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1、LOGO大气物理学大气物理学第四章第四章 地面和大气中的辐射过程地面和大气中的辐射过程 成都信息工程学院成都信息工程学院-大气科学学院大气科学学院Chengdu University of Information Technology-College of Atmospheric Sciences第四章第四章 地面和大气中的辐射过程地面和大气中的辐射过程1 辐射的基本概念辐射的基本概念2 辐射的物理规律辐射的物理规律3 大气对辐射的吸收和散射大气对辐射的吸收和散射4 太阳辐射在地球大气中的传输太阳辐射在地球大气中的传输 5 地球地球大气系统的长波辐射大气系统的长波辐射6 地面、大气及地气系统的
2、辐射平衡地面、大气及地气系统的辐射平衡2 23 大气运动的能量来源于太阳辐射，地面和大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系统的能量平衡，从而决定了地球气候的基本特征。特征。 研究辐射能在地球研究辐射能在地球- -大气系统内传输和转换大气系统内传输和转换的规律及其应用，属大气物理学的一个重要分的规律及其应用，属大气物理学的一个重要分支。支。 是天气学、气候学、动力气象学、应用气象是天气学、气候学、动力气象学、应用气象学、大气化学和大气遥感等学科的理论基础之学、大气化学和大气
3、遥感等学科的理论基础之一。一。大气辐射学大气辐射学3辐射平衡辐射平衡4 45学习、研究的意义学习、研究的意义辐射能是地面和大气的基本能量来源，辐射是地气系辐射能是地面和大气的基本能量来源，辐射是地气系统与宇宙空间能量交换的唯一方式统与宇宙空间能量交换的唯一方式辐射传输规律是大气遥感的理论基础辐射传输规律是大气遥感的理论基础数值天气预报中需要定量化考察大气辐射过程数值天气预报中需要定量化考察大气辐射过程气候问题气候问题辐射强迫辐射强迫51 辐射的基本概念辐射的基本概念电磁波电磁波6 671 辐射的基本知识辐射的基本知识 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
4、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，速度即光速，71 辐射的基本知识辐射的基本知识8电磁波描述电磁波描述波长频率f 波数 波速c 81 辐射的基本知识辐射的基本知识9例例1：波长：波长10 m对应的波数和频率？对应的波数和频率？91 辐射的基本知识辐射的基本知识10101 辐射的基本知识辐射的基本知识11不同波长的电磁波有不同的物理特性，因此可以不同波长的电磁波有不同的物理特性，因此可以用波长来区分辐射，并给以不同的名称，称之用波长来区分辐射，并给以不同的名称，称之为电磁波谱。为电磁波谱。11射线射线X射线紫外线射线紫外线可见光可见光红外线红外线（微波（微波
5、）无）无线电波线电波太阳、地球和大气辐射的波长范围：太阳、地球和大气辐射的波长范围：0.1120m，即紫外、可见光和红外波段，即紫外、可见光和红外波段，(m)121 辐射的基本知识辐射的基本知识12名称名称名称名称波长范围波长范围波长范围波长范围紫外线紫外线紫外线紫外线100100埃埃埃埃0.40.4微米微米微米微米可见光可见光可见光可见光0.40.4微米微米微米微米0.760.76微米微米微米微米红红红红外外外外线线线线近红外近红外近红外近红外0.760.76微米微米微米微米3.03.0微米微米微米微米中红外中红外中红外中红外3.03.0微米微米微米微米6.06.0微米微米微米微米远红外远红
6、外远红外远红外6.06.0微米微米微米微米1515微米微米微米微米超远红外超远红外超远红外超远红外1515微米微米微米微米10001000微米微米微米微米微微微微波波波波毫米波毫米波毫米波毫米波1 11010毫米毫米毫米毫米厘米波厘米波厘米波厘米波1 11010厘米厘米厘米厘米分米波分米波分米波分米波1010厘米厘米厘米厘米1 1米米米米色彩名称色彩名称色彩名称色彩名称波长范围波长范围波长范围波长范围紫紫紫紫0.400.400.400.400.430.430.430.43微米微米微米微米蓝蓝蓝蓝0.430.430.430.430.470.470.470.47微米微米微米微米青青青青0.470.
