农业气象第三章 辐射.ppt

第三章辐射 大气辐射的性质 变化规律及其相互关系 本章内容 地面辐射 太阳辐射 物体以辐射的方式传递交换的能量 第一节辐射的基本知识 一 辐射及其特性 辐射 物体以电磁波或粒子流形式向周围传递或交换能量的方式 辐射能 特性 波粒二象性 波动性 V f 3 1 波动性的反映 电磁波谱 不同电磁波的具体波长范围 可见光波长范围 粒子性 3 2 其中h 6 626 10 34J s 称为普朗克常数 辐射的度量和单位 辐射通量 辐射通量密度 辐射通量及单位 定义 单位时间通过任意面积上的辐射能量 单位 J s 1或W 辐射通量密度 E 及单位 定义 单位面积上的辐射通量 单位 J s 1 m 2或W m 2 E dF ds dt 辐射通量密度又被称为辐射强度 辐射能力或放射能力 光通量 光通量密度 照度 光通量及单位 定义 表征辐射通量而产生光感觉的量 单位 流明 lm 光通量密度及单位 定义 单位面积上的光通量 单位 流明 米2 lm m 2 照度及单位 定义 单位面积上接受的光通量 单位 lx 音译为勒克斯 1lx 1lm m 2 物体对辐射的吸收 反射和透射 概念 吸收率 a a Qa Q 反射率 r r Qr Q 透射率 d d Qd Q a r d的变化 黑体 对于投射到该物体上所有波长的辐射都能全部吸收的物体称为绝对黑体 故有 a r d 灰体 透射率d 吸收率a r 且a不随波长而变化的物体 二 辐射的基本定律 基尔荷夫 kirchoff 定律 选择吸收定律 定律 在一定温度下 任何物体对于某一波长的放射能力 e T 与物体对该波长的吸收率 a T 的比值 只是温度和波长的函数 而与物体的其它性质无关 即 3 4 E T只是波长和温度的函数 推论 对不同性质的物体 放射能力较强的物体 吸收能力也较强 反之 放射能力弱者 吸收能力也弱 黑体的吸收能最强 所以它也是最强的放射物体 对同一物体 如果在温度T时它放射某一波长的辐射 那么 在同一温度下它也吸收这一波长的辐射 斯蒂芬 波尔兹曼 Stefan Boltzmann 定律 定律 黑体的总放射能力 ET 与它本身绝对温度 T 的四次方成正比 即 ET T4 3 5 式中 5 67 10 8W m 2 K 4为斯蒂芬 波尔兹曼常数 意义 物体温度愈高 其放射能力愈强 m C T或 mT C 3 6 如果波长以nm为单位 则常数C 2 897 103nm K 于是 3 6 式为 维恩 Wien 位移定律 定律 绝对黑体的放射能力最大值对应的波长 m 与其本身的绝对温度 T 成反比 即 mT 2897 103nm K 不同温度下黑体辐射强度与温度的关系 意义 物体的温度愈高 放射能量最大值的波长愈短 随着物体温度不断增高 最大辐射波长由长向短位移 太阳辐射是短波辐射 人 地面和大气辐射是长波辐射 第二节太阳辐射 一 太阳辐射强度和太阳常数 太阳辐射强度 太阳辐射通量密度 太阳辐射强度及单位 定义 单位时间内投射到单位面积上的太阳辐射能量 单位 W m 2 太阳常数 S0 太阳常数及变化范围 定义 当地球位于日地平均距离时 约为1 496 108km 在地球大气上界投射到垂直于太阳光线平面上的太阳辐射强度 变化范围 1325W m 2 1457W m 2我国采用的太阳常数值为1382W m 2 太阳光量常数及范围 定义 大气上界 太阳辐射产生的平均光照强度 范围 1 35 105 1 4 105lx 定义 Sm Sm Sm sinh 二 太阳高度角 太阳方位角和昼长 太阳高度角 h 太阳光线与地表水平面之间的夹角 