气象学教学ppt资料

《气象学教学ppt资料》由会员分享，可在线阅读，更多相关《气象学教学ppt资料（60页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第二章 辐射能 本章要点 辐射的基本知识和定律 太阳辐射 大气辐射和地面辐射 地面有效辐射和地面净辐射、能量平衡 思考： 驱动和加热地球大气的能量来源于？ 太阳表面的温度大约是太阳表面的温度大约是60006000 o o C.C. 太阳距地球的距离是1.5108KM. 热量传递的方式热量传递的方式？ 辐射 1 辐射基本知识和定律 辐射： 是能量的一种形式。物体以电磁波的形式放射 能量，就称为辐射。 辐射通量密度: 单位时间内通过单位面积的辐射能量称辐射通 量密度（E），单位是wm-2。 有的辐射通量密度单位为calcm-2min-1， 1calcm-2min-1=697.8 wm-2 1.1物

2、体对辐射的吸收、反射和透射 是不是只有太阳才能放出辐射？ 1.2辐射的基本定律 任何物体，只要温度不是绝对温度 0 度，都在辐射着电磁 波。同时也吸收着从四面八方传播过来的电磁波。这一物 体就这样通过辐射过程与周围环境交换着能量。 是不是所有波长的电磁波都能吸收？ 某种物体可能吸收某些波长或波段的电磁波，同 时它也发射这些波长或波段的电磁波。这就是 Kirchhoff 定律。 1.2.1 基尔霍夫定律(Kirchhoff law) 在一定温度T下，物体对于某波长的发射率（T） 等于该物体在同温度下对此波长的吸收率（T） T = T 将吸收率和发射率联系起来。 l 如果物体在温度 T时发出波长为

3、的辐射，在此温 度下也吸收同波长的辐射； l 辐射能力较强的物体，其吸收能力也较强，辐射能 力弱的，吸收能力也弱。 如果某种物体，对所有波长的辐射都有完全的吸 收能力，即对任何波长，吸收系数均为100%。这 种物体就称为黑体。 如果某种物体，对所有波长的辐射都有相同的吸 收能力，即对任何波长，吸收系数均为某一常数 。这种物体就称为灰体。 1.2.2 普朗克定律（Planck law） 黑体放射的辐射能的波长分布是它表面温度的函数。 温度越高放射的波长越短，温度越低，放射的波长越 长。 ET (Black)是绝对黑体发射的辐射 通量密度，单位是W/m2；C是光速， C=3108m/s；h是普朗克

4、常数，h=6.631034Js； K是波尔兹曼（Boltzmann）常数,K=1.381023J/K，T指的是物体的绝对 温度，单位为K 1.2.3 斯蒂芬波尔兹曼定律(Stenfan- Boltzmann law) 对Planck公式在各个波段进行积分，我们可以得到用 Stefan Boltzmann 定律它描述的是黑体向外辐射 的总能量与温度的关系 黑体的发射能力与绝对温度的四次方成正比，即 ETb=T4 式中ETb为黑体的单色辐射通量密度。为斯蒂芬 波尔兹曼常数，其值为5.6710-8Jm-2K-4s-1。 非黑体： ET=T4 ：发射率 1.2.4 维恩位移定律（Wiens displ

5、acement law） 黑体单色辐射强度极大值所对应的波长 与其绝对温度成反比，即： mT=C C = 2897mK . 太阳和地球的辐射波谱 1.3辐射光谱 太阳辐射的波长范围主要在0.154m 地面和大气的辐射波长范围在3120m。 在气象学上，把太阳辐射称为短波辐射， 地球表面和大气辐射称为长波辐射。 UVA、UVB 2 太阳辐射 太阳光谱：太阳辐射能量随波长的分布称为太 阳辐射光谱。 紫外7% 可见光 50% 红外 43% 太阳常数： 在日地平均距离条件下，地球大气上垂直于 太阳光线的面上所接受到的太阳辐射通量密度， 称为太阳常数。 根据Stefan Boltzmann 定律， 太阳

6、表面的辐射强度（通量） E太阳=6.4107W/m2。 r d 2.1太阳辐射在大气中的减弱 大气对太阳辐射的吸收（19%） 大气对太阳辐射的散射 （6%） 大气的云层和尘埃对太阳辐射的反射（20%） 地 面 高层大气平流层对流层 臭氧大量吸收紫外线 二氧化碳、水汽吸收 红外线 2.1.1 吸收作用 2.1.2反射作用： 参与 的大气成分： 特点： 2.1.3散射作用： 参与的大气成分： 云层、尘埃 无选择性 空气分子和微小尘埃 特点： 具有选择性 分子散射 米反射 2.2到达地面的太阳辐射 太阳直接辐射（Sb） 太阳散射辐射 （Sd） 太阳以平行光线的形式，投射到地面上的那一部分辐 射能，称

