地面和大氣中的輻射過(guò)程

第三節(jié)太陽(yáng)輻射的理論分布

第二篇大氣物理基礎(chǔ)第五章地面和大氣中的輻射過(guò)程一、太陽(yáng)輻射光譜和太陽(yáng)常數(shù)第二篇·第五章第三節(jié)太陽(yáng)輻射中輻射能按波長(zhǎng)的分布，稱為太陽(yáng)輻射光譜。

一、太陽(yáng)輻射光譜和太陽(yáng)常數(shù)第二篇·第五章第三節(jié)太陽(yáng)常數(shù)是一個(gè)用來(lái)衡量地球所獲得太陽(yáng)輻射能多少的常數(shù)，是假定地球位于日地平均距離處時(shí)，地球大氣上界垂直于太陽(yáng)光線的單位面積上在單位時(shí)間內(nèi)接受到的太陽(yáng)輻射的全譜總能量。

太陽(yáng)常數(shù)

大氣上界在日地平均距離時(shí)與太陽(yáng)光垂直的平面上的太陽(yáng)分光輻照度二、大氣上界的太陽(yáng)輻射能第二篇·第五章第三節(jié)任意時(shí)刻大氣上界與陽(yáng)光垂直的平面上所接受的太陽(yáng)輻照度太陽(yáng)常數(shù)

任意時(shí)刻的日地距離

日地平均距離

二、大氣上界的太陽(yáng)輻射能第二篇·第五章第三節(jié)大氣上界水平面上的太陽(yáng)輻射能到達(dá)水平面上的太陽(yáng)輻照度

三、到達(dá)大氣上界的太陽(yáng)輻射日總量第二篇·第五章第三節(jié)日地距離訂正因素

三、到達(dá)大氣上界的太陽(yáng)輻射日總量第二篇·第五章第三節(jié)三、到達(dá)大氣上界的太陽(yáng)輻射日總量第二篇·第五章第三節(jié)

(1)北回歸線以北的任一緯度上，一年中太陽(yáng)輻射能日總量夏至日最大，冬至日最小。而南回歸線以南的南半球各緯度上，一年中太陽(yáng)輻射日總量冬至日最大，夏至日最小。（2）北極地區(qū)，夏季有極晝，冬季有極夜，南半球相反。所以北極地區(qū)太陽(yáng)輻射日總量夏季較大，冬季為零。而南極地區(qū)相反。（3）南北回歸線之間的地區(qū)，一年中太陽(yáng)高度角相差不大，所以太陽(yáng)輻射日總量一年中相差不大。但在極地附近，因有極晝與極夜出現(xiàn)，因此太陽(yáng)輻射日總量差異較大。（4）南、北半球接收的太陽(yáng)輻射日總量的分布是不對(duì)稱的。

第四節(jié)太陽(yáng)輻射在大氣中的減弱第二篇大氣物理基礎(chǔ)第五章地面和大氣中的輻射過(guò)程一、大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收作用第二篇·第五章第四節(jié)（一）大氣的吸收光譜一、大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收作用第二篇·第五章第四節(jié)（二）大氣中各種成分對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收一、大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收作用第二篇·第五章第四節(jié)（一）大氣的吸收光譜1、氧和臭氧氧對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收帶主要在0.25微米以下的紫外區(qū)，吸收很強(qiáng)。臭氧在紫外區(qū)和可見(jiàn)光區(qū)都有吸收帶。

第二篇·第五章第四節(jié)舒曼—龍格吸收帶位于0.125～0.2026微米；赫茲堡吸收帶位于0.1961～0.2439微米

氧在可見(jiàn)光區(qū)的吸收帶：位于0.69微米附近和0.76微米附近氧氣的吸收帶第二篇·第五章第四節(jié)哈特來(lái)(Hartley)帶，波長(zhǎng)范圍0.22～0.3微米之間，吸收最強(qiáng)；哈金斯（Huggins）吸收帶，波長(zhǎng)為0.32～0.36微米較弱臭氧在可見(jiàn)光區(qū)的吸收帶：波長(zhǎng)范圍在0.44～0.75微米臭氧的吸收帶紅外波段臭氧比較強(qiáng)的吸收帶是4.7微米、9.6微米和14.1微米。一、大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收作用第二篇·第五章第四節(jié)（一）大氣的吸收光譜2、水汽和液態(tài)水水汽對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收帶和吸收線主要位于紅外區(qū)，在紅外區(qū)從波長(zhǎng)0.70～2.85微米之間有7個(gè)主要的吸收帶一、大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收作用第二篇·第五章第四節(jié)水汽和液態(tài)水的吸收帶一、大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收作用第二篇·第五章第四節(jié)（一）大氣的吸收光譜3、二氧化碳二氧化碳在波長(zhǎng)大于2微米的紅外區(qū)有若干個(gè)吸收帶，比較強(qiáng)的中心位于2.7微米、4.3微米和15微米。

