辐射概念规律实用版课件

学习要求提前预习课堂听讲习题（复习）学习要求提前预习12第五章

地面和大气中的辐射过程大气运动的能量来源于太阳辐射，地面和大气中的辐射过程从大尺度开始控制了地球大气系统的能量平衡，从而决定了地球气候的基本特征。2第五章

地面和大气中的辐射过程大气运动的能量来源于太阳辐射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一。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。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世纪统一简史光的本性之争简史麦克斯韦和电磁场方程的建立W.Weber(1804-1891)G.F.B.Riemann(1826—1866)JamesClerkMaxwell(1831-1879)1887年，德国物理学家赫兹(H．R．Henz，1857—1894)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》简史麦克斯韦和电磁场方程的建立简史1880-1900七大实验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年居里夫妇发现放射性元素Planck黑体辐射实验简史1880-1900七大实验简史简史—现代大气辐射学的理论基础MaxPlanck(1858-1947)德国物理学家1901：Planck’sLaw1918NobelPrizeQuantumtheory简史—现代大气辐射学的理论基础MaxPlanck(185GustavRobertKirchhoff(1824-1887)德国物理学家1859：Kirchhoff’sLaw光谱学电学发现了铯和铷简史—现代大气辐射学的理论基础GustavRobertKirchhoff(1824-JosephStefan(1835-1893)奥地利物理学家、诗人1884：Stefan-BoltzmannlawStefanflow热学电磁学1904NobelPrizeTherealwayssomethingwillremain,thatweshallnotknow,why?简史—现代大气辐射学的理论基础JosephStefan(1835-1893)ThereLudwigBoltzmann(1844-1906)奥地利物理学家1884：Stefan-Boltzmannlaw（理论推导）统计力学简史—现代大气辐射学的理论基础LudwigBoltzmann(1844-1906)简史LordRayleigh(JohnWilliamStrutt1842-1919)英国物理学家1871：RayleighScattering声学电学1904NobelPrize简史—现代大气辐射学的理论基础LordRayleigh(JohnWilliamStrWilhelmWien(1864-1928)德国物理学家1893：Wien’sDisplacementLaw1911NobelPrize定义blackbody简史—现代大气辐射学的理论基础WilhelmWien(1864-1928)简史—现代大简史—现代大气辐射学的理论基础GustavMie(1868-1957)德国物理学家1908：Mietheory简史—现代大气辐射学的理论基础GustavMie(186简史—现代大气辐射学的完善20世纪20年代：计算地-气系统的辐射收支30年代：辐射传输的基本原理1950年：美籍巴基斯坦学者SubramanyanChandrasekhar1983NobelPrizeRadiativeTransferClarendonPress,Oxford,1950,reprintedbyDoverPublications,NewYork,393pp.,1960.简史—现代大气辐射学的完善20世纪20年代：计算地-气系统的A+R+=1净辐射通量密度或净辐照度建立具有物理基础的实际大气辐射模式Q0=Qa+Qr+Qt1918NobelPrizeSundogPublishing,Madison,Wisconsin,446pp.由温度可以求出绝对黑体的积分辐射通量密度；简史—现代大气辐射学的理论基础由辐射最强的波长也可以确定绝对黑体的温度，——光谱方法测定物体温度的基础。吸收率A=Qa/Q0KirchhoffLaw大气辐射中，常把来自太阳的直接辐射看作平行光。1896年贝可勒尔发现了放射性辐射1887年赫兹证实电磁波-光电效应1904NobelPrize分别记为Al,Rl,l1884：Stefan-Boltzmannlaw简史—现代大气辐射学的理论基础微粒说（牛顿）和波动说（胡克、惠更斯）由辐射最强的波长也可以确定绝对黑体的温度，——光谱方法测定物体温度的基础。简史—现代大气辐射学的完善1964:英国RichardM.GoodyAtmosphericRadiation,TheoreticalBasis,(secondeditionbyR.M.GoodyandY.Yung),OxfordUniversityPress,436pp.,1964,519pp.,1989.1969：苏联地球物理学家Kondratyev,K.Ya.RadiationintheAtmosphere.AcademicPressA+R+=1简史—现代大气辐射学的完善1964简史—现代大气辐射学的完善70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简史—现代大气辐射学的完善简史—近年来的主要研究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简史—近年来的主要研究发展大气遥感探测的理论和方法简史—华人的贡献1932年：严济慈采用照相光度术方法，精确测定了臭氧在全部紫外区域（即215-345纳米）的吸收系数，并发现了若干新光带国际臭氧委员会把严济慈精确测定的吸收系数定为标准值，各国气象学家用以每日测定高空臭氧层厚度的变化，长达３０年之久简史—华人的贡献1932年：严济慈采用照相光度术方法，精确测简史—华人的贡献程纯枢(1914-1997）根据1931-1935年南京地区日射强度记录，计算过大气消光系数，分析了大气混浊度因子1944：郭晓岚（Hsiao-LanKuo）根据当时最完善的水汽与CO2红外吸收系数资料，重新计算了北半球大气辐射图及大气冷却率，其计算精度超过了当时的国际水平廖国男（Kuo-NanLiou）简史—华人的贡献程纯枢(1914-1997）根据1931-1参考书目—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:AnIntroductiontoAtmosphericRadiation.AcademicPress,NewYork,392pp.Liou,K.N.,2002:AnIntroductiontoAtmosphericRadiation.2ndedition,AcademicPress,SanDiego,583pp.参考书目—教材类廖国男著，1980，周诗健等译，1985：大参考书目—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GrantW.Petty,AFirstCourseInAtmosphericRadiation.SundogPublishing,Madison,Wisconsin,

