气象学-第二章-辐射

1、第二章 辐射,本章内容,辐射基本知识 太阳辐射 地球辐射与辐射平衡 辐射与农业,物体以辐射的方式传递交换的能量。,第一节 辐射的基本知识,一、辐射及其特性,辐射,物体以电磁波或粒子流形式向周围传递或交换能量的方式。,辐射能,所有物体，只要它的温度高于绝对0度，都要以电磁波形式向外辐射能量。,hc,辐射的波粒二相性,=,c,v,波长,光速 3 108 m/s,振动频率,e,=,光量子能量,普兰克常数 6.63 10-34 J.s,物体发射辐射的波长越短，振动频率越快，光量子所含的能量越大；物体发射辐射的波长越长，振动频率越慢，光量子所含的能量越小。,如：0.4m蓝紫光每个光量子携带的能量 e =

2、 4.97 10-19 J,0.7m红橙光每个光量子携带的能量 e = 2.87 10-19 J，1mol 的能量分别为299.2kJ和171.0kJ,紫外线：0.1-0.4m 可见光：0.4-0.7m 近红外线：0.7-3.0m 远红外线：3.0- +m,短波,长波,电磁波谱,可见光波长范围,太阳的全部辐射能中，波长在0.15-4.00m之间的占99%以上。紫外光区（0.76微米）占43%。因此，太阳辐射被称为短波辐射。,辐射通量密度（E）及单位,定义：单位时间、面积上的辐射通量。,单位： Js-1m-2或Wm-2,E=dF/(ds.dt),辐射通量密度又被称为辐射强度、辐射能力或放射能力。

3、,物体对辐射的吸收、反射和透射,概念,吸收率（a） a = Qa/Q 反射率（） = Q/Q 透射率（t） t = Qt/Q,a、 、t的变化,黑体：对于投射到该物体上所有波长的辐射都能全部吸收的物体称为绝对黑体。故有：,a，t。,灰体：透射率 t，吸收率 a，且a不随波长而变化的物体。,基尔霍夫(kirchoff)定律(选择吸收定律),定律,在一定温度下，任何物体对于某一波长的放射能力(e,T) 与物体对该波长的吸收率(a,T)的比值，只是温度和波长的函数，而与物体的其它性质无关。即:,E,T只是波长和温度的函数。,推论,对不同性质的物体，放射能力较强的物体，吸收能力也较强；反之，放射能力弱

4、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。,对同一物体，如果在温度T时它放射某一波长的辐射，那么，在同一温度下它也吸收这一波长的辐射。,普朗克定律（物体发射辐射分布定律）,1.温度高的物体在任何波长下的辐射强度都比温度低的物体大； 2.温度高的物体发射的辐射波长范围比温度低的物体更宽； 3.物体温度越高，发射的总辐射量越大 ； 4.物体的温度愈高，发射能量最大值的波长愈短。,E1,E2,1,2,斯蒂芬波尔兹曼(Stefan-Boltzmann)定律,定律,黑体的总放射能力（ET）与它本身绝对温度（T）的四次方成正比。即：,ET T 4,式中5.6710-8 W.m-2.K-

5、4为斯蒂芬波尔兹曼常数。,意义,物体温度愈高，其放射能力愈强。,mC/T 或 m T=C,如果波长以m为单位，则常数C2897 K,于是上式为：,维恩(Wien)位移定律,定律,绝对黑体的放射能力最大值对应的波长(m) 与其本身的绝对温度(T)成反比。即：,m2897/T,太阳T=6000K， m=2897/6000=0.48m 地球T=288K， m=2897/288=10.06m 人体T=305K， m=2897/305=9.48m,第二节 太阳辐射,一、天文辐射 二、到达地面的太阳辐射 三、地面对太阳辐射选择性 吸收、反射和透射,透过星际空间到达大气上界的太阳辐射称为天文辐射，它随太阳和

