气象学第二章辐射详解演示文稿

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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。

农业气象学辐射PPT课件

（3）大气透明度
大气透明度是指透过一个大气质量数后的辐射强度与透过前的辐射强度之比。大气透明度是用透明系数α表示。
a Rs / Rsc
Rs表示太阳总辐射 Rsc表示太阳常数
大气透明度与大气中的水汽、尘埃等有关。这些物质越多，大气透明度越差，透明系数越小。
天气特别晴朗，污染较少时， α=0.9；天空混浊，污染特别严重时， α=0.6；一般情况下 α=0.84。
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2.散射辐射
太阳辐射被大气散射后，一部分朝向天空，另一部分投向地面，散射到地面的部分称为散射辐射。用Rsd表示。
Rsd 0.5Rsc(1 am )sinh
散射辐射的大小与太阳高度角、大气透明度和太阳质量数有关。
► 太阳高度角增大 → 直接辐射增大，散射辐射也增大。
► 太阳高度角一定时，大气透明度不好(α值小)
中高纬度地区：夏季月份最大，冬季最小。低纬度地区（0-20°左右）：一年中有两个最大值，
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北半球大气上界不同纬度上太阳总辐射日总量的变化
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在一定温度T下，物体对某波长λ的吸收率αλT等于该物体在同
a 温度下对该波长的发射率ελT。
T
T
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2. 普朗克(Planck)定律 <1900年>
普朗克根据辐射过程具有量子特性的假设，导出了与试验相符合的普朗克公
式，求出了黑体辐射能力与黑体的温度及波长的关系。
EB(Black)是绝对黑体发射的单位波长辐射通量密度，单位：W/m2 μm
氧：吸收波长小于0.2 μm的紫外线，还少量吸收可见光区。
O3：强烈吸收 0.2-0.3 μm的紫外线。 CO2：仅对红外区2.7 μm和4.3 μm附近

大气科学基础第二章

1 辐射概述
01
2 辐射平衡的基本规律
02
3 太阳辐射及其在大气中的衰减
03
4 到达地面的太阳辐射
04
5 地气辐射
05
6 地面辐射差额和气温变化
06
7 地气系统能量平衡
07
第二章大气辐射学
1.1 辐射的定义
1
1.2 辐射的传播—电磁波
2
1.3 黑体与灰体
3
1.4 辐射场物理量
* 、已知太阳常数为 1367 ，请计算（1）太阳表面的辐射出射度；（2）全太阳表面的辐射通量；（3）整个地球得到的太阳辐射通量占太阳发射辐射通量的份数。
1
2
3
3.1 习题（1）
3.1 习题（2）
* 、设大气上界太阳直接辐射在近日点时为S1，在远日点时为S2，求其相对变化值。
基尔霍夫定律的意义：
2.2 基尔霍夫定律
2.3 普朗克定律
绝对黑体辐射率仅是波长和温度的函数，单位为W·m-2·μm-1。第一辐射常数C1=3.7427×108W·μm4·m-2 第二辐射常数C2= 14388μm·K
黑体的积分辐出度ET与温度T的四次方成正比。
2.4 玻尔兹曼定律
5、维恩定律
2
3.2 复习题
黑体辐射光谱极大值对应的波长(λmax) 与其本身温度(T)的乘积为一常数。（ b=2897.8μm·K）颜色温度Tc：由光谱测定物体温度。
卫星在火灾监测中的应用
Planck function
Wien’s Law
Stefan-Boltzman law
小结：普朗克定律给出绝对黑体的分光辐出度与波长、温度的关系，从而绘出黑体辐射光谱曲线，而Wien位移定律描述了曲线中辐射能力最强对应的波长与温度的关系，Stefan-Boltzmann Law则描述了黑体积分辐射能力与温度的四次方成正比，基尔霍夫定律把任何物体和绝对黑体联系起来。

