《氣象學(xué)第二章輻射》ppt課件

1、n輻射的根本知識(shí)輻射的根本知識(shí)n日地關(guān)系和季節(jié)的構(gòu)成日地關(guān)系和季節(jié)的構(gòu)成n太陽(yáng)輻射太陽(yáng)輻射n地面有效輻射和地面凈輻射地面有效輻射和地面凈輻射n太陽(yáng)輻射與植物生長(zhǎng)太陽(yáng)輻射與植物生長(zhǎng) 第一節(jié)第一節(jié) 輻射的根本知識(shí)輻射的根本知識(shí) (Basic knowledge of radiation)一、輻射的概念一、輻射的概念(concept of radiation)(concept of radiation)1.1.定義：定義： 輻射：物體以電磁波或粒子的方式放射或保送能量的過(guò)程。輻射：物體以電磁波或粒子的方式放射或保送能量的過(guò)程。 輻射能：物體以輻射的方式放射或保送的能量。輻射能：物體以輻射的方式放射或

2、保送的能量。 輻射有兩個(gè)根本屬性：輻射有兩個(gè)根本屬性： 輻射的動(dòng)搖性：輻射的動(dòng)搖性： = c = c各種頻率的電磁波在真空中傳播的速度相等即相當(dāng)于光速各種頻率的電磁波在真空中傳播的速度相等即相當(dāng)于光速. .l lc=l波長(zhǎng)和頻率的關(guān)系波長(zhǎng)和頻率的關(guān)系電磁波譜電磁波譜: :把電磁波按波長(zhǎng)大小順序陳列，稱(chēng)為電磁波譜。把電磁波按波長(zhǎng)大小順序陳列，稱(chēng)為電磁波譜。 輻射的粒子學(xué)說(shuō)以為，電磁輻射由許多具有一定質(zhì)量、輻射的粒子學(xué)說(shuō)以為，電磁輻射由許多具有一定質(zhì)量、能量和動(dòng)量的微粒子組成，這些微粒稱(chēng)為粒子量子。能量和動(dòng)量的微粒子組成，這些微粒稱(chēng)為粒子量子。粒子量子的概念：微觀世界的某些物理量不能延續(xù)變化粒子量

3、子的概念：微觀世界的某些物理量不能延續(xù)變化而只能以某一最小單位的整數(shù)倍發(fā)生變化，這些最小單位就而只能以某一最小單位的整數(shù)倍發(fā)生變化，這些最小單位就稱(chēng)為該量的粒子量子。如電子。稱(chēng)為該量的粒子量子。如電子。 這些粒子或量子每一個(gè)所具有的能量為：這些粒子或量子每一個(gè)所具有的能量為： e eh h，或，或 e = h C / e = h C / h h 6.6266.62610-34Js10-34Js， h h為普朗克常數(shù)為普朗克常數(shù) 。 植物光協(xié)作用的研討常利用輻射的粒子性。植物光協(xié)作用的研討常利用輻射的粒子性。2.2.表征輻射的物理量表征輻射的物理量 光通量光通量 定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間經(jīng)過(guò)某一外表的可見(jiàn)

4、光能量。定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間經(jīng)過(guò)某一外表的可見(jiàn)光能量。 單位：流明單位：流明lmlm 光通量密度光通量密度 定義：?jiǎn)挝幻娣e上的光通量。定義：?jiǎn)挝幻娣e上的光通量。 單位：流明單位：流明/ /米米2 2lmm-2lmm-2 光照度光照度( (照度照度 定義：?jiǎn)挝幻娣e上接納的光通量。定義：?jiǎn)挝幻娣e上接納的光通量。 單位：?jiǎn)挝唬?lx lx，勒克斯，勒克斯，1 lx=1 lmm-21 lx=1 lmm-22.2.關(guān)于關(guān)于a a、r r、t t的幾點(diǎn)討論的幾點(diǎn)討論a a 、r r、t t是是0 01 1之間的無(wú)量綱量。假設(shè)輻射不能透過(guò)物體，之間的無(wú)量綱量。假設(shè)輻射不能透過(guò)物體，t t0 0，那么，那么a ar

