輻射過程課件

輻射過程第一節(jié)輻射概述一、輻射的基本知識

1、輻射與輻射能

自然界中的一切物體都以電磁波的方式向四周放射能量，這種傳播能量的方式稱為輻射。通過輻射傳播的能量稱為輻射能，也簡稱為輻射。

2、輻射通量密度單位時間內(nèi)通過單位面積的輻射能量稱輻射通量密度（E），單位是W/m2。其數(shù)值大小反映物體反射能力的強(qiáng)弱。

電磁波的波長范圍很廣，從波長10-10μm的宇宙射線，到波長達(dá)幾千米的無線電波。可見光：0.4—0.76μm的波長3、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Qo，被吸收的為Qa，被反射的為Qr，透過的為Qd

根據(jù)能量守恒原理Qa+Qr+Qd=Qo將上式等號兩邊除以Qo，得

式中左邊第一項為物體吸收的輻射與投射于其上的輻射之比，稱為吸收率（a）；第二項為物體反射的輻射與投射于其上的輻射之比，稱為反射率（r）；第三項為透過物體的輻射與投射于其上的輻射之比，稱為透射率（d），則

a+r+d=1a、r、d分別表示物體對輻射吸收、反射和透射的能力。二、有關(guān)輻射的基本定律

1、基爾荷夫（Kirchhoff）定律

在一定波長、一定溫度下，一個物體的吸收率等于該物體同溫度、同波長的放射率；同一物體在某一溫度時放射某一波長的輻射，那么在同一溫度下也吸收這一波長的輻射。2、斯蒂芬（Stefan）-玻耳茲曼（Boltzman）定律

黑體的總放射能力與它本身的絕對溫度的四次方成正比，即

ETb=σT4

式中σ=5.67×10-8W/（m2·K4）為斯蒂芬-波耳茲曼常數(shù)3、維恩（Wein）位移定律

黑體單色輻射強(qiáng)度極大值所對應(yīng)的波長與其絕對溫度成反比，即

λmT=C

物體的溫度愈高，輻射的波長愈短，反之，物體的溫度愈低，輻射的波長愈長。

一、太陽輻射

太陽以電磁波的形式向外傳遞能量，稱為太陽輻射1、太陽輻射光譜

太陽輻射中輻射能按波長的分布，稱為太陽輻射光譜

第二節(jié)大氣對太陽輻射的作用可見光區(qū)◆特點(diǎn)：輻射能中，波長在0.15—4.0?之間占99%以上，而且主要分布在可見光區(qū)（50%）和紅外區(qū)（43%），紫外區(qū)的太陽輻射很少，只占7%。2、太陽常數(shù)

就日地平均距離來說，在大氣上界，垂直于太陽光線的1cm2面積內(nèi)，1min內(nèi)獲得的太陽輻射能量，稱太陽常數(shù)，用I0表示。太陽常數(shù)變動于1359—1418W/m2之間。多數(shù)文獻(xiàn)上采用1370W/m2

曲線4是進(jìn)一步考慮到粗粒散射作用后的光譜；

曲線5是將水汽吸收作用也考慮在內(nèi)的光譜，它也可近似地看成是地面所觀測到的太陽輻射光譜

二、大氣對太陽輻射的削弱作用

1、穿過大氣的太陽輻射光譜曲線1是大氣上界太陽輻射光譜

曲線2是臭氧層下的太陽輻射光譜；

曲線3是同時考慮到分子散射作用的光譜；主要變化：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2、大氣對太陽輻射的吸收

水汽：在紅外區(qū)吸收最強(qiáng)，可減弱4%-15%

氧：能微弱地吸收太陽輻射，在小于0.2μm處吸收能力較強(qiáng)，在0.69和0.76μm附近，也有吸收帶，但吸收能力較弱。臭氧：在0.2-0.3μm為一強(qiáng)吸收帶，使得小于0.29μm的輻射不能到達(dá)地面。在0.6μm附近有一寬吸收帶，吸收能力雖然不強(qiáng)，但因位于太陽輻射最強(qiáng)烈的輻射帶里，所以吸收的太陽輻射量相對較多。二氧化碳：對紅外區(qū)4.3μm附近的輻射吸收較強(qiáng)，對整個太陽輻射的影響不大。懸浮的水滴、塵埃等雜質(zhì)：能吸收一部分太陽輻射，但量極少

