第一章辐射交换-

1、第一章第一章 辐射交换（辐射交换（7 7学时）学时） 本章难点和重点本章难点和重点: : 应该放在太阳的两大效应上，即：光效应（各应该放在太阳的两大效应上，即：光效应（各地日照长短的变化及日照长短影响因素）与热效应地日照长短的变化及日照长短影响因素）与热效应（地面有效辐射的意义及地面表面辐射收支情况），（地面有效辐射的意义及地面表面辐射收支情况），对太阳辐射与农业生产关系做一般了解。对太阳辐射与农业生产关系做一般了解。 内容提要：内容提要：1 1、辐射的有关知识、四季的形成、昼夜的形成和、辐射的有关知识、四季的形成、昼夜的形成和日照长短的变化；日照长短的变化；2、太阳辐射及其穿过大气层的减弱，

2、到达地面的、太阳辐射及其穿过大气层的减弱，到达地面的太阳辐射；太阳辐射；3、地面有效辐射的意义及地面辐射平衡；、地面有效辐射的意义及地面辐射平衡；第一节第一节 辐射的一般知识辐射的一般知识 2 2、特性：、特性：、波动性：、波动性： 电磁波谱：把电磁波按波长的次序（波长的长短）排成一电磁波谱：把电磁波按波长的次序（波长的长短）排成一个谱系。个谱系。 电磁波谱电磁波谱“无线电波、红外线、可见光、紫外线、无线电波、红外线、可见光、紫外线、X X射线、射线、射线射线”等。等。 一、辐射的概念、特性和辐射能的度量单位一、辐射的概念、特性和辐射能的度量单位1 1、定义：任何物质只要其、定义：任何物质只要

3、其绝对温度在零度以上绝对温度在零度以上，都，都能以电磁波的方式向外发射能量，这种以电磁波传能以电磁波的方式向外发射能量，这种以电磁波传输能量的过程称之为辐射。输能量的过程称之为辐射。该物体该物体辐射体辐射体 传输的能量传输的能量 辐射能辐射能电磁波谱气象学主要研究的是太阳、地球和大气辐射，它们的气象学主要研究的是太阳、地球和大气辐射，它们的波长范围大约在波长范围大约在0.15-120um0.15-120um之间。太阳辐射的主要之间。太阳辐射的主要波长范围在波长范围在0.15-4um0.15-4um，地球、大气辐射的主要波长，地球、大气辐射的主要波长范围在范围在3-120um3-120um 辐射

4、的传播速度辐射的传播速度 电磁波的速度电磁波的速度 都为都为3 310108 8 米米 / / 秒秒 光速光速、粒子性：电磁辐射由许多具有一定质量、能、粒子性：电磁辐射由许多具有一定质量、能量和动量的微粒（量子或光量子）组成，每个量量和动量的微粒（量子或光量子）组成，每个量子具有的能量与其频率成正比：子具有的能量与其频率成正比：E=hE=h* *v v。、辐射通量密度辐射通量密度E E（也称辐照度）也称辐照度）-焦耳焦耳/ /秒秒* *米米2 2 E=E=d/dAd/dA= = dQdQ / /dtdt* *dAdA - -单位时间内通过单位面积上的辐射能量。单位时间内通过单位面积上的辐射能量

5、。 1 1卡卡/ /厘米厘米2 2* *分分=697.8=697.8瓦瓦/ /米米2 23 3、 辐射能的度量单位：辐射能的度量单位：、辐射能量、辐射能量Q-Q-焦耳（焦耳（J J）-以辐射的形式以辐射的形式“发射、传播、以及接受的能发射、传播、以及接受的能量量”均称为辐射能量。均称为辐射能量。、辐射通量、辐射通量-焦耳焦耳/ /秒秒 （瓦特）（瓦特）=dQdQ / /dtdt -单位时间内通过任意面积上的辐射能量单位时间内通过任意面积上的辐射能量 。4 4、光通量密度（、光通量密度（E1E1） LmLmm m-2-2（流明（流明米米2 2）或）或LxLx（流明），（流明）， 1Lx=1Lm1

6、Lx=1Lmm m-2-2。 单位面积上通过或到达的光通量，称为光通量单位面积上通过或到达的光通量，称为光通量密度，简称光照度密度，简称光照度( (light intensitylight intensity) )。二、物体对辐射的二、物体对辐射的吸收、反射和透射吸收、反射和透射 不论何种物体，它向外发射辐射的同时，不论何种物体，它向外发射辐射的同时，必然会接受到周围物体向它投射过来的辐射，但必然会接受到周围物体向它投射过来的辐射，但投射到物体上的辐射并不是全部被吸收，其中一投射到物体上的辐射并不是全部被吸收，其中一部分被反射，一部分可能透过物体。部分被反射，一部分可能透过物体。 Qa+Qr+

7、Qt=QQa+Qr+Qt=Q0 0v将上式等号两边除以将上式等号两边除以Q Q0 0，1otoroaQQQQQQ设投射到物体上的总辐射能为设投射到物体上的总辐射能为Q Q0 0，被吸收的，被吸收的为为QaQa，被反射的为，被反射的为QrQr，透过的为，透过的为QtQt。根据能。根据能量守恒原量量守恒原量: :吸收的辐射与总辐射之比，称为吸收率（吸收的辐射与总辐射之比，称为吸收率（a a）；）；反射的辐射与总辐射之比，称为反射率（反射的辐射与总辐射之比，称为反射率（r r）；）；透过的辐射与总辐射之比，称为透射率（透过的辐射与总辐射之比，称为透射率（t t），），则则 a+r+t=1 式中式中a

8、, r, ta, r, t都是无量纲量，数值在都是无量纲量，数值在0 01 1之间，之间，分别表示物体对辐射吸收、反射和透射的能力。分别表示物体对辐射吸收、反射和透射的能力。物体的吸收率、反射率和透射率其大小随着物体的吸收率、反射率和透射率其大小随着辐射的波长辐射的波长和和物体的性质物体的性质而改变。而改变。改变物体的性质可改变改变物体的性质可改变a a、r r、 t t； 改变辐射的波长可改变改变辐射的波长可改变a, r, ta, r, t。在应用中经常改变物体的性质进而改变物体的吸在应用中经常改变物体的性质进而改变物体的吸收率。收率。黑体的特点：黑体的特点： 能完全地吸收一切入射辐射；能完

