辐射过程参数化辐射的基本物理概念
第一节 辐射的基本知识
第一节辐射的基本知识一、辐射（radiation）的概念（一）辐射一切物体只要它的温度高于绝对温度零度，都能以电磁波的形式放射能量，这种过程称为辐射。
（二）辐射能（radiant energy）传递的能量就是辐射能。
辐射既指电磁波传递能量的方式，又指借此方式传递的能量。
二、辐射的基本特征量（一）辐射通量（radiation flux）它是指单位时间通过任一表面的辐射能。
单位为j/s或w。
（二）辐射通量密度（radiation flux density）单位时间通过单位面积的辐射能。
单位为w·m-2。
过去气象学上常用卡·平方厘米·分-1(cal·cm2·min-1)，两者的关系为：1cal·cm2·min-1＝697.8w/m2三、辐射的基本定律（一）基尔霍夫定律1、几个基本概念射到物体上的辐射能E，其中一部分被物体吸收（Eα），一部分被物体反射出去（Er），一部分透射过该物体（Et），其式为：E＝Eα＋Er＋Et（Eα/E）×100%＋（Er/E）×100%＋（Et/E）×100%＝1α＝（Eα/E）×100%，称为吸收率。
r＝（Er/E）×100%，称为发射率。
t＝（Et/E）×100%，称为透射率。
当物体完全不透明时，t＝0，α＋r＝1，所以对于完全不透明的物体来说，反射率大，吸收率就小；反射率小，吸收率就大。
（1）绝对黑体如果物体对投射来的所有波长的辐射都能全部吸收（即α＝1），吸收率不随波长而改变，αλ＝1，这种物体称为绝对黑体。
（2）黑体如果物体对某一波长来说全部吸收，则此种物体称为该波长的黑体。
（3）灰体如果物体的吸收率小于1，且不随波长而改变，则此种物体称为灰体。
2、基尔霍夫定律（1）基尔霍夫定律的内容在一定的温度和相应的波长下，任一物体的发射率ε与吸收率α的比值是一常数，可用公式表示为：ελ·T：αλ·T＝常数该常数为同一温度下黑体的辐射能力E（λT）。
10-1光辐射基本概念和规律19
E
d dS2
L cos1 cos2
r2
dS1
L cos2
d2
圆面光源照明距离为r的平行表面中心的光照度
将光源分割为许多宽度很小的圆环，圆环宽度引起j的变 化量为dj，则圆环对物面中心所张的立体角为 d 2 sinjdj
圆环对表面中心照度为 dE L cosj d 2L sinj cosj dj
E
dE
U
0
2L
sinj
cosj
dj
L sin2
U
三、光亮度的传递规律
光亮度在同一介质中的传递——光束的光亮度
在不考虑光传播中的光能损失的情况下：
三、光亮度的传递规律
光束投射到两种介质界面上经过折射后的光亮度变化
在不考虑光传播中的光能损失的情况下：
(设入射光束的光亮度为L1，介质折射率为n1，折射光束 的光亮度为L2，介质折射率为n2)
视见函数（光谱光视效率） 人眼的光谱灵敏度即为视见函数，用符号Vλ 表示。 人眼对λ=555nm的黄绿光最敏感，取该光的视见函数
值V555=1 ，则 Vothers<1，因此，视见函数是人眼的相 对光谱灵敏度。
3、光通量和发光效率—基本物理量
光通量（Φv）
把辐射通量中经过视见函数V 折算到能引起人眼光刺激的等 效能量称为光通量。单位：流明（lm）。
L1 n12
L2 n22
L0
讨论：
基本亮度
当光在界面上的反射 (n2= -n 1)时，L1=L2。 当光在均匀介质中传播(n2= n 1)时， L1=L2。
说明：光学系统中间任一平面上沿光传பைடு நூலகம்方向的基本亮度是一个
常数，这是联系光学系统物像空间亮度的基本关系。
核辐射物理知识点总结
核辐射物理知识点总结核辐射物理是一门研究核能放射性衰变、核反应、离子辐射和电磁辐射等现象的学科，涉及核物理、粒子物理、原子物理、化学物理等多个学科知识。
核辐射物理对于我们了解宇宙的起源和演化、研究原子核结构和核反应、应用核技术等方面都有着重要的意义。
本文将介绍核辐射物理的基本概念、辐射种类、辐射防护、核裂变和核聚变等方面的知识点，希望能为读者提供一些参考。
一、核辐射的基本概念1.1 核辐射的定义核辐射是指原子核发生自发性变化时放出的一种高能射线。
这种高能射线能够穿透物质，使物质产生电离、激发和损伤等作用，因此具有很强的穿透能力和生物学危害性。
