大气科学中的大气辐射传输研究
大气科学中的天气预报的理论基础
大气科学中的天气预报的理论基础天气预报是大气科学中的关键领域之一，它依靠现代科技手段对未来的天气进行预测，为人类社会的各种活动提供重要的参考。
然而，要准确地预测未来的天气变化，必须依赖于大气科学的理论基础，同时结合现代观测技术和计算机模拟方法进行分析和研究。
本文将介绍大气科学中的天气预报的理论基础，包括大气力学、热力学、辐射传输、云物理学、气象数值模拟等方面。
一、大气力学大气力学是研究大气运动规律的学科，研究的对象是大气中的气体流动现象。
这些气体流动现象是天气变化的动力学基础，对天气预报具有重要的意义。
大气力学的主要内容包括气压场、气流的运动方程、空气的受力和动能转化等，其中最重要的是风场和风向的研究。
通过研究大气力学的基本规律，可以预测未来的风速和风向，从而为天气预报提供重要的数据基础。
二、热力学热力学是研究热学与力学相互关系的学科，它在大气科学中的应用非常广泛。
在天气预报中，热力学的主要作用是通过研究温度、热量、热传递等物理量，推导出空气的密度和压强分布规律，从而进一步推导出未来的气压变化趋势。
此外，热力学还能够为诸如降雨、风暴等天气现象的形成和演变提供理论依据。
三、辐射传输辐射传输是指太阳辐射从太空中进入地球大气层并被吸收、散射和反射的过程。
这个过程对大气温度、湿度、风速等物理量都有着非常直接的影响。
预报过程中往往需要使用到地表辐射或大气辐射等数据，同时还需要对大气中的复杂辐射传输过程进行精确模拟和计算，从而为天气预报的精度提供有力的保证。
四、云物理学云物理学是一个研究云中气体和微粒的物理与化学性质及其相互作用的学科。
在天气预报中，云物理学的主要作用是研究云的形成、演变和消散过程，为降水和天气变化等提供基础数据。
可以通过分析云中的温度、压强、湿度等参数，以及云内液滴和晶体的运动和演化规律，来预测未来的降水情况和天气趋势。
五、气象数值模拟气象数值模拟是利用计算机模拟大气物理和气象过程的一种方法，主要用于预测未来的天气变化趋势。
大气辐射学1
当辐射通量密度是由一个发射面射出时， 则此量称为辐出度（emittance）；当按波长
表达时，它称为单色辐出度。 （monochromatic emittance）。
大气辐射学
刘玉芝
兰州大学大气科学学院 2009 年 9月
第1章 大气辐射基本知识
1.2 黑体辐射定律
黑体的定义 黑体辐射定律
1990
1995
2000
2005
瓦里关 380 (36o17'N,100o54'E,3810m.a.s.l)
370
浓度 (ppmv)
360
350 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006
CO2浓度的垂直分布（引自日本东北大学中泽、青木等人）
From IPCC2007
1、 电磁波频谱
电磁辐射
电磁波的描述：
λ ⋅ f = c, ν = 1 = f . λc
波长 频率 波速 波数
电磁波谱：不同波长或频率的电磁波有不同 的物理特性，因此可以用波长和频率来区分 电磁辐射，并给以不同的名称，称之为电磁 波谱。
电磁波谱
μm
可见光波段是整个电磁波谱中很窄的一部分； 红外波段可分为近红外与远红外波段； 无线电波中的亚毫米波到分米波称为微波。
A λ ,T
任何物体的辐出度和它的吸收率之比都等于同一 温度下黑体的辐出度。
在相同温度时，黑体的辐出度最大的，其他物体 都无法超过它。
定义物体的放射能力和黑体的辐射能力之比为比辐射率：
ε λ,T
=
Fλ ,T
FB (λ,T )
则有：
ε λ,T = Aλ,T
大气科学研究与应用前景
大气科学研究与应用前景大气科学是一门研究大气现象及其相互关系的学科，涉及气象、大气化学、气候学、环境科学等多个领域，对于人们生活和经济发展具有重要的影响。
