1ghz等于多少hz

大气辐射传输理论

引言

学科定义：

1、大气辐射学研究辐射能在地球-大气系统内传输和转换的规律及其应用，属大气物理学的一个

分支。大气辐射学是天气学、气候学、动力气象学、应用气象学、大气化学和大气遥感等学科的

理论基础之一。

2、地球－大气系统的辐射差额是天气变化和气候形成及其演变的基本因素，可以说辐射过程与

动力过程的作用共同决定了地球的气候环境。

学习、研究的意义

辐射是地气系统与宇宙空间能量交换的唯一方式

数值天气预报中需要定量化考察大气辐射过程

辐射传输规律是大气遥感的理论基础

气候问题——辐射强迫

近年来人类活动造成的地球大气气候变迁成为大气科学研究热点，其原因也在于人类活动所排放

的某些物质会改变地球大气中的辐射过程所致。

大气辐射学主要研究内容：

一、地-气系统辐射传输的基本物理过程和规律，包括

m=0.5μm附近3μm波段内，)；(97%E1、太阳的辐射在0.3～m=10μm附近)；波段内，

绝大部分2、地-气系统辐射(E在4～80μm3、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。

二、大气辐射学还要研究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。

三、另外，对辐射与天气、气候关系的研究也是大气辐射学的重要内容，它是从地-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的。

