輻射與熱量平衡第1頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四自然界中一切物理過程和現(xiàn)象，乃至生命活動和現(xiàn)象，都直接或間接地以輻射能為能源基礎(chǔ)，輻射能包括太陽輻射、地面輻射和大氣輻射。Visiblelight第2章輻射與熱量平衡2.1輻射的基礎(chǔ)知識2.1.1輻射與輻射能第2頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四X-raysl<10nmUltraviolet(UV)10<l<400nmVisible0.4<l<0.7μmNear-Infrared(Near-IR)0.7<l<3.5μmMiddle-IR3.5<l<30μmFar-IR30<l<100μmMicrowave1mm<l<1m電磁波譜第3頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四輻射的度量(1)輻射通量和輻射通量密度：單位時間內(nèi)通過任一表面的輻射能稱為輻射通量，單位W，或J/s；輻射通量除以輻射所通過的面積則稱為輻射通量密度，用F表示，單位W/m-2。第2章輻射與熱量平衡例如，太陽輻射通量約為3.9X1026W，太陽半徑約為7X108m，則太陽表面輻射通量密度為2.1輻射的基礎(chǔ)知識2.1.1輻射與輻射能第4頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四輻射的度量（2）輻射強度（I）：在單位時間(△t)、單位立體角(△ω)內(nèi)，沿一定方向垂直通過任意單位面積的輻射能(△F)，稱為該方向的輻射強度，單位為Wm-2sr-1；第2章輻射與熱量平衡△S△F△ωI點光源n2.1輻射的基礎(chǔ)知識2.1.1輻射與輻射能第5頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四輻射的度量（3）輻射通量密度與輻射強度的關(guān)系：第2章輻射與熱量平衡△S上的輻射通量密度為或于是，整個半球面的輻射通量為注：所以，對于各向同性的輻射，輻射通量密度等于輻射強度的倍。dFI2.1輻射的基礎(chǔ)知識2.1.1輻射與輻射能第6頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四附：立體角定義積分得球面弧度ω：球坐標(biāo)系中，半徑為r的球面上位于天頂角和方位角處的立體角微元dω定義為：rdldαdα=dl/ro第2章輻射與熱量平衡立體角單位為立體弧度（steradians,sr）r第7頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四普朗克函數(shù)（ThePlanckFunction）：

單色波黑體輻射強度Iλ*)與其溫度(T)和輻射的波長(λ)之間具有如下的關(guān)系：其中，h、k及c依次為普朗克常數(shù)、Boltzmann常數(shù)及光速:第2章輻射與熱量平衡太陽輻射地球輻射2.1輻射的基礎(chǔ)知識2.1.1輻射與輻射能第8頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四基爾霍夫(Kirchhoff)定律：

基爾霍夫(Kirchhoff)定律：任何物體對一定波長(λ)的比輻射率ελ與其對同一波長的吸收率aλ相等，即意義：若物體能強烈吸收某一波長的輻射，則一定也能強烈發(fā)射同一波長的輻射。任何物體的輻射通量密度Eλ與同溫度下黑體輻射通量密度Eλ*之比，稱為比輻射率ελ，即第2章輻射與熱量平衡2.1輻射的基礎(chǔ)知識2.1.1輻射與輻射能作用：任意物體的輻射強度等于黑體輻射強度與其比輻射率之積，即第9頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四Stefan-Boltzmann定律：將普朗克函數(shù)Iλ*對波長(λ)積分，得黑體輻射強度（I*），即上式稱為Stefan-Boltzmann定律。表明物體溫度越高，其放射能力越強。因黑體輻射為各向同性，根據(jù)輻射通量和輻射強度的關(guān)系，得黑體輻射通量密度E*，為。推論：根據(jù)Stefan-Boltzmann定律計算的溫度稱為等效黑體溫度或亮度溫度（Brightnesstemperature）TB。第2章輻射與熱量平衡2.1輻射的基礎(chǔ)知識2.1.1輻射與輻射能第10頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四Wien定律：黑體輻射的光譜強度（單色輻射能力）最大值對應(yīng)的波長（λm）與其熱力學(xué)溫度(T)成反比，其中，常數(shù)C=2897×103nmK

太陽輻射(短波輻射):T=6000K,則λm=480nm;

