大气辐射学

天气百科更新时间：2024-04-27

大气辐射学

大气辐射学1 大气辐射学

大气辐射学是研究辐射能在地球大气内的传输和转换过程的学科。属大气物理学的一个分支。太阳辐射是大气运动的能源，辐射过程是地-气系统中能量交换的主要形式(见大气环流的能量平衡和转换)。因此，大气辐射学是天气学、气候学、动力气象学、应用气象学和大气遥感等学科的理论基础之一。

大气辐射学简史

简史1 有云且不考虑大气衰减时到达卫星的辐射

从大气科学研究的初始阶段起，大气辐射学就受到人们的重视，历来被认为是气候和大气环流研究的基础。20世纪20年代，有人根据很简单的假定，计算了地-气系统的辐射收支;30年代提出了辐射传输的基本原理;1950年，美籍巴基斯坦学者S.昌德拉塞卡写了《辐射传输》一书，总结了他在恒星和行星大气辐射传输理论方面的主要工作，对辐射传输的理论和研究方法作出了重要贡献。60年代，英国R·谷迪和苏联К·я·孔德拉季耶夫等人在行星大气中的辐射传输方面，也作了许多工作，对大气辐射学的研究，起了一定的促进作用。电子计算机和红外分光技术的发展，使大气透过率（见大气消光）的计算更加精确，气象卫星及其他探测手段的迅速发展和广泛应用，又获得了大量的全球范围的大气辐射资料，这些都更加促进了大气辐射学的发展。

大气辐射学内容

大气辐射学的内容有以下几方面:

内容1 太阳辐射在大气中的衰减

①地-气系统辐射传输的基本物理过程和规律，包括太阳辐射(97％的能量在0.3～3微米波段内，辐射最强的波长在0.5微米附近)，地-气系统辐射（绝大部分能量在4～80微米波段内，辐射最强波长在10微米附近），以及不同地表状态、云、气溶胶、水汽、臭氧、二氧化碳等对辐射传输的影响（见反射率、大气吸收光谱、大气散射、大气臭氧层、温室效应）。

从非发光体表面反射的辐射与入射到该表面的总辐射之比，它是表征物体表面反射能力的物理量。绝对黑体的反射率为0，纯白物体的反射率为1，实际物体的反射率介于0与1之间，可用小数或百分数表示。地-气系统的反射率，它包括地面、云和各种大气成分对太阳辐射的反射能力及其总和。这些反射率决定着地-气系统吸收太阳辐射的百分数。物体对太阳辐射的反射能力。

内容2 大气辐射学

根据气象卫星的观测结果，整个地-气系统的反射率约为30％，即约有30％的太阳辐射能被反射回太空，其中三分之二是云反射的，其余部分则被地面反射和被各种大气成分所散射(见大气环流的能量平衡和转换)。云的反射率同云型和云层厚度有关，约在20～70％之间。陆面、土壤的性质和植被类型不同，也能使反射率改变，但这些差异一般不超过10～20％。而冰和雪的覆盖状况能引起反射率显著变化。例如，陆地被雪覆盖或洋面结冰时，将使其反射率增大30～40％，新雪面更可使反射率增大60％左右。原先无雪的地区如有积雪，则因反射率增大，将使太阳辐射能量的收入大约减小60％。这种影响随季节和纬度而不同，尤其明显的是，北纬50°以南的地区，当春季出现积雪时，上空平均将减少大约150卡/（厘米2·天）的热量收入。这样的热量收支变化，将产生明显的气候效应。

在极冰对气候影响的机制研究中，有人认为：冰雪-反射率-温度之间还存在“正反馈过程”，即冰雪的覆盖增大地表的反射率，使地-气系统吸收的辐射减少，从而降低气温，而降温又将进一步使冰雪面积扩展，反射率继续增大，造成温度越来越低的现象。在这个正反馈过程的基础上建立的气候模式（见气候模拟），已用于解释古代冰期的形成和对未来气候趋势的推测。也有人认为：在实际大气中，还存在着“负反馈过程”，它使气候具有稳定化的趋势（见极地气象学）。

