气象学辐射PPT课件

1、 第一节 辐射的基本知识 (Basic knowledge of radiation)一、辐射的概念一、辐射的概念( (concept of radiation)concept of radiation)1 1. .定义：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辐射：物体以电磁波或粒子的形式放射或输送能量的过程。程。 辐射能：辐射能：放射或输送放射或输送辐射有两个基本属性辐射有两个基本属性 辐射的波动性：辐射的波动性： = c = c第1页/共67页l lc=l l波长和频率的关系第2页/共67页电磁波谱:把电磁波按波长大小顺序排列，称为电磁波谱。第3页/共67页 辐射的粒子学

2、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）。n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： eh，或 e = h C / -34 植物光合作用的研究常利用辐射的粒子性。第4页/共67页2.2.表征辐射的物理量表征辐射的物理量） 辐射通量：辐射通量： 定义：单位时间内通过任一表面的辐射能。定义：单位时间内通过任一表面的辐射能。 单位：单位：JsJs1 1或或W W（2 2）辐射通量密度辐射通量密度 定义：单位面积上的辐射通量。

3、定义：单位面积上的辐射通量。 单位：单位： JsJs1 1mm-2-2或或WmWm-2-2。第5页/共67页光通量光通量定义：单位时间通过某一表面的可见光能量。定义：单位时间通过某一表面的可见光能量。单位：流明（单位：流明（lmlm）光通量密度光通量密度定义：单位面积上的光通量。定义：单位面积上的光通量。单位：流明单位：流明/ /米米2 2（lmlmm m-2-2）光照度光照度( (照度）照度）定义：单位面积上接收的光通量。定义：单位面积上接收的光通量。单位：单位： lxlx，勒克斯，勒克斯，1 lx=1 lm1 lx=1 lmm m-2-2第6页/共67页 吸收率、反射率和透射率吸收率、反射

4、率和透射率 假设有一束能量为假设有一束能量为Q Q的入射光，照射到某一物体表面，的入射光，照射到某一物体表面，其中被物体吸收的能量为其中被物体吸收的能量为QaQa，反射的能量为，反射的能量为QrQr，透射，透射过物体的能量为过物体的能量为QtQt，则：，则：Q=Qa+Qr+QtQ=Qa+Qr+Qt。物体对辐射的吸收、反射和透射第7页/共67页2.2.关于a a、r r、t t的几点讨论 a a 、r r、t t是0 01 1之间的无量纲量。若辐射不能透过物体，t t0 0，则a ar r1 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 1的物体

5、为黑体。 吸收率为小于吸收率为小于1的常数，的常数，且不随波长变化的物体叫且不随波长变化的物体叫灰体。灰体。第8页/共67页三、辐射的基本定律定律：TTTEae,lll第9页/共67页第10页/共67页3.3.维恩位移定律维恩位移定律定律：黑体放射能力的最大值对应的波长定律：黑体放射能力的最大值对应的波长(max) (max) 与其本身的绝对温度与其本身的绝对温度(T)(T)成反比。即：成反比。即： maxT=CmaxT=C如果波长以如果波长以m m为单位，则常数为单位，则常数C C28972897m Km 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（定律：黑体的放射能力（E

6、T）与它本身绝对温度（）与它本身绝对温度（T） 的四次方成正比。即：的四次方成正比。即： ET T 4 式中式中5.6710-8Wm-2K-4为斯蒂芬为斯蒂芬波尔兹曼常数。波尔兹曼常数。2.斯蒂芬波尔兹曼定律 第11页/共67页图图2.42.4不同温度下黑体辐射强度与温度的关系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。第12页/共67页第13页/共67页 近日距：1月3日，1.47 108km 远日距：7月4日，1.52108km1.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

7、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，日地平均距离点上，日地平均距离1.4951.49510108 8kmkm。第14页/共67页第15页/共67页第16页/共67页2.2.太阳常数太阳常数 定义：当日、地间处于平均距离时定义：当日、地间处于平均距离时( (约约1.4961.49610108 8km)km)，在大气上界垂直于太阳光线的平面，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，称上单位面积、

8、单位时间内所接收的太阳辐射能，称为太阳常数。用为太阳常数。用S S0 0表示。其值为表示。其值为136713677 Wm7 Wm-2-2 我国采用的太阳常数值为我国采用的太阳常数值为1367 Wm1367 Wm-2-2 。影响。影响太阳常数的因子有日地距离、太阳黑子数等。太阳常数的因子有日地距离、太阳黑子数等。第17页/共67页2021-11-26三、太阳高度角和方位角三、太阳高度角和方位角（一）、太阳高度角（h）1.定义定义: :太阳平行光线与地表水平面之间的夹角。太阳平行光线与地表水平面之间的夹角。 水平面上得到的太水平面上得到的太阳辐射能随着阳辐射能随着h的增的增加而增加。加而增加。图图

9、2.6 2.6 太阳高度角和太阳辐射强度太阳高度角和太阳辐射强度第18页/共67页2.2.任意时刻及正午时刻太阳高度角的计算任意时刻及正午时刻太阳高度角的计算任意时刻任意时刻h h的计算的计算 式中：式中：为观测点纬度，为观测点纬度，为赤纬，为赤纬，是时角。是时角。 含义：太阳直射点的地理纬度. 范围-23.5 +23.5。第19页/共67页值：(北半球）(南半球相反）第20页/共67页第21页/共67页正午时刻h的计算：计算屯溪（292940 0N,118N,11820E E）夏至日和冬至日正午时刻的太阳高度角？ 解： 根据公式 h h 9090， 夏至日+23.5+23.5，冬至日-23.

