气象学 第二章 辐射
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(农业气象学原理)第二章太阳辐射与农业生产
2021/6/18
2、影响叶片对光的反射、透射和吸收能力的因 素
2021/6/18
表 含水率（％）与反射率（％）之间的关系
450 nm (blue) 550 nm (green) 650 nm (red) 850 nm (infrared)
equatations y=43.8x-21.8 y=29.2x+13.1 y=27.2x+17.6 y=42.6x+20.4
（2）、光周期感应的时期 所谓感应的时期，即感应的是光期长度还是
暗期长度。
2021/6/18
0
8
光
光照处理
16
24
暗
32 小 时
开花效应
短日性植物 长日性植物
开花
不开花
光
暗
开花
不开花
光
暗
不开花
开花
光
暗 光暗ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
不开花
开花
光 暗光
暗
光
暗
光
光、暗期交替处理开花效应示意图
2021/6/18
不开花
开花
不开花
开花
在实际应用中，禾谷类作物的K值比较稳定， 因而使用平均值代替。
一般而言，K值小于1。据门司和佐伯测算， 草中K值为0.3～0.5，水平叶子作物层中0.7～ 1.0。而中科院上海植物生理研究所测得的水稻 叶层的K值为0.68～0.74，平均为0.71。
门司—佐伯公式适用的条件象均一介质是不 可能满足的。但在实际观测中，光在群体中的垂 直变化确实符合负指数规律，所以门司—佐伯公 式目前还是得到了广泛的应用。
22群体结构和叶片组织本身造成的损失群体结构和叶片组织本身造成的损失由于叶层较厚上层叶片吸收和反射了大部分光致使上层叶片处于光饱和点之上的光强下层叶片受光很弱即出现了上饱下饥的现象浪费了部分光这是由于群体中光分布不合理造此外透入叶组织中的光合有效辐射能只有一部分为叶绿素吸收而用于光合作用1030的光能被非光合色素以及细胞壁细胞质等吸收而损失了
2、影响叶片对光的反射、透射和吸收能力的因 素
2021/6/18
表 含水率（％）与反射率（％）之间的关系
450 nm (blue) 550 nm (green) 650 nm (red) 850 nm (infrared)
equatations y=43.8x-21.8 y=29.2x+13.1 y=27.2x+17.6 y=42.6x+20.4
（2）、光周期感应的时期 所谓感应的时期，即感应的是光期长度还是
暗期长度。
2021/6/18
0
8
光
光照处理
16
24
暗
32 小 时
开花效应
短日性植物 长日性植物
开花
不开花
光
暗
开花
不开花
光
暗
不开花
开花
光
暗 光暗ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
不开花
开花
光 暗光
暗
光
暗
光
光、暗期交替处理开花效应示意图
2021/6/18
不开花
开花
不开花
开花
在实际应用中，禾谷类作物的K值比较稳定， 因而使用平均值代替。
一般而言，K值小于1。据门司和佐伯测算， 草中K值为0.3～0.5，水平叶子作物层中0.7～ 1.0。而中科院上海植物生理研究所测得的水稻 叶层的K值为0.68～0.74，平均为0.71。
门司—佐伯公式适用的条件象均一介质是不 可能满足的。但在实际观测中，光在群体中的垂 直变化确实符合负指数规律，所以门司—佐伯公 式目前还是得到了广泛的应用。
22群体结构和叶片组织本身造成的损失群体结构和叶片组织本身造成的损失由于叶层较厚上层叶片吸收和反射了大部分光致使上层叶片处于光饱和点之上的光强下层叶片受光很弱即出现了上饱下饥的现象浪费了部分光这是由于群体中光分布不合理造此外透入叶组织中的光合有效辐射能只有一部分为叶绿素吸收而用于光合作用1030的光能被非光合色素以及细胞壁细胞质等吸收而损失了
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。
第30页/共75页
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，
第33页/共75页
北半球大气上界不同纬度上太阳总辐射日总量的变化
第34页/共75页
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
第10页/共75页
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
