农业气象学辐射1

第二章辐射本章内容辐射的基本知识太阳辐射地面辐射差额

太阳辐射、地面辐射和大气辐射的基本性质、变化规律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。辐射能基本特性波动性波粒二象性粒子性波动性C=fλC—波速，f—频率，λ—波长，波动性的反映电磁波谱粒子性

其中h＝6.63×10-34J·s，称为普朗克常数。

辐射通量：单位时间通过任意面积上的辐射能量。单位：J·s-1或W二、辐射的量度和单位

辐射通量密度(辐照度、辐出度、辐射能力):单位时间内通过单位面积的辐射能量称为辐射通量密度。

E=dF/(ds.dt)dFdsdFds辐射通量密度又被称为辐射强度。但是有差别。

(cal/min·cm²=697.8w/m²)

辐射强度I：单位时间内由单位立体角射到与射线相垂直的单位面积上的辐射能量。w/sr瓦特/球面度。I=E/COS.θ为辐射体表面的法线方向与选定方向间的夹角。

立体角定义图光通量：辐射通量中，能对正常人眼产生光量感觉的辐射通量。单位：流明。光通亮密度：(光照度、照度、光照强度)定义：单位面积上的光通量。单位：流明/米²

（lm·mˉ²）勒克司(lux;lx)应用情况：三、

物体对辐射的吸收、反射和透射吸收率(a)：a=Qa/Q

反射率(r)：r=Qr/Q

透射率(d)：d=Qd/Q

入射反射吸收透射a+r+d=1

a、r、d的变化反射又分镜反射和漫反射两种图镜反射图漫反射黑体：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＝１，r＝d＝０。

灰体：透射率d＝０，吸收率a＝（１－r），且a不随波长而变化的物体。

四、黑体辐射的基本定律及相关性质黑体模型入射辐射

式中，λ—波长，m；T—黑体温度，K；c1

—第一辐射常数，3.742×10-16Wm2；

c2—第二辐射常数，1.4388×10-2WK；

根据上式描绘的黑体光谱辐射力随波长和温度的依变关系。可见某一温度下的Ebλ有一个最大值，对应波长为λmax，λmax与T的关系由Wien位移定律给出，1.Planck定律

它揭示了黑体辐射能的光谱特性，即黑体的光谱辐射力EbλPlanck定律的图示不同温度下黑体辐射强度与温度的关系2.维恩(Wien)位移定律

绝对黑体的放射能力最大值对应的波长(λm)

与其本身的绝对温度(T)成反比。即：太阳辐射：短波地面、大气：长波3.基尔荷夫(kirchoff)定律(选择吸收定律)

基尔霍夫定律的基本形式：在一定温度、波长下，一个物体的吸收率等于该物体度，同波长的发射率。意义：通过对黑体的研究来了解一般物体的辐射，极大地简化了一般辐射的问题黑体的总放射能力（ET）与它本身绝对温度（T）的四次方成正比。即：式中σ＝5.67×10-8W.m-2.K-4为斯蒂芬—波尔兹曼常数。物体温度愈高，其放射能力愈强。

4.斯蒂芬—波尔兹曼(Stefan-Boltzmann)定律

推论对不同性质的物体，放射能力较强的物体，吸收能也较强；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。

一、太阳在天空中的位置日地关系和四季第二节太阳辐射

春雨惊春清谷天，夏满芒夏暑相连。秋处露秋寒霜降，冬雪雪冬小大寒。季节划分：1、天文季节：以“两分两至”为四季之始。从春分到夏至为春季，从夏至到秋分为夏季，从秋分到冬至为秋季，从冬至到春分为冬季。在气候统计中为了方便，按阳历月份以3、4、5月为春季，6、7、8月为夏季，9、10、11月为秋季，12、1、2月为冬季。

2、气候季节：我国现在常用的气候四季是20世纪30年代张宝坤以候平均温度为指标划分的，故又称温度四季。候平均温度低于10℃为冬季，高于22℃为夏季，介于10～22℃之间

