氣象學(xué)第二章輻射

1、氣象學(xué)第二章輻射第1頁，共68頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)25分，星期四本章主要內(nèi)容輻射的基本知識日地關(guān)系和季節(jié)的形成太陽輻射地面有效輻射和地面凈輻射太陽輻射與植物生長第2頁，共68頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)25分，星期四 第一節(jié) 輻射的基本知識 (Basic knowledge of radiation)一、輻射的概念(concept of radiation)1.定義： 輻射：物體以電磁波或粒子的形式放射或輸送能量的過程。 輻射能：物體以輻射的方式放射或輸送的能量。 輻射有兩個基本屬性： 輻射的波動性： = 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.第3頁，共68頁，

2、2022年，5月20日，8點(diǎn)25分，星期四l光速c=3.0 x 108 m s-1c=l波長頻率波長和頻率的關(guān)系圖2.1第4頁，共68頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)25分，星期四電磁輻射波譜：圖2.2電磁波譜:把電磁波按波長大小順序排列，稱為電磁波譜。第5頁，共68頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)25分，星期四輻射的粒子性 輻射的粒子學(xué)說認(rèn)為，電磁輻射由許多具有一定質(zhì)量、能量和動量的微粒子組成，這些微粒稱為粒子（量子）。粒子（量子）的概念：微觀世界的某些物理量不能連續(xù)變化而只能以某一最小單位的整數(shù)倍發(fā)生變化，這些最小單位就稱為該量的粒子（量子）。如電子。 這些粒子或量子每一個所具有的能量為：

3、 eh，或 e = h C / h 6.62610-34Js， h為普朗克常數(shù) 。 植物光合作用的研究常利用輻射的粒子性。第6頁，共68頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)25分，星期四2.表征輻射的物理量（1） 輻射通量： 定義：單位時間內(nèi)通過任一表面的輻射能。 單位：Js1或W（2）輻射通量密度 定義：單位面積上的輻射通量。 單位： Js1m-2或Wm-2。 輻照度輻出度第7頁，共68頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)25分，星期四（3）光通量、光通量密度、照度光通量定義：單位時間通過某一表面的可見光能量。單位：流明（lm）光通量密度定義：單位面積上的光通量。單位：流明/米2（lmm-2）光照度

4、(照度）定義：單位面積上接收的光通量。單位： lx，勒克斯，1 lx=1 lmm-2第8頁，共68頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)25分，星期四吸收Qa入射Q反射Qr透射Qt定義：吸收率 a=Qa/Q 反射率 r=Qr/Q 透射率 t=Qt/Q則有： a+r+t=11.吸收率、反射率和透射率 假設(shè)有一束能量為Q的入射光，照射到某一物體表面，其中被物體吸收的能量為Qa，反射的能量為Qr，透射過物體的能量為Qt，則：Q=Qa+Qr+Qt。二、 物體對輻射的吸收、反射和透射第9頁，共68頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)25分，星期四2.關(guān)于a、r、t的幾點(diǎn)討論a 、r、t是01之間的無量綱量。若輻射

5、不能透過物體，t0，則ar1，吸收率越大，反射率越小，反之亦然。物體對輻射的吸收、反射和透射具有選擇性。吸收率等于1的物體為黑體。 吸收率為小于1的常數(shù)，且不隨波長變化的物體叫灰體。第10頁，共68頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)25分，星期四三、輻射的基本定律定律：在一定溫度下，物體對某一波長的輻射能力(e,T) 與物體對該波長的吸收率(a,T)的比值是一常數(shù)，即: ET是黑體的輻射能力，它是波長和溫度的函數(shù)，與物體的性質(zhì)無關(guān)。1、基爾霍夫定律 第11頁，共68頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)25分，星期四 推論： 放射能力較強(qiáng)的物體，吸收能力也較強(qiáng)；反之，放射能力弱者，吸收能力也弱，黑體的