目前，随着科技的不断进步和社会的快速发展，大气科学研究和应用前景更加广阔，为生活和经济发展带来更多的便利与贡献。
一、大气科学研究领域大气科学研究领域主要包括气象学、气候学、大气尘埃、大气污染、大气辐射传输等。
其中，气象学是大气科学的核心领域，主要关注大气现象的发生和演变规律，如空气运动、水循环、云、雨、雷电等。
气象学的研究对于农业、交通、航空等领域具有重要意义，可帮助人们更好地预测天气，为生产、生活和安全提供服务。
气候学研究的内容与气象学有一定的重叠，但其研究范围更加广泛，包括气候形成和变化的机制、气候的空间和时间分布规律等。
气候学的研究对于全球环境变化和自然灾害的预防与减灾具有重要意义。
大气尘埃研究是大气科学中的比较新领域，其研究对象广泛，包括沙尘暴、火山灰、人为尘埃等。
大气尘埃对于气候变化、生态环境以及人体健康都有着不同程度的影响。
大气污染研究也是大气科学的重要领域之一，主要研究人类活动和大气环境交互作用的结果，并提供大气环境保护和治理的技术措施。
不同于上述研究领域，大气辐射传输研究包括太阳辐射和大气内部辐射的传输、吸收和反射等，是研究气候变化和大气污染的基础领域。
二、大气科学研究方法大气科学研究方法主要包括：观测、实验、理论和模拟四种。
其中，观测方法是大气科学研究的基础，通过测量和记录大气现象的各种参数，如风速、气压、气温、湿度等，获取数据信息。
实验方法侧重于人工制造相关气象条件或提取气象要素进行研究，并用实验数据进行分析和验证。
理论方法是大气科学理论的核心，研究大气现象及其规律的数学、物理、化学等问题。
模拟方法主要通过计算机模拟和数值模型来模拟大气现象、气候变化和污染物扩散等问题。
三、大气科学应用前景大气科学的研究和应用已经渗透到了社会生产和日常生活的各个方面，包括天气预报、气候变化、环境保护、灾害预防等。
大气科学的知识点总结
大气科学的知识点总结一、大气的物理特性1. 大气的成分大气由各种气体组成，其中主要成分包括氮气、氧气、氩气和水汽等。
氧气占大气的比例最高，约为21%，氮气的比例约为78%，其他气体的比例较低。
此外，大气中还含有少量的二氧化碳、氦气、氙气、氩气、甲烷、氧氟和二氧化氮等。
2. 大气的结构大气可以分为四个主要层次：对流层、平流层、中间层和大气外层。
对流层是最接近地球表面的一层，它的厚度约为8-16公里，这一层是气候变化的主要发生地；平流层在对流层之上，在此层中温度逐渐上升，厚度约为48公里；中间层位于平流层之上，厚度为54公里。
大气外层是最外面的一层，也是温度最高的一层，温度可达到数千摄氏度。
3. 大气中的光学现象大气中的光学现象包括折射、散射和吸收。
折射是光线在穿过大气层时的偏折现象，这一现象导致了日出和日落时的色彩；散射是当太阳光穿过大气时，光的波长被散射从而产生了天空呈现出的蓝色；吸收是指大气层中的气体和颗粒对光线的吸收作用。
二、大气的运动和循环1. 大气的水平运动大气的水平运动主要包括风和飓风等。
风是由地球自转产生的气压差和温度差引起的，风的方向和强度受地球自转、地形和气压分布等影响。
飓风是一种热带气旋，它的形成需要大量的热量，是由海洋表面的热能驱动的。
飓风的眼部压力低，飓风的风速非常高，飓风的路径是不规则的，通常会引发严重的灾害。
2. 大气的垂直运动大气的垂直运动主要包括对流、上升运动和下沉运动等。
对流是地球表面升温后，热空气升起，冷空气下降的过程。
上升运动是指大气中空气因受到外力作用而向上移动；下沉运动是指大气中空气因受到外力作用而向下移动。
3. 大气的热量传输大气中的热量传输主要包括辐射、对流和蒸发等。
辐射是大气中热量传输的主要方式，地球表面的热量通过辐射的方式传输到大气层。
对流是指地球表面受到热量影响后，空气发生垂直运动，热量从地面传到大气中。
蒸发是指地球表面的水蒸发成为水汽，然后水汽通过大气层的对流运动传输到其他地方。
