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17 辐射平衡

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2. 入射到地表面的长波辐射 来自整层大气的辐射，是大气的逆辐射。 3. 地面向上的长波辐射 地面向上的长波辐射， 包括地面发射的长波辐射和地 面反射的部分大气逆辐射
Ts 为地面温度，s 为地面的发射率。
4. 地面长波净辐射和地面有效辐射 地面的长波净辐射通量密度
另外， 常将地面向上的长波辐射和大气逆辐射之差定 义为地面有效辐射
17.3 修正的温室效应模型
考虑非等温大气，假设大气对太阳辐射是透明的。假 设大气是灰体， 也即体积消光系数和折合光学厚度不 依赖于波长。 使用二流漫射近似方程对波长域进行积 分，得到向上、向下积分辐射通量密度 和 的方程 (1) (2) 为从大气层顶向下传输时折合光学厚度。
太阳辐射给予大气的热量为零。 假设大气处于辐射平 衡状态，则长波辐射加热率为零 常数 时， ， Wm2 (4) (1)和(2)式相减并使用(4)式，得到 (5) 积分 (6) (3)
• 1968年：提出地球是自调节系统 • 1972年：认为地球是超级有机体，以希腊地球女神 Gala命名（荷马史诗：盖娅，万物之母，我歌颂 你，最古老的神灵）。他是参考其英国乡下邻居英 国小说家的建议取名的。随后与生物学家马克利斯 创立盖娅假说，他直接称为地球生理学（是地球科 学、大气科学、生态学、微生物学等领域的交叉）。 • 30年来，宣传，参加国际会议，在环境方面的影响 很大，后来还获得国际环境大奖。
“雏菊世界”模型是用来描述地球表面温度是如何被调节的。 简单的假设： • 仅有两种：深色、浅色雏菊，纯种繁殖。 • 深色吸收所有太阳光，浅色反射掉所有太阳光。 • 两种生长状况：低于5℃时不生长；随着温度上升，生长率 也上升；超过20℃生长率下降；到温度40℃，生长都停止。 • 温度较低时，深色的能吸收更多的热量，生长比浅色的快。 • 温度较高时，浅色的因反射失去热量，生长比深色的快。
认识
一、地气系统辐射平衡温度 收入 支出
简单的地气系统辐射平衡模式
若取F = S = 1366 Wm2，r =0.3，可算出Te = 255K（即18C） W/m2 地球表面收到的太阳短波平均辐照度 也是地球发射的长波平均辐出度
太阳常数—地球辐射有效温度的关系 行星反照率 0.3 负反馈： S增加，地面温度增加，长波辐射增加（T4）， 又使温度下降。可以使地球系统维持稳定平恒。
若分别考虑短波和长波能量的收支关系，有 是大气吸收的太阳短波辐射。 是地面有效长波辐 射。 辐射。 是透过大气上界射向空间的长波辐射，它包 括大气射向空间的长波辐射和透过大气的地面向上
三、地气系统的净辐射 地气系统的净辐射是大气和地面的净辐射之和
是以地面为底， 以大气上界为顶的整个铅直气柱内接 收到的太阳短波辐射与大气上界向太空放出的长波 辐射之差。 与整层大气的净辐射比较可得 即大气顶部的净辐射就是地气系统的净辐射。
但这个模型在地面附近的温度是不连续的， 如果靠近 地面大气的温度为 ，则根据(9)式，得到 (11) (10)和(11)式比较得到 (12) 因此 ， 不切合实际。 如果考虑其他的物理过程，
例如对流，则可以消除这种不连续。
17.4 辐射平衡与盖娅假说
1900年开始，地面设立了太阳辐射观测，局限于某些点。 1959年，在探险者7号卫星上首次成功地进行了从空间测 量地球辐射收支的试验。以后在雨云–3上使用了中分辨率红外 辐射仪来继续这项工作。 从1975年开始，在雨云–6、7号卫星上安装了地球辐射收 支仪器（ERB），它可以测量地球行星反照率和发射的辐射通 量，并可监测太阳常数。 在20世纪70年代末到80年代初研制出了更先进的地球辐射 收支实验（ERBE）仪器，在NOAA–9，10号卫星和1984年开 始的ERBS卫星上都安装了ERBE仪器。 这些观测计划一直延续至今，提供了全球范围地气系统辐 射平衡的丰富资料，并获得了地气系统总的辐射平衡图像。
一、地面的净辐射 地面的净辐射通量密度 净辐射通量密度 和，即 其中短波和长波的净辐射通量可分别表示为 是水平面上太阳短波 之
和长波净辐射通量密度
1. 短波净辐射 入射到水平地面的太阳短波辐射通量 接辐射和天空散射辐射之和 射出的短波辐射是地面对入射短波辐射的反射 地面的短波净辐射通量密度 是太阳直
第17章 辐射平衡
17.1 地气系统的辐射平衡 17.2 地气系统的净辐射 17.3 修正的温室效应模型 17.4 辐射平衡与盖娅假说
17.1 地气系统的辐射平衡
控制因子 太阳输出 地球轨道变化 大气环流和海洋洋流 板块运动 云、冰雪 自然/人为放出的气体、粒子 系统内部的反馈作用（正、负反馈） 启发式的模式 全球气候模式 (GCMs)
联立(4)和(6)式得到 (7) (8) 同时将(7)式和(8)式分别代入(2)式和(1)式， 都得到 (9) 、 和 全部是随折合光学厚度 线性变化。
地面的辐射平衡， 的黑体，对应
。从
得到， 刚刚靠近地面的大气的向上的长波辐射通量密 度为 ，假设它等于地面本身的辐射，即 (10) 因为 对应的辐射平衡温度为 255 K，因此，在大气 中 ， 则 ， 即地面温度一定大于 255 K， 这也就证明了温室效应。
上层大气 2
下层大气 1 地球表面 s
辐射平衡要求 E = 0.25 Fs ＋ 0.5 F1 ＋ F2 E = 0.5 Fs ＋ F1 ― F2 E = Fs ― F1 ―0.5F2 Fs=Ts4，F1=a T14 ， F2=a T24 F2 = E / 3

