氣象學(xué)-第二章-輻射

1、第二章 輻射,本章內(nèi)容,輻射基本知識 太陽輻射 地球輻射與輻射平衡 輻射與農(nóng)業(yè),物體以輻射的方式傳遞交換的能量。,第一節(jié) 輻射的基本知識,一、輻射及其特性,輻射,物體以電磁波或粒子流形式向周圍傳遞或交換能量的方式。,輻射能,所有物體，只要它的溫度高于絕對0度，都要以電磁波形式向外輻射能量。,hc,輻射的波粒二相性,=,c,v,波長,光速 3 108 m/s,振動(dòng)頻率,e,=,光量子能量,普蘭克常數(shù) 6.63 10-34 J.s,物體發(fā)射輻射的波長越短，振動(dòng)頻率越快，光量子所含的能量越大；物體發(fā)射輻射的波長越長，振動(dòng)頻率越慢，光量子所含的能量越小。,如：0.4m藍(lán)紫光每個(gè)光量子攜帶的能量 e =

2、 4.97 10-19 J,0.7m紅橙光每個(gè)光量子攜帶的能量 e = 2.87 10-19 J，1mol 的能量分別為299.2kJ和171.0kJ,紫外線：0.1-0.4m 可見光：0.4-0.7m 近紅外線：0.7-3.0m 遠(yuǎn)紅外線：3.0- +m,短波,長波,電磁波譜,可見光波長范圍,太陽的全部輻射能中，波長在0.15-4.00m之間的占99%以上。紫外光區(qū)（0.76微米）占43%。因此，太陽輻射被稱為短波輻射。,輻射通量密度（E）及單位,定義：單位時(shí)間、面積上的輻射通量。,單位： Js-1m-2或Wm-2,E=dF/(ds.dt),輻射通量密度又被稱為輻射強(qiáng)度、輻射能力或放射能力。

3、,物體對輻射的吸收、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的變化,黑體：對于投射到該物體上所有波長的輻射都能全部吸收的物體稱為絕對黑體。故有：,a，t。,灰體：透射率 t，吸收率 a，且a不隨波長而變化的物體。,基爾霍夫(kirchoff)定律(選擇吸收定律),定律,在一定溫度下，任何物體對于某一波長的放射能力(e,T) 與物體對該波長的吸收率(a,T)的比值，只是溫度和波長的函數(shù)，而與物體的其它性質(zhì)無關(guān)。即:,E,T只是波長和溫度的函數(shù)。,推論,對不同性質(zhì)的物體，放射能力較強(qiáng)的物體，吸收能力也較強(qiáng)；反之，放射能力弱

4、者，吸收能力也弱，黑體的吸收能最強(qiáng)，所以它也是最強(qiáng)的放射物體。,對同一物體，如果在溫度T時(shí)它放射某一波長的輻射，那么，在同一溫度下它也吸收這一波長的輻射。,普朗克定律（物體發(fā)射輻射分布定律）,1.溫度高的物體在任何波長下的輻射強(qiáng)度都比溫度低的物體大； 2.溫度高的物體發(fā)射的輻射波長范圍比溫度低的物體更寬； 3.物體溫度越高，發(fā)射的總輻射量越大 ； 4.物體的溫度愈高，發(fā)射能量最大值的波長愈短。,E1,E2,1,2,斯蒂芬波爾茲曼(Stefan-Boltzmann)定律,定律,黑體的總放射能力（ET）與它本身絕對溫度（T）的四次方成正比。即：,ET T 4,式中5.6710-8 W.m-2.K-

