氣象學(xué)課件 第二章

第二章輻射能本章主要內(nèi)容§1輻射的基本知識幾個概念、幾個定律§2太陽輻射太陽輻射光譜、太陽常數(shù)、太陽輻射在大氣中的減弱、太陽高度和晝長、太陽輻射在大氣中減弱的一般規(guī)律、到達地面的太陽輻射能、森林中的太陽輻射§3長波輻射地面輻射、大氣輻射、地面有效輻射§4凈輻射地面的凈輻射、森林的凈輻射本章重點結(jié)束一、有關(guān)輻射的幾個基本概念輻射：自然界中的一切物體以電磁波的形式時刻不停地向外發(fā)射能量的方式輻射能：以輻射的方式向外發(fā)射的能量（焦耳，J）輻射通量(功率)：單位時間通過輻射體表面的輻射能（瓦，W）輻射通量密度：單位時間內(nèi)通過單位輻射體表面的輻射能（瓦·米-2，W·m-2)輻射強度：在單位時間內(nèi)由單位立體角內(nèi)(圓錐)射到與射線相垂直的單位面積上的輻射能量(瓦·米-2·球面度-1，W·m-2·Sr-1)吸收率(a)：某物體的吸收輻射與投射到該物體表面的輻射之比反射率(r)：某物體的反射輻射與投射到該物體表面的輻射之比透射率(t)：某物體的透射輻射與投射到該物體表面的輻射之比a+r+t=1黑體：吸收率為1的物體預(yù)定位置二、有關(guān)輻射的基本定律基爾霍夫定律在一定溫度和相應(yīng)波長下，任一物體的發(fā)射率ελ，T與吸收率aλ，T的比值是一常數(shù)，即ελ，T

：aλ，T=常數(shù)或者說物體的放射能力與吸收能力的比值為波長和溫度的函數(shù)：ε(λ,T)/

a(λ,T)=f(λ,T)基爾霍夫定律表明：(1)某物體在某一溫度T，對于某一波長λ的放射能力與吸收能力的比值為常數(shù)；(2)吸收能力強的物體，也是放射能力強的物體；(3)當(dāng)物體在溫度T時放射出波長為λ的輻射能，則在此溫度下也吸收同樣波長的輻射能。普朗克定律絕對黑體放射能量在光譜中的分布可由此定律得出，它指出了絕對黑體的放射能力ε0(λ,T)隨波長和溫度而變的關(guān)系。在溫度T時，黑體表面單位面積所放射的波長介于λ到λ+

dλ之間能量為：其中C1=2πhc2，C2=hc/k，c=3×108m·s-1為光速，h=6.63×10-34J·s為普朗克常數(shù)，k=1.38×10-23J·K-1