9、全地吸收一切入射辐射； 对一切波段和一切方向都能最大可能地对一切波段和一切方向都能最大可能地辐射；辐射；三、辐射的有关定律：三、辐射的有关定律：1 1、介绍定律之前引入一个概念、介绍定律之前引入一个概念-黑体黑体灰体的特点：灰体的特点：只具备黑体的一个特点或都不具备。只具备黑体的一个特点或都不具备。k=1：辐射体为绝对黑体：辐射体为绝对黑体 k1：辐射体为灰体：辐射体为灰体E=kT4134 4、基尔霍夫定律、基尔霍夫定律: : 该定律指出，辐射能力该定律指出，辐射能力强强的物体，吸收的物体，吸收能力也能力也强强；反之，辐射能力弱的物体，吸；反之，辐射能力弱的物体，吸收能力也弱。收能力也弱。第二

10、节第二节节气、季节、日照时间节气、季节、日照时间一、日地关系：一、日地关系： 地球在太阳系中也和其它行星一样，在自转地球在太阳系中也和其它行星一样，在自转的同时，围绕着太阳公转。公转的轨道为一近似的同时，围绕着太阳公转。公转的轨道为一近似圆形的椭圆。太阳位于椭圆的两焦点之一。圆形的椭圆。太阳位于椭圆的两焦点之一。 地球围绕太阳公转有两个重要特点：地球围绕太阳公转有两个重要特点： 地轴与地球公转轨道面始终保持地轴与地球公转轨道面始终保持66663333的的夹角，称为夹角，称为夹角不变夹角不变； 地轴在宇宙空间的倾斜方向始终保持不变地轴在宇宙空间的倾斜方向始终保持不变（永远指向北极星方向）也叫（永

11、远指向北极星方向）也叫指向不变指向不变。 这这“两个不变两个不变”是地球上形成四季变换和昼夜长是地球上形成四季变换和昼夜长短的根本原因。短的根本原因。 二、太阳高度角和方位角二、太阳高度角和方位角 地球表面各纬度太阳辐照度的多少，受地球表面各纬度太阳辐照度的多少，受太阳在天空位置的影响。在地球上观测太阳在太阳在天空位置的影响。在地球上观测太阳在天空中的位置，随时间、地点的变化，可以用天空中的位置，随时间、地点的变化，可以用太阳高度角和太阳方位角表示。太阳高度角和太阳方位角表示。（一）太阳高度角（一）太阳高度角（h ） 太阳的平行光线与水平面的交角称为太阳高度角太阳的平行光线与水平面的交角称为太

12、阳高度角（solar elevationsolar elevation），简称太阳高度。），简称太阳高度。 sin h =sinsin+coscoscos0 太阳高度角太阳高度角h h取值在取值在0 09090之间。之间。h h9090时，取补角。时，取补角。太阳高度角大小影响地太阳高度角大小影响地面接受太阳辐照度的多少。面接受太阳辐照度的多少。 ：地理纬度：地理纬度 -90-90 +90+90； 北半球：为正值北半球：为正值0 0 90 90 ； 南半球：为负值南半球：为负值-90-90 0 0 ； 注：如没有特别说明均认为是指北半球。注：如没有特别说明均认为是指北半球。-赤纬：它是太阳的平

13、行光线垂直照射地赤纬：它是太阳的平行光线垂直照射地球表面所在的纬度值，数值上等于阳光直射球表面所在的纬度值，数值上等于阳光直射点所在地理纬度点所在地理纬度。北半球取正值，南半球取北半球取正值，南半球取负值。负值。 -23.5 +23.5；图图当太阳直射赤道时当太阳直射赤道时=0=0，定为春分或秋分，定为春分或秋分 ；当太阳直射点到达最北端时（直射北回归线）当太阳直射点到达最北端时（直射北回归线）=+23.5=+23.5，为北半球的夏至，为北半球的夏至 ；当太阳直射点到达最南端时（直射南回归线）当太阳直射点到达最南端时（直射南回归线） =-23.5 =-23.5，为北半球的冬至。，为北半球的冬至

14、。在南北回归线以外太阳均为斜射在南北回归线以外太阳均为斜射春分夏至秋分-.冬至太阳辐射直射点在地球表面的变化太阳辐射直射点在地球表面的变化0 0 -时角，即地球自转的角速度时角，即地球自转的角速度规定：规定：当地真太阳时的正午为零，上午为负，当地真太阳时的正午为零，上午为负，下午为正下午为正 ；地球自转一周（即一昼夜）为地球自转一周（即一昼夜）为360360用用24hr24hr，所以，所以 1515/hr /hr 。正午时刻正午时刻0 0=0=0，代入代入得：正午时刻的得：正午时刻的太阳高度角公式：太阳高度角公式： h h = 90= 90-+-+ 正午时刻的太阳高度角是一天中太阳高度的正午时

15、刻的太阳高度角是一天中太阳高度的最大值，实际应用主要反映一年中的极值变最大值，实际应用主要反映一年中的极值变化情况。化情况。纬度纬度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90 0 2327 0 -2327 40 50 73 23 50 2633 2327 6633 90 6633 4306 10 80 7633 80 5633 0 90 6633 90 6633 太阳高度角的变化规律太阳高度角的变化规律：3 3、正午太阳高度随纬度分布，基本上是随纬度增加而递减、正午太阳高度随纬度分布，基本上是随纬度增加而递减的。的。( (纬度变化）纬度变化） 在低纬度地区，正午太阳高度角终年较大，

