辐射概念规律

1、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学习要求学习要求q 提前预习q 课堂听讲q 习题（复习）3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大气运动的大气运动的能量来源能量来源于太阳辐射，地面于太阳辐射，地面和大气中的辐射过程从大尺度和大气中的辐射过程从大尺度开始开始控制控制了地球大气系统的能量平衡，了地球大气系统的能量平衡，从而从而决定决定了地球气候的基本特征。了地球气候的基本特征。大气辐射学大气辐射学研究辐射能在地球-大气系统内传输和转换的规律及其应用，属大气物理学的一个重要分支。是天气学、气候学、动力气象学、应用气象学、大气化学和大气遥感等学科的理论基础之

2、一。学习、研究的意义学习、研究的意义学习、研究的意义学习、研究的意义辐射能是地面和大气的基本能量来源，辐射是地气系统与宇宙空间能量交换的唯一方式辐射传输规律是大气遥感的理论基础数值天气预报中需要定量化考察大气辐射过程气候问题辐射强迫 近年来人类活动造成的地球大气气候变迁成为大气科学研究热点，其原因也在于人类活动所排放的某些物质会改变地球大气中的辐射过程所致。光的本性之争光的本性之争17世纪70年代微粒说（牛顿）和波动说（胡克、惠更斯）光学170419世纪初波动说（横波）占统治地位（托马斯.杨和菲涅耳）20世纪统一简史简史麦克斯韦和电磁场方程的建立麦克斯韦和电磁场方程的建立W. Weber (1

3、804-1891)G. F. B. Riemann (18261866)James Clerk Maxwell (1831-1879)1887年，德国物理学家赫兹(HRHenz，18571894)才用实验证实了麦克斯韦关于电磁波的预言“法拉第一麦克斯韦的电动力学使物理学家们在长期犹豫不决之后，终于逐渐地放弃了有可能把全部物理学建立在牛顿力学之上的信念。”爱因斯坦文集简史简史1880-19001880-1900七大实验七大实验1887年赫兹证实电磁波-光电效应1887年的迈克耳孙一莫雷实验以太1895年伦琴发现了X射线1896年贝可勒尔发现了放射性辐射1897年J.J. 汤姆孙发现电子1898年

4、居里夫妇发现放射性元素Planck黑体辐射实验简史简史简史简史现代大气辐射学的理论基础现代大气辐射学的理论基础Max Planck (1858-1947)Max Planck (1858-1947)德国物理学家德国物理学家19011901：Plancks LawPlancks Law1918 1918 Nobel PrizeNobel PrizeQuantum theory Quantum theory Gustav Robert Kirchhoff Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887)(1824-1887)德国物理学家德国物理学家18591859：Kirch

5、hoffs LawKirchhoffs Law光谱学光谱学电学电学发现了铯和铷发现了铯和铷简史简史现代大气辐射学的理论基础现代大气辐射学的理论基础Joseph Stefan (1835-1893)Joseph Stefan (1835-1893)奥地利物理学家、诗人奥地利物理学家、诗人18841884：Stefan-Boltzmann lawStefan-Boltzmann lawStefan flowStefan flow热学热学电磁学电磁学1904 Nobel Prize1904 Nobel PrizeThere always something will remain, that we

6、shall not know, why? 简史简史现代大气辐射学的理论基础现代大气辐射学的理论基础Ludwig Boltzmann Ludwig Boltzmann (1844-1906)(1844-1906)奥地利物理学家奥地利物理学家18841884：Stefan-Boltzmann lawStefan-Boltzmann law（理论推导）统计力学统计力学简史简史现代大气辐射学的理论基础现代大气辐射学的理论基础Lord Rayleigh(John William Strutt 1842-1919)Lord Rayleigh(John William Strutt 1842-1919)英国

7、物理学家英国物理学家18711871：Rayleigh ScatteringRayleigh Scattering声学声学电学电学1904 Nobel Prize1904 Nobel Prize简史简史现代大气辐射学的理论基础现代大气辐射学的理论基础Wilhelm Wien (1864-1928)Wilhelm Wien (1864-1928)德国物理学家德国物理学家18931893：Wiens Displacement LawWiens Displacement Law1911 1911 Nobel PrizeNobel Prize定义定义 black body black body简史简史