气象学第二章辐射详解演示文稿
（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
• 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
气象学 第二章
sinh sin sin cos cos cos
– 例：计算广州(φ=23°8′N)1月15日 (δ=－21°17′)正午时(ω=0)的太阳高度角。 将已知条件代入上式有： sin h=0.71427 h= 45°35′ – 中午是时太阳高度角的计算： h= δ- φ+90° (太阳在天顶以南) h= φ - δ +90° (太阳在天顶以北)
– 地平坐标：地面一点的铅直线与天球相交于天 顶和天底，地平圈与天顶轴垂直，通过天顶和 天底而与地平圈垂直的大圈为地平经圈，与地 平圈平行的小圈称为地平纬圈，地平纬圈与地 平圈间的角距为地平纬度。通过南点的地平经 圈为起算点，向西计算(顺时针)的角距为地平经 度。地平坐标就是用地平纬度(高度角)和地平经 度(方位角)决定天体位置的坐标。 – 赤道坐标：以地球中心为天球中心，地轴延长 线与天球相交，交点称为天极，与天轴垂直的 大圈为天球赤道，通过天极而与天球赤道相垂 直的大圈称为时圈或赤经圈，与天球赤道相平 行的小圈称为赤纬圈，赤纬圈与天球赤道的角 距为赤纬，向北为正，向南为负，通过天顶和 天底的时圈为子午圈。
普朗克定律
– 绝对黑体放射能量在光谱中的分布可由此定 律得出，它指出了绝对黑体的放射能力 ε0(λ,T)随波长和温度而变的关系。 – 在温度T时，黑体表面单位面积所放射的波 长介于λ到λ+ d λ之间能量为：
C1 0 (, T)d 5
1 e
C2 T
d 1
– 其中C1=2πhc2，C2=hc/k，c=3×108m· -1为光速， s h=6.63×10-34J· s为普朗克常数，k=1.38×10-23J· -1 为 K 波尔兹曼常数，即C1=3.74×10-16W· 2，C2=1.438×10m 2m· K – 该定律指出了放射能量最大值的波长随着温度的增加而 移向波长较短的区域，而且放射的总能量随着温度增加 而增大
大气科学概论课件第二章大气辐射学
6~40%
二.辐射能的量度
• 辐射能 ：以辐射方式传递的能量，单
位为焦耳(J)
• 辐射通量P：它表示单位时间传递的辐射 能单位为焦耳/秒（J s1 ）或瓦(w)。
d
P dt
• 辐射通量密度F：是指单位时间内通过单位 面积的辐射能。
F d
dtds 自放射面射出的辐射通量密度称为辐射度。 到达接收面的辐射通量密度称为辐照度
• 辐射率I ：单位时间内，通过垂直于给定方 向上单位面积的单位立体角内的辐射能。
立体角的概念
• 定义：
dA cos
r2
• 整个球形所张立体角为4π[sr]。 n
辐射率和辐射通量密度的关系
对上式沿半球积分
d ' I cosd
ds dt
F I cosd 半球
dA rd r sind
d r2
I I I a Tb — (1— T ) Tb — T =0
典型
波长 0.43 0.47 0.49 0.54 0.58 0.60 0.64
[μm] 0
0
5
0
0
0
0
物体对辐射的吸收，透射和反射
媒介对辐射的三种作用：
• 吸收: Qa • 反射: Qr • 透射: Qd
Q0 = Qr + Qa + Qd
Q0
Qr
Qa Qd
定义三个无量纲比率：
•
吸收率：
a=
Qa Q0
• 1859年由基尔霍夫根据实验得到：物体 的发射能力与吸收能力之间关系密切， 在同一温度下，吸收能力大的物体其发 射能力也大；反之亦然。且发射能力是 温度和波长的函数。
设有一真空恒温器(温度为T)，放出黑体 辐射 。 代表在温度T，波长λ时的黑体 辐射率，在其中用绝热线悬挂一个非黑 体物体，它们温度与容器温度一样亦为 T，它的辐射率为 IT ，吸收率为aT 。这 样，非黑体和器壁之间将要达到辐射平 衡。器壁放射的辐射能、非黑体放射的 辐射能和未被吸收的非黑体反射辐射能， 三者达到平衡，则
二.辐射能的量度
• 辐射能 ：以辐射方式传递的能量，单
位为焦耳(J)
• 辐射通量P：它表示单位时间传递的辐射 能单位为焦耳/秒（J s1 ）或瓦(w)。
d
P dt
• 辐射通量密度F：是指单位时间内通过单位 面积的辐射能。
F d
dtds 自放射面射出的辐射通量密度称为辐射度。 到达接收面的辐射通量密度称为辐照度
• 辐射率I ：单位时间内，通过垂直于给定方 向上单位面积的单位立体角内的辐射能。
立体角的概念
• 定义：
dA cos
r2