16、它的年变在低纬度地区，正午太阳高度角终年较大，它的年变化小；在中高纬度地区正午太阳高度角为夏季大，冬季小，化小；在中高纬度地区正午太阳高度角为夏季大，冬季小，年变化较大。年变化较大。1 1、各纬度太阳高度的日变化规律比较一致，都是正午时刻最、各纬度太阳高度的日变化规律比较一致，都是正午时刻最大（但不一定为大（但不一定为9090），日出和日没时为零。），日出和日没时为零。（日变化）（日变化）2 2、正午太阳高度，当纬度、正午太阳高度，当纬度 23.523.5N N，一年夏季最大，冬季，一年夏季最大，冬季最小；当最小；当0 0N N纬度纬度 23.523.5N N，纬度越大，最大值越接近夏，纬度越

17、大，最大值越接近夏至日；至日；纬度越小，最大值越接近纬度越小，最大值越接近春秋分日，最小值均在冬季。春秋分日，最小值均在冬季。（年变化）（年变化）（二）太阳方位角（二）太阳方位角v太阳光线在水平面上的投影和当地正南北线的太阳光线在水平面上的投影和当地正南北线的夹角，称为太阳方位角（夹角，称为太阳方位角（solar azimuthsolar azimuth）。）。v取正南为零度，以西为正，以东为负，正北为取正南为零度，以西为正，以东为负，正北为180180。冬半年：冬半年：太阳从东偏南升起，西偏南落下；太阳从东偏南升起，西偏南落下；夏半年：夏半年：太阳从东偏北升起，西偏北落下；太阳从东偏北升起，

18、西偏北落下；三、昼夜的形成与日照长短的变化三、昼夜的形成与日照长短的变化（一）（一）昼夜的形成昼夜的形成地球的自转地球的自转 昼夜形成示意图昼夜形成示意图地球公转时同时自转，地球总有半个球面向太阳地球公转时同时自转，地球总有半个球面向太阳昼半球昼半球；另一半背向太阳另一半背向太阳夜半球夜半球，这里是黑夜。，这里是黑夜。昼夜半球分界面昼夜半球分界面分光面分光面，昼夜半球分界线，昼夜半球分界线晨昏线晨昏线；（二）日照长短的变化（二）日照长短的变化 地球绕地轴自转时，由于遵循地球绕地轴自转时，由于遵循“两个不变两个不变”- -地轴指向不变、夹角不变，使得地球表面接地轴指向不变、夹角不变，使得地球表面

19、接受的光照有了长短的变化。受的光照有了长短的变化。1 1、日照长短与纬度、日照长短与纬度u 夏至日夏至日阳光直射北回归线，北半球阳光直射北回归线，北半球昼长夜短昼长夜短(昼长大于昼长大于12小时），小时），且随纬度增加白昼增长，黑且随纬度增加白昼增长，黑夜缩短夜缩短，至北极圈范围内终日为昼。南半球则相，至北极圈范围内终日为昼。南半球则相反。反。u 冬至日冬至日阳光直射南回归线，北半球夜弧长、阳光直射南回归线，北半球夜弧长、昼弧短，昼弧短，夜长昼短。且随纬度增加白昼缩短夜长昼短。且随纬度增加白昼缩短，黑，黑夜增长，至北极圈范围内终日为夜。南半球恰好夜增长，至北极圈范围内终日为夜。南半球恰好相反。

20、相反。 u春秋分时春秋分时，阳光直射赤道，此时分光面与地轴，阳光直射赤道，此时分光面与地轴在同一平面上，南、北半球各纬度昼弧、夜弧在同一平面上，南、北半球各纬度昼弧、夜弧相等，相等，昼夜长短均相等为昼夜长短均相等为1212小时。小时。赤赤道地区，终年昼长均为道地区，终年昼长均为12hr12hr） 2 2、日照长短与季节、日照长短与季节 在北半球在北半球中，高纬度地区中，高纬度地区，同一纬度在不同季，同一纬度在不同季节里，其昼夜长短是不同的。节里，其昼夜长短是不同的。春分日以后至秋分日之前（夏半年）昼长大于春分日以后至秋分日之前（夏半年）昼长大于12hr12hr，夏至日达最长；，夏至日达最长；

21、春分日和秋分日各为春分日和秋分日各为12hr； 秋分日以后到春分日之前（冬半年）昼长小于秋分日以后到春分日之前（冬半年）昼长小于12hr12hr，冬至日达最短。，冬至日达最短。 南半球则与上述情况相反。南半球则与上述情况相反。 在赤道地区，终年昼长均为在赤道地区，终年昼长均为12hr。（三）、几个时间概念（三）、几个时间概念1 1、可照时间可照时间：是指在没有地形、地物等遮蔽的条件是指在没有地形、地物等遮蔽的条件下，太阳中心从东方地平线升起到西方地平线落下，下，太阳中心从东方地平线升起到西方地平线落下，一天可能照射的最大小时数（理论最大日照时数）。一天可能照射的最大小时数（理论最大日照时数）。

22、日出、日落时日出、日落时h =0，设此时的时角为，设此时的时角为0，于是有：，于是有：Sin0=SinSin+CosCosCos0 Cos0= - tgtg 由由CosCos0 0计算得计算得+0 0和和-0 0两值（两值（0 0909090为负值），为负值），+0 0为日没的时角；为日没的时角；-0 0为为日出的时角。日出的时角。将时角换成时间（将时角换成时间（15/hr），便可求），便可求得日出、日没的时刻。得日出、日没的时刻。 于是全天可照时间为：于是全天可照时间为： 可照时间可照时间=2|=2|0 0|/15|/15( (小时小时) )2 2、实照时数：实照时数：某一地一天中太阳实际照

23、射的小时数某一地一天中太阳实际照射的小时数称日照时数（实照时数）。称日照时数（实照时数）。 一般：日照时数可照时数。一般：日照时数可照时数。 日照百分率（日照百分率（sunshine percentagesunshine percentage）%100 可照时数日照时数3 3、曙暮光、曙暮光 曙暮光曙暮光：日出以前、日落以后地面上的一定辐照：日出以前、日落以后地面上的一定辐照度和光照度。主要是度和光照度。主要是空气分子对太阳辐射的散射作用空气分子对太阳辐射的散射作用下形成的。下形成的。 天文曙暮光：太阳在地平线以下天文曙暮光：太阳在地平线以下0 01818的一段的一段时间内，大气的折射、散射作

