农学农业气象学第二章 辐 射

第二章辐射辐射的一般知识太阳辐射地面和大气辐射辐射与农业第一节热辐射的一般知识一、辐射的概念以电磁波或粒子的形式放射或输送能量叫辐射。以这种方式传递的能量称为辐射能，简称辐射。任何温度在绝对零度以上的物体，都具有辐射的本领。二、辐射的波粒二象性辐射具有波粒二象性波动性：V=λfV:光速，λ:波长，f:频率；粒子性：e=hV/λ=hfe:光量子的能量，h:普朗克常数，=6.6×10-34J·S。将不同辐射波的波长从小到大依次排列成一个谱，叫电磁波谱(表1-1)。三、物体对辐射的吸收、反射和透射1.吸收率（）、反射率（r）、透射率（t）

投射到物体上的辐射，一般只有一部分被该物体吸收，其余则被该物体反射和透射。吸收率（）：物体对辐射的吸收的能力称为吸收率。反射率（r）：物体对辐射的反射的能力称为反射率。透射率（t）：物体对辐射的透射的能力称为透射率。

假设投射到物体上的总辐射能量为Qo，被吸收、反射、透射的量分别为Q、Qr、Qt。根据能量守恒原理，则：

Q+Qr+Qt=Qo

将上式两端除以Qo，则得：

式中左边第一项为吸收率(物体反射的辐射与投射于其上的总辐射之比)

；第二项，称为反射率(物体反射的辐射与投射于其上的总辐射之比)；第三项，称为透射率(透过物体的辐射与投射于其上的总辐射之比).

即+r+t＝1

绝对黑体/相对黑体、灰体、白体

绝对黑体：在任何条件下，对于各种不同波长的辐射的吸收率等于1的物体。灰体：如果某一物体吸收率小于1，但吸收率不随波长而变的物体。

在一定温度T下，物体对某波长λ的吸收率aλ,T等于该物体在同温度下对该波长的发射率eλ,T

。即对不同的物体，发射辐射能力强的，其吸收能力也强；发射辐射能力弱的，其吸收能力也弱。即：eλ,T

=

aλ,T。四、辐射的基本定律基尔霍夫斯蒂芬－波尔兹曼维恩位移黑体的总放射能力与它本身的绝对温度的四次方成正比。

ET=σT4

σ为斯蒂芬－波尔兹曼常数σ=5.67×10-8W·m-2·

K-4

黑体的放射能力最大值对应的波长与其本身的绝对温度成反比，即：

λmax＝C/TC=2897×103nm·K

辐射通量和辐射通量密度辐射能量的基本度量单位

光通量和光通量密度（一）辐射通量和辐射通量密度

1、辐射通量(Φ)：单位时间内通过任一表面的辐射能，单位为瓦(W)或焦耳／秒（J/S）。可表示为：

2、辐射通量密度(F)：单位时间内通过单位面积的辐射能。其单位为瓦／米2(W／m2)；可表示为：F=

入射辐射通量密度（辐照度）：指投射来的辐射。

放射辐射通量密度（辐出度）：指自物体表面向外放射的辐射。它表征着物体放射能力的强弱，故称为辐射能力或放射能力(E)Φ=

1.光通量（ΦL

）：单位时间通过任一表面上的光能。单位为流明(Lm)。可表示为：dtdELΦL=

2.光照强度(A)：入射到单位面积上的光通量，单位为勒克斯(Lm／m2)。可表示为：dsFA=d（二）光通量和光通量密度光:指波长为0.4(0.39)～0.76um的电磁波视觉可以感受到，因此将这一波长域的电磁波称为可见光，简称光。由光传递的能量称为光能。

勒克斯：它是以1国际烛光的点光源为中心，以一米为半径的球面上所得到的照度。即平方米流明1勒克斯=1第二节太阳辐射太阳辐射强度和太阳常数太阳高度角和昼长大气对太阳辐射的减弱到达地面的太阳辐射强度一、太阳辐射强度、太阳常数及太阳高度角

