气象学课件2

( Ganghua Li 2009 )第二章辐射辐射的基本知识第一节第二节第三节太阳辐射退出第四节地面和大气辐射辐射与农业辐射与辐射能辐射光谱辐射的基本定律一二三第一节辐射的基本知识一.辐射与辐射能1.辐射(radiation)物体以电磁波（或粒子）的形式向外放射能量的方式叫做辐射，放射的能量叫做辐射能，也简称辐射。

产生辐射的原因有多种，在气象学中最重要的是热辐射。

热辐射(heat radiation)：由于物质中的分子、原子受到热激发而发射电磁波的现象称为热辐射。

辐射的能量和波长分布都与温度有关的辐射。

2.辐射能(radiation energy)根据辐射的粒子学说，电磁辐射由具有一定质量、能量和动量的粒子组成。

每个量子所带的能量与其频率成正比，或与波长成反比：e= hν或e=hc/λh是普朗克常数c是光速λ是波长辐射能的量度单位(1)量子数单位用每mol（阿伏加德罗常数6.02×1023)光量子为单位，1mol光量子称为１Ei.(2)辐射通量单位时间通过某一面积的辐射能量，单位是J/s或Ｗ。

(3)辐射通量密度单位时间、单位面积上通过的辐射能量，单位是J/s·m2或Ｗ/m2。

黑体和灰体对任何波长的辐射的吸收率都等于1的物体叫做绝对黑体（absolute black body）。

对某种波长的吸收率为1的物体叫做对该种波长为黑体（black body）。

对任何波长的辐射的吸收率都为一个小于1的常数的物体就叫做灰体（gray body）。

二、辐射光谱(radiation spectrum)辐射能量按波长的分布就是辐射光谱（辐射波谱）。

从理论上来说，辐射的波长可以从0到∞，能够测出的辐射的波长范围约为10-10到1010μm，见下表。

波谱名称X射线γ射线紫外线可见光红外线无线电波波长范围10-8～10-210-7～10-4 10-4～0.4 0.4～0.76 0.76～103103～1010 (μm)根据Plank定律计算的黑体辐射根据Plank定律计算的黑体辐射绝对黑体辐射的特点①任何温度下都发射波长为0~∞的辐射,但发射能力随温度迅速变化，每一温度条件下都有一辐射相对集中的波段；②在一定温度下，绝对黑体都有一辐射最强的波长，称绝对黑体辐射最大值所对应的表示。

波长，用λmax2.斯蒂芬-波尔兹曼（Stefan-Boltzmann ）定律黑体的总放射能力与其表面温度的四次方成正比。

即：E TB =ζT4其中E TB 为绝对黑体表面的总放射能力，T 为绝对黑体表面的绝对温度，单位为k;ζ为斯蒂芬－波尔兹曼常数，其值为5.67×10-8 W/m 2·K 4。

S-B 定律可由Plank 定律积分求得：40T d E E B TB σλ==⎰∞3.基尔霍夫（Kirchhoff ）定律发射率ελT ：任意物体在某一温度T 时对波长λ的辐射能力E(λ,T)与绝对黑体的辐射能力E B (λ,T)之比。

ελT ＝E(λ,T)／E B (λ,T)基尔霍夫定律:任何物体在某一温度T 时对波长λ的辐射的发射率与对同一波长λ的辐射的吸收率相等。

即：ελT ＝a λT由基尔霍夫定律可知：ελT ＝a λT1)对同一物体，在一定温度条件下，如果它辐射某一波长的辐射，则它必然也吸收这种波长的辐射。

2)物体的辐射能力强，其吸收能力也强;反之亦然。

4.维恩（Wein ）位移定律黑体辐射能力最大值所对应的波长λmax 与黑体的绝对温度T 成反比，即：λmax ＝C/T其中C 为维恩常数，当波长以μm 为单位时，其值为2897μm·K 。

由上式可看出,物体温度越高,发射的辐射峰值λmax 越短。

太阳辐射光谱和太阳常数太阳辐射在大气中的衰减日地关系到达地面的太阳辐射地面对太阳辐射的反射一二三四五第二节太阳辐射一. 太阳辐射光谱和太阳常数1. 太阳辐射光谱在大气上界测得的太阳辐射与根据Plank公式计算的6000K的绝对黑体辐射的光谱能量分布非常相似。

