1、大氣中有各種氣體成分以及水滴、塵埃等氣溶膠顆粒，輻射在大氣中傳輸時(shí)，要受到大氣的影響，其強(qiáng)度、傳輸方向以及偏振狀態(tài)都會(huì)發(fā)生變化。這種作用主要有吸收、散射和折射。由于折射過程一般與能量收支問題關(guān)系較少，這里主要講述吸收和散射的作用。所謂吸收，就是指投射到介質(zhì)上面的輻射能中的一部分被轉(zhuǎn)變?yōu)槲镔|(zhì)本身的內(nèi)能或其它形式的能量。輻射在通過吸收介質(zhì)向前傳輸時(shí)，能量就會(huì)不斷被削弱，介質(zhì)則由于吸收了輻射能而加熱，溫度升高。 大氣中各種氣體成分具有選擇吸收的特性，這是由組成大氣的分子和原子結(jié)構(gòu)及其所處運(yùn)動(dòng)狀態(tài)決定的。 吸收太陽短波輻射的主要?dú)怏w是H2O,其次是O2和O3，CO2吸收的不多。吸收長(zhǎng)波輻射的主要是H2

2、O，其次是CO2和O3整層大氣和大氣各氣體成份的吸收光譜(a)太陽(假定6000K)和地球(假定255K)的黑體輻射譜；(b)整層大氣的吸收譜；(c)11km高度以上大氣吸收譜；(d)整層大氣中不同氣體成分的吸收譜從圖（b）中可以看出，在0.29m以下，吸收率等于1，即大氣把太陽輻射中小于0.29mm的紫外輻射幾乎全部都吸收了。這一部份輻射的主要吸收氣體是O2 , O和O3。它主要發(fā)生在平流層的中下部，這里紫外輻射導(dǎo)致氧分子的光分解產(chǎn)生原子氧并最后形成臭氧層，而臭氧對(duì)紫外輻射有強(qiáng)烈的吸收。在可見光區(qū)(0.4-0.7mm)，大氣的吸收很少，只有不強(qiáng)的吸收帶。在近紅外波段，開始有一些吸收帶，主要是

3、水汽的吸收。波長(zhǎng)再長(zhǎng)一些，約在2.7m附近，H2O 和CO2有一個(gè)較強(qiáng)的吸收帶，再往后，CH4也加入進(jìn)來。在紅外波段，大氣的吸收比較強(qiáng)，主要的吸收氣體是H2O和CO2。 在 8 12 mm這一段，大氣的吸收很弱，被稱為大氣的透明窗。這一區(qū)域中只有9.6m附近臭氧有一個(gè)較強(qiáng)的吸收帶，因?yàn)槌粞踔饕植荚诟呖?，因此這一吸收帶對(duì)高空的增溫有很大作用。大氣窗區(qū)對(duì)地氣系統(tǒng)的輻射平衡有十分重要的意義。因?yàn)榈乇淼臏囟燃s300K，與這個(gè)溫度相對(duì)應(yīng)的黑體輻射能量主要集中在10m這一范圍，而大氣對(duì)這一波長(zhǎng)范圍的輻射少有吸收，故地面發(fā)出的長(zhǎng)波輻射透過這一窗口被發(fā)送到宇宙空間。 q左表 給出大氣主要成份在近紅外和紅外區(qū)

4、域主要的吸收帶，它們?cè)诖髿廨椛淦胶庵杏兄匾饔谩表中所說的強(qiáng)吸收和弱吸收是對(duì)每種氣體相對(duì)而言的。q實(shí)際上，每種氣體每個(gè)吸收波段的吸收對(duì)大氣輻射平衡的重要性取決于二個(gè)因素，q一是吸收線的強(qiáng)度，q二是吸收氣體的含量及其空間分布。 電磁輻射在遇到大氣中的氣體分子以及懸浮的塵埃、云滴、雨滴和冰粒、雪花等粒子時(shí)，會(huì)產(chǎn)生散射現(xiàn)象，使一部分入射波能量改變方向射向四面八方，而原方向的輻射能被削弱。散射輻射的波長(zhǎng)和原始波相同，并且與原始波有固定的位相關(guān)系。太陽輻射經(jīng)過大氣到達(dá)地面時(shí)，由于散射作用，太陽的直接輻射比大氣上界有一定程度的減弱，但同時(shí)卻使整個(gè)大氣層變得明亮，發(fā)出蔚蘭色的散射光。而在沒有大氣的外層空間

