气象学第二章辐射课件

1、气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 n辐射的基本知识辐射的基本知识 n日地关系和季节的形成日地关系和季节的形成 n太阳辐射太阳辐射 n地面有效辐射和地面净辐射地面有效辐射和地面净辐射 n太阳辐射与植物生长太阳辐射与植物生长 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 第一节第一节 辐射的基本知识辐射的基本知识 (Basic knowledge of radiation) 一、辐射的概念一、辐射的概念( (concept of radiation)concept of radiation) 1 1. .定义：定义： 辐射：物体以电磁波或粒子的形式放射

2、或输送能量的过程。辐射：物体以电磁波或粒子的形式放射或输送能量的过程。 辐射能：辐射能：放射或输送放射或输送 辐射有两个基本属性辐射有两个基本属性 辐射的波动性：辐射的波动性： = c = c 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 l l c=l l 波长和频率的关系波长和频率的关系 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 电磁波谱电磁波谱: :把电磁波按波长大小顺序排列，称为电磁波谱。把电磁波按波长大小顺序排列，称为电磁波谱。 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 辐射的粒子学说认为，电磁辐射由许多具有一定质量、辐射的粒子学说认为，电磁辐射由许多具有一定质量、 能量和动量的微粒子组

3、成，这些微粒称为粒子（量子）。能量和动量的微粒子组成，这些微粒称为粒子（量子）。 n粒子（量子）的概念：微观世界的某些物理量不能连续变粒子（量子）的概念：微观世界的某些物理量不能连续变 化而只能以某一最小单位的整数倍发生变化，这些最小单位化而只能以某一最小单位的整数倍发生变化，这些最小单位 就称为该量的粒子（就称为该量的粒子（量子）量子）。如电子。如电子。 这些粒子或量子每一个所具有的能量为：这些粒子或量子每一个所具有的能量为： e eh h，或或 e = h C /e = h C / -34-34 植物光合作用的研究常利用辐射的粒子性。植物光合作用的研究常利用辐射的粒子性。 气象学第二章辐射

4、课件气象学第二章辐射课件 2.2.表征辐射的物理量表征辐射的物理量 ） 辐射通量：辐射通量： 定义：单位时间内通过任一表面的辐射能。定义：单位时间内通过任一表面的辐射能。 单位：单位：JsJs 1 1或 或W W （2 2）辐射通量密度）辐射通量密度 定义：单位面积上的辐射通量。定义：单位面积上的辐射通量。 单位：单位： JsJs 1 1m m-2 -2或 或WmWm-2 -2。 。 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 光通量光通量 定义：单位时间通过某一表面的可见光能量。定义：单位时间通过某一表面的可见光能量。 单位：流明（单位：流明（lmlm） 光通量密度光通量密度 定义：单位面积上

5、的光通量。定义：单位面积上的光通量。 单位：流明单位：流明/ /米米2 2（lmlmm m-2 -2） ） 光照度光照度( (照度）照度） 定义：单位面积上接收的光通量。定义：单位面积上接收的光通量。 单位：单位： lxlx，勒克斯，勒克斯，1 lx=1 lm1 lx=1 lmm m-2 -2 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 吸收率、反射率和透射率吸收率、反射率和透射率 假设有一束能量为假设有一束能量为Q Q的入射光，照射到某一物体表面，的入射光，照射到某一物体表面， 其中被物体吸收的能量为其中被物体吸收的能量为QaQa，反射的能量为，反射的能量为QrQr，透射，透射 过物体的能量为

6、过物体的能量为QtQt，则：，则：Q=Qa+Qr+QtQ=Qa+Qr+Qt。 物体对辐射的吸收、反射和透射物体对辐射的吸收、反射和透射 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 2.2.关于关于a a、r r、t t的几点讨论的几点讨论 na a 、r r、t t是是0 01 1之间的无量纲量。若辐射不能透过物之间的无量纲量。若辐射不能透过物 体，体，t t0 0，则，则a ar r1 1，吸收率越大，反射率越小，反，吸收率越大，反射率越小，反 之亦然。之亦然。 n物体对辐射的吸收、反射和透射具有选择性。物体对辐射的吸收、反射和透射具有选择性。 n吸收率等于吸收率等于1 1的物体为黑体。的物体

7、为黑体。 吸收率为小于吸收率为小于1的常数，的常数， 且不随波长变化的物体叫灰体。且不随波长变化的物体叫灰体。 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 三、辐射的基本定律三、辐射的基本定律 定律：定律： T T T E a e , , , l l l 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 3.3.维恩位移定律维恩位移定律 定律：黑体放射能力的最大值对应的波长定律：黑体放射能力的最大值对应的波长(max) (max) 与与 其本身的绝对温度其本身的绝对温度(T)(T)成反比。即：成反比。即： maxT=CmaxT=C 如果波长以如果波长以m m为单

