第二节 地面和大气的辐射
太阳辐射虽然是地球上的主要能源，但因为大气本身对太阳辐射直接吸收很少，而水、陆、植被等地球表面（又称下垫面）却能大量吸收太阳辐射，并经转化供给大气，从这个意义来说，下垫面是大气的直接热源。为此，在研究大气热状况时，必须了解地面和大气之间交换热量的方式及地-气系统的辐射差额。
一、地面、大气的辐射和地面有效辐射
地面能吸收太阳短波辐射，同时按其本身的温度不断地向外放射长波辐射。大气对太阳短波辐射几乎是透明的，吸收很少，但对地面的长波辐射却能强烈吸收。大气也按其本身的温度，向外放射长波辐射。通过长波辐射，地面和大气之间，以及大气中气层和气层之间，相互交换热量，并也将热量向宇宙空间散发。
（一）地面和大气辐射的表示
地面和大气都按其本身的温度向外放出辐射能。由于它们不是绝对黑体，运用斯蒂芬-波耳兹曼定律，可写成如下形式
Eg=δσT4 （2·18）
Ea=δ′σT4 （2·19）
式中Eg和Ea分别表示地面和大气的辐射能力，T表示地面和大气的温度，δ和δ′分别称地面和大气的相对辐射率，又称比辐射率。其大小为地面或大气的辐射能力与同一温度下黑体辐射能力的比值，在数值上等于吸收率。如地面温度为15℃，以δ=0.9，则可算得
Eg=0.9×5.67×10-8×（288）4=346.7W/m2
同样，当地面温度为15℃，根据维恩定律可算得
即该温度下地面最强的辐射能位于波长10μm左右的光谱范围内。地面平均温度约为300K，对流层大气的平均温度约为250K，故其热辐射中95％以上的能量集中在3—120μm的波长范围内（属于肉眼不能直接看见的红外辐射）。其辐射能最大段波长在10—15μm范围内，所以我们把地面和大气的辐射称为长波辐射。
（二）地面和大气长波辐射的特点
1.大气对长波辐射的吸收
大气对长波辐射的吸收非常强烈，吸收作用不仅与吸收物质及其分布有关，而且还与大气的温度、压强等有关。大气中对长波辐射的吸收起重要作用的成分有水汽、液态水、二氧化碳和臭氧等。它们对长波辐射的吸收同样具有选择性。
图2·12描绘了整个大气对长波辐射的放射与透射光谱。由图看出，大气在整个长波段，除8—12μm一段外，其余的透射率近于零，即吸收率为1。8—12μm处吸收率最小，透明度最大，称为“大气窗口”。这个波段的辐射，正好位于地面辐射能力最强处，所以地面辐射有20％的能量透过这一窗口射向宇宙空间。在这一窗口中9.6μm附近有一狭窄的臭氧吸收带，对于地面放射的14μm以上的远红外辐射，几乎能全部吸收，故此带可以看成近于黑体。
水汽对长波辐射的吸收最为显著，除8—12μm波段的辐射外，其它波段都能吸收。并以6μm附近和24μm以上波段的吸收能力最强。
液态水对长波辐射的吸收性质与水汽相仿，只是作用更强一些，厚度大的云层表面可当作黑体表面。
二氧化碳有两个吸收带，中心分别位于4.3μm和14.7μm。第一个吸收带位于温度为200—300K绝对黑体的放射能量曲线的末端，其作用不大，第二个吸收带从12.9—17.1μm，比较重要。
2.大气中长波辐射的特点
长波辐射在大气中的传输过程与太阳辐射的传输有很大不同。第一，太阳辐射中的直接辐射是作为定向的平行辐射进入大气的，而地面和大气辐射是漫射辐射。第二，太阳辐射在大气中传播时，仅考虑大气对太阳辐射的削弱作用，而未考虑大气本身的辐射的影响。这是因为大气的温度较低，所产生的短波辐射是极其微弱的。但考虑长波辐射在大气中的传播时，不仅要考虑大气对长波辐射的吸收，而且还要考虑大气本身的长波辐射。第三，长波辐射在大气中传播时，可以不考虑散射作用。这是由于大气中气体分子和尘粒的尺度比长波辐射的波长要小得多，散射作用非常微弱。
（三）大气逆辐射和地面有效辐射
1.大气逆辐射和大气保温效应
大气辐射指向地面的部分称为大气逆辐射。大气逆辐射使地面因放射辐射而损耗的能量得到一定的补偿，由此可看出大气对地面有一种保暖作用，这种作用称为大气的保温效应。据计算，如果没有大气，近地面的平均温度应为-23℃，但实际上近地面的均温是15℃，也就是说大气的存在使近地面的温度提高了38℃。
2.地面有效辐射
地面放射的辐射（Eg）与地面吸收的大气逆辐射（δEa）之差，称为地面有效辐射。以F0表示，则
F0=Eg-δEa (2·20)
通常情况下，地面温度高于大气温度，地面有效辐射为正值。这意味着通过长波辐射的放射和吸收，地表面经常失去热量。只有在近地层有很强的逆温及空气湿度很大的情况下，有效辐射才可能为负值，这时地面才能通过长波辐射的交换而获得热量。
影响有效辐射的主要因子有：地面温度，空气温度，空气湿度和云况。一般情况下，在湿热的天气条件下，有效辐射比干冷时小，有云覆盖时比晴朗天空条件下有效辐射小；空气混浊度大时比空气干洁时有效辐射小；在夜间风大时有效辐射小；海拔高度高的地方有效辐射大，当近地层气温随高度显著降低时，有效辐射大；有逆温时有效辐射小，甚至可出现负值。此外，有效辐射还与地表面的性质有关，平滑地表面的有效辐射比粗糙地表面有效辐射小；有植物覆盖时的有效辐射比裸地的有效辐射小。
有效辐射具有明显的日变化和年变化。其日变化具有与温度日变化相似的特征。在白天，由于低层大气中垂直温度梯度增大，所以有效辐射值也增大，中午12—14时达最大；而在夜间由于地面辐射冷却的缘故，有效辐射值也逐渐减小，在清晨达到最小。当天空有云时，可以破坏有效辐射的日变化规律。有效辐射的年变化也与气温的年变化相似，夏季最大，冬季最小。但由于水汽和云的影响使有效辐射的最大值不一定出现在盛夏。我国秦岭、淮河以南地区有效辐射秋季最大，春季最小；华北、东北等地区有效辐射则春季最大，夏季最小，这是由于水汽和云况的影响。