6、吸收能最強(qiáng)，所以它也是最強(qiáng)的放射物體。 同一物體，如果在溫度T時它可放射某一波長的輻射，那么，在同一溫度下它也可吸收該波長的輻射。 第12頁，共68頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)25分，星期四3.維恩位移定律定律：黑體放射能力的最大值對應(yīng)的波長(max) 與其本身的絕對溫度(T)成反比。即： maxT=C如果波長以m為單位，則常數(shù)C2897m K。意義：物體溫度愈高，其放射能力愈強(qiáng)。定律：黑體的放射能力（ET）與它本身絕對溫度（T） 的四次方成正比。即： ET T 4 式中5.6710-8Wm-2K-4為斯蒂芬波爾茲曼常數(shù)。2.斯蒂芬波爾茲曼定律 第13頁，共68頁，2022年，5月20日，

7、8點(diǎn)25分，星期四圖2.4不同溫度下黑體輻射強(qiáng)度與溫度的關(guān)系 物體的溫度愈高，輻射能量最大值的波長愈短，即黑體輻射具有最大輻射能力的波長隨溫度升高逐漸向短波方向移動。第14頁，共68頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)25分，星期四一. 日地關(guān)系 地球是一個橢球體，赤道半徑6378.0km，極半徑6356.8km， 在繞太陽公轉(zhuǎn)的同時又繞地軸自西向東自轉(zhuǎn)。公轉(zhuǎn)形成四季，自轉(zhuǎn)形成晝夜。第二節(jié) 太陽輻射的基本概念及其預(yù)備知識第15頁，共68頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)25分，星期四 近日距：1月3日，1.47 108km 遠(yuǎn)日距：7月4日，1.52108km1.地球的公轉(zhuǎn)運(yùn)動： 公轉(zhuǎn)軌道為一橢圓,

8、公轉(zhuǎn)一周的時間為一年。2.地球的自轉(zhuǎn)運(yùn)動:繞地軸旋轉(zhuǎn)，自轉(zhuǎn)一周為一天。3.地軸與地球公轉(zhuǎn)軌道面的交角為66.5,且地球在公 轉(zhuǎn)過程中，地軸方向保持不變. 公轉(zhuǎn)軌道為一近圓形的橢圓，太陽位于一個焦點(diǎn)上，日地平均距離1.495108km。第16頁，共68頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)25分，星期四第17頁，共68頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)25分，星期四 （一）太陽輻射光譜和太陽常數(shù)1.太陽輻射光譜定義：把太陽輻射按波長的分布稱太陽輻射光譜。太陽輻射的波長范圍較廣，幾乎包括了所有的電磁波，其能量的99集中在0.154m波段，因此說太陽輻射光譜主要包括紅外線、可見光和紫外線光譜。二、太陽輻射的

9、基本概念第18頁，共68頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)25分，星期四2.太陽常數(shù)定義：當(dāng)日、地間處于平均距離時(約1.496108km)，在大氣上界垂直于太陽光線的平面上單位面積、單位時間內(nèi)所接收的太陽輻射能，稱為太陽常數(shù)。用S0表示。其值為13677 Wm-2 我國采用的太陽常數(shù)值為1367 Wm-2 。影響太陽常數(shù)的因子有日地距離、太陽黑子數(shù)等。第19頁，共68頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)25分，星期四2022/9/21三、太陽高度角和方位角 （一）、太陽高度角（h）1.定義:太陽平行光線與地表水平面之間的夾角。 (0h90) 水平面上得到的太陽輻射能隨著h的增加而增加。圖2.6 太

10、陽高度角和太陽輻射強(qiáng)度第20頁，共68頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)25分，星期四2.任意時刻及正午時刻太陽高度角的計(jì)算任意時刻h的計(jì)算sin h sinsin+coscoscos式中：為觀測點(diǎn)緯度，為赤緯，是時角。 的含義：太陽直射點(diǎn)的地理緯度. 范圍-23.5 +23.5。 的計(jì)算: 23.5sinN 第21頁，共68頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)25分，星期四說明：式中N以度為單位，是距春分日或秋分日最近的總天數(shù)。春分日至秋分日取正值，否則，取負(fù)值。特殊日期的值：(北半球）(南半球相反）春分日(21/3)或秋分日(23/9)：0夏至日(22/6)：23.5冬至日(22/12)：-23

