辐射过程课件

辐射过程第一节辐射概述一、辐射的基本知识

1、辐射与辐射能

自然界中的一切物体都以电磁波的方式向四周放射能量，这种传播能量的方式称为辐射。通过辐射传播的能量称为辐射能，也简称为辐射。

2、辐射通量密度单位时间内通过单位面积的辐射能量称辐射通量密度（E），单位是W/m2。其数值大小反映物体反射能力的强弱。

电磁波的波长范围很广，从波长10-10μm的宇宙射线，到波长达几千米的无线电波。可见光：0.4—0.76μm的波长3、物体对辐射的吸收、反射和透射

设投射到物体上的总辐射能为Qo，被吸收的为Qa，被反射的为Qr，透过的为Qd

根据能量守恒原理Qa+Qr+Qd=Qo将上式等号两边除以Qo，得

式中左边第一项为物体吸收的辐射与投射于其上的辐射之比，称为吸收率（a）；第二项为物体反射的辐射与投射于其上的辐射之比，称为反射率（r）；第三项为透过物体的辐射与投射于其上的辐射之比，称为透射率（d），则

a+r+d=1a、r、d分别表示物体对辐射吸收、反射和透射的能力。二、有关辐射的基本定律

1、基尔荷夫（Kirchhoff）定律

在一定波长、一定温度下，一个物体的吸收率等于该物体同温度、同波长的放射率；同一物体在某一温度时放射某一波长的辐射，那么在同一温度下也吸收这一波长的辐射。2、斯蒂芬（Stefan）-玻耳兹曼（Boltzman）定律

黑体的总放射能力与它本身的绝对温度的四次方成正比，即

ETb=σT4

式中σ=5.67×10-8W/（m2·K4）为斯蒂芬-波耳兹曼常数3、维恩（Wein）位移定律

黑体单色辐射强度极大值所对应的波长与其绝对温度成反比，即

λmT=C

物体的温度愈高，辐射的波长愈短，反之，物体的温度愈低，辐射的波长愈长。

一、太阳辐射

太阳以电磁波的形式向外传递能量，称为太阳辐射1、太阳辐射光谱

太阳辐射中辐射能按波长的分布，称为太阳辐射光谱

第二节大气对太阳辐射的作用可见光区◆特点：辐射能中，波长在0.15—4.0㎛之间占99%以上，而且主要分布在可见光区（50%）和红外区（43%），紫外区的太阳辐射很少，只占7%。2、太阳常数

就日地平均距离来说，在大气上界，垂直于太阳光线的1cm2面积内，1min内获得的太阳辐射能量，称太阳常数，用I0表示。太阳常数变动于1359—1418W/m2之间。多数文献上采用1370W/m2

曲线4是进一步考虑到粗粒散射作用后的光谱；

曲线5是将水汽吸收作用也考虑在内的光谱，它也可近似地看成是地面所观测到的太阳辐射光谱

二、大气对太阳辐射的削弱作用

1、穿过大气的太阳辐射光谱曲线1是大气上界太阳辐射光谱

曲线2是臭氧层下的太阳辐射光谱；

曲线3是同时考虑到分子散射作用的光谱；主要变化：①总辐射能有明显地减弱；

②辐射能随波长的分布变得极不规则；

③波长短的辐射能减弱得更为显著2、大气对太阳辐射的吸收

水汽：在红外区吸收最强，可减弱4%-15%

氧：能微弱地吸收太阳辐射，在小于0.2μm处吸收能力较强，在0.69和0.76μm附近，也有吸收带，但吸收能力较弱。臭氧：在0.2-0.3μm为一强吸收带，使得小于0.29μm的辐射不能到达地面。在0.6μm附近有一宽吸收带，吸收能力虽然不强，但因位于太阳辐射最强烈的辐射带里，所以吸收的太阳辐射量相对较多。二氧化碳：对红外区4.3μm附近的辐射吸收较强，对整个太阳辐射的影响不大。悬浮的水滴、尘埃等杂质：能吸收一部分太阳辐射，但量极少

