气象学教学资料课件.ppt

1、第二章 辐射能本章要点辐射的基本知识和定律太阳辐射大气辐射和地面辐射地面有效辐射和地面净辐射、能量平衡思考：驱动和加热地球大气的能量来源于？太阳距地球的距离是1.5108KM.辐射1 辐射基本知识和定律辐射：是能量的一种形式。物体以电磁波的形式放射能量，就称为辐射。辐射通量密度:单位时间内通过单位面积的辐射能量称辐射通量密度（E），单位是wm-2。有的辐射通量密度单位为calcm-2min-1，1calcm-2min-1=697.8 wm-21.1物体对辐射的吸收、反射和透射物体对辐射的吸收、反射和透射是不是只有太阳才能放出辐射？是不是只有太阳才能放出辐射？1.2辐射的基本定律辐射的基本定律任

2、何物体，只要温度不是绝对温度任何物体，只要温度不是绝对温度 0 度，都在辐射着电磁度，都在辐射着电磁波。同时也吸收着从四面八方传播过来的电磁波。这一物波。同时也吸收着从四面八方传播过来的电磁波。这一物体就这样通过辐射过程与周围环境交换着能量。体就这样通过辐射过程与周围环境交换着能量。是不是所有波长的电磁波都能吸收？是不是所有波长的电磁波都能吸收？某种物体可能吸收某些波长或波段的电磁波，同某种物体可能吸收某些波长或波段的电磁波，同时它也发射这些波长或波段的电磁波。这就是时它也发射这些波长或波段的电磁波。这就是 Kirchhoff 定律定律。1.2.1 基尔霍夫定律基尔霍夫定律(Kirchhoff

3、 law)在一定温度在一定温度T下，物体对于某波长下，物体对于某波长的发射率（的发射率（T）等于该物体在同温度下对此波长的吸收率（等于该物体在同温度下对此波长的吸收率（T）T=T 将吸收率和发射率联系起来。将吸收率和发射率联系起来。l 如果物体在温度如果物体在温度 T时发出波长为时发出波长为的辐射，在此温的辐射，在此温度下也吸收同波长的辐射；度下也吸收同波长的辐射；l 辐射能力较强的物体，其吸收能力也较强，辐射辐射能力较强的物体，其吸收能力也较强，辐射能力弱的，吸收能力也弱。能力弱的，吸收能力也弱。如果某种物体，对所有波长的辐射都有完全的吸收能力，即对任何波长，吸收系数均为100%。这种物体就

4、称为黑体。如果某种物体，对所有波长的辐射都有相同的吸收能力，即对任何波长，吸收系数均为某一常数。这种物体就称为灰体。1.2.2 普朗克定律（普朗克定律（Planck law）黑体放射的辐射能的波长分布是它表面温度的函数。黑体放射的辐射能的波长分布是它表面温度的函数。温度越高放射的波长越短，温度越低，放射的波长越温度越高放射的波长越短，温度越低，放射的波长越长。长。E ETT(Black)(Black)是绝对黑体发射的辐射是绝对黑体发射的辐射通量密度，单位是通量密度，单位是W/mW/m2 2；C C是光速，是光速，C=3C=310108 8m/sm/s；h h是普朗克常数，是普朗克常数，h=6.

5、63h=6.6310103434JsJs；K K是波尔兹曼（是波尔兹曼（BoltzmannBoltzmann）常数）常数,K=1.38,K=1.3810102323J/KJ/K，T T指的是物体的绝对指的是物体的绝对温度，单位为温度，单位为K K1252TkchTehcE1.2.3 斯蒂芬波尔兹曼定律(Stenfan-Boltzmann law)对Planck公式在各个波段进行积分，我们可以得到用Stefan Boltzmann 定律它描述的是黑体向外辐射的总能量与温度的关系 黑体的发射能力与绝对温度的四次方成正比，即 ETb=T4 式中ETb为黑体的单色辐射通量密度。为斯蒂芬波尔兹曼常数，其

