氣象學課件第二章輻射

1、( Ganghua Li 2009 )第二章輻射輻射的基本知識第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)太陽輻射退出第四節(jié)地面和大氣輻射輻射與農業(yè)輻射與輻射能輻射光譜一二三輻射的基本定律第一節(jié) 輻射的基本知識一.輻射與輻射能1.輻射(radiation)物體以電磁波（或粒子）的形式向外放射 能量的方式叫做輻射，放射的能量叫做輻射能， 也簡稱輻射。產(chǎn)生輻射的原因有多種，在氣象學中 最重要的是熱輻射。熱輻射(heat radiation)：由于物質中的 分子、原子受到熱激發(fā)而發(fā)射電磁波的現(xiàn) 象稱為熱輻射。輻射的能量和波長分布都 與溫度有關的輻射。2.輻射能(radiation energy)根據(jù)輻射的粒子學說，電磁輻射由

2、 具有一定質量、能量和動量的粒子組成。 每個量子所帶的能量與其頻率成正比， 或與波長成反比：e=h或e=hc/h是普朗克常數(shù)c是光速是波長輻射能的量度單位量子數(shù)單位用每mol（阿伏加德羅常數(shù)6.021023)光 量子為單位，1mol光量子稱為Ei.輻射通量單位時間通過某一面積的輻射能量，單位 是J/s或。輻射通量密度單位時間、單位面積上通過的輻射能量， 單位是J/sm2或/m2。3.物體對輻射的吸收、反射和透射投射到某一物體上的輻射能為，一部分吸收Q：吸收率(absorptivity) a =a一部分反射Qr：反射率(reflectivity)art1a、r、t隨輻射的波長和物體的性質而變化。

3、QQaQr = QrQ一部分透射Qt：透射率(transmissivity) t =Qt黑體和灰體對任何波長的輻射的吸收率都等于1 的物體叫做絕對黑體（absolute blackbody） 。對某種波長的吸收率為1的物體叫做 對該種波長為黑體（black body）。對任何波長的輻射的吸收率都為一個 小于1的常數(shù)的物體就叫做灰體（graybody） 。二、輻射光譜(radiation spectrum)輻射能量按波長的分布就是輻射光譜（輻射波譜）。從理論上來說，輻射的波長可以從0到，能夠測出的輻射的波長范圍約為10-10 到1010m，見下表。波譜名稱X射線射線紫外線可見光紅外線無線電波波長

4、范圍(m)10-810-210-710-410-40.40.40.760.7610310310101.普朗克（plank）定律絕對黑體對任一波長的輻射能力是它 表面溫度T的函數(shù)?？捎孟率奖硎荆喝?輻射的基本定律1 hc e kT2hc25EB (,T ) 式中c是真空中的光速(c=2.997925108m/s)，k為玻爾茲曼(Boltzmann)常數(shù)(k=1.38062 10-23 J/K )，h為普朗克常數(shù)(h=6.6262 10-34Js )。根據(jù)Plank定律計算的黑體輻射根據(jù)Plank定律計算的黑體輻射根據(jù)Plank定律計算的黑體輻射根據(jù)Plank定律計算的黑體輻射絕對黑體輻射的特點任

5、何溫度下都發(fā)射波長為0的輻射,但發(fā) 射能力隨溫度迅速變化，每一溫度條件下 都有一輻射相對集中的波段；在一定溫度下，絕對黑體都有一輻射最強 的波長，稱絕對黑體輻射最大值所對應的 波長，用max表示。2.斯蒂芬-波爾茲曼（Stefan-Boltzmann）定律4BTBEd TE0黑體的總放射能力與其表面溫度的四次方 成正比。即：ETB=T4其中ETB為絕對黑體表面的總放射能力，T為絕 對黑體表面的絕對溫度，單位為k;為斯蒂芬 波爾茲曼常數(shù)，其值為5.6710-8 W/m2K 4。S-B定律可由Plank定律積分求得：3.基爾霍夫（Kirchhoff）定律發(fā)射率T：任意物體在某一溫度T時對波 長的輻

6、射能力E(,T)與絕對黑體的輻射能力EB(,T)之比。T E(,T) EB(,T)基爾霍夫定律:任何物體在某一溫度T時對波長 的輻射的發(fā)射率與對同一波長的輻射的吸收率 相等。即：T aT由基爾霍夫定律可知：T aT對同一物體，在一定溫度條件下，如 果它輻射某一波長的輻射，則它必然 也吸收這種波長的輻射。物體的輻射能力強，其吸收能力也強; 反之亦然。4.維恩（Wein）位移定律黑體輻射能力最大值所對應的波長max與黑體的絕對溫度T成反比，即： maxC/T其中C為維恩常數(shù)，當波長以m為單位時，其值為2897mK。由上式可看出,物體溫度越高,發(fā)射的 輻射峰值max越短。不同溫度的黑體發(fā)射輻射光譜輻

