農(nóng)林氣象學(xué)第一章

第一章輻射

根據(jù)計算，一年中整個地球可以由太陽獲得6.5×1024J的熱量。這是地面和大氣最主要的能量來源，而來自宇宙其他星體的輻射能僅及來自太陽的輻射能的億分之一，從地球內(nèi)部傳送到地面上的熱量，也僅及來自太陽的輻射能的萬分之一。這和來自太陽的輻射能比較起來，都是極其微小的。

第一節(jié)輻射的基本知識一、輻射的概念

輻射具有波動性和粒子性。輻射能的不同，在于電磁波的波長不同。0.4一0.76微米的波長，這部分稱為可見光。1.定義：

物體以電磁波的形式向外傳送能量，這種傳遞能量的方式稱為輻射。輻射能的度量

（1）輻射通量

（2）輻射通量密度單位:J/m2?s或

w/m2

1cal/cm2?min=697.8w/m2

二、物體對輻射的吸收、反射和透射

設(shè)投射到物體上的總輻射能為Q,被吸收的為Qa,被反射的為Qr,透過的為Qd，則：

Qa＋Qr＋Qd=Q

（3）光通量密度單位：lxa＋r＋d＝1

a、r、d分別表示物體對輻射吸收、反射和透射的能力。

物體的吸收率、反射率和透射率大小隨著輻射的波長和物體的性質(zhì)而改變。例如，干潔空與對紅外線是近似透明的，而水汽對紅外線卻能強烈地吸收；雪面對太陽輻射的反射率很大，但對地面和大氣的輻射則幾乎能全部吸收。

如果某種物體對各種不同波長輻射的吸收率都等于1，這種物體稱為黑體。三、有關(guān)輻射的基本定律

1.基爾荷夫定律：

在一定溫度下，任何物體對于一定波長的放射率和吸收率的比為一常數(shù)。

即er：kr=Er

結(jié)論：

1）放射能力較強的物體，其吸收能力也較強。

2）對于同一物體，如果在溫度T時放射某一波長的輻射，則同時也吸收這一波長的輻射。2.斯蒂芬-波爾茲曼定律：

E＝σT4式中：σ為斯蒂芬--波耳茲曼常數(shù),σ=5.67×10-8W/m2k4

3.維恩位移定律：

λmT=2897.8

物體的溫度愈高，其輻射能力極大值所對應(yīng)的波長愈短。－、有關(guān)太陽輻射的幾個概念

1.太陽輻射光譜

太陽輻射中輻射能按波長的分布.

包括可見光（0.4~0.76μm），紅外線（＞0.76μm）和紫外線（＜0．4μm），波長在0.15~4.0μm之間占99％以上。2.太陽常數(shù)

日地處于平均距離時，在大氣上界垂直于太陽光線的單位面積上，單位時間內(nèi)獲得的太陽輻射能量，稱太陽常數(shù)。用S0表示。第二節(jié)太陽輻射3.太陽高度角太陽光線與水平面的夾角

sinh=sinφsinδ+cosφcosδcosω其中，φ-地理緯度，δ-太陽赤緯，

ω-時角。正午時：ω=0°則：h=90°-

φ+δ二、太陽輻射在大氣中的減弱太陽輻射光譜穿過大氣層后：1）總輻射能有明顯地減弱。2）輻射能隨波長的分布變得極不規(guī)則。3）波長短的輻射能減弱得更為顯著。1.吸收作用

①水汽

吸收最強的是在紅外區(qū)

0.93～2.85微米之間的幾個吸收帶。最強的太陽輻射能是短波部分，因此水汽從進入大氣中總的輻射能量里面所吸收的能量是不多的。據(jù)估計，太陽輻射因水汽的吸收可以減弱4－15％。（一）減弱方式：

②氧

能強烈地吸收波長小于0.26微米的遠(yuǎn)紫外線

③臭氧

主要吸收太陽紫外線,

④二氧化碳

主要吸收太陽紅外線，這一區(qū)域的太陽輻射很微弱，被吸收后對整個太陽輻射的影響不大。吸收具有選繹性。穿過大氣后的太陽輻射光譜變得極不規(guī)則。

大氣直接吸收的太陽輻射并不多，特別是對于對流層大氣來說，太陽輻射不是主要的直接熱源。

2.散射作用

①分子散射特點：散射質(zhì)點的直徑小于太陽輻射的波長。散射具有選擇性。

散射能力與波長的關(guān)系：散射能力和波長的四次方成反比。②粗粒散射

特點：散射質(zhì)點的直徑大于太陽輻射的波長。散射沒有選擇性，即輻射的各種波長都同樣地被散射。例如當(dāng)空氣中存在較多的塵?；蜢F粒，一定范圍的長短波都被同樣的散射，使天空呈灰白色。

以全球平均而言，太陽輻射約有31％因反射和散射回宇宙空間，24％被大氣直接吸收，45％到達(dá)地面。

3.反射作用

，高云反射率約25%，中云為50％，低云為65％，稀薄的云層也可反射10%－20％。一般情況下云的平均反射率為50%－55％。

（二）減弱規(guī)律

1.