6、值为5.6710-8Jm-2K-4s-1。非黑体：ET=T4 ：发射率1.2.4 维恩位移定律（Wiens displacement law）黑体单色辐射强度极大值所对应的波长与其绝对温度成反比，即：mT=C C=2897mK.太阳和地球的辐射波谱太阳和地球的辐射波谱 1.3辐射光谱辐射光谱太阳辐射的波长范围主要在太阳辐射的波长范围主要在0.154m地面和大气的辐射波长范围在地面和大气的辐射波长范围在3120m。在气象学上，把太阳辐射称为短波辐射，在气象学上，把太阳辐射称为短波辐射，地球表面和大气辐射称为长波辐射。地球表面和大气辐射称为长波辐射。UVA、UVB2 太阳辐射太阳光谱：太阳辐射能量

7、随波长的分布称为太阳辐射光谱。紫外紫外7%可见光可见光50%红外红外43%太阳常数：在日地平均距离条件下，地球大气上垂直于太阳光线的面上所接受到的太阳辐射通量密度，称为太阳常数。根据Stefan Boltzmann 定律，太阳表面的辐射强度（通量）E太阳=6.4107W/m2。2721182200221378104.6105.11096.644WmEdrSSdErrd2.1太阳辐射在大气中的减弱 大气对太阳辐射的吸收（19%）大气对太阳辐射的散射（6%）大气的云层和尘埃对太阳辐射的反射（20%）地地 面面高层大气高层大气平流层平流层对流层对流层臭氧大量吸收紫外线臭氧大量吸收紫外线二氧化碳、水汽

8、吸收二氧化碳、水汽吸收红外线红外线2.1.1 2.1.1 吸收作用吸收作用2.1.22.1.2反射作用反射作用：参与参与 的大气成分：的大气成分：特点：特点：2.1.32.1.3散射作用散射作用：参与的大气成分：参与的大气成分：云层、尘埃云层、尘埃无选择性无选择性空气分子和微小尘埃空气分子和微小尘埃特点：特点：具有选择性具有选择性分子散射分子散射 米反射米反射2.2到达地面的太阳辐射太阳直接辐射（Sb）太阳散射辐射（Sd）太阳以平行光线的形式，投射到地面上的那一部分辐太阳以平行光线的形式，投射到地面上的那一部分辐射能，称为直接辐射。射能，称为直接辐射。太阳直接辐射透过大气层减弱程度影响因子：传

9、过大气太阳直接辐射透过大气层减弱程度影响因子：传过大气路程长短（大气质量路程长短（大气质量m）和大气气溶胶粒子多少（大）和大气气溶胶粒子多少（大气透明系数气透明系数P）。）。2.2.1 2.2.1 直接辐射直接辐射（1）大气质量:当太阳位于天顶时，以单位面积太阳光束所穿过的大气柱的质量作为一个单位，称为一个大气质量。把太阳斜射时穿过的大气质量记作m，大气质量m与太阳高度角h关系式中：m=1/sin h反映了太阳辐射穿过大气的路径长短。(2)大气透明度大气透明度反映了大气中各种粒子的多少反映了大气中各种粒子的多少大气透明系数越小，太阳辐射受到的减弱越强，到达地面的太阳辐射也越小。S=S0Pm S

10、为到达地面的太阳辐射强度（与太阳光线垂直方向上）；S0为太阳常数；p为空气透明系数；m为大气质量数 太阳辐射经过大气层时，其减弱规律遵循指数规则贝尔（贝尔（Beer）减弱定律）减弱定律 投射到水平面上的辐射通量密度为Sb，面积为M；投射于太阳光线垂直面上的太阳直接辐射通量密度为S，面积为M。两面上的太阳辐射能相等，则：Sb M=S MSb/S=AC/AB=sinhSb=Ssinh=Pm S0 Sinh式中：S0是太阳常数1367.7W/m2，h是太阳高度角，p是大气透明系数，m是大气质量数。hSbSBAC太阳高度角(h)太阳高度是太阳高度角的简称，是太阳光线与观测点地平线间的夹角。sin h=