7、470.470.470.500.500.500.50微米微米微米微米绿绿绿绿0.500.500.500.500.560.560.560.56微米微米微米微米黄黄黄黄0.560.560.560.560.590.590.590.59微米微米微米微米橙橙橙橙0.590.590.590.590.620.620.620.62微米微米微米微米红红红红0.620.620.620.620.760.760.760.76微米微米微米微米不同电磁波的具体波长范围不同电磁波的具体波长范围不同电磁波的具体波长范围不同电磁波的具体波长范围可见光波长范围可见光波长范围可见光波长范围可见光波长范围131 辐射的基本知识辐射的
8、基本知识131辐射场物理量辐射场物理量辐射能辐射能Q Q能量:焦耳、热力学卡（1k=4.1840J）辐射通量辐射通量 （radiant flux radiant flux 辐射功率辐射功率W W）单位时间内通过任意表面的辐射能量，单位为J/s，即W1辐射场物理量辐射场物理量15辐射强度辐射强度L(radianceL(radiance辐亮度、辐射率辐亮度、辐射率) )单位立体角、单位波长、单位面积所通过的辐射功率，单位为W/m2srm（Wm-2 sr-1m-1） 1辐射场物理量辐射场物理量16辐射强度辐射强度L(radianceL(radiance辐亮度、辐射率辐亮度、辐射率) )光度计示意图1
9、辐射场物理量辐射场物理量17CE318CE318自自动跟踪动跟踪太阳分太阳分光光度光光度计计 各各向向同同性性：L与与观观测测方方向向（，）无无关关（L与与方方向向有有关关各向异性。）各向异性。） 均均匀匀辐辐射射：L与与观观测测位位置置（x, y, z）无无关关（L是是观观测测位位置置的函数的函数非均匀辐射。）非均匀辐射。） 定定常常辐辐射射：L与与时时间间t无无关关（ L是是时时间间t的的函函数数非非定定常常辐辐射。射。 ） 朗朗伯伯体体：辐辐亮亮度度不不随随方方向向而而变变化化的的辐辐射射体体，通通常常我我们们把把太阳、陆地表面都看作是朗伯体。太阳、陆地表面都看作是朗伯体。 1辐射场物理
10、量辐射场物理量18181辐射场物理量辐射场物理量辐射通量密度辐射通量密度E(radiant flux density)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：表示面元接受的辐射时，又称辐照度（irradiance）表示从物体表面发射出的辐射，又称辐出度、辐射度、辐射能力（emittance）,用F表示。220辐射通量密度根据发射和接收对象不同分为辐照度和辐出度两个概念。辐照度：单位时间单位面积接收到的辐射功率辐出度：单位时间单位面积发射出的功率辐照度 辐出度1辐射场物理量辐射场物理量2021平面平行大气平面平行大气考虑到大气中
11、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。1辐射场物理量辐射场物理量2122平面平行大气平面平行大气可把从各个方向射来的辐亮度在垂直方向的分量累加起来，其计算公式为1辐射场物理量辐射场物理量2223净辐射通量密度或净辐照度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1辐射场物理量辐射场物理量2324净辐射通量密度或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。1辐射场物理量辐射场物理量24指物体温度为指物体温度为 T 时
