《大氣輻射學(xué)》課件

《大氣輻射學(xué)》課程導(dǎo)引大氣輻射概述地球能量平衡大氣輻射是地球能量平衡的重要組成部分，影響著地球的氣候和環(huán)境。太陽輻射地球接收來自太陽的短波輻射，一部分被大氣吸收，另一部分被地面吸收。地面輻射地面吸收的太陽輻射轉(zhuǎn)化為長波輻射，大部分被大氣吸收，少量輻射回太空。電磁輻射基礎(chǔ)電磁輻射是一種能量的形式，它以電磁波的形式傳播?？梢姽庵皇请姶泡椛渥V的一部分，包括無線電波、微波、紅外線、紫外線、X射線和伽馬射線。太陽是地球的主要能量來源，它輻射出各種波長的電磁輻射。黑體輻射理想熱輻射體黑體是指能夠完全吸收所有入射輻射的物體，同時也是理想的熱輻射體，它能以最大效率發(fā)射輻射能量。太陽輻射太陽可以被視為一個近似黑體的物體，它向地球發(fā)射輻射能量，這些能量對地球的氣候和生命至關(guān)重要。布萊爾定律描述方程描述黑體輻射強度與輻射波長和溫度的關(guān)系。Bλ(T)=C1λ-5/(exp(C2/(λT))-1)其中，Bλ(T)為黑體在波長λ處的輻射強度，T為黑體溫度，C1和C2為常數(shù)。普朗克定律普朗克定律描述了黑體在不同溫度下，不同波長的輻射強度，是理解大氣輻射的關(guān)鍵基礎(chǔ)。斯蒂芬-波爾茲曼定律黑體輻射該定律描述了黑體輻射出的總能量與溫度之間的關(guān)系。能量密度黑體輻射的能量密度與其絕對溫度的四次方成正比。光譜輻射定義光譜輻射是指在特定波長范圍內(nèi)，物體發(fā)射的輻射能量分布情況。測量單位常用的光譜輻射單位是W/(m2·μm)，表示單位面積、單位波長范圍內(nèi)的輻射功率。應(yīng)用光譜輻射在氣象學(xué)、遙感技術(shù)、光譜分析等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。大氣中的吸收和散射吸收大氣成分對某些波長的電磁輻射吸收，轉(zhuǎn)化為熱能。散射大氣中的氣體、氣溶膠和云滴等粒子對輻射的散射，改變輻射方向。瑞利散射散射粒子尺寸遠小于輻射波長，藍光散射更強，導(dǎo)致天空呈現(xiàn)藍色。米氏散射散射粒子尺寸接近或大于輻射波長，導(dǎo)致云呈現(xiàn)白色或灰色。氣體分子吸收1選擇性吸收不同的氣體分子會吸收特定波長的電磁輻射。2吸收譜線吸收光譜可以顯示出氣體分子吸收輻射的波長范圍。3重要氣體二氧化碳、水蒸氣、甲烷和臭氧是地球大氣中重要的溫室氣體。氣溶膠和云粒吸收1氣溶膠吸收氣溶膠對不同波長輻射的吸收能力不同2云粒吸收云粒吸收能力主要取決于液態(tài)水含量3影響因素氣溶膠和云粒的組成、大小和形狀大氣輻射傳輸方程1輻射通量通過某一表面單位面積的輻射能2輻射強度單位立體角方向上單位投影面積的輻射通量3吸收系數(shù)描述物質(zhì)吸收輻射的能力4散射系數(shù)描述物質(zhì)散射輻射的能力大氣層中的熱量平衡太陽輻射太陽輻射是地球能量的主要來源。它穿過大氣層，到達地球表面，并被地球吸收，從而使地球表面變暖。地球輻射地球表面吸收太陽輻射后，會向外輻射紅外線，即地球輻射。大氣輻射大氣中的溫室氣體吸收地球輻射，并向地球表面輻射紅外線，從而使地球表面溫度升高。近地面輻射收支太陽輻射太陽輻射是地球表面能量的主要來源，包括直接輻射和散射輻射。大氣輻射大氣層對太陽輻射進行吸收和散射，并向地面發(fā)射長波輻射。地面輻射地面吸收太陽輻射后，也會向大氣發(fā)射長波輻射。溫室效應(yīng)二氧化碳甲烷氧化亞氮臭氧其他大氣中溫室氣體濃度增加導(dǎo)致溫室效應(yīng)增強，地球溫度升高。溫室氣體的輻射強迫輻射強迫定義溫室氣體通過吸收和再發(fā)射紅外輻射來改變地球能量平衡，這種影響被稱為輻射強迫。正輻射強迫溫室氣體增加會導(dǎo)致大氣溫度升高，造成正輻射強迫，如二氧化碳和甲烷。負輻射強迫一些氣體，如氣溶膠，可以通過反射太陽輻射來降低地球溫度，造成負輻射強迫。