11、sinsin+coscoscos是纬度，是纬度，是时角。是时角。赤纬：太阳入射光线与地球赤道夹角赤纬：太阳入射光线与地球赤道夹角春分日或秋分日：春分日或秋分日：0夏至日：夏至日：23.5冬至日：冬至日：-23.5从图上可以看出，日出和日没的时间不同，位置不同，白天长度不同，太阳高度角也不同。其结果是每天可能收到的太阳辐射能量会有很大差别。a a、太阳高度角越小，等量的太阳辐射散布的面积、太阳高度角越小，等量的太阳辐射散布的面积就越大，因而地表面单位面积上所获得的太阳辐射就就越大，因而地表面单位面积上所获得的太阳辐射就越小。越小。b b、太阳高度角越小，太阳辐射穿过的大气层越厚、太阳高度角越小，

12、太阳辐射穿过的大气层越厚太阳辐射被减弱也较多，到达地面的直接辐射就较小。太阳辐射被减弱也较多，到达地面的直接辐射就较小。日变化：无云，中午最强，早晚最弱。日变化：无云，中午最强，早晚最弱。年变化：夏季年变化：夏季 冬季冬季随纬度的变化：中低纬随纬度的变化：中低纬 高纬高纬(3)直接辐射规律直接辐射规律由于大气散射作用而散射向地面的部分太阳辐射。由于大气散射作用而散射向地面的部分太阳辐射。影响因子：影响因子：太阳高度角增大，散射辐射增强。太阳高度角增大，散射辐射增强。大气透明度差，散射辐射较强。大气透明度差，散射辐射较强。海拔高度高，散射辐射弱海拔高度高，散射辐射弱 2.2.2 2.2.2 散射

13、辐射散射辐射2.2.3 总辐射（St）（1）定义 直接辐射与散射辐射之和称为总辐射。（2）影响因子 太阳高度、大气透明度、云量等因素。（3）变化规律与直接辐射年变化规律基本一致。日照时间：可照时间:当地面没有障碍物、云、雾和烟尘遮蔽时，日面中心从出地平线（日出）至入地平线（日没）的时间间隔，以小时为单位。cos0=-tgtg 式中0是日出或日没的时角；日照时数：每日太阳实际照射地面的时间。以小时为单位。2.2地面对太阳辐射的反射（1）定义 r=Sr/St*100%某一表面上的反射辐射与投射到该表面的总辐射之比值。（2）影响因素 颜色：最强反光带在本颜色波长。湿度：随湿度增加而减小。粗糙度：粗糙

14、度增加反射率减小。太阳高度：越高反射率减小。水面反射率比陆地小 2.3地面吸收的太阳辐射地面吸收的太阳短波辐射总辐射反射辐射影响因子太阳高度大气透明度地表面性质状态地球的热量平衡地球围绕太阳运行，它一面吸收太阳辐射，一面以它自身的温度向宇宙空间发射辐射。其热量平衡关系应当有这里，S0 为达到地球大气上界的太阳辐射通量，为地球-大气系统对太阳辐射的反射率；T 为辐射平衡温度，也称地球的有效温度。2R24 R R2S01a()4 R2s T4R()41041saST地球表面的温度根据目前测量得到的数据，S0=1376 w/m2(+3.4%-3.5%)=0.3 R=6370 km计算得到 T=255

15、0K（-180C）3 地面和大气的辐射Blackbody spectral emittance for Sun and Earth0204060801000.1110100Wavelength(m)Solar Spectral Emittance(MW m-2 m-1)6000 K288 KEarth Spectral Emittance(W m-2 m-1)01020303.1大气辐射 大气向外发射的长波辐射称为大气辐射。主要辐射成分：水汽、二氧化碳放射能力：温度、水汽含量、云况。大气辐射指向地面的部分称为大气逆辐射(La)。大气温室效应大气对太阳辐射吸收很小，让大量的太阳辐射透过大气到地面

16、，而大气强烈吸收地面红外辐射增温，并以大气逆辐射的方式返回一部分给地面，使地面不致于失热过多，大气这种对于地面的保温作用，称为大气温室效应。近地层40-50m大气约吸收地面辐射的75%-95%。大气窗口812um处大气对长波吸收率最小，透明度最大，因此称此波段为“大气窗口”。这一波段内的辐射，正好位于地面辐射能力最强处，所以地面辐射有20%的能量透过这一窗口射向宇宙空间。3.2地面有效辐射 地面有效辐射：地面放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，以Ln表示。一般，由于气温低于地温，所以大气逆辐射小于地面辐射，有效辐射使地面损失能量。3.2.1影响因子 地面温度、空气湿度、空气温

