第二章 辐射1 农业气象学 教学课件

（一）减弱方式 1.大气对太阳辐射的吸收
主要的吸收成分 氧、臭氧、水汽和CO2
吸收 减弱方式 散射
反射
气体成分 氧 臭氧
水汽
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）
可见某一温度下的Ebλ有一个最大值，对应波长为λmax， λmax与T 的关系由Wien位移定律给出，
Planck 定律的图示 不同温度下黑体辐射强度与温度的关系
2. 维恩(Wien)位移定律 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：
m aT x2 .89 1 7 3 0 6 m K
太阳高度大— 经过的大气路 程短—大气削 弱少
太阳高度小—经过 的大气路程长—大 气削弱多
L1
大 气 上 界
地球
2.大气透明系数(a) a：透过一个大气质量(m＝1)后的太阳辐射强度与透过前 的太阳辐射强度之比，即：
a Rm RS Rm1 RSC
布格尔—兰勃特(Bouguer-Lambert)定律
第 二
本章内容
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章
辐射的基本知识
太阳辐
辐
射 地面辐射差额
射 太阳辐射、地面辐射和大气辐射的 基本性质、变化规律
粒子性
EL
hf
hV
其中h＝6.63×10-34J·s，称为普朗克常数。
二、辐射的量度和单位
辐射通量： 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 (辐照度、辐出度、辐射能力): 单位时间内通过单位面积的辐射能量称为辐射通量密度。
立体角定义图
光通量：辐射通量中，能对正常人眼产生光量感觉的辐射通量。 单位：流明。 光通亮密度：(光照度、照度、光照强度)
定义：单位面积上的光通量。
单位：流明/米²（lm·mˉ²）勒克司(lux;lx) 应用情况：
三、 物体对辐射的吸收、反射和透射
吸收率(a) ： 反射率(r) ： 透射率(d) ：
Rm RSCam
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。
水平面： RmRSCamsinh
太阳辐射在大气中的减弱
天空散射辐射
阳光被大气散射后，
单位时间内以散射光形式
ds
到达地表单位水平面积上
的太阳辐射能。
Rsd12RSC(1am)sinh
影响因子
Ⅲ
Ⅱ
Ⅱ
Ⅰ
Ⅰ
Ⅰ
Ⅱ
Ⅰ
Ⅲ
Ⅰ资源丰富带
Ⅱ 较丰富带
Ⅲ 较贫带 Ⅳ 贫乏带
Ⅳ Ⅱ
Ⅲ Ⅲ
Ⅲ 中国太阳能资源区划
第三节 地球辐射与辐射平衡
一、地球辐射 地面辐射+大气辐射=地球辐射 地面辐射RLu ：长波辐射。 大气辐射RLd：长波辐射。 大气的保温作用；大气的温室效应。 3.地面有效辐射 影响地面有效辐射的因素。生产中的应用。
（二）太阳常数
太阳常数（RSc）：在日地距离处，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。 变化范围： 1325 W·m-2 ～1457 W·m-2
我国采用的太阳常数值为1367± W·m-2 。
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
一、地面辐射(Rlu)
地面昼夜不停的向外放射辐射能，称为地面辐射(Eg)。
RLU T4
:相对辐射率，0.90
3um～80um，最大放射能力波长约为10um。
h、a 、m，纬度、海拔、云量有直接和间接的影响。
三、到达地面的太阳辐射
太阳直接辐射
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
RsbamRSCsinh
a、m、h，纬度、海拔、坡度、坡向和云量有间接或直接 的影响。
太阳总辐射及其影响因素
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
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：
E b0 E bd0 ec2c(1 T )51dT4
Eb T4
式中σ＝5.67×10-8W.m-2.K-4 为斯蒂芬—波尔兹曼常数。
物体温度愈高，其放射能力愈强。
推论 对不同性质的物体，放射能力较强的物体，吸收能也较强； 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。
计算公式： δ＝23.5sinN°
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 E: ω＝-90 °正午 ω＝0； s：ω＝0 上午：ω＜0 W: ω＝90 °下午：ω＞0， N: ω＝±180 °
两个辐射量是相等的， Rsb·Sm′= RscSm
Sm Sm
AADBsinh
单位面积上所获得的太阳能为：
RsbRscsinh
朗伯定律：在太阳高度角为h时，单位面积上所获得的太阳 能为Rscsinh 以上讨论的是天文辐射
天文气候带
二、太阳辐射在大气中的减弱
大气直接吸收的太阳辐射并不多，特别是对于对流层大气来说， 太阳辐射不是主要的直接热源。
JS1m2; Wm2
E=dF/(ds.dt )
dF
dF
ds
ds
(cal/min·cm²=697.8 w/m²) 辐射通量密度又被称为辐射强度。但是有差别。
辐射强度I：单位时间内由单位立体角射到与射线相 垂直的单位面积上的辐射能量。 w/sr 瓦特/球面度。 I=E/COS. θ为辐射体表面的法线方向与选定方向间的夹角。
3. 可照时数、实照时数和日照百分率 可照时数（白昼长度）
定义：不受任何遮蔽时每天从日出到日落的总时数。
si s nis h n i c no co s co 0 s 0 s
co0 st g t g
t 20
15
可照时间随季节和纬度的变化规律（北半球）： 1、春分日、秋分日：昼长不随纬度而变化。 均是12小时. 2、夏半年（δ﹥0）：纬度愈高，白昼愈长，夏至日有极昼现 象。 3、冬半年（δ﹤0）：反之。 4、赤道上，终年昼夜平分。
１００％大气对太阳辐射的削弱方 式：吸收、散射、反射
紫外线、红外线
臭氧、二氧化碳等吸收
