第二章 辐射过程

第二章辐射过程第1页，共59页，2023年，2月20日，星期三本章主要内容：1、熟悉辐射的基本概念、辐射的基本特征量、辐射的基本定律；2、掌握太阳辐射强度、太阳高度角、太阳辐射光谱、太阳常数的概念；3、了解大气对辐射的吸收、辐射在大气中的减弱规律、辐射的日变化和年变化规律；4、理解和掌握日照时间长短的概念及变化规律；5、了解光合有效辐射、地面有效辐射的概念；第2页，共59页，2023年，2月20日，星期三

一、日地关系

(Therelationshipbetweenthesunandtheearth)

地球绕太阳公转有两个重要的特点：一是地轴与地球公转轨道始终保持66度33分的交角二是地轴在宇宙空间的倾斜方向始终保持不变第一节日地关系及季节形成第3页，共59页，2023年，2月20日，星期三第4页，共59页，2023年，2月20日，星期三冬季夏季春季秋季第5页，共59页，2023年，2月20日，星期三二、太阳高度角

h

(Solarelevationangle)1、定义：太阳光线与地平面之间的夹角，称为太阳高度角。规定：

0°≤h≤90°h第6页，共59页，2023年，2月20日，星期三2、太阳高度角的计算方法

某地（φ

）、某日赤纬（δ

）、某时（t）的太阳高度角为：Sinh=SinφSinδ+CosφCosδCost特别地，正午t=0°时，

h=90°-φ+δ第7页，共59页，2023年，2月20日，星期三太阳直接辐射强度的变化太阳直接辐射强度第8页，共59页，2023年，2月20日，星期三三、昼夜形成和日照长短

(Thecauseofdayandnightandthesunshineduration)1、昼夜形成昼：受光的半球夜：背光的半球2、日照时间长短（1）日照时间：日出到日落的时间。第9页，共59页，2023年，2月20日，星期三冬季夏季春季秋季第10页，共59页，2023年，2月20日，星期三（2）昼夜长短随季节（时间）、纬度的变化

对北半球（φ

）≥0°(N)

夏半年（δ≥0°，22/3—22/9）各地日照时数均≥12小时，且纬度愈高，日照时间愈长，北极圈以内为永昼。

冬半年（δ≤0°，23/9—21/3）各地日照时数均≤12小时，且纬度愈高，日照时间愈短，北极圈以内为永夜。第11页，共59页，2023年，2月20日，星期三（3）春分日和秋分日，δ=0°，太阳直射赤道，全球各地日照时间均为12小时。（4）赤道上，

φ=0°，全年的日照时间均为12小时。第12页，共59页，2023年，2月20日，星期三

纬度月份0o20o30o40o50o70o112.0811.0410.259.398.330412.0612.3612.5513.1513.4516.08712.0813.1413.5414.4515.5824.001012.0711.4111.2711.1210.499.12日照时数简表（各月15日值。单位：小时）第13页，共59页，2023年，2月20日，星期三3、与日照长短有关的几个概念：（1）可照时数：在天文学上，某地的昼长是指从日出到日没太阳可能照射的时间间隔。（2）实照时数：将一日中太阳直接照射地面的实际时数称为实照时数。通常短于可照时数。（3）曙暮光：在日出前与日没后的一段时间内，虽然太阳直射光不能直接投射到地面上，但地面仍能得到高空大气的散射光，使昼夜的更替不是突然的，天文学上称为晨光和昏影，总称为晨昏影，一般习惯上则称之为曙光和暮光。（4）光照时间：把包括曙暮光在内的日长时间称为光照时间。第14页，共59页，2023年，2月20日，星期三四、二十四节气春雨惊春清谷天，夏满芒夏暑相连，秋处露秋寒霜降，冬雪雪冬小大寒。每月两节日期定，前后相差一两天，上半年在六廿一，下半年在八二三。第15页，共59页，2023年，2月20日，星期三

第二节辐射的一般知识

(Basicknowledgeofradiation)一、辐射的概念及性质

1、概念：自然界中的一切物体，只要其温度在绝对零度以上，都时刻不停地以电磁波或粒子的形式向外放射能量，这种放射能量的方式称为辐射，放射的能量称为辐射能。

2、性质：（1）辐射的波动性：电磁波谱电磁波按波长不同顺序排列，称为电磁波谱。λ*ν=3*108ms-1第16页，共59页，2023年，2月20日，星期三0.40.7610波长(μm)10-510-410-310-2可见光

红外线

无线电波电磁波谱的划分

γ射线

紫外线大气辐射X射线太阳辐射第17页，共59页，2023年，2月20日，星期三

可见光中各色光的波长范围第18页，共59页，2023年，2月20日，星期三碳原子（2）辐射的粒子性

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，这些最小单位就称为该量的量子。如电子是量子，每个量子的能量为：