24、用下形成的；时间内，大气的折射、散射作用下形成的； 民用曙暮光：民用曙暮光：0 06 6。 曙暮光的时间长短随曙暮光的时间长短随的的增加而增长，夏半年尤增加而增长，夏半年尤为明显，曙暮光具有缓解植物受低温侵害的作用。为明显，曙暮光具有缓解植物受低温侵害的作用。4 4、光照时间、光照时间 光照时间光照时间 = = 可照时间可照时间 + + 曙暮光时间曙暮光时间地球绕太阳公转时，始终保持地球绕太阳公转时，始终保持“两个不变两个不变”使得太阳直射地球的位置在一年中是有变化使得太阳直射地球的位置在一年中是有变化的（变化于南北纬的（变化于南北纬23.523.5之间），这种变化之间），这种变化带来的是地面

25、接受太阳辐射能的变化，于是带来的是地面接受太阳辐射能的变化，于是产生了季节。产生了季节。思路：地球的公转思路：地球的公转-一年中一年中太阳直射点变化太阳直射点变化-到达地面太阳辐射能的变化到达地面太阳辐射能的变化-地面温度的变化地面温度的变化-地面辐射能力的变化地面辐射能力的变化-空气温度变化空气温度变化-出现出现一年中冷热季节的变化。一年中冷热季节的变化。四、季节的形成四、季节的形成-地球的公转地球的公转低纬度地区：低纬度地区：全年太阳高度角较大，昼夜长短变化均全年太阳高度角较大，昼夜长短变化均匀，到达地面的太阳辐射多，温度全年很高，没有四匀，到达地面的太阳辐射多，温度全年很高，没有四季差异

26、。季差异。中纬度地区：中纬度地区：夏季太阳高度角很大，白昼很长，温度夏季太阳高度角很大，白昼很长，温度高；冬季太阳高度角很小，白昼很短，温度低；春秋高；冬季太阳高度角很小，白昼很短，温度低；春秋季太阳高度角和白昼变化在夏季和冬季之间，温度不季太阳高度角和白昼变化在夏季和冬季之间，温度不高不低，有明显四季变化。高不低，有明显四季变化。高纬度地区：高纬度地区：夏半年（春夏半年（春-秋分），白昼很长，甚至秋分），白昼很长，甚至几个月时间为极昼，温度较高；冬半年（秋几个月时间为极昼，温度较高；冬半年（秋-春分），春分），白昼很短，甚至几个月时间为极夜，过渡季节不明显，白昼很短，甚至几个月时间为极夜，过

27、渡季节不明显，只有冬夏之分。只有冬夏之分。2、节气命名：、节气命名：春雨惊春晴谷天，夏满芒夏暑相连；春雨惊春晴谷天，夏满芒夏暑相连；秋处露秋寒霜降，冬雪雪冬小大寒。秋处露秋寒霜降，冬雪雪冬小大寒。每月两节日期定，至多相差一、二天；每月两节日期定，至多相差一、二天；上半年来六、二一，下半年来八、二三。上半年来六、二一，下半年来八、二三。1、节气的规定：在黄道上自春分点起按逆时针、节气的规定：在黄道上自春分点起按逆时针方向计算的角度称为黄经，公转一周为方向计算的角度称为黄经，公转一周为，春分规定为黄经春分规定为黄经，每隔黄经，每隔黄经定为一个定为一个节气，共个节气。节气，共个节气。五、二十四节气：

28、五、二十四节气：v2424节气中：节气中：表示表示四季变化四季变化的有：立春、春分、立夏、夏至的有：立春、春分、立夏、夏至 立秋、秋分、立冬、冬至；立秋、秋分、立冬、冬至； 反映反映气温变化气温变化的有：小暑、大署、处暑、的有：小暑、大署、处暑、 小寒、大寒；小寒、大寒；反映反映大气降水和凝结现象大气降水和凝结现象的：雨水、谷雨、的：雨水、谷雨、 白露、寒露、霜降、小雪、大雪；白露、寒露、霜降、小雪、大雪；表征表征物候现象物候现象的：惊蛰、清明、小满、芒种的：惊蛰、清明、小满、芒种 2424节气产生于黄河流域，大致符合黄河流域的情况，气候节气产生于黄河流域，大致符合黄河流域的情况，气候和农业生

29、产都具有很大的和农业生产都具有很大的地域性地域性。因此，其他地区使用时要结。因此，其他地区使用时要结合当地的节气农谚来从事农业生产活动。合当地的节气农谚来从事农业生产活动。42第三节第三节 太阳辐射太阳辐射一、大气上界的太阳辐射1 1、太阳辐射光谱：太阳辐射光谱： 太阳辐射能随波长的分布称为太阳辐射光谱。太阳辐射能随波长的分布称为太阳辐射光谱。 99% 99%能量集中在能量集中在0.15-4um0.15-4um波段内，此连续光谱，可分为三个波段内，此连续光谱，可分为三个光谱区：光谱区： 红外光谱红外光谱 0.77m-43% 0.77m-43% 热效应热效应 可见光谱可见光谱 =0.39-0.7

30、7m=0.39-0.77m50% 50% 光合光合 紫外光谱紫外光谱 0.39m-7% 0.39m-7% 灭病毒病菌灭病毒病菌0.77-4m0.77-4m为近红外辐射为近红外辐射 4-100m4-100m为远红外辐射为远红外辐射 太阳辐射光谱中具有最大能量的波长是太阳辐射光谱中具有最大能量的波长是475475纳米，由此向短纳米，由此向短波方向，各波长所具有的能量急剧降低，而由此向长波方向，波方向，各波长所具有的能量急剧降低，而由此向长波方向，各波长所具有的能量则缓慢减弱。各波长所具有的能量则缓慢减弱。辐射强度相对值10020406080400800波长（纳米nm）太阳光谱的能量分布200120