5、，太陽本身雖光亮耀目，四周的天空卻會(huì)是漆黑一片。 陽光進(jìn)入大氣時(shí)，波長(zhǎng)較長(zhǎng)的色光，如紅光，透射力大，能透過大氣射向地面；而波長(zhǎng)短的紫、藍(lán)、青色光，碰到大氣分子、冰晶、水滴等時(shí)，就很容易發(fā)生散射現(xiàn)象。被散射了的紫、藍(lán)、青色光布滿天空，就使天空呈現(xiàn)出一片蔚藍(lán)了。1. 1. 散射過程的分類散射過程的分類 散射在電磁波譜的各個(gè)波長(zhǎng)上都會(huì)發(fā)生，因而是全波段的，不是選擇性的，但散射的強(qiáng)弱及空間分布卻和波長(zhǎng)及散射質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)大小有關(guān)。大氣中各種粒子散射的尺度分布 2. 2. 輻射傳輸?shù)挠嘘P(guān)物理量輻射傳輸?shù)挠嘘P(guān)物理量 (1)光學(xué)厚度（optical depth，optical thickness）定義：沿輻射傳

6、輸路徑，單位截面上所有吸收和散射物質(zhì)產(chǎn)生的總削弱。是無量綱量。以公式表示 整層大氣垂直光學(xué)厚度定義為 lllklk0ex0exdd0ex,0ex,0d)( d)(zzkzzk（2）光學(xué)質(zhì)量 定義：輻射束沿傳輸路徑在單位截面上所通過的吸收或散射氣體的質(zhì)量，稱為光學(xué)質(zhì)量 （3）單色透過率和單色吸收率A 通過一段大氣路徑后的透過率定義為前后輻射通量密度之比。若大氣路徑內(nèi)僅有吸收作用，則吸收率為A =1- 1. 1. 太陽概況太陽概況 地球的絕大多數(shù)能量來自太陽。太陽是一個(gè)巨大的熾熱的等離子體球，主要由氫（約71%）、氦（約27%）以及其它元素構(gòu)成。因而整體上呈現(xiàn)中性。太陽分為不同的層次（圖）。但實(shí)際

7、上，想對(duì)高溫等離子體構(gòu)成的太陽劃分出界限明確的層次是很困難的，分層僅有形式的意義。 理想的太陽結(jié)構(gòu)示意圖 2. 2. 太陽常數(shù)太陽常數(shù) 考慮到大氣上界的太陽輻照度隨日地距離的變化有所不同，規(guī)定以日地平均距離時(shí)的輻照度作為標(biāo)準(zhǔn)。以 表示大氣上界在日地平均距離 d0時(shí)，與日光垂直平面上的太陽分光輻照度，此時(shí)的太陽積分輻照度稱為太陽常數(shù)，即許多研究工作者得出的太陽常數(shù)值在1395.6 1339.1 Wm-2 之間 。WMO在1981年推薦的太陽常數(shù)最佳值是 W m-2 , 0Sd00,0 SS713670S全球各地大氣上界太陽輻射的日總量 右圖是全球各地大氣上界太陽輻射的日總量Qd 的等值線圖。陰影

8、部分對(duì)應(yīng)于極夜。低緯區(qū)Qd 的年變化較小，而高緯區(qū)年變化較大。北半球夏季各緯度間Qd 的差別不大，冬季Qd 則隨緯度的增高而迅速下降，進(jìn)入極圈甚至變?yōu)榱?。Qd 隨緯度的變化是決定地球上各緯度間氣候差異的基本因素。 太陽直接輻射可以認(rèn)為是一種平行光輻射。但當(dāng)這束平行光進(jìn)入地球大氣以后，由于大氣中的各種氣體成份會(huì)吸收和散射部分太陽輻射能量，造成了太陽直接輻射的衰減 。吸收過程是將一部分太陽輻射能量變成氣體分子的熱能或化學(xué)能。散射過程則是將一部分輻射能量散發(fā)到四面八方，形成散射輻射。其中一部分散射輻射從大氣上界射出，離開了地球大氣系統(tǒng)；一部分則達(dá)到地面，形成地面散射輻射。下圖同時(shí)給出了大氣上界和海平

