1、第五章 地面和大氣中的輻射過程5.5 地球大氣系統的長波輻射5.6 地面、大氣及地氣系統的輻射平衡5.5.1 地面的長波輻射特性 結合前面內容掌握吸收率、比輻射率概念； 比較地面長波、短波吸收率的不同特點。 地面對于長波輻射的吸收率接近常數，可作為灰體，但對短波輻射的吸收率較低，且隨波長變化大。 理解（5.5.1)(5.5.2)式 表表 5.12 地地面面長長波波輻輻射射吸吸收收率率（或或比比輻輻射射率率） 表面種類 土壤 沙土 巖石 瀝青路 土路 植被 海水 純水 陳雪 雪 吸收率 0.95 0.97 0.91 0.95 0.82 0.93 0.956 0.966 0.95 0.98 0.9

2、6 0.993 0.97 0.995 設地表溫度為Tg，地面的積分出射度應是： 或以地面比輻射率eg 表示，為 陸地表面可看作朗伯面；而平靜的水面因有反射，則不能當作朗伯面處理。 4(5.5.1)ggFAT4(5.5.2)ggFT 大氣的長波輻射性質地球與大氣都是放射紅外輻射的輻射源，通過大氣中的任一平面射出的是具有各個方向的漫射輻射。而太陽直接輻射是主要集中在某一個方向的平行輻射。在紅外波段，到達地面的太陽直接輻射能量遠小于地球與大氣發射的紅外輻射，常可不予考慮。除非在云或塵埃等大顆粒質點較多時，大氣對長波輻射的散射削弱極小，可以忽略不計。即使在有云時，云對長波的吸收作用很大，較薄的云層已可

3、視為黑體。因而研究長波輻射時，往往只考慮其吸收作用，忽略散射。大氣不僅是削弱輻射的介質，而且它本身也放射輻射，有時甚至其放射的輻射會超出吸收部分，因此必須將大氣的放射與吸收同時考慮。總之，長波輻射在大氣中的傳輸，是一種漫射輻射，是在無散射但有吸收又有放射的介質中的傳輸。5.5.2 長波輻射在大氣中傳輸長波輻射傳輸方程（Schwarzschild方程） 同時考慮氣層的放射與吸收，但不考慮散射，并假定大氣是水平均一的，即是平面平行大氣。 射入的輻亮度L沿傳播方向經過一段距離 dl 后，由于吸收作用而使輻亮度變化 ，由于吸收作用而使輻亮度變化： 此處 k是體積吸收系數。按吸收率定義，該薄氣層的吸收率

4、： 根據基爾霍夫定律，該氣層放射的輻亮度是,ababkL dldLAkdlLL ab,( )( )dA B TkB Tl,abdLkL dl 式中T為大氣溫度,( )secabdLkLB Tdz ,( )abd LkLB Td z ( )d LLB Tdcos,ababkL dldLAkdlLL ,( )( )abA B TkB T dl 方程的解的形式為(5.5.8a)(5.5.8b)00000( )()( )(00)( , )(, )( )5.5.8 (,)a)dBdLeLTBeeeLT 0()0( ,)(0,) ( )5.5.8b(0,) ( )dLeLB TedLeB Te 在已知吸收

5、物質的吸收系數和光學厚度以及介質的溫度分布以后，可以從理論上計算大氣中輻射場的分布。 向上傳輸向下傳輸Figure 1. Three isothermal layers model the atmosphere in this illustration of upward-moving electromagnetic radiation with frequency v. The radiation, assumed not to scatter, propagates at an angle with respect to the vertical and emerges from laye

6、r 3, the topmost atmospheric slice. The ground below the atmosphere emits as an ideal blackbody, characterized by the Planck function B. Each layer, at its own temperature T, emits with its own emissivity ev and, by Kirchhoffs law, absorbs a proportion av = ev of the incident radiation. The radiatio

7、n flux distribution incident on layer 3 is Iv. It is the sum of the thermal emission from the ground, layer 1, and layer 2, attenuated by absorption in the intervening layers 1 and 2. Squiggly arrows indicate thermal emission; straight arrows indicate transmitted radiation. 漫射輻射的輻射通量是由各個方向的輻射流積分而成的。

8、雖然每個方向輻射的傳輸符合指數衰減規律，但作為其總和的輻射通量，其衰減規律就要復雜一些。 漫射輻射透過率 單色輻射通過這層大氣，只考慮經過氣層的吸收削弱，其削弱為： 輻射由地面向上至 z 處時，由（5.5.8a）可得到， 設地面是朗伯面，即可求出在z高度上的輻照度為， 定義由地面至 z 處氣層的漫射輻射通量透過率為，0()/0( ,)()LLe ,secabdLL kdzLd 0011()()0000( ) 2()() 2ELedEed 01(),000( )()2()fEedE 若令 ， ， 代入上式即得 式中 Ei3(0 )一個三階指數積分。n 階指數積分的定義式是 而且有下列關系， 通過

9、數值積分方法可求出此指數積分的函數表便于應用。121dd 0(),03031()22()fdeEi 1XnndEiXe1()nndEiXEiXdX 對比平行輻射透過率和漫射透過率平行輻射透過率和漫射透過率表達示形式表達示形式,若要把漫射輻射當作平若要把漫射輻射當作平行輻射處理，應當將其光學厚度加行輻射處理，應當將其光學厚度加大大1.66 倍。其原理是清楚的，因為倍。其原理是清楚的，因為( 0 ) 是這一層大氣的垂直光學厚是這一層大氣的垂直光學厚度，垂直方向輻射的光學路徑最短，度，垂直方向輻射的光學路徑最短，而其它方向的路徑都要加長，其吸而其它方向的路徑都要加長，其吸收當然也增加了。作為對各個方