10、5-23.5 夏至日h=90h=90292940 023.523.5=83=8350 0 冬至日h=90h=90292940 0-23.5-23.5=36=3650 0注意：当计算所得注意：当计算所得h为钝角时，取其补角为太阳高度角。为钝角时，取其补角为太阳高度角。第22页/共67页太阳高度角随纬度和季节的变化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纬度纬度(N(N) )春分日春分日夏至日夏至日秋分日秋分日冬至日冬至日90900 0232327270 023232727666630302323272746465454232327270 050504040636327

11、274040161633334040505073732323505026263333232327276666333390906666333343430606202070708686333370704646333310108080767633338080565633330 0909060603333909066663333第23页/共67页1.1.定义定义：太阳平行光线在水平地面上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。的投影和当地子午线之间的夹角。2.2.计算公式：计算公式：coscoshsinsinsinhcosA第24页/共67页第25页/共67页第26页/共67页 第27

12、页/共67页 第28页/共67页1.吸收作用吸收作用特点：选择性吸收第29页/共67页大气各成分的吸收波段第30页/共67页散射作用散射作用 第31页/共67页。第32页/共67页2021-11-2633第33页/共67页2021-11-2634第34页/共67页第35页/共67页 u u 第36页/共67页1.大气（质）量(m) 定义：m随h的变化大气量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。第37页/共67页hmcscsinh1第38页/共67页大气透明系数透过一个大气质量(m1)后的辐射通量密度 (S1)与透过前的辐射通量密度(S0)之比，即： 011SSSSPmm

13、 第39页/共67页布格尔-兰勃特（贝尔减弱定律） 第40页/共67页 ( Sb) Sb 。1.1.水平地面上的太阳直接水平地面上的太阳直接辐射（辐射（ S Sb b ）的大小）的大小第41页/共67页 第42页/共67页第43页/共67页0102030405060708090太阳高度角的日变化太阳高度角的日变化时间时间太太阳阳高高度度角角太阳高度角太阳高度角第44页/共67页1.1.概念概念 北京直接辐射的年变化北京直接辐射的年变化第45页/共67页2.影响因子影响因子 3.3.散射辐射的日年变化散射辐射的日年变化第46页/共67页1.1.概念概念 第47页/共67页 云第48页/共67页u

14、 太阳辐射的太阳辐射的日总量日总量： 一日中，到达地面单位面积上的一日中，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。太阳辐射的累积值，称为太阳辐射的日总量。 u 太阳辐射太阳辐射年总量年总量：一年中，到达地面单位面积上的太阳：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。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辐射总量不仅取决于太阳高度角太阳高度角、大气透明系数大气透明系数，还和，还和日照时数日照时数有关。有关。 太阳辐射总量太阳辐射总量第49页/共67页第50页/共67页 地面反射率 第51页/共67页第52页/共67页 第53页/共67

15、页 3.080 m ，最大放射能力对应的波长约为10.0 m 。二、大气辐射第54页/共67页。 第55页/共67页 夜间的大小，第56页/共67页 晴天：晴天：ntbLrSSB)1)(ntbLrSSB)1)(第57页/共67页 第58页/共67页 第59页/共67页第60页/共67页 第61页/共67页不同植物对光强的要求不同，根据对光照强度的要求：不同植物对光强的要求不同，根据对光照强度的要求：喜光植物喜光植物阳生植物阳生植物（强光照下才能正常生长，如白桦、（强光照下才能正常生长，如白桦、刺槐）刺槐）耐阴植物耐阴植物阴生植物阴生植物（一定的蔽阴条件下生长，如云杉、（一定的蔽阴条件下生长，如

16、云杉、冷杉）冷杉）中性植物中性植物（介于两者之间，如红松、椴树、杉木、毛（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，逐渐表现出不竹等，幼苗期较耐阴，随着树龄的增长，逐渐表现出不同程度偏阳的特性）同程度偏阳的特性）第62页/共67页 生长发育生长发育：营养生长要有弱光，生殖生长要有强光。：营养生长要有弱光，生殖生长要有强光。 产量产量：光饱和点要高，光补偿点要低，才能增产。：光饱和点要高，光补偿点要低，才能增产。 品质品质：强光有利于淀粉、蛋白质的形成，弱光不利糖分：强光有利于淀粉、蛋白质的形成，弱光不利糖分的形成。的形成。 形态形态：空旷地的稀疏树木树干粗矮、树冠

17、较大；密林中：空旷地的稀疏树木树干粗矮、树冠较大；密林中树干细长，树冠狭窄树干细长，树冠狭窄2.2.光照强度对植物的影响光照强度对植物的影响第63页/共67页 北半球生长季节里，南方光照时间短于北方，故南方多为短日照植物，而北方多为长日照植物。长日照植物：一般原产中高纬（温带）地区，多为耐寒植物，如落叶松、小麦、大麦、燕麦、甜菜、菠菜等。短日照植物：一般原产热带或亚热带地区，多为喜温植物，如茶树、晚稻、大豆、棉花等。中性植物：对日照长短并不敏感，只要生长正常，就不影响开花。如早稻、西红柿、黄瓜等。第64页/共67页2.2.光周期现象对植物的影响：光周期现象对植物的影响：对营养生长：对营养生长：影响光合作用的时间，影响光合作用的时间，从而影响到植物的从而影响到植物的营养生长。营养生长。对生殖生长：对生殖生长：对植物开花有诱导效应，对植物开花有诱导效应，从而影响植物的从而影响植物的生长发育及产量。生长发育及产量。对分布地域：对分布地域：植物只能定居在完成生命过程最有效的地植物只能定居在完成生命过程最有效的地理范围内（有些品种经过异地长期驯化，会在一定程理范围内（有些品种经过异地长期驯化，会在一定程度上失去对光长的敏感性）。度上失