9、面處的太陽光譜，也給出了吸收氣體的主要吸收帶。 大氣上界和海平面的太陽輻射譜 在地球大氣系統(tǒng)對(duì)太陽輻射的吸收中, 大氣的吸收只占 20%，地球表面吸收了約50%，這一點(diǎn)在地球大氣系統(tǒng)的能量平衡及氣候的形成和變化中有極重要的作用。 1. 1. 地面反照率地面反照率 地球表面能獲得多少太陽輻射能，在很大程度上依賴于地表反射率。 各種地面的平均反照率各種地面的平均反照率 2. 2. 云的反照率云的反照率 由于云中水滴和冰晶的散射，使云體表面成了比較強(qiáng)的反射面。云層覆蓋了大約50%的地球表面，云頂表面又具有較大的反射率，這就使得到達(dá)地面的太陽輻射大大減少，而返回宇宙空間的輻射能量加大，因此云層在地氣系

10、統(tǒng)的輻射過程中有極為重要的作用。云的反射率隨云層厚度、云中含水量而增大。各類云的平均反照率 地球大氣系統(tǒng)的反照率稱為行星反照率，它表示射入地球的太陽輻射被大氣、云及地面反射回宇宙空間的總百分?jǐn)?shù)。行星反照率分為各地區(qū)行星反照率和全球行星反照率。因?yàn)楦鞯卦屏亢捅┓植记闆r不同，各地區(qū)行星反照率的差別較大，赤道地區(qū)的行星反照率約為0.2甚至更小，而極地為0.6甚至達(dá)到0.95。至于全年平均的全球行星反照率，數(shù)值可取0.30。這是由地球表面的平均反照率（約為0.15）、云的高反照率和大氣的后向散射作用的綜合結(jié)果。 地球大氣系統(tǒng)包括地面、各種氣體分子以及云和氣溶膠。地球大氣系統(tǒng)所處的溫度為 200K 3

11、00K，其輻射能量主要集中在4 120 m 之間，這種輻射常稱為長(zhǎng)波輻射或地球輻射。 一般來說，地面對(duì)于長(zhǎng)波輻射的吸收率近于常數(shù)，故可認(rèn)為地面為灰體。表給出各類表面的吸收率Ag值（或比輻射率eg），可見地面的吸收率在 0.82 0.99 之間，沙土、巖石較低，而純水與雪則極接近于1，有時(shí)可以用作黑體源表面。相比之下地面對(duì)短波輻射的吸收率一般在0.5以下（除冰雪表面），而且隨波長(zhǎng)變化大。 地面長(zhǎng)波輻射吸收率（或比輻射率） 設(shè)地表溫度為Tg，地面的積分出射度應(yīng)是 或以地面比輻射率eg 表示，為 我們用F 的測(cè)量值計(jì)算地表溫度，由 F =eg Tg4，取eg = 0.95 ，可算出各種溫度時(shí)地面放射

12、的能量（表 ）。這個(gè)數(shù)值已經(jīng)與地面收到的太陽輻射能接近。但是，到日落后，地面沒有了太陽能收入，而這個(gè)放射卻仍在繼續(xù)著。 4ggTAF4ggTFe各種溫度下地面放射的能量各種溫度下地面放射的能量 (eg = 0.95 ) （1）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(gè)方向的漫射輻射。太陽直接輻射是主要集中在某一個(gè)方向的平行輻射。在紅外波段，到達(dá)地面的太陽直接輻射能量遠(yuǎn)小于地球與大氣發(fā)射的紅外輻射，常常可不予考慮。（2）大氣對(duì)長(zhǎng)波輻射的散射削弱極小，可以忽略不計(jì)。有云時(shí)，云對(duì)長(zhǎng)波的吸收作用很大，較薄的云層已可視為黑體。因而研究長(zhǎng)波輻射時(shí)，往往只考慮其吸收作用，忽略散

13、射。 （3）大氣不僅是削弱輻射的介質(zhì)，而且它本身也放射輻射，有時(shí)甚至其放射的輻射會(huì)超出吸收部分，因此必須將大氣的放射與吸收同時(shí)考慮。1. 1. 長(zhǎng)波輻射傳輸方程長(zhǎng)波輻射傳輸方程 同時(shí)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。 考慮一束單色輻射通過一層吸收氣體介質(zhì)。射入的輻亮度L沿傳播方向經(jīng)過一段距離 dl 后，由于吸收作用而使輻亮度變化:此處 kab, 是體積吸收系數(shù)。按吸收率定義，該薄氣層的吸收率應(yīng)是 根據(jù)基爾霍夫定律，該氣層放射的輻亮度是其中B(T)為普朗克函數(shù)(黑體的分光輻亮度)，T為該薄層的溫度。 因此，經(jīng)過d l 并考慮到大氣的吸收和發(fā)射后，輻亮度

