大气温室效应的一维辐射传热分析

摘要

太阳辐射能主要分布在可见和近红外波段，大部分可以照射到地面从而加热地面。而地面主要辐射波段与温室气体的吸收波段大量重合，温室气体吸收地面辐射后再发射，使一部分能量返回地面，提高地面及附近大气温度，这即是温室效应。
　　全球变暖和气候异常越来越成为公众焦点，近现代工业和人类活动增加，造成了温室气体浓度增加，是导致全球变暖的主要原因。气候研究中需要详细的考察地表及大气的温度、能量分布状态，因此需要对大气的辐射过程进行研究。大气辐射理论的另一个重要应用领域是大气遥感。
　　本文首先搜集汇总了地球大气诸多相关数据，包括：
　　综述了地球大气的垂直结构。按热力结构分层可分为：对流层、平流层、中间层和热层。大气压力垂直分布是指数规律的。其它分层方式还有按组分混合程度分、按电磁特性分及大气质量的垂直分布。
　　汇总了大气各种组分、几种主要温室气体的浓度垂直分布状况及其浓度的变化趋势。最后综合了受人类活动影响最明显、大气中含量最大的温室气体二氧化碳和甲烷的源和汇。
　　构建了一维介质模型，推导了模型OT界面（即一边不透明一边半透明）时的辐射边界条件。推导了一边不透明一边半透明情况下离散型热辐射源项的公式。给出了计算模型的具体结构，包括介质层的划分、谱带的划分和上下界面的辐射特性设定。
　　在此基础上采用HITRAN和MODTRAN对200~50000 cm-1（0.2~50μm）谱段范围1内的各高度大气吸收系数进行了计算，并进行了简要分析。最后用射线踪迹——节点分析法的多层介质程序对大气中几种温室气体不同浓度情况下的大气温度进行了计算，并对计算结果进行了分析和对比。
　　对比不同高度、不同浓度的光谱吸收系数可见：在整个计算谱段内有多个吸收峰值，水汽对大气全波段的吸收系数及穿透率都有重要影响；而二氧化碳只对近中红外波段的吸收系数和穿透率影响明显；高度的增加使得浓度变化对吸收系数和穿透率影响变小。
　　对标准大气及其中CO2浓度增加1倍情况下温度场的比较，发现CO2增加后，平流层的上部和对流层温度上升而平流层下部温度显下降。两者全高度的温差积分平均值为-0.1℃，而平流层的温差平均值为0.453℃。
　　对比干燥大气情况温度与标准大气情况下的温度，干燥大气由于吸收系数相对小，在地面附近气温明显低于标准大气，而对流层上部和平流层温度比标准大气的温度高。而且干燥大气情况下，CO2的温室效应比在标准大气中明显，大气中CO2浓度含量分别为2倍、4倍时，对流层平均温度分别增加2.0℃、3.2℃，同时可见随着CO2浓度变大温度上升速度变小。

目录

大气温室效应的一维辐射传热分析

One Dimensional Radiative Heat Transfer Analysis of Atmosphere Greenhouse Effects

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪论

1.1 课题的目的和意义

1.2 国内外研究现状及分析

1.2.1 温室气体源汇

1.2.2 气溶胶

1.2.3 辐射传输模型

1.2.4 地表辐射特征

1.2.5 数值模拟、实验研究

1.3 太阳表面温度

1.4 主要研究内容

第2章 地球大气结构及温室气体变化

2.1 地球大气垂直分布

2.1.1 按热力结构分层

2.1.2 大气压力分布

2.1.3 其它分层方式

2.2 大气组分及温室气体浓度分布

2.2.1 大气组分

2.2.2 温室气体垂直浓度分布及含量变化

2.3 主要温室气体的源和汇

2.3.1 碳循环

2.3.2 甲烷的源和汇

2.4 本章小节

第3章 射线踪迹—节点分析法求解大气辐射传输

3.1 射线踪迹—节点分析法简介

3.2 辐射能量守恒方程和辐射导热耦合能量方程

3.3 大气的辐射传输模型及辐射边界条件

3.3.1 一维大气辐射传输模型

3.3.2 辐射边界条件

3.4 离散型热辐射源项的推导

3.5 大气谱带模型及界面热边界条件

3.5.1 介质的分层

3.5.2 大气光谱谱带的划分

3.5.3 上下界面的辐射特性

3.6 本章小节

第4章 数值计算、结果及分析

4.1 计算顺序框图及其说明

4.2 光谱吸收系数的计算及分析

4.3 不同高度下大气谱带平均吸收系数

4.4 温度场的计算结果及分析

4.4.1 二氧化碳浓度变化对大气温度的影响

4.4.2 水汽浓度变化对大气温度的影响

4.5 本章小节

结论

参考文献

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