12、，单位时间内从单位表面发出的波长时，单位时间内从单位表面发出的波长在在d附近单位波长间隔内的电磁波能量，它表示热辐附近单位波长间隔内的电磁波能量，它表示热辐射能量按波长的分布，单位为射能量按波长的分布，单位为Wm-2m-1。 积分辐出度积分辐出度 F ：对物体所发射的所有波长范围内的分对物体所发射的所有波长范围内的分光辐出度积分。光辐出度积分。 Fd1辐射场物理量辐射场物理量26点辐射源点辐射源假设点源向四周发射是均匀的，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。 1辐射场物理量辐射场物理量2627平行辐射平行辐
13、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。1辐射场物理量辐射场物理量2728平行辐射平行辐射大气辐射中，常把来自太阳的直接辐射看作平行光。因为地球离太阳的距离为149,597,890 km，而大气辐射学中讨论的最大尺度是地球半径的尺度，即6,371 km。在这样一个范围中，太阳辐射的强度仅变化(149597890+6371)/149597890)2 = 1.000085。因
14、此把太阳辐射当作平行光，其辐照度不随距离变化是合理的。 1辐射场物理量辐射场物理量2829平行辐射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1辐射场物理量辐射场物理量2930朗伯体（朗伯体（LambertLambert）光源）光源辐射强度不随方向变化的面辐射源-朗伯体如太阳、陆地表面。例例5.1(5.1(朗伯定律朗伯定律)P66)P661辐射场物理量辐射场物理量302 辐射的物理规律辐射的物理规律2.1 2.1 吸收率、反射率和透射率吸收率、反射率和透射
15、率2.2 2.2 平衡辐射的基本规律平衡辐射的基本规律2.3 2.3 太阳辐射和地球辐射的区别太阳辐射和地球辐射的区别313132能量守恒能量守恒Q0 = Qa + Qr + Qt 吸收率吸收率A = Qa / Q0反射率反射率R = Qr / Q0透射率透射率 = Qt / Q0( (透过率透过率) )A + R + T = 1 2.1吸收率、反射率和透射率吸收率、反射率和透射率32各种地表对太阳辐射的反射率（各种地表对太阳辐射的反射率（%） 地表反射率地表反射率森林310雪地（新雪）80田地（绿色）315雪地（陈雪）5070田地（已开垦的干地）2025冰5070草地1530水面h4024裸
16、地720水面h=530640沙地15252.1吸收率、反射率和透射率吸收率、反射率和透射率34对于单色辐射，称为单色吸收率、对于单色辐射，称为单色吸收率、反射率和透射率。分别记为反射率和透射率。分别记为Al l , Rl l , Tl l 各种物体对不同波长的辐射具有不同各种物体对不同波长的辐射具有不同的吸收率与放射率，构成了该物体的吸收率与放射率，构成了该物体的吸收光谱或辐射光谱。的吸收光谱或辐射光谱。反照率：物体表面的反射辐射通量与反照率：物体表面的反射辐射通量与入射辐射通量之比入射辐射通量之比2.1吸收率、反射率和透射率吸收率、反射率和透射率3435绝对黑体绝对黑体所有波长吸收率均为1A
17、 = 1单色黑体单色黑体某一波长吸收率为1A = 1 灰体灰体吸收率不随波长变化但小于1黑色物体?2.1吸收率、反射率和透射率吸收率、反射率和透射率35黑色物体与黑体黑色物体与黑体黑色物体与黑体的区别？黑色物体与黑体的区别？ 黑色物体只表明它对可见光的反射性质，而对非可见光的黑色物体只表明它对可见光的反射性质，而对非可见光的吸收无法判定，而黑体是对整个电磁波谱范围内所有波长或吸收无法判定，而黑体是对整个电磁波谱范围内所有波长或某一特定波长而言，它对辐射是全部吸收的，它考虑的是对某一特定波长而言，它对辐射是全部吸收的，它考虑的是对辐射的吸收性质。辐射的吸收性质。362.1吸收率、反射率和透射率吸
