现代大气探测学-第8讲-辐射的测量-夏俊荣(南京信

现代大气探测学南京信息工程大学

夏俊荣

致 谢本课程多媒体教材是在兰州大学 张文煜教授的同类教材基础之上修 改完成，此外还得到了其他诸位老 师的帮助，在此谨表示衷心感谢。

第八讲 辐射和日照时数的观测

主要内容1.辐射的基本知识 2.辐射的观测仪器及原理 3.日照时数的观测 4.复习参考题

一、辐射的基本知识1.概述 2.短波辐射 3.地球长波辐射 大气长波辐射EL↓ 地面长波辐射EL↑ 4.太阳常数S0 5.直接辐射 6.散射辐射Ed↓ 7.总辐射Eg↓ 8.短波反射辐射Er↑ 9.净全辐射 10.辐射观测的基础

1、概述

辐射是以电磁波形式传递能量的一种方式，太阳 辐射是地球表面获得热量的主要来源，也是地球表 面与大气交换热量的一种形式

2、短波辐射与长波辐射 太阳辐射 能量99.9% 0.2-10 µm <0.4 µm 紫外辐射 0.4-0.76 µm 可见光辐射 >0.76 µm 红外辐射 0.29-3.0 µm 短波辐射 (能量97% 气象站主要观测对象) 地球辐射 地球表面、大气、气溶胶和云层 发射的长波辐射 3.0-100.0 µm 能量99% >5.0 µm

维恩位移定律

max

2897.8 T

太阳(6000K) λmax=0.483 µm (蓝光) 地面(300K) λmax=9.659 µm 大气(200K) λmax=14.489 µm

黑体辐射曲线

太阳短波辐射 垂直于太阳入射光的直射辐射S:包括来自太阳 面的直接辐射和太阳周围一个非常狭窄的环形天 空辐射(环日辐射),可用直接辐射表测量 水平面太阳直接辐射SL:SL与S的关系

SL S sin H A S cos Z HA为太阳高度角，Z为天顶角(互余) 散射辐射Ed↓:太阳辐射经过大气散射或云的反 射，从天空2π立体角以短波形式向下，到达地面 的那部分辐射。可用总辐射表，遮住太阳直接辐 射的方法测量

太阳高度角示意图

太阳短波辐射 总辐射Eg↓:水平面上，接收到天空2π立体角内发出 的太阳直接辐射和散射辐射之和。可用总辐射表测 量

Eg SL Ed

白天太阳被云遮蔽时，Eg↓= Ed↓ 夜间 Eg↓=0

太阳短波辐射 短波反射辐射Er↑:总辐射到达地面后被下垫面 向上反射的那部分短波辐射。可用总辐射表感 应面朝下测量 下垫面的反射能力以它的反射比Ek表示(地表反 照率)

Er Ek Eg

3、太阳常数在日地平均距离处， 地球大气上界垂直于太阳光束方向上 接收到的太阳辐照度，称为太阳常数。 1981年世界气象组织(WMO)推荐了 太阳常数的最佳值是 So=1367±7W· m-2

太阳直接投射到地面 上的辐射，记为SL 直 总辐射到 接 达地面后 太阳直接辐 辐 被下垫面 射 射和天空散 总辐射 短波反射辐射 向上反射 射辐射到达 散 的那部分 水平面上的 射 短波量，

辐 总量 Er↑ 射 Eg↓=SL+Ed 经过大气散射或云的反射， ↓ 以短波形式到达地面的那部 分辐射量，记为Ed↓

4、地球长波辐射 大气长波辐射EL↓:大气以长波形式向下发 射的那部分辐射，或称大气逆辐射 地面长波辐射EL↑:地球表面以长波形式向 上发射的辐射(包括地面长波反射辐射)。 与地面温度有密切联系

5、全辐射 短波辐射与长波辐射之和，称为全辐射 波长 0.29-100µm

6、净全辐射E*(辐射平衡) 太阳与大气向下发射的全辐射和地面向上 发射的全辐射之差值，也称为净辐射或辐 射差额。 净全波辐射E*= Eg↓+EL↓-Er↑-EL↑ 净短波辐射Eg*= Eg↓- Er↑ 净长波辐射El*= EL↓- EL↑

SL

Ed Eg

EL

EL Er

各种辐射示意图

能量变化-气候变化

Trenberth et al., 2009

辐射观测的基础

通常对辐射的观测 都是以测定吸收辐射能 所产生的热量为基础的