AP03輻射概念規(guī)律課件

大氣運動的能量來源于太陽輻射，地面和大氣中的輻射過程從大尺度開始控制了地球大氣系統(tǒng)的能量平衡，從而決定了地球氣候的基本特征。大氣輻射學：研究輻射能在地球-大氣系統(tǒng)內傳輸和轉換的規(guī)律及其應用，屬大氣物理學的一個重要分支；是天氣學、氣候學、動力氣象學、應用氣象學、大氣化學和大氣遙感等學科的理論基礎之一。第五章地面和大氣中的輻射過程FAQ1.1,Figure1.EstimateoftheEarth’sannualandglobalmeanenergybalance.Source:IPCC_AR4_KiehlandTrenberth(1997).學習、研究的意義輻射能是地面和大氣的基本能量來源，輻射是地氣系統(tǒng)與宇宙空間能量交換的唯一方式。輻射傳輸規(guī)律是大氣遙感的理論基礎。數值天氣預報中需要定量化考察大氣輻射過程。氣候問題——輻射強迫。5.1輻射的基本知識自然界一切物體都時刻不停地以電磁波的形式向四周傳遞能量，同時也接收外界投射來的電磁波，這種能量傳遞的方式稱為輻射。以這種方式傳遞的能量，稱為輻射能。以橫波形式在空間傳播，速度即光速。5.1.1電磁波譜c=speedoflightinavacuum=3.0x108m/s

l

=wavelength(m)v=frequency(1/sors-1)例：波長10m對應的頻率和波數？=c,E=hv=hc/lE=Energy(joules,orj),h=Planck’sconstant=6.63x10-34j-s,v=frequency(1/sors-1)c=speedoflightinavacuum(m/s),l

=wavelength(m)Electromagnetic

radiationischaracterizedbyitsfrequency,wavelength,wavenumberorphotonenergy預備知識通量的概念平方反比定律：表示輻射能通過空間傳播方式的原則,表示光的強度與到光源的距離的平方成反比。

5.1.2描述輻射場的物理量立體角概念：錐體所攔截的球面積σ與半徑r的平方之比，單位為球面度（sr:Steradians）。Solidangleunitsaresteradians[sr].Forasphereofsurfacearea4r2,thesolidanglesubtendedbytheentiresphereis4,byahemisphereis2,etc.立體角的計算輻射能Q：焦耳、熱力學卡（1k=4.1840J）；輻射功率φ（或RadiantFlux輻射通量W）：單位時間內通過任意表面的輻射能量，單位J/s。輻射強度I：點輻射源在某方向上單位立體角內傳送的輻射通量。輻射通量密度E(RadiantFluxDensity)單位時間通過單位面積的輻射功率，單位為W/m2。設面元為dA，則E為：

當表示面元接受的F時，又稱輻照度（Irradiance）；表示從物體表面發(fā)射出的E，又稱輻出度、輻射度、輻射能力（Emittance）。輻亮度L

(Radiance)：單位立體角、單位時間、單位面積所通過的輻射能量，單位為Wm-2sr-1.大氣輻射場的基本特性各向同性：輻亮度L與觀測方向(q,φ)無關；均勻輻射：L與觀測位置(x,y,z)無關；定常輻射：L與時間t無關。平面平行大氣：考慮到大氣中各種變量在水平方向的變化率遠小于垂直方向的變化率，因此經常可假設大氣是水平均一的，相應的大氣模型在大氣輻射學中稱為平面平行大氣?？砂褟母鱾€方向射來的輻亮度在垂直方向的分量累加起來，其計算公式為凈輻射通量密度（或凈輻照度）計算水平面上的輻射通量密度，分別對從上半球和下半球入射輻射的垂直分量進行積分

則凈輻照度為點輻射源：點源的輻照度（或輻射通量密度）將隨r2減小。

輻射源平行輻射：光源足夠遠，輻射傳輸方向相互平行；在不考慮吸收散射等因素時，平行光的輻射通量密度應當是常數，如太陽輻射。平行輻射所張的立體角為零，只需要知道平行輻射的方向和輻射通量密度即可。例如，地面接收的太陽輻射通量密度