第二章 大气辐射学
第2章大气辐射学
2.1 辐射的基础知识
短波辐射 长波辐射
X-rays Ultraviolet (UV) Visible Near-Infrared (Near-IR) Middle-IR Far-IR Microwave
l < 10nm 10 < l < 400nm 0.4 < l < 0.76µm 0.7 < l < 4.0µm 4.0< l < 30µm 30 < l < 100µm 1mm<l<1m
Q
t r r 2 0
1
t2
S l0
sin sin
cos cos cos Pl dt
m
春分
夏至
秋分
冬至
春分
夏至
秋分
冬至
第2章 辐射与热量平衡
2.4 到达地面的太阳辐射
二、到达地面的太阳散射辐射
由于大气的 存在,到达地表的辐射除太阳直接辐射外，还有从天 空各个方向射的太阳散射辐射，又称为天空辐射。 • 太阳散射辐射取决于太阳高度角、大气透明度系数、云量、海拔高 度、及地面反射率。
E * I * T 4
上式称为Stefan-Boltzmann定律。表明物体温度越高，其放射能 力越强。
推论： 根据Stefan-Boltzmann定律计算的温度称为等效黑体温度或 亮度温度（Brightness temperature）TB。
第2章大气辐射学
2.2 辐射的基本定律
三、Wien定律：
附：立体角定义
球坐标系中，立体角定义为球面面积元与 半径平方之比。若立体角元为 d ，球面 面积元ds，则
ds r sin d rd
大气辐射(上)
7.1.2 描述辐射场的物理量
对辐射的讨论首先要引进辐射场的概念。 对辐射的讨论首先要引进辐射场的概念。 辐射场的概念 大气中的许多参量都是以场 形式出现的， 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。 如温度场、气压场、风场等。 其中温度场、气压场是标量场， 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（ 量场，它们都是空间和时间（x, y, z, t）的 ） 函数。 函数。 辐射场则是比上述参量更复杂的场。 辐射场则是比上述参量更复杂的场。
、地球和大气辐射的波长范围基本 上在0.1~120 µm, 即紫外波段、可见光和 即紫外波段、 上在 红外波段部分。 红外波段部分。 肉眼看得见的是电磁波中很短 的一段:可见光波段( 的一段:可见光波段(0.4-0.76 µm) 集中太阳辐射的主要能量， 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 而且还提供人眼不同的色彩。 响，而且还提供人眼不同的色彩。 可见光经三棱镜分光后， 可见光经三棱镜分光后，成为一 条由红、 条由红、橙、黄、绿、青、蓝、 紫七种颜色组成的光带， 紫七种颜色组成的光带，这光带 称为光谱 光谱。 称为光谱。
一天文单位处与太阳光束方向垂直的单位面积上单位时间内所接受到的太阳总辐射能单位为wm69太阳辐射通过星际空间到达地球但由于地球以椭圆形轨道绕太阳运行因此太阳与地球之间的距离不是一个常数而且一年里每天的日地距离也不一样
第七章
大气辐射
——地面和大气中的辐射过程
袁 薇 Tel: 010-68409835 Email：yuanwei@ ： 中国气象局培训中心
17
(4)辐射能力强的物体， 吸收辐射的能力也强； (4)辐射能力强的物体，其吸收辐射的能力也强； 辐射能力强的物体 也强 反之，辐射能力弱的物体，吸收能力也弱。 反之，辐射能力弱的物体，吸收能力也弱。黑 体吸收能力最强，放射能力也最强。 体吸收能力最强，放射能力也最强。地球和太 阳，对于它们各自的温度而言，都是吸收和放 对于它们各自的温度而言， 射能力很强的物体，可看作是近似黑体。而地 射能力很强的物体，可看作是近似黑体。 近似黑体 球大气则是选择性的吸收和辐射体。 球大气则是选择性的吸收和辐射体。对于某种 确定波长的辐射可让其透过(即不吸收) 确定波长的辐射可让其透过(即不吸收)；对于 另外波长的辐射，则近乎不透明的( 另外波长的辐射，则近乎不透明的(即吸收很 强) 。
