03太陽輻射傳輸.ppt

1、第五章地面和大氣中的輻射過程,5.4 太陽輻射在地球大氣中的傳輸 重點(diǎn)： 太陽輻射光譜、太陽常數(shù)、大氣上界輻射能分布 太陽輻射在地氣系統(tǒng)中的傳輸,5.4.1 太陽和太陽輻射,粗略估計(jì)，太陽向地球輸送的熱能大約是250億億卡/分鐘，相當(dāng)于燃燒4億噸煙煤所產(chǎn)生的能量。 地球從月球等其它天體所得的輻射能，僅為太陽的億分之一； 來自宇宙的輻射能也僅為太陽輻射能的20億分之一； 從地球內(nèi)部傳到地面的熱量，全年才為5.4卡/平方厘米，僅為來自太陽輻射能的萬分之一。,5.4.1 太陽和太陽輻射,地球和大氣最主要的能量來源是太陽輻射。 要了解大氣各層以及地面取得的太陽輻射能的規(guī)律，需要首先知道作為輻射源的太陽

2、進(jìn)入大氣的輻射能譜分布以及地球和大氣的吸收特性。,5.4.1 太陽和太陽輻射,在宇宙蕓蕓眾星之中，太陽是極其普通的恒星，目前處于星體演化的中年階段，安詳穩(wěn)定。,5.4.1 太陽和太陽輻射,5.4.1 太陽和太陽輻射,太陽的X射線圖片,5.4.1 太陽和太陽輻射,結(jié)構(gòu),5.4.1 太陽和太陽輻射,5.4.1 太陽和太陽輻射,太陽之剖面,5.4.1 太陽和太陽輻射,日冕及其微細(xì)結(jié)構(gòu),5.4.1 太陽和太陽輻射,太陽黑子,5.4.1 太陽和太陽輻射,太陽光譜(solar spectrum) ：由極為寬闊的連續(xù)譜以及數(shù)以萬計(jì)的夫瑯和費(fèi)吸收線和發(fā)射線組成 T=5777K 99.9% 的能量集中在IR、V

3、IS和UV。 地面觀測波段約為0.2952.5微米。 作用：可以探測太陽大氣特征和現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)制與演變規(guī)律，可以認(rèn)證譜線和確認(rèn)元素的豐度，研究地球氣候等。,2. 大氣外界太陽光譜及太陽常數(shù),太陽輻射譜的觀測 關(guān)心3個(gè)問題： (1) 大氣外界太陽輻射的譜分布； (2) 總譜能量或太陽常數(shù)； (3) 太陽輻射隨時(shí)間的變化。,2. 大氣外界太陽光譜及太陽常數(shù),觀測簡史 在20世紀(jì)初即已開始，地面測量； 50年代利用火箭觀測了太陽的紫外輻射； 60年代利用飛機(jī)和高空氣球?qū)μ栞椛渥V作了仔細(xì)的觀測研究； 70年代又利用火箭和衛(wèi)星以及新的主動(dòng)腔體輻射表觀測了太陽輻射的總譜能量。 氣象學(xué)領(lǐng)域，除了天氣預(yù)報(bào)這

4、項(xiàng)永恒的主題外，沒有哪一項(xiàng)工作，能象太陽常數(shù)測定那樣應(yīng)用了從高空氣球、飛機(jī)、火箭到衛(wèi)星和航天器等如此眾多的現(xiàn)代高科技手段。,2. 大氣外界太陽光譜及太陽常數(shù),觀測簡史 目前，在高山上進(jìn)行的長期測量，仍是測算大氣外界太陽輻射光譜的主要手段。借助高空觀測彌補(bǔ)紫外和紅外波段的測量。,2. 大氣外界太陽光譜及太陽常數(shù),2. 大氣外界太陽光譜及太陽常數(shù),美國斯密遜天體物理觀象臺(tái) The Smithsonian Astrophysical Observatory (SAO) /cfa/ep/brochure/sao.html,太陽輻射譜標(biāo)準(zhǔn) NASA標(biāo)準(zhǔn)：

