地面和大氣的輻射

第二節(jié)地面和大氣的輻射2024/1/21太陽(yáng)輻射雖然是地球上的主要能源，但因?yàn)榇髿獗旧韺?duì)太陽(yáng)輻射直接吸收很少，而水、陸、植被等地球表面(又稱(chēng)下墊面)卻能大量吸收太陽(yáng)輻射，并經(jīng)轉(zhuǎn)化供給大氣，從這個(gè)意義來(lái)說(shuō)，下墊面是大氣的直接能源。為此，在研究大氣的熱狀況時(shí)，必須了解地面和大氣之間交換熱量的方式及地—?dú)庀到y(tǒng)的輻射差額。2024/1/22一、地面、大氣的輻射和地面有效輻射

地面輻射：地面吸收太陽(yáng)輻射后(45%反射掉)轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎螅沟孛嬖鰷?，然后日夜不停的向外放射輻射，這就是地面輻射。宇宙中的任何物質(zhì)，只要它的溫度高于絕對(duì)零度時(shí)都能放射能量。

大氣輻射：大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收很少(24%)但能強(qiáng)烈的吸收地面的輻射，大氣主要靠吸收地面輻射后升溫，它也日夜不停的向外放出輻射，叫大氣輻射。1.1地面輻射、大氣輻射2024/1/231.2地面和大氣輻射的表示近似把地面和大氣的輻射看成灰體輻射；根據(jù)斯蒂芬-波耳茲曼定律，輻射通量密度：式中，Eg和Ea分別表示地面和大氣的輻射通量密度；Eb和Eb’分別表示與地面和大氣同溫度的黑體輻射通量密度；δ和δ’分別為地面和大氣的相對(duì)輻射率，又稱(chēng)比輻射率；Tg和Ta分別為地面和大氣的溫度。2024/1/24

地面平均溫度約為300K，對(duì)流層的大氣平均溫度約250K，故其熱輻射中95％以上的能量集中在3～120μm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)。其輻射能最大段波長(zhǎng)在10～15μm范圍內(nèi)，因此，我們把地面和大氣的輻射稱(chēng)為長(zhǎng)波輻射。地面、大氣輻射為長(zhǎng)波輻射？2024/1/252024/1/261.3地面和大氣長(zhǎng)波輻射的特點(diǎn)1.3.1大氣對(duì)長(zhǎng)波輻射的吸收大氣對(duì)長(zhǎng)波輻射的吸收非常強(qiáng)烈，吸收作用不僅與吸收物質(zhì)及其分布有關(guān)，而且還與大氣溫度、壓強(qiáng)等有關(guān)。大氣中水汽、液態(tài)水、二氧化碳和臭氧對(duì)長(zhǎng)波輻射的吸收起重要作用，他們對(duì)長(zhǎng)波輻射具有選擇性。(大氣窗口)大氣窗口：8～12μm處，位于地面輻射波段最強(qiáng)處，大氣的吸收率最小，透射率最大，這一波段能量透過(guò)大氣射向宇宙空間，將這一波段稱(chēng)為大氣窗口。2024/1/27CO2H2OO3CO2H2O大氣吸收譜與放射譜2024/1/28大氣成分吸收帶液態(tài)水水汽除大氣窗口外都能吸收，以6μm附近和24μm以上波段的吸收能力最強(qiáng)臭氧9.6μm二氧化碳4.3μm；12.9～17.1μm2024/1/291.3.2大氣中長(zhǎng)波輻射的特點(diǎn)(長(zhǎng)短波傳輸區(qū)別)

第一，太陽(yáng)輻射中的直接輻射是作為定向的平行輻射進(jìn)入大氣的，而地面和大氣輻射是漫射輻射；

第二，太陽(yáng)輻射過(guò)程中不考慮大氣短波輻射影響，因其極其微弱。長(zhǎng)波輻射在大氣中傳播時(shí)，不僅要考慮大氣對(duì)長(zhǎng)波輻射的吸收，而且還要考慮大氣本身的長(zhǎng)波輻射；