1.2 核辐射的种类核辐射主要包括α射线、β射线、γ射线和中子射线四种。
其中，α射线是一种带正电荷的粒子束，由氦原子组成，其穿透能力相对较弱；β射线是高速电子束，其质子数变化，穿透能力大于α射线；γ射线是一种电磁波，其能量较高，能够穿透物质达数厘米，具有很强的穿透能力；中子射线是由中子组成的射线，穿透能力最强，很难被阻挡。
1.3 核辐射的单位核辐射的单位有居里（Ci）、贝克勒尔（Bq）、辐（rad）、格雷（Gy）等。
其中，居里是衡量放射性核素活度的单位，1居里等于1秒内放出2.7×10^10次核变化；贝克勒尔是国际单位制中用于衡量放射性衰变速率的单位，1贝克勒尔等于1秒内有1个核衰变事件发生；辐是国际单位制中用于衡量辐射吸收剂量的单位，1辐等于1克组织吸收1爱因斯坦能量；格雷是国际单位制中用于衡量辐射吸收剂量的单位，1格雷等于1焦尔/千克。
1.4 核辐射的生物学危害核辐射对人体的生物学危害主要表现在辐射照射后会对细胞和组织产生电离、激发和损伤，导致遗传变异和癌症等疾病。
因此，正确了解核辐射的危害性并采取适当的防护措施是非常重要的。
二、核辐射的辐射防护2.1 核辐射的防护原则核辐射的防护原则包括时间原则、距离原则、屏蔽原则和个人防护原则。
在实际工作中，人们可以通过缩短接触辐射源的时间、增加与辐射源的距离、使用屏蔽材料和配备防护设备等方式来降低辐射的危害。
辐射物理学知识点总结
辐射物理学知识点总结辐射物理学是研究辐射现象和辐射与物质相互作用的物理学分支。
辐射物理学涵盖了很多领域，包括核能、医学、天文学等，广泛应用于生产和科研领域。
本文将对辐射物理学的基本知识点进行总结，希望能够为读者对该领域有一个全面的了解。
一、辐射的定义辐射是指由物质释放出的能量或粒子，通过空间传播的过程。
其形式包括电磁波辐射和粒子辐射。
电磁波辐射包括了光波、微波、射线等，而粒子辐射包括了α射线、β射线、中子等。
辐射物理学主要研究辐射的产生、传播和相互作用规律。
二、辐射的产生辐射的产生主要包括了自然辐射和人工辐射两种形式。
自然辐射是指地球和宇宙空间中存在的自然放射性物质释放出来的辐射，如地壳放射、宇宙射线等；而人工辐射是指由人类活动引起的辐射，如医疗放射、工业放射等。
辐射的产生源头有很多，其中包括了核反应堆、医学放射源、射线装置等。
三、辐射的传播辐射的传播是指辐射能量和粒子在空间中的传播过程，其中包括了辐射的传播路径、传播速度和传播规律。
辐射的传播途径有很多，包括了空气传播、物质传播、真空传播等。
而辐射的传播速度一般遵循光速，但也会受到介质的影响。
辐射的传播规律包括了辐射的衰减、散射和吸收等。
四、辐射与物质的相互作用辐射与物质相互作用是指辐射与物质之间的相互影响和相互作用过程。
辐射与物质的相互作用包括了辐射的散射、吸收、衰减等。
辐射与物质的相互作用规律及其影响是辐射物理学的核心内容之一。
五、辐射的测量和防护辐射测量是指对辐射强度、能量分布和剂量进行测量，以便评估辐射对人体和环境的影响。
辐射防护是指采取措施，减少辐射对人体和环境的危害。
辐射测量和防护是辐射应用的基础，对核能、医学和工业等领域具有重要意义。
六、核辐射核辐射包括了α射线、β射线和γ射线等，这些射线是由原子核放射性衰变产生的。
核辐射的性质和作用机制对核物理和核工程有重要意义，常用于医学诊断、治疗和工业检测等领域。
七、辐射治疗辐射治疗是指利用辐射对癌细胞进行杀伤和控制的治疗方法，是肿瘤学中的重要治疗手段之一。
辐射基础知识
辐射基础知识（最新版）编制人：__________________审核人：__________________审批人：__________________编制单位：__________________编制时间：____年____月____日序言下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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大气环境模拟中的参数化方案研究
大气环境模拟中的参数化方案研究随着现代科技的发展，人们对于大气环境的模拟与预测需求日益增长。
