氣象學(xué)第二章輻射

氣象學(xué)第二章輻射第一頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日第二章輻射

徦如沒有太陽。。。第二頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日輻射就是物體發(fā)射電磁波所有物體都在發(fā)射電磁波，也吸收電磁波電磁波就是“光”；光就是電磁波電磁波是一種能量，無處不在，無時不在電磁波是物體間能量交換的重要方式。第三頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日光是什么？輻射是很危險的東西嗎？紫外線消毒的原理？微波爐加熱食物的原理？藍色是冷色，紅色為曖色？太陽離地球很遠，為何會帶給地球溫暖？晴朗的天空為何是藍色的，日落為紅色？葉片為何是綠色的？為何夏天穿黑色衣服感覺更熱？第四頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日主要內(nèi)容1.輻射的基本知識2.太陽輻射太陽的高度與方位、晝長變化太陽輻射概述大氣層對太陽輻射的影響到達地面的太陽輻射與植物的關(guān)系3.地面和大氣輻射大氣溫室效應(yīng)地面輻射大氣輻射黑體與灰體輻射與電磁波輻射基本規(guī)律第五頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日1.輻射的基本知識輻射定義電磁波輻射的基本規(guī)律

基爾霍夫定律（Kirchhoff）斯蒂芬—波茨曼(Stefan-Boltzman)定律維恩（Wien）位移定律第六頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日輻射：物體發(fā)射電磁波任何物體(＞－273℃)都會向外發(fā)射電磁波電磁波？發(fā)射電磁波的強度發(fā)射什么樣的電磁波物體對電磁波的吸收第七頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日第八頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日第九頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日振動產(chǎn)生波墻第十頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日所有的物體都由分子、原子等帶電粒子組成“振動”的強烈程度即是“溫度”熱輻射帶電粒子的振動產(chǎn)生電磁波所有的帶電粒子都在“振動”所有的物體都在輻射電磁波，且與溫度有關(guān)輻射第十一頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日第十二頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日名稱波長范圍紫外線100?！?.4微米可見光0.4微米～0.76微米紅外線近紅外0.76微米～3.0微米中紅外3.0微米～6.0微米遠紅外6.0微米～15微米超遠紅外15微米～1000微米微波毫米波1～10毫米厘米波1～10厘米分米波10厘米～1米色彩名稱波長范圍紫0.40～0.43微米藍0.43～0.47微米青0.47～0.50微米綠0.50～0.56微米黃0.56～0.59微米橙0.59～0.62微米紅0.62～0.76微米不同電磁波的具體波長范圍可見光波長范圍第十三頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日斯蒂芬—波茨曼(Stefan-Boltzman)定律黑體和灰體

黑體：能將投射到其表面的輻射全部吸收的物體，如地面、太陽表面。只能部分吸收的為灰體黑體的輻射強度（E）與其表面的絕對溫度（T）的四次方成正比，即：E=σT4

σ=5.67×10-8是斯蒂芬—波茨曼常數(shù)。普通物體的輻射強度

E=εσT4

ε：輻射率第十四頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日維恩（Wien）定律物體輻射出各種波長的電磁波（輻射波譜）

物體輻射能力最強的電磁波波長與T成反比λmax=2897/T（μm）λmax輻射能力最強的電磁波波長第十五頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日第十六頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日例如：太陽表面溫度為6000K，最大輻射波長λmax=2897/6000=0.48μm

地球表面的平均溫度為288K，放射的最大輻射波長為

λmax=2897/288=10μm第十七頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日基爾霍夫定律（Kirchhoff）物體易發(fā)射某波段的電磁波，同時也易吸收相同波段的電磁波

物體對電磁波的吸收是有選擇性的，如大氣、水、玻璃、塑料薄膜、雪等。（大氣溫室效應(yīng)原理）第十八頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日鐵在常溫下為黑色，高溫下為白色？黑色的路面、墻面等的溫度變化紅外測溫儀、夜視設(shè)備、紅外感應(yīng)等冷血動物（蛇等）太陽能的利用第十九頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日第二十頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日第二十一頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日2.太陽輻射2.1影響太陽輻射的天文因素2.2太陽輻射概述2.3大氣層對太陽輻射的影響2.4到達地面的太陽輻射2.5植物與太陽輻射的關(guān)系第二十二頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日2.1影響太陽輻射的天文因素太陽的高度、方位、晝長變化太陽高度與方位意義太陽高度日變化、年變化、地區(qū)變化正午太陽高度角建筑物朝向、溫室頂面傾角、山的南北坡小氣候差別、果園行向、空調(diào)安裝方位等第二十三頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日H正午＝90－A+BA:緯度