内容3 大气吸收光谱

②辐射传输方程的求解。辐射传输方程是描述辐射传播通过介质时与介质发生相互作用（吸收、散射、发射等）而使辐射能按一定规律传输的方程，在地球大气条件下，求解非常复杂，只能在一些假定下求得解析解，因此辐射传输方程的求解，一直是大气辐射学研究的重要内容。

当温度不是绝对零度时，大气中的气体（主要是氧和水汽）、水滴（云、雨和雾）和冰滴(主要在冰云中)均会辐射电磁能，并产生热辐射噪声。在微波波段，这种热辐射噪声的特性通常用亮度温度来表征，亮度温度与热力学温度之比称为发射率。

分子中的电子从高能态跃迁到低能态时放出电磁能，形成辐射。分子吸收入射电磁能，使电子从低能态跃迁到高能态，形成吸收。一种分子具有的能态数是一定的。因此，它的辐射频谱和吸收频谱相同。根据基尔霍夫定律，发射率等于吸收系数。在气体中，分子密度小，碰撞只使谱线加宽，仍是离散的。但在固体或液体中，分子密度很大，碰撞使谱线混在一起而形成连续谱，在所有的频率上均有吸收和辐射。

在实际的大气传输过程中，因吸收和散射而损失一部分能量；另一方面，大气辐射又使总能量增加。求解描述这个过程的传输方程（忽略散射），即可得到观测点上的亮度温度T

内容4

式中光学厚度内容5 ；分别为沿路径点上的温度和吸收系数。在散射影响可忽略的情况下，只要和采用相应的具体数值，大气气体、雨、云和雾的亮度温度均可采用上式求得。晴天时是气体和水汽吸收系数之和；其他天气时，是气体吸收系数与云、雨或雾的吸收系数之和。当波长较短或水滴较大时，则不可忽略散射的影响。这时，计算云和雨亮度温度的公式复杂得多。

假若大气是球面分层，用，则在天顶角θ方向上的亮度温度可简化为

T＝Tm【1-exp(-τ0

secθ)】

式中内容7 为天顶方向上的光学厚度;Tm为平均辐射温度。亮度温度的一般变化规律是：当 τ0一定时，天顶方向上T 最小，水平方向上T 最大；τ0增大时，T值也增大，但T 值不会超过Tm值。晴天和天顶角不太大时，均可看到在氧和水汽谱线附近出现亮度温度的峰值。

大气辐射噪声会对接收系统，特别是对噪声系数很低的系统造成有害的影响。但在大气无源微波遥感中，却能利用大气辐射噪声的各种特性，测量大气的温度分布、水汽密度分布和云中含水量等大气参数。

③辐射与天气、气候关系的研究。它从地—气系统辐射收支的角度来研究天气和气候的形成以及气候变迁问题（见辐射差额）。

大气辐射学动向

大气辐射学的研究，有两个引人注目的动向：

①许多复杂的物理动力气候学问题中，涉及到海洋、极冰、陆地表面的辐射和热状况，大气中的云、气溶胶、二氧化碳等因子在辐射过程中对气候所造成的影响，以及这些过程和大气辐射过程之间复杂的相互作用和反馈关系。

②随着大气遥感技术的迅速发展，对红外辐射吸收带的研究和计算的要求很高；在辐射传输问题中，云（特别是卷云）的透过率变化很大，对辐射有很大的影响，也需要解决。这两方面都是大气辐射学今后研究的课题。

大气辐射学相关学科

大气科学、气候学、物候学、古气候学、年轮气候学、大气化学、动力气象学、大气物理学、大气边界层物理、云和降水物理学、云和降水微物理学、云动力学、雷达气象学、无线电气象学、大气辐射学、大气光学、大气电学、平流层大气物理学、大气声学、天气学、热带气象学、极地气象学、卫星气象学、生物气象学、农业气象学、森林气象学、医疗气象学、水文气象学、建筑气象学、航海气象学、航空气象学、军事气象学、空气污染气象学。