18、收率、反射率和透射率36实验室黑体实验室黑体：密闭空腔，内涂烟黑，烟黑吸收率：密闭空腔，内涂烟黑，烟黑吸收率90% Q0372.1吸收率、反射率和透射率吸收率、反射率和透射率372.2平衡辐射的基本规律平衡辐射的基本规律1、辐射平衡、辐射平衡 当物体放射出的辐射能等于它吸收的辐射能时，则称该物当物体放射出的辐射能等于它吸收的辐射能时，则称该物体处于辐射平衡状态，这时物体处于热平衡态，可用一态函体处于辐射平衡状态，这时物体处于热平衡态，可用一态函数数温度温度T T来描述，因此平衡辐射又称为温度辐射。来描述，因此平衡辐射又称为温度辐射。 3838基尔霍夫定律基尔霍夫定律 （1）在一定温度下，对某一
19、特定波长而言，任何物体的辐出）在一定温度下，对某一特定波长而言，任何物体的辐出度与吸收率之比是一个普适函数，该函数只与温度和波长有度与吸收率之比是一个普适函数，该函数只与温度和波长有关，而与物体的其它性质无关。关，而与物体的其它性质无关。 FB(,T)绝对黑体的分光辐出度；绝对黑体的分光辐出度； F,T物体的辐出度物体的辐出度 A,T物体的吸收率物体的吸收率 3939（2）比辐射率）比辐射率 ：物体的放射能力和黑体的辐射能力之。物体的放射能力和黑体的辐射能力之。 （3）基尔霍夫定律的意义：）基尔霍夫定律的意义：它将物体的放射与吸收联系起来了，只要知道某物体的吸收率就可以知道其它将物体的放射与吸
20、收联系起来了，只要知道某物体的吸收率就可以知道其放射率，反之亦然。放射率，反之亦然。它把各种物质的吸收、放射与黑体的辐射能力联系起来。使我们有可以通过它把各种物质的吸收、放射与黑体的辐射能力联系起来。使我们有可以通过研究黑体的辐射来了解一般物体的辐射。而对于黑体的研究，无论从理论上研究黑体的辐射来了解一般物体的辐射。而对于黑体的研究，无论从理论上还是实验上都比较简单。还是实验上都比较简单。基尔霍夫定律基尔霍夫定律41对于绝对黑体物质，单色辐射通量密度与发射物质的温度和辐射波长或频率的关系Planck定律：第一辐射常数第二辐射常数普朗克定律普朗克定律41由于绝对黑体是朗伯体，根据朗伯定律，由于绝
21、对黑体是朗伯体，根据朗伯定律， B(,T) ：绝对黑体的分光辐亮度，：绝对黑体的分光辐亮度， 也称也称普朗克函数普朗克函数， 单位为单位为绝对黑体绝对黑体辐亮度辐亮度绝对黑体绝对黑体辐出度辐出度424243黑体辐射与物质组成无关黑体辐射强度随温度增高而增大Stefan-Boltzmann Law最大强度的波长随温度增高而减小Wien位移定律普朗克定律普朗克定律43斯蒂芬斯蒂芬-玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律黑体的积分辐出度黑体的积分辐出度FT与温度与温度T的四次方成正比。的四次方成正比。 （=5.669610-8 Wm-2K-4） FT黑体的积分辐出度黑体的积分辐出度 斯蒂芬斯蒂芬-玻尔兹曼常数，玻
22、尔兹曼常数， 有效温度有效温度Te：将物体视作绝对黑体时计算出的温度。：将物体视作绝对黑体时计算出的温度。45黑体的积分辐射通量密度与温度的4次方成正比由温度可以求出绝对黑体的积分辐射通量密度；反之，也可由积分辐射通量密度反求其温度，这就是用辐射方法测量物体温度的基础。将太阳视作绝对黑体而计算出的温度称为太阳的有效温度，约为6000K，与太阳表面的实际温度略有差异。如果不是绝对黑体，反演出的温度就会偏低。斯蒂芬斯蒂芬-玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律45维恩定律维恩定律黑体辐射光谱极大值对应的波长黑体辐射光谱极大值对应的波长(max) 与其本身温度与其本身温度(T)的乘积为一常数。的乘积为一常数。 （