14、的變化為: lLkLddab,lkLlLkLLAdddab,ab,lTBkTBAd)()(ab,式中 為輻射傳輸方向和天頂方向的夾角，令 ，得 上式稱為施瓦茨恰爾德 (Schwarzchild) 方程。普朗克函數(shù)B (T)代表源函數(shù)，表征由于熱輻射造成輻亮度的增強(qiáng)，式中空氣溫度T = T(z)，隨高度而變化。由于垂直坐標(biāo)系統(tǒng)應(yīng)用不太方便，常引進(jìn)光學(xué)厚度座標(biāo)（圖）。按通常習(xí)慣，光學(xué)厚度向下為正。輻射傳輸向上時(shí)為（+m），向下時(shí)只需將方程中的m 換成（m）即可 zTBLkLdsec)(dab,mcos)(ddab,TBLkzLm)(ddTBLLm地氣系統(tǒng)從大氣頂部向外射出的長(zhǎng)波輻射OLR（Outg

15、oing Longwave Radiation），在決定地球大氣氣候方面有著十分重要的意義。由于是漫射輻射，到達(dá)大氣頂部的長(zhǎng)波輻射來自各個(gè)方向。令EL,表示OLR，則它是大氣頂部從各方向來的所有波長(zhǎng)的長(zhǎng)波輻亮度積分。大氣上界的單色輻射通量密度 第一項(xiàng)表示來自于地表的輻射，第二項(xiàng)表示各層大氣的輻射和吸收。 若求地氣系統(tǒng)從大氣頂部向外射出的長(zhǎng)波輻射（OLR），則需對(duì)所有波長(zhǎng)積分， 0L,d)0(EE)0(E1)(f,0f,g0)(d)()()(TBTB各高度上發(fā)射的長(zhǎng)波輻射量為該點(diǎn)溫度所對(duì)應(yīng)的黑體輻射量乘以其比輻射率（吸收率）。 這一輻射在傳輸?shù)酱髿馍辖鐣r(shí)要受到它上部這層大氣的吸收衰減。 大氣層頂

16、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(zhǎng)波出射輻射（OLR）為各波長(zhǎng)出射輻射之和。 圖是雨云 4 衛(wèi)星用紅外干涉光譜儀在大氣層外測(cè)出的地球大氣系統(tǒng)向外的長(zhǎng)波輻射光譜。整層大氣的長(zhǎng)波吸收特性已討論過了，其最主要的特征是在 812 m（波數(shù)1250800cm1）處有一個(gè)大氣窗，而它恰好在地面長(zhǎng)波輻射最強(qiáng)的波段。CO2的強(qiáng)吸收帶在15m（波數(shù)667 cm-1）附近，由于CO2是接近均勻混合的，地面和對(duì)流層大氣發(fā)出的熱輻射幾乎被平流層的CO2全部吸收，衛(wèi)星上接收到的主要來自于平流層CO2發(fā)來的輻射。 衛(wèi)星觀測(cè)的地球和大氣紅外發(fā)射譜圖中的虛線表示不同溫度下的黑體輻射亮度 整層大氣向下的

17、長(zhǎng)波輻射，即大氣的逆輻射，也可以用類似的方法得到。整層大氣向下到地面的長(zhǎng)波輻射，即大氣逆輻射為 00010)(0dde2)()(mmTBE000f,dd)(d)(TB000L,d)(EE因?yàn)檩椛錈峤粨Q，地球、大氣以及地氣系統(tǒng)的輻射能量收支狀況，是由短波和長(zhǎng)波輻射的總和來決定的。系統(tǒng)或物體收入輻射能與支出輻射能的差值稱為輻射差額，也稱凈輻射。輻射差額 = 收入輻射能 支出輻射能在沒有其它方式的熱交換時(shí)，輻射差額決定物體是升溫還是降溫。輻射差額為正值，表示系統(tǒng)或物體的輻射能量有贏余；輻射差額為負(fù)值，表示系統(tǒng)或物體的輻射能量有虧欠，溫度隨之要發(fā)生變化。若物體輻射收支平衡，物體溫度就不變。 （2）分別

