【气象学】第七章 大气辐射
大气辐射学
大气辐射学
大气辐射学是研究大气中的辐射传输现象的学科，主要研究太阳辐射、地球辐射和大气中的辐射传输过程。
它是大气物理学和气候学的重要分支。
大气辐射学的主要研究内容包括以下几个方面：
1. 太阳辐射：太阳辐射是地球上最主要的能量来源，大气辐射学研究太阳辐射的强度、能量分布和光谱特性等，以及大气中对太阳辐射的吸收、散射和透射等过程。
2. 地球辐射：地球辐射是地球表面向大气以及太空输送的能量，大气辐射学研究地球辐射的特性、分布和变化等，以及大气中对地球辐射的吸收、反射和散射等过程。
3. 辐射传输：大气中的辐射传输是指太阳辐射和地球辐射在大气中的传播过程，大气辐射学研究辐射在大气中的吸收、散射和透射等过程，以及这些过程对大气温度、湿度和气候等的影响。
4. 辐射平衡：大气辐射学研究大气中辐射能量的收支平衡，即太阳辐射和地球辐射的能量输入与输出之间的平衡关系，以及这种平衡对大气的能量分布和热力学过程的影响。
大气辐射学的研究对于理解和模拟大气的物理过程、预测气象和气候、开展环境保护和利用太阳能等方面具有重要意义。
动力气象学第七章习题ALL
第七章大气能量学解：内能和动能通过进行转换，位能和动能通过进行转换，解：大气的能量最终来源于太阳辐射，太阳辐射首先增加大气的全位能，然后通过穿越等压线做功才能使得有效位能转换成大气的动能共大气运动消耗。
由于地球的旋转作用产生科氏力，科氏力使得大气不能完全有效地做穿越等压线的运动，降低了气压梯度力的做功效率，所以它降低了大气能量过程的转换效率。
解：不能，要通过穿越等压线做功才能发生转换。
解：解：解：垂直运动可以引起位能和动能转换，但在净力平衡条件下，不能单独存在垂直运动使得这种能量转换发生，因为动能的增加必然使得位能改变，这将破坏内能和位能的比例，这样全位能也不能改变。
解：推导证明。
由定义。
由定义。
由定义。
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大气辐射估计
大气辐射估计
大气辐射是指地球和大气层之间的能量交换。
地球表面吸收太阳辐射后会释放热量，一部分热量通过大气层向外辐射，这就是大气辐射。
大气辐射主要有两种形式：长波辐射和短波辐射。
太阳辐射到达地球的辐射波长主要在0.2-4.0μm范围内，称为短波辐射。
地球表面吸收短波辐射后会发射长波辐射，其波长主要在4.0-100μm范围内。
这两种辐射的相对比例决定了大气辐射的大小。
大气辐射受到多种因素的影响。
首先，大气辐射与太阳高度角有关。
太阳高度角越高，入射到地球表面的辐射能量越大，导致大气辐射增加。
其次，云量对大气辐射的影响也很大。
云层会反射和散射太阳辐射，减少地表的入射辐射，从而减小大气辐射。
此外，大气中气体的成分也会影响大气辐射的大小。
温室气体比如二氧化碳、甲烷和水汽会吸收地球表面发射的长波辐射，导致大气辐射增加。
为了估计大气辐射，科学家使用不同的观测和模拟方法。
观测方法包括使用辐射计来测量地球和大气之间的辐射能量变化。
这些观测数据可以用于计算大气辐射。
另一种方法是使用气象和气候模型来模拟大气辐射。
这些模型可以考虑不同的因素，如太阳辐射、云量和大气成分等，以估计大气辐射的大小。
精确估计大气辐射对于了解地球能量平衡和气候变化非常重要。
通过研究大气辐射的变化，我们可以更好地理解地球能量的分
布和调节过程。
这对于推进气候科学研究和应对气候变化具有重要意义。
【气象学】第七章 大气辐射
7.1.2 描述辐射场的物理量
大气中的许多参量都是以场的形式出现的，如温 度场、气压场、风场等。
其中温度场、气压场是标量场，风场是矢量场，
它们都是空间和时间（x, y, z, t）的函数。
辐射场则是比上述参量更复杂的场。
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1.辐射通量(radiant flux)
指单位时间能通过某一平面（或虚拟平面）的辐
第七章 大气辐射学
地面和大气中的辐射过程
为什么要研究地气系统对太阳辐射的吸收和反射及地气 之间的辐射交换过程？
为什么？
2/76
地球作为飘浮在宇宙空间的 一个物体，它只有通过辐射
过程才能与其周围环境交换
能量并最终达到某种平衡。
地球围绕着太阳运行，太阳辐 射的能量是地球最重要的能源。
因此需要研究太阳、地球及大
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4. 辐射源
往外发射辐射的物体称为辐射源。最简单的辐 射源是点源。假设源向四周发射是均匀的，发 射辐射的功率为W ，则在以点源为中心、半径 为r的球表面上的辐照度为
E W 4π r
2
32/76
这里辐射传输的方向都在半径方向。可见，点源 的辐照度随距离的变化服从反平方规律。
在离点辐射源距离相当大并且在讨论相对比较小