0 h 90 水平面上太阳辐射的计算 Sm和Sm 与h的关系图 3 8 水平面上得到的太阳辐射能随着h的增加而增加 h的计算公式 sinh sin sin cos cos cos 3 9 式中 为观测点纬度 为赤纬 是时角 的计算 的含义 太阳直射点纬度 即太阳直射光线与赤道平面之间的夹角 计算公式 23 5sinN 3 10 说明 式中N 以度为单位 是距春分日或秋分日最近的总天数 春分日至秋分日取正值 否则 取负值 特殊日期 的值 春分日 21 3 或秋分日 23 9 0 夏至日 22 6 23 5 冬至日 22 12 23 5 23 5 S 的确定 是用角度表示的时间 每15 为一小时正午 0 上午 0 下午 0 正午时刻h的计算公式 h正午 90 3 11 3 12 太阳方位角 A 定义 太阳光线在水平面上的投影和当地子午线的夹角 计算公式 式中A值 正南 A 0正南以西 A 0正南以东 A 0 日出日没时 h 0 3 13 特殊时刻A的计算公式 北半球A的季节变化 除北极外 一年中只有春分日和秋分日 日出正东日没正西 夏半年内 日出东偏北方向 日没西偏北方向 且愈近夏至日 日出日没方位愈偏北 冬半年内 日出东偏南方向 日没西偏南方向 且愈近冬至日 日出日没方位愈偏南 四季的形成 昼长 可照时数 昼长的变化规律 夏季昼长随纬度升高而加长 冬季昼长随纬度升高而缩短 春 秋分则不随纬度升高而变 相同纬度 昼长冬短夏长 春秋介于二者之间 可照时数 实照时数和日照百分率 可照时数 昼长 定义 不受任何遮蔽时每天从日出到日落的总时数 单位 小时 分 计算公式 此时 cos tg tg 3 15 实照时数 地面上用日照计实际测量的日照时数 日照百分率 光照时间 光照时间 可照时数 曙暮光时间 一般曙暮光随纬度升高而加长 夏季尤为显著 曙暮光 在日出前和日落后 太阳光线在地平线以下0 6 时 光通过大气散射到地表产生一定的光照强度 这种光称为曙光和暮光 三 大气对太阳辐射的减弱 太阳辐射在大气中的减弱 吸收作用 氧 臭氧 水汽和CO2 减弱方式 主要的吸收成分 各成分的吸收波段 散射作用 散射 当太阳辐射通过大气时 遇到大气中的各种质点 太阳辐射能的一部分散向四面八方 称为散射 分类 由入射辐射波长与散射质点的相对大小r 将散射分为分子散射 雷莱散射 和米 Mie 散射 r 时 分子散射 r 时 米散射 雷莱分子散射定律 当大气干洁 质点半径小于200nm时 散射值与入射光波长的四次方成反比 即 3 16 定律 意义 入射光波长愈短 散射能力愈强 漫射 当大气混浊 质点半径 10 000nm时 入射光的各种波长具有同等散射能力 散射系数不再随波长改变 称之为漫射 反射作用 参与反射作用的物质 大气中较大的尘粒和云滴 云层 云的反射作用 其反射能力随云状 云量和云厚而不同 云量愈多 云层愈厚 反射愈强 云层平均反射率为50 55 减弱因素 大气质量 m 定义 太阳光通过大气路径的长度与大气铅直厚度之比 m随h的变化 在各太阳高度时的大气质量 大气质量m随太阳高度的增高而减小 当太阳高度低时 m值的增大特别迅速 不同太阳高度角下的大气质量 m的计算 当h在30 90 时 m可近似地表示为 3 17 3 18 大气透明系数 P 定义 透过一个大气质量 m 1 后的太阳辐射强度 S1 与透过前的太阳辐射强度 S0 之比 即 影响因子 海拔 水汽 微尘 云雾 布格尔 兰勃特 Bouguer Lambert 定律 Sm Sm 1P S0Pm 3 19 表明 地表垂直于太阳光线平面上的太阳辐射强度随大气透明系数增大而增大 