F1 = E / 2 F2 = 5 E / 3
第一次测净辐射的卫星试验
大气层顶净辐射 1959，Explorer 7，Suomi & Parent设计了Suomi辐射计： 两个球，一个黑色吸收所有波段辐射，另一个白色，反射 短波吸收长波。
太阳直接辐射，反射短波辐射和长波辐射
一、地气系统总的辐射平衡
政府间气候变化专门委员会 IPCC，2007
二、盖娅假说中的辐射平衡
Gaia (希腊：地球母亲)假说 拉夫拉克（Lovelock）认 为生物控制气候（辐射平 衡），并使气候适宜生物 生存。 (自我平衡) Daisyworld：雏菊世界 雏菊：带有宗教色彩 验证生物自我调节全球 环境的简单模型，由拉 夫拉克与他的同事提出
拉夫拉克
英国大气化学家，也是发明家， 比如发明电子俘获装置：测浓度 ＜10-6的氟利昂气体，引起了生 态学家的恐慌。 60年代在美国国家喷气动力实验室工作，接受NASA的研 究课题：火星是否存在生命？ (1) 远离化学平衡态：地球存在生命 (2) 生物调节大气？ 他从天体学家获知：36亿年以来，太阳发光能力增强25% （发光度），但地球保持有利于生命的温度。
二、大气的净辐射 1. 某一气层的净辐射 ～ 别为 薄层大气， 其上下边界的净辐射通量密度分 和
该气层净辐射为
大气的变温率
利用静力学方程
在实际计算中，通常将太阳辐射分成 个谱区，对每 个谱区计算增温率，最终通过求和计算总增温率
有时按吸收气体的光学质量计算增温率比较方便。 例如，水汽的微分光学质量（路径长度）为
辐射平衡温度廓线 由多层大气计算的 辐射平衡温度廓线 （虚线）与美国标 准大气（实线）的 比较。
J. Atmos. Sci. 21, 370(1964)
17.2 地气系统的净辐射
系统或物体收入辐射能与支出辐射能的差值称为净 辐射，也称辐射差额。 例如，对于净辐射通量密度 ，它是收入辐射通量密 度 与支出辐射通量密度 的差， 。
包括短波和长波辐射在内的地面净辐射通量密度为 或
地球表面的净辐射（辐射差额）就是地面所吸收的太阳短波 辐射和地面放出的有效辐射（长波）之差。在白天无云条件 下， 密度 是正值，地面升温；而在夜间，因无太阳辐射， 是 负值，则地面降温。从全年平均值看，各地地面净辐射通量 都是正的，用于地面使水分蒸发，以潜热形式给予大 气或以热对流方式直接给予大气，维持了地面的能量平衡。
水汽吸收导致的增温率可表示为
一维辐射对流模式获得的不同吸收气体所引起的气温时间变 率的垂直分布。粗实线代表 3 种气体的总体效果。
2. 整层大气的净辐射 整层大气的净辐射可用下式表示
和 ， 偿。
分别代表大气上界和地面的净辐射。 一般为正。净辐射为负值，平衡所缺少
的那部分能量通过地面提供的显热和潜热而得到补
T2 = (0.33E / 0.5)1/4 = 231 K T1 = (0.5 E / 0.5)1/4 = 255 K Ts = (1.67E / )1/4 = 290 K
多层大气模型
n 层大气，每一层as=0，al=0.5。 可用归纳法证明，从最顶层开始，逐层发射 辐射的向上辐照度分别为： E/3、E/2、2E/3、…、(1+n)E/6 行星表面发射辐射的辐照度为： (1+n/3)E 从Stefan-Boltzmann定律可计算温度。
简化 as = 0，al = a =0.5，E=S/4，F积分辐射通量密度
E (1―a)2Fs (1―a)F1 F2 ____________________________________ ____________________________________ E (1―a)Fs F1 F2 ____________________________________ ____________________________________ F1 (1―a)F2 E Fs ____________________________________
• 平衡 & 自我调节Βιβλιοθήκη • 不同太阳发光度下的平衡
雏菊覆盖面积
表面温度
小结
• 辐射平衡模型：能量分量和计算
– 简单模式 – 一层大气 – 多层大气
• 大气变温率：表达式和计算
– 短波 – 长波
课后练习 习题 17.2～17.7