446pp.2004.参考书目—教材类尹宏编著，1993：大气辐射学基础，气象出版参考书目—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.andC.M.Platt,1976,吕达仁等译，1981：气象学和气候学中的辐射问题。科学出版社。M.Iqbal,1983,AnIntroductiontoSolarRadiation,AcademicPress.参考书目—参考类吴北婴等编著，1998，大气辐射传输实用算法参考书目—参考类JacquelineLenoble,1993,AtmosphericRadiativeTransfer,A.DeepakPublishing.Chandrasekhar,S.,RadiativeTransfer,ClarendonPress,Oxford,1950,reprintedbyDoverPub.,NewYork,393pp.,1960.Goody,R.M.,AtmosphericRadiation,TheoreticalBasis,(secondeditionbyR.M.GoodyandY.Yung),OxfordUniversityPress,436pp.,1964,519pp.,1989.参考书目—参考类JacquelineLenoble,19参考书目—参考类Kondratyev,K.Ya.,1969:RadiationintheAtmosphere.AcademicPressSobolev,1975:LightScatteringinPlanetaryAtmosphere.参考书目—参考类Kondratyev,K.Ya.,19Q0=Qa+Qr+Qt将物体的吸收能力和放射能力联系起来辐射传输规律是大气遥感的理论基础在辐射平衡条件下，任何物体的单色辐射通量密度FλT与吸收系数AλT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Planck函数的通量密度形式净辐射通量密度或净辐照度Planck黑体辐射实验,1964,519pp.吴北婴等编著，1998，大气辐射传输实用算法，气象出版社。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)在大气物理学中，常称太阳辐射为短波辐射，称地球辐射为长波辐射。例如对6000K黑体，lmax=0.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。“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。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。GustavRobertKirchhoff(1824-1887)发展大气遥感探测的理论和方法简史—现代大气辐射学的理论基础1911NobelPrizeGustavRobertKirchhoff(1824-1887)1911NobelPrize参考书目—期刊类AppliedOpticsJournaloftheAtmosphericSciencesQ0=Qa+Qr+Qt参考书目—期刊类Appli285.1辐射的基本知识电磁波谱285.1辐射的基本知识电磁波谱5.1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电磁波描述波长频率f

