地面和大气中的辐射过程

第三节太阳辐射的理论分布

第二篇大气物理基础第五章地面和大气中的辐射过程一、太阳辐射光谱和太阳常数第二篇·第五章第三节太阳辐射中辐射能按波长的分布，称为太阳辐射光谱。

一、太阳辐射光谱和太阳常数第二篇·第五章第三节太阳常数是一个用来衡量地球所获得太阳辐射能多少的常数，是假定地球位于日地平均距离处时，地球大气上界垂直于太阳光线的单位面积上在单位时间内接受到的太阳辐射的全谱总能量。

太阳常数

大气上界在日地平均距离时与太阳光垂直的平面上的太阳分光辐照度二、大气上界的太阳辐射能第二篇·第五章第三节任意时刻大气上界与阳光垂直的平面上所接受的太阳辐照度太阳常数

任意时刻的日地距离

日地平均距离

二、大气上界的太阳辐射能第二篇·第五章第三节大气上界水平面上的太阳辐射能到达水平面上的太阳辐照度

三、到达大气上界的太阳辐射日总量第二篇·第五章第三节日地距离订正因素

三、到达大气上界的太阳辐射日总量第二篇·第五章第三节三、到达大气上界的太阳辐射日总量第二篇·第五章第三节

(1)北回归线以北的任一纬度上，一年中太阳辐射能日总量夏至日最大，冬至日最小。而南回归线以南的南半球各纬度上，一年中太阳辐射日总量冬至日最大，夏至日最小。（2）北极地区，夏季有极昼，冬季有极夜，南半球相反。所以北极地区太阳辐射日总量夏季较大，冬季为零。而南极地区相反。（3）南北回归线之间的地区，一年中太阳高度角相差不大，所以太阳辐射日总量一年中相差不大。但在极地附近，因有极昼与极夜出现，因此太阳辐射日总量差异较大。（4）南、北半球接收的太阳辐射日总量的分布是不对称的。

第四节太阳辐射在大气中的减弱第二篇大气物理基础第五章地面和大气中的辐射过程一、大气对太阳辐射的吸收作用第二篇·第五章第四节（一）大气的吸收光谱一、大气对太阳辐射的吸收作用第二篇·第五章第四节（二）大气中各种成分对太阳辐射的吸收一、大气对太阳辐射的吸收作用第二篇·第五章第四节（一）大气的吸收光谱1、氧和臭氧氧对太阳辐射的吸收带主要在0.25微米以下的紫外区，吸收很强。臭氧在紫外区和可见光区都有吸收带。

第二篇·第五章第四节舒曼—龙格吸收带位于0.125～0.2026微米；赫兹堡吸收带位于0.1961～0.2439微米

氧在可见光区的吸收带：位于0.69微米附近和0.76微米附近氧气的吸收带第二篇·第五章第四节哈特来(Hartley)带，波长范围0.22～0.3微米之间，吸收最强；哈金斯（Huggins）吸收带，波长为0.32～0.36微米较弱臭氧在可见光区的吸收带：波长范围在0.44～0.75微米臭氧的吸收带红外波段臭氧比较强的吸收带是4.7微米、9.6微米和14.1微米。一、大气对太阳辐射的吸收作用第二篇·第五章第四节（一）大气的吸收光谱2、水汽和液态水水汽对太阳辐射的吸收带和吸收线主要位于红外区，在红外区从波长0.70～2.85微米之间有7个主要的吸收带一、大气对太阳辐射的吸收作用第二篇·第五章第四节水汽和液态水的吸收带一、大气对太阳辐射的吸收作用第二篇·第五章第四节（一）大气的吸收光谱3、二氧化碳二氧化碳在波长大于2微米的红外区有若干个吸收带，比较强的中心位于2.7微米、4.3微米和15微米。

一、大气对太阳辐射的吸收作用第二篇·第五章第四节二氧化碳的吸收带一、大气对太阳辐射的吸收作用第二篇·第五章第四节大气对太阳辐射的吸收，平流层以上主要是氧和臭氧对紫外辐射的吸收，平流层至地面主要是水汽对红外辐射的吸收。整层大气吸收削弱掉太阳辐射能的19%。