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。3、大气对太阳辐射的散射

太阳辐射遇到空气分子、尘粒、云滴等质点时，方向发生改变，使太阳辐射以质点为中心向四面八方传播，称为散射分子散射（蕾利散射）：如果太阳辐射遇到直径比波长小的空气分子，散射能力与波长的四次方成反比，即辐射的波长愈短，散射得愈强空气分子的短波散射成都粗粒散射（米散射）：如果太阳辐射遇到的直径比波长大一些的质点，散射是没有选择性的，即辐射的各种波长都同样地被散射。

当空气中存在较多的尘埃或雾粒，一定范围的长、短波都被同样的散射，使天空呈灰白色。4、大气的云层和尘埃对太阳辐射的反射

云的反射作用最为显著高云反射率约25％，中云为50％，低云为65％，稀薄的云层也可反射10％—20％。厚云层反射可达90％，一般情况下云的平均反射率为50％—55％。上述三种方式中，反射作用最主要，其次是散射，而吸收作用最小，太阳辐射约有30％被散射回宇宙（称之为行星反射率），20％被大气和云层直接吸收，50％到达地面被吸收。

厚云层的反射与散射三、到达地面的太阳辐射

太阳高度角越小，等量的太阳辐射散步的面积就越大，地面单位面积上获得的太阳辐射就越小；反之，太阳高度角越大，单位面积上获得的太阳辐射就越多。1、直接辐射

（1）太阳高度角的影响直接辐射：太阳以平行光的形式直接投射到地面上的辐射到达地面的总辐射散射辐射：经过散射后从天空投射到地面的辐射

太阳高度角越小，太阳辐射穿过的大气层越厚，被减弱的也越多，到达地面的直接辐射就越少，反之，太阳高度角越大，到达地面的直接辐射就越多解释：大气质量数

标准气压下，太阳光垂直投射到地面所经路程中，单位面积的空气柱的质量成为一个大气质量。大气质量数随太阳高度减小而增加，因此，大气质量数越大，辐射被消弱得越多，即，太阳高度角越小，辐射被消弱得越多

（2）大气透明度的影响大气透明度用“透明系数P”表示，即透过一个大气质量的辐射强度与进入该大气的辐射强度之比。大气中的水汽、凝结物、尘粒越多，透明度越差，透明系数越小，太阳辐射被减弱的越多。

太阳辐射透过大气层后的减弱与大气透明系数和通过大气质量之间的关系，可用布格（Bouguer）公式表示

I=I0pm式中，I为到达地面的太阳辐射强度；I0为太阳常数；p为空气透明系数；m为大气质量数思考：直接辐射的变化规律？2、散射辐射

太阳高度角增大时，到达近地面层的直接辐射增强，散射辐射也就相应地增强大气透明度不好时，参与散射作用的质点增多，散射辐射增强

变化特点：一日内正午最强，一年内夏季最强3、总辐射

直接辐射与散射辐射之和称总辐射日变化：日出前最少，随时间的增加而增多，正午最多年变化：夏季最大，冬季最小（赤道附近除外）纬度变化：低纬多，高纬少日出以前，只有散射辐射

日出以后，太阳直接辐射和散射辐射逐渐增加；但前者增加得较快，当太阳高度升到约等于8°时，直接辐射与散射辐射相等

当太阳高度为50°时，散射辐射值仅相当总辐射的10％—20％；

到中午时太阳直接辐射与散射辐射强度均达到最大值；中午以后二者又按相反的次序变化云的影响可以使这种规律受到破坏，因为云对直接辐射的减弱很显著!我国年辐射总量区域差异：西北、华北多，长江流域、华南地区少。纬度（°N）64504030200可能总辐射139.3169.9196.4216.3228.2248.1有效辐射54.471.198.2120.8132.7108.8有效辐射的最大值不在赤道，而在20°N4、地面对太阳辐射的反射