波数ν

波速c

电磁波描述辐射概念规律实用版课件例1：波长10mm对应的频率和波数？例1：波长10mm对应的频率和波数？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。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，辐射概念规律实用版课件辐射概念规律实用版课件紫外线：uv-A： 0.315-0.400微米uv-B： 0.280-0.315微米uv-C： 0.150-0.280微米可见光红外线：近红外： 0.7-2.5微米远红外： 2.5-1000微米微波无线电波长波、短波：4微米紫外线：考虑到大气中各种变量在水平方向的变化率远小于垂直方向的变化率，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。WilhelmWien(1864-1928)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地面接收的太阳辐射通量密度简史—现代大气辐射学的完善简史—现代大气辐射学的理论基础GustavRobertKirchhoff(1824-1887)1911NobelPrize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）。20世纪20年代：计算地-气系统的辐射收支AcademicPress,NewYork,392pp.”——《爱因斯坦文集》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）透射率=Qt/Q0KirchhoffLawMaxPlanck(1858-1947)1911NobelPrizeStefanflow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)辐亮度L与观测方向（q,φ）无关（L是立体角的函数，即与方向有关—各向异性）FLUX考虑到大气中各种变量在水平方向的变化率远小于垂直方向的变化率FLUX:INVERSESQUARELAWFLUX:INVERSESQUARELAW立体角锥体所拦截的球面积σ与半径r的平方之比，单位为球面度（sr：Steradian）立体角立体角立体角辐射能Q能量:焦耳、热力学卡（1k=4.1840J）辐射通量Φ

（radiantflux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W辐射能Q辐射通量密度E(radiantfluxdensity)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）。辐射通量密度E(radiantfluxdensity)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/m2sr辐射强度L(radiance辐亮度、辐射率)辐射强度L(radiance辐亮度、辐射率)光度计示意图辐射强度L(radiance辐亮度、辐射率)CE318自动跟踪太阳分光光度计辐射概念规律实用版课件单色与谱段积分辐射量单色与谱段积分辐射量太阳辐射和地球辐射的区别A+R+=1单位时间通过单位面积的辐射能量，单位为W/m2。例如，在大气上界，入射的太阳长波辐射通量约10Wm-2，而地球出射的长波辐射通量约270Wm-2。1895年伦琴发现了X射线对于全波段辐射通量密度，太阳、地球两者辐射通量密度数量级接近透射率=Qt/Q0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)在辐射平衡条件下，任何物体的单色辐射通量密度FλT与吸收系数AλT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Planck函数的通量密度形式30年代：辐射传输的基本原理单位立体角、单位时间、单位面积所通过的辐射能量，单位为W/m2sr70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定义blackbodyJournaloftheAtmosphericSciences”——《爱因斯坦文集》如黑体、太阳、陆地表面…1884：Stefan-Boltzmannlaw如果不是绝对黑体，反演出的温度就会偏低。Planck黑体辐射实验Q0=Qa+Qr+Qt各向同性辐亮度L与观测方向（q,φ）

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）太阳辐射和地球辐射的区别各向同性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。平面平行大气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，其计算公式为平面平行大气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净辐射通量密度或净辐照度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。净辐射通量密度或净辐照度净辐射通量密度或净辐照度净辐射通量密度或净辐照度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Φ0，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r2减小。

点辐射源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平面，通过这平面的辐射通量密度都应当是一个常数。平行辐射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149,597,890km，而大气辐射学中讨论的最大尺度是地球半径的尺度，即6,371km。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。平行辐射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平行辐射简史—现代大气辐射学的理论基础RadiationintheAtmosphere.Weber(1804-1891)1901：Planck’sLawStefanflow70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AcademicPressJournaloftheAtmosphericSciencesGustavRobertKirchhoff(1824-1887)周秀骥等，1991：高等大气物理学，气象出版社太阳活动的变化对气候的影响1911NobelPrizeLordRayleigh(JohnWilliamStrutt1842-1919)定义blackbody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)1932年：严济慈采用照相光度术方法，精确测定了臭氧在全部紫外区域（即215-345纳米）的吸收系数，并发现了若干新光带1950年：美籍巴基斯坦学者SubramanyanChandrasekhar1983NobelPrize大气运动的能量来源于太阳辐射，地面和大气中的辐射过程从大尺度由辐射最强的波长也可以确定绝对黑体的温度，——光谱方法测定物体温度的基础。在大气物理学中，常称太阳辐射为短波辐射，称地球辐射为长波辐射。面辐射源特点是它可以向2π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。简史—现代大气辐射学的理论基础面辐射源余弦辐射体或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)余弦辐射体或Lambert光源595.2辐射的物理规律吸收率、反射率和透射率太阳辐射和地球辐射的区别595.2辐射的物理规律吸收率、反射率和透射率能量守恒 Q0=Qa