地球輻射(長波輻射):T=288K,則λm=10.1×103nm;太陽輻射地球輻射第2章輻射與熱量平衡2.1輻射的基礎(chǔ)知識2.1.1輻射與輻射能第11頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四太陽常數(shù)(I0)：當(dāng)日地平均距離時，大氣上界垂直于太陽光線的單位面積上單位時間內(nèi)獲得的太陽輻射能量，稱為太陽常數(shù)I0，I0=1370W/m2。由于地球與太陽間的天體運動，大氣上界的實際太陽輻射強度是有所變化的。第2章輻射與熱量平衡2.2太陽輻射2.2.1太陽輻射光譜和太陽常數(shù)第12頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四太陽光譜：6000K黑體光譜大氣上界太陽光譜波長范圍：0.15μm~4μm可見光0.4~0.76μm，50%；紅外線＞0.76μm，43%；紫外線＜0.4μm，7%。第2章輻射與熱量平衡2.2太陽輻射2.2.1太陽輻射光譜和太陽常數(shù)第13頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四日地距離：到達(dá)大氣上界的太陽輻射又稱為天文輻射，與日地距離的平方成反比，若日地平均距離為r0，則實際距離為r時的天文輻射強度I為：第2章輻射與熱量平衡-3.5%+3.5%2.2太陽輻射2.2.2到達(dá)大氣上界的太陽輻射第14頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四太陽高度：第2章輻射與熱量平衡2.2太陽輻射2.2.2到達(dá)大氣上界的太陽輻射定義：太陽光線與地表水平面之間的夾角，變化范圍0o~90o；第15頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四hI’I

太陽光線地面公式：φ——地理緯度δ——太陽赤緯ω——時角地面水平面上太陽輻射強度I’：其中，dt為時間，dQs為該時間里地面單位水平面積上的太陽輻射能。2.2太陽輻射2.2.2到達(dá)大氣上界的太陽輻射太陽高度：第16頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四相關(guān)天文學(xué)知識←天體視運動Z’Z=緯度jS’S=日赤緯δZ’S’=日時角ωZS=天頂角θ春分夏至冬至E秋分日時圈rZ’Z北天極南天極SS’天子午圈天赤道黃道第17頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四白晝長度：第2章輻射與熱量平衡定義：從日出到日落的時間間隔。公式：令則其中，-ω0為日出時角，ω0為日落時角，2ω0為白晝長度，表示天文輻射的可照時間，隨緯度和太陽赤緯而變。任意地點一日內(nèi)單位面積水平面上的太陽輻射能：其中，T為一日時間長度（1440min），2.2太陽輻射2.2.2到達(dá)大氣上界的太陽輻射結(jié)論：太陽（天文）輻射Qs取決于緯度和季節(jié)變化。第18頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四天文輻射的分布和變化不受大氣影響，主要決定于日地距離、太陽高度角和白晝長度。據(jù)理論計算，天文輻射的時空分布規(guī)律：①全年赤道獲得的太陽輻射最多，從赤道向極地隨緯度增高而減小，極小值出現(xiàn)在極點，年變幅最小。②夏半年在20°～25°的緯度帶，獲得太陽輻射最多，由此向赤道和極地遞減，最小值在極點，出現(xiàn)極晝，高低緯度之間的差值較小。③冬半年赤道獲得太陽輻射最多，隨緯度增高迅速遞減，，高低緯度之間的差值大。④同一緯度，冬、夏太陽輻射的差值，隨緯度增高而增大，即太陽輻射的年振幅隨緯度增高而增大。天文輻射的時空分布規(guī)律第19頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四（1）大氣吸收選擇性：大氣只吸收特定波段的太陽輻射。O2強烈吸收λ<200nm、O3強吸收帶200nm~320nm及弱吸收帶600nm、CO2主要吸收紅外線（2.5/4.3/14.7μm）、H2O吸收紅光和紅外線，0.72~2μm間有多個吸收帶,另外吸收帶包括2~3μm、4~7μm。

特點：大氣直接吸收太陽輻射比例很小，約占19%，因此太陽輻射并非對流層大氣的直接熱源。但是，大氣能強烈吸收地面紅外輻射，8×103nm~13×103nm波段除外，該波段即所謂的“紅外窗口（IRWindows）”。

皮爾定律（自學(xué)）第2章輻射與熱量平衡2.2太陽輻射2.2.3太陽輻射在大氣中的減弱第20頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四紅外窗口第21頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四（2）大氣散射定義：太陽輻射遇到大氣分子或雜質(zhì)粒子等時轉(zhuǎn)向各個方向傳播；特點：