到达地面的总辐射一部分被地面吸收转变成热能，另一部分被反射。

陆地表面的反射率约为10％—30％雪的反射率60%-90%水面的反射率与太阳高度角和水面平静程度有关：若水面平静，放射率虽太阳高度角的减小而增加；若水面波浪起伏，平均反射率为10%不同性质地面的反射率地面反射率地面反射率地面反射率砂土29-35黑钙土(干)14干草地29粘土20黑钙土(湿)8小麦地10-25浅色土22-32耕地14新雪84-95深色土10-15绿草地26陈雪46-60第三节地面和大气长波辐射太阳辐射虽然是地球上的主要能源，但因为大气本身对太阳辐射直接吸收很少，而水、陆、植被等地球表面（又称下垫面）却能大量吸收太阳辐射，并经转化供给大气，从这个意义来说，下垫面是大气的直接热源。一、地面和大气长波辐射

1、为什么把地面和大气辐射称为长波辐射？

地面平均温度约为300K，对流层大气的平均温度约为250K，热辐射95%的能量集中在3-120μm的波长范围内。所以我们把地面和大气的辐射称为长波辐射，而把太阳辐射称为短波辐射。假定地面平均温度为15℃，根据维恩位移定律有：

λm=C/T=2896/288≈10μm

辐射能最强波段波长在10—15μm范围内

2、大气对长波辐射的吸收

大气对长波辐射的吸收非常强烈大气在整个长波段，除8—12μm一段外，其余吸收率为1。

8—12μm处吸收率最小，透明度最大，称为“大气窗口”。这个波段的辐射，正好位于地面辐射能力最强处，所以地面辐射有20％的能量透过这一窗口射向宇宙空间。3、大气中长波辐射的特点

第一，太阳直接辐射是作为定向的平行辐射进入大气的，而地面和大气辐射是漫射辐射。第二，不仅考虑对长波辐射的吸收，还要考虑大气本身的长波辐射。第三，长波辐射在大气中传播时，可以不考虑散射作用。二、大气逆辐射与地面有效辐射

1、大气逆辐射

大气辐射指向地面的部分称为大气逆辐射如果没有大气，近地面的平均温度应为-23℃，但实际上近地面的均温是15℃，也就是说大气的存在使近地面的温度提高了38℃。

2、地面有效辐射

地面放射的辐射（Eg）与地面吸收的大气逆辐射（δEa）之差，称为地面有效辐射。以F0表示F0=Eg-δEa影响因子：地面温度，空气温度，空气湿度和云况3、温室效应

太阳短波辐射可以透过大气射入地面，而地面增暖后放出的长辐射却绝大部分被大气所吸收，又以大气逆辐射返回地面，使地面因放射辐射而损耗的能量得到一定的补偿，对地面有一种保暖作用，这种作用称为大气的温室效应（保温效应）地面有效辐射与地面温度、空气温度、湿度和云况的关系湿热天气的有效辐射比干冷时小

有云覆盖时比晴朗天空条件下有效辐射小

空气混浊度大时比空气干洁时有效辐射小

在夜间风大时有效辐射小

海拔高度高的地方有效辐射大

当近地层气温随高度显著降低时，有效辐射大

有逆温时有效辐射小，甚至可出现负值

平滑地表面的有效辐射比粗糙地表面有效辐射小

有植物覆盖时的有效辐射比裸地的有效辐射小地面有效辐射的日变化、年变化在白天，有效辐射在中午12—14时达最大在夜间，由于地面辐射冷却的缘故，有效辐射值也逐渐减小，在清晨达到最小有效辐射的年变化夏季最大，冬季最小我国秦岭、淮河以南地区有效辐射秋季最大，春季最小；华北、东北等地区有效辐射则春季最大，夏季最小，这是由于水汽和云况的影响第四节辐射差额一、地面辐射差额

1、基本概念某段时间内单位面积地表面所吸收的总辐射和其有效辐射之差值，称为地面的辐射差额Rg。即：

Rg=（Q+q）（1-a）-F0式中（Q+q）是到达地面的太阳总辐射；a为地面对总辐射的反射率；F