在大气上界日地平均距离处通过与太阳光线垂直的单位面积上单位时间内所接收到的太阳总辐射能包括所有波长1367wm212286742大气上界的太阳辐射能全球各地大气上界太阳辐射的日总量的年变化较小而高纬区年变化较大则随纬度的增高而迅速下降进入极圈甚至变为零随纬度的变化是决定地球上各纬度间气候差异的基本因素
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平衡辐射的基本规律：
高一地理大气辐射知识点
高一地理大气辐射知识点大气辐射是地球上的重要能量传递方式之一，它对于地球气候和生态系统的运行具有重要影响。
了解大气辐射的基本概念和知识点，对于理解地球的能量平衡和气候变化具有重要意义。
本文将介绍高一地理课程中的大气辐射知识点，帮助大家更好地理解这一概念。
一、大气辐射的基本概念大气辐射是指太阳辐射经过大气层传播而到达地球表面的过程。
太阳辐射将地球表面加热，并引起大气运动、水循环以及其他气候变化。
大气辐射主要包括可见光、红外线和紫外线三种辐射类型。
其中，可见光是太阳辐射的主要组成部分，红外线和紫外线辐射则具有重要的生物和物理效应。
二、大气辐射的主要特征大气辐射的特征包括辐射强度、入射角度、反射和吸收等。
辐射强度表示单位时间内某一面积的辐射能量。
太阳辐射在不同经纬度和季节的入射角度不同，这会导致地球表面不同区域的辐射分布不均匀。
地球表面对太阳辐射的反射和吸收也会影响大气辐射的传播和分布。
三、大气辐射对地球的影响大气辐射对地球的影响体现在能量平衡、气候变化和生态系统三个方面。
能量平衡是指太阳辐射和地球表面辐射之间的平衡关系。
通过对大气辐射的观测和分析，科学家可以了解能量平衡的变化情况，进而研究气候变化和全球能量循环等重要问题。
大气辐射还能够影响地球的气候变化，例如太阳辐射的变化会引起全球气温的变化，从而影响气候型态和季风等气候现象。
此外，大气辐射对生态系统的运行也具有重要作用，例如对植物的生长和动物的生态适应等。
四、大气辐射的观测方法为了了解大气辐射的分布和变化情况，科学家使用多种观测方法进行研究。
例如，通过太阳辐射计和红外辐射计等仪器可以测量大气辐射的强度和频谱特征。
同时，气象卫星也可以获取大气辐射的遥感信息，提供全球范围的观测数据。
这些观测方法的应用，为我们研究大气辐射的特性和变化提供了重要的数据支持。
总结：大气辐射是地球气候和生态系统运行的重要能量传递方式，理解大气辐射的基本概念和知识点对于我们认识地球的能量平衡和气候变化至关重要。
大气辐射
第二章大气的热能和温度第一节太阳辐射第二节地面辐射和大气辐射第三节地球热量平衡第四节大气的增温和冷却第五节大气温度随时间的变化第六节大气温度的空间分布一、辐射的基本知识（一）辐射（二）辐射光谱（三）辐射差额﹙R﹚二、太阳辐射（一）辐射以电磁波的形式向外不停地放出能量，这种传递能量的方式叫辐射，而传递出来的能量称为辐射能。
太阳、地面和大气间能量交换的波长范围0.15－120 μm 。
太阳辐射波长范围很广，但其能量的绝大部份集中在0.15－4 μm之间，习惯称短波辐射。
地面、大气间（简称地－气系统）波长3－120 μm ，习惯称长波辐射。
（气象上通常以4 μm 作为长短波的界限）（二）辐射光谱表示辐射能随波长的分布。
（三）辐射差额﹙R﹚在某一段时间内物体的辐射收支差值，称为辐射差额。
当物体的：收入大于支出，辐射差额为正，物体温度升高；收入小于支出，辐射差额为负，温度降低。
收入等于支出，差额为零，温度无变化。
此时为辐射平衡状态。
二、太阳辐射太阳辐射光谱和太阳常数太阳辐射在大气中的减弱到达地面的太阳辐射地面对太阳辐射的反射（一）太阳辐射光谱太阳辐射中的辐射能随波长的分布称为太阳辐射光谱。
（二）太阳常数在日地平均距离（1.5亿km）处的大气上界、垂直于太阳光线的平面、每分钟每平方厘米面积上得到的太阳辐射能量值，该数值称为太阳常数，用I。
表示。
据测算：I0=1367W/㎡（三）太阳辐射在大气中的减弱大气的吸收作用大气的散射作用云层对太阳辐射的反射（四）到达地表的太阳辐射经大气削减后到达地表的太阳短波辐射由直接辐射和散射辐射两部分组成。
二者之和为到达地表的太阳辐射总量，常称为太阳总辐射。
直接辐射由平行光形式直接投射到地面上的太阳辐射。
影响直接辐射值大小、强弱的两个最主要因素：大气透明度和太阳高度角（h⊙）。
大气透明度好，到达地表的直接辐射量多，反之则少。
太阳高度角（h⊙）愈小，太阳辐射强度愈弱，单位时间、单位面积地表上获得太阳辐射热能（直接辐射）愈少；相反愈多。
大气中的辐射-ppt课件
18
2. 辐射传输的有关物理量
(1)光学厚度
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2. 辐射传输的有关物理量
(2) 光学质量
辐射传输路径上气体的质量
20
2. 辐射传输的有关物理量
(2) 光学质量
标准状态下厚度
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2. 辐射传输的有关物理量
(3)单色透射率和单色吸收率
辐射通过一段大气路径后，辐射通量密度之比