E=h*νh=6.63*10-27尔格.秒第19页，共59页，2023年，2月20日，星期三二、常用的几个概念

1、辐射通量及单位：单位时间通过任意面积上的辐射能量。单位：J·s-1或W或(μmols-1)第20页，共59页，2023年，2月20日，星期三2、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W·m-2或μmolm-2s-1

E=dF/(ds.dt)dFdsdFds辐射通量密度又被称为辐射强度、辐射能力或放射能力。

第21页，共59页，2023年，2月20日，星期三3、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）4、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（lm·m-2）5、光照度及单位定义：单位面积上接受的光通量。单位：lux，音译为勒克斯，1lux=1lm·m-2第22页，共59页，2023年，2月20日，星期三

三、物体对辐射的吸收、反射和透射

(Theabsorption,reflectionandtransmission

ofobjectonradiation)

物体对辐射的吸收、反射和透射能力，分别以吸收率a、反射率r、和透射率t来表示。根据能量守恒原理：可得出a+r+t=1第23页，共59页，2023年，2月20日，星期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(t)

：d=Qt/Q

入射反射吸收透射第24页，共59页，2023年，2月20日，星期三入射Q反射Qr吸收Qa透射Qt第25页，共59页，2023年，2月20日，星期三

a、r、t的变化黑体：如果某种物体在任何温度下，对于投射到其表面上所有波长的辐射都能吸收,称为绝对黑体。故有：a＝１，r＝t＝０白体：如果某种物体的反射率等于1，即吸收率等于零，则称之为白体。即：r＝1，a＝t＝０灰体：如果某种物体的吸收率为小于1的常数，并且不随波长而改变，称之为灰体。第26页，共59页，2023年，2月20日，星期三四、辐射的基本定律

(Basiclawsofradiation)1、斯蒂芬----波尔兹曼定律

E=σT4σ=5.67*10-5尔格.厘米-2.

开-4

意义：黑体的辐射能力与其表面的绝对温度的四次方成正比。第27页，共59页，2023年，2月20日，星期三

2、维恩位移定律λmax=c/TC=2.898*10-1

厘米.开意义：物体的温度愈高，它向外放出辐射光谱中具有最大能量所对应的波长愈短。第28页，共59页，2023年，2月20日，星期三不同温度下黑体辐射强度与波长的关系

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，地面和大气辐射是长波辐射。第29页，共59页，2023年，2月20日，星期三3、基尔霍夫定律当热量平衡（即温度不变）时，物体对于某一波长的辐射能力与物体对该波长吸收率之比为一恒量。该定律指出，辐射能力强的物体，吸收能力也强，反映了辐射能力和吸收率的关系第30页，共59页，2023年，2月20日，星期三

第三节大气上界的太阳辐射

(Solarradiationonupperatmosphere)一、太阳的光源来源(Thesource)：氢原子的聚合反应

4(

H)(4He)+2(+

e)+能量第31页，共59页，2023年，2月20日，星期三二、太阳辐射光谱(spectrum)

太阳辐射经色散分光后按波长小排列的图案。

能量相对值

100100200400600800100015002000波长（nm）806040200红外线可见光紫外线第32页，共59页，2023年，2月20日，星期三三、太阳常数(Solarconstant)So

当日地处于平均距离时,在地球大气上界,垂直于太阳光线方向,单位时间内单位面积上接收到的太阳辐射能,就称为太阳常数,记为So

So＝１.９6卡.厘米－２分－１

＝1367W.m-2=1.4

*105Lux(lx)第33页，共59页，2023年，2月20日，星期三S0

So＝１.９6卡.厘米－２分－１

＝1367W.m-2

=1.4*105Lux(lx)

第34页，共59页，2023年，2月20日，星期三

四、太阳辐射在大气中的减弱

(Decreaseofsolarradiationthroughtheatmosphere)（一）大气对太阳辐射的吸收

(Atmosphericabsorptiononsolarradiation)

1、O3和O2的吸收

O3：吸收0.2—0.32μm的紫外辐射，

O2：吸收小于0.2μm的远紫外辐射。2、水汽的吸收（包括云层）吸收最强在0.93—2.85μm第35页，共59页，2023年，2月20日，星期三3、CO2的吸收主要吸收4.8μm附近的辐射大气共吸收了太阳辐射的20％，其中：

O3和O2吸收3％水汽吸收13％

CO2吸收4％第36页，共59页，2023年，2月20日，星期三第37页，共59页，2023年，2月20日，星期三（二）大气对太阳辐射的散射

(Atmosphericscatteringonsolarradiation)

1、散射的概念（1）定义：光束在媒介中传播时，部分光线偏离原传播方向而分散传播的现象。（2）引起散射的原因：媒质密度不均匀媒质中存在其它物质的微粒第38页，共59页，2023年，2月20日，星期三2、散射定律

根据散射质点直径D和入射辐射的波长λ的相对大小，把散射分为：（1）当D<λ时，称为分子散射（瑞利散射）。此时，单个微粒的散射辐射强度与波长的4次方成反比。（2）当D>λ时，称为粗粒散射（漫散射）。散射质点对各波长辐射的散射能力一致。第39页，共59页，2023年，2月20日，星期三3、为什么天空有时呈蔚蓝色，有时呈乳白色。