31、0S。=13677W/m2，2 2、太阳常数、太阳常数S S。：。：定义：在地球大气上界，日地处于平均距离定义：在地球大气上界，日地处于平均距离时垂直于太阳光线的面上所接受到的太阳辐时垂直于太阳光线的面上所接受到的太阳辐射通量密度。射通量密度。二、太阳辐射穿过大气层时的减弱二、太阳辐射穿过大气层时的减弱 2、减弱过程：、减弱过程：大气的某些成分大气的某些成分选择性吸收选择性吸收太阳辐射的某些波段；太阳辐射的某些波段；0 02 2-微弱地吸收微弱地吸收 0.2 m 0.2 m 附近的紫外线辐射附近的紫外线辐射0 03 3-强烈地吸收强烈地吸收0.20.20.3 m 0.3 m 的紫外线部分，在的

32、紫外线部分，在地面观测中，太阳光谱在地面观测中，太阳光谱在0.29 m 0.29 m 处突然中断。处突然中断。水汽水汽-主要吸收红外部分（主要吸收红外部分（0.93-2.85 m 0.93-2.85 m ）COCO2 2-对红外部分也有吸收（对红外部分也有吸收（4.3 m4.3 m） 尘埃微粒尘埃微粒-吸收甚少。吸收甚少。 大气对可见光吸收非常小，几乎完全透明。大气对可见光吸收非常小，几乎完全透明。1 1、减弱方式、减弱方式( (作用）：作用）：吸收、散射、反射作用吸收、散射、反射作用47、散射作用、散射作用 空气分子直径入射波长：空气分子直径入射波长：选择性分子散射选择性分子散射散射定律：对

33、波长短的散射强，散射定律：对波长短的散射强，对波长长的散射的弱。对波长长的散射的弱。如晴朗的天空呈现蔚蓝色，如晴朗的天空呈现蔚蓝色，当太阳升起和落下时呈现当太阳升起和落下时呈现一轮红日。一轮红日。空气分子直径入射波长：空气分子直径入射波长：无选择性无选择性散射（漫射）散射（漫射） 如阴天天空呈现乳白色。如阴天天空呈现乳白色。50大气通过散射作用主要减弱可见光。大气通过散射作用主要减弱可见光。不同高度的云对太阳辐射的反射率不同不同高度的云对太阳辐射的反射率不同: :高云高云 中云中云 低云低云2020 5050 6565太阳辐射穿过大气后的主要变化有：太阳辐射穿过大气后的主要变化有：总辐射能有明

34、显地减弱；总辐射能有明显地减弱；辐射能随波长的分布变得极不规则；辐射能随波长的分布变得极不规则；波长短的辐射能减弱得更为显著。波长短的辐射能减弱得更为显著。三、太阳辐射透过大气层时减弱的一般规律：三、太阳辐射透过大气层时减弱的一般规律： 太阳辐射穿过大气时受到消弱的程度，主要太阳辐射穿过大气时受到消弱的程度，主要取决于太阳辐射在大气中经过的取决于太阳辐射在大气中经过的路径长短路径长短和和大气大气透明程度。透明程度。1 1、大气光学质量（、大气光学质量（m m）：大气光学质量是用以表示阳光穿过大气光学质量是用以表示阳光穿过大气的路程，简称大气质量。大气的路程，简称大气质量。 太阳高度角越小，太阳

35、辐射穿过的大气路太阳高度角越小，太阳辐射穿过的大气路程越长，太阳辐射被减弱的多，到达地面程越长，太阳辐射被减弱的多，到达地面的直接辐射就少。的直接辐射就少。大气质量（大气质量（m m）随太阳高度角随太阳高度角h h的变化的变化地球地球大气层大气层hm*=1m大气上界大气上界地平面地平面mm=1h大气上界大气上界观测点观测点注：不考虑地球的曲率注：不考虑地球的曲率sinh1 m如不考虑地球曲率：如不考虑地球曲率：mm sinh则在直角三角形中有：则在直角三角形中有：P P以阳光垂直透过一个大气质量后的辐照度以阳光垂直透过一个大气质量后的辐照度与透过之前辐照度之比来表示的，即：与透过之前辐照度之比

36、来表示的，即： 1mmmssp式中：式中：Pm Pm 为第为第m m个大气质量的透明系数，个大气质量的透明系数， SmSm和和S Sm-1m-1 分别表示阳光透过第分别表示阳光透过第m m个大气质量之后和之个大气质量之后和之前的太阳辐照度。前的太阳辐照度。2 2、大气透明系数、大气透明系数P P： P P值表明辐射通过大气后的平均削弱程度，值表明辐射通过大气后的平均削弱程度，P P越大削弱的越小，越大削弱的越小，P P越小削弱的越多越小削弱的越多 。影响大气透明系数的因素：影响大气透明系数的因素： 大气中的水汽、尘埃杂质的多少大气中的水汽、尘埃杂质的多少-成份越多成份越多（时（时间（日、年）；

37、间（日、年）；），P P越小越小； 海拔高度增加成分海拔高度增加成分， P P越大；越大； 波长的长短波长的长短-波长波长短的短的P P小小，削弱的多；波长，削弱的多；波长长的长的P P大，削弱的少；大，削弱的少； 太阳高度角太阳高度角-很低时，低层大气对太阳辐射很低时，低层大气对太阳辐射的吸收、反射增强，透明系数反而减少。的吸收、反射增强，透明系数反而减少。3 3、布给、布给朗伯定律：朗伯定律：根据根据 可以推出：可以推出：当当m=1， ，m=2， ， m=m，mmpss1mmmssp11pss212psppspssmmmpspss1 上式说明：上式说明：垂直于太阳光线方向的垂直于太阳光线方

38、向的太阳辐照度，随大气透明系数增加而增太阳辐照度，随大气透明系数增加而增大；随穿过大气路径增加而减少。若大大；随穿过大气路径增加而减少。若大气透明系数一定，大气质量数以等差级气透明系数一定，大气质量数以等差级数增加，则透过大气层到达地面的太阳数增加，则透过大气层到达地面的太阳辐照度，以等比级数减小。辐照度，以等比级数减小。 第四节第四节 到达地面的太阳辐射到达地面的太阳辐射到达地面的太阳辐射由两部分构成：到达地面的太阳辐射由两部分构成：太阳直接辐射太阳直接辐射 + 散射辐射（天空辐射）散射辐射（天空辐射）一、太阳的直接辐射一、太阳的直接辐射SS 来来自于太阳方向以平行光线的形式直接投自于太阳方

