第三章 辐射能

之为大气阳伞效应。
五、地面辐射差额（地面净辐射）(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 B ＝(S′+ D )(1 –r) - E0
' '
假设ABCD, ABC D 的面积分别为：
C’’
D’’
Sm和Sm′与h的关系图
M , M ',则 M AD sinh ' ' M AD ABCD ' Sm Sm * S m * sinh ' ' ABC D
………… (3-8)
水平面上得到的太阳辐射能随着h的增加而增加。
太阳高度角h的计算公式 sin h＝sinφsinδ+cosφcosδcosω …………(3-9)
太阳总辐射强度及其影响因素 太阳总辐射强度 到达地面的太阳总辐射强度是太阳直接辐射强度和天 空辐射强度的总和。 Q = S′+ D …………(3-22)
地面反射的太阳辐射
地面反射率 地面反射的太阳总辐射R与投射到地面的太阳总辐射Q的 百分比。
不同性质下垫面的反射率
种类 干的新雪 一般雪面 污秽雪面 干黑土 湿黑土 新耕地 反射率（%） 80~95 60~70 40~50 14 8 17 种类 棉花 甜菜 马铃薯 水稻田 牧草田 针叶林 反射率（%） 20~22 18~25 19~27 17~22 15~25 10~15
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
4
…………(3-5)
式中σ＝5.67×10-8W.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。
维恩(Wien)位移定律 定律
光照时间＝可照时数＋曙暮光时间
曙暮光 在日出前和日落后，太阳光线在地平线以下
0°～ 6°时，光通过大气散射到地表产生一定的光
照强度，这种光称为曙光和暮光。 一般曙暮光随纬度升高而加长；夏季尤为显著。
思考 题：昼夜 时间会随 着纬度、 季节发生 怎样变化？
三、大气对太阳辐射的减弱
太阳辐射在大气中的减弱
式中：φ 为观测点纬度，δ 为赤纬，ω是时角。
δ的计算 δ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)。 特殊日期δ的值 春分日(21/3)或秋分日(23/9)：δ＝0° 夏至日(22/6)：δ＝23.5° 冬至日(22/12)：δ＝-23.5°（23.5°S）
ω的确定 ω是用角度表示的时间，每15°为一小时，正午时 为0 °，顺时针方向为正，逆时针方向为负， 正午：ω＝0； 上午：ω＜0； 下午：ω＞0，。 正午时刻h的计算公式 h正午＝90°-φ +δ …………(3-11)
反射率(r) ：
a=Qa/Q
r=Qr/Q
透射率(t) ：
入 射
t=Qd/Q
反 射
吸收 透 射
a、r、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，r＝t＝０。
灰体：透射率t＝０，吸收率a＝（１－r），且a不随波
长而变化的物体。
二、辐射的基本定律
基尔荷夫(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:
第 三 章 辐 射
本 章 内 容
辐射的基本知识
太阳辐 射 地面辐射差额 太阳辐射、地面辐射和大气辐射的 基本性质、变化规律
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。 基本特性 波粒二象性
波动性 波动性的反映 C＝λ·f 电磁波谱 …………(3-1)
变化范围： 1325 W· -2 ～1395.6 W· -2 m m 世界气象组织测得为1367.7 W· -2 。 m 太阳光量常数及范围 定义：大气上界，太阳辐射产生的平均光照强度。
范围：1.35×105～1.4×105lx
二、太阳高度角、昼长
太阳高度角 （h） 定义 太阳光线与地表水平面之间的夹角。(0°≤h≤90°) 水平面上太阳辐射的计算
四、到达地面的太阳辐射强度
到达地面的太阳总辐射由太阳直接辐射强度和天空
辐射强度（散射辐射强度）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。
计算公式
ds S′＝Sm′＝S0 Pmsinh ………… (3-20)
天空漫射辐射强度(D)（天空辐射） 定义 阳光被大气散射和反 射后，单位时间内以散射 和反射光形式到达地表单 位水平面积上的太阳辐射 能，主要以大气散射为主。 ds
e ,T E ,T a ,T
Eλ,T只是波长和温度的函数。
…………(3-4)
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
的吸收能力最强，所以它也是放射能力最强的物体。 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。
冬小麦
16~23
阔叶林
15~20
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
一、地面辐射(Ee)
定义
长波辐射
地面昼夜不停的向外放射辐射能，称为地面辐射(Ee)。 波长范围 4,000nm～40,000nm，只有热效应，也称为热辐射
日变化 白天>夜间
二、大气辐射
定义 大气辐射：大气向外的辐射。主要是水汽和二氧化碳
定义：单位时间通过任意面积上的辐射能量。
单位：J·s-1或W
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·-2或W·-2 m m
E=dF/(ds.dt)
dF ds
dF
ds
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) ：
大气逆辐射(Ea)：大气辐射中传向地面的辐射。
波长范围 7,000nm～120,000nm，最大放射能力波长约为15,000nm。
三、地面有效辐射(E0)
定义 计算公式 E0＝Ee-δ Ea …………(3-23) 其中：δ为吸收率， δEa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、
减弱方式 吸收作用 主要的吸收成分 氧、臭氧、水汽和CO2 各成分的吸收波段
气体成分 氧 臭氧 强吸收波段 <200nm的紫外光 200~320nm的紫外光 930~1500nm的红外光 （三个强吸收带） 弱吸收波段 690~760nm的可见光 600nm的可见光 600~700nm的可见光 （三个弱吸收带）
时，米散射。
雷莱分子散射定律（了解） 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：
D
1
意义 入射光波长愈短，散射能力愈强。 Q：晴朗天空蓝色?
