北航大气辐射导论复习题库
《大气辐射学》期末复习试题及答案
大气辐射复习思考题（王普才）1.大气辐射的基本定律有哪些？Planck定律、Stefan-Boltzmann定律、Kirchhoff定律、Wien位移定律。
2.辐射理论和电磁场理论有什么联系？辐射能量是以电磁波的形式在空间中进行传输的，因此电磁场理论是辐射理论的基石(Maxwell方程组)，对于UV到MW波段的电磁波，在波长较短的范围内辐射理论更广泛使用(Planck定律)而在长波长范围内电磁场理论更加广泛使用(Maxwell方程组)，这是因为在短波长范围内，所关心的更多的是其诸如发射率、辐射出射度等辐射特性，而在长波长范围更多地是研究其诸如偏振等电磁特性。
这是由于电磁波的波粒二象性所决定的。
但总而言之，辐射理论是由电磁场理论得出的，各种辐射特性和理论的物理本质要归结于电磁场与电磁波的各种理论之中。
3.列举测量辐射强度（辐亮度）和辐射通量密度（辐照度）的仪器。
辐亮度：太阳光度计，如AERONET联网的标准CE318或手持式CE312辐照度：总辐射表4.米（Mie）散射有什么特点？分子散射有什么特点？Mie散射发生的条件是波长与粒子尺寸相当时发生的散射，散射强度与波长的平方成反比，且前向散射强度大于后向散射。
在地球大气中，太阳光发生Mie散射的粒子主要是气溶胶。
Rayleigh散射（分子散射）发生的条件是波长远大于粒子尺寸，散射强度与波长的四次方成反比，前向散射与后向散射强度相当。
在地球大气中，太阳光发生Rayleigh散射的粒子主要是气体分子。
5.分子能级包含哪些能级？各有什么特点？根据分子内部原子核或核外电子运动的方式不同可以分为：转动能级、振动能级和电子能级，分别对应发生能级跃迁时转动能、振动能和电子能（一般能级跃迁时不涉及平动能变化）。
转动能级变化所对应吸收或发射的光谱波段位于微波或远红外波段；振动能级则位于中红外波段（很少独立产生，常伴随转动跃迁）；能量最大的电子能级位于可见光和紫外波段。
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写出电磁波波长、波数和频率之间的关系。
1v=-=4 （入是波长."是波数.帝是频率） c A写出立体角的定义。
立体角定义为锥体所拦截的球面积"与半径r 的平方之比，表示为G=£ = sm&d&d0（极坐标中&为天顶角，0为方位角），单位为球面度（sr ）or对于各向同性辐射，已知辐射强度为I,写出其通量密度・ 大气的消光作用主要包括哪些？散射和吸收两种作用从介质中传播的光束内移除能量，光束被衰减，我们称这种 衰减为消光。
什么是消光截面？与粒子的儿何面积类似，用来表示粒子从初始光束中所移除的能崑人小。
简述消光截面、质量消光截面、消光系数之间的关系• 消光系数二消光截面X 粒子数密度 消光系数二质量消光截面X 密度简述消光截面.吸收截面和散射截面之间的关系.散射截血是描述微观粒子散射概率的一种物理量，衣示单位时间内粒子被散射到单位立体角内的概率。
消光截面=吸收截面+散射截面（加‘）。
什么是散射尺度参数？散射的分类？粒子人小对散射的作用可以用一个称为尺度参数的物理项来推求。
对于球形粒子我 而言，它的尺度参数定义为粒子周长与入射波长久之比，即X=— OA散射的分类：若%«1,则散射称为瑞利散射，当xni,则散射称为洛伦茨一米散 射。
什么是独立散射？当人气分子和微粒的间距分开得足够宽，以致每个粒子散射光的情况严格等同于其 他粒子不存在时的情况时的散射，称为独立散射。
什么是单散射和多次散射？ 只发生一次的散射叫做单散射。
多于一次的散射称为多次散射。
简述黑体的物理意义？黑体是指能够完全吸收的物质结构。
写出普朗克公式的三种形式•频率域： R 「八2尿BQ)-加c 2(e^-l)波长域： 诃=址e 一 1）波数域：R(T 、 2hcV BQ)-心 內一1写出斯蒂芬•玻尔兹曼定律・光谱辐射强度随温度不同，各条曲线互不相交，温度越高，所仃波长的光谱辐射出 射度也越大.每条曲线下的而积代表给定温度的总辐射强度。