39、向以平行光线的形式直接投射到地面上的，称为太阳直接辐射（射到地面上的，称为太阳直接辐射（direct direct radiationradiation）；）； 1 1、影响影响SS的的因子：因子： 主要是：主要是：h h（m)m) 和和 p p（一）太阳直接辐射的影响因素和强度（一）太阳直接辐射的影响因素和强度根据根据 可以推出：可以推出： 垂直于太阳光线面上的太阳直接辐射度为：垂直于太阳光线面上的太阳直接辐射度为： 到达水平面上的太阳直接辐射度到达水平面上的太阳直接辐射度SS：1mmmsspmmpsssinhsinhmmPSSS水平2 2、太阳直接辐射、太阳直接辐射SS的大小：的大小：到达

40、水平面上的太阳直接辐射度到达水平面上的太阳直接辐射度SS可用通过两平面上可用通过两平面上的能量相等来推导：的能量相等来推导：ABCDEFQ1Q2 已知已知 ： Q1=Q2 Q1 ：为为ABCDABCD面的辐射能量面的辐射能量 Q2 ：为为BCEFBCEF面的面的辐射能量辐射能量 ABCD 面的面积为面的面积为 YZ ； BCEF 面的面积为面的面积为 XZ S1为为ABCD面的辐照度；面的辐照度； S2为为BCEF面的辐照度；面的辐照度； S1= Q1/YZt Q1=S1YZ t BE=X S2= Q2 /XZt Q2 =S2XZt AB=Y又又 Q1=Q2 S1YZt=S2XZt BC=Z

41、S1=S2X/Y S1= S2sinh yxsinhsinhsinhmmPSSS水平（3）太阳直接辐射强度的变化规律太阳直接辐射强度的变化规律日变化：日变化： -与与h h的日变化、云量有关的日变化、云量有关 太阳视面无云：太阳视面无云：日出日没时太阳直接辐射最弱，日出日没时太阳直接辐射最弱，中午太阳直接辐射最强；中午太阳直接辐射最强；年变化：年变化：-与正午与正午h h的年变化、云量有关的年变化、云量有关太阳视面太阳视面无云：无云：当纬度当纬度 23.523.5N N，一年夏季最，一年夏季最大，冬季最小；当大，冬季最小；当0 0N N纬度纬度 23.5 23.5N N，纬度，纬度越大，最大值

42、越接近夏至日；纬度越小，最大值越大，最大值越接近夏至日；纬度越小，最大值越接近春秋分日，最小值均在冬季。越接近春秋分日，最小值均在冬季。太阳高度角的变化规律太阳高度角的变化规律：3 3、正午太阳高度随纬度分布，基本上是随纬度增加而递减、正午太阳高度随纬度分布，基本上是随纬度增加而递减的。的。( (纬度变化）纬度变化） 在低纬度地区，正午太阳高度角终年较大，它的年变在低纬度地区，正午太阳高度角终年较大，它的年变化小；在中高纬度地区正午太阳高度角为夏季大，冬季小，化小；在中高纬度地区正午太阳高度角为夏季大，冬季小，年变化较大。年变化较大。1 1、各纬度太阳高度的日变化规律比较一致，都是正午时刻最、

43、各纬度太阳高度的日变化规律比较一致，都是正午时刻最大（但不一定为大（但不一定为9090），日出和日没时为零。），日出和日没时为零。（日变化）（日变化）2 2、正午太阳高度，当纬度、正午太阳高度，当纬度 23.523.5N N，一年夏季最大，冬季，一年夏季最大，冬季最小；当最小；当0 0N N纬度纬度 23.523.5N N，纬度越大，最大值越接近夏，纬度越大，最大值越接近夏至日；至日；纬度越小，最大值越接近纬度越小，最大值越接近春秋分日，最小值均在冬季。春秋分日，最小值均在冬季。（年变化）（年变化） 我国大部分地区为大陆性季风气候，降水多集中我国大部分地区为大陆性季风气候，降水多集中于夏季，盛

44、夏季节空气中水汽含量丰富，云量多，于夏季，盛夏季节空气中水汽含量丰富，云量多，大气透明系数小，大气透明系数小，太阳直接辐射高值区多出现在太阳直接辐射高值区多出现在春未夏初时节。春未夏初时节。纬度的变化：纬度的变化： 随纬度随纬度，太阳直接辐射太阳直接辐射。但全年直接辐射的最大值出现在回归线附近，但全年直接辐射的最大值出现在回归线附近，而不在赤道而不在赤道. .其原因是赤道上空云雨较多，其原因是赤道上空云雨较多，太阳被遮蔽时间长。太阳被遮蔽时间长。海拔高度的变化：海拔高度的变化：随海拔随海拔，大气质量数，大气质量数，大气透明系数，大气透明系数 ，太阳，太阳直接辐射直接辐射 。（二）太阳直接辐射的

45、光谱变化（二）太阳直接辐射的光谱变化与三种减与三种减弱作用有关弱作用有关 太阳辐射穿过穿过大气层后，紫外线和可见光能量太阳辐射穿过穿过大气层后，紫外线和可见光能量有不同程度的减弱，而有不同程度的减弱，而红外线能量相对地增加红外线能量相对地增加了，了，主要原因是空气分子对短波部分吸收、散射多的缘主要原因是空气分子对短波部分吸收、散射多的缘故。故。太阳直接辐射中光谱成分随海拔变化也有所改变，太阳直接辐射中光谱成分随海拔变化也有所改变，总的说来，海拔较高的地方，大气清洁，散射质总的说来，海拔较高的地方，大气清洁，散射质点少，因此紫外线和可见光中短波部分的蓝紫光点少，因此紫外线和可见光中短波部分的蓝紫

