气候学与水文学课件.pptxVIP

第三章 大气与气候 辐射过程第一节 辐射概述一、辐射的基本知识1、辐射与辐射能 自然界中的一切物体都以电磁波的方式向四周放射能量，这种传播能量的方式称为辐射。通过辐射传播的能量称为辐射能，也简称为辐射。2、辐射通量密度 单位时间内通过单位面积的辐射能量称辐射通量密度（E），单位是W/m2。其数值大小反映物体反射能力的强弱。 电磁波的波长范围很广，从波长10-10μm的宇宙射线，到波长达几千米的无线电波。可见光：0.4—0.76μm的波长3、物体对辐射的吸收、反射和透射 ? 设投射到物体上的总辐射能为Qo，被吸收的为Qa，被反射的为Qr，透过的为Qd 根据能量守恒原理Qa+Qr+Qd=Qo将上式等号两边除以Qo，得? 式中左边第一项为物体吸收的辐射与投射于其上的辐射之比，称为吸收率（a）；第二项为物体反射的辐射与投射于其上的辐射之比，称为反射率（r）；第三项为透过物体的辐射与投射于其上的辐射之比，称为透射率（d），则 a+r+d=1a、r、d分别表示物体对辐射吸收、反射和透射的能力。二、有关辐射的基本定律 1、基尔荷夫（Kirchhoff）定律 在一定波长、一定温度下，一个物体的吸收率等于该物体同温度、同波长的放射率；同一物体在某一温度时放射某一波长的辐射，那么在同一温度下也吸收这一波长的辐射。 2、斯蒂芬（Stefan）-玻耳兹曼（Boltzman）定律 黑体的总放射能力与它本身的绝对温度的四次方成正比，即 ETb=σT4 式中σ=5.67×10-8W/（m2·K4）为斯蒂芬-波耳兹曼常数3、维恩（Wein）位移定律 黑体单色辐射强度极大值所对应的波长与其绝对温度成反比，即 λmT=C 物体的温度愈高，辐射的波长愈短，反之，物体的温度愈低，辐射的波长愈长。?第二节 大气对太阳辐射的作用可见光区一、太阳辐射 太阳以电磁波的形式向外传递能量，称为太阳辐射1、太阳辐射光谱 太阳辐射中辐射能按波长的分布，称为太阳辐射光谱◆ 特点：辐射能中，波长在0.15 — 4.0 ? 之间占99%以上，而且主要分布在可见光区（50%）和红外区（43%），紫外区的太阳辐射很少，只占7%。2、太阳常数 就日地平均距离来说，在大气上界，垂直于太阳光线的1cm2面积内，1min内获得的太阳辐射能量，称太阳常数，用I0表示。 太阳常数变动于1359—1418W/m2之间。 多数文献上采用1370W/m2二、大气对太阳辐射的削弱作用1、穿过大气的太阳辐射光谱曲线1是大气上界太阳辐射光谱曲线2是臭氧层下的太阳辐射光谱；曲线3是同时考虑到分子散射作用的光谱；曲线4是进一步考虑到粗粒散射作用后的光谱；曲线5是将水汽吸收作用也考虑在内的光谱，它也可近似地看成 是地面所观测到的太阳辐射光谱主要变化：①总辐射能有明显地减弱； ②辐射能随波长的分布变得极不规则； ③波长短的辐射能减弱得更为显著2、大气对太阳辐射的吸收 水汽：在红外区吸收最强，可减弱4%-15% 氧：能微弱地吸收太阳辐射，在小于0.2μm处吸收能力较强， 在0.69和0.76μm附近，也有吸收带，但吸收能力较弱。 臭氧：在0.2-0.3μm为一强吸收带，使得小于0.29μm的辐射 不能到达地面。在0.6μm附近有一宽吸收带，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对较多。 二氧化碳：对红外区4.3μm附近的辐射吸收较强，对整个太阳 辐射的影响不大。 悬浮的水滴、尘埃等杂质：能吸收一部分太阳辐射，但量极少 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。3、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，方向发生改变，使太阳辐射以质点为中心向四面八方传播，称为散射分子散射（蕾利散射）：如果太阳辐射遇到直径比波长小的空气分子，散射能力与波长的四次方成反比，即辐射的波长愈短，散射得愈强空气分子的短波散射成都粗粒散射（米散射）：如果太阳辐射遇到的直径比波长大一些的质点，散射是没有选择性的，即辐射的各种波长都同样地被散射。 当空气中存在较多的尘埃或雾粒，一定范围的长、短波都被同样的散射，使天空呈灰白色。4、大气的云层和尘埃对太阳辐射的反射? 云的反射作用最为显著高云反射率约25％，中云为50％，低云为65％，稀薄的云层也可反射10％—20％。厚云层反射可达90％，一般情况下云的平均反射率为50％—55％。上述三种方式中，反射作用最主要，其次是散射，而吸收作用最小，太阳辐射约有30％被散射回宇宙（称之为行星反射率），20％被大气和云层直接吸收，50％到达地面被吸收。厚云层的反射与散射直接辐射：太阳以平行光的形式直接投射到 地面上的辐射到达地面的总辐射散射辐射：经过散射后从天空投射到地面 的辐射