5、 r1 1，吸收率越大，反射率越小，反之，吸收率越大，反射率越小，反之亦然。亦然。物體對(duì)輻射的吸收、反射和透射具有選擇性。物體對(duì)輻射的吸收、反射和透射具有選擇性。吸收率等于吸收率等于1 1的物體為黑體。的物體為黑體。 吸收率為小于吸收率為小于1 1的常數(shù)，且的常數(shù)，且不隨波長(zhǎng)變化的物體叫灰體。不隨波長(zhǎng)變化的物體叫灰體。三、輻射的根本定律三、輻射的根本定律定律：在一定溫度下，物體對(duì)某一波長(zhǎng)的輻射才干定律：在一定溫度下，物體對(duì)某一波長(zhǎng)的輻射才干(e,T) 與與物體對(duì)該波長(zhǎng)的吸收率物體對(duì)該波長(zhǎng)的吸收率(a,T)的比值是一常數(shù)，即的比值是一常數(shù)，即:TTTEae,lll3.3.維恩位移定律維恩位移定律

6、定律：黑體放射才干的最大值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)定律：黑體放射才干的最大值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)(max) (max) 與其與其本身的絕對(duì)溫度本身的絕對(duì)溫度(T)(T)成反比。即：成反比。即： maxT=C maxT=C假設(shè)波長(zhǎng)以假設(shè)波長(zhǎng)以mm為單位，那么常數(shù)為單位，那么常數(shù)C C2897m K2897m K。意義：物體溫度愈高，其放射才干愈強(qiáng)。意義：物體溫度愈高，其放射才干愈強(qiáng)。定律：黑體的放射才干定律：黑體的放射才干ET與它本身絕對(duì)溫度與它本身絕對(duì)溫度T 的四次方成正比。即：的四次方成正比。即： ET T 4 式中式中5.6710-8Wm-2K-4為斯蒂芬為斯蒂芬波爾茲曼常數(shù)。波爾茲曼常數(shù)。2.2.斯蒂芬斯蒂芬波

7、爾茲曼定律波爾茲曼定律 圖圖2.42.4不同溫度下黑體輻射強(qiáng)度與溫度的關(guān)系不同溫度下黑體輻射強(qiáng)度與溫度的關(guān)系 近日距：近日距：1月月3日，日，1.47 108km 遠(yuǎn)日距：遠(yuǎn)日距：7月月4日，日，1.52108km1.1.地球的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：地球的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)： 公轉(zhuǎn)軌道為一橢圓公轉(zhuǎn)軌道為一橢圓, ,公轉(zhuǎn)一周的時(shí)間為一年。公轉(zhuǎn)一周的時(shí)間為一年。2.2.地球的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)地球的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng): :繞地軸旋轉(zhuǎn)，自轉(zhuǎn)一周為一天。繞地軸旋轉(zhuǎn)，自轉(zhuǎn)一周為一天。3.3.地軸與地球公轉(zhuǎn)軌道面的交角為地軸與地球公轉(zhuǎn)軌道面的交角為66.566.5, ,且地球在公且地球在公 轉(zhuǎn)過(guò)程中，地軸方向堅(jiān)持不變轉(zhuǎn)過(guò)程中，地軸方向堅(jiān)持不變.