第三，長(zhǎng)波輻射在大氣中傳播時(shí)，可以不考慮散射作用。因?yàn)閞＞φ(長(zhǎng)波輻射的波長(zhǎng)大于氣體分子和塵粒的尺度，散射作用非常弱)2024/1/210項(xiàng)目長(zhǎng)波輻射太陽(yáng)輻射輻射類(lèi)型漫射輻射平行輻射大氣本身的長(zhǎng)波輻射考慮不考慮散射作用不考慮考慮2024/1/2111.4大氣逆輻射和地面有效輻射1.4.1大氣逆輻射和大氣保溫效應(yīng)

大氣逆輻射：大氣輻射中指向地面的那一部分稱(chēng)大氣逆輻射。地面輻射是向上的；大氣輻射既有向上的，也有向下的。

大氣的保溫效應(yīng)(花房效應(yīng)/溫室效應(yīng)):由于大氣逆輻射的存在，使地面實(shí)際損失的能量比它以長(zhǎng)波輻射的能量要少一些，這種作用稱(chēng)為大氣的保溫效應(yīng)。2024/1/212大氣對(duì)地面的保溫作用大氣上界地面地面增溫地面輻射射向宇宙空間大氣吸收“太陽(yáng)暖大地”“大氣還大地”“大地暖大氣”大氣輻射射向地面太陽(yáng)輻射大氣吸收地面吸收2024/1/213大氣溫室效應(yīng)和陽(yáng)傘效應(yīng)：溫室效應(yīng)：大氣中各種微塵和二氧化碳成分的存在，猶如溫室覆蓋的玻璃一樣，阻擋了地面向外的輻射，增強(qiáng)大氣逆輻射，對(duì)地面有保溫和增溫作用，這種現(xiàn)象稱(chēng)為大氣溫室效應(yīng)。

陽(yáng)傘效應(yīng)：大氣中微塵和二氧化碳的增加，猶如在陽(yáng)光下?lián)瘟艘话褌?，減弱了到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射，對(duì)地面有降溫作用，這種現(xiàn)象稱(chēng)之為大氣陽(yáng)傘效應(yīng)。2024/1/214玻璃溫室2024/1/2151.4.2地面有效輻射

定義：地面放射的輻射(Eg)與地面吸收的大氣輻射(δEa)之差稱(chēng)為地面有效輻射，以F0表示。

F0=Eg－δEa

F0在通常情況下為正，是地面通過(guò)長(zhǎng)波輻射失去熱量；

F0為負(fù)時(shí)(逆溫、潮濕)，是地面通過(guò)長(zhǎng)波輻射得到熱量。2024/1/2161.4.2地面有效輻射

影響因子：

地面溫度：空氣溫度：空氣濕度：云況：2024/1/2171.4.2地面有效輻射

變化規(guī)律：

日變化：中午前后達(dá)到最大值以后逐漸變小，到早晨達(dá)到最小。

年變化：夏季大，冬季小，但由于水汽和云的影響，最大值不一定出現(xiàn)在盛夏。如：秦嶺、淮河以南——秋季最大，春季最??；華北、東北等地——春季最大，夏季最小。2024/1/218二、地面及地-氣系統(tǒng)的輻射差額

定義：?jiǎn)挝幻娣e地表面所吸收的總輻射和有效輻射之差，稱(chēng)為地面的輻射差額。

Rg表示地面吸收的輻射與放出的輻射之差，即，地面的輻射差額=地面得到的輻射能-地面失去的輻射能2.1地面的輻射差額

太陽(yáng)輻射+大氣逆輻射

地面放射輻射

2024/1/219式中：

Rg為地面輻射差額；(Q+q)是到達(dá)地面的太陽(yáng)總輻射，即太陽(yáng)直接輻射和散射輻射之和；a為地面對(duì)總輻射的反射率；(1-a)即為地面的吸收率；F0為地面的有效輻射。2024/1/220