46、光含量增多，这种组成对高山植物具有一定的生物含量增多，这种组成对高山植物具有一定的生物学意义。学意义。 二、散射辐射（二、散射辐射（D D） 经空气质点散射后，来自于天空方向投射到地经空气质点散射后，来自于天空方向投射到地面的称为散射辐射（面的称为散射辐射（scattering radiationscattering radiation）。）。sinh)1 (21pSD1 1、影响、影响D D的因子：的因子：h(mh(m) )、P P 和云。和云。2 2、 D D 的求算公式：的求算公式：（一）散射辐射的影响因素和强度（一）散射辐射的影响因素和强度sinh)1 (21mpSD 当当 h h 增

47、大时，增大时， D D 增强，增强，h h减小时，减小时， D D减弱；减弱；当当 P P 增大时，参与散射的质点减少，增大时，参与散射的质点减少， D D减弱，减弱， P P 减小时，减小时， D D增强。增强。云和水汽也能强烈增加散射辐射量。云和水汽也能强烈增加散射辐射量。（3 3）散射辐射强度的变化规律散射辐射强度的变化规律 日变化：日变化：-与与h h的日变化一致的日变化一致 在中午达最大，上下午不完全对称，这是因为上、在中午达最大，上下午不完全对称，这是因为上、下午的散射系数和云况不同之故。下午的散射系数和云况不同之故。年变化：年变化：-与正午与正午h的年变化一致的年变化一致当纬度当

48、纬度 23.5N，一年夏季最大，冬季最小；当，一年夏季最大，冬季最小；当0N纬度纬度 23.5N，纬度越大，最大值越接近，纬度越大，最大值越接近夏至日；纬度越小，最大值越接近春秋分日，最小夏至日；纬度越小，最大值越接近春秋分日，最小值均在冬季。值均在冬季。再加上云量的影响，最大值总是出现再加上云量的影响，最大值总是出现在夏季。在夏季。纬度的变化：纬度的变化： 无明显的规律无明显的规律，因因D D的大小与空气中散的大小与空气中散射质点的多少有关。射质点的多少有关。海拔高度的变化：海拔高度的变化：随海拔随海拔，大气质量数大气质量数，大气透明系数，大气透明系数 ，散射质点散射质点，散射辐射散射辐射

49、。（二）散射辐射的光谱变化（二）散射辐射的光谱变化 散射辐射的光谱成分以散射辐射的光谱成分以短波光为多短波光为多，这是散，这是散射的选择性所致。射的选择性所致。三、总辐射三、总辐射 Q=S+DQ=S+D 总辐射是指到达地面的太阳直接辐射与散射辐总辐射是指到达地面的太阳直接辐射与散射辐射之和。射之和。（一）总辐射的强度及影响因素（一）总辐射的强度及影响因素1、Q的影响因素：的影响因素： h（m)、P 和云和云2、Q Q 强度的大小：强度的大小： Q=S+DQ=S+D1 1、日变化：、日变化：晴天晴天：-与与 h h 的日变化一致的日变化一致 日出之前：日出之前：Q Q 小，只有小，只有 D D，

50、 日出之后，日出之后，h=0-8h=0-8时，时，SS增加很快，增加很快，D D增加慢，增加慢， h= 8h= 8 时，时， S =DS =D， h= 50h= 50 时，时，D/S+D=10D/S+D=102020， h= 90h= 90 时，时，SS、D D均达均达最大值，最大值， 中午以后按相反的次序变化。中午以后按相反的次序变化。（二）总辐射强度的变化规律（二）总辐射强度的变化规律有云：总辐射量既可增加也可减少。有云：总辐射量既可增加也可减少。 太阳视面无云，太阳视面无云，S S不受影响，不受影响，D D，Q Q云云 Q Q碧空碧空。 太阳视面有云，太阳视面有云，S S ，D D ，Q

51、 Q ；而且有低云而且有低云时时Q Q最小。最小。 2 2、年变化、年变化-与正午与正午h h 的年变化一致的年变化一致总辐射月平均：夏季最大，冬季最小。总辐射月平均：夏季最大，冬季最小。3、纬度的变化：、纬度的变化：随随纬度增加纬度增加，到达地面的，到达地面的总辐射减小总辐射减小。北半球：。北半球：夏半年夏半年Qmax在在20-25N，冬半年：，冬半年： Qmaxmax在赤道。在赤道。4 4、海拔高度的变化：、海拔高度的变化：随海拔随海拔，大气质量数，大气质量数，大气透明系数，大气透明系数 ，散，散射质点射质点，太阳直接辐射，太阳直接辐射散射辐射散射辐射 ，但，但总辐总辐射射 。（三）、到达

52、地面的太阳辐射光谱成分：（三）、到达地面的太阳辐射光谱成分： 随随h h的降低，波长长的逐渐增多，波长短的逐的降低，波长长的逐渐增多，波长短的逐渐减少。渐减少。在碧空或部分有云时：在碧空或部分有云时：0.35-0.80um0.35-0.80um光谱区内的总辐射光谱成分一天内光谱区内的总辐射光谱成分一天内几乎不变，与几乎不变，与h h无关。无关。四、太阳辐射总量四、太阳辐射总量 太阳辐射总量是指某一接受面在一日、一季太阳辐射总量是指某一接受面在一日、一季度、一年或任一时段内所接受的太阳辐射能之总度、一年或任一时段内所接受的太阳辐射能之总和。和。可以指太阳直接辐射总量、太阳散射辐射总可以指太阳直接

53、辐射总量、太阳散射辐射总量或太阳总辐射总量。量或太阳总辐射总量。 地面上的太阳辐射总量不仅与太阳辐照度的地面上的太阳辐射总量不仅与太阳辐照度的大小有关，还与昼长有关。大小有关，还与昼长有关。 到达地面的太阳总辐射由于地面的反射作用，一到达地面的太阳总辐射由于地面的反射作用，一部分被反射回宇宙空间。下垫面对太阳辐射反射的多部分被反射回宇宙空间。下垫面对太阳辐射反射的多少，以地面反射率少，以地面反射率r r表示：表示： 地面反射率（地面反射率（r r）：是指）：是指地面反射的太阳总辐射地面反射的太阳总辐射QrQr与与投射到地面上的总辐射投射到地面上的总辐射Q Q之比。之比。即：即： 地面的吸收率为

