氣象學(xué)-輻射能

輻射能第一節(jié)輻射的基本知識(shí)一、輻射：物體以電磁波的形式放射能量，稱(chēng)為輻射。

輻射通量密度:單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的輻射能量稱(chēng)輻射通量密度（E），單位是W/m2。有的輻射通量密度單位為cal/cm2·min，

1cal·cm-2·min-1=697.8w·m-2

設(shè)投射到物體上的總輻射能為Q0

；被吸收的為Qα；被發(fā)射的為Qγ；透過(guò)的為Qt。根據(jù)能量守衡原理：

Qα+Qγ+Qd=Q0等式兩邊除以Q0，得二、物體對(duì)輻射的吸收、反射和透射d1

式中左邊第一項(xiàng)吸收率（α）；第二項(xiàng)為發(fā)射率（γ）；第三項(xiàng)為透射率（t），則：α+γ+t=1

（2-1）

α、γ、t都是0-1之間變化的無(wú)量綱量，分別表示物體對(duì)輻射吸收、反射和透射的能力。黑體：吸收率等于1的物體?；殷w：如果某物體的吸收率是小于1的常數(shù)，并且不隨波長(zhǎng)而改變，這種物體成為灰體。

三、輻射光譜太陽(yáng)輻射的波長(zhǎng)范圍主要在0.15～4μm地面和大氣的輻射波長(zhǎng)范圍在3～120μm。在氣象學(xué)上，把太陽(yáng)輻射稱(chēng)為短波輻射，地球表面和大氣輻射稱(chēng)為長(zhǎng)波輻射。

（1）基爾霍夫定律(Kirchhofflaw)

在一定溫度和相應(yīng)波長(zhǎng)下，任一物體的發(fā)射能力（ελT）與吸收率（αλT）的比為一常數(shù)，即四、輻射的基本定律定律指出：★如果物體在溫度T時(shí)發(fā)出波長(zhǎng)為λ的輻射，在此溫度下也吸收同波長(zhǎng)的輻射；★放射能力較強(qiáng)的物體，其吸收能力也較強(qiáng)，放射能力弱的，吸收能力也弱。（2）普朗克定律（Plancklaw）黑體放射的輻射能的波長(zhǎng)分布是它表面溫度的函數(shù)。溫度越高放射的波長(zhǎng)越短，溫度越低，放射的波長(zhǎng)越長(zhǎng)。EλT(Black)是絕對(duì)黑體發(fā)射的輻射通量密度，單位是W/m2；C是光速，C=3×108m/s；h是普朗克常數(shù)，h=6.63×10－34J·s；K是波爾茲曼（Boltzmann）常數(shù),K=1.38×10－23J/K，T指的是物體的絕對(duì)溫度，單位為K0.48

m10.06

m（3）斯蒂芬—波爾茲曼定律(Stenfan-Boltzmannlaw)

黑體的發(fā)射能力與絕對(duì)溫度的四次方成正比，即

ETb=σT4

(2-3)

式中σ為斯蒂芬—波爾茲曼常數(shù)，其值為5.67×10-8瓦/米2.度4。（4）維恩位移定律（Wien’sdisplacementlaw）

黑體單色輻射強(qiáng)度極大值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)與其絕對(duì)溫度成反比，即：

λmT=C

（2-4）

C=2897μm·K.SunEarth

T=absolutetemperaturelinmm五、太陽(yáng)高度（sunaltitude）

太陽(yáng)高度是太陽(yáng)高度角的簡(jiǎn)稱(chēng)，是太陽(yáng)光線和觀測(cè)點(diǎn)地平線間的夾角，以h表示。sinh=sinф·sinδ+cosф·cosδ·cosω

（2-1）式中ф是緯度，δ是赤緯，ω是時(shí)角。時(shí)角的計(jì)量以正午時(shí)為0°，午后為正值，午前為負(fù)值。正午時(shí)，ω=0°，上式可寫(xiě)成：h=90°–Φ+δ

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）六、日照時(shí)間可照時(shí)間

：當(dāng)?shù)孛鏇](méi)有障礙物、云、霧和煙塵遮蔽時(shí)，日面中心從出地平線（日出）至入地平線（日沒(méi)）的時(shí)間間隔，以小時(shí)為單位。日出和日沒(méi)時(shí)，h=0，（2-1）式可寫(xiě)成cosω0=-tgφ·tgδ(2-2)