常将整层大气在垂直方向的透过率称为透明系数
2
n
k
1.333
0
2.6
1.0
1.96
0.66
1.55
0
1.544
0
1.53
0
1.53
0
1.52
0
1.55
0
NOTE: hematite (赤铁矿) is a mineral that is a main light absorbing components of mineral d1u2st.
2．散射削弱系数
1
谱线增宽
2
5.3.2 大气吸收光谱
H2O
吸收约20%的太阳能量
几乎覆盖长波辐射整个波段 6.3 m振动带
大于12 m转动带
3
5.3.2 大气吸收光谱
• O2
• 主要在小于0.25 m的紫外区：
• 舒曼-龙格(Schumann-Runge)吸收带 • 赫 兹 堡 ( Herzberg) 带
• 因小于0.25 m的太阳辐射能量不到0.2%，而且 O2在可见光波段的两吸收带较弱，所以对太阳 辐射的削弱不大。
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2. 辐射传输的有关物理量
• 透射率函数
• 光谱间隔内的平均透过率
地面辐射与大气辐射课件
地面辐射的来源与影响
来源
主要来源于地球表面吸收的太阳辐射 能，以及地球内部的热能。
影响
地面辐射是地球表面热量交换的主要 方式，对气候变化、生态系统和人类 生活等方面都有重要影响。
地面辐射的测量与计算
测量
使用红外辐射计等仪器测量地面辐射的通量、光谱分布等参数。
计算
根据测量数据和相关公式，计算地面辐射的发射率、反射率 等参数，以及地面辐射通量等数值。
气象预测
气象服务
地面辐射与大气辐射的研究可以为气 象服务提供科学依据，如旅游气象服 务、农业气象服务等。
地面辐射与大气辐射的监测数据可以 用于气象预测，如短期天气预报、灾 害预警等。
在气候模型中的应用
01
02
03
气候模型验证
地面辐射与大气辐射的观 测数据可以用来验证气候 模型的准确性和可靠性。
气候变化模拟
对气候变化的影响
气候变化
辐射强迫
气候反馈
气候变化涉及到地球表面状况的长期 变化，包括气温、降水、风等气象要 素的变化以及冰川、植被等自然环境 的改变。
人类活动和自然因素引起的温室气体 排放、气溶胶污染等会改变大气中的 成分，进而改变太阳辐射和地面辐射 在大气中的传输和散射特性。这种改 变称为“辐射强迫”，它会导致气候 变化。
气候模型可以通过模拟地 面辐射与大气辐射的相互 作用，预测未来气候变化 的情况。
气候变化应对
气候模型可以为应对气候 变化提供科学依据，如制 定减排政策、适应气候变 化的措施等。
在环境保护中的应用
大气污染监测
地面辐射与大气辐射的监测数据 可以用于监测大气污染物的浓度
和分布情况。
环境影响评估
地面辐射与大气辐射的研究可以为 环境影响评估提供科学依据，如建 设项目对环境的影响评估、规划方 案的环境影响评估等。
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定义：
Qr R Q0
反射率
透射率
Qt Q0
吸收率
A R 1
当物体不透明时， = 0，则有A + R = 1，这 时反射率大的物体吸收率一定小。
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吸收率、反射率、透射率的概念可用于各种波长的条件。
对于单色(或分光)辐射的场合，称为单色(或分光、谱)吸收率、
反射率和透射率。分别记为A , R , 。而对于某一个波段， 也有相应的该波段的吸收率、反射率和透射率。 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。
吸收能力，例如洁白的雪面对远红外波段而言，远
比一般物体更接近于黑体。
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2. 灰体
如果物体的吸收率A 不随波长而变, 但A < 1，则称该物体为灰体。例如地 面对于长波辐射的吸收率近于常数，
故可认为地面为灰体，而且吸收率A
极近于1。
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7.2.2平衡辐射的基本规律
辐射平衡： 自然界的任何物体都通过辐射过程交换着能 量。当物体放射出的辐射能恰好等于吸收的辐 射能时，该物体处于辐射平衡。这时物体处于 热平衡态，可以用态函数—温度来描述。 一般认为地面至60公里以下的大气处于局 地辐射平衡状态，因此可用平衡辐射的规律来 解决平流层以下的大气辐射学问题。
距离内有几个波动。频率f 的单位则用赫兹(Hz)等， 表示一秒钟内有几次振动。 不同波长或频率的电磁波有不同的物理特性，因 此可以用波长频率来区分辐射，并给以不同的名称， 称之为电磁波谱。
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超高频
蓝
0.505 0.505 0.575