18、討論地面和大氣的輻射和吸收。由于大氣的保溫效應(yīng)，地面可以維持在一個(gè)較高的溫度。這對(duì)形成和維持地球表面的生態(tài)系統(tǒng)有十分重要的意義。（1）首先，把地球大氣系統(tǒng)作為一個(gè)整體，它處于宇宙空間中，輻射過程將使它達(dá)到某一種平衡狀態(tài)。這是決定地球大氣系統(tǒng)熱狀況的最根本因子。（4）最后介紹，經(jīng)過長(zhǎng)期觀測(cè)后得到的影響輻射過程的各種因子以及短波和長(zhǎng)波輻射在全球的分布及變化規(guī)律。這些結(jié)果不僅支持了前面理論分析的結(jié)果，而且也提出了許多值得思考的問題。（3）由于地球自轉(zhuǎn)軸的傾斜，地球表面各緯度帶接收的太陽輻射能量隨季節(jié)有變化，從而形成了從赤道到極地不同的氣候帶。從全球長(zhǎng)期平均溫度來看，地氣系統(tǒng)的溫度變化極其緩慢，多年基

19、本不變，所以全球應(yīng)當(dāng)是達(dá)到輻射平衡的。若把地球和大氣作為一個(gè)整體，它是運(yùn)行于宇宙空間的一個(gè)星體。這個(gè)星體受到太陽的照射，除了被反射掉的以外，地氣系統(tǒng)吸收了一部分太陽輻射能量。同時(shí)，地氣系統(tǒng)也以自身的溫度和輻射特性向外輻射著長(zhǎng)波輻射。這二個(gè)過程最終會(huì)達(dá)到某種平衡。如果入射的太陽輻射有變化，或者地氣系統(tǒng)對(duì)短波的反射率或長(zhǎng)波輻射率有變化，這種平衡就會(huì)被打破而趨向一種新的平衡。 可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的地氣系統(tǒng)輻射平衡模式來估算地氣系統(tǒng)的溫度 設(shè)地球大氣系統(tǒng)是一個(gè)半徑為r（re）的球，對(duì)短波輻射的反射率（也稱行星反照率）為R，則其接收的太陽短波輻射為 。設(shè)地氣系統(tǒng)可看作為黑體，其有效溫度為Te，它向宇宙空間發(fā)

20、射的長(zhǎng)波輻射能為4r2Te4。在地氣系統(tǒng)達(dá)到輻射平衡時(shí)，有 取 = 1367 Wm-2，R = 0.3，可算出Te = 255K 18C。這就是地氣系統(tǒng)平衡時(shí)的有效溫度 )1(20RrS4e2204)1 (TrRrS40e4)1 (RST0S我們可以看到，地氣系統(tǒng)的有效溫度取決于二個(gè)因子，一是太陽常數(shù)，它主要由日地距離決定的。二是地氣系統(tǒng)的行星反照率，它與地氣系統(tǒng)的許多特性，如海洋的反射，陸面的反射和云的反射有關(guān)。 由上面還可導(dǎo)出地球表面收到的太陽短波平均輻照度為 Wm-2 慮到全球應(yīng)當(dāng)是達(dá)到輻射平衡的，所以這與地球發(fā)射的長(zhǎng)波平均輻出度數(shù)值接近2 .239410 RS從上面的討論可以看到，地球

21、的有效溫度255K（18C），而實(shí)際上地球表面平均溫度為15C，這是由于大氣“溫室效應(yīng)”的結(jié)果。把地氣系統(tǒng)地球和大氣分別加以考慮，它們對(duì)輻射的吸收和發(fā)射的特性是不同的。大氣對(duì)短波輻射吸收比較?。?525%），而對(duì)長(zhǎng)波輻射有一定的吸收和發(fā)射。這一特性類似于溫室的玻璃，它可以讓太陽的短波輻射通過，但對(duì)長(zhǎng)波輻射則是有吸收的，因此溫室內(nèi)的溫度可以比外邊高很多度。 大氣層包圍在地球外面，由于“大氣保溫效應(yīng)”，使地面平均溫度升高了幾十度。這才使地球表面形成了適合生命繁衍的環(huán)境。 用一個(gè)簡(jiǎn)單的輻射平衡模式可以清楚地討論大氣的溫室效應(yīng)（圖 ）。假設(shè)地球表面是溫度為Tg的黑體，大氣層的溫度為Ta，行星反照率為R