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56、试利用几何光学理论说明华的形成原因和出现位置。
当太阳、月亮或其他发光体透过轻雾或薄云而可见时，华就是与光源周围经常观测到的发光相联系的现象。华常呈圆形，并与发光体同心。当薄云由尺度几乎相等的粒子组成，即达到所谓的单分散条件时，薄云就可能形成华。
57、试利用几何光学理论说明天空中虹的形成原因和出现位置。
中性点为偏振度为零的点。瑞利散射理论预测中性点仅出现在正前方和正后方。由于分子和粒子的多次散射以及地表的反射，通常在无云大气中存在许多中性点。
42、写出矢量波动方程和标量波动方程。
矢量波动方程
（ 是波数，表示真空中的传播常数。 是真空中的波长。 ，是介质在频率 上的复折射率。A可以使E或H。）
标量波动方程
38、分别写出垂直/平行分量瑞利散射的强度方程和相函数，它们各有什么特点。
垂直分量：
平行分量：
39、画图说明散射方程中平行分量和垂直分量的定义。
入射电场强度可以是个矢量，它可任意分解为一个平行分量（l）和一个垂直分量（r），每个分量均受到偶极子的散射。我们可以选择这样一个分量，它的方向总是垂直于由入射光束与散射光束确定的散射截面，这个分量为垂直分量，而另一个分量则总是平行于散射平面，即平行分量。
频率域：
波长域：
波数域：
13、写出斯蒂芬-玻尔兹曼定律。
光谱辐射强度随温度不同，各条曲线互不相交，度越高，所有波长的光谱辐射出射度也越大，每条曲线下的面积代表给定温度的总辐射强度。 （ ）
黑体发射的通量密度 （ ）
14、写出维恩位移定律。
1.每条曲线都有一个极大值。
2.随着温度升高，辐射的峰值波长减小，辐射中包含的短波成分增加。
氮、氧、臭氧、二氧化氮
60、写出红外区主要的大气吸收分子。
气象学辐射试卷(练习题库)(2023版)
气象学辐射试卷（练习题库）1、辐射2、太阳高度角3、太阳方位角4、可照时间5、光照时间6、大气质量数7、直接辐射8、总辐射9、光合有效辐射10、大气逆辐射11、地面有效辐射12、地面辐射差额13、常用的辐射通量密度的单位是（）。
14、不透明物体的吸收率与反射率之和为（）。
15、对任何波长的辐射，吸收率都是1的物体称为（）。
16、当绝对温度升高一倍时，绝对黑体的总辐射能力将增大O倍。
17、如果把太阳和地面都视为黑体，太阳表面绝对温度为6000K,地面温度为300K,则太阳表面的辐射通量密18、绝对黑体温度升高一倍时，其辐射能力最大值所对应的波长就变为原来的（）。
19、太阳赤纬在春秋分时为（）。
20、上午8时的时角为（），下午15时的时角为（）。
21、当地面有效辐射增大时，夜间地面降温速度将（）。
22、在大气中放射辐射能力最强的物质是（）。
23、对光合作用有效的辐射包含在（）中。
24、晴朗的天空呈蓝色，是由于大气对太阳辐射中蓝紫色光O较多的结果。
25、短日照植物南种北引，生育期将O26、对绝对黑体，当温度升高时，辐射能力最大值所对应的波长将向长波方向移动。
（）27、在南北回归线之间的地区，一年有两次地理纬度等于太阳赤纬。
O28、时角表示太阳的方位，太阳在正西方时，时角为90°O29、北半球某一纬度出现极昼时，南半球同样的纬度上必然出现极夜。
O30、白天气温升高主要是因为空气吸收太阳辐射的缘故。
O31、光合有效辐射只是生理辐射的一部分。
O32、太阳直接辐射、散射辐射和大气逆辐射之和称为总辐射。
O33、地面辐射和大气辐射均为长波辐射。
O34、对太阳辐射吸收得很少的气体，对地面辐射也必然很少吸收。
O35、北半球热带地区辐射差额昼夜均为正值，所以气温较高。
O36、任意时刻太阳高度角的计算37、计算正午太阳高度角38、计算可照时间39、太阳辐射与地面辐射的异同是什么？40、试述正午太北半球阳高度角随纬度和季节的变化规律。
大气复习资料全..