相关内容：

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。

第一章用于大气辐射的基本知识

第一节辐射的基本概念

太阳辐射和地球大气辐射虽具有不同的特性，其本质是相同的，它们都是电磁辐射。电磁辐射是

以波动和粒子形式表现出的一种能量传送形式。

1.1.1电磁波及其特性

一、波：波是振动在空间的传播。有横波和纵波的形式之分。

二、机械波：机械振动在媒质中的传播，如声波、水波和地震波。ElectroMagneticSpectrum）：

变化电场和变化磁场在空间的传播。三、电磁波（:四、电磁辐射电磁能量的传递过程（包括

辐射、吸收、反射和投射）称为电磁辐射。五、电磁波的特性：3、电磁波具有波粒二相性：、

在真空中以光速传播、电磁波是横波12表现在电磁辐射以波动方式在大气中传播，并发生反射、

折射、衍射和偏振等效应。也就是说电波动性：1

磁波是以波动的形式在空间传播，因此具有波动性。

粒子性：电磁波是由密集的光电子微粒组成的，电磁辐射的实质是光子微粒的有规律的运动。电

磁波的粒子性使得电磁辐射的能量具有统计性。表现在电磁辐射过程、吸收过程发生的气体辐射

谱线和吸收谱线、光电效应等。

波粒二相性的程度与电磁波的波长有关：波长越短，辐射的粒子性越明显；波长越长，辐射的波

动性越明显。这种双重特性实际正是电磁辐射本质在不同方面的表现。

1.1.2辐射的物理本质

自然界一切物体都时刻不停地以电磁波（电场和磁场的交变波动）的形式向四周传递能量，同时

也接收外界投射来的电磁波，这种能量传递的方式称为辐射。以这种方式传递的能量，称为辐射

能。

辐射产生的原因

光辐射：依靠入射光补充能量而导致的辐射（如夜光等）

电辐射：依靠放电补充能量而导致的辐射（如日光灯等）

化学辐射：依靠化学反应补充能量而导致的发光

热辐射：物体因吸收外界的热量或减少本身的内能而产生的辐射，也称为温度辐射

在物理学中，直接把辐射作为电磁波

为每份能量的辐射称为光子。每个光子的能量

传播，6.626*10-34JS。在真空中以光速ch为Planck常数，h＝为辐射频率，以S－1为单位，1

2.9979*108ms－c＝频率与波长之间的关系：10-310-7cm＝nm（1nm＝来表示太阳辐射的波长；

习惯上常用微米μm(1μm＝10-4cm)其他的单位，如纳米μm）也经常使用，特别是用于紫外

辐射。＝μm）和埃米?（1?10-4。30GHz＝109Hz，因此，1cm相当于GHz频率单位通常使

用，1GHz来描述红外辐n－cm1为单位，习惯上常用波数波长的倒数称为波数n，表示单位距

离内波的数目，常以射特征，它的定义是：

因此，一个光子的能量与辐射的波长成反比，光子的辐射频率和相应的能量与波数成正比。

电磁波谱1.1.3不同波长的电磁波具有不同的物理性质，因此我们可以按波长或频率来区分辐射，

确定相应的名称，它们共同组成了电磁波的频谱。

2

人眼视网膜敏感区相应的电磁波，称为可见光区。在可见光区还可以分成几个次波段，它们具有

不同的颜色：红橙黄绿蓝靛紫

电磁波谱紫外线：微米0.315-0.400uv-A：0.280-0.315微米uv-B：

0.150-0.280微米uv-C：

0.3-0.4微米nearuv：

0.2-0.3微米Middleuv:

0.1-0.2微米：faruv0.01-0.1微米extremeuv：

0.7-2.5微米红外线：近红外：

微米远红外：2.5-1000

微米长短波（太阳辐射与地球辐射光谱不重叠）分界：4

1.1.4基本辐射量立体角sr，为一无量纲量。定义：锥体所拦截的球面积σ与半径r的平方之

比，单位为球面度

sr。如：对表面积为4πr2的球，它的立体角为4π以发射体为中心的球坐标中，立体角定义

为：dsindrrddddsind2r

90][0是极坐标中的天顶角，[0,360]是方位角常用辐射量E

辐射能焦耳、热力学卡（1k=4.1840J）能量:dE）f辐射通量（发光度）（辐射功率WfW

，即单位时间内通过任意表面的辐射能量，单位为J/sdtF

辐射通量密度

W/m2。设面元为dA：单位时间通过单位面积的辐射能量，单位为irradiance）F表示面元接

受的时，又称辐照度（emittance表示从物体表面发射出的F，又称辐出度、辐射度、辐射能力

（）。

I（又称辐亮度，辐射率）辐射强度单位立体角、单位时间、单位面积所通过的辐射能量，单

位为W/m2sr。3

角，则上式为：如面元法向与辐射方向成θ

辐射率是指源或接收面上的点的辐射能力，应注意的是，它的定义在平行光束情形由于需要除以

零立体角而不再适用。'单位量纲符号Quantity辐射量TML22(J)焦耳

Energy能量ETML(J)通量Joulepercond发光度Flux(32f1,W)cFlux

density(辐照MT3FJoulepercondpersquaremeter)度or辐出度2(Wm)MT3Joulepercond

persquaremeterI辐亮度，辐射(强度l2persteradian(Wm)sr)率

单色辐射术语的引用：间隔上的单色辐射时，各辐射量都有它对应或波数n在讨论限制

在一个指定的无穷小的波长λ、频率

Iλ。F的量，这些量是光谱量，在符号上分别用下标λ、和n来标注，如fλλ单色与谱

段积分辐射量2dQQ1

辐射通量密度与辐射强度的关系辐射强度与方向无关称为各向同性，如太阳、陆地表面，又称：

余弦辐射体或朗伯体光源。平静的水面因有反射不能当做朗伯面处理。IF在极坐

标系中，对各向同性辐射，其单色辐射通量密度与单色辐射强度的关系为：：证明此关系式）

（习题1辐射源往外发射辐射的物体称为辐射源。最简单的辐射源是点源，这是一种理想的情

况，即其几何尺度可以被忽的球面，则通过r，以点源为中心画一个半径为略。假设源向四周

发射是均匀的，发射辐射的功率为f0

球表面的辐射通量密度为：

增大，因此通过单位面积的辐2r这里辐射传输的方向都在半径方向。由于与立体角相对的面积

随距离以射能，即辐射通量密度将随r2减小。在离点光源距离相当大并且在讨论相对比较小

的范围中的问题时，可以把由点源发出的辐射当作平行辐射处理。在大气辐射中，我们常把来

自太阳的直接辐射看作平行光。

在不考虑吸收散射等因素时，平行光的辐射通量密度应当是常数，即在任何位置上设置一个和辐

射传输方向相垂直的平面，通过这平面的辐射通量密度都应当是一个常数。立体角中发射辐射

能。我们大部2面辐射源：面辐射源的特点是其辐射的方向可以是不同的，它可以向π4

分讨论的是水平均一或球面均匀的大气。

黑体辐射定律第二节

吸收率、反射率和透射率1.2.1

定义：0，Ea/E?吸收率A=＝＋1，A＋Rr/?反射率R=EE0。t/E?透射率0=E。

吸收率、反射率、透射率的概念可用于各种波长的条件当物体不透明时，=0,则有A+R=1。?

λλRλ单色吸收率、反射率和透射率，分别记为A各种物体对不同波长的辐射具有不同

的吸收率与放射率，构成了该物体的吸收光谱或辐射光谱。?黑体和灰体1绝对黑体：对所有

波长的辐射吸收率均为1对某一波长的辐射吸收率为单色黑体;注意：黑体与黑色物体是有区别

的！的常数，不随波长而变吸收率<1灰体

，且随波长而变化。选择性辐射体：吸收率小于1辐射平衡当物体放射出的辐射能恰好等于吸

收的辐射能，称该物体处于辐射平衡。这时物体处于热平衡态，因而可以用一态函数，温度来描

述它。热力学定律可用来研究辐射平衡态时物体吸收和发射的规律:基尔霍夫定律和有关黑体热

辐射的三个定律。

1.2.2四个定律

（1）普朗克PlanckLaw(1901)