8、. 公轉(zhuǎn)軌道為一近圓形的橢圓，太陽(yáng)位于一個(gè)焦點(diǎn)上，公轉(zhuǎn)軌道為一近圓形的橢圓，太陽(yáng)位于一個(gè)焦點(diǎn)上，日地平均間隔日地平均間隔1.4951.495108km108km。2.2.太陽(yáng)常數(shù)太陽(yáng)常數(shù)n定義：當(dāng)日、地間處于平均間隔時(shí)定義：當(dāng)日、地間處于平均間隔時(shí)( (約約1.4961.496108km)108km)，在大氣上界垂直于太陽(yáng)光線(xiàn)的平面上單位面積、單位在大氣上界垂直于太陽(yáng)光線(xiàn)的平面上單位面積、單位時(shí)間內(nèi)所接納的太陽(yáng)輻射能，稱(chēng)為太陽(yáng)常數(shù)。用時(shí)間內(nèi)所接納的太陽(yáng)輻射能，稱(chēng)為太陽(yáng)常數(shù)。用S0S0表表示。其值為示。其值為7 77 Wm-2 7 Wm-2 我國(guó)采用的太陽(yáng)常數(shù)值為我國(guó)采用的太陽(yáng)常數(shù)值為7 Wm-

9、2 7 Wm-2 。影響太陽(yáng)常。影響太陽(yáng)常數(shù)的因子有日地間隔、太陽(yáng)黑子數(shù)等。數(shù)的因子有日地間隔、太陽(yáng)黑子數(shù)等。三、太陽(yáng)高度角和方位角三、太陽(yáng)高度角和方位角1.定義定義:太陽(yáng)平行光線(xiàn)與地表程度面之間的夾角。太陽(yáng)平行光線(xiàn)與地表程度面之間的夾角。 (0h90) 程度面上得到的太程度面上得到的太陽(yáng)輻射能隨著陽(yáng)輻射能隨著h的添的添加而添加。加而添加。圖圖2.6 2.6 太陽(yáng)高度角和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度太陽(yáng)高度角和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度2.2.恣意時(shí)辰及正午時(shí)辰太陽(yáng)高度角的計(jì)算恣意時(shí)辰及正午時(shí)辰太陽(yáng)高度角的計(jì)算恣意時(shí)辰恣意時(shí)辰h h的計(jì)算的計(jì)算式中：式中：為觀測(cè)點(diǎn)緯度，為觀測(cè)點(diǎn)緯度，為赤緯，為赤緯，是時(shí)角。是時(shí)角。 正午時(shí)

10、辰正午時(shí)辰h的計(jì)算的計(jì)算留意：當(dāng)計(jì)算所得留意：當(dāng)計(jì)算所得h為鈍角時(shí)，取其補(bǔ)角為太陽(yáng)高度角。為鈍角時(shí)，取其補(bǔ)角為太陽(yáng)高度角。太陽(yáng)高度角隨緯度和季節(jié)的變化太陽(yáng)高度角隨緯度和季節(jié)的變化 表表2.1 2.1 太陽(yáng)高度角隨緯度和季節(jié)的變化太陽(yáng)高度角隨緯度和季節(jié)的變化緯度緯度(N(N) )春分日春分日夏至日夏至日秋分日秋分日冬至日冬至日90900 0232327270 023232727666630302323272746465454232327270 05050404063632727404016163333404050507373232350502626333323232727666633339090

11、6666333343430606202070708686333370704646333310108080767633338080565633330 09090606033339090666633331.1.定義：太陽(yáng)平行光線(xiàn)在程度地面上定義：太陽(yáng)平行光線(xiàn)在程度地面上 的投影和當(dāng)?shù)刈游缇€(xiàn)之間的夾角。的投影和當(dāng)?shù)刈游缇€(xiàn)之間的夾角。2.2.計(jì)算公式：計(jì)算公式：coscoshsinsinsinhcosA夏季晝長(zhǎng)隨緯度升高而加長(zhǎng)，冬季晝長(zhǎng)隨緯度升高而縮夏季晝長(zhǎng)隨緯度升高而加長(zhǎng)，冬季晝長(zhǎng)隨緯度升高而縮短，春、秋分那么不隨緯度升高而變。短，春、秋分那么不隨緯度升高而變。 4.實(shí)照時(shí)數(shù)和日照百分率實(shí)照時(shí)數(shù)和日

