气象学-第二章辐射.ppt

第二章辐射 RadiantenergyorSolarradiation 本章主要内容 辐射的基本知识日地关系和季节的形成太阳辐射地面有效辐射和地面净辐射太阳辐射与植物生长 第一节辐射的基本知识 Basicknowledgeofradiation 一 辐射的概念 conceptofradiation 1 定义 辐射 物体以电磁波或粒子的形式放射或输送能量的过程 辐射能 物体以辐射的方式放射或输送的能量 辐射有两个基本属性 辐射的波动性 c各种频率的电磁波在真空中传播的速度相等即相当于光速 光速c 3 0 x108ms 1 c l 波长 频率 波长和频率的关系 图2 1 电磁辐射波谱 图2 2 电磁波谱 把电磁波按波长大小顺序排列 称为电磁波谱 辐射的粒子性 辐射的粒子学说认为 电磁辐射由许多具有一定质量 能量和动量的微粒子组成 这些微粒称为粒子 量子 粒子 量子 的概念 微观世界的某些物理量不能连续变化而只能以某一最小单位的整数倍发生变化 这些最小单位就称为该量的粒子 量子 如电子 这些粒子或量子每一个所具有的能量为 e h 或e hC h 6 626 10 34J s h为普朗克常数 植物光合作用的研究常利用辐射的粒子性 2 表征辐射的物理量 1 辐射通量 定义 单位时间内通过任一表面的辐射能 单位 J s 1或W 2 辐射通量密度定义 单位面积上的辐射通量 单位 J s 1 m 2或W m 2 辐照度 辐出度 3 光通量 光通量密度 照度 光通量定义 单位时间通过某一表面的可见光能量 单位 流明 lm 光通量密度定义 单位面积上的光通量 单位 流明 米2 lm m 2 光照度 照度 定义 单位面积上接收的光通量 单位 lx 勒克斯 1lx 1lm m 2 定义 吸收率a Qa Q反射率r Qr Q透射率t Qt Q则有 a r t 1 1 吸收率 反射率和透射率假设有一束能量为Q的入射光 照射到某一物体表面 其中被物体吸收的能量为Qa 反射的能量为Qr 透射过物体的能量为Qt 则 Q Qa Qr Qt 二 物体对辐射的吸收 反射和透射 2 关于a r t的几点讨论a r t是0 1之间的无量纲量 若辐射不能透过物体 t 0 则a r 1 吸收率越大 反射率越小 反之亦然 物体对辐射的吸收 反射和透射具有选择性 吸收率等于1的物体为黑体 吸收率为小于1的常数 且不随波长变化的物体叫灰体 三 辐射的基本定律 定律 在一定温度下 物体对某一波长的辐射能力 e T 与物体对该波长的吸收率 a T 的比值是一常数 即 E T是黑体的辐射能力 它是波长和温度的函数 与物体的性质无关 1 基尔霍夫定律 推论 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 同一物体 如果在温度T时它可放射某一波长的辐射 那么 在同一温度下它也可吸收该波长的辐射 3 维恩位移定律定律 黑体放射能力的最大值对应的波长 max 与其本身的绝对温度 T 成反比 即 max T C如果波长以 m为单位 则常数C 2897 m K 意义 物体温度愈高 其放射能力愈强 定律 黑体的放射能力 ET 与它本身绝对温度 T 的四次方成正比 即 ET T4式中 5 67 10 8W m 2 K 4为斯蒂芬 波尔兹曼常数 2 斯蒂芬 波尔兹曼定律 图2 4不同温度下黑体辐射强度与温度的关系 物体的温度愈高 辐射能量最大值的波长愈短 即黑体辐射具有最大辐射能力的波长随温度升高逐渐向短波方向移动 一 日地关系 地球是一个椭球体 赤道半径6378 0km 极半径6356 8km 在绕太阳公转的同时又绕地轴自西向东自转 公转形成四季 自转形成昼夜 第二节太阳辐射的基本概念及其预备知识 近日距 1月3日 1 47 108km远日距 7月4日 1 52 108km 1 地球的公转运动 公转轨道为一椭圆 公转一周的时间为一年 2 地球的自转运动 