Rg為正時(shí)地面有熱量積累，地面溫度將上升;

Rg為負(fù)時(shí)地面有熱量虧損，地面溫度將下降;

Rg為零時(shí)地溫沒(méi)有變化，處于輻射動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)2024/1/221地面輻射差額時(shí)間分布：

日變化：白天為正，夜間為負(fù)。由正值變?yōu)樨?fù)值是日落前1～1.5小時(shí)，由負(fù)值變?yōu)檎禃r(shí)是日出后1小時(shí)。

年變化：夏季為正，冬季為負(fù)，低緯度地區(qū)輻射差額保持正值的月份越多，高緯度地區(qū)輻射差額保持正值的月份越少。就整個(gè)地球表面平均來(lái)講收入是大于支出的也就是說(shuō)，地球表面通過(guò)輻射的交換來(lái)獲得熱量。2024/1/222地面輻射差額各分量的日變化2024/1/223上海7月份晴天輻射差額的日變化2024/1/224輻射差額的年變化——贛州-北京-敦煌2024/1/225地面輻射差額空間分布：年總量海洋大于陸地；整個(gè)洋面和大陸，年總量為正；極地附近，總量為負(fù)；南半球、海洋上更傾向帶狀分布；在低緯地區(qū)中，沙漠、干旱地區(qū)，季風(fēng)區(qū)為低值區(qū)。2024/1/226年平均地表凈太陽(yáng)輻射2024/1/227年平均地表凈長(zhǎng)波輻射2024/1/228年平均地表凈輻射（輻射差額）2024/1/229二、地面及地-氣系統(tǒng)的輻射差額

定義：大氣得到的輻射能與大氣失去的能量之差。

得：大氣直接吸收的太陽(yáng)輻射+地面輻射

失：大氣逆輻射+大氣輻射到宇宙空間

得－失：整個(gè)大氣層的輻射差額為負(fù)值，也就是說(shuō)，大氣是通過(guò)輻射能量來(lái)失去熱量的。2.2大氣的輻射差額短波長(zhǎng)波2024/1/230大氣輻射差額隨緯度的分布2024/1/231二、地面及地-氣系統(tǒng)的輻射差額如果將地面和大氣看作是一個(gè)系統(tǒng)那么收入的輻射和支出的輻射之差就是地-氣系統(tǒng)的輻射差額。得：(Q+q)(1-α)——地面吸收的太陽(yáng)輻射能

qa——大氣吸收的太陽(yáng)輻射

失：F∞——透過(guò)大氣層地面輻射和大氣輻射射向宇宙

輻射能凈收入：Rs=(Q+q)(1-α)+qa－F∞

2.3地氣系統(tǒng)的輻射差額2024/1/232就個(gè)別地區(qū)來(lái)說(shuō)，地-氣系統(tǒng)的輻射差額即可以為正也可以為負(fù)；就整個(gè)地氣系統(tǒng)來(lái)講，這種輻射差額的多年平均值因?yàn)榱?；整個(gè)地球所吸收的能量和放出的輻射能量是相等的，從而使全球達(dá)到輻射平衡。2024/1/233地-氣輻射差額隨緯度的分布2024/1/234太陽(yáng)、地面和大氣之間的熱傳遞太陽(yáng)地面大氣宇宙空間太陽(yáng)輻射地面輻射大氣逆輻射大氣輻射保溫作用地面輻射削弱作用地面吸收太陽(yáng)輻射增溫

大氣吸收地面輻射增溫大氣逆輻射把熱量還給地面大氣圈2024/1/235

赤道地區(qū)

赤道地區(qū)熱帶沙漠熱帶沙漠分析比較赤道地區(qū)和熱帶沙漠地區(qū)的晝夜溫差30℃25℃40℃15℃2024/1/236輻