注重思维培养大气辐射传输理论教学方法
浅析注重思维培养的大气辐射传输理论教学方法摘要:针对遥感科学与技术专业本科大气辐射传输理论课程的特点,基于交叉学科的优势,提出有效运用多种教学方式,充分激发学生的学习兴趣。
同时,以最基本的大气辐射传输方程为例,详细讨论了在高校理科专业课程的教学中如何培养学生“以简化繁”的思维模式。
关键词:思维培养大气辐射传输教学方法中图分类号:g642.3 文献标识码:a 文章编号:1674-098x(2012)04(a)-0170-01高校专业课程具有较强的专业理论性和实践性,知识覆盖面广,尤其是理科专业课程,初次接触时的直观感觉往往是理论高深、与实际需要有一定的距离。
因此作为专业课授课讲师,应采取有效的教学方式激发学生主动学习的欲望。
授课时除了尽量将理论与实践相结合帮助学生理解科学问题,更重要的是思维方式和能力的培养,在教学实践过程中逐渐让学生掌握必备的科学思维方式和专业知识的能力。
大气辐射传输理论课程是遥感科学与技术专业的学科基础课,大气辐射传输理论是大气遥感领域不可或缺的基础知识,对后续专业课程的学习影响很大。
笔者通过连续六年本科大气辐射传输理论等专业课程的教学工作,逐渐体会到明晰物理概念的重要性,及“以简化繁”的思维方式对学生产生的影响。
1 交叉学科的优势南京信息工程大学是全国最著名的以气象专业为主的高校,我校遥感科学与技术专业的优势就是大气科学相关知识背景,大二开设的大气辐射传输理论课程,是该专业第一门专业主干课,是气象与遥感两个专业较好的结合点。
大气作为一种介质,电磁波在大气中的传输有其特殊规律,与海洋等介质的辐射传输规律不同。
基于物理学基础,和数学方法,理解并掌握大气辐射传输方程是这门课程的核心。
如果遥感专业的学生较好的掌握大气辐射传输规律,就可以将遥感技术应用于气象领域。
2 教学方式《大气辐射传输理论》的教学目标和任务是通过介绍电磁辐射过程及其理论、方法,阐述电磁辐射在遥感成像机理中的作用。
根据大气和地表介质在电磁辐射传输中的不同特征,利用遥感影像反演大气和地表的物理状态参数以及成分结构,提供理论基础。
大气辐射学1
第三章大气辐射学参考书目：1、刘长盛，刘文保编著. 大气辐射学. 南大出版社，1990宏气象出版社2、尹宏. 大气辐射学基础. 气象出版社，1993、Kuo-Nan Liou. 周诗健等译. 大气辐射导论. 3K N Li气象出版社，1985, 2004大气辐射学3.1 辐射的基本概念31辐射的物规律3.2 辐射的物理规律3.2.1 吸收率、反射率、透射率3.2.2 黑体辐射定律3.2.3 太阳辐射和地球辐射的差异3.3 地球大气对辐射的作用3.4 太阳辐射在地球大气中的传353.5 长波辐射在大气中的传输3.6 地面、大气及地气系统的辐射平衡大气辐射学(3.1-3.3)(3133)•3.1 辐射的基本概念323.2 辐射的物理规律3.2.1 吸收率、反射率、透射率3.2.13.2.2 黑体辐射定律3.2.3 太阳辐射和地球辐射的差异3.3 地球大气对辐射的作用333.1 辐射的基本概念3.1.1 电磁辐射1、定义：以电磁波形式传播能量的方式称为辐射。
为辐射所传递的能量称为辐射能，有时也简称为辐射。