分子散射（Rayleigh散射）：有選擇性。波長越短，散射越強，故晴天為蔚藍(lán)色；

粒子散射（或米散射）：無選擇性。散射系數(shù)不隨波長而變，又稱漫散，雨或霧天天空為乳白色正是米散射結(jié)果。第2章輻射與熱量平衡2.2太陽輻射2.2.3太陽輻射在大氣中的減弱第22頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四（3）大氣反射定義：太陽光線遇到大氣中云層或較大尺度的顆粒時而改變傳播方向；特點：無選擇性，平均反射率為50％~55％。地-氣系統(tǒng)平均反射率約30%，稱為行星反射率(Albedo)云高越低，反射越強；云量越多，反射越強；云層越厚，反射越強。aba=b第2章輻射與熱量平衡2.2太陽輻射2.2.3太陽輻射在大氣中的減弱第23頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四太陽輻射經(jīng)過大氣的吸收、反射和散射后，約有51%到達(dá)地面，這部分輻射包括兩部分：太陽以平行光線的形式直接投射到地面上的，稱為太陽直接輻射/Directsolarradiation(Q)；經(jīng)過大氣散射后投射到地面的，稱為散射輻射/Diffuseradiation(D)，兩者之和稱為總輻射/TotalincomingsolarradiationorInsolation(Q總)，即Q總=Q+D第2章輻射與熱量平衡2.2太陽輻射2.2.4到達(dá)地面的太陽輻射第24頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四①太陽直接輻射：以平行光線直接投射到地面上的太陽輻射。直接輻射通量Q主要影響因素是太陽高度角h和大氣透明度P。h地面太陽直接輻射強度S大氣mI0hS地面直接輻射有顯著的年變化、日變化和隨緯度的變化。第2章輻射與熱量平衡2.2太陽輻射2.2.4到達(dá)地面的太陽輻射通量第25頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四②太陽散射輻射：

散射輻射的強弱也與太陽高度角及大氣透明度有關(guān)。太陽高度角增大時，到達(dá)近地面層的直接輻射增強，散射輻射也就相應(yīng)地增強；相反，太陽高度角減小時，散射輻射也弱；大氣透明度差時，參與散射作用的質(zhì)點增多，散射輻射增強；反之，減弱。云也能強烈地增大散射輻射。太陽散射輻射也具有日和年變化，一日內(nèi)正午前后最強，一年內(nèi)夏季最強。第2章輻射與熱量平衡2.2太陽輻射2.2.4到達(dá)地面的太陽輻射通量第26頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四③太陽總輻射：日變化：日出前，總輻射中只有散射輻射；日出后，直接輻射和散射輻射逐漸增加，但前者增加得較快；當(dāng)太陽高度升到約等于8°時，直接輻射與散射輻射相等；當(dāng)太陽高度為50°時，散射輻射值僅相當(dāng)總輻射的10％—20％；到中午時太陽直接輻射與散射輻射強度均達(dá)到最大值；以后二者又按相反的次序變化。年變化：總輻射強度（月平均值）夏季最大、冬季最小。地理分布：緯度愈低，總輻射愈大。反之就愈小。第2章輻射與熱量平衡2.2太陽輻射2.2.4到達(dá)地面的太陽輻射通量第27頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四投射到地面的太陽輻射，并非完全被地面所吸收，其中一部分被地面所反射。地表對太陽輻射的反射率稱為行星反射率/Albedo(A)。決定于地表面的性質(zhì)和狀態(tài)，約為10％~30％。太陽總輻射減去地面反射部分后稱為凈太陽（短波）輻射/Netshort-waveradiation，用Q’總表示，Q’總=Q總(1-A)=(Q+D)(1-A)第2章輻射與熱量平衡2.2太陽輻射2.2.5地面對太陽輻射的反射第28頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四第29頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四第二章大氣的熱能和溫度定義：地面吸收了凈太陽短波輻射后，按其本身溫度不斷地向外放射的輻射能。波長：地面輻射波長范圍為3~80μm，最大單色輻射強度的波長為10μm，因此，地面輻射又稱長波輻射/TerrestrialLongwaveRadiation(Fs)。特點：①地面輻射絕大部分被大氣（水汽和二氧化碳等溫室氣體）所吸收，只有小部分（8~13μm）透過大氣層進(jìn)入太空，形成所謂的“紅外窗口”；②白天，地面吸收的太陽總輻射大于地面輻射，故地面升溫；③夜晚，沒有太陽輻射，地面輻射使地面降溫。2.3地面和大氣的輻射2.3.1地面輻射第30頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四紅外窗口地面輻射與大氣窗第31頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四第二章大氣的熱能和溫度定義：大氣按其本身溫度不斷地向外放射的輻射能，其向下部分稱為大氣逆輻射/Longwaveatmosphericcounter-radiation(Fa)。波長：95％以上的能量集中在3~120μm的波長范圍內(nèi)（紅外輻射），其輻射能最大段波長在10~15μm范圍內(nèi)，因此大氣輻射和地面輻射一樣也為長波輻射。特點：

