地面和大气的辐射

第二节地面和大气的辐射2024/1/21太阳辐射虽然是地球上的主要能源，但因为大气本身对太阳辐射直接吸收很少，而水、陆、植被等地球表面(又称下垫面)却能大量吸收太阳辐射，并经转化供给大气，从这个意义来说，下垫面是大气的直接能源。为此，在研究大气的热状况时，必须了解地面和大气之间交换热量的方式及地—气系统的辐射差额。2024/1/22一、地面、大气的辐射和地面有效辐射

地面辐射：地面吸收太阳辐射后(45%反射掉)转变为热能后，使地面增温，然后日夜不停的向外放射辐射，这就是地面辐射。宇宙中的任何物质，只要它的温度高于绝对零度时都能放射能量。

大气辐射：大气对太阳辐射的吸收很少(24%)但能强烈的吸收地面的辐射，大气主要靠吸收地面辐射后升温，它也日夜不停的向外放出辐射，叫大气辐射。1.1地面辐射、大气辐射2024/1/231.2地面和大气辐射的表示近似把地面和大气的辐射看成灰体辐射；根据斯蒂芬-波耳兹曼定律，辐射通量密度：式中，Eg和Ea分别表示地面和大气的辐射通量密度；Eb和Eb’分别表示与地面和大气同温度的黑体辐射通量密度；δ和δ’分别为地面和大气的相对辐射率，又称比辐射率；Tg和Ta分别为地面和大气的温度。2024/1/24

地面平均温度约为300K，对流层的大气平均温度约250K，故其热辐射中95％以上的能量集中在3～120µm的波长范围内。其辐射能最大段波长在10～15µm范围内，因此，我们把地面和大气的辐射称为长波辐射。地面、大气辐射为长波辐射？2024/1/252024/1/261.3地面和大气长波辐射的特点1.3.1大气对长波辐射的吸收大气对长波辐射的吸收非常强烈，吸收作用不仅与吸收物质及其分布有关，而且还与大气温度、压强等有关。大气中水汽、液态水、二氧化碳和臭氧对长波辐射的吸收起重要作用，他们对长波辐射具有选择性。(大气窗口)大气窗口：8～12µm处，位于地面辐射波段最强处，大气的吸收率最小，透射率最大，这一波段能量透过大气射向宇宙空间，将这一波段称为大气窗口。2024/1/27CO2H2OO3CO2H2O大气吸收谱与放射谱2024/1/28大气成分吸收带液态水水汽除大气窗口外都能吸收，以6µm附近和24µm以上波段的吸收能力最强臭氧9.6µm二氧化碳4.3µm；12.9～17.1µm2024/1/291.3.2大气中长波辐射的特点(长短波传输区别)

第一，太阳辐射中的直接辐射是作为定向的平行辐射进入大气的，而地面和大气辐射是漫射辐射；

第二，太阳辐射过程中不考虑大气短波辐射影响，因其极其微弱。长波辐射在大气中传播时，不仅要考虑大气对长波辐射的吸收，而且还要考虑大气本身的长波辐射；

第三，长波辐射在大气中传播时，可以不考虑散射作用。因为r＞φ(长波辐射的波长大于气体分子和尘粒的尺度，散射作用非常弱)2024/1/210项目长波辐射太阳辐射辐射类型漫射辐射平行辐射大气本身的长波辐射考虑不考虑散射作用不考虑考虑2024/1/2111.4大气逆辐射和地面有效辐射1.4.1大气逆辐射和大气保温效应

大气逆辐射：大气辐射中指向地面的那一部分称大气逆辐射。地面辐射是向上的；大气辐射既有向上的，也有向下的。

大气的保温效应(花房效应/温室效应):由于大气逆辐射的存在，使地面实际损失的能量比它以长波辐射的能量要少一些，这种作用称为大气的保温效应。2024/1/212大气对地面的保温作用大气上界地面地面增温地面辐射射向宇宙空间大气吸收“太阳暖大地”“大气还大地”“大地暖大气”大气辐射射向地面太阳辐射大气吸收地面吸收2024/1/213大气温室效应和阳伞效应：温室效应：大气中各种微尘和二氧化碳成分的存在，犹如温室覆盖的玻璃一样，阻挡了地面向外的辐射，增强大气逆辐射，对地面有保温和增温作用，这种现象称为大气温室效应。

