《大氣輻射學(xué)》課件

大氣輻射學(xué)探索大氣輻射的奧秘,了解太陽(yáng)輻射、地球輻射及其相互作用,學(xué)習(xí)反射、吸收和散射等基本概念,掌握大氣輻射的測(cè)量與分析方法。重點(diǎn)解析大氣輻射在氣候變化、天氣預(yù)報(bào)等領(lǐng)域的應(yīng)用。概述大氣輻射學(xué)概述大氣輻射學(xué)是研究大氣中輻射過(guò)程及其與氣候環(huán)境變化關(guān)系的一門(mén)學(xué)科。它涉及太陽(yáng)輻射、地球輻射以及它們?cè)诖髿庵械膫鞑ズ拖嗷プ饔?。研究?jī)?nèi)容大氣輻射學(xué)主要包括輻射的基本定律、黑體輻射、溫室效應(yīng)、大氣輻射傳輸過(guò)程,以及遙感、氣候模式等應(yīng)用領(lǐng)域。學(xué)科意義大氣輻射學(xué)為氣候變化研究、氣象預(yù)報(bào)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐,在環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。學(xué)習(xí)目標(biāo)掌握大氣輻射的基本理論和規(guī)律,了解其在氣候、氣象、環(huán)境等領(lǐng)域的應(yīng)用,為后續(xù)進(jìn)一步學(xué)習(xí)和研究奠定基礎(chǔ)。輻射的定義輻射的基本概念輻射是物質(zhì)以電磁波的形式從一個(gè)點(diǎn)向四周傳播的過(guò)程。它可以是電磁波也可以是粒子。輻射的種類(lèi)主要包括熱輻射、電磁輻射、粒子輻射等。每種輻射都有不同的特性和應(yīng)用領(lǐng)域。輻射的傳播方式輻射可以通過(guò)傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射的方式在物質(zhì)和空間中傳播。它遵循一定的物理規(guī)律。輻射的基本規(guī)律1能量守恒定律能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生,也不會(huì)憑空消失,只會(huì)轉(zhuǎn)換形式。2平方反比定律輻射能量隨距離的平方成反比遞減,即距離越遠(yuǎn)能量越小。3波長(zhǎng)依賴(lài)性不同波長(zhǎng)的輻射可能會(huì)有不同的傳播、吸收和散射規(guī)律。4偏振性質(zhì)部分輻射具有偏振特性,這會(huì)影響其與物質(zhì)的相互作用。黑體輻射黑體是一種理想的輻射體,它能完全吸收所有入射的輻射,并以其自身的溫度發(fā)出最大可能的輻射。黑體輻射遵循普朗克輻射定律,描述了輻射體的輻射特性。這個(gè)定律對(duì)于理解大氣中的輻射過(guò)程非常重要,為各種輻射分析奠定了基礎(chǔ)。普朗克輻射公式普朗克輻射公式是描述黑體輻射特性的重要公式。它表示了物體表面的輻射功率與溫度和波長(zhǎng)的關(guān)系。該公式為研究星體、氣體和其他熱源的輻射特性提供了理論基礎(chǔ)。參數(shù)含義單位B(λ,T)波長(zhǎng)λ時(shí)物體表面的輻射功率密度W/m2·μmC?第一輻射常數(shù)W·m2C?第二輻射常數(shù)m·KT物體的絕對(duì)溫度Kλ輻射波長(zhǎng)μm太陽(yáng)輻射太陽(yáng)輻射是地球上所有生命得以存在的基礎(chǔ)。它為地球提供光能和熱能,是地球大氣環(huán)境和氣候變化的重要驅(qū)動(dòng)力。理解太陽(yáng)輻射的特性和過(guò)程對(duì)于認(rèn)識(shí)氣候系統(tǒng)、發(fā)展可再生能源等都具有重要意義。輻射通量輻射功率從太陽(yáng)到地球表面,太陽(yáng)輻射經(jīng)歷了復(fù)雜的傳輸和轉(zhuǎn)換過(guò)程。表格顯示了太陽(yáng)輻射在不同層面的通量和功率數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)反映了太陽(yáng)輻射在進(jìn)入大氣層后的衰減規(guī)律。地球表面輻射地球表面輻射是太陽(yáng)輻射經(jīng)大氣層吸收和反射后到達(dá)地球表面的剩余能量。這部分輻射能量決定了地表的溫度分布和熱力平衡。492W/m2太陽(yáng)常數(shù)代表太陽(yáng)每平方米表面發(fā)出的輻射功率。