绕地轴旋转 自转一周为一天 3 地轴与地球公转轨道面的交角为66 5 且地球在公转过程中 地轴方向保持不变 公转轨道为一近圆形的椭圆 太阳位于一个焦点上 日地平均距离1 495 108km 一 太阳辐射光谱和太阳常数1 太阳辐射光谱定义 把太阳辐射按波长的分布称太阳辐射光谱 太阳辐射的波长范围较广 几乎包括了所有的电磁波 其能量的99 集中在0 15 4 m波段 因此说太阳辐射光谱主要包括红外线 可见光和紫外线光谱 二 太阳辐射的基本概念 2 太阳常数 定义 当日 地间处于平均距离时 约1 496 108km 在大气上界垂直于太阳光线的平面上单位面积 单位时间内所接收的太阳辐射能 称为太阳常数 用S0表示 其值为1367 7W m 2我国采用的太阳常数值为1367W m 2 影响太阳常数的因子有日地距离 太阳黑子数等 2020 2 20 三 太阳高度角和方位角 一 太阳高度角 h 1 定义 太阳平行光线与地表水平面之间的夹角 0 h 90 水平面上得到的太阳辐射能随着h的增加而增加 图2 6太阳高度角和太阳辐射强度 2 任意时刻及正午时刻太阳高度角的计算 任意时刻h的计算 sinh sin sin cos cos cos 式中 为观测点纬度 为赤纬 是时角 的含义 太阳直射点的地理纬度 范围 23 5 23 5 的计算 23 5sinN 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 北半球 南半球相反 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 5sinN 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 例1 计算屯溪 29 40 N 118 20 E 夏至日和冬至日正午时刻的太阳高度角 解 根据公式h 90 夏至日 23 5 冬至日 23 5 夏至日h 90 29 40 23 5 83 50 冬至日h 90 29 40 23 5 36 50 注意 当计算所得h为钝角时 取其补角为太阳高度角 h正午 90 太阳高度角随纬度和季节的变化 表2 1太阳高度角随纬度和季节的变化 二 太阳方位角 A 1 定义 太阳平行光线在水平地面上的投影和当地子午线之间的夹角 2 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 cosA sin sec 3 北半球一年内太阳出没的方位 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 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 三 昼长 可照时数 1 概念 在无遮阴情况下 日出到日没太阳可能照射的时间间隔 2 计算 昼长 2 0 15 3 昼长的变化 cos 0 tg tg 相同纬度 昼长冬短夏长 春秋介于二者之间 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 4 实照时数和日照百分率 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 日照百分率 100 实照时数 可照时数 5 光照时间 曙暮光 在日出前和日落后 太阳光线在地平线以下时 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 光照时间 可照时数 曙暮光时间 第三节大气对太阳辐射的减弱 一 减弱方式 三种方式 吸收 散射 反射 1 吸收作用 特点 选择性吸收 表2 2大气各成分的吸收波段 各种波长的太阳辐射都可以被散射 2 散射作用 定义 当太阳辐射通过大气层时 遇到大气中的各种质点 太阳辐射能的一部分以电磁波的形式从这些质点向四面八方散开的现象 