6、地球之间的距离而改变。,太阳辐射光谱和天文辐射,一、天文辐射,日地间的距离是随季节变化的。 近日点出现于1月初，距离为147million km； 远日点出现于7月初，距离为152million km,太阳常数 RSC,太阳常数及变化范围,定义：当地球位于日地平均距离时(约为1.496108km)， 太阳光垂直入射的天文辐射通量密度称为太阳常 数，用RSC表示。 单位：Wm-2 变化：太阳常数受太阳黑子活动周期性影响呈周期性变 化， RSC =13677 W/m2,通常采用1370 W/m2。,太阳直射点,23.5S 23.5N变化,地球各地得到的天文辐射与地理纬度和时间相关,太阳光线与水平面

7、之间的夹角称为太阳高度角（h），太阳辐射日总量与太阳高度角有关。 一天中，自太阳从地平面升起到正午时分，太阳高度角从0 90，然后又减小到0 。 一年中，正午太阳直射点在 23.5S 23.5N变化，太阳直射点对应的纬度叫赤纬，用表示，在北纬取正值，南纬取负值。如夏至 = 23.5，冬至 = 23.5，春分秋分=0,太阳高度角,定义,太阳高度角 （h）,太阳光线与地表水平面之间的最小夹角。(0h90 h大于90 取补角),Sm和Sm与h的关系图,太阳高度角越小，投射到地表的太阳辐射通量密度就越小,可照时数（昼长）,地球公转时，旋转轴永远保持一定的方向（始终指向北极星），而且地轴与公转轨道平面之

8、间始终呈6633倾角，因此地球上不同地区或同一地区不同季节受阳光照射的角度和时间都不同，从而产生了昼夜长短的变化和四季形成。,定义：不受任何遮蔽时每天从日出到日落的总时数。,昼长的变化规律,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。,昼长变化,二、到达地面的太阳辐射,太阳辐射在大气中的减弱,吸收作用,氧、臭氧、CO2、水汽、尘埃等固体杂质,减弱方式,主要的吸收成分,各成分的吸收波段,大气对太阳辐射的吸收，在平流层及以上主要是O2和O3对紫外辐射和可见光的吸收，在对流层主要是CO2和水汽等对红外辐射的吸收。,散射作

9、用,散射,当太阳辐射通过大气时，遇到大气中的各种质点，太阳辐射能的一部分散向四面八方，称为散射。,分类,由入射辐射波长 与散射质点的相对大小r，将散射分为分子散射（雷利散射）和粗粒散射（米氏散射）。,r 时，分子散射。,r 时，粗粒散射。,雷莱分子散射定律,当大气干洁，质点半径小于200nm时，散射值与入射光波长的四次方成反比。即：,定律,意义,入射光波长愈短，散射能力愈强。,大气现象：天空的颜色 日出日落时太阳呈橘红色,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%。,如

10、：天空的云量为5时，意味着太阳辐射的25%被云反射回宇宙空间，因此云的反射对太阳辐射的影响很大。,减弱因素,大气质量(m),定义,太阳光通过大气路径的长度与大气铅直厚度之比。,m随h的变化,在各太阳高度时的大气质量,大气质量m随太阳高度角的增大而减小，当太阳高度角降低时，m值的增大特别迅速。,大气透明系数(a),定义,透过一个大气质量(m1)后的太阳辐射强度 (RS)与透过前的太阳辐射强度(RSC)之比，即：,影响因子,海拔、水汽、微尘、云雾,天空晴朗，污染少时，a=0.9,污染严重，天空浑浊a=0.6,到达地面的太阳总辐射,到达地面的太阳总辐射由太阳直接辐射和散射辐射组成。,太阳直接辐射强度

11、,定义,单位时间内以平行光形式投射到地表单位水平面积上的太阳辐射能。,大气透明系数(P )、大气量( m )和太阳高度角（h）影响，此外，纬度、海拔、坡度坡向和云量有间接或直接的影响。,影响因子,天空散射辐射强度(D),定义,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。,影响因子,主要受太阳高度角（h）、大气透明度(P )和大气量(m)影响，此外，纬度、海拔、云量有直接和间接的影响。,太阳辐射在大气中的减弱,太阳总辐射=太阳直接辐射+天空散射辐射,直接辐射,散射辐射,太阳总辐射强度及其影响因素,影响因子,太阳高度角(h) 太阳总辐射与太阳高度呈正相关关系。,大气

