农业气象学第二章 辐 射

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第二章 辐

• 辐射的一般知识
• 太阳辐射
• 地面和大气辐射 • 辐射与农业
第一节
一、辐射的概念
热辐射的一般知识
以电磁波或粒子的形式放射或输送能量叫辐
射。以这种方式传递的能量称为辐射能,简称辐射。任何温
度在绝对零度以上的物体,都具有辐射的本领。 二、辐射的波粒二象性 辐射具有波粒二象性 波动性:V=λf V:光速,λ:波长,f:频率;
辐 射 能 量 的 基 本 度 量 单 位
辐射通量和 辐射通量密度
光通量和 光通量密度
(一)辐射通量和辐射通量密度
1、辐射通量(Φ ):单位时间内通过任一表面 的辐射能,单位为瓦(W)或焦耳/秒(J/S)。 可表示为: dE Φ=
dt
2、辐射通量密度(F):单位时间内通过单位 面积的辐射能。其单位为瓦/米2(W/m2);可表 示为: d F=
1.光通量( Φ L ):单位时间通过任一表面上 的光能。单位为流明(Lm)。可表示为:
dEL Φ L= dtБайду номын сангаас
2. 光照强度(A):入射到单位面积上的光通量, 单位为勒克斯(Lm/m2)。可表示为: A=
d ds
勒克斯:它是以1国际烛光的点光源为中心, 以一米为半径的球面上所得到的照度。即
流明 1勒克斯=1 平方米
空气比较混浊或阴天时的天空呈乳白色,就是 因大气中的尘埃等粗粒较多,大气散射以漫射为主, 散射光谱与辐射光谱相同的 缘故。

雨后天晴天空为何呈蓝色? 旭日和夕阳为何呈红色? 中午为何太阳呈白色?
三、反射作用 大气中的云和尘埃等对太阳辐射反射,其中云的 反射极为重要,云的平均反射率为50-55%,如浓密的 低云,反射率可达到78%。
布格尔-兰勃特定律
当太阳辐射透过一个大气量(m=1)时:Rs1=Rsc· a 当太阳辐射透过二个大气量(m=2)时:Rs2=Rs1· sc· 2 a=R a 当太阳辐射透过三个大气量(m=3)时:Rs3=Rs2· sc· 3 a=R a
当m=m时: Rsm=Rsm-1· sc· m a=R a
Rsb =Rs´m=Rsm ·sinh=Rsc ·am ·sinh
昼长
昼夜、四季的形成与昼长的变化规律 可照时数、实照时数和日照百分率
可照时数:当天空无云时或无其它障碍物遮蔽
时,太阳光可以照射地面的时间,称为可照 时数。即日出到日落的时间(昼长)。 实照时数:太阳实际照射地面的时间,称为实 际日照时数或简称实照时数。
光照时间:有光的时间,称为光照时间。即: 光照时间=可照时数+ 曙暮光时间 曙暮光:日出以前和日落以后天空出现的光称为 曙暮光。 日照百分率:一日(月)的实际日照时数除以同 一日(月)的可照时数,称为日照百分率。即: 日照百分率 = 一日(月)的实照时数 同一日(月)的可照时数
3、太阳总辐射(到达地面的)及其影响因素 到达地平面上的太阳直接辐射与散射辐射之和, 称为太阳总辐射。 Rs=Rsb+Rsd =am ·Rsc ·sinh+0.5 ·Rsc(1-am) ·sinh =0.5 ·Rsc(1+am) · sinh (1)影响总辐射的因素: 1)太阳高度角; 2)大气透明度; 3)云 当天空有云,但云量少而且比较薄,太 阳未被云所遮蔽时,总辐射强度比碧空时(太阳高度角 相同)大; 4)海拔高度 海拔愈高,大气柱愈短,则大气 中水汽、微尘、杂质等的含量少,太阳直接辐射强, 散射辐射弱,总辐射强。 5)纬度;6)大气量;7)坡度坡向
3、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, 0º , 如图)。 -90º sinh=sinΦsinδ+cosΦcosδcosω Φ:地理纬度 δ:赤纬(即太阳直射点的地理纬度,由于一年中太阳 直射位置在南北回归线之间,故-23.5º ≤δ≥23.5 º ) ω时角=15º ×(t-12),正午ω=0,上午ω<0,下午ω>0。
吸收率():物体对辐射的吸收的能力称为吸收率。 反射率(r): 物体对辐射的反射的能力称为反射率。 透射率(t): 物体对辐射的透射的能力称为透射率。 假设投射到物体上的总辐射能量为Qo,被吸收、 反射、透射的量分别为Q、Qr、Qt。 根据能量守恒原理,则: Q +Qr+Qt=Qo 将上式两端除以Qo,则得:
2、散射辐射 太阳辐射在通过大气层时,其中有一部分被空 气中的质点向四面八方弥散,它们有一部分向宇宙 空间散失了,有一部分就散射在地面,这一部分就 称为散射辐射Rsd。
假设散射辐射的一半返回宇宙空间,另一半在 不考虑大气吸收作用下到达地面,则Rsd可表示为: Rsd= 0.5 · sc-Rscam) ·sinh=0.5 ·Rsc · m) ·sinh (R (1-a
Q Q Qd 1 Q0 Q0 Q0
式中左边第一项
Q Q0
Q Q0
为吸收率(物体反射
的辐射与投射于其上的总辐射之比) ;第二 项