大气环境模拟是通过数值方法来模拟和预测大气运动、大气化学反应等过程，以便更好地理解和预测气候变化、大气污染等现象。
在大气环境模拟中，参数化方案的选择和研究是至关重要的。
一、参数化方案的意义大气环境模拟中，无法直接模拟和解析全部物理和化学过程，因为这些过程是非常复杂的，并且存在各种尺度的不均匀性。
而参数化方案是一种将这些复杂过程简化为数学方程和物理参数的方法。
通过选择适当的参数化方案，可以准确又高效地模拟大气环境，同时保证计算资源的充分利用。
二、参数化方案的分类在大气环境模拟中，参数化方案涉及到各个组分和过程，包括大气运动、湍流、辐射输送、云微物理、大气化学等。
根据具体的模拟需求，可以将参数化方案划分为以下几个方面：1. 大气运动参数化：大气运动是大气环境模拟的核心。
基于大气动力学的基本方程，通过参数化方案来描述和模拟大气的垂直运动、水平运动、辐合和辐散等现象。
2. 辐射参数化：辐射是大气过程中重要的能量转换过程之一。
通过辐射参数化方案，可以模拟和计算太阳辐射、地球辐射、云辐射等过程，从而准确地模拟大气的能量转换。
3. 云微物理参数化：云是大气中的重要组成部分，对于大气模拟有着重要的影响。
云微物理参数化方案主要用于模拟和计算云的物理性质，如云水含量、云粒子分布、云的辐射和气候效应等。
4. 大气化学参数化：大气化学是指大气中的气体和气溶胶的化学反应过程。
通过大气化学参数化方案，可以模拟和计算大气中的各种气体和气溶胶的浓度分布、反应速率等，从而准确地模拟大气的化学特性。
三、参数化方案的研究方法参数化方案的研究方法主要包括观测与实验研究、数值模拟以及模型评估等。
观测与实验研究可以通过现场观测和实验室实验来获取大气各个组分和过程的观测数据，从而验证和改进参数化方案。
数值模拟则通过数值模型来模拟和计算大气的物理和化学过程，通过对比模拟结果和观测数据，来评估和优化参数化方案。
高中物理辐射
高中物理辐射辐射是一种在物理学中十分重要的概念，它指的是能够从一个物体传播到另一个物体的能量或者粒子的过程。
在高中物理学习中，辐射是一个被广泛讨论的话题，因为它涉及到很多基本的物理理论和现象。
本文将从辐射的定义、种类、特性、应用以及防护等多个方面进行讨论，帮助读者更好地理解和掌握有关辐射的知识。
在物理学中，辐射指的是由发射体向周围环境传播的能量或者粒子。
根据辐射的性质，可以将其分为电磁辐射和粒子辐射两种类型。
电磁辐射包括可见光、红外线、紫外线、X射线和γ射线等，而粒子辐射则包括α射线、β射线和中子等。
这些不同种类的辐射具有不同的穿透能力和危害性，需要我们在使用和接触时特别注意。
电磁辐射是一种很常见的辐射形式，我们可以在日常生活中的各种电器、设备以及自然界中找到。
比如，太阳光就是一种电磁辐射，人们利用可见光进行观察和生活。
但是，过度暴露于紫外线辐射下可能会导致皮肤晒伤甚至皮肤癌等问题。
另外，X射线和γ射线是高能电磁辐射，常用于医学诊断和治疗，但由于其较强的穿透能力，也存在一定的危险性，需要专业人员进行操作。
粒子辐射则是由原子核放射出的带电或者不带电的粒子流。
α射线是由α粒子组成的辐射，穿透能力较弱，但对人体组织的伤害性较高；β射线是由高速电子组成的辐射，对人体组织穿透较强，但相对较易阻挡；中子是中性粒子，穿透能力很强，对人体组织的伤害性也很大。
因此，在核能工业和医学等领域，需要加强对粒子辐射的防护和控制。
在实际应用中，辐射具有广泛的用途，比如在医学诊断中的X射线拍片、CT检查、放射治疗等，还有在工业领域的材料检测、辐射灭菌等。
但是，应用辐射时需要严格控制剂量，减少辐射对人体组织的危害，保障操作人员和环境的安全。
除了应用外，我们也需要了解如何有效防护辐射。
比如，在医学X 射线检查中，患者和医护人员可以通过佩戴铅衣、减少曝光时间、选择合适的检查方式等来减少辐射的危害。
在核能工业中，人员需要严格遵守安全操作规程，加强辐射监测和控制，确保工作环境的安全。
大气辐射传输参数化方案改进与应用
大气辐射传输参数化方案改进与应用是气象学中的重要研究领域。
通过对大气辐射传输的研究，可以更好地理解和模拟大气中的能量传输和分配过程，为气象预测、气候变化研究以及环境保护提供重要的科学依据。
一、大气辐射传输的基本概念大气辐射传输是指太阳辐射经过大气层与地球表面发生相互作用的过程。