B:太陽赤緯，太陽直射點緯度春、秋分0

夏至23.5冬至－23.5

可查表、計算第二十四頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日廣州夏至、春分、冬日正午的太陽高度H夏至=90-A+B=90-23+23.5=90.5（180-90.5=89.5）H春分=90-A+B=90-23+0=67H冬至=90-A+B=90-23-23.5=43.5第二十五頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日天頂南北夏至春分冬至第二十六頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日北京夏至、春分、冬日正午的太陽高度H夏至=90-A+B=90-40+23.5=73.5H春分=90-A+B=90-40+0=50H冬至=90-A+B=90-40-23.5=26.5第二十七頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日第二十八頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日第二十九頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日北南天頂春秋分太陽的高度與方位：日出正東正午正南日落正西太陽光線地平線第三十頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日天頂?shù)仄骄€北南夏至太陽方位日出東偏北

正午日落西偏北回歸線以北：正南回歸線：天頂回歸線以南：正北

第三十一頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日冬至太陽方位日出東偏南正午正南日落西偏南第三十二頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日晝長的時空變化晝長即是太陽從地平面升起到落下的這段時間，也叫日長或可照時間。光照時間=晝長+曙光+暮光緯度越高，曙暮光時間越長與植物的光周期有關(guān)第三十三頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日第三十四頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日2.2太陽輻射概述

太陽輻射光譜輻射強度太陽常數(shù)輻射強度、照度、量子通量密度第三十五頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日太陽輻射光譜

定義太陽輻射能隨波長的分布曲線。大氣上界的太陽輻射光譜圖中：實線是大氣上界的太陽輻射光譜；虛線是溫度在6,000K時的黑體輻射光譜。

第三十六頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日太陽輻射概述第三十七頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日2.2太陽輻射概述波長范圍，大約在0.15-4微米之間。能量分布波長較短的紫外光區(qū)7％波長較長的紅外光區(qū)43％可見光區(qū)50％生理輻射或光合有效輻射第三十八頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日2.2太陽輻射概述太陽輻射強度在垂直照射情況下在單位時間內(nèi)、單位面積上所得到的輻射能量。太陽常數(shù)在日地平均距離的條件下，在地球大氣上界的太陽輻射強度。1367W/m2第三十九頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日2.2太陽輻射概述輻射強度：w/m2，用能量計算。照度：光照強度，米燭光（lux)，夏日中午可高達12萬lux以上。照明等。光（量）子通量密度：E/m2·s1E=6.02×1022個光子，用于光合作用等較好。第四十頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日第四十一頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日第四十二頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日太陽紫外線(UV)（選講）具有較高的能量，波長越短，能量越高。UVC

0.2-0.29的紫外線對生物有殺傷作用，可殺死單細(xì)胞生物，降低人體免役力，傷害人眼的視網(wǎng)膜，致使失明，好在這部分紫外線基本上被大氣中的O3吸收掉了，很少到達地面。第四十三頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日UVB

0.29-0.32波段紫外線有少量到達地面，這部分紫外線能量也較高，可穿透人的皮膚，產(chǎn)生日灼，甚至皮膚癌（90%的皮膚癌與有關(guān)），有意思的是，UVB有利于維生素D的合成，而維生素D與人的健康關(guān)系密切。第四十四頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日UVA0.32-0.4波段紫外線能量相對較低一些，可使皮膚變紅，對免役系統(tǒng)有一定危害。紫外線作用下，皮膚細(xì)胞中會產(chǎn)生一些黑色素，黑色素可吸收紫外線，起到保護作用（白種人與日光，皮膚癌）。第四十五頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日紫外線指數(shù)預(yù)報紫外線指數(shù)：中午前后到達地面的紫外線對人體可能造成的損害程度。用0至15表示。夜間為0，最強為15。

1級：0、1、2

2級：3、4

3級：5、6中等強度，有一定影響

4級：7、8、9較強，危害較大

5級：10以上，危害大，需預(yù)防第四十六頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日2.3大氣層對太陽輻射的影響吸收作用

散射作用

反射作用第四十七頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日大氣吸收大氣反射第四十八頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日吸收作用吸收后變?yōu)闊崮?，可使氣溫升高吸收物質(zhì)水氣0.93～2.85微米之間臭氧0.2～0.3微米大氣主體成份無吸收作用太陽輻射主體未被吸收太陽輻射不是大氣直接熱源

塵埃等眼對紫色不敏感第四十九頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日第五十頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日水汽吸收最強的是在紅外區(qū)，從0.93-2.85微米之間的幾個吸收帶。最強的太陽輻射能是短波部分，因此水汽從總的太陽輻射能里所吸收的能量是不多的。據(jù)估計，太陽輻射因水汽的吸收可以減弱4-15％。