• 整个球形所张立体角为4π[sr]。 n
辐射率和辐射通量密度的关系
对上式沿半球积分
d ' I cosd
ds dt
F I cosd 半球
dA rd r sind
d r2
I I I a Tb — (1— T ) Tb — T =0
典型
波长 0.43 0.47 0.49 0.54 0.58 0.60 0.64
[μm] 0
0
5
0
0
0
0
物体对辐射的吸收，透射和反射
媒介对辐射的三种作用：
• 吸收: Qa • 反射: Qr • 透射: Qd
Q0 = Qr + Qa + Qd
Q0
Qr
Qa Qd
定义三个无量纲比率：
•
吸收率：
a=
Qa Q0
• 1859年由基尔霍夫根据实验得到：物体 的发射能力与吸收能力之间关系密切， 在同一温度下，吸收能力大的物体其发 射能力也大；反之亦然。且发射能力是 温度和波长的函数。
设有一真空恒温器(温度为T)，放出黑体 辐射 。 代表在温度T，波长λ时的黑体 辐射率，在其中用绝热线悬挂一个非黑 体物体，它们温度与容器温度一样亦为 T，它的辐射率为 IT ，吸收率为aT 。这 样，非黑体和器壁之间将要达到辐射平 衡。器壁放射的辐射能、非黑体放射的 辐射能和未被吸收的非黑体反射辐射能， 三者达到平衡，则
气象学与气候学—2 辐射与热量平衡
3. 辐射的基本定律
（1）普朗克定律
绝对黑体：能够全部吸收投射到物体上的各种波长的电磁 波的物体。 绝对黑体对单色波的辐射强度与波长、温度的关系：
I
*
2hc 2 5 hc / kT (e 1)
式中，Iλ*单位为 W/（ m2· μm · sr ）；T为物体的绝 对温度，单位为T；λ为波长，单位为μm ；h=6.626×1034J· s，称为普朗克常数；k=1.38×10-23J/K，称为玻尔兹
2.5 地面热量平衡及地气系统的热量收支 2.6 地面温度和气温的（周期性或日、年）变 化
1. 辐射与辐射能（radiation and radiant energy）
手机辐射
贴膜能屏蔽96%手机辐射
手机发射信号的位置是在它的顶端和背面
有效防辐射：用耳机接电话
辐射：物体以电磁波的方式向四周放射能量，这种能量传
在晚间，由于没有太阳照射，而地面又不断散发热能，因 此地面温度下降。这种夜间降温现象称为「辐射冷却」 。 晚间气温下降的幅度多寡跟云量、风力及湿度有关。在晴
天、微风及干燥的情况下，温度下降是最大的。
云层可以减低热能向外散发，因此在多云时的降温比晴天 时小。
1. 太阳辐射光谱和太阳常数
太阳辐射能量随波长的分布
设太阳的半径为7×108m，那么太阳的辐射通量密度计算
如下：
3.90 10 7 2 Fs 6 . 34 10 W / m 4 (7 108 ) 2
26
辐射强度（I）：单位时间内，通过垂直于选定方向上的 单位面积的辐射能，单位：W/（ m2· sr ），或4.1868J/ （cm2· min· sr）（sr为球面度）
相对湿度和饱和差则表示空气距离饱和的程度。
气象学：辐射
（三）维恩（Wien）位移定律
返回第三章
绝对黑体的放射能力最
大值对应的波长与其本身的 绝对温度成反比。即
如λ果m =波长以CTn或 m为mT单位C（，3则-6常）
数C = 2897×103nm·K，于是
（3-6）式为
λmT = 2897×103nm·K（3-7） 上式表明，物体的温度愈高，放射能量最大值的波长
入射光的各种波长具有同等散射能力，散射
系数不再随大波气长对改可变见，光称谱之区为吸漫收射极。少。
第23页，此课件共50页哦
对于黑体，a = 1，r = d = o。实际上，自然界中并不 存在真正的黑体，但在一定条件下，例如在一定的波长范 围中，可以把某些物体近似地看作黑体。
对于灰体，透射率d = o。吸收率a = 1－r，且a不随波 长而变。地球正是这样一灰体。
第7页，此课件共50页哦
二、辐射的基本定律
（一）基尔荷夫（kirchoff）定律（选择吸收定律）
日照百分率 光照时间
在射曙到地光光地平和照时所 说 数 少表线暮晴说式时角产以光以 明 多 。中间明阴。生下，：日 太 少=晴状一0可所φ°照 阳 ，天为定况照以-多光时 直 即纬，时6°照度。数接晴间日时度，+几辐朗照，，曙δ为乎射时光这百暮赤通种可的数分光纬过光以时多时率，大分间ω大气别为称散
第21页，此课件共50页哦
斯（lx） 1lx = 1lm/m2
第5页，此课件共50页哦
3、物体对辐射的吸收、反射和透射
投射到物体上的辐射，并 不能全部被物体所吸收，而是一 部分被它反射，一部分可能透过 该物体（见图3-2，P.26）。物体 对辐射吸收、反射和透射的能 力，各以吸收率、反射率和透 射率来表示：
