海南大学农业气象学第二章 辐射.ppt

1、1. 有关辐射的基本知识 2. 太阳与地球 3. 太阳辐射 4. 长波辐射 5. 辐射与农业生产,1. 有关辐射的基本知识,一、什么叫辐射 二、电磁波谱 三、辐射能与辐射强度 四、辐射的吸收、反射和透射 五、有关辐射的基本定律,什么叫辐射,辐射：物体以电磁波形式传递能量的一种方式。,（1）自然界中任何物体都在不停地向外发送电磁辐射；,（2）电磁辐射传播不需要任何介质；,（3）电磁波可以用波长（）和频率（）表示，波速（V）为一常数，真空中为3108m/s，用 C 表示，即： C,电磁波谱,可见光,红外,紫外,辐射能与辐射强度,（1）辐射是以光子形式存在的，每一光子的能量为： e h hC/ 式中

2、h为普朗克常数：6.63*10-34 J.s 每个光子的能量很小，实际应用中常用摩尔光量子为单位，1摩尔光子称作1爱因斯坦（Ei）,请分别计算1Ei波长为0.5微米和频率为2450MHz的光量子的能量,（2）表示辐射强弱的物理量称作辐射强度。按照辐射方向 的不同，可以有不同的称呼：,辐出度：从物体表面向外发送的辐射，单位面积上单位时间内发送的辐射能称辐出度。,辐照度：某表面单位时间内单位面积上接受周围物体向其发送的辐射能。,辐射通量密度：单位时间内穿过空间单位面积的辐射能。,辐射强度与光照度的区别：,二者是不同的概念，光照度特指可见光的，为单位面积上光通量，简称照度，单位为lux (lx) 。

3、二者没有换算关系，一般大气上界的光照度约14万lx，而晴天中午，地面照度约为68万lx。,辐射强度和照度都不是理想的表示作物需光的物理量，因为作物不同的生理活动需要不同波段的“光”，且同波段内“光”的有效性也有差异。辐射强度更强调能量，光照度主要强调可见光的亮度。,辐射的吸收、反射和透射,自然界中任何物体都在不停地向外发送着辐射能，同时，也吸收到达其表面的辐射能，物体对于到达其表面的辐射能一部分吸收，一部分反射，部分可以透过物体 即： Q总 Q吸Q反Q透 等式两边同除Q总，去除量纲， 则分别表示吸收率、反射率和透过率。 a r d 1,物体的吸收率、反射率及透射率是物体的固有属性，且其数值随着

4、不同波长的辐射以及其自身表面温度的变化而不同，即它们都是波长和温度的函数： a、r、d f（、T）,玻璃：对于可见光其透射率很大，而对于红外线则基本不透明。雪对可见光反射率很高，可达0.95，而对红外线其吸收率为0.98。,有关辐射的基本定律,Stefan-Boltzman 定律,表达式： E T4 E为黑体的辐射强度， T为其表面温度， 为Stefan-Boltzman常数。 5.67 * 10-8 w/m2k4,请分别计算太阳表面（6000K）和地球表面（约300K）的辐射强度,Wein定律,Wein定律描述的是物体辐射能量的主要分布波段范围。,表达式：max 2897/T T：物体表面温

5、度 max：最大单色辐射波长,分别计算太阳和地球辐射的最大单色辐射波长。,2. 太阳与地球,一、太阳与太阳系 二、地球的公转与自转 三、地球的经纬度与时区,太阳系家族,太阳系家族各行星,太阳系各行星数据,太阳系各天体的图片（欣赏）,地球的公转与自转,地球围绕太阳公转，公转轨道面椭圆性，称为黄道面。 太阳处于椭圆的一个焦点上，另一焦点在太阳边缘。 地球公转一周称一回归年，为365.2422个太阳日。 近日点距太阳1.47亿公里，远日点距太阳1.52亿公里，平均距离为1.50亿公里，称一个天文单位。 地球自转轴与公转轨道面成6633，形成地球上季节的变化。,地球的公转与季节的形成,自转轴与黄道面倾

