气象学 第二章 辐射

水汽
大气对太阳辐射的吸收，在平流层及以上主要是O2和O3 对紫外辐射和可见光的吸收，在对流层主要是CO2和水汽 等对红外辐射的吸收。
散射作用 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。
分类
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（雷利散射）和粗粒散射（米氏散
三、地面对太阳辐射选择性 吸收、反射和透射
地面对投射其上的太阳辐射具有选择性吸收、反 射和透射的特性。
0.4 0.7
地面反射的太阳辐射
不同性质表面的反射率
种类 干的新雪 一般雪面 污秽雪面 干黑土 湿黑土 新耕地 冬小麦 反射率（%） 80~95 60~70 40~50 14 8 17 16~23 种类 棉花 甜菜 马铃薯 水稻田 牧草田 针叶林 阔叶林 反射率（%） 20~22 18~25 19~27 17~22 15~25 10~15 15~20
太阳总辐射强度及其影响因素
影响因子 太阳高度角(h) 太阳总辐射与太阳高度呈正相关关系。 大气透明度(P) 大气透明度差，到达地面的太阳直接 辐射减少，故太阳总辐射减少。 大气质量(m) 大气质量m愈大，到达地面的太阳总辐 射愈少。
海拔
云
海拔愈高，地面接受的太阳总辐射愈强。
一般云愈厚，愈多，太阳直接辐射愈弱，散射 辐射的比例增大。
在各太阳高度时的大气质量
h(度) m 90 1 60 1.15 30 2.0 10 5.6 5 10.4 3 15.4 1 27.0 0 35.4
大气质量m随太阳高度角的增大而减小，当太阳
高度角降低时，m值的增大特别迅速。
到达地面的太阳总辐射
到达地面的太阳总辐射由太阳直接辐射和散射辐射 组成。 太阳直接辐射强度 定义 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 大气透明系数(P )、大气量( m )和太阳高度角（h） 影响，此外，纬度、海拔、坡度坡向和云量有间接或直
蓝 0.43～0.47微米 色彩名称 波长范围
紫
0.40～0.43微米
微米）的太阳辐射占总能量
的7%；可见光区（0.400.76微米）占50%；红外光 区（>0.76微米）占43%。 因此，太阳辐射被称为短波 辐射。
青
0.47～0.50微米
绿
0.50～0.56微米
黄
0.56～0.59微米
橙
0.59～0.62微米
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%。 如：天空的云量为5时，意味着太阳辐射的25%被云 反射回宇宙空间，因此云的反射对太阳辐射的影响很大。
减弱因素
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。 m随h的变化
的辐射之差，称为地面净辐射Rn。
地面获得的能量：
太阳直接辐射、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
Rn=太阳总辐射+大气逆辐射-地面总辐射
影响因素
太阳辐射 白天， Rn >0，靠近正午时Rn达到最大值。夜间， Rn <0， Rn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。 天气状况 有云的情况下，会使Rn的绝对值减小。 纬度 纬度愈低， Rn保持正值的月份愈多。
三、地面有效辐射（RLn）
定义 地面发射的辐射与地面吸收的大气逆辐射之差称为 地面有效辐射
计算公式
RLn RLu RLd
Rlu代表地面发射的辐射，RLd代表大气辐射指向地面的部分。
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、地面辐射平衡
定义
在单位时间内，单位面积地面所吸收的辐射与放出
太阳辐射光谱和天文辐射
透过星际空间到达大气上界的太阳辐射称为天文辐射，它随 太阳和地球之间的距离而改变。
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
太阳常数 RSC
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1.496×108km)， 太阳光垂直入射的天文辐射通量密度称为太阳常
昼长变化
昼长的变化规律 相同纬度，昼长冬短夏 长，春秋介于二者之间。
夏季昼长随纬度升高而
加长，冬季昼长随纬度升 高而缩短，春、秋分则不 随纬度升高而变。
二、到达地面的太阳辐射
太阳辐射在大气中的减弱
减弱方式
吸收作用 主要的吸收成分 氧、臭氧、CO2、水汽、尘埃等固体杂质 各成分的吸收波段
气体成分 氧 臭氧 强吸收波段 <0.2μm的紫外光 0.2~0.3μm的紫外光 0.93~2.85μm的红外光 （三个强吸收带） 弱吸收波段 0.69~0.76μm的可见光 0.6μm的可见光 0.6~0.7微米的可见光 （三个弱吸收带）
接的影响。
天空散射辐射强度(D)
定义
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。 影响因子 主要受太阳高度角（h）、大气透明度(P )和大气
量(m)影响，此外，纬度、海拔、云量有直接和间接的影
响。
太阳总辐射=太阳直接辐射+天空散射辐射
直接辐射
散射辐射
太阳辐射在大气中的减弱
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。 阳伞效应 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，这种
现象称之为大气阳伞效应。
4
式中σ＝5.67×10-8 W.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。
维恩(Wien)位移定律 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： λm＝C/T 或 λm T=C 如果波长以μ m为单位，则常数C＝2897 K,于是上式为：
数，用RSC表示。
单位：W· m-2 变化：太阳常数受太阳黑子活动周期性影响呈周期性变 化， RSC =1367±7 W/m2,通常采用1370 W/m2。
太阳直射点
23.5°S ~ 23.5°N变化
地球各地得到的天文辐射与地理纬度和时间相关
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），太阳辐射日总量与 太阳高度角有关。 一天中，自太阳从地平面升起到正午 时分，太阳高度角从0 °~ 90°，然 后又减小到0 °。 一年中，正午太阳直射点在 23.5°S ~ 23.5°N变化，太阳直射点对应的 纬度叫赤纬，用δ表示，在北纬取正 值，南纬取负值。如夏至 δ= ＋ 23.5°，冬至 δ= － 23.5，春分秋分 δ=0
深色土壤小于浅色土壤。 潮湿土壤小于干燥土壤。 新雪表面大于陈雪表面。
第三节
定义
地面辐射与辐射平衡
一、地面辐射和大气辐射
大气和地面吸收太阳辐射后，按其本身温度不断向外 发射辐射，属长波辐射，地面发射的长波辐射称为地 面辐射，大气发射的长波辐射称为大气辐射，两者之 和总称为地球辐射。
波长范围
3～120μm，最大放射能力波长约为10～15μm。 日变化 白天>夜间
第 二 章 辐 射
本章内容
辐射基本知识
太阳辐射
地球辐射与辐射平衡 辐射与农业
第一节
一、辐射及其特性
辐射
辐射的基本知识
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
物体以辐射的方式传递交换的能量。
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。
辐射的波粒二相性
λ =
基尔霍夫(kirchoff)定律(选择吸收定律) 定律 在一定温度下，任何物体对于某一波长的放射能力 (eλ,T) 与物体对该波长的吸收率(aλ,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:
e ,T a ,T
E ,T
Eλ,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。
红
0.62～0.76微米
物体对辐射的吸收、反射和透射 概念
吸收率（a）
反射率（γ） 透射率（t）
入 射
a = Qa/Q
γ= Qγ/Q t = Qt/Q
反 射
吸收 透 射
a、 γ 、t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＝１，γ＝t＝０。 灰体：透射率 t＝０，吸收率 a＝１－γ， 且a不随波长而变化的物体。
射）。
r ≤ 时，分子散射。 r ≥ 时，粗粒散射。
雷莱分子散射定律 定律 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： 意义 入射光波长愈短，散射能力愈强。 大气现象：天空的颜色
日出日落时太阳呈橘红色
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
太阳短波辐射
100
Global Radiation Budget Shortwave Cascade Incoming solar radiation 100% (1365 W/m2)
地表吸收