17、度和云况1）地面温度越高，有效辐射越大；反之，有效辐射则减小；2）空气湿度越大，有效辐射越小；3）云层越低，云量越多，则有效辐射越小；4）海拔高的地方有效辐射大；有逆温时有效辐射小，甚至可出现负值。湿热干冷，云覆盖晴朗天空，空气混浊空气干洁。3.2.2 有效辐射的日变化和年变化 日变化12-14时最大，清晨最小；年变化也与温度的年变化相似，夏季最大，冬季最小，由于水汽和云的影响使有效辐射的最大值不一定出现在盛夏。东北、华北、西北地区有效辐射春季最大，高海拔地区有效辐射大。大气对地面的保温作用大气对地面的保温作用大气上界大气上界地面地面地面增温地面增温地地面面辐辐射射射向宇宙空射向宇宙空 间间大

18、大气气吸吸收收“太阳暖大地太阳暖大地”“大气还大地大气还大地”“大地暖大气大地暖大气”大大气气辐辐射射射向地面射向地面太太阳阳辐辐射射大气吸收大气吸收地地面面吸吸收收4 地面及地气系统的辐射差额 辐射差额：指某一作用面或作用层辐射能收入和支出之差，称为净辐射或辐射差额。净辐射0，物体收支的辐射能量不平衡，会有升温或降温产生；净辐射=0，物体的温度保持不变。4.1 地面辐射差额 1、地面净辐射：某段时间内单位面积地表面所吸收的总辐射和其有效辐射之差值，以B表示。B=St(1-r)-Ln=(Sb+Sd)(1-r)-Ln上式中St是太阳到达地面的总辐射，(Sb+Sd)太阳直接辐射和散射之和，r为地面

19、对总辐射的反射率，Ln为地面的有效辐射。B0时地面有热量积累，B0时热量亏。地面净辐射=地面收入短波地面支出长波4.2净辐射的日变化净辐射的日变化日出后1h有负值转为正值，日落前11.5h有正值转为负值。4.3净辐射的年变化图图2.20 各纬度辐射差额的年变化各纬度辐射差额的年变化5 能量平衡地面能量平衡方程地面能量平衡方程 地面的热量收支用地面热量平衡方程表示：地面的热量收支用地面热量平衡方程表示：B=LE+P+QB=LE+P+Qs s+A +A 式中式中B B为净辐射，为净辐射，P P为感热通量，为感热通量，LELE为潜热通量，为潜热通量，约等于约等于2.52.510106 6J/kgJ/

20、kg，QsQs为土壤热通量，为土壤热通量，A A为植物为植物新陈代谢能通量，在自然界新陈代谢能通量，在自然界A A项很小，一般只占净项很小，一般只占净辐射的辐射的1%1%左右，常常可忽略。左右，常常可忽略。B=LE+P+QsB=LE+P+Qs图2.23 地表面热量收支示意图6 辐射与森林6.1辐射影响光合作用光合有效辐射（PAR）太阳辐射对森林光合作用有效的光谱成分，就称为光合有效辐射。与可见光基本重合。光饱和点当光照强度增加到某一点后，再增加光照强度，光合强度也不增加，这一点的光照强度称光饱和点。补偿点植物的光合强度和呼吸强度达到相等时的光照度值。在光补偿点以上，植物的光合作用超过呼吸作用，可以积累有机物质。光照强度光照强度光合作用强度光合作用强度AABB呼吸强度呼吸强度A A 补偿点补偿点B B 饱和点饱和点5.2 辐射影响生长向光面枝条粗壮，背光面稀疏影响开花、结果5.3森林对辐射的影响5.3.1影响林地总辐射的因子：林冠郁闭度（单位面积上林冠覆盖林地面积与林地总面积之比）林分密度（林分密度就是指单位面积上的林木株数）树木年龄 林木状况5.3.2净辐射：地面长波地面长波大气逆辐射大气逆辐射总辐射总辐射树冠长波树冠长波森林的光能利用率森林光合作用把辐射能转变为化学能的效率。提高利用率的方法：合理密植立体林业优良品种