54、（地面的吸收率为（1-r1-r） ，则：则： 地面吸收的太阳总辐射能应为地面吸收的太阳总辐射能应为Q Q（1-r1-r）。）。地表性质不同，其反射率有很大差异。见地表性质不同，其反射率有很大差异。见P P2929。QQrr 五、下垫面对太阳辐射的反射五、下垫面对太阳辐射的反射从表中数据可以得出如下规律：从表中数据可以得出如下规律：1 1、颜色浅反射率大；、颜色浅反射率大；2 2、粗糙程度大反射率小；、粗糙程度大反射率小；3 3、湿度大反射率小；、湿度大反射率小；4 4、太阳高度角小时太阳高度角小时，光线入射角大，则反射率也大；，光线入射角大，则反射率也大；太阳辐射光谱中长波占的比例大，地表对其

55、反射能太阳辐射光谱中长波占的比例大，地表对其反射能力较强。力较强。太阳高度角大，太阳高度角大，入射角变小，反射率也变入射角变小，反射率也变小。小。第五节第五节 地面辐射差额地面辐射差额 地面和大气系统在时刻不停地进地面和大气系统在时刻不停地进行着能量的交换，地表面就是这一系行着能量的交换，地表面就是这一系统的能量交换面。统的能量交换面。 是指由地面放射的指向大气的长波辐射是指由地面放射的指向大气的长波辐射。射向。射向大气的长波辐射大部分被大气吸收，只有一小部分大气的长波辐射大部分被大气吸收，只有一小部分直达宇宙。直达宇宙。（一）（一） 地面辐射地面辐射一、地面辐射和大气辐射一、地面辐射和大气辐

56、射地面辐射：波长范围为地面辐射：波长范围为 480m，长波辐射，长波辐射，属属于于红外辐射红外辐射，因此，只有，因此，只有热效应热效应，没有光效应。没有光效应。地面辐射能力：地面辐射能力：4TEggE -地面辐射能力地面辐射能力-斯蒂芬斯蒂芬波耳兹曼常数波耳兹曼常数 -地表的相对辐射率地表的相对辐射率-地表的绝对温度地表的绝对温度T T 地面辐射能力与地面温度和地表性质有关，地面辐射能力与地面温度和地表性质有关，地面温度越高，辐射能力则越强，温度低，辐地面温度越高，辐射能力则越强，温度低，辐射能力小。射能力小。 一般情况下，白天温度高，地面辐射值大，一般情况下，白天温度高，地面辐射值大，夜间温

57、度低，地面辐射值小。夜间温度低，地面辐射值小。 1 1、大气辐射、大气辐射大气向四面八方发射的辐射。大气向四面八方发射的辐射。 波长范围为波长范围为 3-3-120m-120m，属于，属于长波辐射，长波辐射，红外辐射红外辐射，因此，因此，只有热效应，没有光效应。只有热效应，没有光效应。 （二）大气辐射（二）大气辐射2 2、大气对长波辐射的吸收、大气对长波辐射的吸收 大气对长波辐射的吸收非常强烈，大气中对大气对长波辐射的吸收非常强烈，大气中对长波辐射的吸收起重要作用的成分有长波辐射的吸收起重要作用的成分有水汽、液态水汽、液态水、二氧化碳和臭氧等水、二氧化碳和臭氧等。它们对长波辐射的吸收。它们对长

58、波辐射的吸收同样具有选择性。同时大气的辐射也主要由大气同样具有选择性。同时大气的辐射也主要由大气中的水汽和液态水放出的。所以，中的水汽和液态水放出的。所以，大气的放射能大气的放射能力主要决定于大气温度力主要决定于大气温度，大气中的，大气中的水汽含量和云水汽含量和云的状况，气温越高，水汽、液态水的含量越多，的状况，气温越高，水汽、液态水的含量越多，大气的放射能力就越强。大气的放射能力就越强。、水汽、水汽 水汽对长波辐射的吸收最为显著，水汽对长波辐射的吸收最为显著，除除8 812m12m波段的辐射外波段的辐射外，其它波段都能吸收，并以，其它波段都能吸收，并以6m6m附近和附近和24m24m以上波段

59、的吸收能力最强。以上波段的吸收能力最强。、液态水、液态水 液态水对长波辐射的吸收与水汽相仿，只液态水对长波辐射的吸收与水汽相仿，只是作用更强一些。是作用更强一些。、二氧化碳、二氧化碳 二氧化碳有两个吸收带，中心分别位于二氧化碳有两个吸收带，中心分别位于4.3m4.3m和和14.7m14.7m。第一个吸收带位于温度为。第一个吸收带位于温度为200200300K300K绝绝对黑体的发射能量曲线的末端，其作用不大，第二对黑体的发射能量曲线的末端，其作用不大，第二个吸收带从个吸收带从12.912.917.1m17.1m，对吸收长波辐射有重要，对吸收长波辐射有重要意义。意义。、臭氧、臭氧 臭氧在臭氧在9

60、 910m10m之间有一个狭窄的强吸收带。之间有一个狭窄的强吸收带。据统计，约有据统计，约有75-95%75-95%的地面长波辐射被大气吸收，的地面长波辐射被大气吸收，而且这些辐射差不多在贴近地面而且这些辐射差不多在贴近地面404050m50m厚的气层厚的气层中就全部被大气吸收掉。大气对太阳辐射直接吸收中就全部被大气吸收掉。大气对太阳辐射直接吸收很少，而地面长波辐射的波段，恰位于大气的吸收很少，而地面长波辐射的波段，恰位于大气的吸收光谱区，所以，光谱区，所以，地面辐射是对流层大气的主要热源。地面辐射是对流层大气的主要热源。v在地面的整个长波辐射谱中，除在地面的整个长波辐射谱中，除8 812m1