《气象学第二章辐射》ppt课件

1、n辐射的根本知识辐射的根本知识n日地关系和季节的构成日地关系和季节的构成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 第一节第一节 辐射的根本知识辐射的根本知识 (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方式放射或保送能量的过程。辐射：物体以电磁波或粒子的方式放射或保送能量的过程。 辐射能：物体以辐射的方式放射或保送的能量。辐射能：物体以辐射的方式放射或

2、保送的能量。 辐射有两个根本属性：辐射有两个根本属性： 辐射的动摇性：辐射的动摇性： = c = c各种频率的电磁波在真空中传播的速度相等即相当于光速各种频率的电磁波在真空中传播的速度相等即相当于光速. .l lc=l波长和频率的关系波长和频率的关系电磁波谱电磁波谱: :把电磁波按波长大小顺序陈列，称为电磁波谱。把电磁波按波长大小顺序陈列，称为电磁波谱。 辐射的粒子学说以为，电磁辐射由许多具有一定质量、辐射的粒子学说以为，电磁辐射由许多具有一定质量、能量和动量的微粒子组成，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。粒子量子的概念：微观世界的某些物理量不能延续变化粒子量

3、子的概念：微观世界的某些物理量不能延续变化而只能以某一最小单位的整数倍发生变化，这些最小单位就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量子。如电子。称为该量的粒子量子。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 / h h 6.6266.62610-34Js10-34Js， h h为普朗克常数为普朗克常数 。 植物光协作用的研讨常利用辐射的粒子性。植物光协作用的研讨常利用辐射的粒子性。2.2.表征辐射的物理量表征辐射的物理量 光通量光通量 定义：单位时间经过某一外表的可见

4、光能量。定义：单位时间经过某一外表的可见光能量。 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 2lmm-2lmm-2 光照度光照度( (照度照度 定义：单位面积上接纳的光通量。定义：单位面积上接纳的光通量。 单位：单位： lx lx，勒克斯，勒克斯，1 lx=1 lmm-21 lx=1 lmm-22.2.关于关于a a、r r、t t的几点讨论的几点讨论a a 、r r、t t是是0 01 1之间的无量纲量。假设辐射不能透过物体，之间的无量纲量。假设辐射不能透过物体，t t0 0，那么，那么a ar

5、 r1 1，吸收率越大，反射率越小，反之，吸收率越大，反射率越小，反之亦然。亦然。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。吸收率等于吸收率等于1 1的物体为黑体。的物体为黑体。 吸收率为小于吸收率为小于1 1的常数，且的常数，且不随波长变化的物体叫灰体。不随波长变化的物体叫灰体。三、辐射的根本定律三、辐射的根本定律定律：在一定温度下，物体对某一波长的辐射才干定律：在一定温度下，物体对某一波长的辐射才干(e,T) 与与物体对该波长的吸收率物体对该波长的吸收率(a,T)的比值是一常数，即的比值是一常数，即:TTTEae,lll3.3.维恩位移定律维恩位移定律

6、定律：黑体放射才干的最大值对应的波长定律：黑体放射才干的最大值对应的波长(max) (max) 与其与其本身的绝对温度本身的绝对温度(T)(T)成反比。即：成反比。即： maxT=C maxT=C假设波长以假设波长以mm为单位，那么常数为单位，那么常数C C2897m K2897m K。意义：物体温度愈高，其放射才干愈强。意义：物体温度愈高，其放射才干愈强。定律：黑体的放射才干定律：黑体的放射才干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

7、尔兹曼定律波尔兹曼定律 图图2.42.4不同温度下黑体辐射强度与温度的关系不同温度下黑体辐射强度与温度的关系 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，1.52108km1.1.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，地轴方向坚持不变转过程中，地轴方向坚持不变.