+Qr

+Qt

吸收率A=Qa/Q0反射率R=Qr/Q0透射率

=Qt/Q0(透过率)A+R+

=1

能量守恒对于单色辐射，称为单色吸收率、反射率和透射率。分别记为Al,Rl

,l

各种物体对不同波长的辐射具有不同的吸收率与放射率，构成了该物体的吸收光谱或辐射光谱。反照率：物体表面的反射辐射通量与入射辐射通量之比对于单色辐射，称为单色吸收率、反射率和透射率。分别记为Al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1Al

=1

灰体吸收率不随波长变化但小于1？黑色物体绝对黑体？黑色物体BLACKBODYRADIATIONBLACKBODYRADIATION辐射平衡状态吸收和发射辐射能量相等：1）物质热状况保持不变，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辐射平衡状态KirchhoffLaw在辐射平衡条件下，任何物体的单色辐射通量密度FλT与吸收系数AλT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Planck函数的通量密度形式KirchhoffLaw在辐射平衡条件下，任何物体的单色辐KirchhoffLaw若定义比辐射率(Emissivity)λ,T为物体的放射能力Fλ,T和黑体的辐射能力FB

(l,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。KirchhoffLaw若定义比辐射率(EmissivitGustavRobertKirchhoff(1824-1887)德国物理学家1859：Kirchhoff’sLaw光谱学电学发现了铯和铷KirchhoffLawGustavRobertKirchhoff(1824-PlanckLaw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PlanckLaw对于绝对黑体物质，单色辐射通量密度与发射PlanckLaw普朗克函数(黑体分光辐亮度)PlanckLaw普朗克函数PlanckLaw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-BoltzmannLaw最大强度的波长随温度增高而减小Wien位移定律PlanckLaw黑体辐射与物质组成无关MaxPlanck(1858-1947)德国物理学家1901：Planck’sLaw1918NobelPrizeQuantumtheoryPlanckLawMaxPlanck(1858-1947)PlanckLStefan-BoltzmannLaw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。Stefan-BoltzmannLaw黑体的积分辐射通量密JosephStefan(1835-1893)奥地利物理学家、诗人1884：Stefan-BoltzmannlawStefanflow热学电磁学1904NobelPrizeTherealwayssomethingwillremain,thatweshallnotknow,why?JosephStefan(1835-1893)ThereLudwigBoltzmann(1844-1906)奥地利物理学家1884：Stefan-Boltzmannlaw（理论推导）统计力学LudwigBoltzmann(1844-1906)Wien位移定律黑体辐射最大单色通量密度与它的温度成反比例如对6000K黑体，lmax=0.42mm（蓝色光）由辐射最强的波长也可以确定绝对黑体的温度，——光谱方法测定物体温度的基础。由维恩位移定律求出的温度称为颜色温度或色温。Wien位移定律黑体辐射最大单色通量密度与它的温度成反比WilhelmWien(1864-1928)德国物理学家1893：Wien’sDisplacementLaw1911NobelPrize定义blackbodyWilhelmWien(1864-1928)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）。反射率R=Qr/Q0“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。大气运动的能量来源于太阳辐射，地面和大气中的辐射过程从大尺度MaxPlanck(1858-1947)大气辐射中，常把来自太阳的直接辐射看作平行光。Q0=Qa+Qr+QtSobolev,1975:LightScatteringinPlanetaryAtmosphere.廖国男著，1980，周诗健等译，1985：大气辐射导论，气象出版社。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）。简史—现代大气辐射学的完善30年代：辐射传输的基本原理定义blackbody简史—现代大气辐射学的理论基础30年代：辐射传输的基本原理辐亮度L与观测方向（q,φ）无关（L是立体角的函数，即与方向有关—各向异性）1884：Stefan-Boltzmannlaw定义blackbody1904NobelPrize简史—现代大气辐射学的完善Wien位移定律表示从物体表面发射出的E，又称辐出度、辐射度、辐射能力（em太阳辐射的能量集中在0.1mm至4.0mm之间地球大气辐射的能量主要集中在4mm至120mm之间在大气物理学中，常称太阳辐射为短波辐射，称地球辐射为长波辐射。短波和长波辐射以4mm分界。