称为散射 根据散射质点直径d和入射辐射的波长 的相对大小 把散射作用分为以下两种形式 当d 时 为分子散射 分子散射能力与入射光波长的四次方成反比 当d 时 称为粗粒散射 入射光波长愈短 散射能力愈强 散射质点对各波长辐射的散射能力一致 2020 2 20 35 拉萨街头 2020 2 20 36 内蒙的草原 日出日落时太阳为什么呈红色 3 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 反射作用没有选择性 从以上三个方面来看 太阳辐射通过地球大气层时 由于大气的吸收 反射和散射作用 使到达地面的太阳辐射受到削弱 削弱的主要部分是波长较长的红外线和波长较短的紫外线 而可见光部分被削弱的较少 所以到达地面的太阳辐射主要集中在可见光部分 可见光区集中了太阳辐射一半的能量 它给予地球表面以巨大的能量 是发生在地理环境里各种现象和过程的最重要的能量源泉 二 影响减弱的因素 1 大气 质 量 m 定义 太阳光通过大气路径的长度与大气在垂直方向上厚度的比值来表示 m随h的变化 表2 3在各太阳高度时的大气量 大气量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 m的计算 当h在30 90 时 m可近似地表示为 图2 7不同太阳高度角下的大气量 2 大气透明系数 P 定义 透过一个大气质量 m 1 后的辐射通量密度 S1 与透过前的辐射通量密度 S0 之比 即 思考题 一年中那个季节P最大 那个季节最小 0 P 1 短 P小 湿度大 尘埃多 P小 三 减弱的规律 布格尔 兰勃特 Bouguer Lambert 定律 贝尔减弱定律 S S0Pm 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 第四节到达地面的太阳辐射 到达地面的太阳总辐射由太阳直接辐射和散射辐射组成 一 太阳直接辐射 Sb 通常以到达地平面上的太阳直接辐射通量密度 Sb 也称太阳直接辐射辐照度 来表示太阳直接辐射的强弱 1 水平地面上的太阳直接辐射 Sb 的大小 Sb S sinh 如图示 平面ABCD为垂直太阳光线的平面 ABC D 为其在水平地面上的投影 由此图我们可以推出 b AD AD sinh b 即Sb S sinh 2 影响水平面上太阳直接辐射辐照度的因子 S S0Pm Sb S sinh 可得出 Sb S0Pmsinh 即 影响水平地面上太阳直接辐射辐照度的因子为 太阳高度角和大气透明度或太阳高度角 大气透明系数和大气质量 3 太阳直接辐射的日 年变化 太阳直接辐射强度 图2 8一天中太阳辐射强度的日变化 太阳直接辐射的日变化 太阳直接辐射的年变化 太阳直接辐射的年最小值在冬季 最大值随各地气候而异 二 散射辐射 Sd 1 概念 太阳光被大气散射后 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 2 影响因子 主要受太阳高度角 h 大气透明系数 P 和大气量 m 影响 此外 纬度 海拔 云量 下垫面反射率有直接和间接的影响 散射辐射的日 年变化基本与太阳高度角一致 一天中最大值出现在正午前后 一年中最大值出现在夏季 3 散射辐射的日年变化 1 概念 到达地面的太阳总辐射强度是太阳直接辐射强度和散射辐射强度的总和 St Sb Sd 2 影响因子 太阳高度角 h 碧空时 随h增大St迅速增加 有云时 St的大小取决于Sb和Sd的比例 三 太阳总辐射 St 纬度 纬度愈高 太阳总辐射愈低 海拔 海拔愈高 地面接收的太阳总辐射愈多 大气质量 m 大气质量m愈大 到达地面的太阳总辐射愈少 大气透明系数 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 云 有云时 太阳总辐射既可增加也可减少 主要视云状和云量而定 