课程大纲

课程大纲

大气辐射学

课程编码:070602M04005H 英文名称:Atmospheric Radiation 课时:60 学分:4.00 课程属性:专业核心课 主讲教师:石广玉等

教学目的要求
本课程是为地学相关专业的研究生提供的基础课。课程的目的是使学生了解:1)地球大气中电磁辐射的产生和传输的物理过程及其理论;2)大气辐射活性成分,其辐射特性及其数学描述方法;3)电磁辐射与地气系统相互作用所涉及的主要物理和数学问题,解辐射传输方程的基本原理和计算方法。4)大气辐射理论的初步应用,地球大气系统的辐射收支及其在气候变化中的作用。学生通过该课程的学习,为进一步从事大气辐射理论研究、气候变化理论研究、气候变化数值模拟研究和地学相关领域的遥感观测研究打下基础。

预修课程
高等数学、电磁学

大纲内容
第一章 地球大气组成及其变化 3.0学时 王普才
第1节 大气温度和压强垂直分布的基本结构
第2节 大气主要成分(包括气溶胶)的浓度及其变化
第3节 人类活动对现代大气成分浓度变化的影响
第二章 大气辐射过程与辐射性质 12.0学时 王普才
第1节 大气辐射基本概念
第2节 黑体辐射基本定律之一:普朗克定律及其推论
第3节 黑体辐射基本定律之二:Stefan-Boltzmann(斯蒂芬-玻尔兹曼)定律
第4节 黑体辐射基本定律之三:Kirchhoff(基尔霍夫)定律
第5节 气体分子能级跃迁的基本类型以及所形成的吸收带的基本特征
第6节 分子吸收谱线线型的一般特征、与温度和气压的关系及其描述方法
第7节 地球大气气体分子的主要吸收带及其分布
第8节 分子光谱资料汇编的主要参数和应用
第9节 大气颗粒物散射性质的Mie理论及Mie散射基本特征
第10节 Mie理论在描述大气气溶胶和云辐射特性中的应用
第11节 大气分子散射的Rayleigh模型及其基本特征
第三章 单色辐射传输问题的解 12.0学时 王普才
第1节 各类辐射量和辐射特性的定义
第2节 辐射传输方程的一般形式
第3节 平面平行大气辐射传输方程求解
第4节 离散坐标法
第5节 倍加-累加法
第6节 二流方法
第7节 Monte Carlo方法
第四章 辐射传输中的光谱积分 12.0学时 王标
第1节 逐线积分方法
第2节 主要的规则带模式和随机带模式
第3节 随机带模式的假定和带模式参数的确定方法
第4节 K-分布方法及其参数的确定方法
第5节 非均匀路径的处理方法,包括各种换算近似和相关K分布假定
第6节 热辐射的宽带方法
第五章 地气系统辐射平衡扰动的简单模式表达 6.0学时 王标
第1节 零维和一维能量平衡模式:模式的结构,各个分量的参数化方法
第2节 模式对气候强迫可能出现的非线性响应
第3节 辐射对流模式的基本结构
第4节 模式中包含的主要气候反馈机制
第六章 气候变化的辐射强迫 9.0学时 张华
第1节 辐射强迫的基本概念
第2节 主要的自然和人为辐射强迫因子及其辐射强迫
第3节 气溶胶直接辐射强迫和间接辐射效应的概念
第4节 辐射因子气候效应的其他评估指标:全球增温潜能
第5节 气候模式介绍