11、.5 23.5sinN 第22頁，共68頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)25分，星期四的確定:是用角度表示的時間，每15為一小時 正午：0 上午：0 下午：0 第23頁，共68頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)25分，星期四正午時刻h的計(jì)算 例1：計(jì)算屯溪（2940N,11820E）夏至日和冬至日正午時刻的太陽高度角？ 解： 根據(jù)公式 h 90， 夏至日+23.5，冬至日-23.5 夏至日h=90294023.5=8350 冬至日h=902940-23.5=3650注意：當(dāng)計(jì)算所得h為鈍角時，取其補(bǔ)角為太陽高度角。 h正午90-+第24頁，共68頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)25分，星期四太陽

12、高度角隨緯度和季節(jié)的變化 表2.1 太陽高度角隨緯度和季節(jié)的變化緯度(N)春分日夏至日秋分日冬至日90023270232766302327465423270504063274016334050732350263323276633906633430620708633704633108076338056330906033906633第25頁，共68頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)25分，星期四（二）太陽方位角 （A）1.定義：太陽平行光線在水平地面上 的投影和當(dāng)?shù)刈游缇€之間的夾角。2.計(jì)算公式： 式中A值：正南：A=0正南以西：A0正南以東：A0日出日沒時h0，cosAsinsec第26頁，共68

13、頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)25分，星期四3.北半球一年內(nèi)太陽出沒的方位 冬半年內(nèi)，日出東偏南方向，日沒西偏南方向；且愈近冬至日，日出日沒方位愈偏南。 除北極外，一年中只有春分日和秋分日，日出正東日沒 正西。 夏半年內(nèi)，日出東偏北方向，日沒西偏北方 向；且愈近夏至日，日出日沒方位愈偏北。第27頁，共68頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)25分，星期四三、晝長（可照時數(shù)）1.概念：在無遮陰情況下，日出到日沒太陽可能照射的時 間間隔。2.計(jì)算：晝長 =20/153.晝長的變化cos0-tgtg 相同緯度，晝長冬短夏長，春秋介于二者之間。第28頁，共68頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)25分，星期

14、四夏季晝長隨緯度升高而加長，冬季晝長隨緯度升高而縮短，春、秋分則不隨緯度升高而變。 4.實(shí)照時數(shù)和日照百分率實(shí)照時數(shù)：地面上用日照計(jì)實(shí)際測量的日照時數(shù)。日照百分率日照百分率 100%實(shí)照時數(shù)可照時數(shù)第29頁，共68頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)25分，星期四5.光照時間 曙暮光 在日出前和日落后，太陽光線在地平線以下時，光通過大氣散射到地表產(chǎn)生一定的光照強(qiáng)度，這種光稱為曙光和暮光。光照時間可照時數(shù)曙暮光時間第30頁，共68頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)25分，星期四第三節(jié) 大氣對太陽輻射的減弱一.減弱方式三種方式：吸收、散射、反射1.吸收作用特點(diǎn)：選擇性吸收第31頁，共68頁，2022年，

15、5月20日，8點(diǎn)25分，星期四主要吸收成分強(qiáng)吸收波段弱吸收波段O2夜間二、大氣輻射第56頁，共68頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)25分，星期四1.定義大氣輻射：大氣向四面八方發(fā)射的輻射。大氣逆輻射(La)：大氣輻射朝向地面的部分。2.波長范圍4120m ，最大放射能力波長約為11.6m 。 三、地面有效輻射(Ln)1.定義：地面輻射與被地面吸收的大氣逆輻射之差。2.計(jì)算公式LnLo-La 其中：為地面吸收率，平均取0.95.第57頁，共68頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)25分，星期四3.影響因子 地面溫度 、空氣溫度、空氣濕度、云況、風(fēng)力、海拔、地面狀況和植被等。4.地面有效輻射的意義 夜