式中ω0是日出或日沒(méi)的時(shí)角；按反時(shí)針?lè)较虻摩?值相當(dāng)于日出，順時(shí)針?lè)较虻摩?相當(dāng)于日沒(méi)。2．日照時(shí)數(shù)由于云、霧等天氣現(xiàn)象、或地物障礙的影響，使太陽(yáng)光實(shí)際照射地面的時(shí)間減少。日照時(shí)數(shù)：每日太陽(yáng)實(shí)際照射地面的時(shí)間。以小時(shí)為單位。

第三節(jié)太陽(yáng)輻射(Solarradiation)一、大氣上界的太陽(yáng)輻射（一）太陽(yáng)光譜太陽(yáng)光譜（solarspectrum）：太陽(yáng)輻射能量隨波長(zhǎng)的分布稱(chēng)為太陽(yáng)輻射光譜。50%43%7%（二）太陽(yáng)常數(shù)（solarconstant）太陽(yáng)常數(shù)：在日地平均距離條件下，地球大氣上界垂直于太陽(yáng)光線的面上所接受到的太陽(yáng)輻射通量密度，稱(chēng)為太陽(yáng)常數(shù)。世界氣象組織：S0=1367.7W/m2

多數(shù)文獻(xiàn)中，S0=1370W/m2二、太陽(yáng)輻射在大氣中的減弱大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收（19%）大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的散射（6%）大氣的云層和塵埃對(duì)太陽(yáng)輻射的反射（20%）地面高層大氣平流層對(duì)流層臭氧大量吸收紫外線二氧化碳、水汽吸收紅外線大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收作用大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的反射作用：參與的大氣成分：特點(diǎn)：大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的散射作用：參與的大氣成分：云層、塵埃無(wú)選擇性空氣分子和微小塵埃特點(diǎn)：具有選擇性Rayleigh散射藍(lán)光：λ≈400nm紅光：λ≈700nm三、到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射1）定義太陽(yáng)以平行光線的形式，投射到地面上的那一部分輻射能，稱(chēng)為直接輻射。(一)直接輻射（directradiation)

太陽(yáng)直接輻射的強(qiáng)弱和許多因子有關(guān)，其中最主要的有兩個(gè)：太陽(yáng)高度角和大氣透明度。（1）太陽(yáng)高度角太陽(yáng)高度角不同時(shí)，地表面單位面積上所獲得的太陽(yáng)輻射也就不同，2）影響因子(effectfactors)a、太陽(yáng)高度角越小，等量的太陽(yáng)輻射散布的面積就越大（圖2-7a），因而地表面單位面積上所獲得的太陽(yáng)輻射就越小。thereasonsasfollows：DSSb

DBAC水平地面上的太陽(yáng)直接輻射通量密度Sb

設(shè)投射到水平面上的輻射通量密度為Sb

，面積為M′；投射于太陽(yáng)光線垂直面上的太陽(yáng)直接輻射通量密度為S，面積為M（圖2-7b)。

兩面上的太陽(yáng)輻射能相等，則：Sb?M′=S?MS/Sb=AC/AB=sinhSb=S?sinh=Pm?S0?Sinh

式中：S0是太陽(yáng)常數(shù)1367W/m2，h是太陽(yáng)高度角，p是大氣透明系數(shù)，m是大氣質(zhì)量數(shù)。

b、太陽(yáng)高度角越小，太陽(yáng)輻射穿過(guò)的大氣層越厚太陽(yáng)輻射被減弱也較多，到達(dá)地面的直接輻射就較小。大氣削弱作用與緯度緯度低—太陽(yáng)高度大—經(jīng)過(guò)的大氣路程短—大氣削弱少緯度高—太陽(yáng)高度小—經(jīng)過(guò)的大氣路程長(zhǎng)—大氣削弱多大氣上界地球1．大氣質(zhì)量

當(dāng)太陽(yáng)位于天頂時(shí)，以單位面積太陽(yáng)光束所穿過(guò)的大氣柱的質(zhì)量作為一個(gè)單位，稱(chēng)為一個(gè)大氣質(zhì)量。把太陽(yáng)斜射時(shí)穿過(guò)的大氣質(zhì)量記作m，大氣質(zhì)量m與太陽(yáng)高度角h關(guān)系：（2.18）或(2.19)

式中：z為天頂角，

z=90°-h。

大氣透明度的特征用大氣透明系數(shù)（P）表示。大氣透明系數(shù)：指當(dāng)太陽(yáng)在天頂時(shí)，即m=1時(shí)，到達(dá)地面與太陽(yáng)光垂直面上的太陽(yáng)輻射通量密度S和大氣上界太陽(yáng)常數(shù)S0之比。