太阳辐射的能量集中在0.1mm至4.0mm之间辐射概念规律实用版课件相对能量大小:在所有的波长，太阳表面的辐射通量都远大于地球表面辐射通量。但辐射通量在传输过程中随距离的平方减小。在地球表面或离地面几百公里的范围内，在长波波段，地球的辐射通量远大于太阳的辐射通量，故常常可以忽略太阳的作用。例如，在大气上界，入射的太阳长波辐射通量约10Wm-2，而地球出射的长波辐射通量约270Wm-2。对于全波段辐射通量密度，太阳、地球两者辐射通量密度数量级接近相对能量大小:习题第120页(1)(2)(3)习题第120页LudwigBoltzmann(1844-1906)奥地利物理学家1884：Stefan-Boltzmannlaw（理论推导）统计力学简史—现代大气辐射学的理论基础LudwigBoltzmann(1844-1906)简史WilhelmWien(1864-1928)德国物理学家1893：Wien’sDisplacementLaw1911NobelPrize定义blackbody简史—现代大气辐射学的理论基础WilhelmWien(1864-1928)简史—现代大简史—近年来的主要研究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简史—近年来的主要研究发展大气遥感探测的理论和方法参考书目—期刊类AppliedOpticsJournaloftheAtmosphericSciences参考书目—期刊类AppliedOptics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。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，辐射概念规律实用版课件对于单色辐射，称为单色吸收率、反射率和透射率。分别记为Al,Rl

,l

各种物体对不同波长的辐射具有不同的吸收率与放射率，构成了该物体的吸收光谱或辐射光谱。反照率：物体表面的反射辐射通量与入射辐射通量之比对于单色辐射，称为单色吸收率、反射率和透射率。分别记为AlWien位移定律Wien位移定律学习要求提前预习课堂听讲习题（复习）学习要求提前预习9091第五章

