輻射過(guò)程課件

輻射過(guò)程第一節(jié)輻射概述一、輻射的基本知識(shí)

1、輻射與輻射能

自然界中的一切物體都以電磁波的方式向四周放射能量，這種傳播能量的方式稱為輻射。通過(guò)輻射傳播的能量稱為輻射能，也簡(jiǎn)稱為輻射。

2、輻射通量密度單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的輻射能量稱輻射通量密度（E），單位是W/m2。其數(shù)值大小反映物體反射能力的強(qiáng)弱。

電磁波的波長(zhǎng)范圍很廣，從波長(zhǎng)10-10μm的宇宙射線，到波長(zhǎng)達(dá)幾千米的無(wú)線電波。可見(jiàn)光：0.4—0.76μm的波長(zhǎng)3、物體對(duì)輻射的吸收、反射和透射

設(shè)投射到物體上的總輻射能為Qo，被吸收的為Qa，被反射的為Qr，透過(guò)的為Qd

根據(jù)能量守恒原理Qa+Qr+Qd=Qo將上式等號(hào)兩邊除以Qo，得

式中左邊第一項(xiàng)為物體吸收的輻射與投射于其上的輻射之比，稱為吸收率（a）；第二項(xiàng)為物體反射的輻射與投射于其上的輻射之比，稱為反射率（r）；第三項(xiàng)為透過(guò)物體的輻射與投射于其上的輻射之比，稱為透射率（d），則

a+r+d=1a、r、d分別表示物體對(duì)輻射吸收、反射和透射的能力。二、有關(guān)輻射的基本定律

1、基爾荷夫（Kirchhoff）定律

在一定波長(zhǎng)、一定溫度下，一個(gè)物體的吸收率等于該物體同溫度、同波長(zhǎng)的放射率；同一物體在某一溫度時(shí)放射某一波長(zhǎng)的輻射，那么在同一溫度下也吸收這一波長(zhǎng)的輻射。2、斯蒂芬（Stefan）-玻耳茲曼（Boltzman）定律

黑體的總放射能力與它本身的絕對(duì)溫度的四次方成正比，即

ETb=σT4

式中σ=5.67×10-8W/（m2·K4）為斯蒂芬-波耳茲曼常數(shù)3、維恩（Wein）位移定律

黑體單色輻射強(qiáng)度極大值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)與其絕對(duì)溫度成反比，即

λmT=C

物體的溫度愈高，輻射的波長(zhǎng)愈短，反之，物體的溫度愈低，輻射的波長(zhǎng)愈長(zhǎng)。

一、太陽(yáng)輻射

太陽(yáng)以電磁波的形式向外傳遞能量，稱為太陽(yáng)輻射1、太陽(yáng)輻射光譜

太陽(yáng)輻射中輻射能按波長(zhǎng)的分布，稱為太陽(yáng)輻射光譜

第二節(jié)大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的作用可見(jiàn)光區(qū)◆特點(diǎn)：輻射能中，波長(zhǎng)在0.15—4.0?之間占99%以上，而且主要分布在可見(jiàn)光區(qū)（50%）和紅外區(qū)（43%），紫外區(qū)的太陽(yáng)輻射很少，只占7%。2、太陽(yáng)常數(shù)

就日地平均距離來(lái)說(shuō)，在大氣上界，垂直于太陽(yáng)光線的1cm2面積內(nèi)，1min內(nèi)獲得的太陽(yáng)輻射能量，稱太陽(yáng)常數(shù)，用I0表示。太陽(yáng)常數(shù)變動(dòng)于1359—1418W/m2之間。多數(shù)文獻(xiàn)上采用1370W/m2

