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第五章地面和大气中的辐射过程2.pptx

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第五章地面和大气中的辐射过程2分析

5.3 地球大气与辐射的相互作用 ;;5.3.1 大气吸收光谱 ;;整层大气和大气各气体成份的吸收光谱 (a)太阳(假定6000K)和地球(假定255K)的黑体辐射谱;(b)整层大气的吸收谱;(c)11km高度以上大气吸收谱;(d)整层大气中不同气体成分的吸收谱 ;从图(b)中可以看出,在0.29μm以下,吸收率等于1,即大气把太阳辐射中小于0.29mm的紫外辐射几乎全部都吸收了。这一部份辐射的主要吸收气体是O2 , O和O3。它主要发生在平流层的中下部,这里紫外辐射导致氧分子的光分解产生原子氧并最后形成臭氧层,而臭氧对紫外辐射有强烈的吸收。 在可见光区(0.4-0.7mm),大气的吸收很少,只有不强的吸收带。 在近红外波段,开始有一些吸收带,主要是水汽的吸收。 波长再长一些,约在2.7μm附近,H2O 和CO2有一个较强的吸收带,再往后,CH4也加入进来。 在红外波段,大气的吸收比较强,主要的吸收气体是H2O和CO2。 ;;;5.3.2 大气对辐射的散射 ;;天空为什么是蓝色的?;;;;2. 辐射传输的有关物理量 (1)光学厚度(optical depth,optical thickness) 定义:沿辐射传输路径,单位截面上所有吸收和散射物质产生的总削弱。是无量纲量。以公式表示 整层大气垂直光学厚度定义为 ;(2)光学质量 定义:辐射束沿传输路径在单位截面上所通过的吸收或散射气体的质量,称为光学质量 (3)单色透过率??和单色吸收率A? 通过一段大气路径后的透过率定义为前后辐射通量密度之比。若大气路径内仅有吸收作用,则吸收率为A? =1- ?? ;5.4 太阳辐射在地球大气中的传输 5.4.1 太阳和太阳辐射 ;;2. 太阳常数 考虑到大气上界的太阳辐照度随日地距离的变化有所不同,规定以日地平均距离时的辐照度作为标准。以 表示大气上界在日地平均距离 d0时,与日光垂直平面上的太阳分光辐照度,此时的太阳积分辐照度称为太阳常数,即 许多研究工作者得出的太阳常数值在1395.6 ~ 1339.1 Wm-2 之间 。WMO在1981年推荐的太阳常数最佳值是 W m-2 ;5.4.2 大气上界的太阳辐射能 ;;5.4.3 太阳的直接辐射 ;;5.4.5 地面对太阳辐射的反射和吸收 ;1. 地面反照率 地球表面能获得多少太阳辐射能,在很大程度上依赖于地表反???率。 ;;;3.行星反照率 ;5. 5 地球–大气系统的长波辐射 ;一般来说,地面对于长波辐射的吸收率近于常数,故可认为地面为灰体。 表给出各类表面的吸收率Ag值(或比辐射率eg),可见地面的吸收率在 0.82 — 0.99 之间,沙土、岩石较低,而纯水与雪则极接近于1,有时可以用作黑体源表面。 相比之下地面对短波辐射的吸收率一般在0.5以下(除冰雪表面),而且随波长变化大。 ;设地表温度为Tg,地面的积分出射度应是 或以地面比辐射率eg 表示,为 我们用F 的测量值计算地表温度,由 F =eg σ Tg4,取eg = 0.95 ,可算出各种温度时地面放射的能量(表 )。这个数值已经与地面收到的太阳辐射能接近。但是,到日落后,地面没有了太阳能收入,而这个放射却仍在继续着。 ;5.5.2 长波辐射在大气中的传输 ;1. 长波辐射传输方程 同时考虑气层的放射与吸收,但不考虑散射,并假定大气是水平均一的,即是平面平行大气。 考虑一束单色辐射通过一层吸收气体介质。射入的辐亮度Lλ沿传播方向经过一段距离 dl 后, 由于吸收作用而使辐亮度变化: 此处 kab,λ 是体积吸收系数。 按吸收率定义,该薄气层的吸收率应是 根据基尔霍夫定律,该气层放射的辐亮度是 其中B?(T)为普朗克函数(黑体的分光辐亮度),T为该薄层的温度。 因此,经过d l 并考虑到大气的吸收和发射后,辐亮度的变化为: ; 式中? 为辐射传输方向和天顶方向的夹角,令 ,得 上式称为施瓦茨恰尔德 (Schwarzchild) 方程。普朗克函数Bλ (T)代表源函数,表征由于热辐射造成辐亮度的增强,式中空气温度T = T(z),随高度而变化。 由于垂直坐标系统应用不太方便,常引进光学厚度座标(图)。按通常习惯,光学厚度向下为正。 辐射传输向上时为(+?),向下时只需将方程中的? 换成(??)即可 ;地气系统从大气顶部向外射出的长波辐射OLR(Outgoing Longwave Radiation),在决定地球大气气候方面有着十分重要的意义。 由于是漫射辐射,到达大气顶部的长波辐射来自各个方向。令EL,??表示OLR,则它是大气顶部从各方向来的所有波长的长波辐亮度积分。 大气上界的单色辐射通量密度 第一项表示来自于

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