地面和大气中的辐射过程大气运动的能量来源于太阳辐射，地面和大气中的辐射过程从大尺度开始控制了地球大气系统的能量平衡，从而决定了地球气候的基本特征。2第五章

地面和大气中的辐射过程大气运动的能量来源于太阳辐射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一。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。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世纪统一简史光的本性之争简史麦克斯韦和电磁场方程的建立W.Weber(1804-1891)G.F.B.Riemann(1826—1866)JamesClerkMaxwell(1831-1879)1887年，德国物理学家赫兹(H．R．Henz，1857—1894)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》简史麦克斯韦和电磁场方程的建立简史1880-1900七大实验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年居里夫妇发现放射性元素Planck黑体辐射实验简史1880-1900七大实验简史简史—现代大气辐射学的理论基础MaxPlanck(1858-1947)德国物理学家1901：Planck’sLaw1918NobelPrizeQuantumtheory简史—现代大气辐射学的理论基础MaxPlanck(185GustavRobertKirchhoff(1824-1887)德国物理学家1859：Kirchhoff’sLaw光谱学电学发现了铯和铷简史—现代大气辐射学的理论基础GustavRobertKirchhoff(1824-JosephStefan(1835-1893)奥地利物理学家、诗人1884：Stefan-BoltzmannlawStefanflow热学电磁学1904NobelPrizeTherealwayssomethingwillremain,thatweshallnotknow,why?简史—现代大气辐射学的理论基础JosephStefan(1835-1893)ThereLudwigBoltzmann(1844-1906)奥地利物理学家1884：Stefan-Boltzmannlaw（理论推导）统计力学简史—现代大气辐射学的理论基础LudwigBoltzmann(1844-1906)简史LordRayleigh(JohnWilliamStrutt1842-1919)英国物理学家1871：RayleighScattering声学电学1904NobelPrize简史—现代大气辐射学的理论基础LordRayleigh(JohnWilliamStrWilhelmWien(1864-1928)德国物理学家1893：Wien’sDisplacementLaw1911NobelPrize定义blackbody简史—现代大气辐射学的理论基础WilhelmWien(1864-1928)简史—现代大简史—现代大气辐射学的理论基础GustavMie(1868-1957)德国物理学家1908：Mietheory简史—现代大气辐射学的理论基础GustavMie(186简史—现代大气辐射学的完善20世纪20年代：计算地-气系统的辐射收支30年代：辐射传输的基本原理1950年：美籍巴基斯坦学者SubramanyanChandrasekhar1983NobelPrizeRadiativeTransferClarendonPress,Oxford,1950,reprintedbyDoverPublications,NewYork,393pp.,1960.简史—现代大气辐射学的完善20世纪20年代：计算地-气系统的A+R+=1净辐射通量密度或净辐照度建立具有物理基础的实际大气辐射模式Q0=Qa+Qr+Qt1918NobelPrizeSundogPublishing,Madison,Wisconsin,446pp.由温度可以求出绝对黑体的积分辐射通量密度；简史—现代大气辐射学的理论基础由辐射最强的波长也可以确定绝对黑体的温度，——光谱方法测定物体温度的基础。吸收率A=Qa/Q0KirchhoffLaw大气辐射中，常把来自太阳的直接辐射看作平行光。1896年贝可勒尔发现了放射性辐射1887年赫兹证实电磁波-光电效应1904NobelPrize分别记为Al,Rl,l1884：Stefan-Boltzmannlaw简史—现代大气辐射学的理论基础微粒说（牛顿）和波动说（胡克、惠更斯）由辐射最强的波长也可以确定绝对黑体的温度，——光谱方法测定物体温度的基础。简史—现代大气辐射学的完善1964:英国RichardM.GoodyAtmosphericRadiation,TheoreticalBasis,(secondeditionbyR.M.GoodyandY.Yung),OxfordUniversityPress,436pp.,1964,519pp.,1989.1969：苏联地球物理学家Kondratyev,K.Ya.RadiationintheAtmosphere.AcademicPressA+R+=1简史—现代大气辐射学的完善1964简史—现代大气辐射学的完善70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简史—现代大气辐射学的完善简史—近年来的主要研究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简史—近年来的主要研究发展大气遥感探测的理论和方法简史—华人的贡献1932年：严济慈采用照相光度术方法，精确测定了臭氧在全部紫外区域（即215-345纳米）的吸收系数，并发现了若干新光带国际臭氧委员会把严济慈精确测定的吸收系数定为标准值，各国气象学家用以每日测定高空臭氧层厚度的变化，长达３０年之久简史—华人的贡献1932年：严济慈采用照相光度术方法，精确测简史—华人的贡献程纯枢(1914-1997）根据1931-1935年南京地区日射强度记录，计算过大气消光系数，分析了大气混浊度因子1944：郭晓岚（Hsiao-LanKuo）根据当时最完善的水汽与CO2红外吸收系数资料，重新计算了北半球大气辐射图及大气冷却率，其计算精度超过了当时的国际水平廖国男（Kuo-NanLiou）简史—华人的贡献程纯枢(1914-1997）根据1931-1参考书目—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:AnIntroductiontoAtmosphericRadiation.AcademicPress,NewYork,392pp.Liou,K.N.,2002:AnIntroductiontoAtmosphericRadiation.2ndedition,AcademicPress,SanDiego,583pp.参考书目—教材类廖国男著，1980，周诗健等译，1985：大参考书目—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GrantW.Petty,AFirstCourseInAtmosphericRadiation.SundogPublishing,Madison,Wisconsin,