1、太阳辐射强度

单位时间内投射到单位面积上的太阳辐射能量（S，W/m2）。2、太阳常数Rsc

当日地处于平均距离时，在地球大气上界，垂直于太阳辐射方向，单位面积上的太阳辐射能量，称为太阳常数(1367W/m2)。3、太阳高度角

太阳光线与水平面之间的夹角，称为太阳高度角(h,0º-90º,如图)。

sinh=sinΦsinδ+cosΦcosδcosωΦ：地理纬度

δ：赤纬（即太阳直射点的地理纬度，由于一年中太阳直射位置在南北回归线之间，故-23.5º≤δ≥23.5º）

ω时角=15º

×(t-12)，正午ω=0,上午ω<0,下午ω>0。4、正午太阳高度角∵

ω

＝0

∴sinh=sinΦsinδ+cosΦcosδ

于是有：h＝90º－|Φ－δ|

举例：

已知韶关的纬度为北纬23º43ˊ

，试计算出韶关春分、秋分、夏至和冬至这四个特定日子正午时的太阳高度角。

解：已知Φ=23º43ˊ

，正午ω=0º，代入公式得（1）春分、秋分时

δ=0ºh=90º-（23º43ˊ

-0º）=46º17ˊ（2）夏至

δ=23º27ˊh=90º-（23º43ˊ

-23º27ˊ）=89º44ˊ

（3）冬至

δ=-23º27ˊh=90º-（23º43ˊ

+23º27ˊ

）=42º50ˊ

昼长昼夜、四季的形成与昼长的变化规律可照时数、实照时数和日照百分率可照时数：当天空无云时或无其它障碍物遮蔽时，太阳光可以照射地面的时间，称为可照时数。即日出到日落的时间（昼长）。实照时数：太阳实际照射地面的时间，称为实际日照时数或简称实照时数。光照时间：有光的时间，称为光照时间。即：光照时间=可照时数+曙暮光时间曙暮光：日出以前和日落以后天空出现的光称为曙暮光。

日照百分率：一日（月）的实际日照时数除以同一日（月）的可照时数，称为日照百分率。即：日照百分率=同一日(月)的可照时数

一日(月)的实照时数

×100%二、大气对太阳辐射的减弱

太阳辐射在大气中的散射大气对太阳辐射的吸收大气对太阳辐射的反射一、吸收作用

太阳辐射被大气中的O2、O3、CO2、H2O(水汽)、云滴、雨滴及尘埃等吸收，转变为热能的过程，称为吸收。大气中的不同物质对太阳辐射具有选择性吸收的特性。

1、O2：强烈吸收波长位于0.15-0.2m远紫外区，这个吸收带较宽且吸收能力很强。此外，在可见光谱区还有两个弱的吸收带。2、O3：主要吸收0.2-0.32m紫外线，这是一个最强的吸收带，使太阳辐射光在波长小于0.29m的紫外线不能到达地面3、CO2：主要吸收1.46—2.78m的红外线区。4、水汽：对太阳辐射吸收范围很广,主要吸收波长在0.7-3m

的红外线。5、水滴和尘埃：水滴和尘埃能吸收0.59m及3m附近的太阳辐射。

二、散射作用太阳辐射通过大气时，不可避免会遇到空气分子和其它微粒，使的太阳辐射以这些质点为中心向四面八方传播，大大减弱了原来方向上的太阳辐射强度，这种作用称为散射。

散射系数

如果投射来的光强度为S

λ,以D

λ

表示被单位体积空气质点向各个方向散射的辐射量，则比值Dλ/S

λ

，称为散射系数。1、雷利/分子散射

当散射质点的直径比入射光波长还小时，散射强度与入射辐射波长的四次方成反比。l4bll=SD

是与大气中悬浮质点数量成比例的常数b

2、粗粒散射(漫射/米散射)

当散射质点增大(如云滴、雾滴、尘埃等)，半径大于10m时，此时散射量不再随波长而改变，即散射强度与波长无关（即辐射的各种波长都同样地被散射），称粗粒散射(或漫射、米散射)。

空气比较混浊或阴天时的天空呈乳白色，就是因大气中的尘埃等粗粒较多，大气散射以漫射为主，散射光谱与辐射光谱相同的缘故。雨后天晴天空为何呈蓝色？旭日和夕阳为何呈红色?中午为何太阳呈白色?