8、. 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，日地平均间隔日地平均间隔1.4951.495108km108km。2.2.太阳常数太阳常数n定义：当日、地间处于平均间隔时定义：当日、地间处于平均间隔时( (约约1.4961.496108km)108km)，在大气上界垂直于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、单位时间内所接纳的太阳辐射能，称为太阳常数。用时间内所接纳的太阳辐射能，称为太阳常数。用S0S0表表示。其值为示。其值为7 77 Wm-2 7 Wm-2 我国采用的太阳常数值为我国采用的太阳常数值为7 Wm-

9、2 7 Wm-2 。影响太阳常。影响太阳常数的因子有日地间隔、太阳黑子数等。数的因子有日地间隔、太阳黑子数等。三、太阳高度角和方位角三、太阳高度角和方位角1.定义定义:太阳平行光线与地表程度面之间的夹角。太阳平行光线与地表程度面之间的夹角。 (0h90) 程度面上得到的太程度面上得到的太阳辐射能随着阳辐射能随着h的添的添加而添加。加而添加。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2.2.恣意时辰及正午时辰太阳高度角的计算恣意时辰及正午时辰太阳高度角的计算恣意时辰恣意时辰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。 正午时

10、辰正午时辰h的计算的计算留意：当计算所得留意：当计算所得h为钝角时，取其补角为太阳高度角。为钝角时，取其补角为太阳高度角。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 023232727666630302323272746465454232327270 05050404063632727404016163333404050507373232350502626333323232727666633339090

11、6666333343430606202070708686333370704646333310108080767633338080565633330 09090606033339090666633331.1.定义：太阳平行光线在程度地面上定义：太阳平行光线在程度地面上 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：coscoshsinsinsinhcosA夏季昼长随纬度升高而加长，冬季昼长随纬度升高而缩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、秋分那么不随纬度升高而变。短，春、秋分那么不随纬度升高而变。 4.实照时数和日照百分率实照时数和日

12、照百分率1.吸收作用吸收作用特点：选择性吸收特点：选择性吸收 根据散射质点直径根据散射质点直径d和入射辐射的波长和入射辐射的波长的相对大的相对大小，把散射作用分为以下两种方式：小，把散射作用分为以下两种方式：u 参与反射作用的物质：大气中较大的尘粒和云滴、云层。参与反射作用的物质：大气中较大的尘粒和云滴、云层。u 云的反射作用云的反射作用 从以上三个方面来看，太阳辐射经过地球大气层时，由从以上三个方面来看，太阳辐射经过地球大气层时，由于大气的吸收、反射和散射作用，使到达地面的太阳辐射遭于大气的吸收、反射和散射作用，使到达地面的太阳辐射遭到减弱，减弱的主要部分是波长较长的红外线和波长较短的到减弱

13、，减弱的主要部分是波长较长的红外线和波长较短的紫外线，而可见光部分被减弱的较少，所以到达地面的太阳紫外线，而可见光部分被减弱的较少，所以到达地面的太阳辐射主要集中在可见光部分。可见光区集中了太阳辐射一半辐射主要集中在可见光部分。可见光区集中了太阳辐射一半的能量，它给予地球外表以宏大的能量，是发生在地理环境的能量，它给予地球外表以宏大的能量，是发生在地理环境里各种景象和过程的最重要的能量源泉。里各种景象和过程的最重要的能量源泉。1.大气质量(m) hmcscsinh1011SSSSPmm 布格尔布格尔- -兰勃特兰勃特(Bouguer-Lambert)(Bouguer-Lambert)定律贝尔减

14、弱定律定律贝尔减弱定律1.1.程度地面上的太阳直接程度地面上的太阳直接辐射辐射 Sb Sb 的大小的大小 如图示，平面如图示，平面ABCDABCD为垂直太为垂直太阳光线的平面，阳光线的平面，ABCDABCD为其在为其在程度地面上的投影。由此图我们程度地面上的投影。由此图我们可以推出：可以推出：0102030405060708090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2.影响因子 主要受太阳高度角主要受太阳高度角h h、大气透明系数、大气透明系数(P )(P )和大和大气量气量(m)(m)影响

15、，此外，纬度、海拔、云量、下垫面反射影响，此外，纬度、海拔、云量、下垫面反射率有直接和间接的影响。率有直接和间接的影响。 3.3.散射辐射的日年变化散射辐射的日年变化1.1.概念概念 2.影响因子影响因子 纬度：纬度愈高，太阳总辐射愈低。纬度：纬度愈高，太阳总辐射愈低。 海拔：海拔愈高，地面接纳的太阳总辐射愈多。海拔：海拔愈高，地面接纳的太阳总辐射愈多。 云：有云时，太阳总辐射既可添加也可减少，主要云：有云时，太阳总辐射既可添加也可减少，主要视云状和云量而定。视云状和云量而定。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