12、照百分率1.吸收作用吸收作用特點(diǎn)：選擇性吸收特點(diǎn)：選擇性吸收 根據(jù)散射質(zhì)點(diǎn)直徑根據(jù)散射質(zhì)點(diǎn)直徑d和入射輻射的波長(zhǎng)和入射輻射的波長(zhǎng)的相對(duì)大的相對(duì)大小，把散射作用分為以下兩種方式：小，把散射作用分為以下兩種方式：u 參與反射作用的物質(zhì)：大氣中較大的塵粒和云滴、云層。參與反射作用的物質(zhì)：大氣中較大的塵粒和云滴、云層。u 云的反射作用云的反射作用 從以上三個(gè)方面來(lái)看，太陽(yáng)輻射經(jīng)過(guò)地球大氣層時(shí)，由從以上三個(gè)方面來(lái)看，太陽(yáng)輻射經(jīng)過(guò)地球大氣層時(shí)，由于大氣的吸收、反射和散射作用，使到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射遭于大氣的吸收、反射和散射作用，使到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射遭到減弱，減弱的主要部分是波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅外線(xiàn)和波長(zhǎng)較短的到減弱

13、，減弱的主要部分是波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅外線(xiàn)和波長(zhǎng)較短的紫外線(xiàn)，而可見(jiàn)光部分被減弱的較少，所以到達(dá)地面的太陽(yáng)紫外線(xiàn)，而可見(jiàn)光部分被減弱的較少，所以到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射主要集中在可見(jiàn)光部分?？梢?jiàn)光區(qū)集中了太陽(yáng)輻射一半輻射主要集中在可見(jiàn)光部分?？梢?jiàn)光區(qū)集中了太陽(yáng)輻射一半的能量，它給予地球外表以宏大的能量，是發(fā)生在地理環(huán)境的能量，它給予地球外表以宏大的能量，是發(fā)生在地理環(huán)境里各種景象和過(guò)程的最重要的能量源泉。里各種景象和過(guò)程的最重要的能量源泉。1.大氣質(zhì)量(m) hmcscsinh1011SSSSPmm 布格爾布格爾- -蘭勃特蘭勃特(Bouguer-Lambert)(Bouguer-Lambert)定律貝爾減

14、弱定律定律貝爾減弱定律1.1.程度地面上的太陽(yáng)直接程度地面上的太陽(yáng)直接輻射輻射 Sb Sb 的大小的大小 如圖示，平面如圖示，平面ABCDABCD為垂直太為垂直太陽(yáng)光線(xiàn)的平面，陽(yáng)光線(xiàn)的平面，ABCDABCD為其在為其在程度地面上的投影。由此圖我們程度地面上的投影。由此圖我們可以推出：可以推出：0102030405060708090太陽(yáng)高度角的日變化太陽(yáng)高度角的日變化時(shí)間時(shí)間太太陽(yáng)陽(yáng)高高度度角角太陽(yáng)高度角太陽(yáng)高度角1.1.概念概念北京直接輻射的年變化北京直接輻射的年變化2.影響因子 主要受太陽(yáng)高度角主要受太陽(yáng)高度角h h、大氣透明系數(shù)、大氣透明系數(shù)(P )(P )和大和大氣量氣量(m)(m)影響

15、，此外，緯度、海拔、云量、下墊面反射影響，此外，緯度、海拔、云量、下墊面反射率有直接和間接的影響。率有直接和間接的影響。 3.3.散射輻射的日年變化散射輻射的日年變化1.1.概念概念 2.影響因子影響因子 緯度：緯度愈高，太陽(yáng)總輻射愈低。緯度：緯度愈高，太陽(yáng)總輻射愈低。 海拔：海拔愈高，地面接納的太陽(yáng)總輻射愈多。海拔：海拔愈高，地面接納的太陽(yáng)總輻射愈多。 云：有云時(shí)，太陽(yáng)總輻射既可添加也可減少，主要云：有云時(shí)，太陽(yáng)總輻射既可添加也可減少，主要視云狀和云量而定。視云狀和云量而定。u 太陽(yáng)輻射的日總量：太陽(yáng)輻射的日總量： 一日中，到達(dá)地面單位面一日中，到達(dá)地面單位面積上的太陽(yáng)輻射的累積值，稱(chēng)為太陽(yáng)

