第二章太阳辐射详解

第二章太阳辐射详解演示文稿当前第1页\共有114页\编于星期三\9点优选第二章太阳辐射当前第2页\共有114页\编于星期三\9点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。当前第3页\共有114页\编于星期三\9点

第1节辐射概述

一辐射的基本概念

辐射：是能量的一种形式，物质以电磁波的形式放射能量。辐射热交换：自然界的一切物体都能以电磁波的形式放射能量，同时也在不断地吸收外界的辐射。各种物体之间的通过辐射来交换热量，称为辐射热交换。根据Kelvin定义的热力学温度，任何物体只要其绝对温度不为零度，就会向外辐射能量，辐射能力依赖与其热力学温度。当前第4页\共有114页\编于星期三\9点物体既向外辐射能量，也会吸收外界的辐射能量。物体放出的辐射等于吸收的辐射，它的热状态保持不变，此时称为辐射平衡。当前第5页\共有114页\编于星期三\9点辐射的物理过程辐射都是由带电粒子在原子、分子内部的轨道跃迁，或原子、分子自身振动或转动能级的转移而产生的。辐射都具有统一的电磁波本质，在真空中有相同的传播速度——光速，在媒介中传播时都会产生干涉、衍射和偏振等现象。轨道跃迁和振动或转动只允许在某些能级间进行，两个能级间的能量差是固定的，从而产生的辐射为量子形式，每一份能量称为光子。当前第6页\共有114页\编于星期三\9点电磁波谱将不同频率电磁波按频率高低排列，组成电磁波谱。不同频率的电磁波具有不同的物理性质。人的视网膜能够感应的电磁波，称为可见光区，在可见光区分为几个不同波段，各波段具有不同颜色。电磁波谱-包括γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、超短波和无线电波。可见波部分，波长范围约为0.4～0.76微米当前第7页\共有114页\编于星期三\9点图5.1电磁波谱当前第8页\共有114页\编于星期三\9点电磁波谱当前第9页\共有114页\编于星期三\9点紫外线：uv-A： 0.315-0.400微米uv-B： 微米uv-C： 微米可见光红外线：近红外： 微米远红外： 2.5-1000微米微波无线电波长波、短波：4微米当前第10页\共有114页\编于星期三\9点表5.1可见光电磁波谱颜色紫青蓝绿黄橙红波长范围[μm]0.390~0.4550.455~0.4850.485~0.5050.505~0.5750.575~0.5850.585~0.6200.620~0.760典型波长[μm]0.4300.4700.4950.5400.5800.6000.640当前第11页\共有114页\编于星期三\9点物体对辐射的吸收，透射和反射

媒介对辐射的三种作用：吸收:反射:透射:Q0QaQrQd=

+

+

当前第12页\共有114页\编于星期三\9点

a+r+d=1

定义三个无量纲比率：吸收率：反射率：透射率：则有：a=r=d=当前第13页\共有114页\编于星期三\9点对不透明的物体a+r=1，吸收率愈大，反射率愈小，反之亦然。物体的吸收率、反射率和透射率大小随着辐射的波长和物体的性质而异。物体这种对不同波长的辐射具有不同的吸收率、反射率和透射率的特性称为物体对辐射的吸收、反射和透射的选择性。当前第14页\共有114页\编于星期三\9点如果某物体能把投射其上的所有波长的辐射全部吸收，即其吸收率为1，这种物体称为绝对黑体，简称黑体。、如果某物体仅对某一波长辐射的吸收率为1，则称该物体为对某波长的黑体。如果物体的吸收率小于1，且不随波长而改变，则这种物体称为灰体。当前第15页\共有114页\编于星期三\9点陆地表面反照率主要取决于表面的组成和入射辐射的光谱分布和入射角度城镇14~18%林带9~19%草地14~20%沙漠18~28%当前第16页\共有114页\编于星期三\9点实际地表反射率水面

水面

森林3~10%田地（绿色）3~15%田地（已开垦的干地）20~25%草地15~30%裸地7~20%沙地15~25%雪地（新雪）80%雪地（陈雪）50~70%冰50~70%2~4%6~40%当前第17页\共有114页\编于星期三\9点二.辐射能的量度