8、现代大气辐射学的理论基础现代大气辐射学的理论基础简史简史现代大气辐射学的理论基础现代大气辐射学的理论基础Gustav Mie (1868-1957)Gustav Mie (1868-1957)德国物理学家德国物理学家19081908：Mie theoryMie theory简史简史现代大气辐射学的完善现代大气辐射学的完善2020世纪世纪2020年代：计算地年代：计算地- -气系统的气系统的辐射收支辐射收支3030年代：辐射传输的基本原理年代：辐射传输的基本原理19501950年：美籍巴基斯坦学者年：美籍巴基斯坦学者Subramanyan Chandrasekhar Subramanyan Ch

9、andrasekhar 1983 1983 Nobel PrizeNobel PrizeRadiative Transfer Clarendon Press, Oxford, 1950, reprinted by Dover Publications, New York, 393 pp., 1960.简史简史现代大气辐射学的完善现代大气辐射学的完善1964:1964:英国英国Richard M. GoodyRichard M. GoodyAtmospheric Radiation, Theoretical Basis, (second edition by R. M. Goody and Y.

10、 Yung), Oxford University Press, 436 pp., 1964, 519 pp., 1989.19691969：苏联地球物理学家苏联地球物理学家Kondratyev, K. Ya. Radiation in the Atmosphere. Academic Press简史简史现代大气辐射学的完善现代大气辐射学的完善7070年代后：非球形粒子的吸收和散年代后：非球形粒子的吸收和散射、辐射传输方程的数值解法射、辐射传输方程的数值解法简史简史近年来的主要研究近年来的主要研究发展大气遥感探测的理论和方法发展大气遥感探测的理论和方法建立具有物理基础的实际大气辐射模式建立具有

11、物理基础的实际大气辐射模式人类活动对全球气候和局地大气环境的影响人类活动对全球气候和局地大气环境的影响太阳活动的变化对气候的影响太阳活动的变化对气候的影响简史简史华人的贡献华人的贡献19321932年：严济慈采用照相光年：严济慈采用照相光度术方法，精确测定了臭氧度术方法，精确测定了臭氧在全部紫外区域（即在全部紫外区域（即215-345215-345纳米）的吸收系数，并发现纳米）的吸收系数，并发现了若干新光带了若干新光带国际臭氧委员会把严济慈精国际臭氧委员会把严济慈精确测定的吸收系数定为标准确测定的吸收系数定为标准值，各国气象学家用以每日值，各国气象学家用以每日测定高空臭氧层厚度的变化，测定高空

12、臭氧层厚度的变化，长达年之久长达年之久简史简史华人的贡献华人的贡献程纯枢程纯枢(1914-1997(1914-1997）根据）根据1931-19351931-1935年南京地区日射强度记录，计算过年南京地区日射强度记录，计算过大气消光系数，分析了大气混浊度大气消光系数，分析了大气混浊度因子因子19441944：郭晓岚（郭晓岚（Hsiao-Lan KuoHsiao-Lan Kuo）根）根据当时最完善的水汽与据当时最完善的水汽与CO2CO2红外吸收红外吸收系数资料，重新计算了北半球大气系数资料，重新计算了北半球大气辐射图及大气冷却率，其计算精度辐射图及大气冷却率，其计算精度超过了当时的国际水平超过

13、了当时的国际水平廖国男（廖国男（Kuo-Nan LiouKuo-Nan Liou）参考书目参考书目教材类教材类廖国男著，1980，周诗健等译，1985：大气辐射导论，气象出版社。第2版，2005，120元Liou, K.N., 1980: An Introduction to Atmospheric Radiation. Academic Press, New York, 392 pp. Liou, K.N., 2002: An Introduction to Atmospheric Radiation. 2nd edition, Academic Press, San Diego, 583

14、pp.参考书目参考书目教材类教材类尹宏编著，1993：大气辐射学基础，气象出版社刘长盛、刘文保编著，1990：大气辐射学，南京大学出版社。周秀骥等，1991：高等大气物理学，气象出版社Grant W. Petty, A First Course In Atmospheric Radiation. Sundog Publishing, Madison, Wisconsin, 446 pp. 2004.参考书目参考书目参考类参考类吴北婴等编著，1998，大气辐射传输实用算法，气象出版社。大气光学分子散射Paltridge, G. W. and C. M. Platt, 1976, 吕达仁等译，19