①大氣逆輻射極大部分被地面所吸收(aFa)，使地面輻射降溫程度大大減小，形成所謂的“溫室效應(yīng)/Greenhouseeffect”；②大氣輻射向上的部分是地球大氣系統(tǒng)向外支出熱量，以保持地球熱量平衡的主要途徑。2.3地面和大氣的輻射2.3.2大氣輻射第32頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四第二章大氣的熱能和溫度定義：地面輻射（Fs）與其吸收的大氣逆輻射（aFa）之差(a為吸收率)，稱為地面有效輻射/NetLongwaveRadiation，若用F表示，則F=Fs-aFa大氣δL↓L↑地面地面有效輻射的影響因子：地面溫度、氣溫、濕度和云況。有效輻射通常為正，即下墊面通過有效輻射向大氣供熱。2.3地面和大氣的輻射2.3.4地面有效輻射第33頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四第二章大氣的熱能和溫度定義：地表面吸收的太陽總輻射（Q’總）與地面有效輻射（F）之差，稱為地面輻射差額/NetRadiation，若用R表示，則R=Q’總-F=（Q+D）(1-A)-（Fs-aFa）

特點：①日變化——白天R>0，地面升溫；夜晚R<0，地面降溫；②年變化——低緯度R>0，地面熱盈余；高緯度R<0，地面熱虧損；③隨天氣狀況而變——晴天，白天R正值越大、夜晚負(fù)值越大；陰天，白天R正值越小、夜晚負(fù)值越小大氣Q’總地面F2.4地面及地-氣系統(tǒng)的輻射差額2.4.1地面輻射差額第34頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四第35頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四地面輻射差額日變化第36頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四地面輻射差額隨緯度變化第37頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四大氣輻射差額第二章大氣的熱能和溫度定義：整個大氣層的輻射差額(Ra)等于其吸收的太陽短波輻射(Sa)和地面有效輻射(F)減去向太空的長波輻射（F∞），Ra=Sa+F-F∞=Sa–(F∞-

F)

特點：由于大氣直接吸收的太陽短波輻射很少，整個大氣層的輻射差額是負(fù)值，大氣要維持熱平衡，還要靠地面以其它的方式，例如對流及潛熱等來輸送一部分熱量給大氣。大氣地面FF∞Sa2.4地面及地-氣系統(tǒng)的輻射差額2.4.2地氣系統(tǒng)的輻射差額第38頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四地-氣系統(tǒng)的輻射差額第二章大氣的熱能和溫度定義：若將地面和大氣看作為一個整體，其輻射差額(Re)等于地面輻射差額與大氣輻射差額之和，即等于地面、大氣吸收的太陽短波輻射(Q’總+Sa)減去大氣上界的長波輻射（F∞）：Re

=R+Ra=Q’總+Sa-F∞

特點：整個地氣系統(tǒng)多年平均，Re=0；35°N~35°S間,Re>0；35°N以北和35°S以南，Re<0。因此，為維持能量平衡，需將低緯地區(qū)盈余的熱量輸送至高緯地區(qū)，這種熱量的輸送主要是由大氣環(huán)流和海洋環(huán)流來完成。大氣Q’總地面F∞Sa2.4地面及地-氣系統(tǒng)的輻射差額2.4.2地氣系統(tǒng)的輻射差額第39頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四全球年均輻射差額分布LatitudinalVariationoftheRadiationBalance第40頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四全球年均地面太陽輻射分布Annualglobaldistributionofinsolation(kcal/cm2)Q’總=Q總(1-A)=(S+D)(1-A)第41頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四全球年均地面輻射差額分布Annualglobaldistributionofnetradiation(Kcal/cm2)R=Q’總-F第42頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四第二章大氣的熱能和溫度定義：R+LE+P+A=0陸地表面：R+LE+P+B=0沙漠地區(qū)：R+P=0海洋：R+LE+P+A=0

特點：上述平衡方程是多年平均結(jié)果，方程中各項具有明顯日、年等變化，因此，特定時段內(nèi)熱量通常并不平衡，表現(xiàn)為局部時段內(nèi)的升溫或降溫。。大氣地面R2.5地面熱量平衡地-氣系統(tǒng)的熱量收支2.5.1地面熱量平衡方程LEPCBA=B+C第43頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四2.5地面熱量平衡地-氣系統(tǒng)的熱量收支2.5.2地氣系統(tǒng)的熱量收支第44頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四全球地-氣熱交換Globaldistributionofsensibleheat

第45頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四全球蒸發(fā)潛熱分布Globaldistributionoflatentheat.第46頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四反射率不同陸面反射率比水面的大約10％~20；第二章大氣的熱能和溫度熱傳導(dǎo)差異海水易流動、熱傳導(dǎo)快；蒸發(fā)量差異海面蒸發(fā)遠(yuǎn)大于陸面蒸發(fā)；熱容量差異海水熱容量遠(yuǎn)大于陸地。2.6地面溫度和大氣溫度的分布變化2.6.1地面溫度的變化（1）水陸熱力差異第47頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四第二章大氣的熱能和溫度（1）大氣傳熱方式輻射：近地面大氣對太陽短波輻射直接吸收很少，主要吸收地面有效輻射。熱傳導(dǎo)：空氣與下墊面、相鄰空氣層之間，通過分子熱運動進(jìn)行的熱量