| 词条 | 大气辐射学 |
| 释义 | 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。 词条释义简史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。 内容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。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）。 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 式中光学厚；)分别为沿路点上的温度和吸收系数。在散射影响可忽略的情况下，只要T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，α)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Tm代替T)，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）。 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。 图书《大气辐射学》基本信息书名：大气辐射学 [精装]丛 书： 中国科学院研究生教学丛书 作 者： 石广玉 书 号： 9787030189974 出 版 社： 科学出版社 出版日期： 2007-6-11 定 价： 89.0 元 内容简介作者在大气辐射学领域内坚持不懈地辛勤耕耘了80余载，又在中国科学院研究生院为培养研究生讲授大气辐射学有近10年之久，长期的研究和教学实践积累了不少有创见性的研究结果和心得。本书正是在这样扎实的基础上撰写而成，它不仅十分清晰简明地向读者介绍了必要的大气辐射学基础知识，更综合了大气辐射学的前沿科学知识以及作者的主要研究成果。 本书目录《中国科学院研究生教学丛书》序 序 前言 绪论 第1章 地球大气组成及其变化 1.1 大气的热结构 1.2 大气压力随高度的变化 1.3 大气组成及其变化 1.3.1 地球大气的演化 1.3.2 现今地球大气的组成 1.3.3 大气组成的变化 第2章 大气辐射过程与辐射性质 2.1 热辐射 2.1.1 热力学平衡与局地热力学平衡 2.1.2 热辐射的基本定律 2.2 气体分子能级跃迁与光谱特性 2.2.1 大气分子吸收光谱的形成能级与跃迁 2.2.2 振动-转动带的结构 2.2.3 谱线强度、半宽度和线型 2.3 大气分子吸收光谱 2.3.1 大气主要分子的红外吸收光谱 2.3.2 分子光谱资料汇编 2.4 大气中粒子的光散射与吸收 2.4.1 球形粒子光散射的Mie理论及其算法 2.4.2 非球形粒子的光散射 2.4.3 分子大气的Rayleigh散射 2.4.4 气溶胶和云的光学特性及其参数化 第3章 单色辐射传输问题的解 3.1 辐射传输方程 3.1.1 定义 3.1.2 辐射传输方程的一般形式 3.2 对于特殊问题的解析解 3.2.1 无散射大气的形式解 3.2.2 各向同性散射的奇异本征函数方法 3.3 数值解法 3.3.1 离散坐标法 3.3.2 球谐函数法 3.3.3 倍加-累加法 3.3.4 逐次散射法 3.3.5 Monte Carlo方法 3.4 近似数值解法 3.4.1 二流近似 3.4.2 单次散射近似 3.5 三维辐射传输数值方法简介 3.5.1 辐射场的离散化 3.5.2 球谐函数离散坐标法 第4章 辐射传输中的光谱积分 4.1 辐射计算的若干问题 4.1.1 透过率与吸收率 4.1.2 非均匀路径的透过率 4.2 逐线积分模式 4.2.1 引言 4.2.2 积分样点的选取 4.2.3 半宽度、谱线位置和线强的近似处理 4.2.4 线翼贡献的截断 4.3 带模式 4.3.1 引言 4.3.2 不同线强分布的带模式平均吸收 4.3.3 洛伦兹线型的带模式表达式 4.3.4 CG近似在随机带模式中的应用 4.4 吸收系数分布(k分布)模式 4.4.1 k分布模式 4.4.2 相关k分布模式 4.4.3 吸收系数的温度依赖关系及其处理方法 4.4.4 重叠吸收带 4.4.5 光子路径长度分布与整带k分布函数 4.5 参数化与经验和半经验方法 4.5.1 地球大气太阳辐射吸收的参数化 4.5.2 热辐射传输 第五章 地气系统辐射平衡扰动的简单模式表达 5.1 地气系统的辐射平衡 5.2 能量平衡模式 5.2.1 引言 5.2.2 零维能量平衡模式 5.2.3 一维能量平衡模式 5.2.4 二维能量平衡模式 5.2.5 箱室一扩散大气-海洋能量平衡模式 5.3 辐射-对流模式 5.3.1 模式基本假定 5.3.2 基本方程 5.3.3 方程的求解 5.3.4 反馈过程 5.3.5 模式流程 5.3.6 若干结果 第6章 气候变化的辐射强迫 6.1 引言 6.1.1 辐射强迫的基本概念 6.1.2 主要的辐射强迫因子及其大小 6.2 大气温室气体的辐射强迫 6.3 大气气溶胶的辐射强迫 6.3.1 引言 6.3.2 对流层气溶胶的辐射-气候效应 6.3.3 火山气溶胶 6.4 太阳变化的辐射强迫 6.4.1 引言 6.4.2 太阳变化的观测 6.4.3 太阳总辐射通量密度的重建 6.4.4 太阳变化与地球气候 6.5 云的辐射强迫 6.5.1 云辐射强迫的概念及云对太阳辐射的“异常”吸收 6.5.2 云辐射强迫的计算方法 6.5.3 云-辐射气候效应的数值模拟 6.6 全球增温潜能 6.6.1 全球增温潜能(GWP)的科学定义 6.6.2 GWP的应用 6.6.3 GWP的计算方法 6.6.4 全球温变潜能(GTP)及其计算方法 6.7 人为热释放 主要参考文献 附录1 与辐射有关的物理常数 附录2 单位与换算 附录3 HITRAN2004分子光谱资料汇编简介 附录4 大气气溶胶折射指数 附录5 水和冰的复折射指数 附录6 地外太阳分光光谱辐射通量密度以及到达地面的太阳辐射通量的简化计算方法 附录7 目前世界上若干大气环流模式中的辐射方案简介 |
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