辐射能：以辐射方式传递的能量，单位为焦耳(J)辐射通量P：它表示单位时间传递的辐射能单位为焦耳/秒（）或瓦(w)。

当前第18页\共有114页\编于星期三\9点辐射通量密度F：是指单位时间内通过单位面积的辐射能。自放射面射出的辐射通量密度称为辐射度。到达接收面的辐射通量密度称为辐照度

当前第19页\共有114页\编于星期三\9点各向同性辐射若某点处的辐射率都不随方向而变，则称该点处的辐射为各向同性辐射。若某辐射面所有点处的辐射都是各向同性的，则称该辐射面为各向同性辐射面。常把它称为Lambert辐射面或吸收面。黑体是各向同性的，而且只有黑体，其辐射的吸收和发射才具有各向同性的特征。太阳表面经常被看作Lambert辐射面。当前第20页\共有114页\编于星期三\9点均匀辐射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）当前第21页\共有114页\编于星期三\9点辐射强度J：辐射强度是指点辐射源在某一方向上单位立体角内的辐射通量辐射率、辐射通量密度等辐射量随波长的变化当前第22页\共有114页\编于星期三\9点热辐射的基本定律一、Kirchhoff

定律二、Planck

定律三、Wein

定律四、Stefan-Boltzmann

定律当前第23页\共有114页\编于星期三\9点一基尔霍夫定律

(Kirchhoff)定律研究物体的发射能力与吸收能力之间的关系1859年由基尔霍夫根据实验得到：物体的发射能力与吸收能力之间关系密切，在同一温度下，吸收能力大的物体其发射能力也大；反之亦然。且发射能力是温度和波长的函数。G.R.Kirchhoff（1824-1887）德国物理学家当前第24页\共有114页\编于星期三\9点

设有一真空恒温器(温度为T)，放出黑体辐射。代表在温度T，波长λ时的黑体辐射率，在其中用绝热线悬挂一个非黑体物体，它们温度与容器温度一样亦为T，它的辐射率为，吸收率为。这样，非黑体和器壁之间将要达到辐射平衡。器壁放射的辐射能、非黑体放射的辐射能和未被吸收的非黑体反射辐射能，三者达到平衡，则

—(1—

—

=0)当前第25页\共有114页\编于星期三\9点

上式就是基尔霍夫定律，也称选择吸收定律。该定律的文字表述如下：在热平衡条件下，一物体放射波长λ的辐射率和该物体对波长λ辐射的吸收率之比值等于同温度、同波长时的黑体辐射率

该定律的意义在于：

1对不同的物体，辐射能力强的物体，其吸收能力也强；辐射能力弱的物体，其吸收能力也弱。

2对同一物体，如果在温度T时，它辐射某一波长的辐射，那么在同一温度下它也吸收这一辐射。如果物体不吸收某波长的辐射，也就不放射这个波长的辐射。当前第26页\共有114页\编于星期三\9点物体的辐射能力与黑体辐射能力之比，称作物体的比辐射率又称相对辐射能力，因此基尔霍夫定律还可以写成另一种形式：

=

即物体的吸收率就是它的比辐射率当前第27页\共有114页\编于星期三\9点各种自然表面的比辐射率表面比辐射率表面比辐射率干沙0.95青草0.98湿沙0.96水0.95粘土0.93新雪0.99黑土0.95脏雪0.97当前第28页\共有114页\编于星期三\9点Kirchhoff

定律的物理意义1、将物体的辐射能力与其吸收能力联系起来。而吸收率是可以通过实验测定的；2、将物体的实际辐射能力与黑体的辐射能力联系起来。因此，有关黑体的研究较为深入，其辐射定律可以应用于实际非黑体物体。当前第29页\共有114页\编于星期三\9点二.普朗克定律