16、間Ln的大小，可決定地溫的高低和地溫降低的快慢。Ln大，地面降溫多，易形成露、霜、低溫災(zāi)害等。 Ln大小 經(jīng)常用來作為預(yù)報(bào)地面最低溫度和霜凍的重要依據(jù)。第58頁，共68頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)25分，星期四五、地面凈輻射(B)1.定義 在單位時間內(nèi)，單位面積地面所吸收的輻射與放出的輻射之差，稱為地面凈輻射(B)。也稱地面輻射差額。2.計(jì)算公式 陰天： BSt (1 r) Ln夜晚： B- Ln 晴天：第59頁，共68頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)25分，星期四3.影響因素 太陽輻射： 白天，B0，靠近正午時B達(dá)到最大值。 夜間，B=-Ln，B0；冬季， B0。天氣狀況：有云的情況下，

17、會使B的絕對值減小。 緯度：緯度愈低，B保持正值的月份愈多。我國大致在39N以南的地區(qū)各月都為正值,39N以北冬季某些月份為負(fù)值，且緯度越高，負(fù)值的時間越長。 地面凈輻射在天氣、氣候以及小氣候的形成與變化中有重要的作用。農(nóng)林業(yè)上可以通過覆蓋、松土、灌溉等方法改變地面凈輻射，調(diào)節(jié)土壤的溫度。 第60頁，共68頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)25分，星期四第六節(jié) 太陽輻射與植物生長 太陽輻射對植物的影響： 熱效應(yīng)、 光合效應(yīng)、 形態(tài)效應(yīng)，決定了植物產(chǎn)量、形成及地理分布. 一、太陽輻射光譜成份對植物的影響1.不同光譜成分對植物的影響 植物生長是在日光的全光譜作用下進(jìn)行的，不同光譜成分對植物的光合作用

18、、色素形成、向光性、形態(tài)形成的誘導(dǎo)等影響是不同的。 第61頁，共68頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)25分，星期四植物吸收最多的是紅橙光和藍(lán)紫光，以參與光合作用。光譜對植物的影響有三個作用和三個效應(yīng)：可見光的光效應(yīng)，產(chǎn)生光合作用；紅外線的熱效應(yīng)，促進(jìn)果實(shí)成熟；紫外線的化學(xué)效應(yīng)，起成型作用。意義：根據(jù)不同光譜成分對植物的影響，可以通過人工改變光質(zhì)來改善植物的生長。近年來有色薄膜在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用，受到國內(nèi)外的廣泛注意。第62頁，共68頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)25分，星期四2.光合有效輻射（PAR）PAR = 0.43 Sb+ 0.57 Sd定義：太陽光譜中對植物光合作用有效的光譜成份稱為光合

19、有效輻射，大致包括0.380.71m波段的太陽輻射。計(jì)算：二、光照強(qiáng)度與植物生長發(fā)育 綠色植物的光合作用是在一定的光照條件下進(jìn)行的。 光飽和點(diǎn)：光合作用的速度達(dá)到最大時光的強(qiáng)度。1.光強(qiáng)與光合作用 第63頁，共68頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)25分，星期四不同植物對光強(qiáng)的要求不同，根據(jù)對光照強(qiáng)度的要求：喜光植物陽生植物（強(qiáng)光照下才能正常生長，如白樺、刺槐）耐陰植物陰生植物（一定的蔽陰條件下生長，如云杉、冷杉）中性植物（介于兩者之間，如紅松、椴樹、杉木、毛竹等，幼苗期較耐陰，隨著樹齡的增長，逐漸表現(xiàn)出不同程度偏陽的特性）光補(bǔ)償點(diǎn)：光合速度與呼吸速度相等時的光照強(qiáng)度.第64頁，共68頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)25分，星期四生長發(fā)育：營養(yǎng)生長要有弱光，生殖生長要有強(qiáng)光。產(chǎn)量：光飽和點(diǎn)要高，光補(bǔ)償點(diǎn)要低，才能增產(chǎn)。品質(zhì)：強(qiáng)光有利于淀粉、蛋白質(zhì)的形成，弱光不利糖分的形成。 形態(tài)：空曠地的稀疏樹木樹干粗矮、樹冠較大；密林中樹干細(xì)長，樹冠狹窄2.光照強(qiáng)度對植物的影響三、光照時間與植物的發(fā)育 1.植物的光周期現(xiàn)象： 光周期現(xiàn)象是植物生長發(fā)育對晝夜長短