曲線4是進(jìn)一步考慮到粗粒散射作用后的光譜；

曲線5是將水汽吸收作用也考慮在內(nèi)的光譜，它也可近似地看成是地面所觀測(cè)到的太陽(yáng)輻射光譜

二、大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的削弱作用

1、穿過(guò)大氣的太陽(yáng)輻射光譜曲線1是大氣上界太陽(yáng)輻射光譜

曲線2是臭氧層下的太陽(yáng)輻射光譜；

曲線3是同時(shí)考慮到分子散射作用的光譜；主要變化：①總輻射能有明顯地減弱；

②輻射能隨波長(zhǎng)的分布變得極不規(guī)則；

③波長(zhǎng)短的輻射能減弱得更為顯著2、大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收

水汽：在紅外區(qū)吸收最強(qiáng)，可減弱4%-15%

氧：能微弱地吸收太陽(yáng)輻射，在小于0.2μm處吸收能力較強(qiáng)，在0.69和0.76μm附近，也有吸收帶，但吸收能力較弱。臭氧：在0.2-0.3μm為一強(qiáng)吸收帶，使得小于0.29μm的輻射不能到達(dá)地面。在0.6μm附近有一寬吸收帶，吸收能力雖然不強(qiáng)，但因位于太陽(yáng)輻射最強(qiáng)烈的輻射帶里，所以吸收的太陽(yáng)輻射量相對(duì)較多。二氧化碳：對(duì)紅外區(qū)4.3μm附近的輻射吸收較強(qiáng)，對(duì)整個(gè)太陽(yáng)輻射的影響不大。懸浮的水滴、塵埃等雜質(zhì)：能吸收一部分太陽(yáng)輻射，但量極少

大氣直接吸收的太陽(yáng)輻射并不多，特別是對(duì)于對(duì)流層大氣來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)輻射不是主要的直接熱源。3、大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的散射

太陽(yáng)輻射遇到空氣分子、塵粒、云滴等質(zhì)點(diǎn)時(shí)，方向發(fā)生改變，使太陽(yáng)輻射以質(zhì)點(diǎn)為中心向四面八方傳播，稱為散射分子散射（蕾利散射）：如果太陽(yáng)輻射遇到直徑比波長(zhǎng)小的空氣分子，散射能力與波長(zhǎng)的四次方成反比，即輻射的波長(zhǎng)愈短，散射得愈強(qiáng)空氣分子的短波散射成都粗粒散射（米散射）：如果太陽(yáng)輻射遇到的直徑比波長(zhǎng)大一些的質(zhì)點(diǎn)，散射是沒(méi)有選擇性的，即輻射的各種波長(zhǎng)都同樣地被散射。

當(dāng)空氣中存在較多的塵?；蜢F粒，一定范圍的長(zhǎng)、短波都被同樣的散射，使天空呈灰白色。4、大氣的云層和塵埃對(duì)太陽(yáng)輻射的反射

云的反射作用最為顯著高云反射率約25％，中云為50％，低云為65％，稀薄的云層也可反射10％—20％。厚云層反射可達(dá)90％，一般情況下云的平均反射率為50％—55％。上述三種方式中，反射作用最主要，其次是散射，而吸收作用最小，太陽(yáng)輻射約有30％被散射回宇宙（稱之為行星反射率），20％被大氣和云層直接吸收，50％到達(dá)地面被吸收。

厚云層的反射與散射三、到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射

太陽(yáng)高度角越小，等量的太陽(yáng)輻射散步的面積就越大，地面單位面積上獲得的太陽(yáng)輻射就越小；反之，太陽(yáng)高度角越大，單位面積上獲得的太陽(yáng)輻射就越多。1、直接輻射

（1）太陽(yáng)高度角的影響直接輻射：太陽(yáng)以平行光的形式直接投射到地面上的輻射到達(dá)地面的總輻射散射輻射：經(jīng)過(guò)散射后從天空投射到地面的輻射

太陽(yáng)高度角越小，太陽(yáng)輻射穿過(guò)的大氣層越厚，被減弱的也越多，到達(dá)地面的直接輻射就越少，反之，太陽(yáng)高度角越大，到達(dá)地面的直接輻射就越多解釋：大氣質(zhì)量數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)氣壓下，太陽(yáng)光垂直投射到地面所經(jīng)路程中，單位面積的空氣柱的質(zhì)量成為一個(gè)大氣質(zhì)量。大氣質(zhì)量數(shù)隨太陽(yáng)高度減小而增加，因此，大氣質(zhì)量數(shù)越大，輻射被消弱得越多，即，太陽(yáng)高度角越小，輻射被消弱得越多

