氣象學(xué)第二章輻射

氣象學(xué)第二章輻射第1頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第二章輻射

徦如沒(méi)有太陽(yáng)。。。第2頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五輻射就是物體發(fā)射電磁波所有物體都在發(fā)射電磁波，也吸收電磁波電磁波就是“光”；光就是電磁波電磁波是一種能量，無(wú)處不在，無(wú)時(shí)不在電磁波是物體間能量交換的重要方式。第3頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五光是什么？輻射是很危險(xiǎn)的東西嗎？紫外線(xiàn)消毒的原理？微波爐加熱食物的原理？藍(lán)色是冷色，紅色為曖色？太陽(yáng)離地球很遠(yuǎn)，為何會(huì)帶給地球溫暖？晴朗的天空為何是藍(lán)色的，日落為紅色？葉片為何是綠色的？為何夏天穿黑色衣服感覺(jué)更熱？第4頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五主要內(nèi)容1.輻射的基本知識(shí)2.太陽(yáng)輻射太陽(yáng)的高度與方位、晝長(zhǎng)變化太陽(yáng)輻射概述大氣層對(duì)太陽(yáng)輻射的影響到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射與植物的關(guān)系3.地面和大氣輻射大氣溫室效應(yīng)地面輻射大氣輻射黑體與灰體輻射與電磁波輻射基本規(guī)律第5頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五1.輻射的基本知識(shí)輻射定義電磁波輻射的基本規(guī)律

基爾霍夫定律（Kirchhoff）斯蒂芬—波茨曼(Stefan-Boltzman)定律維恩（Wien）位移定律第6頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五輻射：物體發(fā)射電磁波任何物體(＞－273℃)都會(huì)向外發(fā)射電磁波電磁波？發(fā)射電磁波的強(qiáng)度發(fā)射什么樣的電磁波物體對(duì)電磁波的吸收第7頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第8頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第9頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五振動(dòng)產(chǎn)生波墻第10頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五所有的物體都由分子、原子等帶電粒子組成“振動(dòng)”的強(qiáng)烈程度即是“溫度”熱輻射帶電粒子的振動(dòng)產(chǎn)生電磁波所有的帶電粒子都在“振動(dòng)”所有的物體都在輻射電磁波，且與溫度有關(guān)輻射第11頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第12頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五名稱(chēng)波長(zhǎng)范圍紫外線(xiàn)100?！?.4微米可見(jiàn)光0.4微米～0.76微米紅外線(xiàn)近紅外0.76微米～3.0微米中紅外3.0微米～6.0微米遠(yuǎn)紅外6.0微米～15微米超遠(yuǎn)紅外15微米～1000微米微波毫米波1～10毫米厘米波1～10厘米分米波10厘米～1米色彩名稱(chēng)波長(zhǎng)范圍紫0.40～0.43微米藍(lán)0.43～0.47微米青0.47～0.50微米綠0.50～0.56微米黃0.56～0.59微米橙0.59～0.62微米紅0.62～0.76微米不同電磁波的具體波長(zhǎng)范圍可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍第13頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五斯蒂芬—波茨曼(Stefan-Boltzman)定律黑體和灰體

黑體：能將投射到其表面的輻射全部吸收的物體，如地面、太陽(yáng)表面。只能部分吸收的為灰體黑體的輻射強(qiáng)度（E）與其表面的絕對(duì)溫度（T）的四次方成正比，即：E=σT4

σ=5.67×10-8是斯蒂芬—波茨曼常數(shù)。普通物體的輻射強(qiáng)度

E=εσT4

ε：輻射率第14頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五維恩（Wien）定律物體輻射出各種波長(zhǎng)的電磁波（輻射波譜）

物體輻射能力最強(qiáng)的電磁波波長(zhǎng)與T成反比λmax=2897/T（μm）λmax輻射能力最強(qiáng)的電磁波波長(zhǎng)第15頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第16頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五例如：太陽(yáng)表面溫度為6000K，最大輻射波長(zhǎng)λmax=2897/6000=0.48μm

地球表面的平均溫度為288K，放射的最大輻射波長(zhǎng)為

λmax=2897/288=10μm第17頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五基爾霍夫定律（Kirchhoff）物體易發(fā)射某波段的電磁波，同時(shí)也易吸收相同波段的電磁波

