(精品)气象学——辐射

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章 辐 射,太阳辐射、地面辐射和大气辐射的基本性质、变化规律,本 章 内 容,地面辐射差额,太阳辐射,辐射的基本知识,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,基本特性,波粒二象性,波动性,V,f,(3-1),波动性的反映,电磁波谱,名称,波长范围,紫外线,100埃0.4微米,可见光,0.4微米0.76微米,红,外,线,近红外,0.76微米3.0微米,中红外,3.0微米6.0微米,远红外,6.0微米15微米,超远红外,15微米1000微米,微,波,毫米波,110毫米,厘米波,110厘米,分米波,10厘米1米,色彩名称,波长范围,紫,0.400.43微米,蓝,0.430.47微米,青,0.470.50微米,绿,0.500.56微米,黄,0.560.59微米,橙,0.590.62微米,红,0.620.76微米,不同电磁波的具体波长范围,可见光波长范围,粒子性,(3-2),其中,h,6.626,10,-34,J,s，,称为,普朗克常数,。,辐射的度量和单位,辐射通量、辐射通量密度,辐射通量及单位：,定义：,单位时间通过任意面积上的辐射能量。,单位：,J,s,-1,或,W,辐射通量密度,（,E）,及单位,定义：,单位面积上的辐射通量。,单位：,J,s,-1,m,-2,或,Wm,-2,E=,dF,/(,ds,.,dt,),dF,ds,dF,ds,辐射通量密度又被称为,辐射强度、辐射能力,或,放射能力。,光通量、光通量密度、照度,光通量及单位,定义：,表征辐射通量而产生光感觉的量。,单位：,流明（,lm）,光通量密度及单位,定义：,单位面积上的光通量。,单位：,流明/米,2,（,lmm,-2,）,照度及单位,定义：,单位面积上接受的光通量。,单位：,lx，,音译为勒克斯，,1,lx=1 lmm,-2,物体对辐射的吸收、反射和透射,概念,吸收率,(,a),：,a=,Q,a,/Q,反射率,(,r),：,r=,Q,r,/Q,透射率,(,d),：,d=,Q,d,/Q,入射,反射,吸收,透射,a、r、d,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，rd,。,灰体：,透射率,d,，,吸收率,a（r）,，,且,a,不随,波,长而变化,的物体,。,二、辐射的基本定律,基尔荷夫(,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:,(3-4),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，放射能力弱者，吸收能力也弱，黑体,的吸收能力最强，所以它也是放射能力最强的物体。,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。,斯蒂芬波尔兹曼(,Stefan-,Boltzmann,),定律,定律,黑体的总放射能力,（,E,T,）,与它本身绝对温度,（,T）,的四次方成正比。即：,E,T,T,4,(3-5),式中,5.6710,-8,W.m,-2,.K,-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。,m,C/T,或,m,T=C,(3-6),如果波长以,nm,为单位，则常数,C2,897,10,3,nm,K,于是(3-6)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：,m,T,289710,3,nmK,不同温度下黑体辐射强度与温度的关系,意义,物体的温度愈高，,放射能量最大值,的波长愈短，随,着物体温度不断,增高，最大辐射,波长由长向短位,移。,太阳辐射是短波,辐射，人、地,面和大气辐射,是长波辐射。,第二节 太阳辐射,一、太阳辐射强度和太阳常数,太阳辐射强度,（太阳辐射通量密度）,太阳辐射强度及单位,定义：,单位时间,内投射到,单位面积,上的太阳辐射能量。,单位：,Wm,-2,太阳常数,（,S,0,）,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1.49610,8,km)，,在,地球大气上界,投射到,垂直于太阳光线平面上,的太,阳辐射强度。,变化范围：,1325,Wm,-2,1457 Wm,-2,我国采用的太阳常数值为,1382,Wm,-2,。,太阳光量常数及范围,定义：,大气上界，太阳辐射产生的平均光照强度。,范围：,1.3510,5,1.410,5,lx,定义,S,m,S,m,S,m,sinh,二、太阳高度角、太阳方位角和昼长,太阳高度角,（,h）,太阳光线与地表水平面之间的夹角。,(0,h90),水平面上太阳辐射的计算,S,m,和,S,m,与,h,的关系图,(3-8),水平面上得到的太阳辐射能随着,h,的增加而增加。,h,的计算公式,sin hsinsin+,cos,cos,cos,(3-9),式中：,为观测点纬度，,为赤纬，,是时角。,的计算,的,含义：,太阳直,射点纬度(即太阳直射光线与赤道平面,之间的夹角)。,计算公式：,23.5sinN,(3-10),说明：,式中,N,以度为单位，是距春分日或秋分日最近的总,天数。春分日至秋分日取正值，否则，取负值。