15、81：气象学和气候学中的辐射问题。科学出版社。M. Iqbal, 1983, An Introduction to Solar Radiation, Academic Press.参考书目参考书目参考类参考类Jacqueline Lenoble, 1993, Atmospheric Radiative Transfer, A . Deepak Publishing.Chandrasekhar, S., Radiative Transfer, Clarendon Press, Oxford, 1950, reprinted by Dover Pub., New York, 393 pp., 19

16、60.Goody, R. M., Atmospheric Radiation, Theoretical Basis, (second edition by R. M. Goody and Y. Yung), Oxford University Press, 436 pp., 1964, 519 pp., 1989.参考书目参考书目参考类参考类Kondratyev, K. Ya., 1969: Radiation in the Atmosphere. Academic PressSobolev, 1975: Light Scattering in Planetary Atmosphere.参考书

17、目参考书目期刊类期刊类Applied OpticsJournal of the Atmospheric Sciences 295.1 5.1 辐射的基本知识辐射的基本知识5.1.1 5.1.1 电磁波谱电磁波谱5.1.2 5.1.2 描述辐射场的物理量描述辐射场的物理量5.1 5.1 辐射的基本知识辐射的基本知识自然界一切物体都时刻不停地以电磁波的形式向四周传递能量，同时也接收外界投射来的电磁波，这种能量传递的方式称为辐射。以这种方式传递的能量，称为辐射能。以横波形式在空间传播，速度即光速5.1.1 5.1.1 电磁波谱电磁波谱电磁波描述波长频率f 波数 波速c cfcf15.1.1 5.1.

18、1 电磁波谱电磁波谱5.1.1 5.1.1 电磁波谱电磁波谱例1：波长10mm对应的频率和波数？5.1.1 5.1.1 电磁波谱电磁波谱不同波长的电磁波有不同的物理特性，因此可以用波长来区分辐射，并给以不同的名称，称之为电磁波谱。5.1.1 5.1.1 电磁波谱电磁波谱5.1.1 5.1.1 电磁波谱电磁波谱紫外线：uv-Auv-A：0.315-0.400 0.315-0.400 微米微米uv-Buv-B：0.280-0.3150.280-0.315微米微米uv-Cuv-C：0.150-0.2800.150-0.280微米微米可见光红外线：近红外：近红外：0.7-2.50.7-2.5微米微米远

19、红外：远红外：2.5-10002.5-1000微米微米微波无线电波长波、短波：4微米FLUXFLUX: INVERSE SQUARE LAW5.1.2 5.1.2 描述辐射场的物理量描述辐射场的物理量立体角锥体所拦截的球面积与半径r的平方之比，单位为球面度（sr：Steradian）5.1.2 5.1.2 描述辐射场的物理量描述辐射场的物理量立体角sindrdrd 2sinddd dr 辐射能Q能量:焦耳、热力学卡（1k=4.1840J）辐射通量 （radiant flux 辐射功率W）单位时间内通过任意表面的辐射能量，单位为J/s，即WdQdt 5.1.2 5.1.2 描述辐射场的物理量描述

20、辐射场的物理量辐射通量密度E(radiant flux density)单位时间通过单位面积的辐射能量，单位为W/m2。设面元为dA：表示面元接受的F时，又称辐照度（irradiance）表示从物体表面发射出的E，又称辐出度、辐射度、辐射能力（emittance）。ddQEdAdtdA5.1.2 5.1.2 描述辐射场的物理量描述辐射场的物理量辐射强度L(radiance辐亮度、辐射率)单位立体角、单位时间、单位面积所通过的辐射能量，单位为W/m2sr5.1.2 5.1.2 描述辐射场的物理量描述辐射场的物理量d(,)dddddddELxyztAQA dt辐射强度L(radiance辐亮度、辐

21、射率)光度计示意图5.1.2 5.1.2 描述辐射场的物理量描述辐射场的物理量 CE318自动跟踪太阳分光光度计5.1.2 5.1.2 描述辐射场的物理量描述辐射场的物理量单色与谱段积分辐射量21QQ d5.1.2 5.1.2 描述辐射场的物理量描述辐射场的物理量各向同性辐亮度L与观测方向（ , ） 无关（L是立体角的函数，即与方向有关各向异性）均匀辐射L与观测位置（x, y, z） 无关（ L是观测位置的函数非均匀辐射）定常辐射L与时间t无关（ L与时间t的函数非定常辐射）5.1.2 5.1.2 描述辐射场的物理量描述辐射场的物理量平面平行大气 考虑到大气中各种变量在水平方向的变化率远小于垂