一、大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收作用第二篇·第五章第四節(jié)二氧化碳的吸收帶一、大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收作用第二篇·第五章第四節(jié)大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收，平流層以上主要是氧和臭氧對(duì)紫外輻射的吸收，平流層至地面主要是水汽對(duì)紅外輻射的吸收。整層大氣吸收削弱掉太陽(yáng)輻射能的19%。

二、大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的散射第二篇·第五章第四節(jié)尺度函數(shù)二、大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的散射第二篇·第五章第四節(jié)（一）瑞利散射α＜＜1（r＜＜α）的散射稱為瑞利（Rayleigh）散射，也稱分子散射散射截面：表示粒子散射光的總能量等于數(shù)值為的一塊面積從入射光中截取的能量。

單位體積中各個(gè)粒子散射截面之和為體積散射削弱系數(shù)

，對(duì)于N個(gè)相同的顆粒，例如空氣分子，有二、大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的散射第二篇·第五章第四節(jié)（一）瑞利散射

設(shè)在單位面積光柱中，投射的輻射能力為Fλ，經(jīng)過(guò)dL氣層后，散射掉dFλ的輻射，則單位體積的散射削弱系數(shù)

二、大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的散射第二篇·第五章第四節(jié)（一）瑞利散射

單位體積散射質(zhì)點(diǎn)的數(shù)目

介質(zhì)的折射率

入射光的波長(zhǎng)對(duì)于空氣分子，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，m=1.000293，N0=2.688×1025m-3,

二、大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的散射第二篇·第五章第四節(jié)（一）瑞利散射

在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積散射削弱系數(shù)二、大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的散射第二篇·第五章第四節(jié)（一）瑞利散射

瑞利散射還有一個(gè)特點(diǎn)是質(zhì)點(diǎn)散射對(duì)于其光學(xué)特性來(lái)說(shuō)是對(duì)稱的球形

二、大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的散射第二篇·第五章第四節(jié)（二）米散射

散射效率因子表示米散射的削弱情況。散射效率因子是粒子的散射截面與粒子幾何截面之比，即二、大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的散射第二篇·第五章第四節(jié)（三）幾何光學(xué)散射α>50，即r>>λ時(shí)的散射，屬于幾何光學(xué)散射的范疇

三、云層對(duì)太陽(yáng)輻射的反射第二篇·第五章第四節(jié)

四、布格—朗伯（Bouguer-Lambert）定律

第二篇·第五章第四節(jié)

0l吸收截面：粒子所吸收的輻射能相當(dāng)于面積從入射輻射場(chǎng)中所截獲的輻射能。體積吸收系數(shù)

第二篇·第五章第四節(jié)

四、布格—朗伯（Bouguer-Lambert）定律

質(zhì)量吸收系數(shù)密度布朗定律第二篇·第五章第四節(jié)

四、布格—朗伯（Bouguer-Lambert）定律

對(duì)于所有波長(zhǎng)的輻射，有對(duì)于所有波長(zhǎng)的體積吸收系數(shù)衰減系數(shù)散射削弱系數(shù)對(duì)于散射和吸收所引起的總衰減，有第二篇·第五章第四節(jié)

四、布格—朗伯（Bouguer-Lambert）定律

光學(xué)厚度表示沿輻射傳輸路徑，單位截面積上所有吸收和散射物質(zhì)產(chǎn)生的總削弱

體積削弱系數(shù)（含散射和吸收）質(zhì)量削弱系數(shù)（含散射和吸收）某一波長(zhǎng)的光學(xué)厚度第二篇·第五章第四節(jié)

