中科大气象原理与气候学讲义02辐射

第二章辐射第一节日地关系及季节形成一、日地关系地球是一椭圆体，其赤道半径是6378.1km，它在太空中不停地绕太阳公转，同时又绕地轴自西向东进行自转，公转的轨道为一近圆形的椭圆，太阳位于椭圆的一个焦点上，在一年中地球距太阳最近的时间约在每年的1月3日，即近日点，最远的时间约在7月4日，即远日点。若在北极星方向来看，地球的公转和自转方向均是逆时针的。地球绕太阳公转有两个重要的特点：一是地轴与地球公转轨道始终保持66度33分的交角二是地轴在宇宙空间的倾斜方向始终保持不变由于地球的公转，有时北半球倾向太阳，有时南半球倾向太阳，引起太阳直射地球的位置不断改变，导致地面获得太阳的能量发生周期性的变化，于是便产生了地球上季节更替的现象，地球各地的太阳辐射状况受太阳在天空中的位置的影响，太阳在天空中的位置可用太阳高度角和太阳方位角来表示二、太阳高度角和方位角(一)太阳高度角1、概念：太阳平行光线与水平面的交角称为太阳高度角，简称太阳高度2、求算式：正午时刻的简化公式为：h=90–Ø+δ大庆的地理纬度是45度46分到46度55分，经度为124度19分到125度12分。(二)太阳方位角1、概念：太阳光线在水平面上的投影与当地子午线间的夹角。子午线：为测量地球而假设的南北方向的线，即通过地面某点的经线，也叫子午圈。三、昼夜形成和日照长短的变化(一)在地球自转过程中，总是有半个球面朝向太阳，另半个球面背向太阳。朝向太阳的半球称昼半球，背向太阳的半球称夜半球，昼半球和夜半球的分界线，叫晨昏线。晨昏线与纬圈交割把纬圈分成两段圆弧，处于昼半球的弧段儿昼弧，处于夜半球的弧段称夜弧。当地球自西向东自转时，昼半球的东侧逐渐进入黑夜，夜半球的东侧逐渐进入白天，由此形成了地球上的昼夜交替的现象。(二)几个概念1、可照时数：在天文学上，某地的昼长是指从日出到日没太阳可能照射的时间间隔。2、实照时数：将一日中太阳直接照射地面的实际时数称为实照时数。通常短于可照时数。曙暮光：在日出前与日没后的一段时间内，虽然太阳直射光不能直接投射到地面上，但地面仍能得到高空大气的散射光，使昼夜的更替不是突然的，天文学上称为晨光和昏影，总称为晨昏影，一般习惯上则称之为曙光和暮光。光照时间：把包括曙暮光在内的日长时间称为光照时间。四、季节的形成及二十四节气季节的形成：主要是由于太阳辐射随时间变化的结果，一年内地球每日在公转轨道上的位置不同，一地不同时期获得太阳辐射能量不同，温度不同，地球公转一周，恰好是寒来暑往的一年四季。在气侯资料统计中，把阳历的3、4、5月划分为春季；6、7、8月划分为夏季；9、10、11月划分为秋季；12、1、2月划分为冬季。二十四节气：春雨惊春清谷天，夏满芒夏暑相连，秋处露秋寒霜降，冬雪雪冬小大寒。每月两节日期定，前后相差一两天，上半年在六廿一，下半年在八二三。第二节辐射的基本知识一、辐射与辐射能概念：自然界中的一切物体，只要其温度在绝对零度以上，都时刻不停地以电磁波或粒子的形式向外放射能量，这种放射能量的方式称为辐射，通过辐射传播的能量称为辐射能。性质：波动性：辐射的波动性可用波长、频率表示，关系式为λ·μ=C粒子性：辐射的粒子学说内容：电磁辐射由具有一定质量能量和动量的微粒子组成，这些微粒称为量子，每个量子所具有的能量与其频率成正比，或说与波长成反比。关系式为E=h·μ或E=C/λ二、表征辐射特性的物理量辐射通量：单位时间内通过或到达任一面积的辐射能。辐射通量密度：单位时间内通过或到达单位面积的辐射能。辐出度：放射体表面单位时间单位面积上所放出的辐射能。辐照度：单位时间照射到单位面积物体表面的辐射能。光通量密度：单位面积上通过或到达的光通量。光照度：单位面积上接收的光通量。三、物体对辐射的吸收、反射和透射1、概念吸收率（a）：物体吸收的辐射与投射到该物体表面上的总辐射之比。反射率(r)：物体反射的辐射与投射到该物体表面上的总辐射之比。透射率(t)：透过物体的辐射与投射到该物体表面上的总辐射之比。三者关系：a+r+t=12、分类根据物体对辐射的吸收率黑体：如果某种物体在任何温度下，对任何波长的入射辐射能的吸收率都等于1，则称之为绝对黑体，简称黑体。