大氣中水分的作用水汽在大氣中扮演著重要的角色，影響著地球的能量平衡、氣候變化和天氣現(xiàn)象。水汽是溫室氣體，吸收紅外輻射，導(dǎo)致溫室效應(yīng)。水汽凝結(jié)成云，反射太陽輻射，冷卻地球表面。水汽參與天氣過程，例如降雨、降雪和冰雹。云對輻射的影響云對地球輻射收支有顯著影響，它們能反射太陽輻射，也能吸收和發(fā)射地球長波輻射。云層反射的太陽輻射量取決于云層的類型、厚度和高度。例如，高層薄云反射的太陽輻射量較少，而低層厚云反射的太陽輻射量較多。云層吸收和發(fā)射的地球長波輻射量也取決于云層的類型、厚度和高度。例如，高層薄云吸收和發(fā)射的地球長波輻射量較少，而低層厚云吸收和發(fā)射的地球長波輻射量較多。氣溶膠對輻射的影響散射氣溶膠散射太陽輻射，導(dǎo)致天空呈現(xiàn)藍色。吸收氣溶膠吸收太陽輻射，影響到達地面的能量。氣候變化氣溶膠的輻射效應(yīng)對氣候變化有重要影響。遙感原理利用傳感器收集地球表面信息將信息轉(zhuǎn)換為電磁信號處理和分析數(shù)據(jù)生成圖像和地圖遙感應(yīng)用舉例農(nóng)業(yè)監(jiān)測作物生長狀況，評估農(nóng)作物產(chǎn)量，預(yù)測病蟲害。環(huán)境監(jiān)測水質(zhì)變化，監(jiān)測污染源，評估土地利用變化。氣象監(jiān)測云層，預(yù)測臺風(fēng)路徑，監(jiān)測降雨量。災(zāi)害監(jiān)測火災(zāi)，監(jiān)測地震，監(jiān)測洪水。大氣輻射模式1輻射傳輸方程模擬大氣中輻射能量的傳輸過程。2大氣成分包含大氣中各種氣體、氣溶膠和云的特性。3邊界條件地面、海洋和大氣頂部的輻射條件。探測大氣垂直結(jié)構(gòu)1氣球探測氣球攜帶傳感器，測量氣溫、濕度、氣壓等2雷達探測利用電磁波探測大氣中的云層、降水等3衛(wèi)星探測遙感技術(shù)獲取大氣層的信息，包括氣溫、水汽、臭氧等探測大氣溫度和水汽溫度探測氣象氣球和衛(wèi)星可以測量溫度，以了解大氣層溫度的垂直分布。水汽探測紅外傳感器可以檢測水汽，了解大氣層中水分的含量和分布。大氣輻射觀測和監(jiān)測觀測方法地面觀測衛(wèi)星觀測觀測內(nèi)容太陽輻射、地面輻射、大氣輻射、氣溫、濕度等地球輻射、大氣輻射、氣溫、濕度、云量等監(jiān)測目的研究氣候變化、環(huán)境監(jiān)測、天氣預(yù)報等研究氣候變化、環(huán)境監(jiān)測、地球資源監(jiān)測等大氣輻射數(shù)值模擬1復(fù)雜系統(tǒng)大氣輻射是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，涉及許多變量和相互作用，例如太陽輻射、地球輻射、云層、氣溶膠等。2模型模擬數(shù)值模擬使用計算機模型來模擬大氣輻射過程，并預(yù)測其對氣候變化的影響。3預(yù)測氣候變化通過模擬，我們可以預(yù)測大氣輻射變化對全球氣候的影響，以及如何減緩氣候變化的影響。大氣輻射與氣候變化全球變暖溫室氣體濃度增加，導(dǎo)致地球溫度升高，造成極端天氣和海平面上升。氣候模式大氣輻射變化影響著氣候模式，例如降雨量、風(fēng)速和氣溫分布。生態(tài)系統(tǒng)氣候變化對生態(tài)系統(tǒng)造成影響，例如冰川融化、生物多樣性減少和極端事件增加。大氣輻射研究展望精準預(yù)測未來研究將側(cè)重于提高大氣輻射模型的精度，更好地預(yù)測氣候變化對地球的影響。綜合研究將大氣輻射與其他地球系統(tǒng)進行更深入的耦合，以理解復(fù)雜的氣候反饋機制。技術(shù)革新利用人工智能、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)，推動大氣輻射研究的快速發(fā)展。課程總結(jié)本課程深入探討了大氣