《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
• 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
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。
• 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）。
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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。
气象学第二章辐射
cos A sinh sin sin cos h cos
正南：A=0°
正南以西：A＞0°
正南以东：A＜0°
日出日没时h＝0°，cosA＝－sinδsecφ
3.北半球一年内太阳出没的方位 ★除北极外，一年中只有春分日和秋分日，日出正东日没 正西。
★ 夏半年内，日出东偏北方向，日没西偏北方 向；且愈近 夏至日，日出日没方位愈偏北。
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。
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。
⑶太阳高度角随纬度和季节的变化
表2.1 太阳高度角随纬度和季节的变化
纬度(N°) 春分日
90°
0°
66°30′ 23°27′
50°
40°
40°
50°
23°27′ 66°33′
20°
70°
10°
80°
0°
90°
夏至日 23°27′ 46°54′ 63°27′ 73°23′
90° 86°33′ 76°33′ 60°33′
第三节 大气对太阳辐射的减弱
一.减弱方式 三种方式：吸收、散射、反射
1.吸收作用
特点：选择性吸收
主要吸收 成分
O2 O3 CO2
水汽
表2.2 大气各成分的吸收波段
强吸收波段
弱吸收波段
<0.2μm的远紫外辐射
0.69~0.76 μm的可 见光
0.2~0.3μm的紫外辐射
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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。
太阳紫外线(UV)（选讲）
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
（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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ• 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
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
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
• 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
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
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
• 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。
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
• 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
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。
第 二 章
辐 射
徦如没有太阳。。。
• 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？
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。
• 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）