5、4為斯蒂芬波爾茲曼常數(shù)。,意義,物體溫度愈高，其放射能力愈強(qiáng)。,mC/T 或 m T=C,如果波長以m為單位，則常數(shù)C2897 K,于是上式為：,維恩(Wien)位移定律,定律,絕對黑體的放射能力最大值對應(yīng)的波長(m) 與其本身的絕對溫度(T)成反比。即：,m2897/T,太陽T=6000K， m=2897/6000=0.48m 地球T=288K， m=2897/288=10.06m 人體T=305K， m=2897/305=9.48m,第二節(jié) 太陽輻射,一、天文輻射 二、到達(dá)地面的太陽輻射 三、地面對太陽輻射選擇性 吸收、反射和透射,透過星際空間到達(dá)大氣上界的太陽輻射稱為天文輻射，它隨太陽和

6、地球之間的距離而改變。,太陽輻射光譜和天文輻射,一、天文輻射,日地間的距離是隨季節(jié)變化的。 近日點(diǎn)出現(xiàn)于1月初，距離為147million km； 遠(yuǎn)日點(diǎn)出現(xiàn)于7月初，距離為152million km,太陽常數(shù) RSC,太陽常數(shù)及變化范圍,定義：當(dāng)?shù)厍蛭挥谌盏仄骄嚯x時(shí)(約為1.496108km)， 太陽光垂直入射的天文輻射通量密度稱為太陽常 數(shù)，用RSC表示。 單位：Wm-2 變化：太陽常數(shù)受太陽黑子活動(dòng)周期性影響呈周期性變 化， RSC =13677 W/m2,通常采用1370 W/m2。,太陽直射點(diǎn),23.5S 23.5N變化,地球各地得到的天文輻射與地理緯度和時(shí)間相關(guān),太陽光線與水平面

7、之間的夾角稱為太陽高度角（h），太陽輻射日總量與太陽高度角有關(guān)。 一天中，自太陽從地平面升起到正午時(shí)分，太陽高度角從0 90，然后又減小到0 。 一年中，正午太陽直射點(diǎn)在 23.5S 23.5N變化，太陽直射點(diǎn)對應(yīng)的緯度叫赤緯，用表示，在北緯取正值，南緯取負(fù)值。如夏至 = 23.5，冬至 = 23.5，春分秋分=0,太陽高度角,定義,太陽高度角 （h）,太陽光線與地表水平面之間的最小夾角。(0h90 h大于90 取補(bǔ)角),Sm和Sm與h的關(guān)系圖,太陽高度角越小，投射到地表的太陽輻射通量密度就越小,可照時(shí)數(shù)（晝長）,地球公轉(zhuǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)軸永遠(yuǎn)保持一定的方向（始終指向北極星），而且地軸與公轉(zhuǎn)軌道平面之

8、間始終呈6633傾角，因此地球上不同地區(qū)或同一地區(qū)不同季節(jié)受陽光照射的角度和時(shí)間都不同，從而產(chǎn)生了晝夜長短的變化和四季形成。,定義：不受任何遮蔽時(shí)每天從日出到日落的總時(shí)數(shù)。,晝長的變化規(guī)律,相同緯度，晝長冬短夏長，春秋介于二者之間。 夏季晝長隨緯度升高而加長，冬季晝長隨緯度升高而縮短，春、秋分則不隨緯度升高而變。,晝長變化,二、到達(dá)地面的太陽輻射,太陽輻射在大氣中的減弱,吸收作用,氧、臭氧、CO2、水汽、塵埃等固體雜質(zhì),減弱方式,主要的吸收成分,各成分的吸收波段,大氣對太陽輻射的吸收，在平流層及以上主要是O2和O3對紫外輻射和可見光的吸收，在對流層主要是CO2和水汽等對紅外輻射的吸收。,散射作

9、用,散射,當(dāng)太陽輻射通過大氣時(shí)，遇到大氣中的各種質(zhì)點(diǎn)，太陽輻射能的一部分散向四面八方，稱為散射。,分類,由入射輻射波長 與散射質(zhì)點(diǎn)的相對大小r，將散射分為分子散射（雷利散射）和粗粒散射（米氏散射）。,r 時(shí)，分子散射。,r 時(shí)，粗粒散射。,雷萊分子散射定律,當(dāng)大氣干潔，質(zhì)點(diǎn)半徑小于200nm時(shí)，散射值與入射光波長的四次方成反比。即：,定律,意義,入射光波長愈短，散射能力愈強(qiáng)。,大氣現(xiàn)象：天空的顏色 日出日落時(shí)太陽呈橘紅色,反射作用,參與反射作用的物質(zhì),大氣中較大的塵粒和云滴、云層,云的反射作用,其反射能力隨云狀、云量和云厚而不同。云量愈多，云層愈厚，反射愈強(qiáng)。云層平均反射率為50%55%。,如