灰体：如果某种物体的吸收率为小于1的常数，并且不随波长而改变，称之为灰体。白体：如果某种物体的反射率等于1，即吸收率等于零，则称之为白体。四、辐射的基本定律（一）斯蒂芬——波耳兹曼定律黑体的辐射能力与其表面的绝对温度的四次方成正比，表达式为：E=σT4（二）维恩位移定律黑体辐射能力最大值所对应的波长与其表面绝对温度成反比，表达式为：λmax=C/T。（三）基尔霍夫定律：当热量平衡（即温度不变）时，物体对于某一波长的辐射能力与物体对该波长吸收率之比为一恒量。该定律指出，辐射能力强的物体，吸收能力也强，反映了辐射能力和吸收率的关系。第三节太阳辐射及其穿过大气层时的减弱一、概念：太阳时刻不停地以辐射的方式向宇宙空间放射出巨大的能量，从太阳放射出来的光，热能量总称为太阳辐射能，简称太阳辐射或太阳能。二、太阳辐射光谱和太阳常数太阳辐射光谱：太阳辐射经色散分光后按波长大小排列的图案，称为太阳辐射光谱。太阳辐射光谱主要分为紫外区、可见光区、红外区三部分。分别约占太阳辐射总能量的7%、50%、43%。2、太阳常数在大气上界，当日地间处于平均距离时，垂直于太阳光线平面上，单位面积、单位时间内所接受的太阳辐射能，称为太阳常数。通常用“S。”表示，其最佳值为1367±7W/m2。三、太阳辐射在大气中的减弱（一）大气吸收作用太阳辐射穿过大气层时，大气成分中的水汽、氧、臭氧、二氧化碳及固体杂质等物质有选择吸收一定波长辐射能的特性，致使到达地面的太阳辐射能量被减弱，光谱发生改变。（二）大气的散射概念：太阳辐射通过大气时，遇到大气的各种质点，太阳辐射能的一部分则以电磁波的形式从这些质点向四面八方传播开，这种现象称为大气的散射。分类：根据散射质点的直径和入射辐射的波长之间的大小关系分子散射：若散射质点的直径小于入射辐射的波长，此时的散射有选择性。粗粒散射：若散射质点的直径比入射辐射的波长大得多，此时的散射无选择性。3、为什么天空有时呈蔚蓝色，有时呈乳白色。晴朗的天空，大气中的水汽、尘埃等杂质少，大气散射以分子散射为主，分子散射能力与投射质点上辐射波波长的四次方成反比，即入射辐射波长愈短，愈易被散射，所以晴朗的天空呈蔚蓝色。当大气中水滴、灰尘等杂质多时，大气的散射以漫射为主，漫射能力与波长无关，即各种波长同等地被散射，故天空呈现乳白色。（三）大气的反射太阳辐射进入大气层后，会被云层和较大颗粒的尘埃所反射，使一部分太阳辐射返回宇宙空间去，从而削弱到达地面的太阳辐射，其中以云的反射作用最显著，云层愈厚，云量越多，反射作用愈强，反射对各种波长无选择性。就全球平均状况而言，进入大气的太阳辐射约有31％被反射或散射返回宇宙空间，约24％被大气直接吸收，45％到达地面。（四）太阳辐射通过大气后减弱的一般规律1、大气质量通常用太阳辐射通过大气路径的长度与大气在垂直方向上的厚度的比值表示公式为m=csch2、大气透明度用大气透明系数来表示，它是以阳光透过一个大气质量后的辐照度与透过前的辐照度之比来表示的，即Pm=Sm/Sm-13、减弱规律（比尔定律）内容：垂直于太阳辐射方向的太阳辐照度随大气透明系数增加而增大，随穿过大气质量增加而变小，公式为Sm=S0Pm就全球平均而言，太阳辐射约有31％被散射，24％被吸收，45％到达一面。第四节到达地面的太阳辐射总辐射：经过大气削弱后，投射到地面上的太阳辐射称为总辐射。由两部分组成：太阳直接辐射和散射辐射一、太阳直接辐射（Sˊ）1、概念：太阳以平行光线的形式直接投射到地面的辐射，强弱通常以到达地平面的太阳直接辐射的辐照度来表示，公式为：S=S0Pmsinh2、影响因素：太阳高度：随其增大而增大大气透明度：随大气透明系数增大而增大海拔高度：随其增大而增大纬度：随其增大而减小二、散射辐射（D）（天空辐射）概念：被大气质点散射后，自天空各个方向投射到地面的辐射。2、影响因素：太阳高度：在干洁大气中，随其增大而增大大气透明度：随大气透明系数增大而减小云的作用：云能增加散射辐射下垫面：随下垫面反射率增大而增大海拔高度：在碧空情况下，随其增大而减小。但在全天有云时相反三、总辐射（Q）晴天时Q=Sˊ+D阴天时Q=D四、总辐射的变化