1900年普朗克(M.Plank)依据量子理论导出了黑体辐射随温度T和波长λ的分布函数形式，这就是普朗克定律

MaxKarlErnstLudwigPlanck（1858-1947）德国物理学家，量子力学的开创人当前第30页\共有114页\编于星期三\9点其中h为普朗克常数6.62*10-34Js-1K为玻尔兹曼常数1.38*10-23Jk-1当前第31页\共有114页\编于星期三\9点

,因此普朗克定律可以表为由于当前第32页\共有114页\编于星期三\9点当前第33页\共有114页\编于星期三\9点以4微米作为分长线，把太阳辐射称为短波辐射，而把地球和大气的辐射称为长波辐射或红外辐射。当前第34页\共有114页\编于星期三\9点 PeakWavelength Max.IntensitySun 0.5micrometers 7.35X107W/m2Earth 10micrometers 390W/m2辐射能量的分布当前第35页\共有114页\编于星期三\9点三.斯蒂芬-玻耳兹曼定律

1879年Stefan

从热力学实验得出：黑体辐射通量密度E0(T)与其自身热力学温度的四次方成正比。1884年Boltzmann在理论上给与了证明。

随着温度的升高，黑体对各波长的放射能力都相应地增强，因而辐射通量密度也随温度增大。斯蒂芬-玻尔兹曼定律表明：黑体的辐射通量密度与绝对温度的四次方或正比，即

σ=5.67*10-8[Wm-2K-4]当前第36页\共有114页\编于星期三\9点

斯蒂芬-玻尔兹曼定律可以从普朗克定律中推导出来。将上式对整个波长积分

当前第37页\共有114页\编于星期三\9点等效黑体辐射温度由实际测量到的辐射通量密度，根据Stefan-Boltzmann

定律计算得到的温度称为等效黑体辐射温度。Te研究辐射问题时常用等效黑体辐射温度当前第38页\共有114页\编于星期三\9点四维恩位移定律(Wein

)

维恩

维恩是一位理论、实验都有很高造诣的物理学家。

正象劳厄所评价的那样：“他的不朽的业绩在于引导我们走到量子物理学的大门口”。（1864-1928）德国物理学家1911因发现了热辐射定律或诺贝尔物理学奖。当前第39页\共有114页\编于星期三\9点

黑体光谱辐射率极大值对应的波长与绝对温度成反比。其表达式为

T=2897.6(微米·开)

辐射体愈热(温度愈高)，所发出的光就愈“白”。

当前第40页\共有114页\编于星期三\9点图5.4黑体光谱辐射率曲线最大值连线表示Wein位移定律当前第41页\共有114页\编于星期三\9点色温度由测量到的最大单色辐射通量密度对应的波长值，根据Wein

定律计算得到的温度称为色温度。Tc色温度仅仅表示辐射体的主体颜色。色温度传统应用于冶金工业和高温加热工程领域，随着高温遥感探测技术发展，色温度的直接应用逐渐减少。

当前第42页\共有114页\编于星期三\9点太阳辐射及其在大气中的衰减

太阳辐射是地球上最主要的能源，也是地球大气中各种物理化学过程的总能源，太阳辐射在到达地表前，要经过大气层，大气层对太阳辐射有吸收和散射作用，从而导致到达地表的太阳直接辐射的减小。当前第43页\共有114页\编于星期三\9点当前第44页\共有114页\编于星期三\9点一.太阳辐射

太阳直径约为140万公里，相当于地球直径的109倍，体积约为地球体积的130万倍，质量约为地球质量的33万倍，约等于太阳系所有的行星、卫星总质量的750倍。但在宇宙中，它的质量在平均值附近，而它的大小却低于平均值。是地球最主要的能源，但这只不过是太阳辐射总能量的22亿分之一。太阳光球表面温度约为5800K，内部中心温度可达。当前第45页\共有114页\编于星期三\9点太阳的X射线图片壮年期：主序星阶段当前第46页\共有114页\编于星期三\9点当前第47页\共有114页\编于星期三\9点太阳黑子当前第48页\共有114页\编于星期三\9点核反应区：太阳中心区域这种超高温高压条件下，不断进行着大规模的氢热核聚变反应，释放出巨大的能量。当前第49页\共有114页\编于星期三\9点辐射区：