为春季或秋季。2、太阳高度角、太阳方位角和昼长1.太阳高度角（h）天球坐标：（高度角、方位角）。地平坐标：（赤纬、时角）。子午圈与通过某天体的时圈所组成的角度称为时角。式中：φ为观测点纬度，δ为赤纬，ω是时角。

δ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：δ＝23.5sinN°

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δ的值：春分日(21/3)或秋分日(23/9)：δ＝0°夏至日(22/6)：δ＝23.5°冬至日(22/12)：δ＝-23.5°（23.5°S）

ω的确定ω是用角度表示的时间，每15°为一小时E:ω＝-90°正午ω＝0；s：ω＝0上午：ω＜0W:ω＝90°下午：ω＞0，N:ω＝±180°时角与地方时的关系：ω=15°（T-12）正午时刻h的计算公式正午：ω=0

(1)地球接收的太阳辐射随太阳高度角的变化有很大的变化。(2)地球所接收的太阳辐射随季节有很大变化。(3)地球上所接收的太阳辐射随纬度而变化。由太阳直接辐射日总量的分布可知年较差的变化

太阳高度角定义:太阳光线与地表水平面之间的夹角。(0°≤h≤90°)

2.太阳方位角（A）太阳光线在水平面上的投影和当地子午线的夹角。式中A值：正东：A=-90正南：A=0正西：A=＋90正北：A=±180

日出日没时（h=0）

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。

3.可照时数、实照时数和日照百分率

可照时数（白昼长度）

定义：不受任何遮蔽时每天从日出到日落的总时数。可照时间随季节和纬度的变化规律（北半球）：1、春分日、秋分日：昼长不随纬度而变化。均是12小时.2、夏半年（δ﹥0）：纬度愈高，白昼愈长，夏至日有极昼现象。3、冬半年（δ﹤0）：反之。4、赤道上，终年昼夜平分。昼长（可照时数）

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、大气上界的太阳辐射

太阳辐射强度（太阳辐射通量密度）（一）太阳辐射光谱和太阳常数太阳辐射能随波长的分布曲线称为太阳辐射光谱。

变化范围：1325W·m-2

～1457W·m-2

我国采用的太阳常数值为1367±

W·m-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：1.35×105～1.4×105lx（二）太阳常数太阳常数（RSc）：在日地距离处，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。

两个辐射量是相等的，Rsb·Sm′=RscSm单位面积上所获得的太阳能为：

朗伯定律：在太阳高度角为h时，单位面积上所获得的太阳能为Rscsinh以上讨论的是天文辐射天文气候带二、太阳辐射在大气中的减弱

大气直接吸收的太阳辐射并不多，特别是对于对流层大气来说，太阳辐射不是主要的直接热源。1.大气对太阳辐射的吸收

氧、臭氧、水汽和CO2气体成分强吸收波段弱吸收波段氧<200nm的紫外光690~760nm的可见光臭氧200~320nm的紫外光600nm的可见光水汽930~1500nm的红外光（三个强吸收带）600~700nm的可见光（三个弱吸收带）（一）减弱方式主要的吸收成分

吸收减弱方式散射反射

臭氧层O31、在臭氧层紫外线被臭氧吸收2、在对流层红外线被CO2和H2O吸收CO2、H2O地面大气对太阳辐射的吸收具有选择性，吸收带都位于太阳辐射光谱两端能量较小的区域，对可见光几乎不吸收，是透明的。也就是说，大气直接吸收对太阳辐射的减弱作用不大。对于对流层大气来说，太阳辐射不是大气增温主要的直接热源。2.大气对太阳辐射的散射散射

当太阳辐射通过大气时，遇到大气中的各种质点，太阳辐射能的一部分散向四面八方，称为散射。

由入射辐射波长与散射质点的相对大小r，将散射分为分子散射（雷莱散射）和米（Mie）散射（粗粒散射）。

r《

时，分子散射。

r~

时，米散射。雷莱（分子）散射

当大气干洁，质点半径小于200nm时，散射值与入射光波长的四次方成反比。即：

入射光波长愈短，散射能力愈强。（粗粒散射）漫射当大气混浊，水汽、杂质较多，入射光的各种波长具有同等散射能力，散射系数不再随波长改变，称之为漫射。天空呈蔚蓝色也是这个道理。3.大气云层反射作用