23、 b=2897.8mK）颜色温度颜色温度Tc：由光谱测定物体温度。：由光谱测定物体温度。464647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， max = 0.48 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颜色温度或色温。 维恩定律维恩定律4748普朗克定律普朗克定律斯蒂芬斯蒂芬-波尔兹曼（波尔兹曼（ Stefan-Boltzmann）定律定律维恩（维恩（Wien）位移定律）位移定律基尔霍夫定律基尔霍夫定律前三个定律均是描述前三个定律均是描述绝对黑体的定律绝对黑体的定律黑体黑体 一般物体一般物体4849
24、小小 结：结：普朗克定律普朗克定律给出绝对黑体的分光辐出给出绝对黑体的分光辐出度与波长、温度的关系，从而绘出黑体辐射光度与波长、温度的关系，从而绘出黑体辐射光谱曲线，而谱曲线，而Wien位移定律位移定律描述了曲线中辐射能描述了曲线中辐射能力最强对应的波长与温度的关系，力最强对应的波长与温度的关系，Stefan-Boltzmann Law则描述了黑体积分辐射能力则描述了黑体积分辐射能力与温度的四次方成正比，与温度的四次方成正比，基尔霍夫定律基尔霍夫定律把任何把任何物体和绝对黑体联系起来。物体和绝对黑体联系起来。普朗克定律普朗克定律 维恩位移定律维恩位移定律斯蒂芬斯蒂芬-波尔兹曼定律波尔兹曼定律
25、基尔霍夫定律基尔霍夫定律492.3太阳辐射与地球辐射的差别太阳辐射与地球辐射的差别太阳太阳近似为温度为近似为温度为6000K的黑体，地面的黑体，地面近似温度为近似温度为300K的黑体。的黑体。5050太阳辐射与地球辐射的差别太阳辐射与地球辐射的差别太阳太阳近似为温度为近似为温度为6000K的黑体，地面的黑体，地面近似温度为近似温度为300K的黑体。的黑体。太阳辐射太阳辐射的能量集中在的能量集中在0.1 m至至4.0 m之间，之间，地球大气地球大气辐射辐射的能量主要集中在的能量主要集中在4 m至至120 m之间。之间。太阳太阳辐射为辐射为短波辐射短波辐射，称，称地气地气辐射为辐射为长波辐射长波辐
26、射。短波和长波。短波和长波辐射以辐射以4 m分界。分界。515152523 大气对辐射的吸收和散射大气对辐射的吸收和散射 3.1、大气对辐射的吸收、大气对辐射的吸收3.2、大气对辐射的散射、大气对辐射的散射3.3、辐射能在介质中的传输、辐射能在介质中的传输53533.1 大气吸收的物理过程大气吸收的物理过程吸收：投射到介质上面的辐射能中的一部吸收：投射到介质上面的辐射能中的一部分被转变为物质本身的内能或其它形式的分被转变为物质本身的内能或其它形式的能量能量大气中有各种气体成分及气溶胶粒子对辐射具有选择吸收的特性是分子和原子结构及其所处运动状态决定的。5454气体分子或原子内的电子能级跃迁、原子
27、和分子的振动和气体分子或原子内的电子能级跃迁、原子和分子的振动和转动等所发射和吸收的辐射谱是非连续性的，构成原子转动等所发射和吸收的辐射谱是非连续性的，构成原子的线光谱和分子的带光谱。的线光谱和分子的带光谱。单个分子，当它处于某一特定运动状态时，其分子内部总单个分子，当它处于某一特定运动状态时，其分子内部总能量能量E E由三部分组成由三部分组成E =Ee+Ev+ErEe：绕原子核转动的外层电子的动能和静电位能绕原子核转动的外层电子的动能和静电位能Ev：原子在其平衡位置附近振动的能量原子在其平衡位置附近振动的能量Er：分子绕其质量中心转动的能量分子绕其质量中心转动的能量 分子光谱分子光谱5555
28、选择选择性吸收性吸收是指介是指介质质的分子被入射的分子被入射辐辐射激射激发发，从低能，从低能级跃级跃迁到迁到高能高能级级，两个能，两个能级级的差就是介的差就是介质质吸收的吸收的辐辐射能量。由于分子能射能量。由于分子能量的量的变变化是不化是不连续连续的，从而吸收的的，从而吸收的辐辐射射须满须满足一定波足一定波长长，也就，也就是气体分子是气体分子对辐对辐射的吸收具有波射的吸收具有波长选择长选择性。而性。而辐辐射射过过程正好相程正好相反。反。吸收系数吸收系数单个粒子的吸收截面单个粒子的吸收截面ab：粒子所吸收的辐射通量相当于：粒子所吸收的辐射通量相当于面积面积ab从入射辐射场中所截获的辐射通量。从入