【精编】第二章-辐射要点PPT课件

不同，从而昼夜长短不同。
• 太阳高度角（h）：太阳光线与地平面的夹角，范围为[0,90]。正午太阳高度角一天内最大。
• 任一地点任一时刻太阳高度角的计算公式如下：
sinh =sinφsinδ+cosφcosδcos ω
φ—纬度 ,δ—太阳赤纬 , ω—时角正午为00 ,上午为负,下午为正,每小时为150 • 赤纬（δ）：太阳直射点所在的地理纬度。太阳直射点在南北回归线之
间移动，赤纬变化范围为[-23.5°，23.5°]，赤纬在北半球为正，南半球为负。夏至（6月22日）直射北回归线， δ=23.5°；冬至（12月22日）直射南回归线，春、秋分太阳直射赤道，δ=-23.5° 。
• 昼夜长短变化特点：
• 时间变化特征：对于同纬度地区来讲，昼夜长短随太阳直射点而变；正午太阳高度角越大，昼长越长，太阳直射时正午太阳高度角最大，为90°；夏半年昼长大于夜长，冬半年夜长大于昼长，春秋分昼夜平分。
171.0 5.85…………………..
149.9 6.67…………………..
爱因斯坦和爱因斯坦值：采用爱因斯坦值“E”作为光量子所携带的能量，即 1mol 光量子，也叫 1 个爱因斯坦（ 6.02×1023个光量子）所携带的能量 E =e×6.02×1023。1 个爱因斯坦指的是6.02×1023个光量子数。
δ是斯第芬—波尔兹曼常数5.67×10-8J/( m2.k4)。
该定律表明：物体温度越高，其放射能力越强。
如物体是灰体，则公式前加ε得： ET=εδT4
ET的单位为W/m2，是辐射通量密度单位。
作业1：求太阳和地球发射的辐射通量密度(W/m2）？
已知：太阳半径＝6·96×105Km，T=6000K，ε＝1.0；地球平均半径＝6.37×103Km，T=288K，ε＝0.95。

《气象学太阳辐射》课件

太阳辐射变化对气候的影响
温度变化
太阳辐射的变化直接影响地球表面的热量分布，导致温度变化，进而影响气候系统的运行。
降水变化
太阳辐射的变化通过影响蒸发和凝结过程，进而影响降水分布和强度，对水循环产生影响。
风和洋流变化
太阳辐射的变化还可能影响大气环流和洋流运动，从而影响气候系统的稳定性。
太阳辐射光谱
太阳辐射的能量分布在不同波长范围内，形成的光谱曲线。
太阳辐射的来源和特性
核聚变
太阳内部的氢核聚变成氦核，释放出大量能量，形成太阳辐射。
特性
太阳辐射具有连续光谱和偏振特性，其强度随时间和空间变化。
太阳辐射对地球的影响
气候变化
太阳辐射是地球气候系统的主要能量来源，影响地球的气候变化。
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《气象学太阳辐射》PPT课件
contents
目录
• 太阳辐射的基础知识 • 太阳辐射的测量和观测 • 太阳辐射与气象学的关系 • 太阳辐射的变化及其影响 • 太阳辐射的防护和利用
01 太阳辐射的基础知识
太阳辐射的定义
01
02
03
太阳辐射
太阳以电磁波的形式向外发送的能量。
太阳常数
在地球大气层顶，垂直于太阳光线的单位面积上，每分钟接收到的太阳辐射能量。
总结词
太阳辐射的变化会影响降水量的多少和分布。
详细描述
太阳辐射的变化会影响气候系统的运行，如季风、洋流等，从而影响降水量的多少和分布。此外，太阳辐射的加热作用还
太阳辐射通过加热地表和大气层，引起气流运动，从而影响风的方向和速度。
详细描述
太阳辐射的加热作用会导致地表和大气层之间的温度差异，这种差异会引起气流运动，从而导致风的形成。此外，太阳辐射的强度和分布还会影响风的方向和速度。