342W/m2入射地表輻射到達(dá)地表的太陽(yáng)輻射能量。390W/m2地表發(fā)射輻射地表根據(jù)溫度而發(fā)射的長(zhǎng)波輻射。50W/m2大氣窗輻射從地表直接通過(guò)大氣射向外層空間的輻射。大氣吸收和散射氣體吸收大氣中的氣體分子會(huì)吸收特定波長(zhǎng)的輻射,如水蒸氣吸收紅外輻射,臭氧吸收紫外線(xiàn)。這會(huì)影響地表和大氣的輻射平衡。粒子散射氣溶膠、云滴和冰晶會(huì)散射太陽(yáng)輻射和地面輻射,改變大氣的能量傳輸過(guò)程。這包括拉利散射和米氏散射等機(jī)制。溫室效應(yīng)溫室氣體如二氧化碳和甲烷會(huì)吸收地面輻射,減少向外界輻射能量的逸出,造成溫室效應(yīng)升溫。這是導(dǎo)致氣候變化的重要原因。溫室效應(yīng)溫室效應(yīng)的基本原理溫室效應(yīng)是由一些溫室氣體吸收和散射地表輻射熱而導(dǎo)致大氣溫度升高的過(guò)程。這些氣體主要包括二氧化碳、甲烷和一些氟化物等。溫室氣體排放現(xiàn)狀工業(yè)革命以來(lái),人類(lèi)活動(dòng)大量釋放溫室氣體,使得大氣中溫室氣體濃度不斷升高,加劇了溫室效應(yīng)。這是造成全球氣候變化的主要原因之一。溫室效應(yīng)的負(fù)面影響溫室效應(yīng)引起的全球氣溫升高導(dǎo)致冰川融化、海平面上升、極端天氣事件頻發(fā)等一系列嚴(yán)重的氣候變化,對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類(lèi)社會(huì)都造成了巨大的危害。大氣輻射傳輸方程1微分形式描述輻射能量在大氣中傳播的微分方程2積分形式采用積分形式求解輻射傳輸過(guò)程3分析解通過(guò)分析求解得到輻射傳輸?shù)慕馕鼋?數(shù)值解利用數(shù)值方法求解輻射傳輸方程大氣輻射傳輸方程是描述大氣中輻射能量傳播的基本方程。該方程可以采用微分形式或積分形式進(jìn)行表達(dá)和求解。通過(guò)分析解或數(shù)值解的方法,可以得到輻射傳輸過(guò)程的詳細(xì)描述,為大氣遙感、氣候模擬等應(yīng)用提供基礎(chǔ)。輻射傳輸數(shù)值解1有限差分方法通過(guò)對(duì)輻射傳輸方程的離散化來(lái)求解2MonteCarlo方法通過(guò)模擬大量光子的傳輸來(lái)統(tǒng)計(jì)性地求解3譜方法通過(guò)傅里葉變換將方程轉(zhuǎn)化為線(xiàn)性代數(shù)方程求解數(shù)值解決輻射傳輸方程是大氣輻射學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容。主要使用有限差分、MonteCarlo和譜方法等技術(shù)來(lái)求解這一復(fù)雜的微分方程。這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn),需要根據(jù)具體問(wèn)題的特點(diǎn)來(lái)選擇合適的求解方法。大氣輻射傳輸過(guò)程1輻射吸收氣體分子和氣溶膠顆粒通過(guò)吸收太陽(yáng)輻射和地球輻射而獲得能量,從而導(dǎo)致大氣溫度升高。2輻射散射氣體分子和氣溶膠顆粒使得部分輻射能量偏離其原始傳播方向,形成散射效應(yīng)。3輻射發(fā)射大氣中的氣體分子和氣溶膠顆粒也會(huì)根據(jù)自身溫度而發(fā)射出熱量輻射,這種輻射過(guò)程稱(chēng)為熱量輻射。熱紅外成像原理熱紅外成像技術(shù)利用物體表面的熱量輻射特性,通過(guò)檢測(cè)和分析被動(dòng)輻射的紅外波段信號(hào),構(gòu)建出目標(biāo)物體的熱分布圖像。這種成像方式可以在黑暗環(huán)境下對(duì)目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和識(shí)別,廣泛應(yīng)用于軍事、安防、醫(yī)療等領(lǐng)域。熱紅外成像系統(tǒng)的核心部件是紅外探測(cè)器,能夠?qū)囟刃畔⑥D(zhuǎn)換為電信號(hào)。將探測(cè)器掃描獲得的數(shù)字圖像經(jīng)過(guò)信號(hào)處理和顯示,即可呈現(xiàn)目標(biāo)物體的溫度分布圖。