（2）大氣透明度的影響大氣透明度用“透明系數(shù)P”表示，即透過(guò)一個(gè)大氣質(zhì)量的輻射強(qiáng)度與進(jìn)入該大氣的輻射強(qiáng)度之比。大氣中的水汽、凝結(jié)物、塵粒越多，透明度越差，透明系數(shù)越小，太陽(yáng)輻射被減弱的越多。

太陽(yáng)輻射透過(guò)大氣層后的減弱與大氣透明系數(shù)和通過(guò)大氣質(zhì)量之間的關(guān)系，可用布格（Bouguer）公式表示

I=I0pm式中，I為到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度；I0為太陽(yáng)常數(shù)；p為空氣透明系數(shù)；m為大氣質(zhì)量數(shù)思考：直接輻射的變化規(guī)律？2、散射輻射

太陽(yáng)高度角增大時(shí)，到達(dá)近地面層的直接輻射增強(qiáng)，散射輻射也就相應(yīng)地增強(qiáng)大氣透明度不好時(shí)，參與散射作用的質(zhì)點(diǎn)增多，散射輻射增強(qiáng)

變化特點(diǎn)：一日內(nèi)正午最強(qiáng)，一年內(nèi)夏季最強(qiáng)3、總輻射

直接輻射與散射輻射之和稱總輻射日變化：日出前最少，隨時(shí)間的增加而增多，正午最多年變化：夏季最大，冬季最?。ǔ嗟栏浇猓┚暥茸兓旱途暥啵呔暽偃粘鲆郧?，只有散射輻射

日出以后，太陽(yáng)直接輻射和散射輻射逐漸增加；但前者增加得較快，當(dāng)太陽(yáng)高度升到約等于8°時(shí)，直接輻射與散射輻射相等

當(dāng)太陽(yáng)高度為50°時(shí)，散射輻射值僅相當(dāng)總輻射的10％—20％；

到中午時(shí)太陽(yáng)直接輻射與散射輻射強(qiáng)度均達(dá)到最大值；中午以后二者又按相反的次序變化云的影響可以使這種規(guī)律受到破壞，因?yàn)樵茖?duì)直接輻射的減弱很顯著!我國(guó)年輻射總量區(qū)域差異：西北、華北多，長(zhǎng)江流域、華南地區(qū)少。緯度（°N）64504030200可能總輻射139.3169.9196.4216.3228.2248.1有效輻射54.471.198.2120.8132.7108.8有效輻射的最大值不在赤道，而在20°N4、地面對(duì)太陽(yáng)輻射的反射

到達(dá)地面的總輻射一部分被地面吸收轉(zhuǎn)變成熱能，另一部分被反射。

陸地表面的反射率約為10％—30％雪的反射率60%-90%水面的反射率與太陽(yáng)高度角和水面平靜程度有關(guān)：若水面平靜，放射率雖太陽(yáng)高度角的減小而增加；若水面波浪起伏，平均反射率為10%不同性質(zhì)地面的反射率地面反射率地面反射率地面反射率砂土29-35黑鈣土(干)14干草地29粘土20黑鈣土(濕)8小麥地10-25淺色土22-32耕地14新雪84-95深色土10-15綠草地26陳雪46-60第三節(jié)地面和大氣長(zhǎng)波輻射太陽(yáng)輻射雖然是地球上的主要能源，但因?yàn)榇髿獗旧韺?duì)太陽(yáng)輻射直接吸收很少，而水、陸、植被等地球表面（又稱下墊面）卻能大量吸收太陽(yáng)輻射，并經(jīng)轉(zhuǎn)化供給大氣，從這個(gè)意義來(lái)說(shuō)，下墊面是大氣的直接熱源。一、地面和大氣長(zhǎng)波輻射