22、，大氣對(duì)短波輻射的平均吸收率為As，對(duì)長(zhǎng)波輻射的平均吸收率為AL。根據(jù)圖可以寫出地面和大氣頂?shù)妮椛淦胶夥匠?。求解上列方程可?4gL4as0L4gL4a014114TATARSATATRSLLsLs04aLs04g2)1 (42124AAARAASTAARST由上面的結(jié)果可以討論 、R、AL和As對(duì)大氣層平均溫度和地面平均溫度的影響。取AL = 0.8，As=0.2 ，R=0.3 代入上式，有 Tg = 278.6 K，Ta = 247.7 K?？梢?，大氣層的存在使地面平衡溫度高于全球的有效溫度(255 K)，而大氣層的平均溫度卻低于全球的有效溫度。當(dāng) AL 加大時(shí)，地面平均溫度也將升高。大氣

23、中對(duì)長(zhǎng)波輻射吸收的主要?dú)怏w是水汽、二氧化碳和臭氧。這些氣體的含量增加，將使 AL加大，從而導(dǎo)致地面增溫。 0S大氣的溫室效應(yīng) 上面的討論把地球大氣當(dāng)作一個(gè)整體，沒有考慮水平方向的差異。由于地球的自轉(zhuǎn)軸與太陽黃道平面有一個(gè)傾角，地球上不同緯度帶接收到的太陽輻射的情況是不同的，它們所達(dá)到的平衡溫度也將不同。相鄰緯度帶平衡溫度的不同將引起二種變化:其一是會(huì)出現(xiàn)水平方向的能量輸送；其二是其下墊面的情況也將發(fā)生變化。尤其是對(duì)收入太陽輻射能較少的極區(qū)，低的平衡溫度造成下墊面冰雪復(fù)蓋，而冰雪的高反射率又使該地區(qū)接收的太陽輻射進(jìn)一步減小。 下面用一個(gè)簡(jiǎn)單的輻射平衡模式來討論這一反饋過程 將地球和大氣分割為一系

24、列緯度帶。對(duì)每一個(gè)帶，其輻射平衡方程可寫為 這里S 為某緯度帶收到的太陽輻射，R 為該緯度帶的行星反照率。EL,(T) 為該緯度帶大氣層頂向外發(fā)射的長(zhǎng)波輻射，F(xiàn)(T) 為該緯度帶向相鄰緯度帶水平輸送的能量，都是溫度的函數(shù)。簡(jiǎn)單地假設(shè) Tc 為雪線溫度，可選 10C 或 0C ，表示在冰雪區(qū)行星反照率顯著變大。大氣層頂出射的長(zhǎng)波輻射，取)()(1L,TFTERScc3 . 06 . 0TTTTRbTaTEL,其中a、b為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。緯度帶間能量的傳輸，取其中 為全球平均溫度，而K0 為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。通過這些簡(jiǎn)化后，不難得到Budyko (1969) 用a = 204 Wm-2, b = 2.17 Wm

25、-2K-1, K0 = 3.81 Wm-2K-1, Tc = 10C 計(jì)算得下表 。這一結(jié)果與大氣緯向平均溫度分布大體一致。 TTKTF0T001KbaTKRST輻射平衡模式算得的大氣層溫度隨緯度變化 分別就地面、大氣而言，在一定時(shí)間段、一定區(qū)域，總存在著輻射差額（balance），這將導(dǎo)致該地的溫度隨時(shí)間變化。1.1. 地面的輻射差額地面的輻射差額 地面的凈輻射通量是指水平面上太陽短波凈輻射和長(zhǎng)波凈輻射通量之和其中短波和長(zhǎng)波的凈輻射通量可分別表示為 *0L,*0S,*0EEE0L,0L,*0L,0S,0S,*0S,EEEEEE（1）短波凈輻射通量 入射到水平地面的太陽短波輻射通量ES,0是太

26、陽直接輻射和天空散射輻射之和，它有著顯著的日變化和季節(jié)變化，并強(qiáng)烈地受云的影響。 地面的短波凈輻射通量可寫為這里 Rg 是地面反射率 （2）長(zhǎng)波凈輻射通量 A、入射到地面的長(zhǎng)波輻射 入射到地面的長(zhǎng)波輻射EL,0 來自整層大氣的輻射，稱為大氣的逆輻射。 晴天大氣逆輻射的通量密度可寫成 EL,0 = 5.311014 Ta6 ( W m-2) 0S,g0S,0S,*0S,1EREEE如果天空中有云，則大氣的逆輻射大大加強(qiáng)。 北京地區(qū)有云天空的經(jīng)驗(yàn)公式為 其中e（hPa）為百葉箱中觀測(cè)的近地氣層水汽壓。B、地面向上的長(zhǎng)波輻射 地面向上的長(zhǎng)波輻射，包括地面發(fā)射的長(zhǎng)波輻射和地面反射的部分大氣逆輻射。式中