熱紅外遙感應(yīng)用精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)熱紅外遙感可以精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)目標(biāo)物體的溫度和狀態(tài),廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、安全等領(lǐng)域。夜間觀(guān)測(cè)熱紅外相機(jī)可以在夜間和低光環(huán)境下工作,實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的全天候觀(guān)測(cè)和偵查。環(huán)境檢測(cè)熱紅外遙感可以監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度分布、熱量流動(dòng)、大氣狀況等,為環(huán)境保護(hù)提供重要數(shù)據(jù)支撐。醫(yī)療診斷熱紅外成像可以無(wú)創(chuàng)地測(cè)量人體溫度分布,用于疾病診斷和身體健康監(jiān)測(cè)。大氣遙感衛(wèi)星遙感利用搭載在人造衛(wèi)星上的傳感器,遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和采集大氣數(shù)據(jù),為氣象預(yù)報(bào)及環(huán)境監(jiān)測(cè)提供重要信息。紅外遙感探測(cè)大氣中的溫度、濕度、氣體成分等信息,通過(guò)分析紅外輻射特性來(lái)研究大氣狀況。雷達(dá)遙感利用雷達(dá)反射信號(hào)分析大氣中的云、雨、雪等,為氣象預(yù)報(bào)和環(huán)境監(jiān)測(cè)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。激光雷達(dá)遙感通過(guò)分析激光信號(hào)反射特性,可以探測(cè)大氣中的氣體組分、氣溶膠、云層等信息。大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大氣質(zhì)量部署在城市各個(gè)角落的大氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站,實(shí)時(shí)收集并分析PM2.5、二氧化硫等指標(biāo)數(shù)據(jù),為大氣污染防治提供關(guān)鍵信息支持。遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)大氣利用衛(wèi)星、雷達(dá)等遙感設(shè)備,可以全方位監(jiān)測(cè)大氣溫度、濕度、云量等動(dòng)態(tài)變化,為大氣環(huán)境管理提供寶貴數(shù)據(jù)。在線(xiàn)監(jiān)測(cè)大氣污染將各類(lèi)大氣污染物傳感器實(shí)時(shí)連網(wǎng),可以隨時(shí)掌握污染物濃度動(dòng)態(tài),為大氣環(huán)境治理提供可靠依據(jù)。大氣環(huán)境預(yù)報(bào)1天氣預(yù)報(bào)利用大氣輻射數(shù)據(jù)可以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)未來(lái)天氣狀況,如溫度、濕度、降水等。2空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)通過(guò)分析大氣輻射數(shù)據(jù)可以預(yù)測(cè)未來(lái)空氣污染物濃度,為公眾提供更好的環(huán)境預(yù)報(bào)。3氣候預(yù)報(bào)大氣輻射數(shù)據(jù)可以幫助預(yù)測(cè)長(zhǎng)期氣候趨勢(shì),為氣候變化研究提供重要信息。4自然災(zāi)害預(yù)報(bào)評(píng)估大氣輻射數(shù)據(jù)有助于預(yù)測(cè)臺(tái)風(fēng)、暴雨等自然災(zāi)害,提高防災(zāi)減災(zāi)能力。大氣環(huán)境模擬數(shù)值模式基于先進(jìn)的數(shù)學(xué)方程和計(jì)算機(jī)算法模擬大氣環(huán)境的動(dòng)態(tài)過(guò)程,預(yù)測(cè)氣象、污染物擴(kuò)散等。