16、輻射的日總量積上的太陽(yáng)輻射的累積值，稱(chēng)為太陽(yáng)輻射的日總量。u u 太陽(yáng)輻射年總量：一年中，到達(dá)地面單位面積太陽(yáng)輻射年總量：一年中，到達(dá)地面單位面積上的太陽(yáng)輻射累積值，稱(chēng)為太陽(yáng)輻射年總量。上的太陽(yáng)輻射累積值，稱(chēng)為太陽(yáng)輻射年總量。u太陽(yáng)輻射總量不僅取決于太陽(yáng)高度角、大氣透明太陽(yáng)輻射總量不僅取決于太陽(yáng)高度角、大氣透明系數(shù)，還和日照時(shí)數(shù)有關(guān)。系數(shù)，還和日照時(shí)數(shù)有關(guān)。 3.太陽(yáng)輻射總量太陽(yáng)輻射總量 地面反射的太陽(yáng)總輻射與投射到地面的太陽(yáng)總輻地面反射的太陽(yáng)總輻射與投射到地面的太陽(yáng)總輻射之比。射之比。 2. 2.不同性質(zhì)下墊面的反射率不同性質(zhì)下墊面的反射率 顏色不同的下墊面對(duì)太陽(yáng)輻射可見(jiàn)光部分有選擇顏色不同

17、的下墊面對(duì)太陽(yáng)輻射可見(jiàn)光部分有選擇性地反射。各種顏色外表的最強(qiáng)反射光譜帶就是它本性地反射。各種顏色外表的最強(qiáng)反射光譜帶就是它本身顏色的波長(zhǎng)。有色地膜的運(yùn)用是這一實(shí)際在農(nóng)業(yè)消身顏色的波長(zhǎng)。有色地膜的運(yùn)用是這一實(shí)際在農(nóng)業(yè)消費(fèi)中的詳細(xì)運(yùn)用。費(fèi)中的詳細(xì)運(yùn)用。 水面的反射率普通比陸面小，但在太陽(yáng)高度角水面的反射率普通比陸面小，但在太陽(yáng)高度角小于小于1010時(shí)，往往大于陸地。時(shí)，往往大于陸地。3.03.080 m 80 m ，最大放射才干對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)約，最大放射才干對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)約為為10.0 m 10.0 m 。二、大氣輻射二、大氣輻射 地面溫度地面溫度 、空氣溫度、空氣濕度、云況、風(fēng)力、空氣溫度、空氣濕度、

18、云況、風(fēng)力、海拔、地面情況和植被等。海拔、地面情況和植被等。 夜間夜間Ln的大小，可決議地溫的高低和地溫降低的快的大小，可決議地溫的高低和地溫降低的快慢。慢。Ln大，地面降溫多，易構(gòu)成露、霜、低溫災(zāi)禍等。大，地面降溫多，易構(gòu)成露、霜、低溫災(zāi)禍等。 Ln大小大小 經(jīng)常用來(lái)作為預(yù)告地面最低溫度和霜凍的重要經(jīng)常用來(lái)作為預(yù)告地面最低溫度和霜凍的重要根據(jù)。根據(jù)。 在單位時(shí)間內(nèi)，單位面積地面所吸收的輻射與放出的輻在單位時(shí)間內(nèi)，單位面積地面所吸收的輻射與放出的輻射之差，稱(chēng)為地面凈輻射射之差，稱(chēng)為地面凈輻射(B)。也稱(chēng)地面輻射差額。也稱(chēng)地面輻射差額。晴天：晴天：ntbLrSSB)1)(ntbLrSSB)1)(