10、：天空的云量為5時(shí)，意味著太陽輻射的25%被云反射回宇宙空間，因此云的反射對太陽輻射的影響很大。,減弱因素,大氣質(zhì)量(m),定義,太陽光通過大氣路徑的長度與大氣鉛直厚度之比。,m隨h的變化,在各太陽高度時(shí)的大氣質(zhì)量,大氣質(zhì)量m隨太陽高度角的增大而減小，當(dāng)太陽高度角降低時(shí)，m值的增大特別迅速。,大氣透明系數(shù)(a),定義,透過一個(gè)大氣質(zhì)量(m1)后的太陽輻射強(qiáng)度 (RS)與透過前的太陽輻射強(qiáng)度(RSC)之比，即：,影響因子,海拔、水汽、微塵、云霧,天空晴朗，污染少時(shí)，a=0.9,污染嚴(yán)重，天空渾濁a=0.6,到達(dá)地面的太陽總輻射,到達(dá)地面的太陽總輻射由太陽直接輻射和散射輻射組成。,太陽直接輻射強(qiáng)度

11、,定義,單位時(shí)間內(nèi)以平行光形式投射到地表單位水平面積上的太陽輻射能。,大氣透明系數(shù)(P )、大氣量( m )和太陽高度角（h）影響，此外，緯度、海拔、坡度坡向和云量有間接或直接的影響。,影響因子,天空散射輻射強(qiáng)度(D),定義,陽光被大氣散射后，單位時(shí)間內(nèi)以散射光形式到達(dá)地表單位水平面積上的太陽輻射能。,影響因子,主要受太陽高度角（h）、大氣透明度(P )和大氣量(m)影響，此外，緯度、海拔、云量有直接和間接的影響。,太陽輻射在大氣中的減弱,太陽總輻射=太陽直接輻射+天空散射輻射,直接輻射,散射輻射,太陽總輻射強(qiáng)度及其影響因素,影響因子,太陽高度角(h) 太陽總輻射與太陽高度呈正相關(guān)關(guān)系。,大氣

12、透明度(P) 大氣透明度差，到達(dá)地面的太陽直接 輻射減少，故太陽總輻射減少。,大氣質(zhì)量(m) 大氣質(zhì)量m愈大，到達(dá)地面的太陽總輻 射愈少。,海拔 海拔愈高，地面接受的太陽總輻射愈強(qiáng)。,云 一般云愈厚，愈多，太陽直接輻射愈弱，散射 輻射的比例增大。,三、地面對太陽輻射選擇性 吸收、反射和透射,地面對投射其上的太陽輻射具有選擇性吸收、反射和透射的特性。,0.4,0.7,地面反射的太陽輻射,不同性質(zhì)表面的反射率,深色土壤小于淺色土壤。,潮濕土壤小于干燥土壤。,新雪表面大于陳雪表面。,大氣和地面吸收太陽輻射后，按其本身溫度不斷向外 發(fā)射輻射，屬長波輻射，地面發(fā)射的長波輻射稱為地面輻射，大氣發(fā)射的長波輻