5、70年代初，美宇航局用飛機(jī)測量，給出大氣上界太陽輻射譜分布，輻照度(即太陽常數(shù))為1353 Wm-2 。 WRC標(biāo)準(zhǔn)：瑞士達(dá)佛斯的世界輻射中心給出的大氣上界太陽譜分布，輻照度(即太陽常數(shù))為1367 Wm-2 。 WMO儀器與觀測方法委員會(huì)1981年10月決定采用WRC標(biāo)準(zhǔn)。,2. 大氣外界太陽光譜及太陽常數(shù),太陽輻射譜標(biāo)準(zhǔn),2. 大氣外界太陽光譜及太陽常數(shù),太陽常數(shù) 在大氣上界日地平均距離處，通過與太陽光線垂直的單位面積上的太陽輻射總輻射通量密度(包括所有波長),2. 大氣外界太陽光譜及太陽常數(shù),太陽常數(shù)：太陽積分輻射通量密度,2. 大氣外界太陽光譜及太陽常數(shù),1981年，WMO推薦的太陽常

6、數(shù)最佳值為：,2. 大氣外界太陽光譜及太陽常數(shù),太陽常數(shù)的變化,2. 大氣外界太陽光譜及太陽常數(shù),Solanki and Fligge 1998,2. 大氣外界太陽光譜及太陽常數(shù),太陽常數(shù)的變化,太陽溫度的估計(jì) P86：例5.2,2. 大氣外界太陽光譜及太陽常數(shù),太陽的位置和時(shí)間 7月北阿拉斯加午夜前后的太陽,5.4.2 地球大氣上界的太陽輻射能,入射到大氣上界水平面上的太陽輻照度,2. 水平面上太陽輻射通量的計(jì)算,大氣上界太陽輻射的日總量 取T = 86400 秒，太陽常數(shù)單位為 W m-2 ，Qd 單位為Jm-2d-1。,2. 水平面上太陽輻射通量的計(jì)算,大氣上界太陽輻射日總量 Qd 隨緯

7、度的變化是決定地球上各緯度間氣候差異的基本因素。 S0 的日變化與Qd 的年變化，使得氣溫也具有日變化與年變化。 氣溫并非簡單地取決于S0 和Qd,2. 水平面上太陽輻射通量的計(jì)算,由于太陽離地球較遠(yuǎn)，在地面上觀測到太陽的視角僅為0.5，因此太陽直接輻射可以認(rèn)為是一種平行光輻射。 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的能量，造成了太陽直接輻射的衰減(也稱削弱、消光)。,5.4.3 太陽的直接輻射,太陽輻射在大氣中的吸收和散射(示意圖),5.4.3 太陽的直接輻射,太陽輻射傳輸,5.4.3 太陽的直接輻射,5.4.3 太陽的直接輻射,假設(shè)：各吸收、散射過程相互獨(dú)立 衰減系數(shù)： kl,

8、R 為氣體分子散射所引起的衰減，k l,p 為氣溶膠粒子的散射所引起的衰減 kl,O 為臭氧吸收所引起的衰減 kl,a 為其它均勻混合氣體分子（主要是O2和CO2）吸收所引起的衰減。,1.地面太陽直接輻射,衰減系數(shù)：,1.地面太陽直接輻射,大氣質(zhì)量數(shù)是傾斜路徑的光學(xué)厚度與垂直路徑光學(xué)厚度之比 日光傾斜入射時(shí)與自天頂入射時(shí)的光學(xué)質(zhì)量之比,2.相對(duì)大氣質(zhì)量,均勻混合氣體相對(duì)大氣質(zhì)量 平面平行無折射均質(zhì)大氣,2.相對(duì)大氣質(zhì)量,均勻混合氣體相對(duì)大氣質(zhì)量 有折射地球非均質(zhì)大氣 Kasten經(jīng)驗(yàn)公式 WMO推薦,2.相對(duì)大氣質(zhì)量,水汽和臭氧的相對(duì)大氣質(zhì)量 由于水汽和臭氧厚度不易準(zhǔn)確確定，所以此二式計(jì)算誤差

