长波辐射与辐射平衡

1、第五章第五章地面和大气中的辐射过程地面和大气中的辐射过程5.5 5.5 地球地球大气系统的长波辐射大气系统的长波辐射5.6 5.6 地面、大气及地气系统的辐射平衡地面、大气及地气系统的辐射平衡接合前面内容掌握吸收率接合前面内容掌握吸收率、比辐射率概念比辐射率概念比较地面长波、短波吸收率的不同特点比较地面长波、短波吸收率的不同特点 地面对于长波辐射的吸收率接近常数，可作为地面对于长波辐射的吸收率接近常数，可作为灰体，但对短波辐射的吸收率较低，且随波长灰体，但对短波辐射的吸收率较低，且随波长变化大。变化大。理解（理解（5.5.1)(5.5.2)5.5.1)(5.5.2)式式 5.5.1 5.5.1

2、 地面的长波辐射特性地面的长波辐射特性表表 5.12 地地面面长长波波辐辐射射吸吸收收率率（或或比比辐辐射射率率） 表面种类 土壤 沙土 岩石 沥青路 土路 植被 海水 纯水 陈雪 雪 吸收率 0.95 0.97 0.91 0.95 0.82 0.93 0.956 0.966 0.95 0.98 0.96 0.993 0.97 0.995 设地表温度为设地表温度为tg，地面的积分出射度应是地面的积分出射度应是或以地面比辐射率或以地面比辐射率e eg 表示，为表示，为陆地表面可看作朗伯面；而平静的水面因有反陆地表面可看作朗伯面；而平静的水面因有反射，则不能当作朗伯面处理。射，则不能当作朗伯面处理

3、。 4ggtaf (5.5.1) 4ggtfe (5.5.2) 大气的长波辐射性质大气的长波辐射性质( (分别与短波对比分别与短波对比) )1:1:太阳直接辐射太阳直接辐射地球与大气的红外辐射；地球与大气的红外辐射；2:2:大气对长波辐射的散射削弱极小大气对长波辐射的散射削弱极小, ,一般只考虑吸一般只考虑吸收作用；收作用；3:3:大气的吸收和放射须同时考虑。大气的吸收和放射须同时考虑。长波辐射在大气中传输是一种漫射辐射，是在无散射但有吸收，长波辐射在大气中传输是一种漫射辐射，是在无散射但有吸收，放射的介质中的传输放射的介质中的传输5.5.2 5.5.2 长波辐射在大气中传输长波辐射在大气中传

4、输5.5.2 5.5.2 长波辐射在大气中传输长波辐射在大气中传输理解并能写出理解并能写出schwarzchild schwarzchild 方程（方程（5.5.3) (5.5.4) (5.5.7)5.5.3) (5.5.4) (5.5.7)式，理解（式，理解（5.5.8) 5.5.8) 式中各项含义式中各项含义 吸收吸收+ +放出放出 总变化（总变化（5.5.35.5.3） z z坐标下方程（坐标下方程（5.5.45.5.4） 光学厚度坐标光学厚度坐标 方程（方程（5.5.75.5.7） 解方程解方程 结果（结果（5.5.85.5.8）lklllklladddab,ab,ltbktbad)(

5、)(ab,ztblkldsec)(dab,)(ddab,tblkzl)(ddtbll方程的解的形式为:(5.5.8a)(5.5.8b) 在已知吸收物质的吸收系数和光学厚度以及介质的温度分布以后，可以从理论上计算大气中辐射场的分布。 000de)(),(e),()(0)(tbll00de)(e),()()(0tbl0de)(), 0(e),(tbll0) (de)(e), 0(tbl掌握漫射透过率、漫射因子的概念，理解（掌握漫射透过率、漫射因子的概念，理解（5.5.12) 5.5.12) 、（5.5.16) 5.5.16) 式式只考虑气层的只考虑气层的吸收削弱吸收削弱 由地面到由地面到z z处处

6、, ,由由(5.5.8(5.5.8a)a)得得 利用利用（5.1.55.1.5） 可求出可求出在在z z高度上的辐照度高度上的辐照度e ( ) 定义定义地面至地面至z z处气层的处气层的漫射透过率漫射透过率 5.5.2 5.5.2 长波辐射在大气中传输长波辐射在大气中传输,( )secabdlklb tdz ,abdkdz /dll d 0()/0( ,)()lle ,f2/200cos sineld d de2)()(1000e10)(00,fde2)()()(0ee对比对比平行辐射透过率平行辐射透过率和和漫射漫射透过率透过率表达示形式表达示形式, ,若要把漫若要把漫射辐射当作平行辐射处理，

7、射辐射当作平行辐射处理，应当将其光学厚度加大应当将其光学厚度加大1.66 倍。其原理是清楚的，因为倍。其原理是清楚的，因为( 0 ) 是这一层大气的垂直是这一层大气的垂直光学厚度，垂直方向辐射的光学厚度，垂直方向辐射的光学路径最短，而其它方向光学路径最短，而其它方向的路径都要加长，其吸收当的路径都要加长，其吸收当然也增加了。作为对各个方然也增加了。作为对各个方向的积分，其最终效果是加向的积分，其最终效果是加大大 1.66 倍，因此也有人把倍，因此也有人把 称为称为漫射因子漫射因子 掌握掌握olr(olr(outgoing longwave radiation ) )概念，概念，理解（理解（5.

