气象学 第二章 辐射

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。
51
70%
传导和对流 到大气
潜热携带 到云和大气
辐射 到大气
大气吸收
云吸收
7
23
15
16
3
直接发射 到空间
通过大气和云 发射到空间
6
64
第四节
ຫໍສະໝຸດ Baidu
辐射与农业
一、光谱成分与农业生产
λ为大于1.0μm，植物体温、蒸腾作用，促进干物质积
累，不参与光合作用； λ为0.72~1.00μm，对植物细胞伸长起作用，控制开花 和果实颜色； λ为0.61~0.72μm的红橙光，叶绿素强烈吸收，光合作
λm＝2897/T
太阳T=6000K， λm=2897/6000=0.48μm
地球T=288K， λm=2897/288=10.06μm 人体T=305K， λm=2897/305=9.48μm
第二节 太阳辐射
一、天文辐射 二、到达地面的太阳辐射 三、地面对太阳辐射选择性 吸收、反射和透射
一、天文辐射
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
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：
太阳短波辐射
100
Global Radiation Budget Shortwave Cascade Incoming solar radiation 100% (1365 W/m2)
地表吸收
大气吸收
云吸收
大气反射
地表反射
云反射
51
16
3
6
4
20
总吸收
总反射
70
30
地表吸收
Global Radiation Budget Longwave Cascade 70%
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
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
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
波长
c
v
光速 3 ×108 m/s 振动频率
e =
光量子能量
hc
普兰克常数
6.63 ×10-34 J.s
λ
物体发射辐射的波长越短，振动频率越快，光量子
所含的能量越大；物体发射辐射的波长越长，振动 频率越慢，光量子所含的能量越小。 紫外线：0.1-0.4μm 可见光：0.4-0.7μm 近红外线：0.7-3.0μm 远红外线：3.0- +∞μm
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。
短波 长波
如：0.4μm蓝紫光每个光量子携带的能量 e = 4.97 ×10-19 J,0.7μm红橙光每个光量子携带的能量 e = 2.87 × 10-19 J，
1mol 的能量分别为299.2kJ和171.0kJ
电磁波谱
可见光波长范围
太阳的全部辐射能中，波长 在0.15-4.00μm之间的占 99%以上。紫外光区（<0.4
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。
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。
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
太阳高度角 （h） 定义 太阳光线与地表水平面之间的最小夹角。 (0°≤h≤90° h大于90 °取补角)
太阳高度角越小，投 射到地表的太阳辐射 通量密度就越小
Sm和Sm′与h的关系图
可照时数（昼长）
定义：不受任何遮蔽时每天从日出到日落的总时数。 地球公转时，旋转轴永远 保持一定的方向（始终指向北 极星），而且地轴与公转轨道 平面之间始终呈66°33′倾角， 因此地球上不同地区或同一地 区不同季节受阳光照射的角度 和时间都不同，从而产生了昼 夜长短的变化和四季形成。
普朗克定律（物体发射辐射分布定律） 1.温度高的物体在任何波 E1 长下的辐射强度都比温度 低的物体大； 2.温度高的物体发射的辐 E2
射波长范围比温度低的物
体更宽； 3.物体温度越高，发射的 总辐射量越大 ； 4.物体的温度愈高，发射
能量最大值的波长愈短。
λ1 λ2
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 ＝σT
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）
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
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
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
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。
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 =
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