10、向收當然也增加了。作為對各個方向的積分，其最終效果是加大的積分，其最終效果是加大 1.66 倍，倍，因此也有人把因此也有人把 稱為稱為漫射因子漫射因子 掌握掌握OLR(Outgoing Longwave Radiation )概念，理解概念，理解（5.5.21) 式各項意義，結合（式各項意義，結合（5.5.8) 式。式。假定地面為黑體，溫度為假定地面為黑體，溫度為Tg，則有邊條件：，則有邊條件： = 0處，處，L ( 0)=B (Tg)。根據長波輻射傳輸方程的通解根據長波輻射傳輸方程的通解(5.5. 8),大氣頂大氣頂 處向外單色幅亮度為處向外單色幅亮度為假設大氣放射是假設大氣放射是各向同性各

11、向同性的，對的，對半球空間積分半球空間積分以后，可得到大氣上界的單色輻射以后，可得到大氣上界的單色輻射通量密度通量密度（5.5.18）5.5.3 大氣頂射出的長波輻射00)(g000de)()(e), 0(TBTBL000gde)(e)(TBTB 2020ddsincos), 0()0(LE0001010gdde2)(de2)(TBTB其中第一項為來自地表的輻射，其中第一項為來自地表的輻射， 第二項為各層大氣的輻射和吸收。第二項為各層大氣的輻射和吸收。0f,0f,g0dd)(d)()()()0(TBTBE 1)(f,0f,g0)(d)()()(TBTB (5.5.21) 若求地氣系統從大氣頂部

12、向外射出的長波輻射（OLR），則需對所有波長積分， 0L,d)0(EE (5.5.22) 5.5.3 大氣頂射出的長波輻射在推導前面的公式時請特別注意其物理意義: 各高度上發射的長波輻射量為該點溫度所對應的黑體輻射量乘以其比輻射率（吸收率）。 這一輻射在傳輸到大氣上界時要受到它上部這層大氣的吸收衰減。 大氣層頂部的出射輻射是地面和各層大氣輻射之和。 地球大氣頂部總的長波出射輻射（OLR）為各波長出射輻射之和。Figure 1. Three isothermal layers model the atmosphere in this illustration of upward-moving e

13、lectromagnetic radiation with frequency v. The radiation, assumed not to scatter, propagates at an angle with respect to the vertical and emerges from layer 3, the topmost atmospheric slice. The ground below the atmosphere emits as an ideal blackbody, characterized by the Planck function B. Each lay

14、er, at its own temperature T, emits with its own emissivity ev and, by Kirchhoffs law, absorbs a proportion av = ev of the incident radiation. The radiation flux distribution incident on layer 3 is Iv. It is the sum of the thermal emission from the ground, layer 1, and layer 2, attenuated by absorpt

15、ion in the intervening layers 1 and 2. Squiggly arrows indicate thermal emission; straight arrows indicate transmitted radiation. Outgoing Longwave Radiation (OLR) is the energy leaving the earth as infrared radiation at low energy. OLR is a critical component of the Earths radiation budget and repr

16、esents the total radiation going to space emitted by the atmosphere.1 Earths radiation balance is very closely achieved since the OLR very nearly equals the Shortwave Absorbed Radiation received at high energy from the sun. Thus, the first law of thermodynamics (energy conservation) is satisfied and

17、 the Earths average temperature is very nearly stable. The OLR is affected by clouds and dust in the atmosphere, which tend to reduce it below clear sky values. Greenhouse gases, such as methane (CH4), nitrous oxide (N2O), water vapor (H2O) and carbon dioxide (CO2), absorb certain wavelengths of OLR

18、 adding heat to the atmosphere, which in turn causes the atmosphere to emit more radiation. Some of this radiation is directed back towards the Earth, increasing the average temperature of the Earths surface. Therefore, an increase in the concentration of a greenhouse gas would contribute to global

19、warming by increasing the amount of radiation that is absorbed and emitted by these atmospheric constituents.The OLR is dependent on the temperature of the radiating body. It is affected by the earths skin temperature, skin surface emissivity, atmospheric temperature and water vapor profile, and clo

20、ud cover. 地氣系統的輻射平衡 地球大氣的溫室效應 輻射差額沿緯度的變化 地面、大氣和地氣系統的輻射差額 觀測到的輻射平衡5.6 地面、大氣及地氣系統的輻射平衡地氣系統輻射平衡推導地氣系統平衡時的有效溫度（5.6.2），說明其與地球表面平均溫度相差33度的原因。接受太陽輻射：地氣系統發射：在地氣系統達到輻射平衡時，有 則有效溫度為，20(1)SrR244erT2024(1)4erSrTR04(1)2554eTSRK地球大氣的溫室效應 掌握大氣保溫效應（溫室效應）的概念，理解圖5.24和5.6.3式:44044011414aLgLsaLgSRTATASRATAT04042 142(1)42sgLsLsaLLSRATASAARATAA云的保溫效應：云對長波輻射同大氣一樣，也具有吸收和發射能力。輻射差額沿緯度的變化 上面的討論把地球大氣當作一個整體，沒有考慮水平方向的差異。地面、大氣和地氣系統的輻射差額 1. 地面的輻射差額 地面凈輻射通量：太陽短