气象学-第二章辐射

三、辐射的基本定律
1、基尔霍夫定律
定律：在一定温度下，物体对某一波长的辐射能力(eλ,T) 与物体对该波长的吸收率(aλ,T)的比值是一常数，即:
el ,T al ,T
El ,T
EλT是黑体的辐射能力，它是波长和温度的函数，与物体的
性质无关。
推论： ★ 放射能力较强的物体，吸收能力也较强；反之，放射 能力弱者，吸收能力也弱，黑体的吸收能最强，所以它 也是最强的放射物体。
单位： J·s－1·m
（3）光通量、光通量密度、照度
光通量 定义：单位时间通过某一表面的可见光能量。 单位：流明（lm） 光通量密度 定义：单位面积上的光通量。 单位：流明/米2（lm·m-2） 光照度(照度） 定义：单位面积上接收的光通量。 单位： lx，勒克斯，1 lx=1 lm·m-2
λ ×γ = c 各种频率的电磁波在真空中传播的速度相等即相当于光速.
图2.1 波长和频率的关系
l
光速
c=lγ
c=3.0 x 108 m s-1
波长
频率
电磁波谱:把电磁波按波长大小顺序排列，称为电磁波谱。 电磁辐射波谱：
图2.2
②辐射的粒子性
辐射的粒子学说认为，电磁辐射由许多具有一定质量、能 量和动量的微粒子组成，这些微粒称为粒子（量子）。 粒子（量子）的概念：微观世界的某些物理量不能连续变 化而只能以某一最小单位的整数倍发生变化，这些最小单位 就称为该量的粒子（量子）。如电子。
三、太阳高度角和方位角
（一）、太阳高度角（h） 1.定义:太阳平行光线与地表水平面之间的夹角。
(0°≤h≤90°)
2020/3/2 图2.6 太阳高度角和太阳辐射强度
水平面上得到的太 阳辐射能随着h的增 加而增加。
2.任意时刻及正午时刻太阳高度角的计算 ⑴任意时刻h的计算
sin h＝ sinφsinδ+cosφcosδcosω
3.维恩位移定律 定律：黑体放射能力的最大值对应的波长(λmax) 与
其本身的绝对温度(T)成反比。即： λmax·T=C
如果波长以μm为单位，则常数C＝2897μm· K。
物体的温度愈高，辐射 能量最大值的波长愈短， 即黑体辐射具有最大辐射 能力的波长随温度升高逐 渐向短波方向移动。
图2.4不同温度下黑体辐射强度与温度的关系
1.地球的公转运动： 公转轨道为一椭圆,公转一周的时间为一年。
2.地球的自转运动:绕地轴旋转，自转一周为一天。 3.地轴与地球公转轨道面的交角为66.5°,且地球在公 转过程中，地轴方向保持不变.
二、太阳辐射的基本概念
（一）太阳辐射光谱和太阳常数 1.太阳辐射光谱 定义：把太阳辐射按波长的分布称太阳辐射光谱。 太阳辐射的波长范围较广，几乎包括了所有的电磁波， 其能量的99％集中在0.15～4μm波段，因此说太阳辐射 光谱主要包括红外线、可见光和紫外线光谱。
本章主要内容
辐射的基本知识 日地关系和季节的形成 太阳辐射 地面有效辐射和地面净辐射 太阳辐射与植物生长
第一节 辐射的基本知识
(Basic knowledge of radiation)
一、辐射的概念(concept of radiation) 1.定义： 辐射：物体以电磁波或粒子的形式放射或输送能量的过程。 辐射能：物体以辐射的方式放射或输送的能量。 辐射有两个基本属性： ①辐射的波动性：
二、 物体对辐射的吸收、反射和透射
1.吸收率、反射率和透射率
假设有一束能量为Q的入射光，照射到某一物体表面， 其中被物体吸收的能量为Qa，反射的能量为Qr，透射 过物体的能量为Qt，则：Q=Qa+Qr+Qt。
定义：吸收率 a=Qa/Q 反射率 r=Qr/Q 透射率 t=Qt/Q
则有： a+r+t=1
2.太阳常数
定义：当日、地间处于平均距离时(约1.496×108km)， 在大气上界垂直于太阳光线的平面上单位面积、单位 时间内所接收的太阳辐射能，称为太阳常数。用S0表 示。其值为1367±7 W·m-2 我国采用的太阳常数值为1367 W·m-2 。影响太阳 常数的因子有日地距离、太阳黑子数等。
第二节 太阳辐射的基本概念及其预备知识
一. 日地关系
地球是一个椭球体，赤 道半径6378.0km，极半径 6356.8km， 在绕太阳公转 的同时又绕地轴自西向东自 转。公转形成四季，自转形 成昼夜。
公转轨道为一近圆形的椭圆，太阳位于一个焦点上， 日地平均距离1.495×108km。
近日距：1月3日，1.47× 108km 远日距：7月4日，1.52×108km
式中：φ为观测点纬度，δ为赤纬，ω是时角。
★δ的含义：太阳直射点的地理纬度.
范围-23.5 °～+23.5°。
δ的计算:
δ＝23.5sinN°
δ＝23.5sinN° 说明：式中N°以度为单位，是距春分日或秋分日最近 的总天数。春分日至秋分日取正值，否则，取负值。
★特殊日期δ的值：(北半球）(南半球相反） 春分日(21/3)或秋分日(23/9)：δ＝0° 夏至日(22/6)：δ＝23.5° 冬至日(22/12)：δ＝-23.5°
这些粒子或量子每一个所具有的能量为： e＝h×γ，或 e = h C /λ
h ＝6.626×10-34J·s， h为普朗克常数 。 植物光合作用的研究常利用辐射的粒子性。
2.表征辐射的物理量
（1） 辐射通量： 定义：单位时间内通过任一表面的辐射能。 单位：J·s－1或W
（2）辐射通量密度 定义：单位面积上的辐射通量。
入射 Q
反射Qr
吸收Qa
透射 Qt
2.关于a、r、t的几点讨论 a 、r、t是0～1之间的无量纲量。若辐射不能透过物
体，t＝0，则a＋r＝1，吸收率越大，反射率越小， 反之亦然。
物体对辐射的吸收、反射和透射具有选择性。 吸收率等于1的物体为黑体。 吸收率为小于1的常数，
且不随波长变化的物体叫灰体。
★ 同一物体，如果在温度T时它可放射某一波长的辐射， 那么，在同一温度下它也可吸收该波长的辐射。
2.斯蒂芬—波尔兹曼定律
定律：黑体的放射能力（ET）与它本身绝对温度（T） 的四次方成正比。即： ET ＝σT 4
式中σ＝5.67×10-8W·m-2·K-4为斯蒂芬—波尔兹曼常数。
意义：物体温度愈高，其放射能力愈强。