12、透明度(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。,大气质量(m) 大气质量m愈大，到达地面的太阳总辐 射愈少。,海拔 海拔愈高，地面接受的太阳总辐射愈强。,云 一般云愈厚，愈多，太阳直接辐射愈弱，散射 辐射的比例增大。,三、地面对太阳辐射选择性 吸收、反射和透射,地面对投射其上的太阳辐射具有选择性吸收、反射和透射的特性。,0.4,0.7,地面反射的太阳辐射,不同性质表面的反射率,深色土壤小于浅色土壤。,潮湿土壤小于干燥土壤。,新雪表面大于陈雪表面。,大气和地面吸收太阳辐射后，按其本身温度不断向外 发射辐射，属长波辐射，地面发射的长波辐射称为地面辐射，大气发射的长波辐

13、射称为大气辐射，两者之和总称为地球辐射。,日变化,第三节 地面辐射与辐射平衡,一、地面辐射和大气辐射,定义,波长范围,3120m，最大放射能力波长约为1015m。,白天夜间,三、地面有效辐射（RLn）,定义,地面发射的辐射与地面吸收的大气逆辐射之差称为地面有效辐射,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。,计算公式,Rlu代表地面发射的辐射，RLd代表大气辐射指向地面的部分。,四、地面辐射平衡,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Rn。,地面获得的能量： 太阳直接辐射、散射辐射、大气逆辐射 地面失去的能量： 地面发射

14、的长波辐射、地面对太阳辐射的反射,Rn=太阳总辐射+大气逆辐射-地面总辐射,天气状况,有云的情况下，会使Rn的绝对值减小。,纬度,纬度愈低， Rn保持正值的月份愈多。,白天， Rn 0，靠近正午时Rn达到最大值。夜间， Rn 0， Rn由正变负的时间在日落前1小时；由负变正在日出后1小时。,影响因素,太阳辐射,大气温室效应和阳伞效应,温室效应,大气中各种微尘和二氧化碳成分的存在，犹如温室覆盖的玻璃一样，阻挡了地面向外的辐射，增强大气逆辐射，对地面有保温和增温作用，这种现象称为大气温室效应。,大气中微尘和二氧化碳的增加，犹如在阳光下撑了一把伞，减弱了到达地面的太阳辐射，对地面有降温作用，这种现象

15、称之为大气阳伞效应。,阳伞效应,太阳短波辐射 100,地表吸收 51,大气吸收 16,云吸收 3,大气反射 6,云反射 20,地表反射 4,总吸收 70,总反射 30,Global Radiation BudgetShortwave CascadeIncoming solar radiation100% (1365 W/m2),Global Radiation BudgetLongwave Cascade70%,地表吸收 51,大气吸收 16,云吸收 3,直接发射 到空间 6,传导和对流 到大气 7,潜热携带 到云和大气 23,辐射 到大气 15,通过大气和云发射到空间 64,70%,第四节

16、辐射与农业,一、光谱成分与农业生产,为大于1.0m，植物体温、蒸腾作用，促进干物质积累，不参与光合作用； 为0.721.00m，对植物细胞伸长起作用，控制开花和果实颜色； 为0.610.72m的红橙光，叶绿素强烈吸收，光合作用最强；,为0.510.61m的绿光，低光合作用和弱成形作用； 为0.400.51m的蓝紫光，叶绿素和叶黄素较强烈吸收，次强光合作用和成形作用； 为0.320.40m的紫外光，主要起成形和着色作用，使植物变矮、颜色变深、叶片变厚等； 为0.280.32m的紫外光，对大多数植物有害； 为小于0.28m的远紫外光可立即杀死植物。,一、光谱成分与农业生产,H2O,太阳辐射中对植物光合作用有效的光谱成分称为光合有效辐射（PAR），光合有效辐射平均约占太阳总辐射的50%。,二、光照时间与植物生长,光照时间=可照时数+曙暮光时数,植物对光暗时间长短的反应（包括开花、落叶、休眠、块茎形成等），称为光周期现象。 短日照植物：水稻、玉米、棉花等热带、亚热带植物 长日照植物：小麦、油