13、射稱為大氣輻射，兩者之和總稱為地球輻射。,日變化,第三節(jié) 地面輻射與輻射平衡,一、地面輻射和大氣輻射,定義,波長范圍,3120m，最大放射能力波長約為1015m。,白天夜間,三、地面有效輻射（RLn）,定義,地面發(fā)射的輻射與地面吸收的大氣逆輻射之差稱為地面有效輻射,影響因子,地面溫度 、空氣溫度、空氣濕度、云況、風(fēng)力、海拔、地面狀況和植被等。,計(jì)算公式,Rlu代表地面發(fā)射的輻射，RLd代表大氣輻射指向地面的部分。,四、地面輻射平衡,定義,在單位時(shí)間內(nèi)，單位面積地面所吸收的輻射與放出的輻射之差，稱為地面凈輻射Rn。,地面獲得的能量： 太陽直接輻射、散射輻射、大氣逆輻射 地面失去的能量： 地面發(fā)射

14、的長波輻射、地面對太陽輻射的反射,Rn=太陽總輻射+大氣逆輻射-地面總輻射,天氣狀況,有云的情況下，會(huì)使Rn的絕對值減小。,緯度,緯度愈低， Rn保持正值的月份愈多。,白天， Rn 0，靠近正午時(shí)Rn達(dá)到最大值。夜間， Rn 0， Rn由正變負(fù)的時(shí)間在日落前1小時(shí)；由負(fù)變正在日出后1小時(shí)。,影響因素,太陽輻射,大氣溫室效應(yīng)和陽傘效應(yīng),溫室效應(yīng),大氣中各種微塵和二氧化碳成分的存在，猶如溫室覆蓋的玻璃一樣，阻擋了地面向外的輻射，增強(qiáng)大氣逆輻射，對地面有保溫和增溫作用，這種現(xiàn)象稱為大氣溫室效應(yīng)。,大氣中微塵和二氧化碳的增加，猶如在陽光下?lián)瘟艘话褌?，減弱了到達(dá)地面的太陽輻射，對地面有降溫作用，這種現(xiàn)象

15、稱之為大氣陽傘效應(yīng)。,陽傘效應(yīng),太陽短波輻射 100,地表吸收 51,大氣吸收 16,云吸收 3,大氣反射 6,云反射 20,地表反射 4,總吸收 70,總反射 30,Global Radiation BudgetShortwave CascadeIncoming solar radiation100% (1365 W/m2),Global Radiation BudgetLongwave Cascade70%,地表吸收 51,大氣吸收 16,云吸收 3,直接發(fā)射 到空間 6,傳導(dǎo)和對流 到大氣 7,潛熱攜帶 到云和大氣 23,輻射 到大氣 15,通過大氣和云發(fā)射到空間 64,70%,第四節(jié)

16、輻射與農(nóng)業(yè),一、光譜成分與農(nóng)業(yè)生產(chǎn),為大于1.0m，植物體溫、蒸騰作用，促進(jìn)干物質(zhì)積累，不參與光合作用； 為0.721.00m，對植物細(xì)胞伸長起作用，控制開花和果實(shí)顏色； 為0.610.72m的紅橙光，葉綠素強(qiáng)烈吸收，光合作用最強(qiáng)；,為0.510.61m的綠光，低光合作用和弱成形作用； 為0.400.51m的藍(lán)紫光，葉綠素和葉黃素較強(qiáng)烈吸收，次強(qiáng)光合作用和成形作用； 為0.320.40m的紫外光，主要起成形和著色作用，使植物變矮、顏色變深、葉片變厚等； 為0.280.32m的紫外光，對大多數(shù)植物有害； 為小于0.28m的遠(yuǎn)紫外光可立即殺死植物。,一、光譜成分與農(nóng)業(yè)生產(chǎn),H2O,太陽輻射中對植物光合作用有效的光譜成分稱為光合有效輻射（PAR），光合有效輻射平均約占太陽總輻射的50%。,二、光照時(shí)間與植物生長,光照時(shí)間=可照時(shí)數(shù)+曙暮光時(shí)數(shù),植物對光暗時(shí)間長短的反應(yīng)（包括開花、落葉、休眠、塊莖形成等），稱為光周期現(xiàn)象。 短日照植物：水稻、玉米、棉花等熱帶、亞熱帶植物 長日照植物：小麥、油