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第一章地球上的辐射平衡

第一章地球上的辐射平衡

Q=458.4S0/ρ2 X (0sinsin+coscossin0)
特殊时刻、特殊位置 春秋分日 赤道上 极地处 冬季
夏季 在永夜区 在永昼区
天文气候----天文辐射的时空分布特征
天文气候带：赤道带：10S-10N 热带： 10-25 副热带：25-35 温带： 35-55 副寒带：55-60 寒带： 60-75 极地： 75-90
1、标出最大值、最低值 2、指出东西向变化、南北向变化
根据维恩定律， max=C/T
若太阳近似为黑体，则太阳表面温度为6113.7K。
2、太阳辐射的99%集中在0.17~4.0m的波长范围内---短波辐射。
二、天文辐射和天文气候
天文辐射（extraterrestrial solar radiation）： 大气上界的太阳辐射 S0
天文气候
S0:S00=R2:R02
近日天气
2008年9月23日22时登陆前
2008年9月24日7时登陆
黑格比的威力
黑格比的威力
黑格比的威力
“黑格比”具有3个显著特点： 一是生成后强度加强快。19日晚生成热带风暴后， 于第二天加强为强热带风暴，第三天加强为台风， 第四天加强为强台风。 二是台风移动速度较快。生成后一直以每小时20 公里左右的速度向西北方向移动，是今年登陆我国 移动速度最快的热带气旋之一。 三是云系范围大，可能带来较强降雨。“黑格比” 移动路径与今年第12号台风“鹦鹉”、2005年第 10号台风“珊瑚”极为相似，台风云系较大，可 能给珠江和长江流域的部分地区带来强降雨。
大气的反射作用：云 0.50—0.55
2、到达地面的太阳辐射—直接辐射和散射辐射 直接辐射： 太阳高度角 大气的透明系数 MAX 中午 夏季 北回归线 散射辐射： 太阳高度角 大气的透明系数
第4章 带电粒子平衡和辐射平衡

第4章 带电粒子平衡和辐射平衡

第4章带电粒子平衡和辐射平衡I.引言在放射物理体中，作为把某些基本的量关联起来的一种方法，辐射平衡(RE)和带电粒子平衡(CPE)K等同起来，而辐射平衡使D 的概念是很有用处的。

即：CPE能使得吸收剂量D和碰撞比释动能c与感兴趣的点处每单位质量转换成能量的净静止质量等同起来。

II. 辐射平衡让我们考虑一块如图4.1所示的扩展的体积V，体积中含有一分布的放射源。

在感兴趣的P点的周围有一块小的内部体积v。

这里，V要求要足够地大，以致任何发射出的射线（中微子除外）及其次级粒子（即散射射线及次级射线）的最大贯穿距离d小于V的边界和v的边界之间的最小间距。

放射性平均来说是各向同性地发射。

图4.1. 辐射平衡。

扩展的体积V含有均匀的介质和均匀分布的各向同性的源。

如果初级射线加上其次级射线的最大贯穿距离（d）小于v与V的边界的最小间距（s），则在小的内部体积v中存在辐射平衡。

中微子略而不计。

（见正文）如果在整个体积V中，存在下述的四个条件，则可以证明，对于体积v（v的大小在非随机的范围之内），存在辐射平衡(RE)：a. 介质的原子组成是均匀的。

b. 介质的密度是均匀的*。

c. 放射源是均匀分布的*。

*按Fano(1954)定理的说法，如果每单位质量中的源的强度是均匀的，则介质的密度不要求一定得是均匀的。

然而，这个定理在存在极化效应的情况下不够严格精确（见第8章）。

因此，对于更普遍的情况，我们还是要求条件b要得到满足。

d. 不存在能对带电粒子的路径造成干扰的电场或磁场——与随机取向的单个原子相关联的电场除外。

就这个命题的论证而言，分布在介质中的放射性物质的类型不要求特别地指定；放射性将在下一章论述。

然而，在此应该指出，所有的放射源都可以由所涉及的原子的静止质量的减少借助于爱因斯坦的质能关系式2mc =E 推导出他们所放出的能量，在质能关系式中，c 为光在真空中的速度。