446pp.2004.参考书目—教材类尹宏编著，1993：大气辐射学基础，气象出版参考书目—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.andC.M.Platt,1976,吕达仁等译，1981：气象学和气候学中的辐射问题。科学出版社。M.Iqbal,1983,AnIntroductiontoSolarRadiation,AcademicPress.参考书目—参考类吴北婴等编著，1998，大气辐射传输实用算法参考书目—参考类JacquelineLenoble,1993,AtmosphericRadiativeTransfer,A.DeepakPublishing.Chandrasekhar,S.,RadiativeTransfer,ClarendonPress,Oxford,1950,reprintedbyDoverPub.,NewYork,393pp.,1960.Goody,R.M.,AtmosphericRadiation,TheoreticalBasis,(secondeditionbyR.M.GoodyandY.Yung),OxfordUniversityPress,436pp.,1964,519pp.,1989.参考书目—参考类JacquelineLenoble,19参考书目—参考类Kondratyev,K.Ya.,1969:RadiationintheAtmosphere.AcademicPressSobolev,1975:LightScatteringinPlanetaryAtmosphere.参考书目—参考类Kondratyev,K.Ya.,19Q0=Qa+Qr+Qt将物体的吸收能力和放射能力联系起来辐射传输规律是大气遥感的理论基础在辐射平衡条件下，任何物体的单色辐射通量密度FλT与吸收系数AλT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Planck函数的通量密度形式净辐射通量密度或净辐照度Planck黑体辐射实验,1964,519pp.吴北婴等编著，1998，大气辐射传输实用算法，气象出版社。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)在大气物理学中，常称太阳辐射为短波辐射，称地球辐射为长波辐射。例如对6000K黑体，lmax=0.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。“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。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。GustavRobertKirchhoff(1824-1887)发展大气遥感探测的理论和方法简史—现代大气辐射学的理论基础1911NobelPrizeGustavRobertKirchhoff(1824-1887)1911NobelPrize参考书目—期刊类AppliedOpticsJournaloftheAtmosphericSciencesQ0=Qa+Qr+Qt参考书目—期刊类Appli1175.1辐射的基本知识电磁波谱285.1辐射的基本知识电磁波谱5.1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电磁波描述波长频率f

波数ν

波速c

电磁波描述辐射概念规律实用版课件例1：波长10mm对应的频率和波数？例1：波长10mm对应的频率和波数？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。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，辐射概念规律实用版课件辐射概念规律实用版课件紫外线：uv-A： 0.315-0.400微米uv-B： 0.280-0.315微米uv-C： 0.150-0.280微米可见光红外线：近红外： 0.7-2.5微米远红外： 2.5-1000微米微波无线电波长波、短波：4微米紫外线：考虑到大气中各种变量在水平方向的变化率远小于垂直方向的变化率，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。WilhelmWien(1864-1928)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地面接收的太阳辐射通量密度简史—现代大气辐射学的完善简史—现代大气辐射学的理论基础GustavRobertKirchhoff(1824-1887)1911NobelPrize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）。20世纪20年代：计算地-气系统的辐射收支AcademicPress,NewYork,392pp.”——《爱因斯坦文集》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）透射率=Qt/Q0KirchhoffLawMaxPlanck(1858-1947)1911NobelPrizeStefanflow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)辐亮度L与观测方向（q,φ）无关（L是立体角的函数，即与方向有关—各向异性）FLUX考虑到大气中各种变量在水平方向的变化率远小于垂直方向的变化率FLUX:INVERSESQUARELAWFLUX:INVERSESQUARELAW立体角锥体所拦截的球面积σ与半径r的平方之比，单位为球面度（sr：Steradian）立体角立体角立体角辐射能Q能量:焦耳、热力学卡（1k=4.1840J）辐射通量Φ

（radiantflux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W辐射能Q辐射通量密度E(radiantfluxdensity)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）。辐射通量密度E(radiantfluxdensity)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/m2sr辐射强度L(radiance辐亮度、辐射率)辐射强度L(radiance辐亮度、辐射率)光度计示意图辐射强度L(radiance辐亮度、辐射率)CE318自动跟踪太阳分光光度计辐射概念规律实用版课件单色与谱段积分辐射量单色与谱段积分辐射量太阳辐射和地球辐射的区别A+R+=1单位时间通过单位面积的辐射能量，单位为W/m2。例如，在大气上界，入射的太阳长波辐射通量约10Wm-2，而地球出射的长波辐射通量约270Wm-2。1895年伦琴发现了X射线对于全波段辐射通量密度，太阳、地球两者辐射通量密度数量级接近透射率=Qt/Q0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)在辐射平衡条件下，任何物体的单色辐射通量密度FλT与吸收系数AλT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Planck函数的通量密度形式30年代：辐射传输的基本原理单位立体角、单位时间、单位面积所通过的辐射能量，单位为W/m2sr70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定义blackbodyJournaloftheAtmosphericSciences”——《爱因斯坦文集》如黑体、太阳、陆地表面…1884：Stefan-Boltzmannlaw如果不是绝对黑体，反演出的温度就会偏低。Planck黑体辐射实验Q0=Qa+Qr+Qt各向同性辐亮度L与观测方向（q,φ）