5.2輻射的物理規(guī)律5.2.1吸收率、反射率和透射率5.2.2平衡輻射的基本規(guī)律5.2.3太陽輻射和地球輻射的區(qū)別Q0=Qa

+Qr

+Qt

吸收率A=

Qa/Q0反射率R=

Qr/Q0透過率

=Qt/Q0A+R+

=15.2.1吸收率、反射率和透射率對單色輻射，稱為單色吸收率、反射率和透射率，分別記為Al,Rl

,l

。各種物體對不同波長的輻射具有不同的吸收率與放射率，構成了該物體的吸收光譜或輻射光譜。反照率：反射輻射通量與入射輻射通量之比。絕對黑體：所有波長吸收率均為1，A=1。單色黑體：某一波長吸收率為1，Al

=1?；殷w：吸收率不隨波長變化，但小于1。1859年，德國物理學家Kirchhoff輻射定律指出物體在已知溫度下，對輻射能之放射率或吸收率與物體表面之性質有關。而黑色物質對輻射能具有較大的吸收能力。如果一個物體在任何溫度下能吸收任何頻率的輻射能，那么這個物體便稱為黑體。事實上，完全黑體并不存在，研究黑體輻射時，常以人工制成一完全黑體討論之。如圖所示，當外界輻射能經由小孔射于空腔時，此輻射能經過多次反射后，幾乎無機會再由小孔出現，故可視為輻射能被空腔所完全吸收，而稱之以完全黑體。若加熱此物體至某一溫度，觀察由小孔輻射出之光譜其光譜與在同一溫度之黑體所吸收輻射者，完全相同?；鶢柣舴蚨稍谳椛淦胶鈼l件下，任何物體的單色輻射通量密度FλT與吸收系數AλT成正比關系，二者比值只是波長和溫度的函數，與物體性質無關。任何物體的輻出度和它的吸收率之比都等于同一溫度下黑體的輻出度FB。若定義比輻射率λ,T為物體的放射能力Fλ,T和黑體的輻射能力FB

(l,T)之比，則基爾霍夫定律可以寫成

意義：將物體的吸收能力和放射能力聯系起來；將各種物質的吸收、放射能力與黑體的吸收放射能力聯系起來。

GustavRobertKirchhoff(1824-1887)德國物理學家1859:Kirchhoff’sLaw光譜學、電學發(fā)現了銫和銣MaxPlanck(1858-1947)德國物理學家1901:Planck’sLaw1918:NobelPrizeQuantumtheory斯蒂芬－波爾茲曼定律黑體的積分輻射通量密度與溫度的4次方成正比由溫度可以求出絕對黑體的積分輻射通量密度；反之，也可由積分輻射通量密度反求其溫度，這就是用輻射方法測量物體溫度的基礎。將太陽視作絕對黑體而計算出的溫度稱為太陽的有效溫度，約為5777K，與太陽表面的實際溫度略有差異。如果不是絕對黑體，計算出的溫度就會偏低。

JosephStefan(1835-1893)奧地利物理學家、詩人1884:Stefan-Boltzmannlaw熱學、電磁學1904:NobelPrize

LudwigBoltzmann

(1844-1906)奧地利物理學家1884:Stefan-Boltzmannlaw理論推導、統(tǒng)計力學維恩位移定律黑體輻射最大單色通量密度與它的溫度成反比。例如對6000K黑體，lmax=0.42m（藍色光）由輻射最強的波長也可以確定絕對黑體的溫度，—光譜方法測定物體溫度的基礎。由維恩位移定律求出的溫度稱為色溫。PlanckfunctionWien’sLawStefan-BoltzmanlawBLACKBODYRADIATIONT=temperature(K)s=Stefan–Boltzmanconstant太陽輻射的能量集中在0.1m至4.0m之間地球大氣輻射的能量主要集中在4m至120m之間太陽輻射為短波輻射，稱地球輻射為長波輻射。短波輻射和長波輻射以4m分界。5.2.3太陽輻射和地球輻射相對能量大?。涸谒胁ǘ危柋砻孑椛渫?/p>