7、 射 通 量 密 度相 對 值20000k10000k5000k2000k1000k500k0.010.1110100波長（m)日本筑波市(3602N，14004E)湖北武穴市(3000N，11545E)播種 日期： 5.12YearCultivarSolar radiation (MJ m-2 d-1)SD-PIPI-FHFH-PM2012CNSJ16.318.915.3HHZ15.919.915.4播種LG715.919.915.0日期：5.10NG4315.119.517.5YG422716.318.914.8ZD1116.318.914.8太陽輻射光譜和太陽常數(shù) 太陽輻射在大氣中的衰減

8、 日地關系到達地面的太陽輻射 地面對太陽輻射的反射一二三四五第二節(jié)太陽輻射一.太陽輻射光譜和太陽常數(shù)1. 太陽輻射 光譜在大氣上界 測得的太陽輻 射與根據(jù)Plank 公式計算的6000K的絕對黑體輻射的光 譜能量分布非 常相似。太陽輻射光譜的能量分布大氣上界太陽輻射能99%集中在 0.15 4m其中：紫外線區(qū)： 0.76m, 占43%可見光部分能量所占比例最大，輻射能量最 大值對應的波長為：max = 0.475m2.太陽常數(shù)(Solar Constant, RSC)日地平均距離時，在被照亮的半 個地球的大氣上界，垂直于太陽光 線的平面上，單位時間單位面積接 受的太陽輻射能量。RSC =136

9、7Wm -2二、太陽輻射在大氣中的衰減太陽輻射在大氣中要受到大氣的吸收、 散射和反射作用，到達地面后明顯減弱。吸收太陽輻射的物質：主要是O2，O3，CO2，H2O等O2吸收0.2m的紫外線，主要發(fā)生在高層大氣O3吸收紫外線，在0.2-0.3m是強烈的吸收帶， 使0.3m的紫外線不能到達地面，能減少太陽總 能量的4%，主要在平流層2025km處CO2主要吸收紅外線，但強度較弱H2O主要吸收紅外線，減少太陽總能量的4%-15%塵埃、水滴也可吸收部分太陽輻射1.大氣對太陽輻射的吸收大氣各成分對太陽輻射的吸收光譜波長（微米）吸 收 率AtmosphereH2OCO2N2OCH4O2 andO3特點大氣

10、吸收太陽輻射占總量的24%；平流層及以上氣層主要是O2，O3吸收紫外線， 吸收率接近于1；平流層以下主要是水汽和CO2對紅外線的吸 收；大氣對太陽輻射的吸收具有選擇性；整個大 氣層對可見光的吸收率約為0.1，而太陽輻 射能量集中在可見光區(qū)；因此，低層大氣因吸收太陽輻射而增溫是 很少的，太陽輻射不是對流層的直接熱源。散射(Scattering)是質點受到投射來的電磁波沖 擊時，引起質點中的電子振動，而向四 面八方放射電磁波。特點：只改變原輻射的方向不能將太陽輻射 變?yōu)閮饶?.大氣對太陽輻射的散射（1）分子散射-雷利(Rayleign)散射當散射質點很小，其直徑d遠小于波長，即 d0，地面能量的收

11、入大于支 出，Rn到正午達最大值。夜間： (1- r) (Rsb+Rsd) =0，Rn= -Re 0Rn由負值轉為正值的時間，大約出現(xiàn)在日 出后一小時左右；由正值轉為負值的時間，大 約出現(xiàn)在日落前一小時左右。地面凈輻射各分量的日變化輻 射 通 量 密 度W/m2時間(h)地面凈輻射的年變化(Annualvariation ofterrestrialnetradiation)地面凈輻射的年變化與太陽總輻射的年 變化大致相同，主要取決于太陽高度角和可照 時間。一般來說，最大值出現(xiàn)在6月，最小值出 現(xiàn)在12月。但在季風氣候區(qū)則不一定。凈輻射年總量隨緯度升高 而減小。緯度 較高的地區(qū)，冬季有一段時間為