1．日变化:夜间为零，日出后逐渐增大，午后又开始减少。

2．年变化:最大值出现在夏季，最小值出现在冬季。

五、日照与日照百分率

太阳光在一天中实际的照射时数称日照，以小时为单位。

日照百分率=实际照射时数/可照时数×100%，大小说明一地的光能与降水充足与否。六、到达地面上的太阳辐射光谱

1．红外线和红光随太阳高度角减小而增多（解释朝霞不出门，晚霞行千里）太阳的白色光实际是红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等一系列有色光波组成的。早晨或傍晚，太阳光是斜射的，它通过空气层的路程比较长，受到散射减弱得很厉害。减弱得最多的是紫色光，其次是靛、蓝色光等，减弱得最少的是红色或橙色光。这些减弱后的彩色阳光，照射在天空和云层上，就形成鲜艳夺目的彩霞。

在大气中有微小水滴及尘埃时，散射作用比单纯的只有空气分子时要更厉害些，因此，太阳在地平线时，如阳光所透过的远处低层大气中，有小水滴（云滴）及尘埃存在，晚霞的颜色比没有小水滴及尘埃时更加红。

夏季早上，低空空气稳定，很少尘埃，如果当时有鲜艳的红霞，称为早霞。这表示东方低空含有许多水滴，有云层存在，随着太阳升高，热力对流逐渐向平地发展，云层也会渐密，坏天气将逐渐逼近，本地天气将愈来愈变坏，这就是“早霞不出门”的原因；而傍晚，由于一天的阳光加热，温度较高，低空大气中水分一般不会很多，但尘埃因对流变弱而可能大量集中到低层。因此，如果出现鲜艳的晚霞，说明晚霞主要是由尘埃等干粒子对阳光散射所致，说明西方的天气比较干燥。按照气流由西向东移动的规律，未来本地的天气不会转坏，所以有“晚霞行千里”的说法。

