大气物理第四章地面和大气中的辐射过程

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1、第四章地面和大气中的辐射过程§1辐射的基本概念§2辐射的物理规律§3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§5地球—大气系统的长波辐射§6地面、大气及地气系统的辐射平衡§1辐射的基本概念一、电磁辐射二、辐射场物理量一、电磁辐射什么是电磁辐射？它如何进行传输？一、电磁辐射地球和太阳的辐射一、电磁辐射1、辐射与辐射能辐射能是能量的一种形式，指物质以电磁波的形式放射的能量，而这种能量传播方式称为辐射。描述电磁波参量：波速c=3×108m/s波长频率波数一、电磁辐射2、电磁波谱波长范围：10-16m—103mλ：宇宙射线＜γ射线＜X射线＜紫外线＜可见光＜红外线（＜微波）＜无线电波

2、太阳、地球和大气辐射的波长范围：0.1—120μm，即紫外、可见光和红外波段，(μm)名称波长范围紫外线100埃～0.4微米可见光0.4微米～0.76微米红外线近红外0.76微米～3.0微米中红外3.0微米～6.0微米远红外6.0微米～15微米超远红外15微米～1000微米微波毫米波1～10毫米厘米波1～10厘米分米波10厘米～1米色彩名称波长范围紫0.40～0.43微米蓝0.43～0.47微米青0.47～0.50微米绿0.50～0.56微米黄0.56～0.59微米橙0.59～0.62微米红0.62～0.76微米不同电磁波的具体波长范围可见光波长范围一、电磁辐射3、大气科学研究对象：太

3、阳短波辐射、地球和大气长波辐射二、辐射场物理量1、辐射通量Φ：单位时间内通过某一平面的辐射能，也称为辐射功率，单位为J/S或W。（1-1）2、辐射通量密度E：单位面积的辐射通量，或是单位面积单位时间内通过的辐射能，单位为W·m-2（1-2）辐照度辐出度3、辐照度E与辐出度F到达接收面的辐射通量密度称为辐照度，用E表示。自放射面射出的辐射通量密度称为辐出度，用F表示。4、分光辐出度Fλ：又称单色辐射通量密度，指物体温度为T时，单位时间内从单位表面发出的波长在dλ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W·m-2·μm-1。积分辐出度F：对物体所发射的所有波长范

4、围内的分光辐出度积分。Fλλdλ（1-3）5、辐亮度L：也称辐射率，它指的是单位立体角、垂直于辐射传输方向单位面积，单位波长间隔内所通过的辐射功率，单位为W·m-2·sr-1·μm-1。全自动太阳分光光度计dAx、y、z为观测位置坐标；θ天顶角φ方位角λ波长t观测时间（W·m-2·sr-1·μm-1）（1-4）dΦ辐射功率；dA光线通过的面积；dλ观测的辐射波长范围；dΩ所张立体角；A（W·m-2·sr-1·μm-1）5、辐亮度L各向同性：L与观测方向（θ，φ）无关（L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

5、t无关（L是时间t的函数—非定常辐射。）朗伯体：辐亮度不随方向而变化的辐射体，通常我们把太阳、陆地表面都看作是朗伯体。6、辐射通量密度与辐亮度的关系（1）朗伯定律例：设从一无限平面向所有方向均以均一的辐亮度L发射辐射，问平行于此表面的平面上的辐照度E等于多少？（P66）解：通过空间某一平面的辐照度，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，球坐标：6、辐射通量密度与辐亮度的关系朗伯定律：对于发射辐射的表面，如果向半球空间各方向发射的辐亮度均为L（朗伯体），则在该面上的辐出度为πL。（1-5）（2）平面平行大气辐射通量密度与净辐射通量密度平面平行大气：考虑到大气中各种变量在水平

6、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。6、辐射通量密度与辐亮度的关系平面平行大气辐射通量密度：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（1-6）（1-7）净辐射通量密度或净辐照度:（1-8）若对一薄层大气，上边界为，下边界为z，若上边界净辐射通量密度是向下的，下边界净辐射通量密度是向上，则辐射能收支为正，气层温度升高；反之降温。§2辐射的物理规律一、吸收率、反射率和透射率二、黑体与灰体三、平衡辐射的基本规律一、吸

7、收率、反射率和透射率Q0QrQaQt吸收率反射率透射率（2-1）水分含量对玉米叶子反射率的影响不同土壤的反射波谱曲线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3～10雪地（新雪）80田地（绿色）3～15雪地（陈雪）50～70田地（已开垦的干地）20～25冰50～70草地15～30水面hθ＞40°2～4裸地7～20水面hθ=5～30°6～40沙地15～25以上图表可以说明什么？物体的吸收率、反射率和透射率大小随着辐射的波长和物体的性