12、負值，緯度越 高，負值時間越長。在中國，39N以南全年Rn為正。地面熱量收支地面獲得的凈輻射： Rn= (1- ) (Rsb+Rsd)-Re凈輻射將轉換成熱能，用于以下方面：感熱(Sensible heat)通量(H)：即通過湍流熱交換傳給 大氣；潛熱(Latent heat)通量(LE): 即蒸發(fā)（蒸騰）耗熱量；土壤熱通量(G)：即從地面?zhèn)鞯酵寥赖臒嵬俊Ｒ虼擞械孛鏌崃科胶夥匠蹋篟n= H+LE+G三、地-氣系統(tǒng)的輻射平衡地面大氣收支4699114太陽大氣地面長波 失去15以輻射形式獲得31收支24108163太陽地面大氣長波 失去55以輻射形式失去31526感熱+土壤熱通量潛熱地面的主要熱

13、源是太陽，大氣的主要熱源是地面各種光譜成份與植物植物群體中的輻射狀況提高光能利用率的途徑一二三光照強度和時間對植物的影響四第四節(jié) 輻射與農業(yè)一、各種光譜成份與植物1. 不同光譜對植物的作用紅外線提高植物體的溫度，促進蒸騰作用?？梢姽鈪⑴c光合作用紫外線合成維生素；促進營養(yǎng)物質的吸收； 成形作用：抑制徒長；促進分枝波長0.32m的輻射對植物有害甚至能殺死植物。2. 光合有效輻射PAR定義：能被植物葉綠素吸收，并用來進行光合作 用的輻射，叫做光合有效輻射 (Photosynthetically Active Radiation)。波長范圍：0.4 0.70m計算方法：PAR=0.43Rsb+0.57

14、Rsd二、植物群體中的輻射狀況對葉片隨機分布的植物群體，冠層中的 任一層的光分布遵從以下關系：R Re Lk s0其中R0 和Rs分別是群體頂部和葉層中的 輻射強度，L為該葉層以上的葉面積指數(shù)，k為群體消光系數(shù)。1. 光照強度對植物的影響在一定的光照強度范圍內，光合作用隨光照 強度的增加而增加；超過一定的光照強度以后，光合作用便保持 一定的水平而不再增加了，這種現(xiàn)象稱為光 飽和現(xiàn)象，這個光照強度稱為光飽和點。光照強度降低時，光合作用也隨之降低，當 植物通過光合作用制造的有機物質與呼吸作 用消耗的物質相平衡時的光照強度稱為光補 償點。三、光照強度和時間對植物的影響-6h0 -12h-6 民用曙暮

15、光 航海曙暮光-18h-12天文曙暮光(1)光照時間可照時數(shù)（間）：從日出到日沒太陽可能照射 的時間長度，即晝長。光照時間：是指可照時數(shù)與曙暮光的總和，即 光照時間=可照時數(shù)+曙暮光曙暮光隨著太陽在地平線以下角度的增大而 不斷減弱：2. 光照時間對植物的影響太陽可照時數(shù)（間）的計算因為可照時數(shù)是指一地從太陽升起到 太陽落下的時間。設日出日落時的時角為0 ，而日出日落時太 陽高度角h=0，所以：sinh= sin sincoscos cos0=0可得：cos 0 = - tan tan 0 =15 (t0 -12)所以，可照時數(shù)= 2|0 15 |可照時數(shù)的計算舉例已知北京的緯度為40 N，求北

16、京冬至和夏至 時的日出日落時間和可照時間。冬至： =23.5 cos 0 = - tan tan =0.363981|0| =68.65514 即日出時間為7:25即日落時間為16:35即日出t=12- |0|/15 =7.42299日落t=12+ |0|/15 =16.57701可照時間= 2 |0|/15 =9.15hr夏至： =23.5 ，按以上步驟可得： 日出時間為4:35， 日落時間為19:25可照時間= 2 |0|/15 =14.85hr冬夏至和春秋分的晝夜長短變化夏至冬至秋分夏至的可照時間夏至的可照時間冬至的可照時間冬至的可照時間春秋分的可照時間春秋分的可照時間不同緯度可照時數(shù)隨

17、季節(jié)的變化規(guī)律晝長(h)春分夏至秋分冬至春分緯 度可照時數(shù)的變化規(guī)律cos 0 = - tan tan 春秋分日，全球晝夜平分。從春分到秋分的夏半年，北半球各地白晝長 于黑夜，而且隨緯度升高，白晝延長，夏至 達最長；從秋分到春分的冬半年，北半球各地白晝短 于黑夜，而且隨緯度升高，白晝縮短，冬至 日達最短；赤道上，終年晝夜平分。南北半球只是冬夏相反，春秋相反，晝 長隨緯度變化的規(guī)律不變。(2)植物的光周期現(xiàn)象光照長短對植物的影響主要表現(xiàn)在兩個方 面：光周期現(xiàn)象和光合產(chǎn)物量。光周期現(xiàn)象：光照時間長短和晝夜交替對植物的 發(fā)育過程（特別是開花）有很大影響的現(xiàn)象。根據(jù)植物光周期反應的不同，植物可分為：長