热核反应产生的高能射线经过这个辐射区逐步降低频率，最后成为太阳向空间辐射的较低能量的可见光和其他形式的辐射。当前第50页\共有114页\编于星期三\9点对流区：稠密炽热的气体处于升降起伏的对流状态。在太阳大气中产生的各种活动现象(如黑子、耀斑等)都与对流区的活动有关。当前第51页\共有114页\编于星期三\9点光球表面的黑子温度只有4500K左右，黑子数目还存在着11年左右的周期变化。平均日地距离为，称为一个天文单位

当前第52页\共有114页\编于星期三\9点太阳辐射谱的观测关心3个问题：(1)大气外界太阳辐射的谱分布；(2)总谱能量或太阳常数；(3)太阳辐射随时间的变化。当前第53页\共有114页\编于星期三\9点观测简史在20世纪初即已开始，地面测量；50年代利用火箭观测了太阳的紫外辐射；60年代利用飞机和高空气球对太阳辐射谱作了仔细的观测研究；70年代又利用火箭和卫星以及新的主动腔体辐射表观测了太阳辐射的总谱能量。气象学领域，除了天气预报这项永恒的主题外，没有哪一项工作，能象太阳常数测定那样应用了从高空气球、飞机、火箭到卫星和航天器等如此众多的现代高科技手段。当前第54页\共有114页\编于星期三\9点观测简史目前，在高山上进行的长期测量，仍是测算大气外界太阳辐射光谱的主要手段。借助高空观测弥补紫外和红外波段的测量。当前第55页\共有114页\编于星期三\9点假设在大气上界日地平均距离处，放一块与太阳光垂直的平面，在这个平面上，每单位时间、单位面积上所接收的太阳辐射能,称为太阳常数，用符号So表示。根据实测和计算表明：

So=1372瓦／米2在1981年墨西哥会议上，WMO的仪器和观测方法委员会建议S0=（1367±7）W.m-2当前第56页\共有114页\编于星期三\9点太阳常数的变化当前第57页\共有114页\编于星期三\9点19911994SunspotnumberLeanetal1995LockwoodandStamper(1999)HoytansSchatten(1993)PlotfromIPCCTARSolankiandFligge1998太阳常数的变化当前第58页\共有114页\编于星期三\9点太阳辐射光谱当前第59页\共有114页\编于星期三\9点时刻不断地从太阳飞向地球的带电粒子流—氢核、钙核及电子流,构成太阳风。其速度可达500km/s,在太阳活动发生强烈爆发之后，太阳风的速度和粒子流密度都会增大。影响地球磁场,也可导致天气、气候的异常变化大气上界太阳辐射光谱特点：能量绝大部分集中在0.15-4.0μm，其中可见光区占50%，红外区占43%，紫外区占7%当前第60页\共有114页\编于星期三\9点二.大气对太阳辐射的吸收

能量的变化是不连续的。当其由低能态跃迁到高能态时，增加的(吸收)能量满足爱因斯坦公式

ΔE=h·f

每一跃迁就产生一条吸收线，许多吸收线在一起就为吸收带，所有可能的这种跃迁就组成该种气体的吸收光谱气体的吸收具有明显的选择性。一定的气体，其吸收光谱与辐射光谱是一致的。1.太阳辐射当前第61页\共有114页\编于星期三\9点吸收光谱O3当前第62页\共有114页\编于星期三\9点1.氧气的吸收光谱紫外波段有三个吸收带Herzberg带(0.24~0.26μm)Schumann-Runge带(0.125~0.2μm)Hopfield带(小于0.1μm)可见光区有三个弱吸收带

0.76μm

、0.69μm

、0.63μm

红外区仅有12.5μm

吸收带。当前第63页\共有114页\编于星期三\9点2.臭氧的吸收光谱紫外波段有三个吸收带Hartley带(0.255μm)Huggins带(0.32~0.36μm)可见光区有一个弱吸收带Chappuis带(0.44~1.18μm)