二、大气对太阳辐射的散射第二篇·第五章第四节尺度函数二、大气对太阳辐射的散射第二篇·第五章第四节（一）瑞利散射α＜＜1（r＜＜α）的散射称为瑞利（Rayleigh）散射，也称分子散射散射截面：表示粒子散射光的总能量等于数值为的一块面积从入射光中截取的能量。

单位体积中各个粒子散射截面之和为体积散射削弱系数

，对于N个相同的颗粒，例如空气分子，有二、大气对太阳辐射的散射第二篇·第五章第四节（一）瑞利散射

设在单位面积光柱中，投射的辐射能力为Fλ，经过dL气层后，散射掉dFλ的辐射，则单位体积的散射削弱系数

二、大气对太阳辐射的散射第二篇·第五章第四节（一）瑞利散射

单位体积散射质点的数目

介质的折射率

入射光的波长对于空气分子，在标准状态下，m=1.000293，N0=2.688×1025m-3,

二、大气对太阳辐射的散射第二篇·第五章第四节（一）瑞利散射

在标准状况下的体积散射削弱系数二、大气对太阳辐射的散射第二篇·第五章第四节（一）瑞利散射

瑞利散射还有一个特点是质点散射对于其光学特性来说是对称的球形

二、大气对太阳辐射的散射第二篇·第五章第四节（二）米散射

散射效率因子表示米散射的削弱情况。散射效率因子是粒子的散射截面与粒子几何截面之比，即二、大气对太阳辐射的散射第二篇·第五章第四节（三）几何光学散射α>50，即r>>λ时的散射，属于几何光学散射的范畴

三、云层对太阳辐射的反射第二篇·第五章第四节

四、布格—朗伯（Bouguer-Lambert）定律

第二篇·第五章第四节

0l吸收截面：粒子所吸收的辐射能相当于面积从入射辐射场中所截获的辐射能。体积吸收系数

第二篇·第五章第四节

四、布格—朗伯（Bouguer-Lambert）定律

质量吸收系数密度布朗定律第二篇·第五章第四节

四、布格—朗伯（Bouguer-Lambert）定律

对于所有波长的辐射，有对于所有波长的体积吸收系数衰减系数散射削弱系数对于散射和吸收所引起的总衰减，有第二篇·第五章第四节

四、布格—朗伯（Bouguer-Lambert）定律

光学厚度表示沿辐射传输路径，单位截面积上所有吸收和散射物质产生的总削弱

体积削弱系数（含散射和吸收）质量削弱系数（含散射和吸收）某一波长的光学厚度第二篇·第五章第四节

四、布格—朗伯（Bouguer-Lambert）定律

指数削弱规律还可以写为：单色透过率将整层大气在垂直方向上的透过率称为透明系数，单色辐射透明系数为

表示当太阳位于天顶的时候，到达地面的太阳单色直接辐射通量密度与大气上界太阳单色辐射通量密度的比值

第二篇·第五章第四节

四、布格—朗伯（Bouguer-Lambert）定律

指数削弱规律用透明系数表示可以写为

定义辐射束沿传输路径在单位截面气柱内所吸收或散射的气体质量为光学质量日光垂直入射时的光学厚度可表示为：利用均质大气概念，上面的公式可以表示为第五节到达地面的太阳辐射第二篇大气物理基础第五章地面和大气中的辐射过程第二篇·第五章第五节

一、直接辐射

太阳以平行光的方式，投射到地面上的那一部分辐射能，称为直接辐射

大气总的距离衰减系数

气体分子散射所引起的衰减

气溶胶粒子散射所引起的衰减臭氧吸收所引起的衰减

水汽吸收所引起的衰减

其他气体分子（主要是二氧化碳和氧气）吸收所引起的衰减

第二篇·第五章第五节

一、直接辐射

在地面上与日光垂直平面上的太阳分光直接辐照度为

第二篇·第五章第五节

一、直接辐射

太阳直接辐照度还可以可根据各组分透过率的乘积计算

第二篇·第五章第五节

一、直接辐射

通常以到达水平面上的太阳直接辐射的辐照度来表示直接辐射的大小第二篇·第五章第五节一、直接辐射

第二篇·第五章第五节一、直接辐射

关于相对大气质量m：日光自θ角倾斜入射与自天顶入射时的光学厚度之比假设为常数第二篇·第五章第五节一、直接辐射

第二篇·第五章第五节一、直接辐射

第二篇·第五章第五节一、直接辐射

在地面为标准气压时，太阳光垂直照射到地面所经路程中，单位截面积的空气柱的质量，称为一个大气质量。即把太阳位于天顶时，光线穿过大气经过的最短路径作为一个单位大气质量。它表示倾斜方向太阳光的路程为铅直方向的太阳光的路程的倍数。