三、反射作用大气中的云和尘埃等对太阳辐射反射，其中云的反射极为重要，云的平均反射率为50-55％，如浓密的低云，反射率可达到78％。

＊上述提到的大气对太阳辐射的减弱方式中，反射作用最为重要，尤其是云层对太阳辐射的反射，散射作用次之，吸收作用相对较小。如果把射入到大气中的太阳辐射作为100％：被大气吸收的约占14％；被散射和反射回到宇宙空间去的约占43％；到达地面的约占43%。如图所示。

三、到达地面的太阳辐射

1）太阳光线穿过大气、云层直接到达地球表面的部分（直接辐射Rsb）；

2）经过散射后到达地面的（散射辐射Rsd）。即：Rs=Rsb+Rsd

到达地面的Rs主要决定于太阳光线穿过大气的路程，以及大气中所含吸收、散射，反射质点的多少。1、直接辐射

Rsb=am·

Rsc·

sinh（Rsc=1367W/m2）（1）太阳高度角hRsb随h的增大而增大。

1）一定的太阳辐射能下，h越大，则单位面积上接收到的能量越多，如图。

2）h越大，太阳光穿过的大气层就越薄，大气对太阳辐射减弱的程度就越小。(2)大气质量(m)

在标准状况下，海平面气压为1013hPa，气温为0℃时，太阳光垂直投射到地面所经路程中，单位截面积空气柱的质量称为一个大气质量（m）。常用太阳光通过大气路径的长度与大气铅直厚度之比表示（如图）。m=б·

csch=б

·太阳高度角不同时的大气质量数h(度)906030105310m1．001．152．05．610．415．427.035．4不同海拔高度的大气质量数高度(千米)01．53．05．57．O9．0m1．0O.850．70．50．4O．3大气质量主要决定于太阳高度角和海拔高度。(3)大气透明系数

大气透明系数(a)是指透过一个大气质量以后的太阳辐射强度(RS1)与透过前的辐射强度(RSC)之比。即：a=RS1/RSC

因为空气分子对兰紫光散射作用强，对红橙光散射作用弱，所以红橙光的透明系数较大，故通过若干个大气质量后，光谱中的红橙光所占比例大些。

影响大气透明系数的因素有：海拔、水汽、尘埃、云雾等。布格尔－兰勃特定律当太阳辐射透过一个大气量(m=1)时：Rs1＝Rsc·a当太阳辐射透过二个大气量(m=2)时：Rs2=Rs1·a=Rsc·a2当太阳辐射透过三个大气量(m=3)时：Rs3=Rs2·a=Rsc·a3

当m=m时：Rsm=Rsm-1·a=Rsc·am

Rsb=Rs´m=Rsm

·

sinh=Rsc

·

am

·

sinh2、散射辐射

太阳辐射在通过大气层时，其中有一部分被空气中的质点向四面八方弥散，它们有一部分向宇宙空间散失了，有一部分就散射在地面，这一部分就称为散射辐射Rsd。

假设散射辐射的一半返回宇宙空间，另一半在不考虑大气吸收作用下到达地面，则Rsd可表示为：Rsd=0.5·(Rsc-Rscam)·

sinh=0.5·

Rsc·(1-am)·

sinh3、太阳总辐射（到达地面的）及其影响因素到达地平面上的太阳直接辐射与散射辐射之和，称为太阳总辐射。

Rs=Rsb+Rsd=am·

Rsc

·

sinh+0.5·

Rsc(1-am)·

sinh=0.5·

Rsc(1+am)·sinh

（1）影响总辐射的因素：

1）太阳高度角；2）大气透明度；

3）云当天空有云，但云量少而且比较薄，太阳未被云所遮蔽时，总辐射强度比碧空时(太阳高度角相同)大；

4）海拔高度海拔愈高，大气柱愈短，则大气中水汽、微尘、杂质等的含量少，太阳直接辐射强，散射辐射弱，总辐射强。

5）纬度；6）大气量；7）坡度坡向

（2）太阳辐射总量及其变化太阳辐射的日/年总量：

一日/年中，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/年总量。无论是太阳直接辐射还是散射辐射，都主要受太阳高度角决定得，所以有明显的日变化和年变化。一天中一般中午h最大，到达地面的太阳总辐射最大，而日出、日落时h最小，到达地面的太阳总辐射最小；一年中，夏季到达地面的太阳总辐射最大

，冬季到达地面的太阳总辐射最小。因赤道附近云雨多，太阳辐射年总量高值区不是出现在赤道，而出现在纬度20º附近。全球最大值出现在埃及南部，约9200MJ/(m2.a)。中国为3768--8374MJ/(m2.a)，最高中心在雅鲁藏布江上中游，超过8000MJ/(m2.a)