红外区有9.6μm

最强吸收带和4.7μm

、14.1μm两个较强吸收带。当前第64页\共有114页\编于星期三\9点3.水和水气的吸收光谱水气吸收主要位于红外波段水汽是大气中辐射吸收最重要的气体。水汽的吸收带主要在红外区。液态水与水汽的吸收带相对应，波长向长波方向移动。液态水的吸收程度比水汽强得多。当前第65页\共有114页\编于星期三\9点4.二氧化碳的吸收光谱二氧化碳的吸收光谱主要位于红外波段。2.0、2.7、4.3、4.8、5.2μm

弱吸收带大于14.7μm

强吸收带可以将全部红外辐射吸收。是著名的温室气体。当前第66页\共有114页\编于星期三\9点大气吸收光谱光波在大气中传播时，某些特定波长的波被大气各种气体成分吸收而产生的暗线或暗带组成的谱。吸收作用比较显著的气体成分是H2O、CO2、O3等。它们将吸收的光波能量转化为热能和电离能等，从而影响大气的物理和化学状态与过程。当前第67页\共有114页\编于星期三\9点三大气对太阳辐射的散射

散射是指每一个散射分子或散射质点将λ射的辐射重新向各方辐射出去的一种现象。散射的特性强烈地依赖于粒子尺度与入射辐射波长的相对大小。尺度参数瑞利散射或称分子散射＜0.1或(a<<λ)米散射

0.1<<50(a>>λ)当前第68页\共有114页\编于星期三\9点1871年，Rayleigh为解释天空的颜色，根据Maxwell电磁波理论，创立了分子散射理论。所有的粒子尺度如果比入射波长小得多，都适用Rayleigh散射理论。1.瑞利散射

当前第69页\共有114页\编于星期三\9点

若入射辐射通量密度为，则在距离为r处的散射辐射通量密度为

N为单位体积中分子数，n为折射率，θ为λ射辐射与散射辐射之间的夹角，称为散射角

当前第70页\共有114页\编于星期三\9点散射角当前第71页\共有114页\编于星期三\9点Rayleigh散射的特点散射通量密度与波长的四次方成反比。散射辐射以短波为主。散射光强度与粒子的体积平方成正比，与距离的平方成反比。当前第72页\共有114页\编于星期三\9点二到达地表的太阳散射辐射

散射辐射来自整个半球天空，又称天空辐射天空辐射的大小取决于太阳高度角、大气透明系数、云量、海拔高度，并受地面反射率影响，其变化范围较大。随太阳高度角的减小，天空辐射也减小,但太阳直接辐射减小得更多，因此太阳高度低时，散射辐射显得更重要大气透明程度差时，散射粒子较多，散射辐射增强当前第73页\共有114页\编于星期三\9点云也能强烈地增大散射辐射

,但当云层很厚，云量很大时，减小散射辐射地面反射率加大时，加地面有雪，散射辐射加大，如果有云又有雪，会有反复反射现象，使散射辐射加大很多

同太阳直接辐射类似，散射辐射的变化也主要决定于太阳高度角。散射辐射一般比直接辐射弱，但有时散射辐射会大于直接辐射。例如在高纬度地区，散射辐射甚至比直接辐射大几倍，一般在中纬度，散射辐射只有直接辐射的35—90%当前第74页\共有114页\编于星期三\9点三.地面总辐射

到达地表的太阳直接辐射与散射辐射之和称为地面总辐射

在夜间，总辐射为空，日出后随太阳高度角增加而增大，在正午时达最大值云对总辐射的影响很大，有云时虽然增加散射辐射，但使直接辐射减小，中午云量的增多会使总辐射的最大值提前或推后出现。总辐射在夏季最大，冬季最小。当前第75页\共有114页\编于星期三\9点一般是纬度愈低，总辐射愈大,最大值在北纬20°附近一个地区总辐射的日总量和年总量，即一日或一年之内收受辐射能量的总值，是形在一地区气候条件的基本因素当前第76页\共有114页\编于星期三\9点当前第77页\共有114页\编于星期三\9点行星反照率定义: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。目前认为全球的行星反照率数值可取0.30当前第78页\共有114页\编于星期三\9点四、地球表面对太阳辐射的反照率陆面反照率主要决定于表面的组成和特征以及入射辐射的光谱分布和入射角度入射辐射光谱特征对地面的反照率有明显影响。反照率随波长增大而增强。地面吸收的总辐射为Sg（1-A）当前第79页\共有114页\编于星期三\9点