1.二、简答题1、简述重力沉降室的原理重力沉降室是通过重力作用使尘粒从气流中沉降分离的除尘装置。
（ 3分）含尘气流进入重力沉降室后，由于扩大了流动截面积而使气体流速大大降低，使较重颗粒在重力作用下缓慢向灰斗沉降。
（ 4分）设计重力沉降室的模式有层流式和湍流式两种。
（ 3分） 2、简要分析旋风除尘器结构对其除尘效率的影响？排放管直径越小，de 越小，除尘效率越高（2分）筒体直径D 越小，粒子所受的离心力越大，其效率越高；但D 过小，粒子容易出现二次逃逸，效率反而下降（4分）锥体适当加长，可以提高效率（2分）除尘器下部的严密性不好，会引起除尘效率的下降（2分） 3、简要分析SO 2排入大气环境后造成的不良影响。
主要的不良影响有a ）本身对人体、动植物等具有毒害作用；（4分）b ）导致酸沉降；（3分）c ）是形成二次颗粒物的前体物质。
（3分） 4、试描述辐射逆温的形成和消散过程。
由于地面强烈辐射冷却而形成的逆温，称为辐射逆温。
在晴朗无云（或少云）、风速不大的夜间，地面辐射冷却很快，贴近地面气层冷却最快，较高的气层冷却较慢，因而形成自地面开始逐渐向上发展的逆温层，即辐射逆温。
（5分）下午时为递减温度层结，日落前1小时逆温开始形成，随着地面辐射冷却加剧，逆温逐渐向上扩展，黎明时逆温强度最强，日出后太阳辐射逐渐增强，地面逐渐增温，空气也随之自下而上的增温，逆温便自下而上逐渐消失，大约在上午10点钟左右逆温层完全消失。
三、计算题1、 煤的元素分析结果如下S ，0.6%；H ，3.7%；C ，79.5%；N ，0.9%；O ，4.7%；灰分10.6%。
在空气过剩20%条件下完全燃烧。
计算烟气中SO 2的浓度。
（14分） 解：按燃烧1kg 煤计算重量（g ） 摩尔数（mol ） 需氧数（mol ） C 795 66.25 66.25H 31.125 15.5625 7.78 S 6 0.1875 0.1875H 2O 52.875 2.94 0 (3分) 设干空气中N 2：O 2体积比为3.78：1， (2分) 所需理论空气量为4.78×（66.25+7.78+0.1875）=354.76mol/kg 煤。
北航大气辐射导论第02讲 基本辐射定律
B T 4 0.3542W / cm 2
(2) 2 由维恩位移定律，峰值波长为 由维恩位移定律 峰值波长为
m a / T 5.79 m
基本辐射量
(3)由普朗克公式
B m 402W / m 2 m
(4)在4-10μm范围内的辐射强度
10
B4 10 m B d 0.2W / cm 2
大气的散射与吸收
无论是空气分子、云滴、雨滴、还是气溶胶，都可以看作是球形粒子 ，对电磁辐射的散射都可以用统一的散射理论来解释，关键参数是粒 子的尺度。
不同大小的球形粒子，散射光的强度分布和光谱分布很不相同，造成 了不同天气现象。
显然，地球大气的辐射场就整体而言不是各向同性的，它的温度 也不是均一的。
但是 对于大约 60-70 但是，对于大约 60 70 千米以下的局部空间而言，作为较好的近 千米以下的局部空间而言 作为较好的近 似，可以将它当作具有均一温度且各向同性。此时，能量跃迁由 分子碰撞确定。 分子碰撞确定
黑体（blackbody）概念
术语 黑体 是指能够完全吸收的 术语“黑体”是指能够完全吸收的 物质结构。
直观上 黑体可以当做一个具有小 直观上，黑体可以当做一个具有小 孔入口的准封闭腔体。
黑体的发射/吸收过程与腔壁温度的热 力学平衡状态
黑体辐射腔
在没有外界影响的条件下，如果某个系统各部分的宏观性质（如系 统的化学成分、各物质的量、系统的温度、压力、体积、密度等 等） 在长时间内不发生任何变化 则称该系统处于热力学平衡状 等），在长时间内不发生任何变化，则称该系统处于热力学平衡状 态。不受外界影响的任何系统，总是单向趋向于平衡状态。
北航大气辐射导论第07讲 大气顶的太阳辐射
大气辐射传输理论基础许东xudong@d@b d仪器科学与光电工程学院北京航空航天大学平面平行大气辐射传输方程行大气中辐射传输的基平面平行大气中辐射传输的基本标量方程可以写作,,d d d ,/μφμφωββ===ΩΩ 其中：方向参数()s e关于太阳的几个基本问题☐永不枯竭的太阳辐射能源是从哪里来的？☐太阳的结构是怎样的？☐太阳的温度有多高？☐太阳辐射的能量是恒定不变的吗？☐夏季热、冬季冷是因为夏季比冬季地球离太阳更近吗？☐太阳给地球输送了多少能量？☐太阳辐射的光谱是什么样的？☐太阳辐射怎么测量？太阳的基本结构☐太阳是离地球最近的恒星。