為波爾茲曼常數(shù)，即C1=3.74×10-16W·m2，C2=1.438×10-2m·K該定律指出了放射能量最大值的波長隨著溫度的增加而移向波長較短的區(qū)域，而且放射的總能量隨著溫度增加而增大斯蒂芬—波爾茲曼定律絕對黑體在溫度為T時放射的總能量E0(T)與其熱力學(xué)溫度T的四次方成正比：E0(T)=σT4σ=5.67×10-8W·m-2·K-4為斯蒂芬—波爾茲曼常數(shù)。該定律指出了黑體溫度愈高，放射的總能量也愈大。例如：黑體溫度T=1000K時E0=5.67×10-8×10004=5.67×104W·m2維恩位移定律絕對黑體放射能力最強所對應(yīng)的波長與黑體的絕對溫度的乘積為一常數(shù)，即：λmax·T=a (μm)a=2898μm·K=2.898×10-3m·K黑體的溫度愈高，放射能力最強所對應(yīng)的波長愈短，當(dāng)黑體的溫度不斷升高，所發(fā)出的光就會由紅橙轉(zhuǎn)為青藍。因此，高溫物體輻射能量最大值所對應(yīng)的波長為短波，如太陽輻射；低溫物體輻射能量最大值所對應(yīng)的波長為長波，如地球輻射。如：T=8000K，λmax=0.36μm(紫外區(qū)）T=6000K，λmax=0.48μm(綠青光部份）T=4000K，λmax=0.72μm(紅光部份）T=2000K，λmax=1.45μm(紅外區(qū)）大致溫度在3800K至7600K，λmax落在可見光區(qū)，高于7600K時，λmax落在紫外區(qū)，低于3800K時λmax則位于紅外區(qū)。太陽表面溫度為6000K左右，總的放射能力為7348×104W·m-2，放射出能量的99%位于波長0.15~4.0μm，λmax=0.48μm，屬于短波輻射，是地球上一切能量的主要來源。預(yù)定位置一、太陽輻射光譜定義：太陽輻射能隨波長的分布分區(qū)：紫外區(qū)，波長小于0.39μm可見光區(qū)，波長為0.39~0.76μm紅外區(qū)，波長大于0.76μm各區(qū)能量所占比例及作用：紫外區(qū)：約占7%，能殺死病毒和病菌，過多的紫外線對生物有害，如日灼、生長停止、蛋白質(zhì)凝固和血球溶解?？梢姽鈪^(qū)：約占50%，最大放射能力所對應(yīng)的波長位于此區(qū)中。它既有熱效應(yīng)，又有光效應(yīng)。對光合作用、蛋白質(zhì)的合成、動物視覺及其它生物現(xiàn)象都起作用。紅外區(qū)：約占43%，波長小于1μm的輻射對植物延長生長起作用，而波長大于1μm的則主要是熱效應(yīng)預(yù)定位置二、太陽常數(shù)定義：在日地平均距離條件下，地球大氣上界垂直于太陽光線面上的輻射通量密度。用S0表示大?。篧MO在1981推薦的最佳值為1367±7W·m2訂正：S0′=S0(r0/r)2預(yù)定位置三、太陽輻射在大氣中的減弱方式吸收作用大氣中各種物質(zhì)的吸收是有選擇性的N2和O2的吸收很少，只是O2對波長小于0.2μm的紫外輻射有較為明顯的吸收作用O3吸收波長小于0.29μm的紫外輻射，2%CO2的吸收有波長為0.43μm最強水汽的吸收帶比較寬，在20μm處幾乎全部吸收總之大氣中的物質(zhì)對可見光區(qū)的吸收非常小固體雜質(zhì)吸收少因吸收減少19%散射作用大氣散射：大氣中各種氣體分子和懸浮的塵埃等微小質(zhì)點能把入射的電磁波以相同波長向四面八方發(fā)射。只改變方向，不損失能量分子散射：空氣分子的直徑小于射入輻射的波長并遵循蕾利散射定律，其散射能力與波長的四次方成反比。分子散射與波長有關(guān)，波長短的散射能力強，它對藍紫光的散射能力比紅光大9倍，所以晴朗無云的天空呈淡藍色粗粒散射：無選擇性，當(dāng)大氣中有許多粗粒，則天空呈白色因散射作用6%返回宇宙空間反射作用與波長無關(guān)大氣中的云層及灰塵反射20%以上三種作用使到達地面的太陽輻射減少了45%預(yù)定位置四、太陽高度和晝長天球坐標(biāo)以地球上的觀測者為中心，以任意長度(可以看成無限長)為半徑的球稱為天球，也就是地球的無限擴大，把天空的天體都包括在天球內(nèi)，天球上的位置只由方向(以角度表示)來決定，而與距離無關(guān)。