大气分子吸收
图6.3显示了低分辨率的太阳辐照度(见§5.2.4)和吸收它的大气分子，主要是近红外。表6.1显示了各光谱区间的主要吸收分子，包括瑞利散射从紫外线到近红外线。
6.2.1紫外-可见吸收
与太阳辐射0.20 ~ 0.85±范围相关的最重要的分子吸收是O3。在0.20 ~ 0.35±(哈特利-哈金斯带)范围内，吸收与温度有关，约为入射通量的4.5%。臭氧还吸收了0.45 ~ 0.85±(Chappuis波段)的可见光，相当于55.4%的入射太阳
０．２５
0.20
0.15
0．10
0.05
波长(缸)
浮动。6.3.低分辨率太阳辐照度和大气吸收．(资料来源:德克萨斯大学CSR，根据1965年Valley、空军剑桥研究实验室的原稿改编)
0.20
0.15
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0.05
波长(缸)
时间间隔 |
波长(^) |
%太阳通量 |
分子/散射 |
1 |
0.10 - -0.20 |
0.00644 |
NH3 CH4 C02 H20 02瑞利 |
2 |
0.20 - -0.35 |
4.46 |
O3,瑞利 |
3. |
0.35 - -0.45 |
10.63 |
瑞利 |
4 |
0.45 - -0.85 |
44.77 |
O3 H2O，瑞利 |
5 |
0.85 - -1.00 |
9.48 |
水,瑞利 |
6 |
1.00 - -1.04 |
2.12 |
水 |
7 |
1.04 - -1.22 |
7.55 |
水 |
8 |
1.22 - -1.58 |
9.19 |
|
9 |
1.58 - -1.95 |
4.81 |
水 |
10 |
1.95 - -2.12 |
1.24 |
水,二氧化碳 |
11 |
2.12 - -2.61 |
2.41 |
水 |
12 |
2.61 - -2.92 |
0.92 |
水,二氧化碳 |
13 |
2.92 - -3.88 |
1.34 |
H2o, ch4, nh3 |
14 |
3.38 - -4.60 |
0.40 |
二氧化碳 |
15 |
4.60 - -9.50 |
0.64 |
H2o, ch4, nh3 |
辐射。吸收截面Chappuis波段(0.40-0.85 pm)的数据见第7章。详细的紫外可见截面数据可从喷气推进实验室(JPL 2006)获得，此外还有MPI-Mainz-UV-VIS光谱图集，它是630种分子吸收截面的综合集合。这两个数据库都可以通过网络进行交流。有关大气光化学的更多细节将在第7章中给出。
在紫外可见光谱范围内，臭氧横截面足够平滑，可以将波长范围(例如200个光谱间隔)细细分为单色吸收光学深度，从Lyman-a在0.1216 ×到0.85 ×，不包括O2的高结构舒曼-朗格(S-R)波段(0.18-0.20 ×)，需要特殊处理。更多的细节将在第七章给出有关分子光解的S-R带。有了臭氧紫外可见吸收截面的精细分辨率光谱分布，可以将这些纳入多重散射和吸收代码(§6.7)以包括臭氧的影响关于太阳辐射通过大气的转移。
对于臭氧与地球辐射收支的关系，人们可以快速估计通量平均值大气传输，从下面所给的表达式。分别给出了由于臭氧吸收可见光辐射和紫外线辐射而产生的总入射太阳辐射的透射分数，其中Wo3代表大气臭氧总量atm-cmSTP。t’uv最小值为0.955,t’vis最小值为0.446。
6.2.2近红外吸收
对于每个近红外区间(表6.1)，其中分子振动-旋转带的旋转线变得重要，通过将太阳近红外光谱区间细分为更高分辨率的子区间，然后计算每个子区间内的透射率作为每个分子的压力、温度和吸收量的函数，可以使用HITRAN数据库计算透射率t(§4.7)。这种方法现在在计算上是可行的，也是首选的。然而，对于气候模式(如环流raybet雷竞技最新模式，§11.4)，这种方法可能不可行，需要一个更简单的方法。我们注意到，当光学深度与吸收器量呈非线性变化时，我们不能简单地将大气分成几层，然后乘以它们的透射率。克服这一问题的方法有指数求和法、k-分布法和相关k近似法，根据相关k近似法，在c = 1 - 0.023 (W03/i)018，