阳伞效应：大气中微尘和二氧化碳的增加，犹如在阳光下撑了一把伞，减弱了到达地面的太阳辐射，对地面有降温作用，这种现象称之为大气阳伞效应。2024/1/214玻璃温室2024/1/2151.4.2地面有效辐射

定义：地面放射的辐射(Eg)与地面吸收的大气辐射(δEa)之差称为地面有效辐射，以F0表示。

F0=Eg－δEa

F0在通常情况下为正，是地面通过长波辐射失去热量；

F0为负时(逆温、潮湿)，是地面通过长波辐射得到热量。2024/1/2161.4.2地面有效辐射

影响因子：

地面温度：空气温度：空气湿度：云况：2024/1/2171.4.2地面有效辐射

变化规律：

日变化：中午前后达到最大值以后逐渐变小，到早晨达到最小。

年变化：夏季大，冬季小，但由于水汽和云的影响，最大值不一定出现在盛夏。如：秦岭、淮河以南——秋季最大，春季最小；华北、东北等地——春季最大，夏季最小。2024/1/218二、地面及地-气系统的辐射差额

定义：单位面积地表面所吸收的总辐射和有效辐射之差，称为地面的辐射差额。

Rg表示地面吸收的辐射与放出的辐射之差，即，地面的辐射差额=地面得到的辐射能-地面失去的辐射能2.1地面的辐射差额

太阳辐射+大气逆辐射

地面放射辐射

2024/1/219式中：

Rg为地面辐射差额；(Q+q)是到达地面的太阳总辐射，即太阳直接辐射和散射辐射之和；a为地面对总辐射的反射率；(1-a)即为地面的吸收率；F0为地面的有效辐射。2024/1/220

Rg为正时地面有热量积累，地面温度将上升;

Rg为负时地面有热量亏损，地面温度将下降;

Rg为零时地温没有变化，处于辐射动态平衡状态2024/1/221地面辐射差额时间分布：

日变化：白天为正，夜间为负。由正值变为负值是日落前1～1.5小时，由负值变为正值时是日出后1小时。

年变化：夏季为正，冬季为负，低纬度地区辐射差额保持正值的月份越多，高纬度地区辐射差额保持正值的月份越少。就整个地球表面平均来讲收入是大于支出的也就是说，地球表面通过辐射的交换来获得热量。2024/1/222地面辐射差额各分量的日变化2024/1/223上海7月份晴天辐射差额的日变化2024/1/224辐射差额的年变化——赣州-北京-敦煌2024/1/225地面辐射差额空间分布：年总量海洋大于陆地；整个洋面和大陆，年总量为正；极地附近，总量为负；南半球、海洋上更倾向带状分布；在低纬地区中，沙漠、干旱地区，季风区为低值区。2024/1/226年平均地表净太阳辐射2024/1/227年平均地表净长波辐射2024/1/228年平均地表净辐射（辐射差额）2024/1/229二、地面及地-气系统的辐射差额

定义：大气得到的辐射能与大气失去的能量之差。

得：大气直接吸收的太阳辐射+地面辐射

失：大气逆辐射+大气辐射到宇宙空间

得－失：整个大气层的辐射差额为负值，也就是说，大气是通过辐射能量来失去热量的。2.2大气的辐射差额短波长波2024/1/230大气辐射差额随纬度的分布2024/1/231二、地面及地-气系统的辐射差额如果将地面和大气看作是一个系统那么收入的辐射和支出的辐射之差就是地-气系统的辐射差额。得：(Q+q)(1-α)——地面吸收的太阳辐射能

qa——大气吸收的太阳辐射

失：F∞——透过大气层地面辐射和大气辐射射向宇宙

辐射能净收入：Rs=(Q+q)(1-α)+qa－F∞

2.3地气系统的辐射差额2024/1/232就个别地区来说，地-气系统的辐射差额即可以为正也可以为负；就整个地气系统来讲，这种辐射差额的多年平均值因为零；整个地球所吸收的能量和放出的辐射能量是相等的，从而使全球达到辐射平衡。2024/1/233地-气辐射差额随纬度的分布2024/1/234太阳、地面和大气之间的热传递太阳地面大气宇宙空间太阳辐射地面辐射大气逆辐射大气辐射保温作用地面辐射削弱作用地面吸收太阳辐射增温

大气吸收地面辐射增温大气逆辐射把热量还给地面大气圈2024/1/235

赤道地区

赤道地区热带沙漠热带沙漠分析比较赤道地区和热带沙漠地区的昼夜温差30℃25℃40℃15℃2024/1/236辐