兩根平行線向同一方向延長相交于天球上的同一點，所以在任何地點對準(zhǔn)同一顆星(北極星)的方向線是平行的，要確定天球上某天體的位置常用三種坐標(biāo)系，即地平坐標(biāo)、赤道坐標(biāo)和黃道坐標(biāo)。地平坐標(biāo)：地面一點的鉛直線與天球相交于天頂和天底，地平圈與天頂軸垂直，通過天頂和天底而與地平圈垂直的大圈為地平經(jīng)圈，與地平圈平行的小圈稱為地平緯圈，地平緯圈與地平圈間的角距為地平緯度。通過南點的地平經(jīng)圈為起算點，向西計算(順時針)的角距為地平經(jīng)度。地平坐標(biāo)就是用地平緯度(高度角)和地平經(jīng)度(方位角)決定天體位置的坐標(biāo)。赤道坐標(biāo)：以地球中心為天球中心，地軸延長線與天球相交，交點稱為天極，與天軸垂直的大圈為天球赤道，通過天極而與天球赤道相垂直的大圈稱為時圈或赤經(jīng)圈，與天球赤道相平行的小圈稱為赤緯圈，赤緯圈與天球赤道的角距為赤緯，向北為正，向南為負，通過天頂和天底的時圈為子午圈。 地球軌道面擴大與天球相交的大圈稱為黃道，黃道與天球赤道以23°27′的角度相交，黃道與赤道的兩個交點即為春分點與秋分點。通過春分點的時圈為計算某星球赤經(jīng)的基點，按逆時針方向由0°至360°，用時間表示，赤道坐標(biāo)就是用赤經(jīng)和赤緯決定天體位置的坐標(biāo)。 子午圈與通過某天體的時圈所成的角度為時角，由子午圈按順時針方向計算，由0°至360°或順、逆時針兩方向計算，各由0°至180°，順正逆反。黃道坐標(biāo)：通過黃道兩極的大圈稱為黃經(jīng)圈，與黃道平行的小圈稱為黃緯圈。在黃道上自春分點起按逆時針方向計算的角度稱為黃經(jīng)，黃緯圈與黃道之間的角度稱為黃緯。黃道坐標(biāo)就是用黃經(jīng)和黃緯決定天體位置的變化。太陽高度角和方位角球面三角的基本公式為：A、B、C為球面三角形的角，a、b、c為與它們相對應(yīng)的邊。地平坐標(biāo)是時間和觀測點位置的函數(shù)，對于某一觀測點來說，太陽高度角和方位角可由地平坐標(biāo)決定。但太陽在天球上位置的變動(對地球上來說是一種視動)則須由赤道坐標(biāo)來決定。因此，把兩種坐標(biāo)結(jié)合起來，才可以求得適合于任一觀測點的太陽高度角和方位角。太陽高度h：太陽光線與觀測點地平圈間的夾角。太陽方位角D：子午圈與經(jīng)過太陽的地平經(jīng)圈之間的夾角。90-φ90-h90-δ在上圖中，QQ′為天球赤道，HH′為地平圈，P為天北極，Z為天頂，O為觀測者，S為太陽位置，h為太陽高度角，D為太陽方位角，δ為太陽赤緯，φ為觀測點所在緯度。由天極P、天頂Z和太陽位置S之間的大圓弧所形成的球面三角形PSZ稱為定位三角形?；S=90°－δ為太陽極距，弧ZS=90°－h(huán)為太陽天頂距，弧PZ=90°－φ為觀測點的余緯?；Z相當(dāng)于觀測點的子午圈，弧PS相當(dāng)于太陽的時圈，因而P角就是時角，以角P=ω=A，角Z=D=C，則弧ZS=a，弧PZ=b，弧PS=c代入球面三角公式可得：例：計算廣州(φ=23°8′N)1月15日 (δ=－21°17′)正午時(ω=0)的太陽高度角。 將已知條件代入上式有： sinh=0.71427 h=45°35′中午是時太陽高度角的計算： h=δ-φ+90° (太陽在天頂以南) h=φ-δ+90° (太陽在天頂以北) 在計算時應(yīng)根據(jù)時角ω的已知值來考慮Ｄ所應(yīng)在的象限。例：計算廣州7月15日下午3時的太陽方位角。 φ=23°8′N，δ=21°40′，ω=45° tanD=8.07806 D=82°57′ 即南偏西82°57′，如果計算同日上午9時的太陽方位角，則ω=360°－45°，方位角在第四象限，即D=277°3′，東偏南7°3′可照時間(晝長)太陽的視圓面中心從出地平線至入地平線之間的時間間隔： cos(ω0)=－tan(φ)tan(δ) ω0表示半晝弧 由ω0所得的時間為真太陽時，如果要得到地方平時，必須加以訂正；由時差等于真太陽時減地方平時的關(guān)系，所以真太陽時減時差就是地方平時，每天的時差可從天文年歷中查出，如果再由地方平時轉(zhuǎn)換為北京時，則由某地與120°

