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2.2 地面和大气的辐射

时间:2022-08-20 归属:气象学与气候

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

地面和大气的辐射

  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。

地面和大气的辐射

  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。

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  • 关键词:大气 地面 辐射
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