大气辐射(上)

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1、大气辐射——地面和大气中的辐射过程袁薇Tel:010-68409835Email：yuanwei@cma.gov.cn中国气象局培训中心第七章地面和大气中的辐射过程7.1辐射的基本概念7.2辐射的物理规律7.3地球大气与辐射的相互作用7.4太阳辐射在地球大气中的传输7.5地球–大气系统的长波辐射7.6地面、大气及地气系统的辐射平衡2地球作为飘浮在宇宙空间的一个物体，它只有通过辐射过程才能与其周围环境交换能量并最终达到某种平衡。地球围绕着太阳运行，太阳辐射的能量是地球最重要的能源。因此需要研究太阳、地球及大气中的辐射能交换，掌握辐射能

2、量在大气中传输和转换的规律。3本章首先叙述有关大气辐射的基本物理概念和基本定律，然后讨论大气对辐射能传输的影响，包括吸收、散射等过程。第三部分是有关太阳辐射的特性及其在大气中传输的过程。第四部分研究地球大气自身发射的辐射及其与周围环境取得平衡的问题。最后讨论地球大气系统的辐射平衡47.1辐射的物理规律5色彩大脑对波长介于350-750nm之间的电磁辐射的视觉效应。光谱中光的波长不同，大脑所反映的颜色就不同。7.1辐射的基本概念67.1辐射的基本概念自然界中的一切物体,只要温度在绝对温度零度以上,都以电磁波的形式时刻不停地向外传送热量

3、,这种传送能量的方式称为辐射。物体通过辐射所放出的能量，称为辐射能，简称辐射。[一般把这种电磁波能量本身称为辐射能（或简称为辐射），而把这种能量传播方式称为辐射]。7辐射有一个重要的特点，就是它是“对等的”。不论物体(气体)温度高低都向外辐射，甲物体可以向乙物体辐射，同时乙也可向甲辐射。这一点不同于传导，传导是单向进行的。辐射能被体物吸收时发生热的效应，物体吸收的辐射能不同，所产生的温度也不同。因此，辐射是能量转换为热量的重要方式。8辐射是以电磁波的形式向外放散的。是以波动的形式传播能量。无线电波和光波都是电磁波。它们的传播速度很快

4、，在真空中的传播速度与光波(3×108米/秒)相同，在空气中稍慢一些。太阳辐射波长主要为0.15-4微米，其中最大辐射波长平均为0.5微米；地面和大气辐射波长主要为3-120微米，其中最大辐射波长平均为10微米。习惯上称前者为短波辐射，后者为长波辐射。97.1.1电磁辐射电磁波是由不同波长的波组成的合成波。它的波长范围从10-10微米(1µm=10-6m)的宇宙线到波长达几公里(1012μm)的无线电波。γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线，以及长波无线电波等都属于电磁波的范围。1011电磁波可以用频率f、波长、波数ν和波速c来

5、描述。其间的关系为12不同波长或频率的电磁波有不同的物理特性，因此可以用波长频率来区分辐射，并给以不同的名称，称之为电磁波谱。在大气科学中，波长的单位常用μm(10-6m)，但在紫外和可见光波段也用nm(10-9m)。在红外波段习惯上用波数表示，其单位常用cm-1，表示在1cm空间距离内有几个波动。频率f的单位则用赫兹(Hz)等，表示一秒钟内有几次振动。13电磁波谱14太阳、地球和大气辐射的波长范围基本上在0.1~120mm,即紫外波段、可见光和红外波段部分。肉眼看得见的是电磁波中很短的一段:可见光波段(0.4-0.76µm)集中太

6、阳辐射的主要能量，不但对地球大气辐射收支有着重要影响，而且还提供人眼不同的色彩。可见光经三棱镜分光后，成为一条由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色组成的光带，这光带称为光谱。15辐射的规律(1)所有物体不论其温度如何，都向外放射辐射能。高温的太阳和地球都在不停地向外辐射能量。(2)物体温度愈高，其放射的最大辐射的波长愈短；反之，物体的温度愈低，其放射的最大辐射波长愈长。例如，太阳放射的最大辐射波长0.5微米，而地球放射的最大辐射波长为10微米。16辐射的规律(3)温度较高的物体单位面积放射的总能量，要比温度低的物体放射多。如太阳表面

7、温度为6000oK，而地球表面的平均温度为288oK，因而，太阳表面单位面积上放射的能量要比地球表面放射的能量大几百万倍。17(4)辐射能力强的物体，其吸收辐射的能力也强；反之，辐射能力弱的物体，吸收能力也弱。黑体吸收能力最强，放射能力也最强。地球和太阳，对于它们各自的温度而言，都是吸收和放射能力很强的物体，可看作是近似黑体。而地球大气则是选择性的吸收和辐射体。对于某种确定波长的辐射可让其透过(即不吸收)；对于另外波长的辐射，则近乎不透明的(即吸收很强)。187.1.2描述辐射场的物理量对辐射的讨论首先要引进辐射场的概念。大气中的许

8、多参量都是以场的形式出现的，如温度场、气压场、风场等。其中温度场、气压场是标量场，风场是矢量场，它们都是空间和时间（x,y,z,t）的函数。辐射场则是比上述参量更复杂的场。191.辐射通量(radiantflux)指单位时间能通过某一