2.大氣透明度

大氣透明系數(shù)越小，太陽(yáng)輻射受到的減弱越強(qiáng)，到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射也越小。

S=S0Pm

(2.21)

式中，S為到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度；S0為太陽(yáng)常數(shù)；p為空氣透明系數(shù)；m為大氣質(zhì)量數(shù)。

（2.21）式稱(chēng)為貝爾（Beer）減弱定律。

太陽(yáng)輻射經(jīng)過(guò)大氣層時(shí)，其減弱規(guī)律遵循指數(shù)規(guī)則。3.貝爾（Beer）減弱定律(3)直接輻射的變化規(guī)律

日變化、年變化和隨海拔高度的變化

a、直接輻射的日變化b、直接輻射的年變化

c、直接輻射隨海拔高度的變化(二）散射輻射

dispersionradiation影響散射輻射的因子1）太陽(yáng)高度角2）大氣透明度3）海拔高度（三）總輻射（totalradiation,St）（1）定義直接輻射與散射輻射之和稱(chēng)為總輻射。（2）影響因子太陽(yáng)高度、大氣透明度、云量等因素。（3）變化規(guī)律赤道北極（四）地面對(duì)太陽(yáng)輻射的反射

（1）定義反射率(albedo)：指某一表面上的反射輻射與投射到該表面的總輻射之比值。（2）影響因素地面狀況、地面顏色、粗糙度、不同的植被和土壤性質(zhì)等因素有關(guān)。二連長(zhǎng)春鄭州漢口一、地面、大氣的輻射和地面有效輻射

地面輻射和大氣輻射的表示

L0=δσT4L=δˊ

σT4

L0、L分別表示地面和大氣的輻射能力，T地面和大氣的溫度，δ和δˊ分別稱(chēng)地面和大氣的相對(duì)輻射率又稱(chēng)比輻射率。其大小為地面或大氣輻射能力與同一溫度下黑體輻射能力的比值，在數(shù)值上等于吸收率。第四節(jié)

地面和大氣的輻射（1）地面溫度為15℃，以δ＝0.9，為常數(shù)，則可得出地面的輻射能為：Eg＝0.9×5.67×10-8×（288）4

＝346.7W/㎡λm＝C/T=2896/288≈10μmC＝2896K（2）根據(jù)維恩定律可算得地面長(zhǎng)波輻射的波長(zhǎng)：

地面平均溫度約為300K（≈10μm），對(duì)流層的大氣平均溫度約250K（≈15μm），其輻射最大短波長(zhǎng)在10—15μm范圍內(nèi)。因?yàn)榈貧庀到y(tǒng)熱輻射中95％以上的能量集中在3—120μm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，所以我們把地面和大氣的輻射稱(chēng)為長(zhǎng)波輻射。(二）大氣長(zhǎng)波輻射的特點(diǎn)

1.大氣對(duì)長(zhǎng)波輻射的吸收水汽和液態(tài)水除8~12um波段外，其他波段都能吸收。其中6um附近和24um以上的波段吸收能力最強(qiáng)。CO24.3um和14.7um兩個(gè)吸收帶，其中12.9~7.1um對(duì)長(zhǎng)波輻射吸收有重要意義。O3在9~10um之間有一狹窄的吸收帶．大氣之窗2.大氣窗口8~12um處大氣對(duì)長(zhǎng)波吸收率最小，透明度最大，因此稱(chēng)此波段為“大氣窗口”。這一波段內(nèi)的輻射，正好位于地面輻射能力最強(qiáng)處，所以地面輻射有20%的能量透過(guò)這一窗口射向宇宙空間。（三）大氣逆輻射和地面有效輻射（1）大氣逆輻射和大氣保溫效應(yīng)大氣輻射指向地面的部分稱(chēng)為大氣逆輻射。大氣逆輻射使地面因放射輻射而損耗的能量得到一定的補(bǔ)償，由此可以看出大氣對(duì)地面有一種保暖作用，大氣的存在使近地面溫度提高了38℃。近地面的溫度是-23℃，實(shí)際近地面的均溫是15℃。大氣對(duì)地面的保溫作用大氣上界地面地面增溫地面輻射射向宇宙空間大氣吸收“太陽(yáng)暖大地”“大氣還大地”“大地暖大氣”大氣輻射射向地面太陽(yáng)輻射大氣吸收地面吸收

（2）地面有效輻射(groundeffectiveradiation)1.地面有效輻射：地面放射的輻射（L0）與地面吸收的大氣輻射（δEa）之差稱(chēng)為地面有效輻射，以Ln表示。Ln

