第二章 辐射.ppt

1、第二章 辐 射,大气辐射的性质、变化规律及其 相互关系,本 章 内 容,地面辐射,太阳辐射,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,所有物体，只要它的温度高于绝对0度，都要以电磁波形式向外辐射能量,斯蒂芬波尔兹曼(Stefan-Boltzmann)定律,定律,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：,ET T 4 (3-5),式中5.6710-8W.m-2.K-4为斯蒂芬波尔兹曼常数。,意义,物体温度愈高，其放射能力愈强。,基尔荷夫(kirchoff)定律(选择吸收

2、定律),定律,在一定温度下，任何物体对于某一波长的放射能力(e,T) 与物体对该波长的吸收率(a,T)的比值，只是温度和波长的函数，而与物体的其它性质无关。即:,(3-4),E,T只是波长和温度的函数。,推论,对不同性质的物体，放射能力较强的物体，吸收能力 也较强；反之，放射能力弱者，吸收能力也弱，黑体 的吸收能最强，所以它也是最强的放射物体。,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。,mC/T 或 m T=C (3-6),如果波长以nm为单位，则常数C2,897103nm K,于是(3-6)式为：,维恩(Wien)位移定律,定律,绝对黑体的

3、放射能力最大值对应的波长(m) 与其本身的绝对温度(T)成反比。即：,mT2897103nmK,不同温度下黑体辐射强度与温度的关系,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，人、地 面和大气辐射 是长波辐射。,波动性,Vf (3-1),波动性的反映,电磁波谱,特性,波粒二象性,可见光波长范围,太阳的全部辐射能中，波长在0.15-4.00微米之间的占99%以上。紫外光区（0.76微米）占43%。因此，太阳辐射被称为短波辐射。,粒子性, (3-2),其中h6.62610-34Js，称为普朗克常数。,辐射的度量

4、和单位,辐射通量、辐射通量密度、光通量、光通量密度,电磁辐射是由具有一定质量、能量和动量的微粒流所组成,辐射通量密度（E）及单位,定义：单位面积上的辐射通量。,单位： Js-1m-2或Wm-2,E=dF/(ds.dt),辐射通量密度又被称为辐射强度、辐射能力或放射能力。,物体对辐射的吸收、反射和透射,概念,吸收率(a) ： a=Qa/Q,反射率(r) ： r=Qr/Q,透射率(d) ： d=Qd/Q,a、r、d的变化,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，rd。,灰体：透射率d，吸收率a（r），且a不随波 长而变化的物体。,第二节 太阳辐射,太阳光

5、谱和太阳常数 大气上界的太阳辐射 太阳辐射在大气中的衰减 到达地面的太阳辐射,一、太阳辐射强度和太阳常数,太阳辐射强度 （太阳辐射通量密度）,太阳辐射强度及单位,定义：单位时间内投射到单位面积上的太阳辐射能量。,单位：Wm-2,太阳常数 （S0）,太阳常数及变化范围,定义：当地球位于日地平均距离时(约为1.496108km)， 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。,日地间的距离是随季节变化的。 近日点出现于1月初，距离为147million km； 远日点出现于7月初，距离为152million km,大气上界太阳辐射强度的季节变化,从上表可以看出，大气上界的太阳辐射强度

6、一年内在-3.5%3.4%之间变动。（北半球）冬半年比夏半年辐射强度强。,总体而言，太阳辐射日总量随纬度的增高而减少。热带地区日辐射总量高于中高纬度地区。 总体而言，太阳日辐射总量在夏季最大冬季最小。 北回归线以北的任一纬度上,一年中太阳辐射日总量夏至日最大（因为太阳高度角最大且白昼也最长），冬至日最小（因为太阳高度角最低且白昼最短）。,太阳辐射在大气上界的时空变化是由太阳和地球间的天文位置决定的，又称为天文辐射。除太阳本身的变化外，太阳在大气上界辐射量主要取决于太阳高度角、太阳方位角和白昼长度3个因子。,太阳辐射日总量与太阳高度角有关,二、太阳高度角的影响,定义,SmSm Smsinh,太阳

7、高度角 （h）,太阳光线与地表水平面之间的最小夹角。(0h90 h大于90 取补角),水平面上太阳辐射的计算,Sm和Sm与h的关系图, (3-8),水平面上得到的太阳辐射能随着h的增加而增加。,h的计算公式,sin hsinsin+coscoscos,(3-9),式中：为观测点纬度，为赤纬，是时角。,的计算,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：,23.5sinN (3-10),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。,特殊日期的值：,春分日(21/3)或秋分日(23/9)：0 夏至日(22/6)：23

8、.5 冬至日(22/12)：-23.5（23.5S）,的确定,是用角度表示的时间，每15为一小时 正午：0； 上午：0；上午9点45 下午：0，下午3点 45 。,正午时刻h的计算公式,h正午90-+ (3-11), =15(t-12) t为当地太阳时,赤纬向北为正，向南为负,太阳时和地方时,日晷,布拉格天文钟,(3-12),太阳方位角 （A）,定义,太阳光线在水平面上的投影和当地子午线的夹角。,计算公式,式中A值： 正南：A=0 正南以西：A0 正南以东：A夜间,下垫面是大气的直接热源,7,000nm120,000nm，最大放射能力波长约为15,000nm。,波长范围,二、大气辐射,大气逆辐

9、射(Ea)：大气辐射中传向地面的辐射。,定义,大气辐射：大气向外的辐射。,三、地面有效辐射(E0),定义,地面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,E0Ee-Ea (3-23),其中：为吸收率， Ea为被地面吸收的大气逆辐射。,影响因子,地面温度 、空气温度、空气湿度、云况、风力、海拔、地面状况和植被等。,四、大气温室效应和阳伞效应,温室效应,大气中各种微尘和二氧化碳成分的存在，犹如温室覆盖的玻璃一样，阻挡了地面向外的辐射，增强大气逆辐射，对地面有保温和增温作用，这种现象称为大气温室效应。,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

10、地面有降温作用，这种现象称之为大气阳伞效应。,阳伞效应,4 辐射差额,物体辐射能与支出辐射能的差值称为辐射差额或净辐射 如果没有其它的热交换方式，辐射差额决定物体温度的升降,B (S+ D )(1 r) - E0 (3-24),四、地面辐射差额(B),定义,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，称为地面辐射差额(B)。也称地面净辐射。,计算公式,地面获得的能量： 太阳直接辐射、太阳散射辐射、大气逆辐射 地面失去的能量： 地面发射的长波辐射、地面对太阳辐射的反射,天气状况,有云的情况下，会使B的绝对值减小。,纬度,纬度愈低，B保持正值的月份愈多。,白天，B0，靠近正午时B达到最大值。夜间，B0，B=- E0。B由正变负的时间在日落前1小时；由负变正在日出后1小时。,影响因素,太阳辐射,太阳短波辐射 100,地表吸收 51,大气吸收 16,云吸收 3,大气反射 6,云反射 20,地表反射 4,总吸收 70,总反射 30,Global Radiation Budget Shortwave Cascade Incoming