29、射辐射场中所截获的辐射通量。体积吸收系数体积吸收系数：单位体积中各粒子吸收截面之和。：单位体积中各粒子吸收截面之和。 N：单位体积中吸收气体的分子数；单位体积中吸收气体的分子数； ab：单个粒子的吸收截面单个粒子的吸收截面光化反应光化反应分子分子吸收吸收足够的辐射能分裂为原子，不稳定的原子结合成较足够的辐射能分裂为原子，不稳定的原子结合成较稳定的分子稳定的分子释放释放多余的辐射能。多余的辐射能。 光光化化反反应应所所要要求求的的辐辐射射波波谱谱可可以以为为连连续续谱谱，只只要要其其中中的的波波长长短短到到使使一一个个光光子子所所提提高高的的化化学学能能足足以以造造成成分分子子的的光光解解。其它
30、能量其它能量转化为原子的动能转化为原子的动能，使气体的温度增高。，使气体的温度增高。地地球球大大气气中中，大大多多数数光光化化反反应应需需要要有有紫紫外外辐辐射射和和可可见见光光辐射。辐射。光致电离光致电离任何原子都能被波长非常短的辐射所电离。具有足够能量的光子把电子从绕原子核旋转的外层轨道上剥离开来，这种过程称为光致电离。 也象光化反应那样，光致电离要求辐射具有低于一定的临界能量波长的连续波。引起电离的辐射波长通常小于0.1m。5959大气吸收光谱大气吸收光谱 （1）气体分子的波长选择性）气体分子的波长选择性 短波辐射短波辐射：主要是水汽，其次是氧、臭氧，而：主要是水汽，其次是氧、臭氧，而
31、CO2 吸收不多；吸收不多； 长波辐射长波辐射：主要是水汽，其次是：主要是水汽，其次是CO2和臭氧。和臭氧。（2）气体吸收对大气辐射平衡的重要性取决于：气体吸收对大气辐射平衡的重要性取决于：一是吸收的强度一是吸收的强度二是吸收气体的含量及其空间分布。二是吸收气体的含量及其空间分布。 6060 H2O吸收约吸收约20%的太阳能量的太阳能量几乎覆盖长波辐射整个波段几乎覆盖长波辐射整个波段6.3 m振动带振动带大于大于12 m转动带转动带大气吸收光谱大气吸收光谱6161 H2OH2O主要集中在大气下层，吸收作用主要在对流层，特别主要集中在大气下层，吸收作用主要在对流层，特别是对流层下层。是对流层下层
32、。液态水：吸收带与气态对应，波段向长波方向移动。液态水：吸收带与气态对应，波段向长波方向移动。大气吸收光谱大气吸收光谱6262O2主要在小于主要在小于0.25 m的紫外区：的紫外区：舒曼龙格（Schumann-Runge）吸收带赫兹堡（Herzberg）带因小于因小于0.25 m的太阳辐射能量不到的太阳辐射能量不到0.2%0.2%，而且，而且O2在可见光波段的两吸收带较弱，所以对太阳在可见光波段的两吸收带较弱，所以对太阳辐射的削弱不大。辐射的削弱不大。大气吸收光谱大气吸收光谱6363 O3强吸收在的强吸收在的紫外区紫外区：哈特来（哈特来（Hartley）带）带最强最强哈金斯（哈金斯（Huggi
33、ns）带）带较弱较弱可见光区：查普尤（可见光区：查普尤（Chappuis）带）带较弱较弱O3层吸收太阳辐射的层吸收太阳辐射的2%平流层温度高的原因平流层温度高的原因红外区红外区：4.7 m、9.6 m 、14.1 m较强吸收带较强吸收带大气吸收光谱大气吸收光谱646419321932年：采用照相光度术，年：采用照相光度术，精确测定了臭氧在全部紫外精确测定了臭氧在全部紫外区域（区域（215-345215-345纳米）的吸纳米）的吸收系数，并发现了若干新光收系数，并发现了若干新光带带国际臭氧委员会把严济慈精国际臭氧委员会把严济慈精确测定的吸收系数定为标准确测定的吸收系数定为标准值，各国气象学家用以