第二篇·第五章第五节一、直接辐射

关于大气透明系数P：整层大气在垂直方向上的透过率称为透明系数

透过一个大气质量的辐射强度与进入该大气辐射强度之比第二篇·第五章第五节一、直接辐射

（1）空气透明系数随大气中的湿度的增加而减小。一般冬季湿度小，夏季湿度大，所以，冬季的大气透明系数较夏季为大（2）空气透明系数随大气中含尘量的增加而减小，一般极地含尘量最小，所以大气透明系数随纬度的增加而增大（3）空气透明系数随大气质量数的增加而增大

第二篇·第五章第五节一、直接辐射

直接辐射随太阳高度角的增大而增加直接辐射有显著的日变化，在无云的天气条件下，一天中，直接辐射一般是正午最大，最小值是日出日落时刻。

直接辐射也有显著的年变化，这种变化主要决定于太阳高度角的年变化。

直接辐射还随纬度而改变第二篇·第五章第五节二、散射辐射

1、空气分子的散射2、气溶胶粒子的散射散射辐射：地平面上每单位时间在单位面积上接收到的来自天空一切方向的散射辐射及反射的短波辐射量。第二篇·第五章第五节二、散射辐射

第二篇·第五章第五节三、总辐射

同时到达地面上的太阳直接辐射和散射辐射之和，称为总辐射总辐射直接辐射散射辐射第二篇·第五章第五节三、总辐射

第二篇·第五章第五节三、总辐射

四川盆地多云雾，是我国年总辐射量最小的地区青藏高原南部，是我国总辐射最大的地区

第二篇·第五章第五节三、总辐射

总辐射估算公式大气上界太阳辐射日总量日照百分率地区华南华中华北西北a0.6250.4750.7080.390b0.1300.2050.1050.344第二篇·第五章第五节四、地面对太阳辐射的反射第二篇·第五章第五节四、地面对太阳辐射的反射地球——大气系统的反照率称为行星反照率，它表示射入地球的太阳辐射被大气、云及地面反射回宇宙空间的总百分数。第六节地球——大气系统的长波辐射第二篇大气物理基础第五章地面和大气中的辐射过程第二篇·第五章第六节一、地面长波辐射的性质（一）决定地球长波辐射的温度地球轨道上所接收到的太阳辐射能总量或地球接收到这些能量之后全部放射出去，则地球辐射通量密度第二篇·第五章第六节一、地面长波辐射的性质（一）决定地球长波辐射的温度假定地球在其本身所辐射的波长范围内是灰体，则按灰体的基尔霍夫定律，有

相对辐射率地球温度时黑体辐射通量密度第二篇·第五章第六节一、地面长波辐射的性质（一）决定地球长波辐射的温度第二篇·第五章第六节一、地面长波辐射的性质（一）决定地球长波辐射的温度根据此公式，假设地球为黑体，则第二篇·第五章第六节一、地面长波辐射的性质（二）地球长波辐射的相对辐射率地球的相对辐射率大气的相对辐射率第二篇·第五章第六节二、地面长波辐射的特点（一）大气对地球长波辐射的吸收大气中对长波辐射的吸收起重要作用的成分有水汽、液态水、二氧化碳和臭氧等。

第二篇·第五章第六节二、地面长波辐射的特点（一）大气对地球长波辐射的吸收大气天窗第二篇·第五章第六节二、地面长波辐射的特点（二）大气中长波辐射的传播特点1、太阳辐射中的直接辐射是平行辐射，地面和大气的辐射是漫射辐射。在红外波段，到达地面太阳的长波辐射能量辐射远远小于地面和大气放射的辐射，所以太阳的长波辐射可以忽略不计。2、太阳辐射在大气中传播时，仅考虑大气对太阳辐射的削弱作用，而不用考虑大气本身的辐射的影响。但考虑长波辐射在大气中的传播时，不仅要考虑大气对长波辐射的吸收，而且还要考