0.575
0.585
0.585 0.620
0.62015/76 0.760
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这一切都起源于温室效应，全球变暖…… 大气辐射与气候变化紧密关联……. 6/76
参考书目：
1、大气辐射导论. Kuo-Nan Liou. 周诗健等译. 气象出版社，1985, 2004. 2、大气物理学.盛裴轩.毛节泰.北京大学出版社， 2002.
3、大气辐射学.刘长盛，刘文保编著 . 南大出 版社，1990. 4、大气辐射学基础.尹宏. 气象出版社，1993.
水面因有反射，则不能当作朗伯面处理。
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7.2 辐射的物理规律
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7.2
辐射的物理规律 Q0 Qr Qa Qt
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7.2.1吸收率、反射率和透射率
设投射到物体的辐射能为Q0，
被吸收的部分为Qa、被反射的
部分为Qr、被透射的部分为Qt。 从能量守恒考虑应有
Q0 Qa Qr Qt
大气科学关注波段： 太阳、地球和大气辐射波段：0.1μm ----120μm,
短波辐射：太阳辐射波长主要为0.15-4微米，其中最大辐射 波长平均为0.5微米；
长波辐射：地面和大气辐射波长主要为3-120微米，其中最大
辐射波长平均为10微米。
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电磁波谱
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肉眼看得见的是电磁波中很短的 一段: 可见光波段(0.4-0.76 µ m)集中 太阳辐射的主要能量，不但对地球 大气辐射收支有着重要影响，而且 还提供人眼不同的色彩。 可见光经三棱镜分光后，成为 一条由红、橙、黄、绿、青、蓝、 紫七种颜色组成的光带，这光带称 为光谱。
F
n
dA
q
· o
A
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特点：
一般来说，这个量表示了辐射场内任一点在任一 方向上、任一波长处辐射的强弱程度。 假如L与观测位置（x, y, z）无关，则辐射场是 均匀的； 假如L与观测方向（q , ）无关，则辐射场在该 点是各向同性的； 假如L与时间t无关，则辐射场就是定常的。
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天空要亮一些，而在其反面，天空要暗些。
在大气辐射中把这一亮度称为辐亮度L，是
反映辐射场特性最重要的物理量。
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表达式：
现以q 表示天顶角， 表示方位。由上面的讨论可知， 天空辐亮度至少应是观测位置（x, y, z）、观测时间t和观测
方向（q , ）的函数。若再考虑到不同颜色的光应有不同的
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1. 黑体
如果某一物体对任何波长的辐射都能
全部吸收，即A = 1，则称该物体为绝
对黑体，相应的必有R = 0 , = 0 。
如果物体仅对某一波长全部吸收，即
A = 1，则称该物体对这一波长为黑
体。
绝对黑体在自然界是不存在的。
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注意:这里所讨论的黑体与一般所谓黑色物体是 有区别的，黑色物体只表明它对可见光的反射性质。 我们不能根据物体的颜色来判断它对其它波段的
范围中的问题时，可以把由点源发出的辐射当作 平行辐射或平行光来处理。在大气辐射中，我们 常把来自太阳的直接辐射看作平行光。
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对于平行辐射,若需计算地面接收到的太阳辐射， 设太阳的天顶角为θ ，则该地水平面上接收的太 阳积分（所有波长）辐照度为
S ' S cos q
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面辐射源：面辐射源的特点是它可以向2π立体角
3.辐射通量密度 定义
辐射场内任一点处通过单位面积的辐射功率， 也称为辐照度（Irradiance），以E表示。可认为 通过一空间平面的辐射通量密度是从各个方向射来 的辐亮度在法线方向分量的累加，即
E L cos q dΩ
注：这里q 为辐亮度方向与平面法线之间的交角。
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4. 辐射源