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。3、大氣對太陽輻射的散射

太陽輻射遇到空氣分子、塵粒、云滴等質(zhì)點(diǎn)時，方向發(fā)生改變，使太陽輻射以質(zhì)點(diǎn)為中心向四面八方傳播，稱為散射分子散射（蕾利散射）：如果太陽輻射遇到直徑比波長小的空氣分子，散射能力與波長的四次方成反比，即輻射的波長愈短，散射得愈強(qiáng)空氣分子的短波散射成都粗粒散射（米散射）：如果太陽輻射遇到的直徑比波長大一些的質(zhì)點(diǎn)，散射是沒有選擇性的，即輻射的各種波長都同樣地被散射。

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。4、大氣的云層和塵埃對太陽輻射的反射

云的反射作用最為顯著高云反射率約25％，中云為50％，低云為65％，稀薄的云層也可反射10％—20％。厚云層反射可達(dá)90％，一般情況下云的平均反射率為50％—55％。上述三種方式中，反射作用最主要，其次是散射，而吸收作用最小，太陽輻射約有30％被散射回宇宙（稱之為行星反射率），20％被大氣和云層直接吸收，50％到達(dá)地面被吸收。

厚云層的反射與散射三、到達(dá)地面的太陽輻射

太陽高度角越小，等量的太陽輻射散步的面積就越大，地面單位面積上獲得的太陽輻射就越小；反之，太陽高度角越大，單位面積上獲得的太陽輻射就越多。1、直接輻射

（1）太陽高度角的影響直接輻射：太陽以平行光的形式直接投射到地面上的輻射到達(dá)地面的總輻射散射輻射：經(jīng)過散射后從天空投射到地面的輻射

太陽高度角越小，太陽輻射穿過的大氣層越厚，被減弱的也越多，到達(dá)地面的直接輻射就越少，反之，太陽高度角越大，到達(dá)地面的直接輻射就越多解釋：大氣質(zhì)量數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)氣壓下，太陽光垂直投射到地面所經(jīng)路程中，單位面積的空氣柱的質(zhì)量成為一個大氣質(zhì)量。大氣質(zhì)量數(shù)隨太陽高度減小而增加，因此，大氣質(zhì)量數(shù)越大，輻射被消弱得越多，即，太陽高度角越小，輻射被消弱得越多

（2）大氣透明度的影響大氣透明度用“透明系數(shù)P”表示，即透過一個大氣質(zhì)量的輻射強(qiáng)度與進(jìn)入該大氣的輻射強(qiáng)度之比。大氣中的水汽、凝結(jié)物、塵粒越多，透明度越差，透明系數(shù)越小，太陽輻射被減弱的越多。

太陽輻射透過大氣層后的減弱與大氣透明系數(shù)和通過大氣質(zhì)量之間的關(guān)系，可用布格（Bouguer）公式表示

I=I0pm式中，I為到達(dá)地面的太陽輻射強(qiáng)度；I0為太陽常數(shù)；p為空氣透明系數(shù)；m為大氣質(zhì)量數(shù)思考：直接輻射的變化規(guī)律？2、散射輻射

太陽高度角增大時，到達(dá)近地面層的直接輻射增強(qiáng)，散射輻射也就相應(yīng)地增強(qiáng)大氣透明度不好時，參與散射作用的質(zhì)點(diǎn)增多，散射輻射增強(qiáng)

變化特點(diǎn)：一日內(nèi)正午最強(qiáng)，一年內(nèi)夏季最強(qiáng)3、總輻射

直接輻射與散射輻射之和稱總輻射日變化：日出前最少，隨時間的增加而增多，正午最多年變化：夏季最大，冬季最?。ǔ嗟栏浇猓┚暥茸兓旱途暥?，高緯少日出以前，只有散射輻射

日出以后，太陽直接輻射和散射輻射逐漸增加；但前者增加得較快，當(dāng)太陽高度升到約等于8°時，直接輻射與散射輻射相等

當(dāng)太陽高度為50°時，散射輻射值僅相當(dāng)總輻射的10％—20％；

到中午時太陽直接輻射與散射輻射強(qiáng)度均達(dá)到最大值；中午以后二者又按相反的次序變化云的影響可以使這種規(guī)律受到破壞，因為云對直接輻射的減弱很顯著!我國年輻射總量區(qū)域差異：西北、華北多，長江流域、華南地區(qū)少。緯度（°N）64504030200可能總輻射139.3169.9196.4216.3228.2248.1有效輻射54.471.198.2120.8132.7108.8有效輻射的最大值不在赤道，而在20°N4、地面對太陽輻射的反射