19、 緯度：緯度： 植物生長(zhǎng)是在日光的全光譜作用下進(jìn)展的，不同光譜植物生長(zhǎng)是在日光的全光譜作用下進(jìn)展的，不同光譜成分對(duì)植物的光協(xié)作用、色素構(gòu)成、向光性、形狀構(gòu)成成分對(duì)植物的光協(xié)作用、色素構(gòu)成、向光性、形狀構(gòu)成的誘導(dǎo)等影響是不同的。的誘導(dǎo)等影響是不同的。 綠色植物的光協(xié)作用是在一定的光照條件下進(jìn)展的。 n不同植物對(duì)光強(qiáng)的要求不同，根據(jù)對(duì)光照強(qiáng)度的要求：不同植物對(duì)光強(qiáng)的要求不同，根據(jù)對(duì)光照強(qiáng)度的要求：n喜光植物陽(yáng)生植物強(qiáng)光照下才干正常生長(zhǎng)，如白樺、喜光植物陽(yáng)生植物強(qiáng)光照下才干正常生長(zhǎng)，如白樺、刺槐刺槐n耐陰植物陰生植物一定的蔽陰條件下生長(zhǎng)，如云杉、耐陰植物陰生植物一定的蔽陰條件下生長(zhǎng)，如云杉、冷杉冷杉

20、n中性植物介于兩者之間，如紅松、椴樹(shù)、杉木、毛中性植物介于兩者之間，如紅松、椴樹(shù)、杉木、毛竹等，幼苗期較耐陰，隨著樹(shù)齡的增長(zhǎng)，逐漸表現(xiàn)出不竹等，幼苗期較耐陰，隨著樹(shù)齡的增長(zhǎng)，逐漸表現(xiàn)出不同程度偏陽(yáng)的特性同程度偏陽(yáng)的特性n生長(zhǎng)發(fā)育：營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)要有弱光，生殖生長(zhǎng)要有強(qiáng)光。生長(zhǎng)發(fā)育：營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)要有弱光，生殖生長(zhǎng)要有強(qiáng)光。n產(chǎn)量：光飽和點(diǎn)要高，光補(bǔ)償點(diǎn)要低，才干增產(chǎn)。產(chǎn)量：光飽和點(diǎn)要高，光補(bǔ)償點(diǎn)要低，才干增產(chǎn)。n質(zhì)量：強(qiáng)光有利于淀粉、蛋白質(zhì)的構(gòu)成，弱光不利糖分的質(zhì)量：強(qiáng)光有利于淀粉、蛋白質(zhì)的構(gòu)成，弱光不利糖分的構(gòu)成。構(gòu)成。 n形狀：空闊地的稀疏樹(shù)木樹(shù)干粗矮、樹(shù)冠較大；密林中樹(shù)形狀：空闊地的稀疏樹(shù)木樹(shù)干粗矮、樹(shù)冠較大；密林中樹(shù)干細(xì)長(zhǎng)，樹(shù)冠狹窄干細(xì)長(zhǎng)，樹(shù)冠狹窄2.2.光照強(qiáng)度對(duì)植物的影響光照強(qiáng)度對(duì)植物的影響n(yōu) 北半球生長(zhǎng)季節(jié)里，南方光照時(shí)間短于北半球生長(zhǎng)季節(jié)里，南方光照時(shí)間短于北方，故南方多為短日照植物，而北方北方，故南方多為短日照植物，而北方多為長(zhǎng)日照植物。多為長(zhǎng)日照植物。n長(zhǎng)日照植物：光照時(shí)間大于某一時(shí)數(shù)才長(zhǎng)日照植物：光照時(shí)間大于某一時(shí)數(shù)才可開(kāi)花，普通原產(chǎn)中高緯溫帶地域，可開(kāi)花，普通原產(chǎn)中高緯溫帶地域，多為耐寒植物，如落葉松、小麥、大麥、多為耐寒植物，如落葉松、小麥、大麥、燕麥、甜菜