大气热能和温度-气象学与气候学.ppt

第二章 气候系统的辐射过程与能量平衡 第一节 太阳辐射 第二节 地面和大气辐射 第三节 大气增温和冷却 第四节 大气温度随时间的变化 第五节大气温度的空间变化 第一节 太阳辐射 一、辐射的基本知识 （一）辐射与辐射能 辐射：物体以电磁波的方式向四周放射能量，这种能量传播方式称辐射 辐射能：辐射传播的能量称辐射能 辐射通量密度：单位时间内通过单位面积的辐射能。 辐射通量密度没有限定辐射方向，辐射接受面可以垂直射线或与之 成一定角度 辐射强度：单位时间内，通过垂直于选定方向的单位面积的辐射能。 （二）辐射光谱 辐射光谱：辐射能随波长分布的曲线 （三）物体对辐射的吸收、反射和透射 （四）有关辐射的基本定律 1、基尔霍夫定律 2、斯蒂芬-玻耳兹曼定律 3、维恩位移定律 二、太阳辐射 （一）太阳辐射光谱与太阳常数 太阳辐射光谱：太阳辐射能按波长的分布 太阳辐射=黑体辐射 太阳辐射波长范围：0.15—4.0um 可见光：0.4—0.76um 紫外线：0.4um 红外线：0.76um 太阳辐射最强的辐射波长：0.475um(青光） 太阳常数：日地平均距离时，大气上界垂直太阳光线的单位时间 内单位积上获得的太阳辐射。 （二）太阳辐射在大气中的减弱 由于大气对太阳辐射的吸收、散射和反射，使太阳辐射穿过大气后发生了变化： 1）总辐射能明显减弱 2）太阳光谱变得极不规则 3）波长短的辐射能减弱得为显著 1、大气对太阳辐射的吸收 大气中某些成分选择性地吸收了太阳辐射。这些成分主要是：水汽、氧、臭氧、co2和固体杂质。 水汽虽然在可见光区和红外区都有不少吸收带，但吸收最强的是在红外区，从0.93—2.85μm之间的几个吸收带。最强的太阳辐射能是短波部分，因此水汽从进入大气中的总辐射能量内吸收的能量并不多。据估计，太阳辐射因水汽的吸收可以减弱4％—15％。所以大气因直接吸收太阳辐射而引起的增温并不显著。 大气中的主要气体是氮和氧，只有氧能微弱地吸收太阳辐射，在波长小于0.2μm处为一宽吸收带，吸收能力较强，在0.69和0.76μm附近，各有一个窄吸收带，吸收能力较弱。 臭氧在大气中含量虽少，但对太阳辐射能量的吸收很强。在0.2—0.3μm为一强吸收带，使得小于0.29μm的辐射由于臭氧的吸收而不能到达地面。在0.6μm附近又有一宽吸收带，吸收能力虽然不强，但因位于太阳辐射最强烈的辐射带里，所以吸收的太阳辐射量相当多。 二氧化碳对太阳辐射的吸收总的说来是比较弱的，仅对红外区4.3μm附近的辐射吸收较强，但这一区域的太阳辐射很微弱，被吸收后对整个太阳辐射的影响不大。 此外，悬浮在大气中的水滴、尘埃等杂质，也能吸收一部分太阳辐射，但其量甚微。只有当大气中尘埃等杂质很多（如有沙暴、烟幕或浮尘）时，吸收才比较显著。 由以上分析可知，大气对太阳辐射的吸收具有选择性，因而使穿过大气后的太阳辐射光谱变得极不规则。由于大气中主要吸收物质（臭氧和水汽）对太阳辐射的吸收带都位于太阳辐射光谱两端能量较小的区域，因而对太阳辐射的减弱作用不大。也就是说，大气直接吸收的太阳辐射并不多，特别是对于对流层大气来说，太阳辐射不是主要的直接热源。 2、大气对太阳辐射的散射 太阳辐射遇到空气分子、尘粒、云滴等质点时就要发生散射。 分子散射：质点的直径小于辐射波长 选择性 波长越短散射越强烈 对称性 光学对称性 米散射：质点的直径大于辐射波长 无选择性 漫射 偏不对称性 3 、大气对太阳辐射的反射 大气对太阳辐射有反射作用，尤其是云能强烈地反射太阳辐射。 不同的云状、云厚对太阳辐射反射不同 一般而言，高云反射率25%，中云反射率50%，低云反射率65%，稀薄的云10-20%，平均反射率50-55%。 总之，进入大气的太阳辐射3