。川黔地区不足3349MJ/(m2.a)，为全国最低区。四、地面对太阳辐射的反射到达地面的太阳总辐射不能完全被地面吸收，有一部分将被地面反射。反射的大小与反射率有关。反射率的大小主要与下垫面的性质有关。

1、颜色；

2、湿度；

3、粗糙度；

4、太阳高度角第三节地面和大气辐射一、地面辐射地面直接放射的长波辐射，称为地面辐射(RLu)。地面的平均温度约为288K，地面辐射波长在3～120µm之间，最大放射能力的波长约为10-15µm。

地面辐射通过大气时，绝大部分能量被大气中的水汽、二氧化碳、水滴及尘埃等吸收，而其中以水汽吸收的量为最大。因水汽主要集中在大气的低层，且由下向上逐渐减少，故地面长波辐射能量绝大部分为低层大气所吸收。这说明，地面辐射是低层大气能量的主要来源。二、大气辐射RLd

大气向外的辐射称为大气辐射。

大气的平均温度约为250K，其辐射的波长介于7-120µm之间，最大放射能量的波长为15µm，也属于红外长波辐射。大气辐射中，投向地面的那一部分大气辐射，叫做大气逆辐射(Ra)

。

三、地面有效辐射(净红外辐射）

地面有效辐射是地面放射的辐射与地面吸收的大气逆辐射之差，其表达式为：

R0=RLu-δRa

其中，R0为地面有效辐射；RLu为地面辐射；δ为地面对大气逆辐射的吸收系数，Ra为大气逆辐射。一般情况下，地面温度高于大气温度，即R0>0，即地面放出热量多，而得到的补充少，意味着地面有效辐射将使地面损失热量而降温。影响地面有效辐射的因素:

1、地面温度地面温度高时，RLu增强，R0增大;2、大气温度大气温度升高，Ra增强，R0减小;3、空气湿度湿度大，则Ra增强，R0减小;4、云云量多且云层厚时，Ra增强，R0减小;5、海拔高度随海拔高度的增加，水汽含量减少，R0增大;

6、雾雾使R0减小。

此外，晴朗无风的夜晚，空气的流动混合作用差，从而使R0增大；粗糙土壤表面的辐射比平滑土壤表面大，所以粗糙土壤表面的R0大于平滑土壤表面；植被覆盖下比裸地R0小，降温慢。四、地面辐射差额指在一定时间间隔内，单位面积的地表吸收的辐射与放射的辐射之差(即地面吸收的太阳总辐射与其有效辐射之差)，也称净辐射或辐射平衡，以Rb表示，其表达式为:Rb＝(Rsb+Rsd+δRa)

－[(Rsb+Rsd)r+RLu]

＝(Rsb+Rsd)(1－r)－R0

式中，Rb为地面辐射差额，

(1-r)为地面对太阳短波辐射吸收率。白天，地面吸收的太阳辐射大于地面有效辐射，Rb＞0，地面得到热量，T地升高；夜间，地面吸收的太阳辐射为零，Rb=-R0，所以Rb＜0，地面失热而降温。通常在日出后约1h，由Rb＜0

转变为Rb

＞0；日落后约1h，由Rb＞0

转变为Rb＜0。第四节、辐射与农业生产一、光合有效辐射1、光谱成分对植物的作用

绿色植物光合作用时必须利用太阳辐射的能量，但并非全部太阳辐射均能被植物用于光合作用。不同波段的辐射对植物生命活动其这不同的作用。2、光合有效辐射PAR

太阳辐射中对植物光合作用有效的光谱成分称为光合有效辐射，其波长范围在0.4-0.7μm，基本与可见光重合。

PAR占太阳直接辐射的比例随太阳高度角的增加而增加，最高达45%；而在散射辐射中，PAR的比例可达60-70%。二、作物群体中的辐射状况

1、作物群体中太阳辐射的反射、透射和吸收；一般叶片对太阳辐射的吸收率在80%-90%左右，其余10%-20%被叶片反射和透射了。叶片对不同波长辐射的反射、透射和吸收是不同的，对可见光部分的吸收率非常高。

2、太阳辐射在作物群体中的分布；只有被作物截获的、吸收的太阳辐射才能参与光合作用；作物群体中不同部位所得到的辐射强度和光谱成分都明显不同，其