第五章-地面和大气中的辐射过程2-大气物理学课件

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。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。FAQ1.1,Figure1.EstimateoftheEarth’sannualandglobalmeanenergybalance.Source:IPCC_AR4_KiehlandTrenberth(1997).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。5.1辐射的基本知识5.1.1电磁波谱5.1.2描述辐射场的物理量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。5.1.1电磁波谱c=speedoflightinavacuum=3.0x108m/sl=wavelength(m)v=frequency(1/sors-1)l=c,E=hv=hc/lE=Energy(joules,orj),h=Planck’sconstant=6.63x10-34j-s,v=frequency(1/sors-1)c=speedoflightinavacuum(m/s),l=wavelength(m)Electromagneticradiationischaracterizedbyitsfrequency,wavelengthl,wavenumberorphotonenergy5.1.1电磁波谱5.1.1电磁波谱例1：波长10m对应的频率和波数？5.1.1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。电磁波谱紫外线：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FLUXFlux:inversesquarelaw平方反比定律是表示辐射能通过空间传播方式的原则,表示光的强度与到光源的距离的平方成反比5.1.2描述辐射场的物理量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）2r5.1.2描述辐射场的物理量－立体角sindrdrd2sinddddrSolidAngles•Studyofradiationrequirestheuseofsolidangles.Asolidangleistheratioofthesubtendedarea(σ)ofthesurfaceofaspheredividedbythesquareofthesphere’sradius(r):2rSolidangleunitsaresteradians[sr].Forasphereofsurfacearea4r2,thesolidanglesubtendedbytheentiresphereis4,byahemisphereis2,etc.FigurethispagefromLiou•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WdQdt5.1.2描述辐射场的物理量5.1.2描述辐射场的物理量•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）。ddQEdAdtdA•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Wm-2sr-1.5.1.2描述辐射场的物理量(,,,,,)dELxyztdddAddQdAdtd•辐射强度L(radiance辐亮度、辐射率)•全自动太阳分光光度计CE-318为高精度野外太阳和天空辐射测量仪器，具有易携带安装，自动瞄准，太阳能供电，可自动传输数据等特点。主要用于测量太阳和天空在可见光和近红外的不同波段、不同方向、不同时间的辐射亮度，来推算大气汽溶胶，水汽，臭氧等成分的特性。5.1.2描述辐射场的物理量•单色与谱段积分辐射量21QQdllll5.1.2描述辐射场的物理量•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）5.1.2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描述辐射场的物理量cosELdll5.1.2描述辐射场的物理量•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*EEE2/20020/2cossincossinELddELdd•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。5.1.2描述辐射场的物理量•净辐射通量密度或净辐照度5.1.2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。5.1.2描述辐射场的物理量024πEr•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。5.1.2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149,597,890km,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.5.1.2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描述辐射场的物理量'cosSS•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。5.1.2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描述辐射场的物理量FL5.2辐射的物理规律5.2.1吸收率、反射率和透射率5.2.2平衡辐射的基本规律5.2.3太阳辐射和地球辐射的区别•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+=15.2.1吸收率、反射率和透射率•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5.2.1吸收率、反射率和透射率•绝对黑体：所有波长吸收率均为1，A=1。•单色黑体：某一波长吸收率为1，Al=1。•灰体：吸收率不随波长变化，但小于1。•ABlackBodyisanobjectthatabsorbsalllightthatfallsonit(nolightisreflectedortransmitted).Theobjectappearsblackwhenitisrelativelycold.5.2.1吸收率、反射率和透射率•十九世纪，科学家们普遍认为古典力学的理论已趋于完备，然而对于黑体辐射存在现象，却无法用古典理论于予解释，对于黑体辐射所衍生的问题，在科学家的努力下渐渐揭开其神秘面纱，在揭开其神秘面纱的同时也引领我们进入另一全新的领域－量子力学。•1859年，德国物理学家Kirchhoff辐射定律（lawofradiation）指出物体在已知温度下，对辐射能之放射率或吸收率与物体表面之性质有关。而黑色物质对辐射能具有较大的吸收能力。如果一个物体在任何温度下能吸收任何频率的辐射能，那么这个物体便称为黑体。事实上，完全黑体并不存在，研究黑体辐射时，常以人工制成一完全黑体讨论之。如图所示，当外界辐射能经由小孔射于空腔时，此辐射能经过多次反射后，几乎无机会再由小孔出现，故可视为辐射能被空腔所完全吸收，而称之以完全黑体。若加热此物体至某一温度，观察由小孔辐射出之光谱其光谱与在同一温度之黑体Blackbody所吸收辐射者，完全相同。黑体辐射Muchofaperson'senergyisradiatedawayintheformofinfraredenergy.Somematerialsaretransparenttoinfraredlight,whileopaquetovisiblelight(notetheplasticbag).Othermaterialsaretransparenttovisiblelight,whileopaqueorreflectivetotheinfrared(notetheman'sglasses).BLACKBODYRADIATION•普朗克定律•斯蒂芬-波尔兹曼定律•韦恩位移定律•基尔霍夫定律5.2.2平衡辐射的基本规律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:PlanckLaw：第一辐射常数第二辐射常数22/111552π(,)(1)(1)chCTkTBCchFTeelllll2hcCk212πChcPlanckLaw2B/1151(,)(,)π(e1)πCTBTFλTClll普朗克函数(黑体分光辐亮度)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MaxPlanck(1858-1947)德国物理学家1901:Planck’sLaw1918:NobelPrizeQuantumtheoryStefan-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