大氣量（m）

m=1/sinh

太陽高度角(h）906030105310大氣量(m）1.01.12.05.610.415.427.035.42.大氣透明度

透過一個大氣量的輻射強度與進入該大氣的輻射強度之比。即當(dāng)太陽位于天頂處，在大氣上界太陽輻射通量為S0，而到達(dá)地面后為S，則:

S/S0=P3.布格公式：Sm=S0Pm

式中，Sm－地面輻射通量密度,S0－太陽常數(shù),P－大氣透明系數(shù),m－大氣量。

可以看出，如果大氣透明系數(shù)一定，大氣量以等差級數(shù)增加，則透過大氣層到達(dá)地面的太陽輻射，以等比級數(shù)減小。第三節(jié)到達(dá)地面的太陽輻射一、太陽直接輻射S’=Smsinh=S0Pmsinh

變化規(guī)律：

1.年變化

2.日變化

3.隨緯度的變化4.隨海拔的變化

2.散射輻射

散射輻射的強弱和太陽高度角及大氣透明度有關(guān)。

①太陽高度角增大時，散射輻射增強；變化規(guī)律：

②大氣透明度小時，散射輻射增強；反之，減弱。日變化和年變化與直接輻射相同。

3.總輻射直接輻射與散射輻射之和.

（1）日變化

日出以后，總輻射逐漸增加,到正午時達(dá)到最大值。（2）年變化

一年中,夏季最大，冬季最小。

(3)隨緯度的變化

緯度愈低，總輻射愈大，反之就愈小。緯度（度）64504030200可能總輻射（kcal/cm2）105128148163172187有效總輻射（kcal/cm2）4154749110082

據(jù)研究,我國輻射年總量最高地區(qū)在西藏為160－190千卡／厘米2·年。青海、新疆和黃河流域次之，為120-160千卡／厘米2。年，而長江流域與大部分華南地區(qū)則反而減少，為90－120千卡／厘米2年。這是因為西北、華北地區(qū)晴朗干燥的天氣較多，總輻射也較大，長江中、下游云量多，總輻射較小，西藏海拔高度大，總輻射量也大。

（四）地面對太陽輻射的反射陸地表面對太陽輻射的反射率約為10%－30％①深色土比淺色上反射能力小。②粗糙土比平滑土反射能力小。③潮濕土比干燥土反射能力小。④雪面的反射率很大，約為60％，潔白的雪面甚至可達(dá)90％（表2－3）。平靜水面的反射率為2％，對于波浪起伏的水面來說，其平均反射率為10％。因此，總的說來水面比陸面反射率稍小一些。表2-2北半球年總輻射隨緯度的分布地面反射率/%地面反射率/%砂土29-35耕地14黏土20綠草地26淺色土22-32干草地29深色土10-15新雪84-95黑鈣土14陳雪46-60表2-3不同性質(zhì)地面的反射率

第四節(jié)地面輻射和大氣輻射地面的平均溫度約300K，對流層的平均溫度約為250K。地氣系統(tǒng)輻射能的波長在3－120μm范圍內(nèi)。

太陽輻射稱為短波輻射，地面和大氣輻射稱為長波輻射。

一、地面輻射地表面單位面積單位時間內(nèi)輻射的能量(Eg)：

Eg=δσT4

δ--地表面的相對輻射率，為0.84-0.995。

地面輻射的波長為3~80μm，特點是：只有熱效應(yīng)，沒有光效應(yīng)。二、大氣輻射

波長4~120μm，能量最大的波長為11.6μm。特點:只有熱效應(yīng)，沒有光效應(yīng)。大氣逆輻射：大氣輻射朝向地面的部分。

大氣逆輻射的存在使地面實際損失的熱量少一些，這種作用稱為大氣的保溫效應(yīng)（溫室效應(yīng)）。如果沒有大氣，近地表面的平均氣溫為一23℃。但是實際近地表面的平均溫度為15，即大氣的存在使近地表面的氣溫提高了38℃

。因此，長波輻射是地面和大氣之間交換熱量的重要方式。

三、地面有效輻射

1.定義(Fo)

：地面輻射(Eg)和地面所吸收的大氣逆輻射(Ea)之差值,即

F。＝Eg－δEa

（2·10）δ為地面的吸收率。2.影響因子：（1）地面溫度

地面溫度增高時，地面輻射增強，（2）空氣濕度（3）云量

有濃密的低云時，逆輻射增強.（4）風(fēng)

夜間有風(fēng)時，增加了大氣逆輻射，減小了地面有效輻射。

第五節(jié)地面輻射差額1.定義：

指地面吸收的太陽總輻射與有效輻射之差。又稱輻射平衡或地面凈輻射（R）。

R＝（D＋S’）（1－a）一F0

(D＋S’）是太陽總輻射,a為地面反射率，F(xiàn)0為地面的有效輻射。

2.變化

在一天內(nèi)，白天為正值，夜