16、辐射的日总量积上的太阳辐射的累积值，称为太阳辐射的日总量。u u 太阳辐射年总量：一年中，到达地面单位面积太阳辐射年总量：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。上的太阳辐射累积值，称为太阳辐射年总量。u太阳辐射总量不仅取决于太阳高度角、大气透明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。系数，还和日照时数有关。 3.太阳辐射总量太阳辐射总量 地面反射的太阳总辐射与投射到地面的太阳总辐地面反射的太阳总辐射与投射到地面的太阳总辐射之比。射之比。 2. 2.不同性质下垫面的反射率不同性质下垫面的反射率 颜色不同的下垫面对太阳辐射可见光部分有选择颜色不同

17、的下垫面对太阳辐射可见光部分有选择性地反射。各种颜色外表的最强反射光谱带就是它本性地反射。各种颜色外表的最强反射光谱带就是它本身颜色的波长。有色地膜的运用是这一实际在农业消身颜色的波长。有色地膜的运用是这一实际在农业消费中的详细运用。费中的详细运用。 水面的反射率普通比陆面小，但在太阳高度角水面的反射率普通比陆面小，但在太阳高度角小于小于1010时，往往大于陆地。时，往往大于陆地。3.03.080 m 80 m ，最大放射才干对应的波长约，最大放射才干对应的波长约为为10.0 m 10.0 m 。二、大气辐射二、大气辐射 地面温度地面温度 、空气温度、空气湿度、云况、风力、空气温度、空气湿度、

18、云况、风力、海拔、地面情况和植被等。海拔、地面情况和植被等。 夜间夜间Ln的大小，可决议地温的高低和地温降低的快的大小，可决议地温的高低和地温降低的快慢。慢。Ln大，地面降温多，易构成露、霜、低温灾祸等。大，地面降温多，易构成露、霜、低温灾祸等。 Ln大小大小 经常用来作为预告地面最低温度和霜冻的重要经常用来作为预告地面最低温度和霜冻的重要根据。根据。 在单位时间内，单位面积地面所吸收的辐射与放出的辐在单位时间内，单位面积地面所吸收的辐射与放出的辐射之差，称为地面净辐射射之差，称为地面净辐射(B)。也称地面辐射差额。也称地面辐射差额。晴天：晴天：ntbLrSSB)1)(ntbLrSSB)1)(

19、 纬度：纬度： 植物生长是在日光的全光谱作用下进展的，不同光谱植物生长是在日光的全光谱作用下进展的，不同光谱成分对植物的光协作用、色素构成、向光性、形状构成成分对植物的光协作用、色素构成、向光性、形状构成的诱导等影响是不同的。的诱导等影响是不同的。 绿色植物的光协作用是在一定的光照条件下进展的。 n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：n喜光植物阳生植物强光照下才干正常生长，如白桦、喜光植物阳生植物强光照下才干正常生长，如白桦、刺槐刺槐n耐阴植物阴生植物一定的蔽阴条件下生长，如云杉、耐阴植物阴生植物一定的蔽阴条件下生长，如云杉、冷杉冷杉

20、n中性植物介于两者之间，如红松、椴树、杉木、毛中性植物介于两者之间，如红松、椴树、杉木、毛竹等，幼苗期较耐阴，随着树龄的增长，逐渐表现出不竹等，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同程度偏阳的特性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，才干增产。产量：光饱和点要高，光补偿点要低，才干增产。n质量：强光有利于淀粉、蛋白质的构成，弱光不利糖分的质量：强光有利于淀粉、蛋白质的构成，弱光不利糖分的构成。构成。 n形状：空阔地的稀疏树木树干粗矮、树冠较大；密林中树形状：空阔地的稀疏树木树干粗矮、树冠较大；密林中树干细长，树冠狭窄干细长，树冠狭窄2.2.光照强度对植物的影响光照强度对植物的影响n 北半球生长季节里，南方光照时间短于北半球生长季节里，南方光照时间短于北方，故南方多为短日照植物，而北方北方，故南方多为短日照植物，而北方多为长日照植物。多为长日照植物。n长日照植物：光照时间大于某一时数才长日照植物：光照时间大于某一时数才可开花，普通原产中高纬温带地域，可开花，普通原产中高纬温带地域，多为耐寒植物，如落叶松、小麦、大麦、多为耐寒植物，如落叶松、小麦、大麦、燕麦、甜菜