1901年Planck提出量子化辐射的假设，对于绝对黑体物质，单色辐射通量密度与发射物质的温

度和辐射

波长或频率的关系。从理论上得出，与实验精确符合Planck函数：2hc2B：第一辐射

常数C1

Thc5C2：第二辐射常数1exp

kT108ms-1光速c=3.0，，=6.626210-34Js-1普朗克常数h

10-23JK-1。波尔兹曼常数k=1.3806由普朗克定律可以得出各种温度下绝对黑体的辐射光谱

曲线。

黑体辐射与物质组成无关无穷mm的辐射，但温度不同，辐射能量集中的波段不同。、任何

温度的绝对黑体都放射波长10~、温度越高，各波段放射的能量均加大。积分辐射能力也随温

度升高而迅速加大。但能量集中的波段则2向短波方向移动。（例：铁）

l，即光谱曲线有一极大值，而且随温度升高，max变小。max、每一温度下，都有辐射最强的

波长3l

5

620

380

）斯蒂芬－玻耳兹曼定律（2Stefan-Boltzmann

即黑体年从热力学理论上予以证明。从实验得出，后经Boltzmann于1884Stefan普朗克定律提出

之前，1879年总辐射通量随温度的增加而迅速增加，它与绝对温度的四次方成正比。因此，温

度的微小变化，就会引起辐射通量密度很大的变化。

Stefan-Boltzmann常数

4

2K=5.66961*10-8Wm是红外装置测定温度的理论基础。

Wien3（）维恩位移定律函数对波长微1893年维恩从热力学理论推导出：黑体辐射最大强度的

波长与它的温度成反比。同样将planck

分，可得：

黑体温度越高，l愈小。即：随着温度的升高，辐射最大值对应的峰值波长向短波方向移动。

max

kirchhoff基尔霍夫定律）（4年由热力学定律论证年提出，于18591882成正比关系，二者比

值只是波长和与吸收系数TAλTλ在辐射平衡条件下，任何物体的单色辐射通量密度FPlanck

温度的函数，与物体性质无关，比值大小等于函数的通量密度形式F

TBATAT6．

基尔霍夫kirchhoff定律的意义：

1、不仅将物体的辐射能力与其吸收率联系起来，同时又将物体的辐射能力与黑体的辐射能力联

系在一起。可以将有关黑体的结果应用于非黑体，就给讨论物体辐射的发射和吸收带来很大方便。

2、该定律要求热力学平衡条件，所以要求达到均一的温度分布和各向同性辐射。显然，地球大

气的辐射场就整体而言不是各向同性的，他的温度也不均一。但是对大约60～70km以下的局部

空间而言，可以作较好的近似。所以只有在局域热力学平衡的意义上，基尔霍夫定律才适用于大

气。

[习题2]若黑体积分辐射能力FB=7.250104Wm2,计算该黑体的温度以及辐射最强的波长。

=5.66961*10-8Wm2K4

第四节辐射传输引论

散射、吸收、发射

散射(scattering):物体通过该过程从入射辐射中连续地提取能量，再将其向各方向重新辐射出去

Rayleigh散射、和Mie散射；单次、二次和多次散射

吸收(absorption):辐射能量被吸收后被转换为其它形式的能量

消光(extinction=attenuation):散射+吸收

发射(emission)

辐射传输方程

辐射强度I在大气中传播，通过ds的距离后变为I+dI，dI由以下两方面原因产生：dI＝dI1＋dI2

1、吸收和散射作用辐射能衰减IdskdI1

ρ是传输介质的密度，k称为单色辐射的质量消光系数，是质量吸收和质量散射系数之

和.(cm2*g-1)

截面（crossction）σ

表示粒子从初始光束中移除的能量大小

面积：[L2]cm2

相对质量：[L2M-1]cm2g-1质量消光截面k

红外传输中，质量吸收截面吸收系数…

（体积）消光系数β：[L-1]cm-1

消光截面σ(cm2)×数密度N(cm-3)或质量消光截面k×密度ρ

2、因物质发射的同波长辐射和多次散射而增强

定义源函数系数j（质量发射系数-1）

dsjdI2

综合上述两方面作用：

dskjIdsdIdIdI21

Jj/k定义源函数

dIIkJ

ds

7

普遍的辐射传输方程，讨论任何辐射传输过程的基础Beer-Bouguer-LambertLaw

积分到s=0k只代表质量吸收系数。则从辐射传输最简单的情形：忽略散射和发射的贡献，此时s=s1可得s1ds(0)expkI(s)I10

），因此定义光学路径长度（pathlength，则k不依赖于距离s假定传输介质均匀（如薄层近似），

量纲为[ML-2]或光学质量（opticalmass）s1dsu0kueI(0)I(s)1

表示通过均匀吸收介质传播的辐射按简单的指数函数。这就是著名的Beer-Bouguer-LambertLaw

减弱，该指数函数的自变量是质量吸收截面和光学质量的乘积transmissivityT（）单色透过率

kue(s)/I(0)TI1

对于无散射介质，单色吸收率为kueT1A

为反射强度与入射强度之比对于有散射作用的介质，定义单色反射率

RTAR1

无散射介+发射，一个黑体处于局部热力平衡，源函数可用Planck函数给出

dII)B(Tkds

该方程称为Schwarzschild方程

右边第一项表示由于物体的黑体发射造成的辐射增强

右边第二项表示由于吸收造成的辐射减弱。

求解

定义点s和s1之间介质的单色光学厚度（opticaldepth=opticalthickness=opticalpath）

8

s1'kds(s,s)1s

τ的不同表示τ的求和dsskds,1

dIITk)B(ds



sdIsBTsIsds,1

s1),s,0)(s(sdsk)]([eI)(Is(0)BT

1110

Schwarzschild（施瓦兹希尔德）方程

平面平行大气中的传输方程在大气科学问题的讨论中，常常假定大气是水平均匀的，称为平

面平行大气或平面分层大气。这时，所考虑的面是水平面。其法线方向或者指向上，或者指向下。

如果不特别说明，把指向上的取为正，指向下的取为负。

9

+F

-F

);,zdI(),)J(zI(z;,cos;dsk'dzk

z);(,dI);,)J(I(;,d

10

的大气顶处的射的等温无散射大气，令大气表面温度为TTs，推求光学厚度为、考虑温度为2出

通量密度的表达式。提示：利用方程

11