《农业气象学》第2章辐射

• 大气上界，太阳辐射产生的平均光照强度为1.35×105～ 1.4×105lx，称太阳光量常数。由于大气对太阳辐射的减弱，所以地面测得的光照强度要小得多。
• 2.3.2、太阳辐射在大气中的减弱
• 太阳辐射透过大气层后，由于大气对太阳辐射有减弱作用，其总能量减少，辐射波谱也有所改变。以大气上界得到的太阳辐射能为100%的话，经过大气层后，大气吸收了14%，大气散射和云层、地面反射共返回宇宙空间43%，能直达和散射到达地面且被地面吸收的仅43%。可见大气减弱太阳辐射是强烈的。
北纬66.30度出现
• 秋分—冬至
北半球随纬度的增加昼长缩短
• 冬至－春分
北半球随纬度的增加昼长增加
• 可照时间从日出到日落太阳光可能照射的时间间隔
• 日照时间一天中太阳光实际照射地面的时间
• 光照时间＝可照时间＋曙（暮）光时间 • 民用 0－6度天文 0－18度 • 日照百分率＝日照时间 / 可照时间×100
• 2.3.1.2 太阳常数：
• 当地球位于日地平均距离时(约1.496×108km)，在地球大气上界投射到垂直于太阳光线平面上的太阳辐射强度称为太阳常数。
• 太阳常数值并不是恒定不变的，其值在1325W·m-2～1457W·m-2之间。1981年WMO仪器和观测方法委员会第八次会议推荐：太阳常数值为1367+-7W·m-2。
• 水汽：主要吸收红光及红外线，在0.93～2.85um的红外线区有三个强烈吸收带，在6～7.3um红光区有三个较弱的狭窄吸收带。
• CO2及微尘杂质：CO2吸收4.3um红外线，微尘杂质在一般情况下作用很少、只有在空气含尘量特大时才比较显著（沙暴、火山）。
• 特点：大气对可见光谱区吸收极少，吸收范围主要在太阳辐射光谱的两端。吸收后使太阳光谱变得不规则

地面和大气的辐射详解演示文稿

由此可看出大气对地面有一种保暖作用，这种作用称为大气的保温效应。
14 14
第14页，共27页。
巴山夜雨
唐·李商隐
君问归期未有期，巴山夜雨涨秋池。何当共剪西窗烛，
却话巴山夜雨时。
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第15页，共27页。
其中之一的原因是：西南山地潮湿多云。夜间，密云蔽空，云
层和地面之间，进行着多次的吸收、辐射、再吸收、再辐射的热量交换过程，因此云层对地面有保暖作用，也使得夜间云层下部的温度不至于降得过低；夜间，在云层的上部，由于云体本身的辐射散热作用，使云层上部温度偏低。这样，在云层的上部和下部之间便形成了温差，大气层结构趋向不稳定，偏暖湿的空气上升形成降雨。
大气对太阳辐射有散射作用
长波辐射在大气中传播时，可以不考虑散射作用。这是由于大气中气体分子和尘粒的尺度比长波辐射的波长要小得多，散射作用非常微弱。
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（三）大气逆辐射和地面有效辐射
1.大气逆辐射和大气保温效应大气辐射指向地面的部分称为大气逆辐射。大气逆辐射使地面因放射辐射而损耗的能量得到一定的补偿，
大气的辐射差额：
整层大气辐射差额（Ra）
某一层大气辐射差额
qa：整个大气层所吸收的太阳辐射
F0：地面有效辐射 F∞：大气上界有效辐射 Ra =qa+F0-F∞
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（二）大气的辐射差额
Ra =qa+F0-F∞ F∞ >F0，qa<F∞ -F0， Ra是负值大气要维持热平衡，还要靠地面以对流及
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第16页，共27页。
大气逆辐射和保温效应
太阳辐射
地
面