四、布格—朗伯（Bouguer-Lambert）定律

指數(shù)削弱規(guī)律還可以寫(xiě)為：?jiǎn)紊高^(guò)率將整層大氣在垂直方向上的透過(guò)率稱為透明系數(shù)，單色輻射透明系數(shù)為

表示當(dāng)太陽(yáng)位于天頂?shù)臅r(shí)候，到達(dá)地面的太陽(yáng)單色直接輻射通量密度與大氣上界太陽(yáng)單色輻射通量密度的比值

第二篇·第五章第四節(jié)

四、布格—朗伯（Bouguer-Lambert）定律

指數(shù)削弱規(guī)律用透明系數(shù)表示可以寫(xiě)為

定義輻射束沿傳輸路徑在單位截面氣柱內(nèi)所吸收或散射的氣體質(zhì)量為光學(xué)質(zhì)量日光垂直入射時(shí)的光學(xué)厚度可表示為：利用均質(zhì)大氣概念，上面的公式可以表示為第五節(jié)到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射第二篇大氣物理基礎(chǔ)第五章地面和大氣中的輻射過(guò)程第二篇·第五章第五節(jié)

一、直接輻射

太陽(yáng)以平行光的方式，投射到地面上的那一部分輻射能，稱為直接輻射

大氣總的距離衰減系數(shù)

氣體分子散射所引起的衰減

氣溶膠粒子散射所引起的衰減臭氧吸收所引起的衰減

水汽吸收所引起的衰減

其他氣體分子（主要是二氧化碳和氧氣）吸收所引起的衰減

第二篇·第五章第五節(jié)

一、直接輻射

在地面上與日光垂直平面上的太陽(yáng)分光直接輻照度為

第二篇·第五章第五節(jié)

一、直接輻射

太陽(yáng)直接輻照度還可以可根據(jù)各組分透過(guò)率的乘積計(jì)算

第二篇·第五章第五節(jié)

一、直接輻射

通常以到達(dá)水平面上的太陽(yáng)直接輻射的輻照度來(lái)表示直接輻射的大小第二篇·第五章第五節(jié)一、直接輻射

第二篇·第五章第五節(jié)一、直接輻射

關(guān)于相對(duì)大氣質(zhì)量m：日光自θ角傾斜入射與自天頂入射時(shí)的光學(xué)厚度之比假設(shè)為常數(shù)第二篇·第五章第五節(jié)一、直接輻射

第二篇·第五章第五節(jié)一、直接輻射

第二篇·第五章第五節(jié)一、直接輻射

在地面為標(biāo)準(zhǔn)氣壓時(shí)，太陽(yáng)光垂直照射到地面所經(jīng)路程中，單位截面積的空氣柱的質(zhì)量，稱為一個(gè)大氣質(zhì)量。即把太陽(yáng)位于天頂時(shí)，光線穿過(guò)大氣經(jīng)過(guò)的最短路徑作為一個(gè)單位大氣質(zhì)量。它表示傾斜方向太陽(yáng)光的路程為鉛直方向的太陽(yáng)光的路程的倍數(shù)。

第二篇·第五章第五節(jié)一、直接輻射

關(guān)于大氣透明系數(shù)P：整層大氣在垂直方向上的透過(guò)率稱為透明系數(shù)

透過(guò)一個(gè)大氣質(zhì)量的輻射強(qiáng)度與進(jìn)入該大氣輻射強(qiáng)度之比第二篇·第五章第五節(jié)一、直接輻射

（1）空氣透明系數(shù)隨大氣中的濕度的增加而減小。一般冬季濕度小，夏季濕度大，所以，冬季的大氣透明系數(shù)較夏季為大（2）空氣透明系數(shù)隨大氣中含塵量的增加而減小，一般極地含塵量最小，所以大氣透明系數(shù)隨緯度的增加而增大（3）空氣透明系數(shù)隨大氣質(zhì)量數(shù)的增加而增大

第二篇·第五章第五節(jié)一、直接輻射

直接輻射隨太陽(yáng)高度角的增大而增加直接輻射有顯著的日變化，在無(wú)云的天氣條件下，一天中，直接輻射一般是正午最大，最小值是日出日落時(shí)刻。

直接輻射也有顯著的年變化，這種變化主要決定于太陽(yáng)高度角的年變化。

直接輻射還隨緯度而改變第二篇·第五章第五節(jié)二、散射輻射

1、空氣分子的散射2、氣溶膠粒子的散射散射輻射：地平面上每單位時(shí)間在單位面積上接收到的來(lái)自天空一切方向的散射輻射及反射的短波輻射量。第二篇·第五章第五節(jié)二、散射輻射