8、5.21) 5.5.21) 式各项意义，结合（式各项意义，结合（5.5.8) 5.5.8) 式。式。假定地面为黑体，温度为假定地面为黑体，温度为tg，则有边条件：则有边条件： = 0处，处，l ( 0)=b (tg)。根据长波辐射传输方程的通解根据长波辐射传输方程的通解(5.5.8),大气顶大气顶 处向外单色幅亮度为处向外单色幅亮度为假设大气放射是假设大气放射是各向同性各向同性的，对的，对半球空间积分半球空间积分以后，可得到大气上界以后，可得到大气上界的单色辐射通量密度的单色辐射通量密度（5.5.185.5.18）5.5.3 5.5.3 大气顶射出的长波辐射大气顶射出的长波辐射00)(g000

9、de)()(e), 0(tbtbl000gde)(e)(tbtb 2020ddsincos), 0()0(le0001010gdde2)(de2)(tbtb其中第一项为来自地表的辐射，其中第一项为来自地表的辐射， 第二项为各层大气的辐射和吸收。第二项为各层大气的辐射和吸收。0f,0f,g0dd)(d)()()()0(tbtbe 1)(f,0f,g0)(d)()()(tbtb (5.5.21) 若求地气系统从大气顶部向外射出的长波辐射（olr），则需对所有波长积分， 0l,d)0(ee (5.5.22) 5.5.3 5.5.3 大气顶射出的长波辐射大气顶射出的长波辐射在推导前面的公式时请特别注意

10、其物理意义:各高度上发射的长波辐射量为该点温度所对应的黑体辐射量乘以其比辐射率（吸收率）。这一辐射在传输到大气上界时要受到它上部这层大气的吸收衰减。大气层顶部的出射辐射是地面和各层大气辐射之和。地球大气顶部总的长波出射辐射（olr）为各波长出射辐射之和。掌握净辐射、辐射差额概念掌握净辐射、辐射差额概念 系统或物体收入辐射能与支出辐射能的差值系统或物体收入辐射能与支出辐射能的差值 辐射差额辐射差额= =辐射收入辐射收入- -辐射支出辐射支出5.6 5.6 地气系统辐射平衡地气系统辐射平衡5.6 5.6 地气系统辐射平衡地气系统辐射平衡推导地推导地气系统平衡时的有效温度（气系统平衡时的有效温度（5

11、.6.25.6.2），），说明其与地球表面平均温度相差说明其与地球表面平均温度相差3333度的原因度的原因 接受太阳辐射：接受太阳辐射： 地气系统发射：地气系统发射： 在地在地气系统达到辐射平衡时，有气系统达到辐射平衡时，有 有效温度有效温度20(1)srr244ert255etk40e41rst4e2204)1 (trrrs5.6 5.6 地气系统辐射平衡地气系统辐射平衡掌握大气保温效应、温室效应的概念，理解图掌握大气保温效应、温室效应的概念，理解图5.245.24和（和（5.6.35.6.3）式）式大气层让短波辐射通过，但对长波有吸收，使地面保持较高温度。 温室效应的辐射平衡模式（p109

12、）440algl440salg11414srtatasratat0s4gl0sls4all2142(1)42sratasaarataa取al = 0.8，as=0.2 ，r=0.3 代入（5.6.4）后，有 tg = 278.6 k，ta = 247.7 k。可见，大气层的存在使地面平衡温度高于全球的有效温度，而大气层的平均温度却低于全球的有效温度。 5.6 5.6 地气系统辐射平衡地气系统辐射平衡理解以下概念：地面短波（长波）净辐射通量理解以下概念：地面短波（长波）净辐射通量密度（密度（5.6.125.6.12）（）（5.6.185.6.18）、大气逆辐射、地）、大气逆辐射、地面有效辐射（面

13、有效辐射（5.6.195.6.19）大气逆辐射大气逆辐射 = = 入射到地面的长波辐射入射到地面的长波辐射 由两部分组成由两部分组成 1 1：大气本身的热辐射：大气本身的热辐射 2 2：云的热辐射：云的热辐射 （许多经验公式许多经验公式: :bruntbrunt、swinbankswinbank、赵文广）赵文广）( (p111)p111)*s,0s,0s,0*l,0l,0l,0eeeeee*0s,0l,0eee*s,0gs,01ere(5.6.12)5.6 5.6 地气系统辐射平衡地气系统辐射平衡地面长波辐射 = + 地面发射 地面反射 地面长波净辐射 = 一般情况， 定义地面有效辐射 地球表

14、面的辐射差额（净辐射）就是地面所吸收的太阳短波辐射和地面放出的有效辐射（长波）之差。在白天无云条件下，e0*是正值，地面升温；而在夜间，因无太阳辐射，e0*是负值，则地面降温。l,0e4ggte l,0(1)gee*l,0e4l,0()ggteel,0el,0e*0l,0ee 由以上讨论得地面的净辐射通量（包括短波和长波）为 )(10l,4ggg0s,*0etreee (5.6.20) 或 0g0s,*01eree (5.6.21) 5.6 5.6 地气系统辐射平衡地气系统辐射平衡理解图理解图5.255.25（p113p113）内陆和海洋比较内陆和海洋比较（1 1）：洋面反射小）：洋面反射小-有效辐射小有效辐射小-辐射差额大辐射差额大（2 2）：内陆温度变化大）：内陆温度变化大-有效辐射变化大有效辐射变化大大气变温率的计算大气变温率的计算对于光学薄层对于光学薄层薄层辐射差额（净辐射）薄层辐射差额（净辐射）变温率变温率5.6 5.6 地气系统辐射平衡地气系统辐射