☐太阳形成于46亿年以前。
☐日地平均距离1.5X108千米。
☐太阳是一个气体球，可视半径约为6.96X105千米，质量约为千克1.99X1030千克。
太阳的基本结构☐构成太阳的主要成分是原始的氢和氦，在加上少量较重的元素。
氢约占总质量的90%，氦约占10%。
☐太阳的密度也随中心距离的增加而急剧下降。
约90%的质量包含在离太阳中心的1/2的半径里。
☐太阳的温度由中心向表面急剧下降，从约5X106K下降到约5800K。
太阳的基本结构☐一般认为，太阳能源是由四个氢原子稳定转换为一个氦原子的聚变反应所产生的，这种反应发生在太阳内部深处，那里温度高达几百万度。
4H→He+E ☐太阳以电磁辐射能量形式每秒钟约辐射掉5.0X106吨的质量。
减少的这个质量是由爱因斯计算得出的。
坦定律E=mC2太阳的基本结构☐太阳内部存在大面积的上升和下沉运动，即对流运动。
对流层由15000km左右深15000k度延伸到太阳表面。
在太阳内部能量通过电磁☐在太阳内部，能量通过电磁辐射输送，即能过光子流的方式传送。
☐在太阳表面附近，一部分能，量通过对流输送，一部分能量通过电磁辐射输送。
☐在太阳表面以上，能量再次以电磁辐射的方式输送。
太阳的基本结构☐光球层：太阳的可视区域，也可以看作太阳表面，到达地球的大部分电磁辐射能量来自该层。
大气物理辐射课后习题(北京大学大气物理学)
100e 0.125102 8.21 mWcm2
10、对于 = 0.32m 的太阳辐射，若只考虑大气的气体分子散射与 O3 的吸收，当地面气压 为 1 个大气压，O3 总含量 uO = 2mm， ，太阳天顶角 = 40°时，求整层大气对此波长的透射 率。 答案：0.254
3、有一圆形云体，直径为 2km，云体中心正在某地上空 1km 处。如果能把云底表面视为 7 ℃的黑体，且不考虑云下气层的削弱，求此云在该地表面上的辐照度。174W/m2
云体：余弦弦辐射体+立体角 根据：
FT L cos d
0 2
2
0
/4
0
L cos sin d d
672.9 56.9
725.2 82.3
751.7 94.1
求各高度间气层的辐射变温率（℃/24h） 。 各高度 E*为： P(hPa) 1010 786 -2 E*（Wm ） 616 642.9
答案：1.46℃/24h 701 657.6 94.1
F (W m 2 )
1010-786hPa:
时（d2=1.52108km）为 S2，求其相对变化值
S1 S 2 是多大。 S1
答案：6.5%
同 1（1） ：
1
4 d12 S1 4 d 22 S 2 S1 S2 S 1 2 S1 S1 4 d12 1 4 d 22 1.47 2 1 1.522 1 0.9353 0.0647
习题 1、由太阳常数 S 0, =1367 W/m2，请计算：①太阳表面的辐射出射度；②全太阳表面的辐
射通量；③整个地球得到的太阳辐射通量占太阳发射辐射通量的份数。 ①辐射出射度（P66） ：辐射通量密度（W/m2） 任意距离处太阳的总辐射通量不变：
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30、写出压致增宽半宽随气压和温度的变化关系。 31、写出多普勒增宽的吸收系数表达式。 32、写出多普勒增宽的半宽表达式。 （二）大气中粒子的光散射 33、什么是瑞利散射和洛仑茨-米散射。 34、写出散射强度的普遍表达式。 35、什么是散射相函数，写出其定义表达式？ 36、给出瑞利散射的散射截面。 37、对于非偏振入射太阳光，其瑞利散射的相函数是什么？ 38、分别写出垂直/平行分量瑞利散射的强度方程和相函数， 它们各有什么特点。 39、画图说明散射方程中平行分量和垂直分量的定义。 40、结合瑞射散射，试解释天空呈现蓝色的原因。 41、什么是天空中的中性点？瑞利散射预测的中性点在什么位置？实际天空中 的中性点在什么位置？ 42、写出矢量波动方程和标量波动方程。 