6、角,地球公转和二十四节气,二十四节气,季节,二十四节气含义,立春、立夏、立秋、立冬分别表示四季的开始。“立”即开始的意思。公历上一般在每年的2月4日、5月5日、8月7日和11月7日前后。 夏至、冬至表示夏天、冬天到了。“至”即到的意思。夏至日、冬至日一般在每年公历的6月21日和12月22日。 春分、秋分表示昼夜长短相等。“分”即平分的意思。这两个节气一般在每年公历的3月21日和9月23日左右。 雨水表示降水开始，雨量逐步增多。公历每年的2月18日前后为雨水。 惊蛰春雷乍动，惊醒了蛰伏在土壤中冬眠的动物。这时气温回升较快，渐有春雷萌动。每年公历的3月5日左右为惊蛰。 清明含有天气晴朗、空气清新明

7、洁、逐渐转暖、草木繁茂之意。公历每年大约4月5日为清明。 谷雨雨水增多，大大有利谷类作物的生长。公历每年4月20日前后为谷雨。 小满其含义是夏熟作物的籽粒开始灌浆饱满，但还未成熟，只是小满，还未大满。大约每年公历5月21日这天为小满。 芒种麦类等有芒作物成熟，夏种开始。每年的6月5日左右为芒种。 小暑、大暑、处暑暑是炎热的意思。小暑还未达最热，大暑才是最热时节，处暑是暑天即将结束的日子。它们分别处在每年公历的7月7日、7月23日和8月23日左右。 白露气温开始下降，天气转凉，早晨草木上有了露水。每年公历的9月7日前后是白露。 寒露气温更低，空气已结露水，渐有寒意。这一天一般在每年的10月8日。

8、 霜降天气渐冷，开始有霜。霜降一般是在每年公历的10月23日。 小雪、大雪开始降雪，小和大表示降雪的程度。小雪在每年公历11月22日，大雪则在12月7日左右。 小寒、大寒天气进一步变冷，小寒还未达最冷，大寒为一年中最冷的时候。公历1月5日和该月的20日左右为小、大寒。,地球的大小,地球的经纬度和时区,为标定地球表面任一点的具体位置设定经纬度； 把经过地轴的平面与地球表面的交线称经圈，经圈被南北极点一分为二为两个半圆，称作子午线或经线； 将通过英国伦敦格林威治天文台旧址的子午线定为本初子午线，即0经线，向东的称为东经，向西的称西经。,格林尼治天文台,本初子午线,地球的经纬度和时区,把垂直于地轴的

9、平面与地表面的交线称作纬圈； 经过地心的垂直于地轴的平面与地表面交线为赤道，定义为纬度0； 赤道以北的称北纬，以南的称南纬； 地表任一点的纬度为该点与地心连线与赤道面的夹角。,地表经纬度,以太阳直射本地经线定义为地方时12点； 经线相差1其地方时相差4min； 以0经线时间为基准，东西各7.5的区域为0时区，向东西各增加15为一个新的时区，分别为东一区、东二区、西一区、西二区，该区域内时间以中间经线时间为其区时，相邻时区时间相差1小时，东边的早，东西十二时区重叠。,地球的经纬度和时区,问题：北京时间12点时，海口（110 E，20 N）地方时为多少？,3. 太阳辐射,一、太阳辐射光谱和太阳常数

10、 二、太阳高度角和日照时间 三、大气对太阳辐射的减弱 四、到达地表的太阳辐射 五、地表对太阳辐射的反射,一、太阳辐射光谱和太阳常数,太阳辐射能量随波长的分布称太阳辐射光谱。,太阳辐射光谱可以分成三个区域：紫外线区占总能量的约7，可见光区占总能量的约50，红外线区占总能量的约43。,问题：到达地表的太阳辐射中，紫外线约占总能量的7。,太阳常数： 当处于日地平均距离，地球大气上界、垂直于太阳平行光线，单位时间穿过单位面积的太阳辐射能，数值上约13677 w/m2。 太阳常数随着太阳活动而发生变化，范围约13251457 w/m2。 大气上界，太阳辐射产生的平均光照强度为1.351.4105lx，称