当然，“早霞不出门，晚霞行千里”这是一般的规律，也有例外情况。如当太阳已落入地平线以下，地平线上霞光应当消失的时候，因地平线下有云层存在，地平线下的霞光受云层底部的反射，却能呈现出一片胭脂红色，空气中杂质愈多时，太阳的颜色愈接近于胭脂红。这表明西方地平线下有云层存在，空气十分潮湿浑浊，预兆天气将变坏。因此又有“日没胭脂红，无雨也有风”的说法。2．紫外线、蓝紫光随太阳高度角增大而增多（解释天空蔚蓝色原因）；可见光随高度角增大，阴天变化比例不大，晴天增加。七、地面对太阳辐射的反射影响因素：1、土壤颜色：白色表面较黑色表面具有更强的反射能力，绿色植物对黄绿光反射率较大2、土壤湿度：反射率随其增大而减小3、粗糙度：反射率随其增大而减小4、太阳高度：反射率随其增大而减小第五节地面和大气的辐射一、地面辐射、大气辐射和地面有效辐射（一）地面辐射1、概念：地面吸收太阳辐射，同时按其本身的温度向外放射称地面辐射。2、影响因素：地面温度：随其增大而增大下垫面性质：新雪的相对辐射率最大（二）大气辐射概念：大气主要吸收地面辐射，同时按其本身的温度放出辐射，称大气辐射。影响因素：气温：随其增加而增加大气的水汽含量和云的状况：随其增加而增加大气逆辐射：大气辐射朝向四面八方，其中一部分外逸到宇宙空间，另一部分投向地面，投向地面的这部分大气辐射称为大气逆辐射。大气的温室效应（花房效应）：由于大气对太阳短波辐射吸收很少，易于让大量太阳辐射透过而到达地面，同时大气又能强烈吸收地面长波辐射，使地面辐射不易逸出大气，大气还以逆辐射返回地面一部分能量，从而减少地面的失热，大气对地面的这种保暖作用，称为大气的保温效应，习惯称温室效应。大气之窗：大气对8—12um波段的吸收率最小，透过率最大，这一波段的地面辐射可以直射宇宙空间，故称大气之窗。（三）地面有效辐射（F。）概念：地面放射的辐射与地面吸收的大气逆辐射之差。影响因素：地面温度：随其增大而增加大气温度和湿度：随其增大而减小土壤表面性质：平滑的比粗糙的表面小，潮湿的比干燥的表面大云和二氧化碳量：随其增加而减少风的作用：有微风时，有效辐射减小海拔高度：随其增加而增加（四）长波射出辐射概念：地面长波辐射被云体和大气层吸收了绝大部分，有一小部分透过大气层射入宇宙空间；云和大气层也向宇宙空间放出长波辐射，这两部分进入宇宙空间的长波辐射之和，是地球—大气系统进入宇宙空间的热辐射，称为长波射出辐射。二、地面及地—气系统的辐射差额物体收入辐射能与支出辐射能的差值称为净辐射或辐射差额。（一）地面净辐射（Rg）：指地面辐射能的总收入和总支出之差值，又称地面辐射差额或地面辐射平衡。地面辐射平衡方程：1、白天晴天时：Rg=（Sˊ+D）（1-r）-F。2、白天阴天时：Rg=D（1-r）-F。3、夜间：Rg=-F。（二）大气的辐射差额（主要指整个大气层的辐射差额）大气辐射平衡方程：1、白天晴天时：Ra=qa+F。-F（其中，qa表示整个大气层所吸收的太阳辐射，F。，F分别表示地面及大气上界的有效辐射）。2、白天阴天或夜间时：Ra=F。-F（三）地气系统的辐射差额把地面和大气看成一个整体，其辐射能的净收入为：R=（Sˊ+D）（1-r）+qa-F就个别地区来说，地气系统的辐射差额既可为正，也可为负。但就整个地气系