=L0

－La

（2.24）

式中L0、ε、T分別為地面輻射能力、地面相對(duì)輻射能力、地面溫度。2、影響因子(effectfactors)

地面溫度、空氣濕度、空氣溫度和云況1）地面溫度越高，有效輻射越大；反之，有效輻射則減小；2）空氣濕度越大，有效輻射越??；3）云層越低，云量越多，則有效輻射越?。?）海拔高的地方有效輻射大；有逆溫時(shí)有效輻射小，甚至可出現(xiàn)負(fù)值。濕熱＜干冷，云覆蓋＜晴朗天空，空氣混濁＜空氣干潔。3.有效輻射的日變化和年變化

(diurnalandannualvariation)日變化12-14時(shí)最大，清晨最小；年變化也與溫度的年變化相似，夏季最大，冬季最小，由于水汽和云的影響使有效輻射的最大值不一定出現(xiàn)在盛夏。東北、華北、西北地區(qū)有效輻射春季最大，高海拔地區(qū)有效輻射大。二、地面及地－氣系統(tǒng)的輻射差額

輻射差額：指某一作用面或作用層輻射能收入和支出之差，稱(chēng)為凈輻射或輻射差額。凈輻射≠0，物體收支的輻射能量不平衡，會(huì)有升溫或降溫產(chǎn)生；凈輻射=0，物體的溫度保持不變。二、地面輻射差額

1、地面凈輻射：某段時(shí)間內(nèi)單位面積地表面所吸收的總輻射和其有效輻射之差值，以B表示。上式中(Sb+Sd)太陽(yáng)直接輻射和散射之和，是太陽(yáng)到達(dá)地面的總輻射，r為地面對(duì)總輻射的反射率，Ln為地面的有效輻射。

B＞0時(shí)地面有熱量積累，B＜0時(shí)熱量虧。2、凈輻射的日變化日出后1h有負(fù)值轉(zhuǎn)為正值，日落前1－1.5h有正值轉(zhuǎn)為負(fù)值。3、凈輻射的年變化圖2.20各緯度輻射差額的年變化第六節(jié)能量平衡一、地面能量平衡方程地面的熱量收支用地面熱量平衡方程表示：B=LE+P+Qs+A

式中B為凈輻射，P為感熱通量，LE為潛熱通量，約等于2.5×106J/kg，Qs為土壤熱通量，A為植物新陳代謝能通量，在自然界A項(xiàng)很小，一般只占凈輻射的1%左右，常?？珊雎?。

B=LE+P+Qs圖2.23地表面熱量收支示意圖第三章

溫度

第一節(jié)

土壤和空氣的熱量交換方式

一、熱量交換方式：熱傳導(dǎo)、輻射、對(duì)流、平流、亂流、潛熱轉(zhuǎn)移二、熱特性

1、熱容量1）重量熱容量單位質(zhì)量的物質(zhì)溫度變化1℃所吸收或放出的熱量，稱(chēng)為重量熱容量或比熱（C），單位是J/(kg.℃)。2）容積熱容量：?jiǎn)挝惑w積的物質(zhì)，溫度變化

1℃所收或放出的熱量，稱(chēng)為容積熱容量，簡(jiǎn)稱(chēng)熱容量。（Cv），單位為J/（m3?℃）3）熱容量（Cv）與比熱（C）、物質(zhì)密度（ρ）之間的關(guān)系：

Cv=C?ρ4）土壤熱容量的變化規(guī)律

a、土壤濕度增加，Cv增加；

b、土壤孔隙度增加，Cv減小。2、導(dǎo)熱率(λ)1）導(dǎo)熱率：指1m深度內(nèi)溫差為1℃，1s通過(guò)1m2橫截面的熱通量。單位為J/(m?s?℃)

2）λ越大，物體表面溫度的升降越緩和。3）λ的變化規(guī)律

a、土壤濕度增加，λ增加；

b、土壤孔隙度增加，λ減小。

潮濕、緊實(shí)的土壤導(dǎo)熱性能良好，土溫變化和緩；

干燥疏松的土壤，溫度變化劇烈。3、導(dǎo)溫率1）導(dǎo)溫率：?jiǎn)挝惑w積的物體，由于流入（或流出）數(shù)量為λ的熱量后，溫度升高（或降低）的數(shù)值，單位為m2/s。2）其他條件相同時(shí)，物體的K越大，溫度波由物體表面向里或由里向物體表面?zhèn)鞑ピ娇?，溫度變化涉及的深度越深，各深度溫度差異消除的越快。地面的熱量收支用地面熱量平衡方程表示：式中：B為凈輻射，P為感熱通量，LE為潛熱通量，E為蒸發(fā)或凝結(jié)量，L為蒸發(fā)或凝結(jié)耗熱量，約等于2.5×106J/kg，Qs為土壤熱通量。白天：凈輻射B為正值，一部分熱量消耗于LE上，一部分熱量消耗于P上，余下的熱量進(jìn)入土壤。