N表示吸收体量y，以有效单色吸收系数kn表示，并将相关的离散概率分布权重an归一化
每个光谱区间的kn和an集不是唯一的，可以使用，例如，斐波那契最小化技术(Vardavas 1989)获得。对于非均匀层，可以使用相关fc近似，使kn与温度和压力相关，an是固定的，通常对应于高斯-勒让德正交点。
然后求解每个光学深度的单色辐射传递方程，Tn = kny为入射太阳通量和Fi，其中Fi为每个光谱区间i中包含的通量。对于两个不同分子的重叠波段，吸收剂量y和v，透射率可取tnm = anpm exp(-kny) exp(-/mv)， (6.5)
在归一化条件下
并求解了n和m组合下光学深度Tnm = kny + /mv的pmfi的传递方程。该方法可推广到两种以上分子的重叠带。然后可以使用单色倍数散射辐射-传递代码来求解辐射传递方程，如§6.7所述。表6.1中水蒸气、二氧化碳、甲烷和氨的近红外区间的系数和权重是Vardavas和Carver(1984)根据1 atm和300 K的实验室测量给出的。
6.2.2.1水蒸气在近红外波段(0.85-5.0 /m)有明显的吸收带，约占入射太阳辐射的40.1%。H2 O层吸收的总入射太阳通量的比例可以从t'w = 1 - 0.106 (Who/m)0'31，(6.7)快速估计出来。
其中，WH2O为层中H2O的含量，g cm~2。以上简单的表达式基于Wyatt et al.(1964)的数据。
6.2.2.2太阳辐射对二氧化碳的吸收发生在整个大气中。我们可以忽略紫外吸收在0.2«m以下，太阳通量小于入射通量的0.01%，但我们需要包括近红外吸收(Stull et al. 1964)。从t'c = 1 - 0.015 (wco2 /M)0'263，(6.8)可以快速估计出CO2层传输的总入射太阳通量的比例。
其中WCO2是该层中二氧化碳的总量，g cm-2。对于晴朗的天空，我们在臭氧层下面有一个二氧化碳层，而对于多云的天空，我们有两个，一个在上面，一个在下面。如果po代表海平面的表面压力，则a以上的二氧化碳量云层在云顶压力下，pcia为WCO2 (pcia/po)，而在云顶压力下，pclb为WCO2 (1 - pclb/po)，其中pclb为云底压力。
6.2.2.3氨在近红外波段1300-2000 cm-1 (6.14 Mm)和3100-3500 cm-1 (3.03 ^m)吸收。每个波段的平均传输可以从以下对实验室数据(France and Williams 1966)的简单分析拟合中得到，形式为t = exp(-wa (w))。(6.9)
对于氨6.14 Mm带a(w) = 38.09w-0'26，校正吸收量w = w0(pe/po)C, C = 0.6, pe = pN2 + (B - 1)pnh3, B = 5.77。对于氨的3.03 Mm带，我们有a(w) = 32.68w-0178, C = 0.3, B = 6.1。
6.2.2.4甲烷在1100-1750 cm-1 (7.66 Mm)和27003300 cm-1 (3.31 Mm)两个区间吸收。对于7.66 Mm甲烷带，从拟合到实验室测量(Burch和Williams 1962)， a(w) = 8.22w-0'46, C = 0.5, B = 1.38，而对于3.31 Mm甲烷带，a(w) = 9.97w-0'39, C = 0.45, B = 1.3。
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