物體對(duì)電磁波的吸收是有選擇性的，如大氣、水、玻璃、塑料薄膜、雪等。（大氣溫室效應(yīng)原理）第18頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五鐵在常溫下為黑色，高溫下為白色？黑色的路面、墻面等的溫度變化紅外測(cè)溫儀、夜視設(shè)備、紅外感應(yīng)等冷血?jiǎng)游铮ㄉ叩龋┨?yáng)能的利用第19頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第20頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第21頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五2.太陽(yáng)輻射2.1影響太陽(yáng)輻射的天文因素2.2太陽(yáng)輻射概述2.3大氣層對(duì)太陽(yáng)輻射的影響2.4到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射2.5植物與太陽(yáng)輻射的關(guān)系第22頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五2.1影響太陽(yáng)輻射的天文因素太陽(yáng)的高度、方位、晝長(zhǎng)變化太陽(yáng)高度與方位意義太陽(yáng)高度日變化、年變化、地區(qū)變化正午太陽(yáng)高度角建筑物朝向、溫室頂面傾角、山的南北坡小氣候差別、果園行向、空調(diào)安裝方位等第23頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五H正午＝90－A+BA:緯度

B:太陽(yáng)赤緯，太陽(yáng)直射點(diǎn)緯度春、秋分0

夏至23.5冬至－23.5

可查表、計(jì)算第24頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五廣州夏至、春分、冬日正午的太陽(yáng)高度H夏至=90-A+B=90-23+23.5=90.5（180-90.5=89.5）H春分=90-A+B=90-23+0=67H冬至=90-A+B=90-23-23.5=43.5第25頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五天頂南北夏至春分冬至第26頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五北京夏至、春分、冬日正午的太陽(yáng)高度H夏至=90-A+B=90-40+23.5=73.5H春分=90-A+B=90-40+0=50H冬至=90-A+B=90-40-23.5=26.5第27頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第28頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第29頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五北南天頂春秋分太陽(yáng)的高度與方位：日出正東正午正南日落正西太陽(yáng)光線(xiàn)地平線(xiàn)第30頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五天頂?shù)仄骄€(xiàn)北南夏至太陽(yáng)方位日出東偏北

正午日落西偏北回歸線(xiàn)以北：正南回歸線(xiàn)：天頂回歸線(xiàn)以南：正北

第31頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五冬至太陽(yáng)方位日出東偏南正午正南日落西偏南第32頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五晝長(zhǎng)的時(shí)空變化晝長(zhǎng)即是太陽(yáng)從地平面升起到落下的這段時(shí)間，也叫日長(zhǎng)或可照時(shí)間。光照時(shí)間=晝長(zhǎng)+曙光+暮光緯度越高，曙暮光時(shí)間越長(zhǎng)與植物的光周期有關(guān)第33頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第34頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五2.2太陽(yáng)輻射概述

太陽(yáng)輻射光譜輻射強(qiáng)度太陽(yáng)常數(shù)輻射強(qiáng)度、照度、量子通量密度第35頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五太陽(yáng)輻射光譜

定義太陽(yáng)輻射能隨波長(zhǎng)的分布曲線(xiàn)。大氣上界的太陽(yáng)輻射光譜圖中：實(shí)線(xiàn)是大氣上界的太陽(yáng)輻射光譜；虛線(xiàn)是溫度在6,000K時(shí)的黑體輻射光譜。

第36頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五太陽(yáng)輻射概述第37頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五2.2太陽(yáng)輻射概述波長(zhǎng)范圍，大約在0.15-4微米之間。能量分布波長(zhǎng)較短的紫外光區(qū)7％波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅外光區(qū)43％可見(jiàn)光區(qū)50％生理輻射或光合有效輻射第38頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五2.2太陽(yáng)輻射概述太陽(yáng)輻射強(qiáng)度在垂直照射情況下在單位時(shí)間內(nèi)、單位面積上所得到的輻射能量。太陽(yáng)常數(shù)在日地平均距離的條件下，在地球大氣上界的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度。1367W/m2第39頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五2.2太陽(yáng)輻射概述輻射強(qiáng)度：w/m2，用能量計(jì)算。照度：光照強(qiáng)度，米燭光（lux)，夏日中午可高達(dá)12萬(wàn)lux以上。照明等。光（量）子通量密度：E/m2·s1E=6.02×1022個(gè)光子，用于光合作用等較好。第40頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第41頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第42頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五太陽(yáng)紫外線(xiàn)(UV)（選講）具有較高的能量，波長(zhǎng)越短，能量越高。UVC