4
米散射（漫射）（了解）
当大气混浊，质点半径＞10,000nm时，入射光 的各种波长具有同等散射能力，散射系数不再随波 长改变，称之为米散射（漫射）。粗粒散射没有选 择性。 Q：因此当大气 中杂质较多时，或是 有云雾时，天空呈什 么颜色？ 灰白色。
春、秋分则不随纬度升高而变。
可照时数、实照时数和日照百分率 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。
单位：小时、分 计算公式：
2 可照时数 = 0 15
…………(3-14)
ω是时角
此时： cosω ＝-tgφ tgδ 实照时数 地面上用日照计实际测量的日照时数。 日照百分率 实照时数 日照百分率＝ ————— 可照时数 光照时间 ×100% ………… (3-15)
大气质量m随太阳高度的增高而减小，当太阳高
度低时，m值的增大特别迅速。
m的计算 当h在30°～90°时,m可近似地表示为（p18）
1 m csc h sinh
…………(3-17)
天顶 大气上界
hθ
大气层
1
hθ
地面
大气透明系数(P)
定义 透过一个大气质量(m＝1)后的太阳辐射强度 (S1)与
3.0微米～6.0微米
6.0微米～15微米 15微米～1000微米 1～10毫米 1～10厘米 10厘米～1米
绿
黄 橙 红
0.50～0.56微米
0.56～0.59微米 0.59～0.62微米 0.62～0.76微米
微 波
厘米波 分米波
粒子性
EL hf
ຫໍສະໝຸດ Baidu
hV

………… (3-2)
其中h＝6.626×10-34J·s，称为普朗克常数。 辐射的度量和单位 辐射通量、辐射通量密度 辐射通量及单位：
透过前的太阳辐射强度(S0)之比，即：
Sm S1 P S m1 S 0
…………(3-18)
影响因子 海拔、水汽、微尘、云雾
Sm-1
紫
红
Sm
贝尔（beer）减弱定律 Sm＝Sm-1P＝S0Pm …………(3-19)
表明：地表垂直于太阳光线平面上的太阳辐射强度随大 气透明系数增大而增大，随大气光学质量增加而减小。
m
不同电磁波的具体波长范围
名称 紫外线 可见光 近红外 红 外 线 波长范围 100埃～0.4微米 0.4微米～0.76微米 0.76微米～3.0微米 蓝 青
可见光波长范围
色彩名称 紫 波长范围 0.40～0.43微米 0.43～0.47微米 0.47～0.50微米
中红外
远红外 超远红外 毫米波
太阳辐射是短波
辐射，人、地 面和大气辐射
是长波辐射。
不同温度下黑体辐射强度与温度的关系
第二节
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：W· -2 m 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1.496×108km)， 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。
反射作用 参与反射作用的物质
大气中较大的尘粒和云滴、云层等可变成分。
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%。
减弱的影响因素 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
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
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。
地面状况和植被等。
大气 辐射
云
大 气 逆 辐 射
地面 辐射
＝
地面有 效辐射
地面
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。 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
水汽
CO2主要吸收带在4.3微米，在2.7 微米吸收带较弱；
悬浮在空气中的云、雾、杂质等 也对太阳辐射有吸收作用，但一般较 弱，只有当云层较厚、雾较浓重或空 气中杂质含量较多时，才有明显的吸 收作用。
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 （Mie）散射。 r《 时，分子散射。 r~ 与散射质点的相对大小 r，将散射分为分子散射（雷莱散射）和米
（2）计算： ①新乡（35.5°）春分日(0°)正午h0 ？ ②北纬15°地区夏至日 (23.5°)正午h0 ？ 答案①54.5°； ②81.5°。 利用本公式求出hθ ＞90°时取其补角。
昼长（可照时数）
四季的形成
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，
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 …………(3-6) 如果波长以nm为单位，则常数C＝2,897×103nm· K,于是 (3-6)式为： λmT＝2884×103nm· K
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。