22、直方向的变化率，因此经常可假设大气是水平均一的，相应的大气模型在大气辐射学中称为平面平行大气。5.1.2 5.1.2 描述辐射场的物理量描述辐射场的物理量平面平行大气可把从各个方向射来的辐亮度在垂直方向的分量累加起来，其计算公式为5.1.2 5.1.2 描述辐射场的物理量描述辐射场的物理量dcosLE净辐射通量密度或净辐照度计算水平面上的辐射通量密度，分别对从上半球和下半球入射辐射的垂直分量进行积分净辐照度5.1.2 5.1.2 描述辐射场的物理量描述辐射场的物理量*EEE 2022020ddsincosddsincosLELE 净辐射通量密度或净辐照度辐射能收支为正：气层温度升高；反之降温。

23、5.1.2 5.1.2 描述辐射场的物理量描述辐射场的物理量净辐射通量密度或净辐照度5.1.2 5.1.2 描述辐射场的物理量描述辐射场的物理量点辐射源假设点源向四周发射是均匀的，发射辐射的功率为0 ，以点源为中心画一个半径为r的球面，则通过球表面的辐照度为点源的辐照度（或辐射通量密度）将随r 2减小。 5.1.2 5.1.2 描述辐射场的物理量描述辐射场的物理量024Er平行辐射当光源的距离足够远时，所有来自该光源的辐射传输方向可以认为是相互平行的，这种辐射常被称为平行辐射(或平行光)特点：在不考虑吸收散射等因素时，平行光的辐射通量密度应当是常数，即在任何位置上设置一个和辐射传输方向相垂直的

24、平面，通过这平面的辐射通量密度都应当是一个常数。5.1.2 5.1.2 描述辐射场的物理量描述辐射场的物理量平行辐射大气辐射中，常把来自太阳的直接辐射看作平行光。因为地球离太阳的距离为149,597,890 km，而大气辐射学中讨论的最大尺度是地球半径的尺度，即6,371 km。在这样一个范围中，太阳辐射的强度仅变化(149597890+6371)/149597890)2 = 1.000085。因此把太阳辐射当作平行光，其辐照度不随距离变化是合理的。 5.1.2 5.1.2 描述辐射场的物理量描述辐射场的物理量平行辐射对于平行辐射，由于辐射能是在同一个方向传播，射线所张的立体角为零，此时辐射强

25、度的概念不再适用。这种情况下，只需要知道平行辐射的方向和辐射通量密度即可。地面接收的太阳辐射通量密度5.1.2 5.1.2 描述辐射场的物理量描述辐射场的物理量cosSS面辐射源特点是它可以向2立体角中发射辐射能。对平面平行大气，水平方向的辐射分量都是相同的，它们对局地能量平衡不起作用。因此只关心垂直方向的辐射通量密度。5.1.2 5.1.2 描述辐射场的物理量描述辐射场的物理量余弦辐射体或Lambert光源辐射强度不随方向变化的面辐射源如黑体、太阳、陆地表面平静水面？例5.1(朗伯定律)5.1.2 5.1.2 描述辐射场的物理量描述辐射场的物理量FL605.2 5.2 辐射的物理规律辐射的物

26、理规律5.2.1 5.2.1 吸收率、反射率和透射率吸收率、反射率和透射率5.2.2 5.2.2 平衡辐射的基本规律平衡辐射的基本规律5.2.3 5.2.3 太阳辐射和地球辐射的区别太阳辐射和地球辐射的区别能量守恒能量守恒Q0 = Qa + Qr + Qt 吸收率吸收率A = Qa / Q0反射率反射率R = Qr / Q0透射率透射率 = Qt / Q0( (透过率透过率) )A + R + = 1 5.2.1 5.2.1 吸收率、反射率和透射率吸收率、反射率和透射率对于单色辐射，称为单色吸收对于单色辐射，称为单色吸收率、反射率和透射率。分别率、反射率和透射率。分别记为记为A , R , 各