氮和氧，只有氧能微弱地吸收太陽輻射。在波長小于0.2微米處為一寬的吸收帶，吸收能力較強；在0.69和0.76微米附近，各有一個窄吸收帶，吸收能力較弱。

臭氧在大氣中含量雖少，但對太陽輻射的吸收很強。0.2-0.3微米為一強吸收帶，使小于0.29微米的太陽輻射不能到達地面。

二氧化碳對太陽輻射的吸收比較弱，僅對紅外區(qū)4.3微米附近的輻射吸收較強，但這一區(qū)域的太陽輻射很微弱，被吸收后對整個太陽輻射影響不大。第五十一頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日散射作用輻射遇到大氣中的質(zhì)點，以此為中心向四面八方散開。只改變方向。類型分子散射粗粒散射散射質(zhì)點：分子散射強度：與波長的四次方成反比高層大氣，或天空晴朗藍天、多彩天空的原因天空多塵埃、云霧時散射質(zhì)點：粒子散射強度：與波長無關(guān)又稱雷萊散射第五十二頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日第五十三頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日第五十四頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日第五十五頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日第五十六頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日第五十七頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日第五十八頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日第五十九頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日第六十頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日第六十一頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日第六十二頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日第六十三頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日第六十四頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日反射作用云層反射平均達50～55％大氣中較大顆粒的埃塵散射作用指向天空的部分第六十五頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日第六十六頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日第六十七頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日由直接輻射和散射輻射組成影響因素太陽高度角大氣狀況：云量、塵埃大氣透明度等海拔高緯和低緯度地區(qū)，冬天和夏天，平原和高原，晴天和陰天太陽輻射的差異？2.4到達地面的太陽輻射第六十八頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日太陽高度角與輻射強度太陽高度角越大，輻射強度越強第六十九頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日太陽高度角與輻射強度高度越小，路徑越長，損失越少第七十頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日太陽直接輻射光譜與高度角的關(guān)系光譜成分0.551020305090紫外線00.41.02.02.73.24.7可見光31.238.641.042.44.43.45.3紅外線68.861.058.056.54.52.50.0第七十一頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日太陽輻射與植物關(guān)系l.波長大干1μm的輻射被植物吸收轉(zhuǎn)為熱能，不參與生化作用。2波長為0.72-1μm伸長起作用，其中0.7—0.8μm稱為遠紅光，對光周期和種子形成有重要作用，并控制開花與果實顏色。3.波長為0.61—0.72μm的輻射(紅、橙光)被葉綠素強烈吸收，光合作用最強4．波長為0.51—0.61μm的輻射(綠光)

表現(xiàn)為低光合作用與弱成形作用。

5．波長0.4—0.51μm的輻射(藍、紫光)被葉綠素強烈吸收，表現(xiàn)強的光合作用與成形作用

6.波長0.315—0.4μm的輻射起成形作用，如使植物變矮、葉片變厚等。7.波長0.28—0.315μm的輻射對大多數(shù)植物有害。8.波長小于0.28μm的輻射能立即殺死植物。

第七十二頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日3.地面和大氣輻射地面輻射大氣輻射大氣逆輻射地面有效輻射地面凈輻射大氣溫室效應(yīng)第七十三頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日地面輻射1～30μm主要在10μm附近如地面溫度15℃時：

E=εσT4=0.9×5.67×10-8×2884

=346.7(w/m2)

λmax=2897/T=2897/288=10（μm）一般，波長＞4μm稱長波輻射波長＜4μm稱短波輻射

第七十四頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日大氣輻射輻射主體：co2、水氣、云、塵埃等大氣逆輻射大氣輻射中向下的那一部分大氣天窗大氣在8～12μm吸收率很小是地表失去能量的通道第七十五頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日影響因素地面有效輻射是地表實際失去的輻射能即地面輻射－大氣逆輻射地表溫度，越高，輻射力越強空氣溫度，越高，大氣逆輻射越強空氣濕度，越大，有效輻射越小天空云量，越多，有效輻射越小海拔高度，越高，有效輻射越大第七十六頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日第七十七頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日地面凈輻射RR＝（S＋D）×（1－a)-F0S：直接輻射D：散射輻射a:反射率F0：地面有效輻射到達地面的太陽輻射地面得到的太陽輻射又稱地面輻射差額、輻射平衡第七十八頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日意義：影響因素R是地面凈得到或凈失去的輻射能，對天氣和氣候有重在意義。R＞0，凈得到輻射能R＜0，凈失去輻射能R＝0，輻射能收支平衡到達地面的太陽輻射下墊面反射特征大氣狀況海拔高度第七十九頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日大氣溫室效應(yīng)地球輻射平衡溫度地球得到的太陽輻射能與地球失去的輻射能應(yīng)相等，否則會升溫或降溫理論上地球均溫為-18℃實際為+15℃這是大氣溫室效應(yīng)的結(jié)果第八十頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日第八十一頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日第八十二頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期日溫室效應(yīng)原因玻璃阻隔室內(nèi)外空氣熱交換短波輻射易進，長波不易出大氣溫室效應(yīng)：短波輻射易進，長波不易出大氣的溫室效應(yīng)是必要的問題在于溫室效應(yīng)的增強第八十三頁，共九十七頁，編輯于2023年，星