34、每日值，各国气象学家用以每日测定高空臭氧层厚度的变化。测定高空臭氧层厚度的变化。大气吸收光谱大气吸收光谱6565 CO2大于2m的红外区：较强中心： 2.7m、4.3m 、15m（图）对长波辐射，以15m最重要大气吸收光谱大气吸收光谱6666吸收气体吸收光谱对辐射的作用H2O水汽主要为红外区：最强为6.3m振转带和12m转动带；液态水吸收带与水汽对应，但向长波移动吸收了约20%太阳能量。几乎覆盖地气长波辐射全波段。O2主要2m红外区（2.7m、4.3m、15m）对长波辐射，以15m吸收带最为重要。 太太阳阳辐辐射射：紫紫外外14mm远红外辐射几乎全吸收，吸收率远红外辐射几乎全吸收，吸收率1。紫
35、外紫外可见可见红外红外远红外远红外大气吸收光谱大气吸收光谱6868大大气气光光谱谱窗窗：除除了了9.6m附附近近臭臭氧氧有有一一个个较较强强的的吸吸收收带带外外，在在812m波波段段，整整层层大大气气对对长长波波辐辐射射吸吸收收很弱，称为大气光谱窗。很弱，称为大气光谱窗。大气吸收光谱大气吸收光谱3 大气对辐射的吸收和散射大气对辐射的吸收和散射 3.1、大气对辐射的吸收、大气对辐射的吸收3.2、大气对辐射的散射、大气对辐射的散射3.3、辐射能在介质中的传输、辐射能在介质中的传输7070气体分子以及气溶胶粒子内含有多个分立的电子和质子，当电磁波照射到粒子上后，使正负电荷中心产生偏移，构成电偶极子或
36、多极子，并在电磁波激发下作受迫振动，向各方向发射次生电磁波，这种次生电磁波就是散射辐射散射辐射。散射和吸收不同散射和吸收不同：（1）它不产生分子内能状态的变化，应以电磁波理论和物质的电子理论来解释；吸收是因能态发生变化而产生的，需要用量子理论来解释。（2）散射不是选择性的，它在电磁波谱的各个波长上都会发生，因而是全波段的。3.2 大气对辐射的散射大气对辐射的散射71定义无量纲尺度参数定义无量纲尺度参数：尺度数 ；r：粒子半径；：入射辐射波长 当1时：Rayleigh散射，也称分子散射。如空气分子对短波辐射的散射。当0.1 50：几何光学：折射。如大雨滴对可见光的折射、反射。散射过程分类散射过程
37、分类72散射过程分类散射过程分类散散射射类类型型是是由由入入射射辐辐射射波波长长与与质质点点半半径径的的相相对对大大小小来来确确定。定。r(m)7373散射过程分类散射过程分类分分子子散散射射1 ：散射能力与波长的四次方成反比，散射能量分布呈对称球形。米米散散射射0.150 ：属于几何光学范畴，比如虹，晕就是光在雨滴或者冰晶上的反射折射造成的。7474散射削弱系数散射削弱系数 一个粒子的一个粒子的散射截面散射截面sc，表示当有辐照度为，表示当有辐照度为E的辐射射入的辐射射入时，将把时，将把Esc的能量散射到四面八方，而使入射波的能量减的能量散射到四面八方，而使入射波的能量减少少Esc 。若单位
38、体积中有。若单位体积中有N个相同的颗粒，则总散射掉的辐个相同的颗粒，则总散射掉的辐射能为射能为 N*Esc 。 单位体积中各个粒子散射截面之和称为单位体积的单位体积中各个粒子散射截面之和称为单位体积的散射削弱散射削弱系数系数ksc 7575散射削弱系数散射削弱系数对于对于N个相同的颗粒，如空气分子个相同的颗粒，如空气分子对于不同大小的气溶胶散射粒子：对于不同大小的气溶胶散射粒子： r为粒子半径，为粒子半径，n(r)dr表示单位体积中半径从表示单位体积中半径从r到到r+dr范围内的粒子数，范围内的粒子数， m为复折射率。为复折射率。 散射削弱系数散射削弱系数（1）瑞利散射散射系数：）瑞利散射散射