27、种物体对不同波长的辐射具各种物体对不同波长的辐射具有不同的吸收率与放射率，构有不同的吸收率与放射率，构成了该物体的成了该物体的吸收光谱吸收光谱或或辐射辐射光谱光谱。反照率：物体表面的反射辐射反照率：物体表面的反射辐射通量与入射辐射通量之比通量与入射辐射通量之比5.2.1 5.2.1 吸收率、反射率和透射率吸收率、反射率和透射率绝对黑体所有波长吸收率均为1A = 1单色黑体某一波长吸收率为1A = 1 灰体吸收率不随波长变化但小于15.2.1 5.2.1 吸收率、反射率和透射率吸收率、反射率和透射率？黑色物体BLACKBODY RADIATION辐射平衡状态吸收和发射辐射能量相等：1）物质热状况

28、保持不变，可用一确定温度表示；2）各向同性局地辐射平衡状态如果辐射热交换的过程相当缓慢，物体中内能的分布来得及变化均匀，这时物体的温度虽然在变化，但每一给定瞬间，物体的状态可以看作是平衡的，仍可用一定的温度来描述。地球大气中的辐射过程，一般认为地面至60公里以下的大气处于局地辐射平衡状态，因此可以应用平衡辐射的规律来解诀平流层以下的大气辐射学的问题5.2.2 5.2.2 平衡辐射的基本规律平衡辐射的基本规律Kirchhoff LawKirchhoff Law在辐射平衡条件下，任何物体的单色辐射通量密度FT与吸收系数AT成正比关系，二者比值只是波长和温度的函数，与物体性质无关，比值大小等于Pla

29、nck函数的通量密度形式,TBTFFTAKirchhoff LawKirchhoff Law若定义比辐射率(Emissivity) , T为物体的放射能力F , T和黑体的辐射能力FB ( ,T )之比，则基尔霍夫定律可以写成意义：将物体的吸收能力和放射能力联系起来将各种物质的吸收、放射能力与黑体的吸收放射能力联系起来。TTA,Gustav Robert Kirchhoff Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887)(1824-1887)德国物理学家德国物理学家18591859：Kirchhoffs LawKirchhoffs Law光谱学光谱学电学电学发现了铯和铷

30、发现了铯和铷Kirchhoff LawKirchhoff LawPlanck LawPlanck Law对于绝对黑体物质，单色辐射通量密度与发射物质的温度和辐射波长或频率的关系Planck定律：第一辐射常数第二辐射常数221B5/1152( , )(e1)(e1)chkTCTc hFTC212Chc2hcCkPlanck LawPlanck Law普朗克函数(黑体分光辐亮度)2B/1151(,)( ,)(e1)CTBTF TCPlanck LawPlanck Law黑体辐射与物质组成无关黑体辐射强度随温度增高而增大Stefan-Stefan-Boltzmann LawBoltzmann Law

31、最大强度的波长随温度增高而减小WienWien位移定律位移定律Max Planck (1858-1947)Max Planck (1858-1947)德国物理学家德国物理学家19011901：Plancks LawPlancks Law1918 1918 Nobel PrizeNobel PrizeQuantum theory Quantum theory Planck LawPlanck LawStefan-Boltzmann LawStefan-Boltzmann Law黑体的积分辐射通量密度与温度的4次方成正比由温度可以求出绝对黑体的积分辐射通量密度；反之，也可由积分辐射通量密度反求其温

32、度，这就是用辐射方法测量物体温度的基础。将太阳视作绝对黑体而计算出的温度称为太阳的有效温度，约为5777K，与太阳表面的实际温度略有差异。如果不是绝对黑体，反演出的温度就会偏低。4TFBTJoseph Stefan (1835-1893)Joseph Stefan (1835-1893)奥地利物理学家、诗人奥地利物理学家、诗人18841884：Stefan-Boltzmann lawStefan-Boltzmann lawStefan flowStefan flow热学热学电磁学电磁学1904 Nobel Prize1904 Nobel PrizeThere always something will remain, that we shall not know, why? 5.2.2 5.2.2 平衡辐射的基本规律平衡辐射的基本规律Ludwig Boltzmann Ludwig Boltzmann (1844-1906)(1844-1906)奥地