数(黑体分光辐亮度)Wien位移定律黑体辐射最大,单色通量密度与它的温度成反比 例如对6000 K黑体，l max = 0.42 m（蓝色光） 由辐射最强的波长也可以确定绝对黑体的温度，光 谱方法测定物体温度的基础。 由维恩位移定律求出的温度称为色温。 Planck functionWiens LawStefan-Boltzman lawBLACKBODY RADIATIONT = temperature (K)s = Stefan Boltzman constant 辐射平衡状态 吸收和发射辐射能量相等：1）物质热状况保持 不变，可用一确定温度表示；2）各向同性。 局地辐射平衡
7、状态 如果辐射热交换的过程相当缓慢，物体中内能的 分布来得及变化均匀，这时物体的温度虽然在变 化，但每一给定瞬间，物体的状态可以看作是平 衡的，仍可用一定的温度来描述。 地球大气中的辐射过程，一般认为地面至60公里 以下的大气处于局地辐射平衡状态，因此可以应 用平衡辐射的规律来解诀平流层以下的大气辐射 学的问题。5.2.2 平衡辐射的基本规律5.2.3 太阳辐射和地球辐射相对能量大小: 在所有的波长，太阳表面的辐射通量都远大于地球表 面辐射通量。 但辐射通量在传输过程中随距离的平方减小。在地球 表面或离地面几百公里的范围内，在长波波段，地球 的辐射通量远大于太阳的辐射通量，故常常可以忽略 太阳的作用。 例如，在大气上界，入射的太阳长波辐射通量约10 Wm-2，而地球出射的长波辐射通量约270 W m-2。 对于全波段辐射通量密度，太阳、地球两者辐射通量 密度数量级接近5.2.3 太阳辐射和地球辐射