气象学与气候学第二章第一节太阳辐射ppt

斯蒂芬 — 玻耳兹曼定律和维恩位移定律是测量高温、遥感和红外追踪等的物理基础。
• 黑体的总放射能力与它本身的绝对温度的四次方成正比：
• ET=σT4 ， σ为斯—玻常数。
• 可计算出黑体在T时的辐射强度，也可由黑体的辐射强度求得其表面温度。
维恩 (Wilhelm Wien 德国人 1864-1928) 热辐射定律的发现
等各种颜色组成的光带，其中红光波长最长，紫光波长最短。其他各色光的波长则依次介于其间。波长长于红色光波的，有红外线和无线电波；波长短于紫色光波的，有紫外线，X射线、丫射线等，这些射线虽然不能为肉眼看见，但是用仪器可以测量出来(图2-1)。
v气象上着重研究的是太阳短波辐射（0.15－4 µm）和地气长波辐射（3－120 µm）。
4
一、辐射的基本知识
3. 波长：电磁波长范围有很大的差异，如宇宙射线的波长为10-10 微米，而无线电波长可达几公里根据波长可将电磁波分为γ射线、χ射线、紫外线、可见光、红外线、无线电波。
气象学研究的是太阳、地球、大气的热辐射，他们的波长范围大约在0.15~120微米。
可见光经三棱镜分光后，成为一条由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫
等。各种波长的太阳辐射都要被散射。如：当空中存在较多的尘埃、或雾等粗粒时，太阳辐射的长短波都被同等的散射，使天空呈现灰白色，也叫漫射。
云层、尘埃具有强烈的反射作用对各种波段的光都反射，因
而呈白色。随着云层增厚反射能力也增强。平均为50%——
55%：高云25％；中云50％；低云65％；薄云10－20％；厚云 90％。
纬度越低总辐射越大。反之，越小。
一般情况下，一年中总辐射量最大的时候往往不会出现在雨季云量最大的时间。在我国北方出现在雨季到来之前的5、6月份。