第二篇·第五章第五節(jié)三、總輻射

同時(shí)到達(dá)地面上的太陽(yáng)直接輻射和散射輻射之和，稱為總輻射總輻射直接輻射散射輻射第二篇·第五章第五節(jié)三、總輻射

第二篇·第五章第五節(jié)三、總輻射

四川盆地多云霧，是我國(guó)年總輻射量最小的地區(qū)青藏高原南部，是我國(guó)總輻射最大的地區(qū)

第二篇·第五章第五節(jié)三、總輻射

總輻射估算公式大氣上界太陽(yáng)輻射日總量日照百分率地區(qū)華南華中華北西北a0.6250.4750.7080.390b0.1300.2050.1050.344第二篇·第五章第五節(jié)四、地面對(duì)太陽(yáng)輻射的反射第二篇·第五章第五節(jié)四、地面對(duì)太陽(yáng)輻射的反射地球——大氣系統(tǒng)的反照率稱為行星反照率，它表示射入地球的太陽(yáng)輻射被大氣、云及地面反射回宇宙空間的總百分?jǐn)?shù)。第六節(jié)地球——大氣系統(tǒng)的長(zhǎng)波輻射第二篇大氣物理基礎(chǔ)第五章地面和大氣中的輻射過(guò)程第二篇·第五章第六節(jié)一、地面長(zhǎng)波輻射的性質(zhì)（一）決定地球長(zhǎng)波輻射的溫度地球軌道上所接收到的太陽(yáng)輻射能總量或地球接收到這些能量之后全部放射出去，則地球輻射通量密度第二篇·第五章第六節(jié)一、地面長(zhǎng)波輻射的性質(zhì)（一）決定地球長(zhǎng)波輻射的溫度假定地球在其本身所輻射的波長(zhǎng)范圍內(nèi)是灰體，則按灰體的基爾霍夫定律，有

相對(duì)輻射率地球溫度時(shí)黑體輻射通量密度第二篇·第五章第六節(jié)一、地面長(zhǎng)波輻射的性質(zhì)（一）決定地球長(zhǎng)波輻射的溫度第二篇·第五章第六節(jié)一、地面長(zhǎng)波輻射的性質(zhì)（一）決定地球長(zhǎng)波輻射的溫度根據(jù)此公式，假設(shè)地球?yàn)楹隗w，則第二篇·第五章第六節(jié)一、地面長(zhǎng)波輻射的性質(zhì)（二）地球長(zhǎng)波輻射的相對(duì)輻射率地球的相對(duì)輻射率大氣的相對(duì)輻射率第二篇·第五章第六節(jié)二、地面長(zhǎng)波輻射的特點(diǎn)（一）大氣對(duì)地球長(zhǎng)波輻射的吸收大氣中對(duì)長(zhǎng)波輻射的吸收起重要作用的成分有水汽、液態(tài)水、二氧化碳和臭氧等。

第二篇·第五章第六節(jié)二、地面長(zhǎng)波輻射的特點(diǎn)（一）大氣對(duì)地球長(zhǎng)波輻射的吸收大氣天窗第二篇·第五章第六節(jié)二、地面長(zhǎng)波輻射的特點(diǎn)（二）大氣中長(zhǎng)波輻射的傳播特點(diǎn)1、太陽(yáng)輻射中的直接輻射是平行輻射，地面和大氣的輻射是漫射輻射。在紅外波段，到達(dá)地面太陽(yáng)的長(zhǎng)波輻射能量輻射遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地面和大氣放射的輻射，所以太陽(yáng)的長(zhǎng)波輻射可以忽略不計(jì)。2、太陽(yáng)輻射在大氣中傳播時(shí)，僅考慮大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的削弱作用，而不用考慮大氣本身的輻射的影響。但考慮長(zhǎng)波輻射在大氣中的傳播時(shí)，不僅要考慮大氣對(duì)長(zhǎng)波輻射的吸收，而且還要考