,特殊日期,的,值：,春分日(21/3)或秋分日(23/9)：,0,夏至日(22/6)：,23.5,冬至日(22/12)：,-23.5（23.5S）,的确定,是用角度表示的时间，,每15为一小时,正午：,0；,上午：,0；,下午：,0，。,正午时刻,h,的计算公式,h,正午,90-,+,(3-11),(3-12),太阳方位角,（,A）,定义,太阳光线在水平面上的投影和当地子午线的夹角。,计算公式,式中,A,值：,正南：,A=0,正南以西：,A,0,正南以东：,A,0,日出日没时（,h=0）,（3-13）,特殊时刻,A,的计算公式,北半球,A,的季节变化,除北极外，一年中只有春分日和秋分日，日出正东日没,正西。,夏半年内，日出东偏北方向，日没西偏北方 向；且愈近,夏至日，日出日没方位愈偏北。,冬半年内，日出东偏南方向，日没西偏南方向；且愈近冬至,日，日出日没方位愈偏南。,南半球相反,四季的形成,昼长（可照时数）,昼长的变化规律,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。,相同纬度，昼长冬短夏长，春秋介于二者之间。,可照时数、实照时数和日照百分率,可照时数,（昼长）,定义：不受任何遮蔽时每天从日出到日落的总时数。,单位：小时、分,计算公式：,可照时数=,(3-14),是时角,此时：,cos,-,tg,tg,(3-15),实照时数,地面上用日照计实际测量的日照时数。,日照百分率,日照百分率 100%,实照时数,可照时数,光照时间,光照时间可照时数曙暮光时间,一般曙暮光随纬度升高而加长；夏季尤为显著。,曙暮光,在日出前和日落后，太阳光线在地平线以下0 6时，光通过大气散射到地表产生一定的光照强度，这种光称为曙光和暮光。,三、大气对太阳辐射的减弱,太阳辐射在大气中的减弱,吸收作用,氧、臭氧、水汽和,CO,2,气体成分,强吸收波段,弱吸收波段,氧,760,43,热效应,加热地球、大气和生物,紫外区,400,7,化学效应,杀菌消毒、促进种子萌发,波谱随,h,的变化,太阳高度角降低，直接辐射光谱中，波长较长的部分逐渐增加，波长较短的部分逐渐减少。,太阳直接辐射波谱随,h,的变化,辐射波谱（,nm）,太阳高度角（度）,0.5,5,10,20,30,50,90,紫外线（295400）,0,0.4,1.0,2.0,2.7,3.2,4.7,可见光（400760）,31.2,38.6,41.0,42.7,43.7,43.9,45.3,其中:,紫光（400440）,0,0.6,0.8,2.6,3.8,4.5,5.4,蓝光（440495）,0,2.1,4.6,7.1,7.8,8.2,9.0,绿光（495565）,1.7,2.7,5.9,8.3,8.8,9.2,9.2,黄光（565595）,4.1,8.0,10.0,10.2,9.8,9.7,10.1,红光（595760）,25.4,25.2,19.7,14.5,13.5,12.2,11.5,红外线（760）,68.8,61.0,58.0,55.3,53.5,52.9,50.0,不同太阳高度时太阳直接辐射光谱中各部分的相对强度(总辐射量100),散射辐射光谱随太阳高度角、大气透明系数和云量而变化。,干洁空气中，,h,降低，散射辐射中波长较短的部分 逐渐,减少,，波长较长部分逐渐,增多,，而波长在400,nm-600nm,的可见光几乎不随,h,而变化。,h（,度）,600,3,5.9,53.3,40.8,15,14.6,58.2,27.2,30,20.4,56.1,23.5,45,23.2,54.8,22.0,60,24.6,54.2,21.2,90,25.8,53.5,20.7,不同太阳高度角时各散射光谱段的相对比率,当天空中有较多粗粒或全天有云时，散射辐射光谱中的长波部分能量增加，其最大辐射能力波长也向长波方向移动。,太阳散射辐射波谱随,h,的变化,碧空和阴天时散射光谱能量的分布,地面昼夜不停的向外放射辐射能，称为,地面辐射,(,E,e,),。,日变化,二、大气辐射,大气逆辐射,(,E,a,),：,大气辐射中传向地面的辐射。,第,三节 地面辐射差额,一、,地面辐射,(,E,e,),定义,波长范围,3,000,nm,80,000nm,，,最大放射能力波长约为,10,000,nm,。,白天夜间,定义,大气辐射：,大气向外的辐射。,7,000,nm,120,000nm,，,最大放射能力波长约为,15,000,nm,。,波长范围,三、,地面有效辐射,(,E,0,),定义,地面辐射与被地面吸收的大气逆辐射之差。亦称,净红外辐射。,计算公式,E,0,E,e,-,E,a,(3-23),其中：,为吸收率，,E,a,为被地面吸收的大气逆辐射。,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。,四、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，这种现象称,之为,大气阳伞效应,。,阳伞效应,B(S+,D,)(1,r,),-E,0,(3-24),白天,，,B0，,靠近正午时,B,达到最大值。,夜间,，,B0，B=-,E,0,。,B,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,五、地面辐射差额,(,B),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,地面辐射差额,(,B),。,也称,地面净辐射,。,计算公式,太阳辐射,天气状况,有云的情况下，会使,B,的绝对值减小。,纬度,纬度愈低，,B,保持正值的月份愈多。,