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）太阳辐射和地球辐射的区别各向同性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。平面平行大气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，其计算公式为平面平行大气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净辐射通量密度或净辐照度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。净辐射通量密度或净辐照度净辐射通量密度或净辐照度净辐射通量密度或净辐照度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Φ0，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r2减小。

点辐射源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平面，通过这平面的辐射通量密度都应当是一个常数。平行辐射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149,597,890km，而大气辐射学中讨论的最大尺度是地球半径的尺度，即6,371km。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。平行辐射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平行辐射简史—现代大气辐射学的理论基础RadiationintheAtmosphere.Weber(1804-1891)1901：Planck’sLawStefanflow70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AcademicPressJournaloftheAtmosphericSciencesGustavRobertKirchhoff(1824-1887)周秀骥等，1991：高等大气物理学，气象出版社太阳活动的变化对气候的影响1911NobelPrizeLordRayleigh(JohnWilliamStrutt1842-1919)定义blackbody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)1932年：严济慈采用照相光度术方法，精确测定了臭氧在全部紫外区域（即215-345纳米）的吸收系数，并发现了若干新光带1950年：美籍巴基斯坦学者SubramanyanChandrasekhar1983NobelPrize大气运动的能量来源于太阳辐射，地面和大气中的辐射过程从大尺度由辐射最强的波长也可以确定绝对黑体的温度，——光谱方法测定物体温度的基础。在大气物理学中，常称太阳辐射为短波辐射，称地球辐射为长波辐射。面辐射源特点是它可以向2π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。简史—现代大气辐射学的理论基础面辐射源余弦辐射体或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)余弦辐射体或Lambert光源1485.2辐射的物理规律吸收率、反射率和透射率太阳辐射和地球辐射的区别595.2辐射的物理规律吸收率、反射率和透射率能量守恒 Q0=Qa

+Qr

+Qt

吸收率A=Qa/Q0反射率R=Qr/Q0透射率

=Qt/Q0(透过率)A+R+

=1

能量守恒对于单色辐射，称为单色吸收率、反射率和透射率。分别记为Al,Rl

,l

各种物体对不同波长的辐射具有不同的吸收率与放射率，构成了该物体的吸收光谱或辐射光谱。反照率：物体表面的反射辐射通量与入射辐射通量之比对于单色辐射，称为单色吸收率、反射率和透射率。分别记为Al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1Al

=1

灰体吸收率不随波长变化但小于1？黑色物体绝对黑体？黑色物体BLACKBODYRADIATIONBLACKBODYRADIATION辐射平衡状态吸收和发射辐射能量相等：1）物质热状况保持不变，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辐射平衡状态KirchhoffLaw在辐射平衡条件下，任何物体的单色辐射通量密度FλT与吸收系数AλT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Planck函数的通量密度形式KirchhoffLaw在辐射平衡条件下，任何物体的单色辐KirchhoffLaw若定义比辐射率(Emissivity)λ,T为物体的放射能力Fλ,T和黑体的辐射能力FB

(l,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。KirchhoffLaw若定义比辐射率(EmissivitGustavRobertKirchhoff(1824-1887)德国物理学家1859：Kirchhoff’sLaw光谱学电学发现了铯和铷KirchhoffLawGustavRobertKirchhoff(1824-PlanckLaw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PlanckLaw对于绝对黑体物质，单色辐射通量密度与发射PlanckLaw普朗克函数(黑体分光辐亮度)PlanckLaw普朗克函数PlanckLaw黑体辐射与物质组成无关黑