11、太阳光量常数。,二、太阳高度角和日照时间,太阳高度角指太阳平行光线与地平面的夹角。,Sinh = sinsin + coscoscos h: 太阳高度角 ： 纬度 ： 赤纬 ： 时角,太阳高度有什么变化规律？,二、太阳高度角和日照时间,赤纬：太阳直射点的地理纬度，北半球为正，南半球 为负。（两至直射回归线，两分直射赤道） 时角：以角度表示时间，太阳“围绕”地球旋转一周为24小时，即每小时15，以正午的时角为0，下午为正，上午为负。 正午太阳高度角： 由于0，前太阳高度角表达式可简化为 h正午90+ 计算：海口（110 E，20 N）夏至日正午太阳高度角。,二、太阳高度角和日照时间,日照时间：从

12、日出到日落所持续的时间称可照时间； 问题：可照时间有什么变化规律？ 推导：将地球当成正球体，则日出、日落是对称的，太阳高度角为0，所以日出（落）的时角为 costgtg 结论1：赤道上永远昼夜均分；春分（秋分）时地表各点昼夜均分； 结论2：北半球春分到秋分（夏半年）日长大于12小时，纬度越高，日 长越长；冬半年相反。,实际上，由于大气的折射作用，实际日长比理论日长要略长，这种差异随纬度的增加而增加，我们将其称作曙暮光。,计算：海口春分日日出时间（北京时）和日长。,二、太阳高度角和日照时间,虽然不同纬度每天的日照时间不同，但就全年来说总数是相同的，即365*124380小时，加上曙暮光时间，高纬

13、要略大一点（见附录）。 上面说的是理论上日照时间，实际上，由于地形、植被、天气等因素，实际得到的日照时间要少得多，我们将实际得到的日照时间称作实照时数，它与理论上得到的日照时间（可照时间）的比值称日照百分率。 日照百分率各地差异很大，多数地方年日照百分率在4060之间，而各月的差异可变化于1090。,三、大气对太阳辐射的减弱,太阳辐射在穿越大气层时，大气组分对其阻碍，使其减弱，减弱的方式主要有： 大气对太阳辐射的吸收作用 大气对太阳辐射的散射作用 大气对太阳辐射的反射作用,大气对太阳辐射的吸收作用,（1）大气的吸收光谱 太阳辐射经过整层大气时，在波长小于0. 29m的波段中，吸收率接近于1。也

14、就是说，大气把太阳光谱中0. 29m以下的紫外辐射几乎全部吸收了。而在可见光区，大气吸收很少，只有不强的吸收线带。但在红外区则有很多很强的吸收带。,（2）大气中各种成份对太阳辐射的吸收 大气中吸收太阳辐射的物质主要是氧、臭氧、水汽和液态水，其次是二氧化碳、甲烷、一氧化二氮、尘埃等。 氧（O2） 氧对太阳辐射的吸收主要在0.25m以下的紫外区，吸收很强。并在吸收后发生光化反应产生臭氧。这一吸收作用主要在高层大气中进行，以致使0.25m以下的太阳辐射很少到达一般观测所及的高度。在可见光区，氧还有两个较弱的吸收带，A带位于0.76m附近，B带位于0.69m附近。它们对太阳辐射的削弱不大。 臭氧（O3

15、）：臭氧在紫外区和可见光区都有吸收带，其最强的吸收带位于0.20.32m之间称为哈特莱带，另一个吸收带位于0.32-0.36m称为汉琴斯带。由于这个波段的辐射被臭氧吸收，使它不能到达地面，因而保护了地面上生物免受过量紫外线的伤害。位于可见光的吸收带其波长范围在0.440.75m。此吸收带虽弱，但因位于太阳辐射最强的波段内、所以吸收的能量并不少。,水汽和液态水（H2O）：水汽对太阳辐射的吸收带和吸收线很多，在可见光区有很多吸收带，但都很弱。在红外区从波长0.932.85m之间有七个主要的吸收带，水汽对太阳辐射的吸收与水汽含量的多少有关，水汽含量愈多，吸收的也愈多。一般来说，水汽在主要的太阳辐射光