,称为反射率(物体反射的辐射与投
Qd d ,称为 射于其上的总辐射之比);第三项 Q0
透射率(透过物体的辐射与投射于其上的总辐射 之比) .
1、雷利/分子散射
当散射质点的直径比入射光波长还小时,散射 强度与入射辐射波长的四次方成反比。
Dl b Sl l 4
b 是与大气中悬浮质点数量成比例的常数
2、粗粒散射(漫射/米散射)
当散射质点增大(如云滴、雾滴、尘埃等),半 径大于10m时,此时散射量不再随波长而改变, 即散射强度与波长无关(即辐射的各种波长都同样 地被散射),称粗粒散射(或漫射、米散射)。
4、正午太阳高度角
∵ ω =0 ∴ sinh= sinΦ sinδ +cosΦ cosδ 于是有: h=90º -|Φ -δ |
举例: 已知韶关的纬度为北纬23º ˊ ,试计算出韶关春分、 43 秋分、夏至和冬至这四个特定日子正午时的太阳高度 角。 解:已知 Φ =23º ˊ , 正午 ω=0º ,代入公式得 43 (1)春分、秋分时 δ =0º h=90º -(23º ˊ -0º 43 )=46º ˊ 17 (2)夏至 δ =23º 27ˊ h=90º -(23º ˊ -23º ˊ)=89º ˊ 43 27 44 (3)冬至 δ =-23º 27ˊ h=90º -(23º ˊ +23º ˊ )=42º50ˊ 43 27