地球辐射

地面的平均温度约为300K，对流层大气的平均温度约为250K，95%以上的能量集中在3~120微米的波长范围内(红外、远红外辐射)。其最大辐射能所对应的波长在10~15微米范围内。当前第80页\共有114页\编于星期三\9点当前第81页\共有114页\编于星期三\9点一.地面辐射

地面辐射可以近似地看成灰体辐射，根据基尔霍夫定律和斯蒂芬玻尔兹曼定律，地面辐射通量密度可写为

式中FE为与地面同温度的黑体辐射通量密度，TE为地表温度,δ为比辐射率，

当前第82页\共有114页\编于星期三\9点

在地面通常的温度条件下(－40℃～40℃)，FE的数值在154～525W/M2

。比太阳常数小得多，而与到达地面上的太阳直接辐射通量密度相近。当前第83页\共有114页\编于星期三\9点云对太阳辐射的作用主要是散射，还有反射，液态水滴和冰粒对太阳辐射能的吸收常常可以不予考虑。云对红外辐射而言，主要是吸收。浓密的低云在50米的路程上就会吸收90%以上的红外辐射。因此，对于红外辐射，一定厚度的云可简单地当作黑体看待。云底构成对来自地面和低层大气向上辐射的吸收表面，云顶则构成另一表面，该表面通过大气窗区向太空放射辐射能。二.云的辐射

当前第84页\共有114页\编于星期三\9点对于某些光性薄的云来说，例如卷云，通常它的长波透过率大于0.5，对于这类云要看作灰体，而不能看作黑体处理。当前第85页\共有114页\编于星期三\9点高层云在不同厚度时的谱透过率和谱反射率

当前第86页\共有114页\编于星期三\9点三.大气辐射

大气主要是通过吸收地面红外辐射而维持其温度的，据估计，它能吸收地面辐射的75～95%，而吸收这些辐射的又几乎全是贴近地面及40－50m厚的气层

大气中吸收红外辐射主要是水汽和液态水，此外还有一些微量气体，如CO2，O3等。大气辐射的强弱解决定于大气温度，又决定于大气湿度和云况。愈度愈高，水汽和液态水含量愈大，则大气辐射也愈大。当前第87页\共有114页\编于星期三\9点大气逆辐射计算公式:向下到达地面的大气辐射称为大气逆辐射。（1）埃斯屈朗公式

其中R为大气逆辐射，T为地面气温（K），e为水汽压（百帕），A=0.81,B=0.24,r=0.052。当前第88页\共有114页\编于星期三\9点大气对太阳辐射吸收很小，结果让大量的太阳辐射透过大气到达地面，而大气又强烈地吸收地面红外辐射而增热，并以大气逆辐射的方式返回一部分给地面，使得地面不致失热过多，大气的这种作用犹如花房的保暖作用，所以称为大气温室效应，也称大气效应。Fleaple和Businger指出，温室中的高温主要是由玻璃罩引起的，它阻止暖空气上升，因而阻止了热量由温室中带走，而不能归因于红外辐射的吸收。据估计，如果没有大气，地面温度将是－23℃，但实际地面平均温度为15℃，由于大气的温室效应，便地面平均温度提高了38℃。当前第89页\共有114页\编于星期三\9点四.有效辐射

地面有效辐射是指地面辐射和地面所吸收的大气逆辐射之差为正时，地面通过红外辐射热交换损失热量，当为负时，地面通过红外辐射热交换获得热量。在通常情况下，为正，即地面经常失去热量。当前第90页\共有114页\编于星期三\9点地面有效辐射的大小主要决定于下垫面温度、空气温度、湿度和云况，在其它条件不变的情况下，地面温度越高，地面辐射越强，有效辐射也愈大。气温越高，绝对湿度愈大；天空中云愈多愈密，则大气辐射愈强，故有效辐射愈小。有效辐射有明显的日变化，入夜逐渐减少，早晨达最小值，日出后显著增大，正午达最大值，但云往往能破坏上述日变化规律。当前第91页\共有114页\编于星期三\9点五.红外辐射传输