太阳辐射光谱的能量分布大气上界太阳辐射能99%集中在0.15~ 4μm 其中：紫外线区：λ < 0.4μm占7%可见光区：0.4≤λ≤0.76μm，占50%红外线区：λ>0.76μm, 占43%可见光部分能量所占比例最大，辐射能量最大值对应的波长为：λ= 0.475μmmax2. 太阳常数(Solar Constant, R)SC 日地平均距离时，在被照亮的半个地球的大气上界，垂直于太阳光线的平面上，单位时间单位面积接受的太阳辐射能量。

R SC=1367W·m-2二、太阳辐射在大气中的衰减太阳辐射在大气中要受到大气的吸收、散射和反射作用，到达地面后明显减弱。

吸收太阳辐射的物质：主要是O 2，O 3，CO 2，H 2O 等●O 2吸收λ<0.2μm 的紫外线，主要发生在高层大气●O 3吸收紫外线，在0.2-0.3 μm 是强烈的吸收带，使λ<0.3μm 的紫外线不能到达地面，能减少太阳总能量的4%，主要在平流层20—25km 处●CO 2主要吸收红外线，但强度较弱●H 2O 主要吸收红外线，减少太阳总能量的4%-15%●尘埃、水滴也可吸收部分太阳辐射1.大气对太阳辐射的吸收大气各成分对太阳辐射的吸收光谱波长（微米）吸收率AtmosphereH 2O CO 2N 2OCH 4O 2 andO 3特点1)大气吸收太阳辐射占总量的24%；2)平流层及以上气层主要是O2，O3吸收紫外线，吸收率接近于1；平流层以下主要是水汽和CO2对红外线的吸收；3)大气对太阳辐射的吸收具有选择性；整个大气层对可见光的吸收率约为0.1，而太阳辐射能量集中在可见光区；因此，低层大气因吸收太阳辐射而增温是很少的，太阳辐射不是对流层的直接热源。

2.大气对太阳辐射的散射散射(Scattering)是质点受到投射来的电磁波冲击时，引起质点中的电子振动，而向四面八方放射电磁波。

特点：只改变原辐射的方向不能将太阳辐射变为内能意义发生分子散射时，辐射波长愈短，受到质点的散射作用愈强。

∴分子散射具有选择性即：分子散射主要是散射短波辐射例：紫光λ=0.44μm ，红光λ=0.7μm ，即：λZ ≈0.63λH 紫光的散射率为：紫光的散射率是红光的散射率的6.4倍。

可见，蓝紫光散射率比红橙光要大得多。

这就是晴朗天空呈蓝色、而太阳接近地平线时光盘呈红色的原因。

4444.616.0HH z c c c λλλ==（2）粗粒散射（米散射,Mie scattering）质点直径与波长λ接近或比波长λ大的散射为粗粒散射.特点：粗粒散射与波长无关，对各波长的散射能力相同。

∴大气较混浊时，大气中悬浮较多的尘粒与水滴时，天空呈灰白色3.大气云层及微粒对太阳辐射的反射云层与大颗粒尘埃能将太阳辐射反射回太空。

反射对波长没有选择性。

云的反射率与云厚、云状及云量等因素有关，一般来说云的平均反射率约为0.50 ─ 0.55。

被云层反射的太阳辐射占总量的25%三、日地关系1. 地球的公转地球的公转(revolution)就是地球绕太阳的周期性旋转，其轨道为一椭圆形，太阳为一个焦点。

地球的近日点是1月3日，远日点是7月4日。

地球的公转示意地球公转轨道和廿四节气2. 地球的自转地球的自转（rotation)就是地球绕从北极到南极的地轴的周期性旋转。

地球自转规律在气象上有非常重要的意义，这是因为地球自转具有两个很重要的特点。

地球自转的两个特点(1) 自转轴和公转轨道面不垂直，而成66°33′的夹角；(2)自转轴的方向保持不变。

这两个特点是地球上产生温度春夏秋冬季节变化和昼夜长短变化的根本原因。

地球自转轴方向保持不变二分二至时地球与太阳的相对位臵冬至(winter solstice)夏至(summer solstice)春分(spring equinox)秋分(autumn equinox)冬夏至地球与太阳的相对位臵夏至(summer solstice)冬至(winter solstice)光线的直射和斜射示意3. 太阳直射点及其变化规律太阳直射点就是太阳中心与地球中心的连线与地面的交点。

在这一点处，太阳垂直照射地面，这一点在全球太阳辐射最强。

太阳直射点所在的纬度称为太阳赤纬。

太阳直射点的位移4. 太阳高度角太阳在天空中任一点的位臵可以用两个座标来表示，这两个座标就是太阳高度角和太阳方位角。

太阳高度角(solar altitude)就是太阳光线与地平面的夹角，用h来表示。