9、較大，很少使用 由Kasten公式代替，并不作氣壓訂正,2.相對(duì)大氣質(zhì)量,總光學(xué)厚度 日光以天頂角角傾斜入射 空氣分子散射、 氣溶膠粒子散射、 臭氧吸收、 水汽吸收、 均勻混合氣體吸收,3地面太陽直接輻射的簡單模式,（1）空氣分子散射的光學(xué)厚度 由于空氣折射指數(shù)也與波長有關(guān)，Robinson (1966) 將上式修正為,3地面太陽直接輻射的簡單模式,（2）氣溶膠散射光學(xué)厚度 安斯川姆 ( ngstrm，1964 ) 提出下式計(jì)算整層大氣米散射的光學(xué)厚度 b 稱為渾濁度系數(shù)，隨大氣中氣溶膠總量而變 稱為波長指數(shù)，平均半徑越小，4,3地面太陽直接輻射的簡單模式,（2）氣溶膠散射光學(xué)厚度 FY-1C

10、,3地面太陽直接輻射的簡單模式,（3）臭氧吸收光學(xué)厚度 式中uO 為臭氧總量（m），mO 為臭氧的大氣質(zhì)量數(shù),3地面太陽直接輻射的簡單模式,（4）水汽吸收光學(xué)厚度 Pv：可降水量，把單位面積空氣柱中所有水汽都凝結(jié)成液態(tài)水時(shí)所具有的厚度（上式用m） e為地面水汽壓（hPa）;Pv：cm,3地面太陽直接輻射的簡單模式,（4）水汽吸收光學(xué)厚度,3地面太陽直接輻射的簡單模式,（5）均勻混合氣體吸收光學(xué)厚度,3地面太陽直接輻射的簡單模式,4 地面太陽直接輻射光譜,4 地面太陽直接輻射光譜,由公式 (5.4.20)，如果在一段時(shí)間不變，則地面所測太陽直接輻射光譜僅隨m 變化 長法需較長時(shí)間進(jìn)行觀測，保證m

11、有相當(dāng)大的變化范圍 天氣條件；紫外、紅外觀測不全，需補(bǔ)足,5大氣上界太陽光譜的地面測量,無論是晴朗無云或全天是云的白晝，天空總是明亮的。這些光是空氣分子和大氣氣溶膠顆粒散射太陽輻射的結(jié)果。,5.4.4 天空的散射輻射,1.空氣分子散射,5.4.4 天空的散射輻射,2.氣溶膠顆粒的散射 瑞利散射總存在，米散射因大氣顆粒物而存在 瑞利散射與波長四次方成反比，米散射光譜接近入射輻射 當(dāng)散射過程以米散射為主時(shí)，在太陽周圍的天空表現(xiàn)出很強(qiáng)的散射光強(qiáng)。稱為日周光,5.4.4 天空的散射輻射,3.陽傘效應(yīng) 由于云和氣溶膠（特別是火山灰）對(duì)太陽輻射的強(qiáng)散射作用，導(dǎo)致到達(dá)地面的太陽輻射能減少，稱為陽傘效應(yīng)或反射

12、效應(yīng),5.4.4 天空的散射輻射,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%,5.4.5地面對(duì)太陽輻射的反射和吸收,1 地面反照率,5.4.5地面對(duì)太陽輻射的反射和吸收,1 地面反照率 應(yīng)用：植被指數(shù)（NDVI） 在NOAA氣象衛(wèi)星上利用二個(gè)通道，分別測量可見光通道（例如0.580.68m）和近紅外通道（例如0.71.1m）波段的地面反照率 NDVI = (Ch2Ch1) / (Ch2+Ch1) 當(dāng)植被生長茂盛，植被指數(shù)值就較大,5.4.5地面對(duì)太陽輻射的反射和吸收,5.4.5地面對(duì)太陽輻射的反射和吸收,2 云的反照率 云的反照率既依賴于云的厚度、相態(tài)和含水量等云的宏微觀特性，而且和太陽高度角和下墊面反照率有關(guān),5.4.5地面對(duì)太陽輻射的反射和吸收,2 云的反照率,5.4.5地面對(duì)太陽輻射的反射和