大气热能和温度气象学与气候学课件.pptVIP

第二章气候系统的辐射过程与能量平衡第一节太阳辐射n第二节地面和大气辐射n第三节大气增温和冷却n第四节大气温度随时间的变化n第五节大气温度的空间变化n

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n2、斯蒂芬-玻耳兹曼定律n3、维恩位移定律n

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。n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n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。n

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。n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。nn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。n

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30%被漫射和散射回宇宙空间，20%被大气吸收，50%穿过大气到达地面。由此也可见，太阳辐射并非大气的直接热源。

上述三种方式中，反射作用最重要，尤其是云层对太阳辐射的反射最为明显，另外还包括大气散射回宇宙以及地面反射回宇宙的部分；散射作用次之，形成了到达地面的散射辐射；吸收作用相对最小。以全球平均而言，太阳辐射约有30％被散射和漫射回宇宙，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。n

（三）到达地面的太阳辐射直射辐射：以平行光线到达地面的太阳辐射散射辐射：以散射光形式到达地面的太阳辐射总辐射：直射辐射与散射辐射之和。1、直射辐射影响到达地面太阳直射辐射强弱的因子主要有二：1)太阳高度角2)大气透明度

大气质量数(m)、大气透明系数(p)I/I0=p布格定律：I=Imop

直接辐射有显著的年变化、日变化和随纬度的变化2、散射辐射影响到达地面太阳散射辐射强弱的因子主要有二：1)太阳高度角2)大气透明度散射辐射也有显著的年变化、日变化和随纬度的变化3、总辐射影响到达地面太阳总辐射强弱的主要因子1)太阳