+r+t=1
绝对黑体/相对黑体、灰体、白体 绝对黑体:在任何条件下,对于各种不同波长 的辐射的吸收率等于1的物体。 灰体:如果某一物体吸收率小于1,但吸收率不 随波长而变的物体。
四、辐射的基本定律
基尔霍夫
斯蒂芬-波尔兹曼
维恩位移
在一定温度T下,物体对某波长λ的吸收率aλ ,T等于 黑体的总放射能力与它本身的绝对温度的四次方成 黑体的放射能力最大值对应的波长与其本 该物体在同温度下对该波长的发射率eλ , T 。即对不同 正比。 的物体,发射辐射能力强的,其吸收能力也强;发射 ET=σT4 σ为斯蒂芬-波尔兹曼常数 身的绝对温度成反比,即: 辐射能力弱的,其吸收能力也弱。即: 3nm· σ=5.67×10-8 W· -2 · C=2897×10 m λmax= C/T K -4 K eλ , T = aλ ,T 。
m=б·csch=б
·
1 sinh
大气质量主要决定于太阳高度角和海拔高度。 太阳高度角不同时的大气质量数
h(度) m 90 1.00 60 1.15 30 2.0 10 5.6 5 10.4 3 15.4 1 27.0 0 35.4
不同海拔高度的大气质量数
高度 (千米) m 0 1.0 1.5 O.85 3.0 0.7 5.5 0.5 7.O 0.4 9.0 O.3
(3)大气透明系数 大气透明系数(a)是指透过一个大气质量以后的 太阳辐射强度(RS1)与透过前的辐射强度(RSC)之比。 即: a=RS1/RSC 因为空气分子对兰紫光散射作用强,对红橙光 散射作用弱,所以红橙光的透明系数较大,故通过 若干个大气质量后,光谱中的红橙光所占比例大些。
影响大气透明系数的因素有:海拔、水汽、尘 埃、云雾等。
二、散射作用 太阳辐射通过大气时,不可避免会遇到空气分 子和其它微粒,使的太阳辐射以这些质点为中心向 四面八方传播,大大减弱了原来方向上的太阳辐射 强度,这种作用称为散射。
散射系数 如果投射来的光强度为S λ ,以D λ 表示被单位体积 空气质点向各个方向散射的辐射量,则比值Dλ/S λ , 称为散射系数。
1、直接辐射 Rsb=am ·Rsc ·sinh (Rsc=1367W/m2) (1)太阳高度角h Rsb随h的增大而增大。 1)一定的太阳辐射能下,h越大,则单位面积上接收 到的能量越多,如图。 2)h越大,太阳光穿过的大气层就越薄,大气对太阳 辐射减弱的程度就越小。
(2)大气质量(m) 在标准状况下,海平面气压为1013hPa,气温为 0℃时,太阳光垂直投射到地面所经路程中,单位截面 积空气柱的质量称为一个大气质量(m)。 常用太阳光通过大气路径的长度与大气铅直厚度 之比表示(如图)。
×100%
二 、 大 气 对 太 阳 辐 射 的 减 弱
大气对太阳辐射的吸收
太阳辐射在大气中的散射
大气对太阳辐射的反射
一、吸收作用
太阳辐射被大气中的O2、O3、CO2、H2O(水汽)、云滴、雨 滴及尘埃等吸收,转变为热能的过程,称为吸收。 大气中的不同物质对太阳辐射具有选择性吸收的特性。
1、O2:强烈吸收波长位于0.15-0.2m 远紫外区,这个吸收 带较宽且吸收能力很强。此外,在可见光谱区还有两个 弱的吸收带。 2、O3:主要吸收0.2-0.32m紫外线,这是一个最强的吸收 带,使太阳辐射光在波长小于0.29m的紫外线不能到 达地面 3、CO2:主要吸收1.46—2.78m的红外线区。 4、水汽:对太阳辐射吸收范围很广,主要吸收波长在0.7-3m 的红外线。 5、水滴和尘埃:水滴和尘埃能吸收0.59m及3m附近的太阳辐 射。
(2)太阳辐射总量及其变化
太阳辐射的日/年总量: 一日/年中,到达地面单位
面积上的太阳辐射的累积值,称为太阳辐射的日/
年总量。
无论是太阳直接辐射还是散射辐射,都主要受太阳高
度角决定得,所以有明显的日变化和年变化。一天中一般 中午h最大,到达地面的太阳总辐射最大 ,而日出、日落
第二节 太阳辐射
• 太阳辐射强度和太阳常数
• 太阳高度角和昼长
• 大气对太阳辐射的减弱
• 到达地面的太阳辐射强度
一、太阳辐射强度、太阳常数及太阳高度角
1、太阳辐射强度
单位时间内投射到单位面积上的太阳辐射能 量(S,W/m2)。
2、太阳常数Rsc
当日地处于平均距离时,在地球大气上界, 垂直于太阳辐射方向,单位面积上的太阳辐射能 量,称为太阳常数(1367W/m2)。
粒子性:e=hV/λ=hf e:光量子的能量,h:普朗克常数, =6.6×10-34J· S。 将不同辐射波的波长从小到大依次排列成一个谱,叫电 磁波谱(表1-1)。
三、物体对辐射的吸收、反射和透射 1. 吸收率()、反射率(r)、透射率(t) 投射到物体上的辐射,一般只有一部分被该物 体吸收,其余则被该物体反射和透射。
入射辐射通量密度(辐照度):指投射来的辐 射。 放射辐射通量密度(辐出度):指自物体表面 向外放射的辐射。它表征着物体放射能力的强弱, 故称为辐射能力或放射能力(E)
ds
(二)光通量和光通量密度
光:指波长为0.4(0.39)~0.76um 的电磁波 视觉可以感受到,因此将这一波长域的电磁波称 为可见光,简称光。由光传递的能量称为光能。
*上述提到的大气对太阳辐射的减弱方式中,反 射作用最为重要,尤其是云层对太阳辐射的反射, 散射作用次之,吸收作用相对较小。
如果把射入到大气中的太阳辐射作为100%: 被大气吸收的约占14%;被散射和反射回到宇宙空 间去的约占43%;到达地面的约占43%。如图所示。
三、到达地面的太阳辐射
1)太阳光线穿过大气、云层直接到达地球表面的部 分(直接辐射Rsb); 2)经过散射后到达地面的(散射辐射Rsd)。 即:Rs=Rsb+Rsd 到达地面的Rs主要决定于太阳光线穿过大气的路程, 以及大气中所含吸收、散射,反射质点的多少。
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