大气辐射传输过程涉及到辐射的发射、吸收、散射以及透过等多种物理过程。
了解这些过程对于我们准确预测天气和气候变化至关重要。
二、常用的大气辐射传输参数化方案为了模拟大气辐射传输过程，研究人员根据实际观测数据和物理原理，提出了一系列参数化方案。
其中最常用的包括K模型、长波辐射传输模型（RTM）以及斑模型。
1. K模型K模型是一种简化的大气辐射传输参数化方案，通过将大气分为几个层次，在每个层次中采用不同的辐射强迫系数进行计算。
虽然K模型简化了计算过程，但其精度受到较大的限制，不适用于复杂的气象环境。
2. RTM长波辐射传输模型（RTM）是一种比较复杂的大气辐射传输参数化方案，通过考虑大气中的各种组分和复杂的辐射相互作用过程进行计算。
RTM在模拟大气辐射传输方面具有较高的精度，但计算复杂度也较高。
3. 斑模型斑模型是一种介于K模型和RTM之间的参数化方案，它在考虑大气分层的基础上，采用斑模型系数来描述不同层次之间的辐射传输过程。
斑模型相对于K模型而言更加精确，而且计算复杂度相对较低。
三、大气辐射传输参数化方案的改进尽管现有的大气辐射传输参数化方案能够满足一定的研究需求，但仍然存在一些不足之处。
为了改进这些参数化方案，研究人员开展了一系列针对不同问题的研究。
1. 气溶胶辐射气溶胶是大气中的重要组分之一，对太阳辐射和地球辐射的传输过程有重要影响。
目前的大气辐射传输模型在计算气溶胶辐射过程时存在一定的局限性。
因此，改进气溶胶辐射参数模型是当前的研究重点之一。
2. 近地表辐射大气辐射传输模型通常忽略了近地表辐射的传输过程，这在某些特定情况下可能导致误差。
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太阳(SW)和地球(LW)辐射的发射谱
为线 作界 分 以 常
大气分子对辐射的消光：吸收和散射 Absorption
k: absorption coefficient
大气对长波主要是吸收！ Rayleigh Scattering
ω0: single-scatter albedo (0~1) g: asymmetry parameter (-1~+1) P(Θ): Scattering phase function
•
各层的相当光学厚度是各种吸收性气体浓度Ni的 函数，每种吸收性气体的吸收率ki是给定的； 对于各层的相当光学厚度的处理，难点在于如何 考虑压力加宽效应（吸收率与p和T有关），从而 p 修正给定的k； kλ ∝ T 常见的考虑压力加宽效应的方法是：
a. scaling approximation（与标准p/T的比值） b. two-parameter approximation（参数化方法） c. linearly interpolates（与line-by-line辐射模式结果比较，插值）
F ↓ ( z ) = ∫ ∫ πBv ( z )
0 z
∞∞
dτ z dzdv dz
辐射项
双流模型中的计算核心：
1. Transmissivity 2.
计算每一层的光学厚度，及 垂直积分的光学厚度（黄） Frequency 对辐射频谱的积分（蓝）
5
2010-12-15
双流模型：处理光学厚度 (Transmissivity)
3 1 v
Wien位移定律：
cv exp 2 T −1
λ
1
c exp λ 2 k λT − 1 B
5
v=
λ
λmax =
2897.8µm ⋅ K T
Stefan-Boltzmann定律： ∫∞ B v = σT 4 0
1
2010-12-15
双流模型框架
在任意界面（通常是模式格点的交界面，即w层），向 上和向下辐射通量构成双流模型(Two-stream Method):
F ↑ ( z ) = ∫ πBv (0)τ 0→ z dv + ∫ ∫ πBv ( z )
0 0 0 ∞
Water Vapor Absorption
传输项
∞ z
辐射项
dτ z dzdv dz
0
I λ (s)
ds
s −τ
s
I λ ( s ) = I λ (0)e + ∫ Bλ (T )e −τ dτ
0
入射辐射的出射量 大气发射长波的出射量 传输项 辐射项
4
2010-12-15
长波辐射参数化方案
1.