3、电磁波长范围：10-16m~106m宇宙射线、γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、微波、无线电波见光红外线微波无线电波4、大气科学关注波段：太阳、地球和大气辐射波段：0.1μm ----120μm, 既紫外、可见、红外遥感探测中：除了上面的，还有微波、无线电波大气辐射学(3.1-3.3)(3133) 3.1 辐射的基本概念32• 3.2 辐射的物理规律3.2.1 吸收率、反射率、透射率3.2.13.2.2 黑体辐射定律3.2.3 太阳辐射和地球辐射的差异3.3 地球大气对辐射的作用333.23.2辐射的物理规律321一物体对辐射的作用和选择性3.2.1吸收率、反射率、透射率、物体对辐射的作用和选择性吸收、反射、透射三种作用(P66图3.3）物体对辐射的吸收、反射和透射的选择性物体对不同波长辐射具有不同的吸收择性：率、反射率和透射率，这种特性称为________________。
第二章 第2节 地面和大气的辐射
10
大气窗口主要有：
3.5～5.5μm，即中红外波段，物体的热辐射较强。 这一区间除了地面物体反射光谱反射太阳辐射外， 地面物体也有自身的发射能量。比如，NOAA卫星的 AVHRR传感器用3.55～3.93μm探测海面温度，获得昼 夜云图。
11
大气窗口主要有：
8～14μm，即远红外波段。 主要来自物体热辐射的能量，适于夜间成像，测量 探测目标的地物温度。 0.8～2.5cm，即微波波段，由于微波穿云透雾的能力。 这一区间可以全天候工作。而且由其他窗口区间的被 动遥感工作方式过渡到主动遥感的工作方式。如侧视雷 达影像，Radarsat 的卫星雷达影像等。其常用的波段为 0.8cm，3crn，5cm，10cm，有时也可将该窗口扩展为 0.05cm至300cm 波段。
5
长波辐射
当地面温度为15C时，根据维恩定理：
定义：地表面的实际平均温度约为300K,对流层大
气的平均温度约为250K。在这样的温度条件下,地面 和大气的辐射能主要集中在3—120微米的波长范围内, 均为肉眼所不能看见的红外辐射。 这比太阳辐射的波长(0.15—4微米)要长得多。因 此,气象学上把地面和大气的辐射称为长波辐射。
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二、地面及地-气系统的辐射差额
辐射差额=收入辐射-支出辐射
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（一）地面的辐射差额
地面由于吸收太阳总辐射和大气逆辐射而获得能量，同时又以其 本身的温度不断向外放出辐射而失去能量。 某段时间内单位面积地表面所吸收的总辐射和其有效辐射之差值， 称为地面的辐射差额Rg （表示单位水平面积、单位时间的辐射 差额） Rg=（Q+q）（1-a）- F0 式中（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； F0为地面的有效辐射。
大气科学研究大气层中的大尺度风场和环流
大气科学研究大气层中的大尺度风场和环流当我们仰望天空，感受着微风拂面，或是遭遇狂风骤雨，可曾想过这背后隐藏着怎样的奥秘？大气科学，这门神秘而又重要的学科，致力于揭示大气层中那些复杂而又引人入胜的大尺度风场和环流现象。
什么是大尺度风场和环流呢？简单来说，大尺度风场指的是在较大的空间范围内，风的分布和变化情况。
而环流，则像是大气中的巨大“传送带”，将热量、水汽和动量等在全球范围内进行传输和交换。
想象一下，地球就像一个巨大的球体，被一层厚厚的大气所包裹。
由于太阳辐射在地球上的分布不均匀，赤道地区接收到的热量多，而两极地区接收到的热量少。
这种热量的差异导致了大气的受热不均，从而产生了压力差。
空气总是从高压区流向低压区，于是就形成了风。
在全球范围内，大气环流主要有三个环流圈。
首先是低纬度的哈得莱环流，它是一个直接的热力环流，空气在赤道地区受热上升，在高空向两极流动，在副热带地区下沉，然后再回到赤道。
接着是中纬度的费雷尔环流，它相对较弱，并且受到多种因素的影响。