随大气量增加而减小 四 到达地面的太阳辐射强度 到达地面的太阳总辐射由太阳直接辐射强度和天空辐射强度组成 太阳直接辐射强度 定义 单位时间内以平行光形式投射到地表单位水平面积上的太阳辐射能 计算公式 S Sm S0Pmsinh 3 20 大气透明系数 P 大气量 m 和太阳高度角 h 影响 此外 纬度 海拔 坡度坡向和云量有间接或直接的影响 影响因子 天空散射辐射强度 D 定义 阳光被大气散射后 单位时间内以散射光形式到达地表单位水平面积上的太阳辐射能 D S0 1 Pm sinh 3 21 计算公式 假设散射辐射的一半回到宇宙空间 另一半忽略大气吸收 计算公式的假定条件 影响因子 主要受太阳高度角 h 大气透明度 P 和大气量 m 影响 此外 纬度 海拔 云量有直接和间接的影响 太阳总辐射强度及其影响因素 太阳总辐射强度 到达地面的太阳总辐射强度是太阳直接辐射强度和天空辐射强度的总和 Q S D 3 22 影响因子 太阳高度角 h 太阳总辐射与太阳高度呈正相关关系 大气透明度 P 大气透明度差 到达地面的太阳直接辐射减少 故太阳总辐射减少 大气质量 m 大气质量m愈大 到达地面的太阳总辐射愈少 纬度纬度愈高 太阳总辐射愈低 海拔海拔愈高 地面接受的太阳总辐射愈强 坡度坡向北半球北回归线 23 5 N 以北地区 纬度愈高 愈是表现出南坡向阳 北坡背阴 冬季比夏季显著 云一般云愈厚 愈多 太阳直接辐射愈弱 散射辐射的比例增大 地面反射的太阳辐射 地面反射率 地面反射的太阳总辐射R与投射到地面的太阳总辐射Q的百分比 不同性质下垫面的反射率 深色土壤小于浅色土壤 潮湿土壤小于干燥土壤 新雪表面大于陈雪表面 五 太阳辐射光谱 定义 太阳辐射能随波长的分布曲线 大气上界的太阳辐射光谱 图中 实线是大气上界的太阳辐射光谱 虚线是温度在6 000K时的黑体辐射光谱 几个重要波段 波谱随h的变化 太阳高度角降低 直接辐射光谱中 波长较长的部分逐渐增加 波长较短的部分逐渐减少 太阳直接辐射波谱随h的变化 不同太阳高度时太阳直接辐射光谱中各部分的相对强度 总辐射量 100 散射辐射光谱随太阳高度角 大气透明系数和云量而变化 干洁空气中 h降低 散射辐射中波长较短的部分逐渐减少 波长较长部分逐渐增多 而波长在400nm 600nm的可见光几乎不随h而变化 不同太阳高度角时各散射光谱段的相对比率 当天空中有较多粗粒或全天有云时 散射辐射光谱中的长波部分能量增加 其最大辐射能力波长也向长波方向移动 太阳散射辐射波谱随h的变化 碧空和阴天时散射光谱能量的分布 地面昼夜不停的向外放射辐射能 称为地面辐射 Ee 日变化 二 大气辐射 大气逆辐射 Ea 大气辐射中传向地面的辐射 第三节地面辐射差额 一 地面辐射 Ee 定义 波长范围 3 000nm 80 000nm 最大放射能力波长约为10 000nm 白天 夜间 定义 大气辐射 大气向外的辐射 7 000nm 120 000nm 最大放射能力波长约为15 000nm 波长范围 三 地面有效辐射 E0 定义 地面辐射与被地面吸收的大气逆辐射之差 亦称净红外辐射 计算公式 E0 Ee Ea 3 23 其中 为吸收率 Ea为被地面吸收的大气逆辐射 影响因子 地面温度 空气温度 空气湿度 云况 风力 海拔 地面状况和植被等 四 大气温室效应和阳伞效应 温室效应 大气中各种微尘和二氧化碳成分的存在 犹如温室覆盖的玻璃一样 阻挡了地面向外的辐射 增强大气逆辐射 对地面有保温和增温作用 这种现象称为大气温室效应 大气中微尘和二氧化碳的增加 犹如在阳光下撑