8、位，则常数为单位，则常数C C28972897m Km K。 意义：物体温度愈高，其放射能力愈强。意义：物体温度愈高，其放射能力愈强。 定律：黑体的放射能力（定律：黑体的放射能力（ET）与它本身绝对温度（）与它本身绝对温度（T） 的四次方成正比。即：的四次方成正比。即： ET T 4 式中式中5.6710-8Wm-2K-4为斯蒂芬为斯蒂芬波尔兹曼常数。波尔兹曼常数。 2.2.斯蒂芬斯蒂芬波尔兹曼定律波尔兹曼定律 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 图不同温度下黑体辐射强度与温度的关系图不同温度下黑体辐射强度与温度的关系 物体的温度愈高，辐射物体的温度愈高，辐射 能量最大值的波长愈短，能量

9、最大值的波长愈短， 即黑体辐射具有最大辐射即黑体辐射具有最大辐射 能力的波长随温度升高逐能力的波长随温度升高逐 渐向短波方向移动。渐向短波方向移动。 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 近日距：近日距：1月月3日，日，1.47 108km 远日距：远日距：7月月4日，日，1.52108km 1 1. .地球的公转运动：地球的公转运动： 公转轨道为一椭圆公转轨道为一椭圆, ,公转一周的时间为一年。公转一周的时间为一年。 2 2. .地球的自转运动地球的自转运动: :绕地轴旋转，自转一周为一天。绕地轴旋转，自转一周为一天。 3 3. .地轴与地球公转

10、轨道面的交角为地轴与地球公转轨道面的交角为66.566.5, ,且地球在公且地球在公 转过程中，地轴方向保持不变转过程中，地轴方向保持不变. . 公转轨道为一近圆形的椭圆，太阳位于一个焦点上，公转轨道为一近圆形的椭圆，太阳位于一个焦点上， 日地平均距离日地平均距离1.4951.49510108 8kmkm。 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 2.2.太阳常数太阳常数 n定义：当日、地间处于平均距离时定义：当日、地间处于平均距离时( (约约1.4961.49610108 8km)km)， 在大气上界垂直于

11、太阳光线的平面上单位面积、单位在大气上界垂直于太阳光线的平面上单位面积、单位 时间内所接收的太阳辐射能，称为太阳常数。用时间内所接收的太阳辐射能，称为太阳常数。用S S0 0表表 示。其值为示。其值为136713677 Wm7 Wm-2 -2 我国采用的太阳常数值为我国采用的太阳常数值为1367 Wm1367 Wm-2 -2 。影响太 。影响太 阳常数的因子有日地距离、太阳黑子数等。阳常数的因子有日地距离、太阳黑子数等。 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 2021-7-13 三、太阳高度角和方位角三、太阳高度角和方位角 （一）、太阳高度角（一）、太阳高度角（h h） 1.定义定义: :

12、太阳平行光线与地表水平面之间的夹角。太阳平行光线与地表水平面之间的夹角。 水平面上得到的太水平面上得到的太 阳辐射能随着阳辐射能随着h的增的增 加而增加。加而增加。 图图2.6 2.6 太阳高度角和太阳辐射强度太阳高度角和太阳辐射强度 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 2.2.任意时刻及正午时刻太阳高度角的计算任意时刻及正午时刻太阳高度角的计算 任意时刻任意时刻h h的计算的计算 式中：式中：为观测点纬度，为观测点纬度，为赤纬，为赤纬，是时角。是时角。 含义：含义：太阳直射点的地理纬度太阳直射点的地理纬度. . 范围范围 。 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 值：值：(北半球）

13、北半球）(南半球相反）南半球相反） 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 正午时刻正午时刻h的计算的计算 ：计算屯溪（：计算屯溪（292940 0 N,118N,11820 E E）夏至日和冬至日）夏至日和冬至日 正午时刻的太阳高度角？正午时刻的太阳高度角？ 解：解： 根据公式根据公式 h h 9090， 夏至日夏至日，冬至日，冬至日 夏至日夏至日h=90h=90292940 0 =83=8350 0 冬至日冬至日h=90h=9029294=36=3650 0 注意：当计算所得注意：当计算所得h为钝角时，取其补角为太阳高度角。为钝角时，取其补角为太

14、阳高度角。 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 太阳高度角随纬度和季节的变化太阳高度角随纬度和季节的变化 表表2.1 2.1 太阳高度角随纬度和季节的变化太阳高度角随纬度和季节的变化 纬度纬度(N(N) )春分日春分日夏至日夏至日秋分日秋分日冬至日冬至日 90900 0232327270 023232727 666630302323272746465454232327270 0 5050404063632727404016163333 4040505073732323505026263333 232327276666333390906666333343430606 20207070868