太阳辐射的日总量 一日中 到达地面单位面积上的太阳辐射的累积值 称为太阳辐射的日总量 太阳辐射年总量 一年中 到达地面单位面积上的太阳辐射累积值 称为太阳辐射年总量 太阳辐射总量不仅取决于太阳高度角 大气透明系数 还和日照时数有关 3 太阳辐射总量 四 地面对太阳辐射的反射 1 地面反射率 地面反射的太阳总辐射与投射到地面的太阳总辐射之比 2 不同性质下垫面的反射率 颜色不同的下垫面对太阳辐射可见光部分有选择性地反射 各种颜色表面的最强反射光谱带就是它本身颜色的波长 有色地膜的使用是这一理论在农业生产中的具体运用 表2 4不同性质下垫面的反射率 3 影响反射率的因素 反射率与地面性质和状态有关 如植被 土壤 水面 其中颜色 湿度 粗糙度等影响较大 也与太阳高度角有关 地球表面平均反射率为5 水面的反射率一般比陆面小 但在太阳高度角小于10 时 往往大于陆地 第五节地面辐射 大气辐射和地面净辐射 一 地面辐射 Lo 1 定义 地面昼夜不停的向外放射辐射能 称为地面辐射 Lo 2 波长范围 3 0 80 m 最大放射能力对应的波长约为10 0 m 3 日变化 白天 夜间 二 大气辐射 1 定义 大气辐射 大气向四面八方发射的辐射 大气逆辐射 La 大气辐射朝向地面的部分 2 波长范围 4 120 m 最大放射能力波长约为11 6 m 三 地面有效辐射 Ln 1 定义 地面辐射与被地面吸收的大气逆辐射之差 2 计算公式 Ln Lo La 其中 为地面吸收率 平均取0 95 3 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 4 地面有效辐射的意义 夜间Ln的大小 可决定地温的高低和地温降低的快慢 Ln大 地面降温多 易形成露 霜 低温灾害等 Ln大小经常用来作为预报地面最低温度和霜冻的重要依据 五 地面净辐射 B 1 定义 在单位时间内 单位面积地面所吸收的辐射与放出的辐射之差 称为地面净辐射 B 也称地面辐射差额 2 计算公式 阴天 B St 1 r Ln夜晚 B Ln 晴天 3 影响因素 太阳辐射 白天 B 0 靠近正午时B达到最大值 夜间 B Ln B0 冬季 B 0 天气状况 有云的情况下 会使B的绝对值减小 纬度 纬度愈低 B保持正值的月份愈多 我国大致在39 N以南的地区各月都为正值 39 N以北冬季某些月份为负值 且纬度越高 负值的时间越长 地面净辐射在天气 气候以及小气候的形成与变化中有重要的作用 农林业上可以通过覆盖 松土 灌溉等方法改变地面净辐射 调节土壤的温度 第六节太阳辐射与植物生长 太阳辐射对植物的影响 热效应 光合效应 形态效应 决定了植物产量 形成及地理分布 一 太阳辐射光谱成份对植物的影响 1 不同光谱成分对植物的影响 植物生长是在日光的全光谱作用下进行的 不同光谱成分对植物的光合作用 色素形成 向光性 形态形成的诱导等影响是不同的 植物吸收最多的是红橙光和蓝紫光 以参与光合作用 光谱对植物的影响有三个作用和三个效应 可见光的光效应 产生光合作用 红外线的热效应 促进果实成熟 紫外线的化学效应 起成型作用 意义 根据不同光谱成分对植物的影响 可以通过人工改变光质来改善植物的生长 近年来有色薄膜在农业上的应用 受到国内外的广泛注意 2 光合有效辐射 PAR PAR 0 43Sb 0 57Sd 定义 太阳光谱中对植物光合作用有效的光谱成份称为光合有效辐射 大致包括0 38 0 71 m波段的太阳辐射 计算 二 光照强度与植物生长发育 绿色植物的光合作用是在一定的光照条件下进行的 光饱和点 光合作用的速度达到最大时光的强度 1 光强与光合作用 不同植物对光强的要求不同 根据对光照强度的要求 喜光植物 阳生植物 强光照下才能正常生长 如白桦 刺槐 耐阴植物 阴生植物 一定的蔽阴条件下生长 如云杉 冷杉 中性植物 介于两者之间 如红松 椴树 杉木 毛竹等 幼苗期较耐阴 随着树龄的增长 逐渐表