43、给出由标量波动方程解构造矢量波动方程解的方法。 44、写出标量波动方程的通解。 45、写出均匀球体入射波、内波和散射波的形式解。 46、给出研究球体散射辐射包括偏振的基本方程。 47、给出远场区中的散射强度方程。 48、什么是散射效率？ 49、给出洛仑茨-米散射的散射截面。 50、说明球形粒子散射效率关于粒子尺寸的变化规律。 51、试比较瑞利散射和洛仑茨-米散射相函数的特点。 52、引入斯托克斯参数，定出散射方程。 53、试比较瑞利散射和洛仑茨-米散射相矩阵中的参数。 54、比入射光波长大得多的粒子对光传输有哪些影响？ 55、对于有效截面积等于几何面积 A，尺寸比波长大得多的粒子，其消光截面的 大小是多少？ 56、试利用几何光学理论中虹的形成原因和出现位置。 （三）大气中分子光谱吸收 58、什么是标准大气？ 59、对紫外光起主要吸收作用的是哪些分子？ 60、写出红外区主要的大气吸收分子。 61、写出 H2O、CO2 在红外谱区主要的吸收带。 62、什么是单色透过率、谱透射比和谱吸收比？ 63、写出利用逐线积分法求光学厚度的公式。 64、给出逐线法计算吸收系数的公式。 65、简述相关 k 分布法的基本思想。 66、什么是强线极线和弱线极限？ 67、什么是线性吸收区和平方根吸收区？ 68、给出等价线宽的定义。 69、对于单谱线，写出在 宽度的频谱区间内，等价线宽表达式的表达式；并 给出弱线和强线极限下等价线宽的表达式。 70、简述艾尔萨色的规则带模式。 71、简述谷第的统计带模式。 72、分别给出谷第的统计带模式在强线近似和弱线近似情况下的谱透射比。 （四）辐射传输方程 73、写出不加任何坐标系的普遍辐射传输方程。 74、给出介质的单色光学厚度计算公式。 75、写出比尔-布格-朗伯定律。 76、写出施瓦氏方程和它的解。 77、对于平面平行大气，考虑一微分厚度 z ，由该层之下出射的漫射强度的变 化，由哪些过程产生，请结合画图进行说明？ 78、写出平面平行大气中辐射传输的基本标量方程。 79、什么是单散射反照率？ 80、什么是散射相函数的不对称因子。 81、瑞利散射和洛仑茨-米散射的不对散因子分别有什么特点？ 82、给出相函数的勒让德多项式展开。
83、简述离散纵坐标法的基本思想。 84、利用离散纵坐标法，给出各向同性散射介质的辐射传输方程的通解。 85、给出半无限各向同性散射大气的反射强度计算公式。 86、利用离散纵坐标法，给出各向异性散射介质的辐射传输方程的通解。 87、分别给出二流近似和爱丁顿近似的辐射传输方程。 88、试比较二流近似和爱丁顿近似的异同。 89、在二流近似和爱丁顿近似计算中，为什么要进行δ函数调整？ 90、试给出δ函数调整的基本原理和方法。 （五）辐射传输理论应用 91、什么是太阳常数？ 92、简述测量太阳常数的 Smithson 长法、短法？ 93、太阳平衡温度的计算。
（一）基本辐射理论 1、写出电磁波波长、波数和频率之间的关系。 2、写出立体角的定义。 3、对于各向同性辐射，已知辐射强度为 I ，写出其通量密度。 4、大气的消光作用主要包括哪些？ 5、什么是消光截面？ 6、简述消光截面、质量消光截面、消光系数之间的关系。 7、简述消光截面、吸收截面和散射截面之间的关系。 8、什么是散射尺度参数？散射的分类？ 9、什么是独立散射？ 10、什么是单散射和多次散射？ 11、简述黑体的物理意义？ 12、写出普朗克公式的三种形式。 13、写出斯蒂芬-玻尔兹曼定律。 14、写出维恩位移定律。 15、描述基尔霍夫定律的物理意义。 16、给出黑体发射率与吸收率之间的关系。 17、简述热力学平衡状态和局域热力学平衡状态。 18、什么是红外频率中的振转带？ 19、分子的储能方式有哪些？ 20、简述电子能级、振动能级、转动能级之间的关系。 21、写出 O2、H2O、CO2 分别有几个振动模和转动自由度？ 22、什么是容许跃迁和禁戒跃迁？ 23、什么是简并？ 24、给出转动跃迁的选择定则。 25、比较线性双原子、线性三原子、挠曲三原子分子的选择定择有何异同？ 26、简述什么是跃迁的平行支、垂直支？ 27、简述线性三原子分子的选择定择， 并描述 P、 Q、 R 支与选择定则的对应关系。 28、谱线增宽的原因有哪些？ 29、写出压致增宽洛仑兹廓线的线形表达式、吸收系数表达式。