1、传输特点：1）地球和大气都是放射红外辐射的辐射源，通过大气中任一平面射出的都是具有各个方向的漫射辐射。2）除非有云或尘埃等大颗粒质点较多时，大气对长波辐射的散射削弱较小，可以忽略不计。可仅考虑大气对长波辐射的吸收作用。当前第92页\共有114页\编于星期三\9点大气降温率大于短波增温率，在夜间就只有长波辐射降温，这说明大气由于辐射能量交换的结果，入不敷出，要维持大气的温度中就要以其它方式(对流传导等)由地面获得能量。大气温度较高时，其长波辐射就强，如大气中存在逆温层,则逆温层顶有较强的辐射冷却，其作用是促使逆温层趋于消失。当前第93页\共有114页\编于星期三\9点温室效应当前第94页\共有114页\编于星期三\9点温室效应地球表面的大气使得实际观测到的地球表面温度约为15℃。远高于无大气时辐射平衡温度，这主要是由于大气的存在使地球表面的平衡的温度升高了。大气对太阳的短波辐射是透明的，而对地球表面的长波辐射不太透明，其性质如同温室的玻璃一样。所以，一般把大气的这种保温作用又称为“温室效应”。把具有温室效应的气体统称为“温室气体”。大气中的主要温室气体包括水汽，CO2，CH4，N2O，CFCs，他们不是大气的主要成分。

当前第95页\共有114页\编于星期三\9点温室效应自然界的温室气体使地球保持适当的温度（平均～15℃），适于人类和生物生存。但是当他们的浓度增加，将会使地球温度升高，改变气候及其他气象要素，特别是降水。温室气体浓度增加，使全球平均地表温度升高，严格地说，这是在自然温室气体浓度之上增加的“增强温室效应”，人们经常把”增强”二字省略，但不应忘记。

当前第96页\共有114页\编于星期三\9点地气系统平均发射功率240wm-2

相当黑体温度255K地面发射率390wm-2

相当黑体温度288K温室气体的温室效应33K当前第97页\共有114页\编于星期三\9点温室效应在全球能量平衡中的作用自然过程控制下的温室效应使得地表平均温度提高了33°C。地球表面平均温度：15°C

月球表面平均温度：-18°C如果没有温室效应，生命就不可能存在。人类活动造成大气中温室气体的急剧增加，从而加强的温室效应，导致地球系统面临全球增暖的威胁。当前第98页\共有114页\编于星期三\9点一.地面辐射差额

地面辐射差额和能量平衡

地面收入辐射能对口支出，辐射能的差值称为地面辐射差额

凡是影响太阳总辐射和地面有效辐射的因子都能影响地面辐射差额,白天总辐射最为重要，这时地面辐射差额与总辐射和变化规律类似，夜间地面有效辐射起主要作用

当前第99页\共有114页\编于星期三\9点地面辐射差额由正值变为负值和由负值变为正值的时间分别在日没前和日出后1小时左右当前第100页\共有114页\编于星期三\9点地面辐射差额的年变化随纬度而异，纬度愈低，辐射差额保持正值的月份愈多，反之，纬度越高，差额保持正值的月份愈少。当前第101页\共有114页\编于星期三\9点二.地面能量平衡

地表面除了辐射造成的能量收支外，还有地表和贴地层空气的热量交换(感热)，地表和深层土壤之间的热交换和因相变(地表水分蒸发)引起的地表能量损失(潜热)等项。表示地表净能量通量

当前第102页\共有114页\编于星期三\9点当前第103页\共有114页\编于星期三\9点当地表净能量通量为正时，地表获得能量，地表温度上升，为负时，地面失去能量，地表温度下降，为零时，即地表