夜間：凈輻射B為負(fù)值，由LE、P、Qs來(lái)補(bǔ)償，土壤熱通量方向與白天相反，即地面失去熱量。三、土壤表面的熱量收支Qs=B-LE-PLE、P一定時(shí)，Qs的值由凈輻射B值決定。凈輻射絕對(duì)值越大，地面得熱或失熱越多，土溫變化可能越大。B值一定，土壤越潮濕，LE增大，Qs減小，土溫變化可能較和緩，P值減小，氣溫變化也較緩和；土壤越干燥，LE減小，Qs值增大，土溫變化可能越大，P值增加，氣溫變化越大。四、土壤溫度（soiltemperature）1.土壤溫度的日變化

日較差：指一日中最高溫度與最低溫度之差。年較差：指一年中最熱月平均溫度和最冷月平均溫度之差。影響土壤日較差大小的因子：1）緯度緯度越低，太陽(yáng)高度角越大，土壤日較差也越大；緯度越高，土壤日較差也越小。2）土壤的熱性質(zhì)導(dǎo)熱率大或容積熱容量大的土壤其溫度較差小。3）土壤顏色、地形、斜坡的方位

深色日較差>淺色土地形主要影響湍流交換，凹地土壤溫度日較差>平地陽(yáng)坡日較差>陰坡日較差4）天氣

晴天土壤表面溫度日較差比陰天大

2.年變化（1）土壤溫度年較差也隨深度的增加而變小；（2）土壤溫度的年較差，隨緯度的增高而增大。3.土壤溫度的垂直分布1）日射型：白天出現(xiàn)（13：00）2）輻射型：夜間出現(xiàn)（1：00）3）早上過(guò)渡型：夜間輻射型向日射型過(guò)渡類(lèi)型（7：00）4）晚上過(guò)渡型：傍晚出現(xiàn)（19：00）第二節(jié)大氣溫度一、氣溫隨時(shí)間的變化1、氣溫的日變化

2、影響氣溫日較差的因子1）緯度：高緯<低緯2）季節(jié)：夏季>冬季3）地表面性質(zhì)

a.地形與地勢(shì):凹地>凸地

b.植被：裸地>植被

c.土壤性質(zhì)：沙土>粘土

d.海陸分布：陸地>海洋4）天氣情況：晴天>陰天5）高度：高度越高，氣溫日較差越小3、氣溫年較差氣溫年較差:一年中月平均氣溫的最高值與最低值之差，稱(chēng)為氣溫年較差。影響氣溫年較差的因子緯度、距海遠(yuǎn)近、天氣狀況、地形、下墊面性質(zhì)。

4、氣溫的非周期性變化二、氣溫的鉛直變化在對(duì)流層中，氣溫一般是隨高度的增加而降低。整個(gè)對(duì)流層的氣溫直減率平均為0.65℃/100m。當(dāng)γ>0時(shí)，表示氣溫隨高度升高而降低；當(dāng)γ=0時(shí)，表示氣溫隨高度升高不變;當(dāng)γ<0時(shí)，表示氣溫隨高度升高而升高。逆溫：在一定條件下，出現(xiàn)氣溫隨高度升高而升高，氣溫直減率為負(fù)值，這種現(xiàn)象稱(chēng)為逆溫。近地氣層溫度的垂直分布

1.輻射逆溫（1）定義輻射逆溫：由于地面強(qiáng)烈冷卻而形成的逆溫，稱(chēng)為輻射逆溫。（2）形成條件天氣:晴朗而有微風(fēng)的夜晚，無(wú)云或云層很薄很高。地形:在山谷或凹地、干燥地區(qū)有利于輻射逆溫的形成。（3）輻射逆溫的生消過(guò)程（下圖）：

a、形成前（圖a）；

b、夜間，形成了自地面開(kāi)始的逆溫（圖b）；

c、黎明時(shí)達(dá)最強(qiáng)（圖c）；

d、日出后，自下而上消失（圖d、e）2.平流逆溫暖空氣平流到冷的下墊面上形成的逆溫。3.地形逆溫

在山區(qū)夜間，由于山上冷空氣沿斜坡向