往外发射辐射的物体称为辐射源。最简单的辐 射源是点源。假设源向四周发射是均匀的，发 射辐射的功率为W ，则在以点源为中心、半径 为r的球表面上的辐照度为
E W 4π r
2
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这里辐射传输的方向都在半径方向。可见，点源 的辐照度随距离的变化服从反平方规律。
在离点辐射源距离相当大并且在讨论相对比较小
中发射辐射能。
对面辐射源首先关心的是其辐出度，即通过单位
面积在面源的法线方向射出的能量大小（辐射出
射度）或辐射率。以F表示，其单位是W m2。对
于某一波长，可写成 F ，并且有
F F d
F 称为谱（或单色、分光）辐出度，单位是W
m2 mm1。
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一般来说，辐射面源射向各个方向的辐亮度是不 同的，具有方向性。若辐亮度不随方向q 变化，这 类辐射体就称为朗伯体（朗伯面）。 朗伯体是向所有方向以同一辐亮度发射辐射的物 体。在大气辐射研究中，朗伯体是一个重要的概念， 我们常常把太阳、陆地表面看作朗伯面；而平静的
气中的辐射能交换，掌握辐射 能量在大气中传输和转换的规 律。
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美国科幻影片《后天》研究气候变化的科学家哈尔教授，他根
地球将再次进入冰河世纪的假设。结果，这个预言变成了现实.
据观测和研究古气候的规律，提出严重的温室效应将造成气温剧降，
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美国科幻影片《后天》描述了“明天之后”的未来世界： 北半球冰川融化，地球进入第二冰河期，龙卷风、海啸在 全球肆虐，整个纽约陷入冰河的包围中。
第七章 大气辐射学
地面和大气中的辐射过程
为什么要研究地气系统对太阳辐射的吸收和反射及地气 之间的辐射交换过程？
为什么？
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地球作为飘浮在宇宙空间的 一个物体，它只有通过辐射
过程才能与其周围环境交换
能量并最终达到某种平衡。
地球围绕着太阳运行，太阳辐 射的能量是地球最重要的能源。
因此需要研究太阳、地球及大
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物理意义：
在辐射传输方向上的单Байду номын сангаас立体 角内，通过垂直于该方向的单位面 积的，单位波长间隔的辐射功率。 此处 L 的单位为 W m-2 sr-1μm-1 。
d L ( x , y , z ,q , , , t ) dA d d
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此定义针对传递非平行辐射的曲面。
定义： 自然界中的一切物体,只要温度在绝对温度零度以上,都以
电磁波的形式时刻不停地向外传送热量,这种传送能量的方
式称为辐射。物体通过辐射所放出的能量，称为辐射能，简 称辐射。[一般把这种电磁波能量本身称为辐射能（或简称 为辐射），而把这种能量传播方式称为辐射]。
分类：
按激发电磁波的方式分为：热辐射、电致辐射、光致辐射、
E E E
*
净辐射通量密度的单位为W m-2 mm-1。 其值的正和负，分别代表了从上往下的 净辐射通量密度和从下往上的净辐射通 量密度。
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净辐射通量密度在讨论大气辐射平衡时有 重要的应用。例如讨论一薄层空气，它的上 边界有一个向下的净辐射通量密度，而其下 边界有一个向上的净辐射通量密度。那么对 这气层而言，辐射能的收支是正的，气层温 度将升高；反之，气层将降温。
辐射表
辐射表的架设
地面反照率测量塔
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学什么？
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主要内容
7.1 辐射的基本概念
7.2 辐射的物理规律
7.3 地球大气与辐射的相互作用
7.4 太阳辐射在地球大气中的传输
7.5 地球–大气系统的长波辐射
7.6 地面、大气及地气系统的辐射平衡
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7.1 辐射的基本概念
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平衡辐射的基本规律：
物体处于热动平衡状态下发射和吸收辐射的物理规 律，即
亮度，则应有
L ( x , y , z ,q , , , t )
q
h-太阳高度角
q -太阳天顶角
-方位角