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（大气温室效应原理）
• 铁在常温下为黑色，高温下为白色？ • 黑色的路面、墙面等的温度变化 • 红外测温仪、夜视设备、红外感应等 • 冷血动物（蛇等） • 太阳能的利用
2.太阳辐射
2.1 影响太阳辐射的天文因素 2.2 太阳辐射概述 2.3 大气层对太阳辐射的影响 2.4 到达地面的太阳辐射 2.5 植物与太阳辐射的关系
1.辐射的基本知识
黑体与灰体
辐射与电磁波
辐射基本规律
主
2.太阳辐射
要
太阳的高度与方位、昼长变化
内容
太阳辐射概述大气层对太阳辐射的影响到达地面的太阳辐射
与植物的关系
3.地面和大气辐射
地面辐射大气辐射大气温室效应
1.辐射的基本知识
辐射定义电磁波辐射的基本规律
基尔霍夫定律（Kirchhoff）斯蒂芬—波茨曼(Stefan-Boltzman)定律维恩（Wien）位移定律
λmax辐射能力最强的电磁波波长
例如：太阳表面温度为6000K，最大辐射波长 λmax=2897/6000=0.48μm
地球表面的平均温度为288K，放射的最大辐射波长为
λmax=2897/288=10μm
基尔霍夫定律（Kirchhoff）
物体易发射某波段的电磁波，同时也易吸收相同波段的电磁波物体对电磁波的吸收是有选择性的，如大气、水、玻璃、塑料薄膜、雪等。
北
地平线天顶
太阳光线
南
日出正东
春秋分太阳的高度与方位：
正午正南日落正西
北
地平线
天顶
南日出东偏北回归线以北：正南
夏至太阳方位
正午
回归线：天顶
日落西偏北回归线以南：正北
日出东偏南冬至太阳方位正午正南
日落西偏南
昼长的时空变化
• 昼长即是太阳从地平面升起到落下的这段时间，也叫日长或可照时间。
• 光照时间= 昼长+曙光+暮光
• 纬度越高，曙暮光时间越长
• 与植物的光周期有关
2.2 太阳辐射概述
• 太阳辐射光谱 • 辐射强度 • 太阳常数 • 辐射强度、照度、量子通量密度
太阳辐射光谱
定义太阳辐射能随波长的分布曲线。
大气上界的太阳辐射光谱
图中：
实线是大气上界的太阳辐射光谱；
虚线是温度在 6,000K时的黑体辐射光谱。
2.1影响太阳辐射的天文因素
• 太阳的高度、方位、昼长变化 • 太阳高度与方位意义 • 太阳高度日变化、年变化、地区变化 • 正午太阳高度角
• 建筑物朝向、温室顶面倾角、山的南北坡小气候差别、果园行向、空调安装方位等
• H正午＝90－A+B A: 纬度 B: 太阳赤纬，太阳直射点纬度春、秋分 0 夏至 23.5 冬至－23.5 可查表、计算
太阳辐射概述
2.2 太阳辐射概述
• 波长范围，大约在0.15-4微米之间。 • 能量分布
波长较短的紫外光区7％波长较长的红外光区43％可见光区50％ • 生理辐射或光合有效辐射
2.2 太阳辐射概述
• 太阳辐射强度在垂直照射情况下在单位时间内、单位面积上所得到的辐射能量。
• 太阳常数在日地平均距离的条件下，在地球大气上界的太阳辐射强度。1367W/m2
可见光波长范围
色彩名称紫蓝青绿黄橙红
波长范围 0.40～0.43微米 0.43～0.47微米 0.47～0.50微米 0.50～0.56微米 0.56～0.59微米 0.59～0.62微米 0.62～0.76微米
斯蒂芬—波茨曼(Stefan-
Boltzman)定律
• 黑体和灰体黑体：能将投射到其表面的辐射全部吸收的物体，如地面、太阳表面。只能部分吸收的为灰体
• 广州夏至、春分、冬日正午的太阳高度
• 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=67
• H冬至=90-A+B=90-23-23.5=43.5
天顶夏至
春分冬至
北
南
• 北京夏至、春分、冬日正午的太阳高度 • H夏至=90-A+B=90-40+23.5=73.5 • H春分=90-A+B=90-40+0=50 • H冬至=90-A+B=90-40-23.5=26.5
2.2 太阳辐射概述
• 辐射强度：w/m2，用能量计算。
• 照度：光照强度，米烛光（lux)，夏日中午可高达12万lux以上。照明等。
• 光（量）子通量密度：E/ m2· s 1E=6.02×1022个光子，用于光合作用等较好。
气象学第二章辐射详解演示文稿
优选气象学第二章辐射
• 辐射就是物体发射电磁波 • 所有物体都在发射电磁波，也吸收电磁波 • 电磁波就是“光”；光就是电磁波 • 电磁波是一种能量，无处不在，无时不在 • 电磁波是物体间能量交换的重要方式。
• 光是什么？辐射是很危险的东西吗？ • 紫外线消毒的原理？ • 微波炉加热食物的原理？ • 蓝色是冷色，红色为暧色？ • 太阳离地球很远，为何会带给地球温暖？ • 晴朗的天空为何是蓝色的，日落为红色？ • 叶片为何是绿色的？ • 为何夏天穿黑色衣服感觉更热？
热辐射
辐射
不同电磁波的具体波长范围
名称
紫外线
可见光
近红外红中红外外 Nhomakorabea线
远红外
超远红外
毫米波
微
波
厘米波
分米波
波长范围 100埃～0.4微米 0.4微米～0.76微米 0.76微米～3.0微米 3.0微米～6.0微米 6.0微米～15微米 15微米～1000微米
1～10毫米 1～10厘米 10厘米～1米
• 黑体的辐射强度（E）与其表面的绝对温度（T）的四次方成正比，即： E=σT4 σ=5.67×10-8是斯蒂芬—波茨曼常数。
• 普通物体的辐射强度 E= ε σT4 ε：辐射率
维恩（Wien）定律
物体辐射出各种波长的电磁波（辐射波谱）
物体辐射能力最强的电磁波波长与T成反比 λmax=2897/T （μm）
• 辐射：物体发射电磁波 • 任何物体(＞－273℃)都会向外发射电磁波 • 电磁波？ • 发射电磁波的强度 • 发射什么样的电磁波 • 物体对电磁波的吸收
墙振动产生波
带电粒子的振动产生电磁波
所有的物体都由分子、原子等带电粒子组成所有的带电粒子都在“振动”
“振动”的强烈程度即是“温度” 所有的物体都在辐射电磁波，且与温度有关

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