16、谱中没有极强的吸收带。大气中的水分不仅处于气态，也有处于液态的，大气中的液态水同样能够吸收太阳辐射。液态水具有比水汽强得多的吸收带，这些吸收带的位置相对于水汽吸收带向波长较长的方向移动。 二氧化碳（CO2）：二氧化碳在波长大于2m的红外区有若干个吸收带，比较强的中心位于2.77和4.3m。但该波段内太阳辐射比较弱，因此在研究太阳短波辐射时，可以忽略。,大气中的飘尘、其它固态物质及大气中的污染物质，像甲烷（CH4）等对太阳辐射也有吸收作用。大气中这些物质的含量是随时间和地点而变化的，它们的来源与特性也有很大的差异，因此研究它们对太阳辐射的吸收是比较困难的。但也可以肯定，大气中这些物质的含量越高，

17、对太阳辐射吸收减弱得越厉害。所以在工业中心、森林山火及火山爆发的地区，太阳辐射将会有明显的减弱。 由上讨论可知，大气对太阳辐射的吸收，在平流层以上主要是氧和臭氧对紫外辐射的吸收，平流层以下，主要是水汽对红外辐射的吸收，整层大气吸收作用约削弱掉太阳辐射能的24。因而对于对流层大气来说，太阳辐射不是其主要的热源。,大气对太阳辐射的散射作用,光波在遇到大气分子或气溶胶粒子等时，便会与它们发生相互作用，重新向四面八方发射出频率与入射光的相同，但强度较弱的光(称子波)，这种现象称光散射。子波称散射光，接受原入射光并发射子波的空气分子或气溶胶粒子称散射粒子。当散射粒子的尺度远小于入射光的波长时（a0.32

18、），称分子散射或瑞利散射，散射光分布均匀且对称。,分子散射具有选择性，它的散射强度与入射光的波长四次方成反比。所以，不同入射光被散射的比例差别很大。,问题：为什么晴朗天空呈蔚蓝色？,大气对太阳辐射的散射作用,当散射粒子的尺度与入射光波长可比拟时(例如飘尘粒子对可见光的散射)，散射光的强度分布不对称而是分布复杂，称为米散射。,米散射（粗粒散射）没有选择性，所以入射光与散射光在光谱组成上是一致的。,思考：雾的颜色。,散射对太阳辐射减弱作用强烈，使得直射光一大部分变成了散射光，即天空辐射（或称散射辐射）；散射的方向四面八方，一部分经一次或多次散射而到达地表，另一部分回到宇宙空间，这也是我们从太空中可

19、以观察到地球的大气的原因。回到宇宙空间的约占总辐射能的4左右。,大气对太阳辐射的反射作用,大气中云层和较大颗粒的埃尘能将太阳辐射中的一部分能量反射到宇宙空间去。其中反射最明显的是云。不同的云量，不同的云状，云的不同厚度所发生的反射是不同的。高云平均反射25，中云平均反射50，低云平均反射65，很厚的云层反射可达90。笼统地讲，云量反射平均达5055。假设大气层顶的太阳辐射是100。那么太阳辐射通过大气后发生散射、吸收和反射(反射云量反射表示)，向上散射占4，大气吸收占21,云量吸收占3,云量反射占23。,到达地表的太阳辐射,直接辐射 自太阳表面发射，未被大气散射而直接到达地表的太阳平行光的辐射

20、强度称直接辐射。 影响直接辐射数值大小的主要因素有： 太阳高度角、大气透明度、大气质量数 散射辐射 大气对太阳辐射的散射作用而使部分部分辐射自天空到达地表的称散射辐射。 影响散射辐射数值变化的因素： 太阳高度角、大气透明度 总辐射 直接辐射和散射辐射之和称总辐射。,中国年太阳总辐射能分布,地表对太阳辐射的反射,到达地表的太阳辐射，一部分被地面吸收，其余的被地面反射回大气层，而透过的量可以忽略不计。 地面反射量的大小（地面反射率）与地表的性质相关。,4. 长波辐射,一、地面有效辐射 二、地表净辐射 三、地面辐射平衡,一、地面有效辐射,地气系统在接受太阳辐射的同时，也在不停地发送着长波辐射，整个地