1、為什么把地面和大氣輻射稱為長(zhǎng)波輻射？

地面平均溫度約為300K，對(duì)流層大氣的平均溫度約為250K，熱輻射95%的能量集中在3-120μm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)。所以我們把地面和大氣的輻射稱為長(zhǎng)波輻射，而把太陽(yáng)輻射稱為短波輻射。假定地面平均溫度為15℃，根據(jù)維恩位移定律有：

λm=C/T=2896/288≈10μm

輻射能最強(qiáng)波段波長(zhǎng)在10—15μm范圍內(nèi)

2、大氣對(duì)長(zhǎng)波輻射的吸收

大氣對(duì)長(zhǎng)波輻射的吸收非常強(qiáng)烈大氣在整個(gè)長(zhǎng)波段，除8—12μm一段外，其余吸收率為1。

8—12μm處吸收率最小，透明度最大，稱為“大氣窗口”。這個(gè)波段的輻射，正好位于地面輻射能力最強(qiáng)處，所以地面輻射有20％的能量透過(guò)這一窗口射向宇宙空間。3、大氣中長(zhǎng)波輻射的特點(diǎn)

第一，太陽(yáng)直接輻射是作為定向的平行輻射進(jìn)入大氣的，而地面和大氣輻射是漫射輻射。第二，不僅考慮對(duì)長(zhǎng)波輻射的吸收，還要考慮大氣本身的長(zhǎng)波輻射。第三，長(zhǎng)波輻射在大氣中傳播時(shí)，可以不考慮散射作用。二、大氣逆輻射與地面有效輻射

1、大氣逆輻射

大氣輻射指向地面的部分稱為大氣逆輻射如果沒(méi)有大氣，近地面的平均溫度應(yīng)為-23℃，但實(shí)際上近地面的均溫是15℃，也就是說(shuō)大氣的存在使近地面的溫度提高了38℃。

2、地面有效輻射

地面放射的輻射（Eg）與地面吸收的大氣逆輻射（δEa）之差，稱為地面有效輻射。以F0表示F0=Eg-δEa影響因子：地面溫度，空氣溫度，空氣濕度和云況3、溫室效應(yīng)

太陽(yáng)短波輻射可以透過(guò)大氣射入地面，而地面增暖后放出的長(zhǎng)輻射卻絕大部分被大氣所吸收，又以大氣逆輻射返回地面，使地面因放射輻射而損耗的能量得到一定的補(bǔ)償，對(duì)地面有一種保暖作用，這種作用稱為大氣的溫室效應(yīng)（保溫效應(yīng)）地面有效輻射與地面溫度、空氣溫度、濕度和云況的關(guān)系濕熱天氣的有效輻射比干冷時(shí)小

有云覆蓋時(shí)比晴朗天空條件下有效輻射小

空氣混濁度大時(shí)比空氣干潔時(shí)有效輻射小

在夜間風(fēng)大時(shí)有效輻射小

海拔高度高的地方有效輻射大

當(dāng)近地層氣溫隨高度顯著降低時(shí)，有效輻射大

有逆溫時(shí)有效輻射小，甚至可出現(xiàn)負(fù)值

平滑地表面的有效輻射比粗糙地表面有效輻射小

有植物覆蓋時(shí)的有效輻射比裸地的有效輻射小地面有效輻射的日變化、年變化在白天，有效輻射在中午12—14時(shí)達(dá)最大在夜間，由于地面輻射冷卻的緣故，有效輻射值也逐漸減小，在清晨達(dá)到最小有效輻射的年變化夏季最大，冬季最小我國(guó)秦嶺、淮河以南地區(qū)有效輻射秋季最大，春季最?。蝗A北、東北等地區(qū)有效輻射則春季最大，夏季最小，這是由于水汽和云況的影響第四節(jié)輻射差額一、地面輻射差額

1、基本概念某段時(shí)間內(nèi)單位面積地表面所吸收的總輻射和其有效輻射之差值，稱為地面的輻射差額Rg。即：

Rg=（Q+q）（1-a）-F0式中（Q+q）是到達(dá)地面的太陽(yáng)總輻射；a為地面對(duì)總輻射的反射率；F