E的經(jīng)度差按經(jīng)度1°相當(dāng)于4分鐘的比例計算。例：計算廣州1月15日的晝長。 由φ=23°8′N，δ=－21°17′得： cos(ω0)=0.16642 ω0=80°25′=5時22分 即17時22分日沒，6時38分日出，2ω0

=10時44分為晝長時間。這一天的時差為-9分， 所以地方平時為5時22分+9分=5時31分，轉(zhuǎn)換為北京時,由120°E與廣州經(jīng)度113°13′相差6°47′，相當(dāng)于時間27分，因而5時31分+27分=5時58分。當(dāng)φ>0，δ>0或φ<0，δ<0時，cos(ω0)<0，ω0>90°，晝長>12小時，如北半球在春分至秋分時期或南半球在秋分至春分時期。當(dāng)φ>0，δ<0或φ<0，δ>0時，cos(ω0)>0，ω0<90°，晝長<12小時，如北半球在秋分至春秋分時期或南半球在春分至秋分時期。當(dāng)φ=0，cos(ω0)=0，ω0=90°，晝長=12小時，即赤道上任何一天的晝長都為12小時。當(dāng)δ=0，cos(ω0)=0，ω0=90°，晝長=12小時，即春分和秋分日任何緯度上的晝長都為12小時。當(dāng)φ很大(>66°33′)，cos(ω0)的絕對值就會大于1，這表示太陽在地平面以上的時間在24小時以上，緯度愈高，這種時間愈長。水平地面上太陽輻射日總量Q(理論值) 單位時間單位水平地面上的太陽輻射量為： S′＝S0′

·sin(h)＝S0·(r0/r)2·sin(h) 則dt時間內(nèi)的輻射總量為： dS′＝S0·(r0/r)2·sin(h)dt 從日出到日落積分得：將時間換成時角，忽略一天內(nèi)的時差，則有dω＝(2π/T)dt，這里Ｔ為一日周期(1440分)，于是就某一地點來說，φ為常數(shù)，在一天內(nèi)δ值變動極小，也可視為常數(shù)，因而(ω0用弧度表示)例：求北京(39°57′)夏至日和冬至日的太陽輻射 日總量。解：S0=1367W·m-2，T=1440×60s，φ=39°57′N， 夏至日δ=23°27′ρ2=(r/r0)2=1.0328 ω0=118°18′=1.9425弧度 Q=1367×0.96824×27501.974×1.1515 =41915953.0W·m-2·d-1

冬至日δ=－23°27′ρ2=(r/r0)2=0.9675 ω0=68°42′=1.1990弧度 Q=1367/0.9675×27501.974×0.3489 =13557586.0W·m-2·d-1

在春、秋分日，δ=0°，所以預(yù)定位置五、太陽輻射在大氣中減弱的一般規(guī)律經(jīng)過路程的長短單位氣質(zhì)(一個大氣質(zhì)量)：太陽位于天頂時，以單位面積太陽光束所穿過的大氣柱的質(zhì)量作為一個單位太陽斜穿時的大氣質(zhì)量m≈1/sinh=secZ大氣透明程度透明系數(shù)(P)：當(dāng)太陽位于天頂時，到達地面與太陽光垂直面上的太陽輻射通量密度S與大氣上界太陽常數(shù)之比，即P=S/S0由于大氣的吸收作用和分子散射作用是有選擇性的，且隨波長不同而異，因此P與波長有關(guān)，波長短的P小于波長長的P。h小時，短波散射多，余下的多為紅橙光，所以早晚的太陽呈紅色。貝爾減弱定律不同波長的太陽輻射，經(jīng)過大氣時被減弱的程度不同，對于單色輻射，設(shè)波長為λ的射入輻射通量為Sλ，在大氣中的射程為dl，于是被減弱的輻射通量密度

dSλ=－kλSλρλdl (單位面積) 積分上式可得：P為過m個大氣質(zhì)量的平均透明系數(shù)。顯然，太陽輻射經(jīng)過大氣層時，其減弱規(guī)律遵循指數(shù)規(guī)則，太陽輻射經(jīng)過大氣層后，不僅能量被減弱，而且其光譜成份也發(fā)生了變化預(yù)定位置六、到達地面的太陽輻射能水平地面上的太陽直接輻射通量密度(Sb)太陽直接輻射：在與太陽輻射方向相垂直的面上所接收到的直接來自太陽的那一部份太陽輻射通量密度。Sb=S·sinh=S·cosZ=S0PmcosZ(朗伯余弦定律)Sb的變化規(guī)律：(1)日變化；(2)年變化；(3)緯度變化；(4)海拔變化；(5)云的變化。漫射輻射通量密度(Sd)太陽漫射輻射：來自整個天穹向下的散射輻射和反射的太陽輻射之和Sd的變化規(guī)律：(1)日變化；(2)年變化；(3)緯度變化；(4)海拔變化；(5)云的變化?？傒椛渫棵芏?St)總輻射=直接輻射+漫射輻射Sd的變化規(guī)律：(1)日變化；(2)年變化；(3)緯度變化；(4)海拔變化；(5)云的變化。對于我國來說，總輻射的分布情況為：以青海、西藏高原地區(qū)為最大，達6688~7942×106J·m-2·a-1，這是由于海拔高度高可以接受到較多太陽輻射的結(jié)果；西北和華北地區(qū)次之，這是因為這些地區(qū)晴朗干 燥的天氣較多，日照百分率較大；長江中下游地區(qū)云量較多，因而也是總輻射最少的地區(qū)，為3762~5016×106J·m-2·a-1，特別是在四川一帶為一個最小值的閉合中心。華南地區(qū)太陽輻射較多，但因云雨也多，總輻射的季節(jié)變化也很明顯，一般是秋冬季大而春夏季小。地面反射輻射通量密度(Sr)反射率r：某一表面的反射輻射與投射到該表面的總輻射之比值。