21、气系统从能量的角度来看是平衡的。 地表发送辐射的方向单一地指向大气，被下层大气所吸收。 RluT4 ：比辐射率 地表大多数物体的比辐射率介于0.900.98之间 大气发送的辐射在大气层内部指向整个球面，我们可以将其分成两部分：其一指向更高层大气，另一部分指向地表；指向上层的辐射被高层大气吸收，热量就这样逐级向上传递；而指向下层的大气对其起到保温作用。,大气辐射指向地表的部分称为大气逆辐射。 地面一方面通过长波辐射向大气传递热量，同时，接收大气的逆辐射。地面长波辐射与大气逆辐射被地面所吸收的部分之差称地面有效辐射。 Rln = Rlu- Rld,青藏高原（五道梁）观测的地面辐射(a)和大气辐射(

22、b),二、地表净辐射,地面吸收的太阳短波辐射与地面有效辐射的差值，称地表净辐射(或地表辐射差额)。 Rn (RsbRsd)(1r)Rln 影响净辐射大小的主要因素为太阳短波辐射，地面有效辐射由于地温和气温的变化不大，对其影响较小，所以太阳短波辐射强弱的日变化和年变化基本上就决定了净辐射的日、年周期变化。 年净辐射量随纬度的增加而减小，极圈内常为负值,地面辐射平衡,地面获得的平均净辐射一般都大于0，但地球并没有因此使地表温度持续上升，因为获得的能量用于了加热空气、蒸发水汽等，就总体来说，全球能量是平衡的。 辐射平衡表达式： RnH+LE+G 辐射平衡各因子占净辐射能的比例的高低是决定一个地方小气

23、候的物理基础。 例：沙漠与绿洲小气候的差异,全球地气系统能量平衡模式,5. 辐射与农业生产,太阳辐射光谱与农作物生产 农田中光能分布 光照强度与农作物生长 光照时间与农作物生长 提高光能利用率途径,太阳辐射光谱与农作物生产,光合有效辐射（PAR） 太阳辐射中对植物光合作用有效的光谱成分。波长范围0.40.7m。 叶绿素吸收光谱的最强吸收只有两个：一个在波长为640660纳米的红光部分，另一个在波长为430450纳米的蓝紫光部分。类胡萝卜吸收光谱主要是蓝紫光。色素对其他波长的光一般不吸收。,光合光量子通量密度：单位时间通过单位面积的光合光量子数，数值单位是 mol/m2.s，测量仪器为光量子辐射

24、仪。,太阳辐射光谱与农作物生产,太阳辐射中光合有效辐射的含量,太阳辐射光谱与农作物生产,不同光谱成分对植物的影响： 波长大于1.0m的红外线：热效应，提供热量、促进蒸腾； 波长1.00.72m：伸长效应，光周期效应； 波长0.720.61m：红橙光，强光合作用； 波长0.610.51m：绿光，弱光合、弱成形作用； 波长0.510.40m：蓝紫光，强光合、成形作用； 波长0.400.32m：成形作用，果实着色； 波长小于0.32m：对植物生长有害，甚至能致其死亡； 昆虫的趋光性：昆虫的可见光范围约0.250.7m 农业上的应用：如覆盖塑料薄膜；修枝整形；铺反光膜等,农田中光能分布,叶片对太阳辐射的吸收、反射和透射： 叶片对太阳辐射的吸收率约8090%，其余被反射、透射，其数值大小取决于叶片的倾斜角； 对不同波长的太阳辐射其吸收率等不同；,理想绿叶对太阳辐射的吸收状况,农田中光能分布,在一均匀冠层获得的太阳辐射强度： RsR0e-Lk,实际上，由于植物叶片分布并不均匀，冠层下光照也是不均匀的，存在光斑和阴影，使得其光照分布复杂，同时，其光谱成分差别也