情景分析通過(guò)設(shè)置不同的初始條件和邊界條件,對(duì)氣候變化、污染事故等情景進(jìn)行模擬分析?？梢暬故纠萌S模擬和動(dòng)態(tài)圖形,直觀(guān)呈現(xiàn)大氣環(huán)境的變化過(guò)程和特征。氣溶膠輻射效應(yīng)0.1大氣濃度氣溶膠在大氣中的平均濃度非常低，約為0.1mg/m3。$10B經(jīng)濟(jì)損失氣溶膠引起的短期氣候效應(yīng)每年可能導(dǎo)致超過(guò)100億美元的經(jīng)濟(jì)損失。20%全球輻射氣溶膠可引起地球表面接收太陽(yáng)輻射的20%左右降低。0.5℃溫度下降由此導(dǎo)致的平均氣溫下降可超過(guò)0.5℃。氣溶膠是大氣中懸浮的微小固體或液體顆粒。它們對(duì)地球輻射平衡和氣候產(chǎn)生重要影響。氣溶膠可散射和吸收太陽(yáng)輻射,減弱到達(dá)地表的輻射量,從而使地表溫度下降。此外,氣溶膠還可作為云凝結(jié)核,影響云的形成和性質(zhì),進(jìn)而改變?cè)频妮椛涮匦?。這些過(guò)程統(tǒng)稱(chēng)為氣溶膠輻射效應(yīng)。云輻射效應(yīng)云對(duì)輻射的影響是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。云的反照率、吸收率和溫室效應(yīng)會(huì)顯著影響地球能量平衡。不同類(lèi)型的云具有不同的輻射效應(yīng):云類(lèi)型輻射效應(yīng)高層云主要散射和吸收來(lái)自太陽(yáng)的短波輻射,阻礙地球長(zhǎng)波輻射散逸,產(chǎn)生溫室效應(yīng)。中低層云反射較多來(lái)自太陽(yáng)的短波輻射,同時(shí)阻礙地球長(zhǎng)波輻射散逸,兩種效應(yīng)相互抵消。云輻射效應(yīng)的定量評(píng)估對(duì)于改善氣候模型預(yù)報(bào)至關(guān)重要。大氣輻射過(guò)程建模數(shù)值模擬利用復(fù)雜的數(shù)值模式模擬大氣輻射過(guò)程,包括輻射傳輸、云微物理過(guò)程和氣溶膠效應(yīng)等。參數(shù)化方法開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)化的參數(shù)化方案,用于在氣候和天氣模式中高效地描述大氣輻射過(guò)程。觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)同化利用遙感等觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù),通過(guò)同化技術(shù)改進(jìn)大氣輻射模型參數(shù)和初始條件,提高模擬精度。大氣輻射數(shù)據(jù)分析太陽(yáng)輻射地表輻射大氣吸收通過(guò)分析近年來(lái)大氣輻射相關(guān)數(shù)據(jù),可以清楚地看到太陽(yáng)輻射、地表輻射以及大氣吸收等指標(biāo)均呈現(xiàn)逐年上升的趨勢(shì)。這為我們進(jìn)一步了解和研究大氣輻射過(guò)程提供了重要依據(jù)。大氣輻射實(shí)驗(yàn)研究1實(shí)驗(yàn)測(cè)量技術(shù)利用精密的輻射測(cè)量?jī)x器,如分光光度計(jì)、輻射傳感器等,對(duì)大氣輻射過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)和數(shù)據(jù)收集。2模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建大氣模擬實(shí)驗(yàn)室,利用人工控制的環(huán)境參數(shù),重現(xiàn)大氣輻射過(guò)程,驗(yàn)證相關(guān)理論模型。3觀(guān)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)合將實(shí)驗(yàn)室研究與野外觀(guān)測(cè)相結(jié)合,全面反映大氣輻射的時(shí)空變化規(guī)律。4數(shù)據(jù)分析方法采用統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)值模擬等手段,深入研究大氣輻射的物理機(jī)制和規(guī)律性。