15、63333707046463333 1010808076763333808056563333 0 0909060603333909066663333 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 1.1.定义：太阳平行光线在水平地面上定义：太阳平行光线在水平地面上 的投影和当地子午线之间的夹角。的投影和当地子午线之间的夹角。 2.2.计算公式：计算公式： coscosh sinsinsinh cos A 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 气象学第二章辐射课件气象学第

16、二章辐射课件 1.吸收作用吸收作用 特点：选择性吸收特点：选择性吸收 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 大气各成分的吸收波段大气各成分的吸收波段 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 散射作用散射作用 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 。 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 2021-7-13 35 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 2021-7-13 36 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 u u 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 1.大气（质）量大气（质）量(m)(m) 定义：定义： m m随随h

17、h的变化的变化 大气量大气量m m随太阳高度的增高而减小，当太阳高度随太阳高度的增高而减小，当太阳高度 低时，低时，m m值的增大特别迅速。值的增大特别迅速。 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 hmcsc sinh 1 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 大气透明系数大气透明系数 透过一个大气质量透过一个大气质量(m(m1)1)后的辐射通量密度后的辐射通量密度 (S(S1 1) )与与 透过前的辐射通量密度透过前的辐射通量密度(S(S0 0) )之比，即：之比，即： 0 1 1 S S S S P m m 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 布格尔布格尔- -兰勃特兰勃特（

18、贝尔减弱定律）（贝尔减弱定律） 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 ( ( S Sb b) ) S Sb b 。 1.1.水平地面上的太阳直接水平地面上的太阳直接 辐射（辐射（ S Sb b ）的大小 ）的大小 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 太阳高度角的日变化太阳高度角的日变化 时间时间 太太阳阳高高度度角角 太阳高度角太阳高度角 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 1.1.概念概念 北京直接辐射的年变化北京直接辐射的年变化 气象

19、学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 2.影响因子影响因子 3.3.散射辐射的日年变化散射辐射的日年变化 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 1.1.概念概念 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 云云 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 u 太阳辐射的日总量：太阳辐射的日总量： 一日中，到达地面单位面积上的一日中，到达地面单位面积上的 太阳辐射的累积值，称为太阳辐射的日总量。太阳辐射的累积值，称为太阳辐射的日总量。 u 太阳辐射年总量：一年中，到达地面单位面积上的太阳太阳辐射年总量：一年中，到达地面单位面积上的太阳 辐射累积值，称为太阳辐射年总量。辐射累积值，称为太阳辐射年总

20、量。 太阳辐射总量不仅取决于太阳高度角、大气透明系数，还和太阳辐射总量不仅取决于太阳高度角、大气透明系数，还和 日照时数有关。日照时数有关。 太阳辐射总量太阳辐射总量 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 地面反射率地面反射率 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 80 80 m m ，最大放射能力对应的波长约为，最大放射能力对应的波长约为 10.0 10.0 m m 。 二、大气辐射二、大气辐射 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 。 气象学第二章辐射课

21、件气象学第二章辐射课件 夜间夜间的大小，的大小， 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 晴天：晴天： ntb LrSSB)1)( ntb LrSSB)1)( 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 不同植物对光强的要求不同，根据对光照强度的要求：不同植物对光强的要求不同，根据对光照强度的要求： 喜光植物喜光植物阳生植物（强光照下才能正常生长，如白桦、刺阳生植物（强光照下才能正常生长，如白桦、刺 槐）槐） 耐阴植物耐阴植物阴

22、生植物（一定的蔽阴条件下生长，如云杉、冷阴生植物（一定的蔽阴条件下生长，如云杉、冷 杉）杉） 中性植物中性植物（介于两者之间，如红松、椴树、杉木、毛竹等，（介于两者之间，如红松、椴树、杉木、毛竹等， 幼苗期较耐阴，随着树龄的增长，逐渐表现出不同程度幼苗期较耐阴，随着树龄的增长，逐渐表现出不同程度 偏阳的特性）偏阳的特性） 气象学第二章辐射课件气象学第二章辐射课件 n生长发育：营养生长要有弱光，生殖生长要有强光。生长发育：营养生长要有弱光，生殖生长要有强光。 n产量：光饱和点要高，光补偿点要低，才能增产。产量：光饱和点要高，光补偿点要低，才能增产。 n品质：强光有利于淀粉、蛋白质的形成，弱光不利糖分的品质：强光有利于淀粉、蛋白质的形成，弱光不利糖分的 形成。形成。 n形态：空旷地的稀疏树木树干粗矮、树冠较大；密林