18、日照植物：要求光照長度大于某一時數(shù)才能開 花結果的植物。短日照植物：要求光照長度小于某一時數(shù)才能開 花結果的植物。中性植物：開花不受光照長度的影響，在 長短不同的任何光照下都能正常開花結 果臨界光照長度：可以使植物通過光照階段 而開花結實的光照時間的臨界值。（3）光周期現(xiàn)象與植物引種植物引種必須考慮光周期現(xiàn)象和溫度的影響。短日照植物：從南向北引種，溫度和光照因素都 將使發(fā)育速度減慢；從北向南引種，溫度和光照 因素都將使發(fā)育速度加快。所以，溫度和光照效 應互相疊加。長日照植物：從南向北引種，溫度因素將使發(fā)育 速度減慢，而光照因素使發(fā)育加快；從北向南引 種，溫度因素將使發(fā)育速度加快，光照因素使發(fā)

19、育減慢。所以，溫度和光照效應互相補償。結論：長日照植物比短日照植物容易引種成功。1. 光能利用率單位面積上作物收獲物中包含的能量（eh） 與投射到該單位面積上的光合有效輻射能量RPAR的比值叫做光能利用率（U）：U= eh / RPAR100%光能利用率的理論上限：植物最終形成產(chǎn)量的 光合有效輻射的能量利用率在10%左右；實際：一般只有0.5%1.0%，高的約達2%。 這說明提高光能利用率以增加單位面積產(chǎn)量是大有潛力的。四、提高光能利用率的途徑改革種植制度與方法改進栽培管理措施選育優(yōu)良品種改造自然與充分利用各地 區(qū)的光能資源2.提高光能利用率的途徑本章總結本章重點和難點：掌握輻射定律，正午太陽

20、高度角、晝夜長 短隨緯度和季節(jié)變化的規(guī)律。了解大氣對太陽輻射的減弱作用。學會太陽高度角、可照時間、太陽直接輻 射、光合有效輻射的計算方法。復習思考題第二章：對A、B兩灰體，在同樣強度的輻射照射 下，A升溫快得多，問在移去外界輻射源 后，哪一個降溫快？若A、B都不是灰體， 你的結論還成立嗎？雪面對太陽輻射的反射率很大(約0.9)，對 紅外輻射的吸收率也很大(可達0.99)，由 此解釋地面積雪時天氣特別寒冷的原因。作業(yè)復習思考題第二章：雪面對太陽輻射的反射率很大(約0.9)，對紅外輻射的吸 收率也很大(可達0.99)，由此解釋地面積雪時天氣特別 寒冷的原因。已知太陽表面溫度約為6000K，地球表面

21、溫度平均約為300K，假定太陽表面為絕對黑體，地球表面為吸收率為0.9的灰體，試分別計算太陽和地球表面的總放射能力。計算武漢(30N)二分、二至日出、日落時間和可照時間。已知日地平均距離為1.495108公里，太陽直徑為1.392106 公里，太陽常數(shù)為 1367瓦米-2，將太陽視為 絕對黑體，忽略宇宙塵埃對太陽輻射的吸收作用，試推 算太陽表面輻射的輻射通量密度、總功率和有效溫度。計算武漢(30N)和北京(40N)冬至和夏至日晴天真太陽時10、12時的太陽直接輻射通量密度（設透明系數(shù) p=0.8）。任一坡面上太陽直接輻射通量密度為 Rsb坡=Rscamsin(其中為太陽光線與坡面的夾角)，試分別計算武漢冬 至和夏至正午時，在坡度為30的南坡和北坡上的太陽輻 射通量密度（設透明系數(shù) p=0.8）。武漢夏至日測得正午水平面上的直接輻射通量密度為800瓦米-2 ，設這一天天空晴朗，透明系數(shù)不變，試計算透明系數(shù)和下午16時的太陽輻射通量密度。對長日照作物和短日照植物進行南北引種，哪一種更易成 功？為什么？要求：sinh的值保留4位小數(shù)，計算中應注意單位的 統(tǒng)一。獨立認真完成，下次理論課上課前交齊。凡 發(fā)現(xiàn)抄襲現(xiàn)象，按0分處理；遲交則適當扣分。參考文獻馮秀藻，陶炳炎等.農業(yè)氣象學原