0.2-0.29的紫外線(xiàn)對(duì)生物有殺傷作用，可殺死單細(xì)胞生物，降低人體免役力，傷害人眼的視網(wǎng)膜，致使失明，好在這部分紫外線(xiàn)基本上被大氣中的O3吸收掉了，很少到達(dá)地面。第43頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五UVB

0.29-0.32波段紫外線(xiàn)有少量到達(dá)地面，這部分紫外線(xiàn)能量也較高，可穿透人的皮膚，產(chǎn)生日灼，甚至皮膚癌（90%的皮膚癌與有關(guān)），有意思的是，UVB有利于維生素D的合成，而維生素D與人的健康關(guān)系密切。第44頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五UVA0.32-0.4波段紫外線(xiàn)能量相對(duì)較低一些，可使皮膚變紅，對(duì)免役系統(tǒng)有一定危害。紫外線(xiàn)作用下，皮膚細(xì)胞中會(huì)產(chǎn)生一些黑色素，黑色素可吸收紫外線(xiàn)，起到保護(hù)作用（白種人與日光，皮膚癌）。第45頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五紫外線(xiàn)指數(shù)預(yù)報(bào)紫外線(xiàn)指數(shù)：中午前后到達(dá)地面的紫外線(xiàn)對(duì)人體可能造成的損害程度。用0至15表示。夜間為0，最強(qiáng)為15。

1級(jí)：0、1、2

2級(jí)：3、4

3級(jí)：5、6中等強(qiáng)度，有一定影響

4級(jí)：7、8、9較強(qiáng)，危害較大

5級(jí)：10以上，危害大，需預(yù)防第46頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五2.3大氣層對(duì)太陽(yáng)輻射的影響吸收作用

散射作用

反射作用第47頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五大氣吸收大氣反射第48頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五吸收作用吸收后變?yōu)闊崮?，可使氣溫升高吸收物質(zhì)水氣0.93～2.85微米之間臭氧0.2～0.3微米大氣主體成份無(wú)吸收作用太陽(yáng)輻射主體未被吸收太陽(yáng)輻射不是大氣直接熱源

塵埃等眼對(duì)紫色不敏感第49頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第50頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五水汽吸收最強(qiáng)的是在紅外區(qū)，從0.93-2.85微米之間的幾個(gè)吸收帶。最強(qiáng)的太陽(yáng)輻射能是短波部分，因此水汽從總的太陽(yáng)輻射能里所吸收的能量是不多的。據(jù)估計(jì)，太陽(yáng)輻射因水汽的吸收可以減弱4-15％。

氮和氧，只有氧能微弱地吸收太陽(yáng)輻射。在波長(zhǎng)小于0.2微米處為一寬的吸收帶，吸收能力較強(qiáng)；在0.69和0.76微米附近，各有一個(gè)窄吸收帶，吸收能力較弱。

臭氧在大氣中含量雖少，但對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收很強(qiáng)。0.2-0.3微米為一強(qiáng)吸收帶，使小于0.29微米的太陽(yáng)輻射不能到達(dá)地面。