参与反射作用的物质大气中较大的尘粒和云滴、云层。云的反射作用

其反射能力随云状、云量和云厚而不同。云量愈多，云层愈厚，反射愈强。云层平均反射率为50%～55%。

反射臭氧、二氧化碳等吸收散射１００％４７％地面太阳辐射大气对太阳辐射的削弱方式：吸收、散射、反射紫外线、红外线（二）减弱因素1.大气质量(m)

定义：太阳光通过大气路径的长度与大气铅直厚度之比。

大气质量m随太阳高度的增高而减小，当太阳高度低时，m值的增大特别迅速。

不同太阳高度角下的大气质量

L1

大气上界地球太阳高度大—经过的大气路程短—大气削弱少太阳高度小—经过的大气路程长—大气削弱多2.大气透明系数(a)

a：透过一个大气质量(m＝1)后的太阳辐射强度与透过前的太阳辐射强度之比，即：

布格尔—兰勃特(Bouguer-Lambert)定律表明：地表垂直于太阳光线平面上的太阳辐射强度随大气透明系数增大而增大，随大气光学质量增加而减小。

水平面：太阳辐射在大气中的减弱

天空散射辐射

阳光被大气散射后，单位时间内以散射光形式到达地表单位水平面积上的太阳辐射能。ds

影响因子h、a、m，纬度、海拔、云量有直接和间接的影响。

三、到达地面的太阳辐射

太阳直接辐射

单位时间内以平行光形式投射到地表单位水平面积上的太阳辐射能。影响因子a、m、h，纬度、海拔、坡度、坡向和云量有间接或直接的影响。

太阳总辐射及其影响因素太阳总辐射强度

到达地面的太阳总辐射强度是太阳直接辐射强度和天空辐射强度的总和。影响因子纬度，海拔等

地面反射的太阳辐射

地面反射率

地面反射的太阳总辐射R与投射到地面的太阳总辐射RS的.百分比。不同性质下垫面的反射率即使总辐射的强度一样，不同性质的地表真正得到的太阳辐射，仍有很大差异，这也是导致地表温度分布不均匀的重要原因之一。ⅡⅡⅠⅠⅠⅠ资源丰富带Ⅱ较丰富带Ⅲ较贫带Ⅳ贫乏带ⅡⅡⅢⅢⅢⅢⅢⅣⅠQ/D（7/12）ZⅠ中国太阳能资源区划第三节地球辐射与辐射平衡一、地球辐射地面辐射+大气辐射=地球辐射地面辐射RLu：长波辐射。大气辐射RLd：长波辐射。大气的保温作用；大气的温室效应。3.地面有效辐射影响地面有效辐射的因素。生产中的应用。地面昼夜不停的向外放射辐射能，称为地面辐射(Eg)。二、大气辐射（RLd

）大气逆辐射(δRLd

)：大气辐射指向地面的部分称为大气逆辐射。

一、地面辐射(Rlu)3um～80um，最大放射能力波长约为10um。大气辐射：大气向外的辐射。:相对辐射率，0.90如果没有大气，近地面的平均温度应为23℃，但实际上近地面的均温是15℃7～120um，最大放射能力波长约为15um。

三、地面有效辐射(RLn)定义地面发射的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RLn

＝RLu

-δRLd其中：δ为吸收率，δRLd为被地面吸收的大气逆辐射。

RLn

＞0;RLn

＜0;总结：影响地面有效辐射的因素四、大气保温效应、温室效应和阳伞效应温室效应

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.称之为大气阳伞效应。

阳伞效应保温效应地面辐射大气逆辐射大气的保温作用：大气逆辐射地面温室效应、