2.
3.
4.
地球长波出射，不需要考虑散射。因为 散射只发生在“短波+大气分子”尺度 上，而“长波+大气分子”没反应。 由于GCM中格点的水平格距（约100km） 远远大于垂直格距（约1km），可采用 plane-parallel assumption，即只考虑 column大气，而忽略侧向格点的作用。 Water Vapor是对地球长波辐射最重要 的吸收性气体，但10um前后水汽不吸 收，形成LW的大气窗区。但9.6um的 Ozone是此窗区中重要的吸收线；15um 的CO2也是此窗区中重要的吸收带。 某些温室气体的吸收线（带），如N2O 和CH4，大部分位于LW窗区，因而是温 室效应加剧的原因之一。也有学者称作 “GHGs污染了LW大气窗区”。
•
•
双流模型：处理频谱积分 (frequency integration)
•
Narrow-band approach
•
•
真实模式中从几个 到300个band都有， 常见的使用几个 Correlated-k or k-distribution 将频域上的吸收率转换为相关吸收率的概 率密度函数，更简单地表达了一段频域的 平均吸收效果，准确度较高 Wide-band/Emissivity approach 当使用很少的band时，或干脆只考虑整个 LW为一个band时，则对频谱的积分消失， 只剩下用一个比辐射率(emissivity)来表达 吸收比例，这是最简单的方法，对水汽尤 其有效！在早期的辐射模块中大量使用
大气对短波的R散射作用明显！ M散射对气溶胶而言较明显
4um LW/SW
2
2010-12-15
大气分子对辐射的吸收散射谱
SW Window
谱线的压力加宽
例：单Na原子的吸收固定的 在特殊情况下，谱 线往往会出现“加 宽(Broadening)”效 应，如Doppler加宽 和压力加宽 真实大气中常发生 的是压力加宽，模 式中需显式计算这 种变化。显然的是， 中高层大气基本没 有这种效应。
2010-12-15
5.3 辐射过程参数化
1. 2. 3. 4. 5.
辐射的基本物理概念 辐射传输方程 长波辐射参数化方案 短波辐射参数化方案 各模式辐射方案概览
辐射的基本物理概念
原子的电子能级跃迁对应着吸收和放射高能量 太阳短波辐射 分子的化学键振动对应着吸收和放射低能量的 地球长波辐射 Planck函数： c c cv B = B =
15um CO2 band 9.6um O3 band 6.3um/20um H2O band band band
6
2010-12-15
长波辐射参数化方案中云的处理
1.
2.
3.
4.
云的主要组成为液态云滴cloud droplet，是较大的液相颗粒，但通 常不考虑对长波的scattering！ 云对LW的吸收谱非常宽广，过去认为几乎100%地把LW全部吸收， 因此常采用”black body”假设（或近似黑体的”gray body”假设），即 某格点一旦认为有云，则几乎全部LW被此格点吸收，同时，此格点 也大量释放长波 研究表明，云中含水量的多少决定了到底是黑体还是灰体，并且有 多“灰”（即比辐射率），常用来表达云中含水量的物理量是“云 水路径”Cloud Water Path (CWP) 长波参数化方案中，常采用基于CWP的Wide-band/Emissivity方法简 单地计算云对长波的吸收和辐射 CWP = ∫ wdz ε cloud = 1 − e a⋅CWP W是水含量（g/m3），a=0.13（向上LW），a=0.158（向下LW）
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2010-12-15
辐射传输与光学厚度
I λ ( 0)
0
Beer’s Law
I λ (s)
ds s
I λ ( s ) = I λ (0) ⋅ e −τ λ
τ λ = ∫ kλ ρds
0 s
称为“光学厚度” 代表一定厚度的空气对 消光而言的相当“厚度” 消光包括吸收和散射
辐射传输方程
I λ ( 0)