27、Tg為地面溫度，eg為地面的比輻射率。它隨地面溫度有日變化，午后最強(qiáng)，早晨最弱。C、地面長(zhǎng)波凈輻射通量和地面有效輻射地面的長(zhǎng)波凈輻射通量EL,0*為 4a0L,)1 (086. 00557. 0613. 0TseE0L,g4gg0L,)1 (ETEee)1 (0L,g4gg0L,*0L,ETEEee)(0L,4ggETe一般情況下，EL,0*0，意味著該層內(nèi)輻射能量收入大于支出，氣層將增溫；反之，將降溫。 （2）整層大氣的輻射差額 整層大氣的輻射差額可用下式表示 E*和E0*分別代表大氣上界和地面的凈輻射。前面己經(jīng)提到，從全球長(zhǎng)期平均溫度多年基本不變的角度，全球應(yīng)達(dá)到輻射平衡，所以大氣上界凈輻

28、射應(yīng)為零，E* = 0。而地面凈輻射 E0* 一般為正的，因此就整層大氣而言，輻射差額為負(fù)值，這里所缺少的那部分能量通過地面提供的顯熱和潛熱而得到補(bǔ)償。若分別考慮短波和長(zhǎng)波能量的收支關(guān)系，有 Qa是大氣吸收的太陽短波輻射。E0是地面有效長(zhǎng)波輻射。EL,是透過大氣上界射向空間的長(zhǎng)波輻射，它包括大氣射向空間的長(zhǎng)波輻射和透射的地面向上輻射。由于大氣吸收的太陽輻射比較小，而EL,又大于E0，同樣可說明整層大氣的輻射差額總是負(fù)值。*0*aEEEL,0a*aEEQE3. 3. 地地氣系統(tǒng)的輻射差額氣系統(tǒng)的輻射差額把地面直到大氣上界作為一個(gè)整體的輻射能凈收入就是地氣系統(tǒng)的輻射差額。若以Eag*表示，應(yīng)是大氣

29、和地面的輻射差額之和，因此地氣系統(tǒng)的輻射差額就是以地面為下底，以大氣上界為頂?shù)恼麄€(gè)鉛直氣柱內(nèi)接收到的太陽短波輻射與大氣上界向太空放出的長(zhǎng)波輻射之差。大氣頂部的凈輻射就是地氣系統(tǒng)的輻射差額。地氣系統(tǒng)的輻射差額隨季節(jié)、緯度、云量云狀、下墊面性質(zhì)及大氣成分等因素而變化。平均而言，在兩極和高緯度地區(qū)的輻射差額為負(fù)，在赤道和熱帶地區(qū)為正值。但是，就整個(gè)地氣系統(tǒng)而言，輻射差額為零，地氣系統(tǒng)的熱狀況沒有明顯的變化。 *0*a*agEEEL,gSa1EREQ在幾年的時(shí)間尺度上，地球作為一個(gè)整體是處于輻射平衡狀態(tài)的。換句話說，當(dāng)能量以短波輻射形式進(jìn)入地球大氣系統(tǒng)時(shí)，必須有相同數(shù)量的能量以長(zhǎng)波輻射形式離去。在大氣

30、頂部的凈輻射通量為 其中ES,是入射到大氣頂?shù)奶柖滩ㄝ椛洌疫叺?項(xiàng)是地氣系統(tǒng)獲得的短波輻射的凈通量，主要取決于地氣系統(tǒng)行星反照率R。右邊第2項(xiàng)是地氣系統(tǒng)向外發(fā)射的長(zhǎng)波輻射的凈通量0dd)1 (L,S,*sEsERE大氣頂部入射和反射輻射的緯向分布如圖 圖 大氣頂部（a）入射太陽輻射和（b）反射太陽輻射的緯向平均分布。 入射的太陽輻射在冬半球有很強(qiáng)的梯度 ( 從夏半球副熱帶的 475 Wm-2 逐漸減小至冬半球極區(qū)的零 )。但在夏半球中，隨著緯度的增高，減弱很慢。這部分入射的太陽輻射有相當(dāng)一部分被反射回太空。在高緯度被反射的能量就更多，反照率高達(dá) 70%。圖a是吸收的太陽輻射(1 R) ES