39、系数： N：单位体积中散射质点的数目；：单位体积中散射质点的数目； m：介质的折射指数；：介质的折射指数； 对于处于特定状态的特定介质，对于处于特定状态的特定介质，m和和N都是确定的数值，都是确定的数值，则散射系数与波长的四次方成反比。则散射系数与波长的四次方成反比。7777散射削弱系数散射削弱系数78天空很蓝？天空很蓝？夕阳红？夕阳红？78散射效率因子散射效率因子Qsc ：粒子的散射截面与粒子几何：粒子的散射截面与粒子几何截面之比。截面之比。（2）米散射散射系数：）米散射散射系数：sc：散射截面；：散射截面；r：散射粒子的半径；：散射粒子的半径； 79793 大气对辐射的吸收和散射大气对辐射
40、的吸收和散射 一、大气对辐射的吸收一、大气对辐射的吸收二、大气对辐射的散射二、大气对辐射的散射三、辐射能在介质中的传输（大气消光）三、辐射能在介质中的传输（大气消光）8080E E+dE dl 设有单色平行的定向辐射，设有单色平行的定向辐射，辐照度辐照度为为E，经过一有吸收介质的，经过一有吸收介质的气层厚气层厚度度dl后就要被吸收削弱，后就要被吸收削弱，经过经过dl后后辐照度变成辐照度变成E+dE，此时，此时dE12m转动带；液态水吸收带与水汽对应，但向长波移动吸收了约20%太阳能量。几乎覆盖地气长波辐射全波段。O2主要2m红外区（2.7m、4.3m、15m）对长波辐射，以15m吸收带最为重要
41、。 太太阳阳辐辐射射：紫紫外外14mm远红外辐射几乎全吸收，吸收率远红外辐射几乎全吸收，吸收率1。紫外紫外可见可见红外红外远红外远红外4、辐射能在介质中的传输、辐射能在介质中的传输1481484、辐射能在介质中的传输辐射能在介质中的传输散散射射类类型型是是由由入入射射辐辐射射波波长长与与质质点点半半径径的的相相对对大大小小来来确确定。定。r(m)1491494、辐射能在介质中的传输辐射能在介质中的传输（1）比尔定律）比尔定律（2）辐射传输的有关物理量）辐射传输的有关物理量 a、光学厚度、光学厚度：沿辐射传输路径，单位截面积上所有吸收物质：沿辐射传输路径，单位截面积上所有吸收物质和散射物质产生的
42、总削弱，它为无量纲量。和散射物质产生的总削弱，它为无量纲量。 150 b、光学质量、光学质量：沿辐射传输路径单位截面积气柱内吸收或：沿辐射传输路径单位截面积气柱内吸收或散射气体的质量。散射气体的质量。 c、单色透过率、单色透过率1515、太阳常数太阳常数 大气上界在日地平均距离大气上界在日地平均距离d0时，与日光垂直平面上的太时，与日光垂直平面上的太阳的积分辐照度。阳的积分辐照度。 太阳高度角、天顶角。太阳高度角、天顶角。1521531536、由由于于地地球球是是球球形形，日日光光并并不不总总是是垂垂直直入入射射，因因此此投投射射到到局局地地水水平平面面上上的的辐辐射射多多少少因因入入射射角角
43、不不同同会会有有所所差差异异，于于是是引引出出大大气气上上界界水水平平面面上上的的太太阳阳直直接接辐辐射射与与其其日日总总量量Qd，是是由由太太阳阳常常数数、日日地地距距离离、及及太太阳阳高高度度角角决决定定的的，随地理纬度与时间而变化。随地理纬度与时间而变化。1547、长波辐射：、长波辐射：地面净辐射净短波辐射净长波辐射大气逆辐射地面长波辐射地面有效辐射1558、作为地气系统整体而言，大致是处于辐射平衡的，利用辐、作为地气系统整体而言，大致是处于辐射平衡的，利用辐射平衡条件，可以计算地面有效温度。由于大气对短波较透射平衡条件，可以计算地面有效温度。由于大气对短波较透明，对长波吸收率大，因而使地面平衡温度升高，这种作用明，对长波吸收率大，因而使地面平衡温度升高，这种作用一般称为一般称为“温室效应温室效应”或或“大气保温效应大气保温效应”。156157习题习题158习题习题159习题习题160习题习题161习题习题本章需掌握内容为以上所涉及相关概念、公式定律本章需掌握内容为以上所涉及相关概念、公式定律及相关计算，注意与实际应用相结合。及相关计算，注意与实际应用相结合。162谢谢163