反射
散射
４７％
地
面
（二）减弱因素 1.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。
mcsch 1 sinh
不同太阳高度角下的大气质量
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。
空辐射强度的总和。
RS RsbRsd
影响因子 纬度，海拔等
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RS 的.百分比。
不同性质下垫面的反射率
即使总辐射的强度一样，不同性质的地表真正得到的太阳辐 射，仍有很大差异，这也是导致地表温度分布不均匀的重要 原因之一。
ⅠQ/D（7/12）Z
1、在臭氧层紫外线被臭氧吸收 2、在对流层红外线被CO2和H2O吸收
臭氧层O3 CO2、H2O
大谱气两对端太能阳量辐较射小的的吸区收域具，有对选可择见性光，几吸乎收不带吸都收位，于是太透阳明地辐的射。面光也
就是说，大气直接吸收对太阳辐射的减弱作用不大。对于对流 层大气来说，太阳辐射不是大气增温主要的直接热源。
长而变化的物体。
1.Planck定律
它揭示了黑体辐射能的光谱特性，即黑体的光谱辐射力Ebλ
Eb
c15
ec2 (T) 1
式中，λ— 波长，m； T — 黑体温度，K； c1 — 第一辐射常数，3.742×10-16 Wm2； c2 — 第二辐射常数，1.4388×10-2 WK；
根据上式描绘的黑体光谱辐射力随波长和温度的依变关系。
在气候统计中为了方便，按阳历月份以3、4、5月为春季， 6、7、8月为夏季，9、10、11月为秋季，12、1、2月为冬 季。
2、气候季节：我国现在常用的气候四季是20世纪30年代张 宝坤以候平均温度为指标划分的，故又称温度四季。候平均 温度低于10℃为冬季，高于22℃为夏季，介于10～22℃之 间 为春季或秋季。
时角与地方时的关系： ω=15 °（T-12）
正午时刻h的计算公式
si n s ih sn i n c o c s o c s os
si n co h s ) ( si 90 n 0( )
正午：ω=0
h正午 90 0
(1) 地球接收的太阳辐射随太阳高度角的变化有很大的变化。 (2)地球所接收的太阳辐射随季节有很大变化。 (3)地球上所接收的太阳辐射随纬度而变化。
i c
4
入射光波长愈短，散射能力愈强。
（粗粒散射）漫射 当大气混浊，水汽、杂质较多，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，称之为漫 射。
天空呈蔚蓝色也是这个道理。
3.大气云层反射作用 参与反射作用的物质 大气中较大的尘粒和云滴、云层。 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%。
太阳辐射：短波 地面、大气：长波
3. 基尔荷夫(kirchoff)定律(选择吸收定律)
kT eT
基尔霍夫定律的基本形式： 在一定温度、波长下，一个物体的吸收率等于该物体度，同 波长的发射率。
意义：通过对黑体的研究来了解一般物体的辐射，极大地简 化了一般辐射的问题
4.斯蒂芬—波尔兹曼(Stefan-Boltzmann)定律
2.大气对太阳辐射的散射
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。
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（雷莱散射）和米（Mie）散射
（粗粒散射）。
✓ r《 时，分子散射。
✓ r ~ 时，米散射。
雷莱（分子）散射
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：
昼长（可照时数）
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＝ ————— ×100% 可照时数
光照时间
光照时间＝可照时数＋曙暮光时间
一、大气上界的太阳辐射
太阳辐射强度 （太阳辐射通量密度）
（一）太阳辐射光谱和太阳常数
太阳辐射能随波长的分布曲线 称为太阳辐射光谱。
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。
第二节 太阳辐射
一、太阳在天空中的位置 日地关系和四季
春雨惊春清谷天，夏满芒夏暑相连。 秋处露秋寒霜降， 冬雪雪冬小大寒。
季节划分：
1、天文季节：以“两分两至”为四季之始。从春分到夏至 为
春季，从夏至到秋分为夏季，从秋分到冬至为秋季，从冬至 到春分为冬季。
由太阳直接辐射日总量的分布可知年较差的变化
太阳高度角 定义:太阳光线与地表水平面之间的夹角。 (0°≤h≤90°)
2.太阳方位角 （A）
太阳光线在水平面上的投影和当地子午线的夹角。
coAssincsohisnchossin
式中A值： 正东：A=-90 正南：A=0 正西：A=＋90 正北：A=±180
特殊时刻A的计算公式
日出日没时（h=0） cosA sin cos
北半球A的季节变化：
除北极外，一年中只有春分日和秋分日，日出正东日没 正西。
夏半年内，日出东偏北方向，日没西偏北方 向；且愈近 夏至日，日出日没方位愈偏北。
冬半年内，日出东偏南方向，日没西偏南方向；且愈近冬至 日，日出日没方位愈偏南。
a=Qa/Q r=Qr/Q d=Qd/Q
a、r、d的变化
a+r+d=1
入
反
射
射
吸收 透 射
反射又分镜反射和漫反射两种
图 镜反射
图 漫反射
四、黑体辐射的基本定律及相关性质
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＝d＝０。
入射辐 射
黑体模型
灰体：透射率d＝０，吸收率a＝（１－r），且a不随波
2、太阳高度角、太阳方位角和昼长
1.太阳高度角（h） 天球坐标： （高度角、方位角）。 地平坐标： （赤纬、时角）。 子午圈与通过某天体的时圈所组成的角度称为时角。
si n s ih sn i n c o c s o c s os
式中：φ为观测点纬度，δ为赤纬，ω是时角。
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)。