31、,的年平均分布，它的最大值約350 Wm-2，大致位于熱帶海洋，然后向極地逐漸減小，在極地小于 100Wm-2。b是出射長(zhǎng)波輻射EL, 的年平均分布。顯然，地球大氣向外發(fā)射的長(zhǎng)波輻射（OLR）在副熱帶地區(qū)有最大值（約270280Wm-2），然后向兩極減小，在極地約為160 Wm-2或更小。熱帶地區(qū)的數(shù)值大致與云的分布呈負(fù)相關(guān)。因?yàn)橛性拼嬖跁r(shí)，云頂溫度較低，發(fā)射的輻射也較少。c給出大氣頂部?jī)糨椛銭*的年平均分布。由圖可以看到，凈輻射的年平均呈緯向分布，赤道附近為正，能量輸入約為60 80 Wm-2；而在南極和北極地區(qū)為負(fù)，能量損失約為100Wm-2。海洋地區(qū)吸收的能量較多，表明大氣環(huán)流必然將凈能

32、量自海洋向陸地輸送。 與上圖對(duì)應(yīng)的輻射能的緯向平均分布見圖 地氣系統(tǒng)（a）所吸收的太陽輻射；（b）發(fā)射的地球長(zhǎng)波輻射；（c）凈輻射的緯向平均分布。 從上圖b可看出，在30N 30S之間有一個(gè)大范圍的高值區(qū)，其值約為 250 Wm-2，而在中高緯度區(qū)，數(shù)值則較低。赤道輻合帶附近因云量較多，數(shù)值也比兩側(cè)低。南極大氣發(fā)射的長(zhǎng)波輻射似乎比北極多一些，可能是南極冰面較高的緣故，不過長(zhǎng)波輻射的南北梯度很小。從吸收的太陽輻射中減去出射的長(zhǎng)波輻射，便得到凈輻射圖c 。大氣頂部的凈輻射就是地氣系統(tǒng)的輻射差額，從圖中可以看出，在35N 35S以內(nèi)是正值，以外是負(fù)值，因此低緯地區(qū)就有多余的能量以大氣環(huán)流的形式輸往高

33、緯度。 2.2. 地球表面觀測(cè)到的輻射平衡地球表面觀測(cè)到的輻射平衡 在地球表面任何一處，它收到的和反射的太陽輻射以及收到和發(fā)射的長(zhǎng)波輻射都有復(fù)雜的日變化和年變化以至長(zhǎng)年的變化。這和該處的地理位置、云、溫度、濕度及地表狀況等眾多因子有關(guān)。 全球地表面的年平均凈輻射通量 凈輻射通量隨緯度增加而減小。赤道附近為 160 180 Wm-2，60 緯度處減小為 20 40 Wm-2。在全球大多數(shù)地區(qū)，地面的凈輻射通量是向下的。不過在極區(qū)的冬季，地面凈輻射通量是向上的，這是因?yàn)闃O夜太陽入射輻射非常小或接近于零。一般而言，在同一緯度上，海洋上的凈輻射通量大于陸面上，其最大值達(dá)180 Wm-2，出現(xiàn)于熱帶海洋。這與大氣、海洋吸收的太陽輻射分布一致。赤道地區(qū)第二個(gè)極大值位于大陸上。熱帶的最小值位于沙漠地區(qū)，這是由于沙地反射率較大、云量較少、濕度小及地面溫度高的緣故。 3.3. 總的輻射平衡總的輻射平衡 為了解地球大氣系統(tǒng)在較長(zhǎng)時(shí)間中怎樣維持平衡狀態(tài)，需要對(duì)地氣系統(tǒng)作為一個(gè)整體的年平均輻射平衡過程有一個(gè)了解。下圖給出地氣系統(tǒng)總的輻射平衡框圖。 地氣系統(tǒng)總的輻射平衡框圖 圖中的數(shù)字己作歸一化，即把入射的太陽輻射作為100個(gè)單位。在入射太陽輻射這100個(gè)單位中，有20個(gè)單位被平流層臭氧、對(duì)流層水汽和氣溶膠以及云所吸收，30個(gè)單位被空氣分子、云及地面散射或