二氧化碳對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收比較弱，僅對(duì)紅外區(qū)4.3微米附近的輻射吸收較強(qiáng)，但這一區(qū)域的太陽(yáng)輻射很微弱，被吸收后對(duì)整個(gè)太陽(yáng)輻射影響不大。第51頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五散射作用輻射遇到大氣中的質(zhì)點(diǎn)，以此為中心向四面八方散開(kāi)。只改變方向。類(lèi)型分子散射粗粒散射散射質(zhì)點(diǎn)：分子散射強(qiáng)度：與波長(zhǎng)的四次方成反比高層大氣，或天空晴朗藍(lán)天、多彩天空的原因天空多塵埃、云霧時(shí)散射質(zhì)點(diǎn)：粒子散射強(qiáng)度：與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)又稱(chēng)雷萊散射第52頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第53頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第54頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第55頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第56頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第57頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第58頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第59頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第60頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第61頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第62頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第63頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第64頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五反射作用云層反射平均達(dá)50～55％大氣中較大顆粒的埃塵散射作用指向天空的部分第65頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第66頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第67頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五由直接輻射和散射輻射組成影響因素太陽(yáng)高度角大氣狀況：云量、塵埃大氣透明度等海拔高緯和低緯度地區(qū)，冬天和夏天，平原和高原，晴天和陰天太陽(yáng)輻射的差異？2.4到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射第68頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五太陽(yáng)高度角與輻射強(qiáng)度太陽(yáng)高度角越大，輻射強(qiáng)度越強(qiáng)第69頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五太陽(yáng)高度角與輻射強(qiáng)度高度越小，路徑越長(zhǎng)，損失越少第70頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五太陽(yáng)直接輻射光譜與高度角的關(guān)系光譜成分0.551020305090紫外線(xiàn)00.41.02.02.73.24.7可見(jiàn)光31.238.641.042.44.43.45.3紅外線(xiàn)68.861.058.056.54.52.50.0第71頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五太陽(yáng)輻射與植物關(guān)系l.波長(zhǎng)大干1μm的輻射被植物吸收轉(zhuǎn)為熱能，不參與生化作用。2波長(zhǎng)為0.72-1μm伸長(zhǎng)起作用，其中0.7—0.8μm稱(chēng)為遠(yuǎn)紅光，對(duì)光周期和種子形成有重要作用，并控制開(kāi)花與果實(shí)顏色。3.波長(zhǎng)為0.61—0.72μm的輻射(紅、橙光)被葉綠素強(qiáng)烈吸收，光合作用最強(qiáng)4．波長(zhǎng)為0.51—0.61μm的輻射(綠光)

表現(xiàn)為低光合作用與弱成形作用。

5．波長(zhǎng)0.4—0.51μm的輻射(藍(lán)、紫光)被葉綠素強(qiáng)烈吸收，表現(xiàn)強(qiáng)的光合作用與成形作用

6.波長(zhǎng)0.315—0.4μm的輻射起成形作用，如使植物變矮、葉片變厚等。7.波長(zhǎng)0.28—0.315μm的輻射對(duì)大多數(shù)植物有害。8.波長(zhǎng)小于0.28μm的輻射能立即殺死植物。

第72頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五3.地面和大氣輻射地面輻射大氣輻射大氣逆輻射地面有效輻射地面凈輻射大氣溫室效應(yīng)第73頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五地面輻射1～30μm主要在10μm附近如地面溫度15℃時(shí)：

E=εσT4=0.9×5.67×10-8×2884

=346.7(w/m2)

λmax=2897/T=2897/288=10（μm）一般，波長(zhǎng)＞4μm稱(chēng)長(zhǎng)波輻射波長(zhǎng)＜4μm稱(chēng)短波輻射

第74頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五大氣輻射輻射主體：co2、水氣、云、塵埃等大氣逆輻射大氣輻射中向下的那一部分大氣天窗大氣在8～12μm吸收率很小是地表失去能量的通道第75頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五影響因素地面有效輻射是地表實(shí)際失去的輻射能即地面輻射－大氣逆輻射地表溫度，越高，輻射力越強(qiáng)空氣溫度，越高，大氣逆輻射越強(qiáng)空氣濕度，越大，有效輻射越小天空云量，越多，有效輻射越小海拔高度，越高，有效輻射越大第76頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第77頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五地面凈輻射RR＝（S＋D）×（1－a)-F0S：直接輻射D：散射輻射a:反射率F0：地面有效輻射到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射地面得到的太陽(yáng)輻射又稱(chēng)地面輻射差額、輻射平衡第78頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五意義：影響因素R是地面凈得到或凈失去的輻射能，對(duì)天氣和氣候有重在意義。R＞0，凈得到輻射能R＜0，凈失去輻射能R＝0，輻射能收支平衡到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射下墊面反射特征大氣狀況海拔高度第79頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五大氣溫室效應(yīng)地球輻射平衡溫度地球得到的太陽(yáng)輻射能與地球失去的輻射能應(yīng)相等，否則會(huì)升溫或降溫理論上地球均溫為-18℃實(shí)際為+15℃這是大氣溫室效應(yīng)的結(jié)果第80頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第81頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第82頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五溫室效應(yīng)原因玻璃阻隔室內(nèi)外空氣熱交換短波輻射易進(jìn)，長(zhǎng)波不易出大氣溫室效應(yīng)：短波輻射易進(jìn)，長(zhǎng)波不易出大氣的溫室效應(yīng)是必要的問(wèn)題在于溫室效應(yīng)的增強(qiáng)第83頁(yè)，共97頁(yè)，2023年，2月20日，星期五