到達(dá)地面的總輻射一部分被地面吸收轉(zhuǎn)變成熱能，另一部分被反射。

陸地表面的反射率約為10％—30％雪的反射率60%-90%水面的反射率與太陽高度角和水面平靜程度有關(guān)：若水面平靜，放射率雖太陽高度角的減小而增加；若水面波浪起伏，平均反射率為10%不同性質(zhì)地面的反射率地面反射率地面反射率地面反射率砂土29-35黑鈣土(干)14干草地29粘土20黑鈣土(濕)8小麥地10-25淺色土22-32耕地14新雪84-95深色土10-15綠草地26陳雪46-60第三節(jié)地面和大氣長波輻射太陽輻射雖然是地球上的主要能源，但因為大氣本身對太陽輻射直接吸收很少，而水、陸、植被等地球表面（又稱下墊面）卻能大量吸收太陽輻射，并經(jīng)轉(zhuǎn)化供給大氣，從這個意義來說，下墊面是大氣的直接熱源。一、地面和大氣長波輻射

1、為什么把地面和大氣輻射稱為長波輻射？

地面平均溫度約為300K，對流層大氣的平均溫度約為250K，熱輻射95%的能量集中在3-120μm的波長范圍內(nèi)。所以我們把地面和大氣的輻射稱為長波輻射，而把太陽輻射稱為短波輻射。假定地面平均溫度為15℃，根據(jù)維恩位移定律有：

λm=C/T=2896/288≈10μm

輻射能最強(qiáng)波段波長在10—15μm范圍內(nèi)

2、大氣對長波輻射的吸收

大氣對長波輻射的吸收非常強(qiáng)烈大氣在整個長波段，除8—12μm一段外，其余吸收率為1。

8—12μm處吸收率最小，透明度最大，稱為“大氣窗口”。這個波段的輻射，正好位于地面輻射能力最強(qiáng)處，所以地面輻射有20％的能量透過這一窗口射向宇宙空間。3、大氣中長波輻射的特點(diǎn)

第一，太陽直接輻射是作為定向的平行輻射進(jìn)入大氣的，而地面和大氣輻射是漫射輻射。第二，不僅考慮對長波輻射的吸收，還要考慮大氣本身的長波輻射。第三，長波輻射在大氣中傳播時，可以不考慮散射作用。二、大氣逆輻射與地面有效輻射

1、大氣逆輻射

大氣輻射指向地面的部分稱為大氣逆輻射如果沒有大氣，近地面的平均溫度應(yīng)為-23℃，但實際上近地面的均溫是15℃，也就是說大氣的存在使近地面的溫度提高了38℃。

2、地面有效輻射

地面放射的輻射（Eg）與地面吸收的大氣逆輻射（δEa）之差，稱為地面有效輻射。以F0表示F0=Eg-δEa影響因子：地面溫度，空氣溫度，空氣濕度和云況3、溫室效應(yīng)

太陽短波輻射可以透過大氣射入地面，而地面增暖后放出的長輻射卻絕大部分被大氣所吸收，又以大氣逆輻射返回地面，使地面因放射輻射而損耗的能量得到一定的補(bǔ)償，對地面有一種保暖作用，這種作用稱為大氣的溫室效應(yīng)（保溫效應(yīng)）地面有效輻射與地面溫度、空氣溫度、濕度和云況的關(guān)系濕熱天氣的有效輻射比干冷時小

有云覆蓋時比晴朗天空條件下有效輻射小

空氣混濁度大時比空氣干潔時有效輻射小

在夜間風(fēng)大時有效輻射小

海拔高度高的地方有效輻射大

當(dāng)近地層氣溫隨高度顯著降低時，有效輻射大

有逆溫時有效輻射小，甚至可出現(xiàn)負(fù)值

平滑地表面的有效輻射比粗糙地表面有效輻射小

有植物覆蓋時的有效輻射比裸地的有效輻射小地面有效輻射的日變化、年變化在白天，有效輻射在中午12—14時達(dá)最大在夜間，由于地面輻射冷卻的緣故，有效輻射值也逐漸減小，在清晨達(dá)到最小有效輻射的年變化夏季最大，冬季最小我國秦嶺、淮河以南地區(qū)有效輻射秋季最大，春季最小；華北、東北等地區(qū)有效輻射則春季最大，夏季最小，這是由于水汽和云況的影響第四節(jié)輻射差額一、地面輻射差額

1、基本概念某段時間內(nèi)單位面積地表面所吸收的總輻射和其有效輻射之差值，稱為地面的輻射差額Rg。即：

Rg=（Q+q）（1-a）-F0式中（Q+q）是到達(dá)地面的太陽總輻射；a為地面對總輻射的反射率；F