最后是高纬度的极地环流，其特点与前两个环流有所不同。
大尺度风场和环流对我们的日常生活有着深远的影响。
比如，季风就是一种典型的大尺度风场现象。
在亚洲地区，夏季时，海洋上的气压相对较高，风从海洋吹向陆地，带来丰富的降水，这对于农业生产至关重要。
而冬季则相反，风从陆地吹向海洋，气候较为干燥。
再比如，厄尔尼诺和拉尼娜现象，它们与大尺度的海洋和大气环流异常密切相关。
厄尔尼诺现象发生时，赤道中东太平洋海温异常升高，导致全球气候出现异常。
拉尼娜现象则与之相反，海温异常降低，也会引发一系列的气候反常。
大气科学研究大尺度风场和环流，依靠着各种先进的技术和手段。
气象卫星就是其中之一，它们能够从太空俯瞰地球，提供大范围、长时间的大气观测数据。
气象雷达则可以更精确地监测局部地区的风场和降水情况。
除此之外，数值模拟也是大气科学研究的重要方法。
科学家们通过建立复杂的数学模型，将大气的物理过程和化学过程进行量化和计算，从而预测未来的天气和气候。
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大气科学中的大气辐射传输研究大气科学是研究地球大气中的各种现象和过程的学科领域。
其中，
大气辐射传输是大气科学的一个重要研究方向，它主要研究太阳辐射
和地球辐射在大气中的传输与相互作用。
一、太阳辐射的传输与相互作用
太阳辐射是指来自太阳的能量辐射，它是地球上所有生命活动的源头。
太阳辐射主要包括可见光、紫外线和红外线等多个波段。
在大气
科学中，研究太阳辐射传输与相互作用对于了解地球能量平衡、气候
变化和天气预报等具有重要意义。
太阳辐射在大气中的传输受到大气组分和云、气溶胶等因素的影响。
大气中的气体对不同波长的太阳辐射吸收和散射的能力不同，其中主
要的吸收成分包括水汽、二氧化碳和臭氧等。
大气中的云、气溶胶等
微物种对太阳辐射的传输也具有调制作用，它们能够散射和吸收太阳
辐射的能量。
通过观测和模拟等方法，科学家们能够探究太阳辐射在
大气中的传输机制，进而预测和解释气候变化的规律。
二、地球辐射的传输与相互作用
地球辐射是指地球表面和大气系统向外辐射的能量，主要包括地表
长波辐射和大气辐射。
地球辐射的传输与相互作用对于理解地球能量
平衡、气候变化和环境演变等具有重要意义。
地球辐射的传输与相互作用同样受到大气组分、云、气溶胶等因素
的影响。
大气中的水汽、二氧化碳和其他气体对地球辐射具有吸收和
散射作用，它们影响着地球辐射的传输路径和强度。
云和气溶胶对地
球辐射的散射和吸收也起着重要的调制作用。
通过观测和模拟等手段，科学家们能够研究地球辐射在大气中的传输机制，并提供准确的辐射
数据，为气候模型和环境研究提供重要参考。
三、大气辐射传输的研究方法
大气辐射传输的研究需要借助于多种观测手段和模拟方法。
首先，
通过地面观测站点和遥感设备，科学家们可以获取大气辐射的实时数据，如太阳辐射、地表辐射和大气辐射等，进而研究其传输特性和相
互作用机制。
其次，利用卫星遥感数据，可以获得广域、高时空分辨
率的大气辐射数据，为大气辐射传输的研究提供了全球尺度的观测能力。
此外，大气辐射传输的模拟方法，如辐射传输模型和气候模型等，也为研究人员提供了多种研究手段。
针对大气辐射传输的研究，科学家们不断地完善研究方法和技术手段，以提高观测数据的准确性和模拟结果的可信度。
同时，通过国际
间的合作与交流，各国科学家们加强合作，共同推进大气辐射传输的
研究，并为全球气候变化和环境保护等问题提供科学依据。
总之，大气辐射传输是大气科学中的重要研究领域，它关乎着地球
能量平衡、气候变化和天气预报等诸多问题。
通过研究太阳辐射和地
球辐射在大气中的传输与相互作用，科学家们加深了对地球大气系统
的认识，为人类社会的可持续发展提供了重要支撑。
未来，大气辐射
传输的研究还将继续深入，为人类更好地认识和保护地球提供贡献。