晴朗的天空，大气中的水汽、尘埃等杂质少，大气散射以分子散射为主，分子散射能力与投射质点上辐射波波长的四次方成反比，即入射辐射波长愈短，愈易被散射，所以晴朗的天空呈蔚蓝色。当大气中水滴、灰尘等杂质多时，大气的散射以漫射为主，漫射能力与波长无关，即各种波长同等地被散射，故天空呈现乳白色。第40页，共59页，2023年，2月20日，星期三（三）大气对太阳辐射的反射

(Atmosphericreverberationonsolarradiation)太阳辐射进入大气层后，会被云层和较大颗粒的尘埃所反射，使一部分太阳辐射返回宇宙空间去，从而削弱到达地面的太阳辐射，其中以云的反射作用最显著，云层愈厚，云量越多，反射作用愈强，反射对各种波长无选择性。第41页，共59页，2023年，2月20日，星期三第42页，共59页，2023年，2月20日，星期三（四）减弱的一般规律

1、大气量m

当h=90°时，定义大气层的厚度为一个大气量，且m=1

当太阳高度角为h时定义：m=1/sinh=cschh

m=1第43页，共59页，2023年，2月20日，星期三2、大气透明系数p

(Atmospherictransparentcoefficient)定义:太阳辐射穿过一个大气量后的太阳辐射强度S1与大气上界的太阳常数S0

之比，称为大气透明系数。

即p=S1/S0第44页，共59页，2023年，2月20日，星期三3、布格（Bouguer）公式:

太阳辐射穿过m大气量后，到达

垂直于太阳光线表面上的太阳

辐射强度SmSm=S0pm

就全球平均而言，太阳辐射约有30％被散射，20％被吸收，50％到达地面。第45页，共59页，2023年，2月20日，星期三

第四节到达地面的太阳辐射

(Thesolarradiationofreachingearth'ssurface)总辐射：经过大气削弱后，投射到地面上的太阳辐射称为总辐射。太阳直接辐射（Sˊ）太阳以平行光线的形式直接投射到地面的辐射。散射辐射（D）（天空辐射）被大气质点散射后，自天空各个方向投射到地面的辐射。总辐射（Q）晴天时Q=Sˊ+D阴天时Q=D第46页，共59页，2023年，2月20日，星期三一、到达水平面上的太阳直接辐射

强度与太阳高度角的关系S′=Ssinh=S0pm

sinhS=S0pm

c

bS′ah第47页，共59页，2023年，2月20日，星期三二、太阳直接辐射强度的变化太阳直接辐射强度第48页，共59页，2023年，2月20日，星期三三、太阳直接辐射的影响因素1、太阳高度：随其增大而增大2、大气透明度：随大气透明系数增大而增大3、海拔高度：随其增大而增大4、纬度：随其增大而减小第49页，共59页，2023年，2月20日，星期三四、散射辐射的影响因素1、太阳高度：在干洁大气中，随其增大而增大2、大气透明度：随大气透明系数增大而减小3、云的作用：云能增加散射辐射4、下垫面：随下垫面反射率增大而增大5、海拔高度：在碧空情况下，随其增大而减小。但在全天有云时相反第50页，共59页，2023年，2月20日，星期三日照与日照百分率

太阳光在一天中实际的照射时数称日照，以小时为单位。

日照百分率=实际照射时数/可照时×100%，

其大小说明一地的光能与降水充足与否。五、地面对太阳辐射的反射（如后表）影响因素：1、土壤颜色：白色表面较黑色表面具有更强的反射能力，绿色植物对黄绿光反射率较大2、土壤湿度：反射率随其增大而减小3、粗糙度：反射率随其增大而减小4、太阳高度：反射率随其增大而减小第51页，共59页，2023年，2月20日，星期三不同性质地面的反射率（%）第52页，共59页，2023年，2月20日，星期三

第五节地面和大气的辐射

(Theearth'ssurfaceandatmosphericradiation)

辐射平衡或辐射差额，是指某一物质表面上辐射能的收支差值。

一、地面辐射(surfaceradiation)

Eg=

δ

σT4第53页，共59页，2023年，2月20日，星期三二、地面有效辐射F0

(Effectiveradiationofthesurface)地面有效辐射F0是指地面辐射Eg

与大气逆辐射Ea之差。

F0=Eg-δEa影响因素：1、地面温度：随其增大而增加2、大气温度和湿度：随其增大而减小3、土壤表面性质：平滑的比粗糙的表面小，潮湿的比干燥的表面大4、云和二氧化碳量：随其增加而减少5、风的作用：有微风时，有效辐射增大，无风或大风时，减小第54页，共59页，2023年，2月20日，星期三三、地面辐射平衡方程（净辐射）

(Radiationbalanceequatio