教材信息
1、 大气辐射学 石广玉 39173.0 科学出版社

参考书
1、 大气辐射导论(第二版) Liou Kuo-nan 2004年10月 气象出版社

课程教师信息
石广玉,中国科学院院士,研究员,男。1942年10月生于山东省淄博市淄川区,1968年毕业于山东大学物理系,1982年2月获日本东北大学理学博士学位。曾先后在美国大气与环境研究公司、纽约州立大学大气科学研究中心、澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)、日本东京大学气候系统研究中心、日本千叶大学环境遥感研究中心及日本综合地球环境学研究所等地做过访问学者或客座教授。先后担任联合国环境署全球环境机构科学技术顾问团(STAP,GEF/UNEP)专家(1993年开始),联合国环境署大气棕色云团(UNEP-ABC)计划科学委员会委员兼中国工作组组长(2003年开始),国际IGBP-SOLAS SSC 委员兼IGBP 中国全国委员会常务委员、SOLAS 工作组组长(2004年开始),国际气象与大气科学协会-国际辐射委员会(IRC)-亚太辐射委员会主席(2007年开始)。中国科学院研究生院、兰州大学、南京信息工程大学、云南大学、东华大学兼职教授,中国科学院地球环境研究所、安徽光学精密机械研究所兼职研究员;中国科学院大气物理研究所学位委员会及学术委员会委员;《大气科学进展》(AAS)、SOLA、《大气科学》编委;美国地球物理学会、中国空间学会、中国太阳能学会、北京气象学会会员。主要从事大气辐射及全球(气候)变化的理论和观测研究。发表论文、重要学术会议报告200余篇(其中SCI (E) 63篇),被SCI (E) 收录引证1695次(他引1167 次);完成著作2部,参与著作编写12部。培养博士、硕士研究生34人,担任过博士后4人的合作导师。1994年中国气象学会全国气象科普优秀作品特别奖(《地球在变暖》);1998年,以“k-分布大气辐射模式的研究”,获中国科学院自然科学奖 二等奖(排名第一);2007年,获日本气象学会藤原奖;2008年中国科学院教学成果奖 二等奖(《大气辐射学》);以及中国科学院研究生院人才培养的多个奖项。
代表性成果如下:
1、创建了一个完整的k-分布(吸收系数分布)大气辐射模式。比较完满地解决了大气辐射计算所遇到的必须同步处理吸收和散射、波长积分、天顶角角度积分以及沿非均匀路径的光学路径积分等问题,特别是兼顾到了模式本身的物理意义、计算精度以及计算效率等。模式已被国内外多家院校及研究单位采用,如日本东北大学、CSIRO、哈佛大学、中科院大气所等。
2、系统性地研究了大气温室气体和气溶胶的辐射强迫和气候效应,并取得创新性研究成果。最早开展了南极臭氧洞的辐射问题研究,从辐射能收支的角度对南极臭氧洞成因的研究提供了启示。研究开发了辐射-对流气候模式和箱室-扩散大气-海洋能量平衡模式,并利用区域和全球大气环流模式全面研究了大气温室气体以及大气气溶胶的气候辐射强迫效应。模式计算的大气CO2和其它温室气体的辐射强迫,得到国际学术界公认,已有6篇论文被IPCC(政府间气候变化专门委员会)科学报告多次引用。
3.大气气溶胶和大气气体成分的野外观测研究。在我国开展了大气气溶胶和臭氧垂直分布的高空气球观测,首次取得了华北地区0-33 公里的大气O3 和气溶胶垂直分布廓线;系统地开展了沙尘等大气气溶胶光学特性的观测研究,从1990年代中期开始,在中国建立了多个气溶胶、辐射野外观测站,研究结果为气溶胶气候效应的研究和大气输送模式的验证提供了最基本的数据;主持完成了国家自然科学基金重大项目“上层海洋-低层大气生物地球化学与物理过程耦合研究”,利用出海船舶和岛屿平台将沙尘气溶胶的观测研究扩展到中国近海,并利用卫星资料分析了中国近海初级生产力的分布变化状况,从地球生物化学反馈的角度看待沙尘气溶胶对于地球气候系统的长期影响。在此期间,与日本和韩国同行以及IGBP密切合作,推动了国际SOLAS框架下亚洲沙尘与海洋生态系统特设工作组(ADOES)的建立。