在放出正β或负β射线的情况下，这个能量的很大一部分被连带的中微子以动能的方式所携走。

辐射平衡

辐射平衡

辐射平衡任何一个物体都能不断地以辐射方式进行着热量交换。

地面和大气与其它物体一样，都在不断地进行着这种热量交换。

在某段时间内，物体的辐射收支差值称为辐射差额。

当收入大于支出时，辐射差额为正值；反之，为负值；若收支相等，则称为辐射平衡。

差额为正时，物体有热量盈余，温度将升高；反之，则温度降低。

地面辐射差额为地面所吸收的太阳总辐射及地面放出的长波辐射之差，以公式表示为：Rg=(Q+q)(1-a)-F0式中，Rg为地面辐射差额；(Q+q)是到达地面的总辐射，即直接辐射和散射辐射之和；a为地面对总辐射的反射率，(1-a)为地面的吸收率；F0为地面的有效辐射。

当地面收入的热量多于支出的热量，则地面温度不断升高；反之，则地温不断下降。

一般最高温度出现在从升温转为降温的转折点上，最低温度出现在从降温转为升温的转折点。

因此，晴朗无云的天气里，地面温度最高值并不出现在太阳高度角最高的正午，而是在午后一点钟左右；最低温度出现稍迟于日出时刻。

由于地面热量传输给大气，需要有一定时间，所以气温日变化的最高、最低稍落后于地温日变化的最高最低，这就是地面辐射差额的日变化情况。

地面辐射差额年变化因纬度而异，纬度愈低辐射差额正值的月份愈多；纬度愈高，辐射差额保持正值的月份就愈少。

如果把地面和对流层大气看成是一整体，来研究此系统的辐射差额，能更清楚地看出辐射差额随纬度分布的情况。

这这个系统中，收入部分是由地面和大气所吸收的太阳辐射所组成，而支出部分则是辐射到宇宙空间去的地面和大气长波辐射。

地气系统辐射差额是随纬度增高而由正值转变为负值的，在35°S到35°N之间的地气系统辐射差额为正值，在此范围以外的中、高纬度地区为负值。

辐射差额的这种分布，也正是引起高低纬度之间大气环流和洋流产生的基本原因。

大气科学中的辐射平衡与能量传输

大气科学中的辐射平衡与能量传输

大气科学中的辐射平衡与能量传输大气科学研究了地球大气中的各种物理现象和过程，其中辐射平衡和能量传输是大气层中至关重要的一部分。

本文将着重探讨大气科学中的辐射平衡和能量传输。

一、辐射平衡辐射平衡指的是地球大气层接收到的太阳辐射与地球辐射的平衡。

太阳辐射是指从太阳射向地球的电磁辐射，通过辐射传输到地球的热能。

地球辐射是指通过地球表面向外传输的热能。

辐射平衡在维持地球气候和温度平衡方面起着至关重要的作用。

在辐射平衡中，太阳辐射的吸收和地球辐射的散发是相互平衡的。

地球表面吸收到的太阳辐射一部分被转化为热能，使地球表面温度升高，而剩余的一部分太阳辐射则被反射或散射回太空。

同时，地球表面也会向外辐射热能，这些热能被大气吸收，一部分再次向外辐射，维持着辐射平衡。

辐射平衡的研究帮助我们更好地理解地球气候变化和气温调控机制。

通过观测太阳辐射和地球辐射的变化，可以预测气候变化趋势，为应对全球变暖等问题提供科学依据。

二、能量传输能量传输是指地球大气层中能量在不同层次之间的传递和交换。

大气层中的能量传输是通过辐射、传导和对流等方式进行的。

这些传输方式的不同导致了地球大气层中空气温度、湿度和气候等方面的变化。

辐射传输是指能量通过辐射的方式在大气层中传递。

辐射传输主要包括太阳辐射和地球辐射。

太阳辐射通过大气层透过或被反射，一部分到达地球表面，一部分被大气吸收。

地球辐射也通过大气层透过或被吸收，一部分向太空散发，一部分被大气吸收。

传导传输是指能量通过物质的直接接触传递。

在大气层中，传导主要通过分子之间的碰撞实现。

热能会从高温区域向低温区域传导，使得大气不同层次之间的温度差异逐渐减小。

对流传输是指通过流体的运动来传递能量。

在大气层中，对流传输通过大气的热对流运动实现。

暖空气上升，冷空气下沉，形成了大气层中的气团运动，从而实现了能量的传递。

能量传输对于研究大气层中的气候变化和天气现象有着重要的意义。

了解能量传输的机制和规律有助于预测气候变化趋势和天气预报，为人们的生活和决策提供依据。