r的大小取決于表面組成成份的性質(zhì)、顏色、形狀、層次排列及太陽高度。h↓，r↑；r單葉>r林冠；r新雪>95%；顏色愈深，r愈小；r濕土<r干土。 所以即使St

一樣，不同性質(zhì)的地表真正得到的太陽輻射，仍然有很大的差別，這也是地表溫度分布不均勻的重要原因之一。地表的反射率平均為4%。綜上所述，地球和大氣反射的太陽輻射為：6%(大氣散射)+20%(云層反射)+4%(地面反射)=30%；大氣中水汽、CO2、O3、云等吸收19%，地面吸收為51%預(yù)定位置七、森林中的太陽輻射林冠中的直接輻射SfSf=Sb·e－KFSf是林冠下的直接輻射，K是植物葉子的消光系數(shù)，F(xiàn)是葉面積系數(shù)。K、F與葉子的幾何形狀、分布狀況有關(guān)，當(dāng)葉子呈垂直排列時K為0.3~0.5，水平排列時K為0.7~1.0。林冠中的散射輻射決定于太陽高度和林冠結(jié)構(gòu)林地上的總輻射太陽總輻射投射到林冠上方時，一部份被林冠表面反射，大部份被林冠中葉子吸收，還有一部份透過林冠層，經(jīng)林內(nèi)大氣衰減，然后到達林地表面。顯然，林地上的總輻射要比空曠地少得多。影響林地上太陽總輻射的因子有林冠郁閉度、林分密度、樹木年齡和林木狀況預(yù)定位置一、地面輻射定義：地面日夜不停地向外發(fā)射長波輻射，用L0表示，取地面溫度為300K并把地面作為黑體來處理，則L0=459W·m-2，λmax=9.6μm。由于地面不是絕對黑體，在應(yīng)用斯蒂芬—波爾茲曼定律時必須寫成L0=δσT04，δ為地面的相對輻射系數(shù)(即在同溫下與黑體放射能力的比值)。地面各種物體的輻射系數(shù)是不同的。如：淺草為0.84，黃土為0.85，黑土為0.87，石灰?guī)r為0.91，海水為0.96，平均為0.90~0.95。大氣中的水汽、CO2、液態(tài)水等對于長波輻射的吸收如：對長波輻射的吸收帶，水汽最強是在5.5~7.0μm和21.0~27.0μm

，最弱是在8.5~12.0μm；CO2最強是在12.9~17.1μm

，液態(tài)水對長波輻射的吸收也很大。8.0~12.0μm范圍成為地球紅外輻射透過率最大的波段，這是地面能量散失的主要渠道。稱為大氣窗。預(yù)定位置二、大氣輻射定義：大氣向外發(fā)射的長波輻射，用Li表示。在晴空情況下：Li=εaσTa4，εa是大氣的相對發(fā)射率，它等于：εa

=1-0.261·exp[-7.77×10-4(273-Ta)2] 式中Ta為大氣溫度，在一般溫度范圍下，Li變化于209.3~488.5W·m-2大氣逆輻射：大氣輻射向下的部份其到達地面后，一部份被地面反射，大部份被地面吸收，用La表示被地面吸收的大氣逆輻射通量密度，其大小與大氣層的溫度、濕度和云量等因素有關(guān)。預(yù)定位置三、地面有效輻射Ln定義：地面發(fā)射的長波輻射與地面吸收的大氣逆輻射之差Ln=L0-La影響Ln

的因子： 所有影響L0和La的因子都能影響的Ln大小，如太陽輻射、風(fēng)、大氣溫度、大氣溫度、土壤的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)等。計算Ln

的經(jīng)驗式：σ是斯蒂芬—波爾茲曼常數(shù)；Ta是氣溫；e是水汽壓，單位用mm；n是云量；c是與云類有關(guān)的系數(shù)；如果n取總云量，系數(shù)c通常取作0