大氣輻射觀(guān)測(cè)技術(shù)衛(wèi)星遙感利用搭載在人造衛(wèi)星上的傳感器,實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)連續(xù)和動(dòng)態(tài)的大氣輻射觀(guān)測(cè)。地面監(jiān)測(cè)在地面部署各種輻射探測(cè)設(shè)備,如太陽(yáng)輻射監(jiān)測(cè)、紅外輻射監(jiān)測(cè)等,獲取細(xì)致的局地?cái)?shù)據(jù)。探空觀(guān)測(cè)利用探空氣球攜帶儀器探測(cè)大氣垂直結(jié)構(gòu),補(bǔ)充衛(wèi)星遙感和地面監(jiān)測(cè)的不足。航空觀(guān)測(cè)航空器搭載專(zhuān)業(yè)觀(guān)測(cè)儀器,可在特定高度和時(shí)間獲取大氣輻射數(shù)據(jù)。輻射對(duì)氣候變化的影響溫室氣體吸收輻射溫室氣體如二氧化碳和甲烷等能夠吸收地球輻射熱,導(dǎo)致地球整體變暖,引起氣候變化。太陽(yáng)輻射的變化太陽(yáng)活動(dòng)周期的變化會(huì)影響到地球接收的輻射通量,從而影響氣候。云和氣溶膠的作用云和氣溶膠都能吸收和反射部分輻射,影響地球輻射收支,導(dǎo)致氣候變化。極區(qū)冰雪的反射作用冰雪表面反照率高,能反射大量太陽(yáng)輻射,當(dāng)冰雪融化時(shí)會(huì)降低反照率,加劇氣候變化。氣候模式中的輻射參數(shù)化輻射參數(shù)化的重要性氣候模式中的輻射參數(shù)化是模擬大氣輻射過(guò)程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。它直接影響模式對(duì)太陽(yáng)輻射和地球紅外輻射的吸收和散射計(jì)算準(zhǔn)確性，從而決定了對(duì)云、氣溶膠等的模擬效果。主要參數(shù)化方法常用的輻射參數(shù)化方法有經(jīng)驗(yàn)公式法、詳細(xì)輻射傳輸模型法和統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)?zāi)M法等。它們各有優(yōu)缺點(diǎn),需要根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景選擇合適的方法。前沿發(fā)展趨勢(shì)輻射參數(shù)化的研究重點(diǎn)包括提高參數(shù)化方案的物理機(jī)理描述、增強(qiáng)對(duì)復(fù)雜云-輻射-地表過(guò)程的模擬精度以及提高計(jì)算效率等。大氣輻射在氣候預(yù)報(bào)中的應(yīng)用氣候模型中的輻射參數(shù)化大氣輻射過(guò)程在氣候模型中扮演關(guān)鍵角色,通過(guò)參數(shù)化描述復(fù)雜的輻射傳輸過(guò)程,提高預(yù)報(bào)精度。遙感數(shù)據(jù)在氣候預(yù)報(bào)中的應(yīng)用衛(wèi)星遙感能提供大氣輻射狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),為氣候模型輸入提供重要支撐。云輻射效應(yīng)對(duì)氣候的影響云層對(duì)地表和大氣的輻射平衡有重要影響,準(zhǔn)確描述云輻射效應(yīng)是提高氣候預(yù)報(bào)能力的關(guān)鍵。大氣輻射在氣象預(yù)報(bào)中的應(yīng)用降水預(yù)報(bào)大氣輻射數(shù)據(jù)可以用于分析水汽分布和云量變化,從而更準(zhǔn)確預(yù)報(bào)降水天氣。溫度預(yù)報(bào)地面和大氣層的輻射收支變化會(huì)影響溫度變化,利用輻射數(shù)據(jù)可以提高溫度預(yù)報(bào)精度。風(fēng)速預(yù)報(bào)大氣層內(nèi)的輻射加熱會(huì)引起局部的熱力環(huán)流,從而影響風(fēng)速變化。輻射數(shù)據(jù)有助于風(fēng)速預(yù)報(bào)。雷電預(yù)報(bào)大氣中的熱量分布和輻射能量變化可能導(dǎo)致雷暴天氣的形成和發(fā)展。利用輻射數(shù)據(jù)可預(yù)報(bào)雷電天氣。大氣輻射前沿技術(shù)新型遙感技術(shù)利用激光雷達(dá)、微波探測(cè)等新