7、为直接辐射。 太阳直接辐射透过大气层减弱程度影响因子：传过大气 路程长短（大气质量m）和大气气溶胶粒子多少（大 气透明系数P）。 2.2.1 直接辐射 （1）大气质量: 当太阳位于天顶时，以单位面积太阳光束所穿过 的大气柱的质量作为一个单位，称为一个大气质 量 。把太阳斜射时穿过的大气质量记作m，大气 质量m与太阳高度角h关系式中： m=1/sin h 反映了太阳辐射穿过 大气的路径长短。 (2) 大气透明度 反映了大气中各种粒子的多少 大气透明系数越小，太阳辐射受到的减弱越强，到 达地面的太阳辐射也越小。 S=S0Pm S为到达地面的太阳辐射强度（与太阳光线垂直方 向上）；S0为太阳常数；p

8、为空气透明系数；m为大 气质量数 太阳辐射经过大气层时，其减弱规律遵循指数规则 贝尔（Beer）减弱定律 投射到水平面上的辐射通量密度为Sb ，面积为M；投射 于太阳光线垂直面上的太阳直接辐射通量密度为S，面积 为M。两面上的太阳辐射能相等，则： Sb M=S M Sb/S=AC/AB=sinh Sb =Ssinh=Pm S0 Sinh 式中：S0是太阳常数1367.7W/m2， h是太阳高度角，p是大气透明系数，m是大气质量数。 h Sb S BA C 太阳高度角(h) 太阳高度是太阳高度角的简称，是太阳光线与观测点地平线间的夹角。 sin h=sinsin+coscoscos 是纬度，是时

9、角。 赤纬：太阳入射光线与地球赤道夹角 春分日或秋分日：0 夏至日：23.5 冬至日：-23.5 从图上可以看出，日出和日没的时间不同，位置不同 ，白天长度不同，太阳高度角也不同。其结果是每天可 能收到的太阳辐射能量会有很大差别。 a、太阳高度角越小，等量的太阳辐射散布的面积就 越大，因而地表面单位面积上所获得的太阳辐射就越 小。 b、太阳高度角越小，太阳辐射穿过的大气层越厚太 阳辐射被减弱也较多，到达地面的直接辐射就较小。 日变化：无云，中午最强，早晚最弱。 年变化：夏季冬季 随纬度的变化：中低纬高纬 (3) 直接辐射规律 由于大气散射作用而散射向地面的部分太阳辐射。 影响因子： 太阳高度角

10、增大，散射辐射增强。 大气透明度差，散射辐射较强。 海拔高度高，散射辐射弱 2.2.2 散射辐射 2.2.3 总辐射（ St） （1）定义 直接辐射与散射辐射之和称为总辐射。 （2）影响因子 太阳高度、大气透明度、云量等因素。 （3）变化规律 与直接辐射年变化规律基本一致。 日照时间 ： 可照时间:当地面没有障碍物、云、雾和烟尘遮蔽时，日面中心从 出地平线（日出）至入地平线（日没）的时间间隔，以小时为单 位。 cos0= -tgtg 式中0是日出或日没的时角； 日照时数：每日太阳实际照射地面的时间。以小时为单位。 2.2地面对太阳辐射的反射 （1）定义 r=Sr/St*100% 某一表面上的反

11、射辐射与投射到该表面的总辐射之比值。 （2）影响因素 颜色：最强反光带在本颜色波长。 湿度：随湿度增加而减小。 粗糙度：粗糙度增加反射率减小。 太阳高度：越高反射率减小。 水面反射率比陆地小 2.3地面吸收的太阳辐射 地面吸收的太阳短波辐射总辐射反射辐射 影响因子 太阳高度 大气透明度 地表面性质状态 地球的热量平衡 地球围绕太阳运行，它一 面吸收太阳辐射，一面以 它自身的温度向宇宙空间 发射辐射。其热量平衡关 系应当有 这里，S0 为达到地球大气 上界的太阳辐射通量， 为地球-大气系统对太阳 辐射的反射率； T 为辐射平衡温度，也称 地球的有效温度。 R 地球表面的温度 根据目前测量得到的数

12、据， S0 = 1376 w/m2 (+3.4% -3.5%) = 0.3 R = 6370 km 计算得到 T = 2550K （ -180C） 3 地面和大气的辐射 地面平均温度约为地面平均温度约为300K300K，对流层的大气平均温度约，对流层的大气平均温度约 250K250K，其辐射最大短波长在，其辐射最大短波长在1015m1015m范围内。因范围内。因 为地气系统热辐射中为地气系统热辐射中9595以上的能量集中在以上的能量集中在33 120m120m的波长范围内，所以我们把地面和大气的辐的波长范围内，所以我们把地面和大气的辐 射称为射称为长波辐射长波辐射。 3.1大气辐射 大气向外发

13、射的长波辐射称为大气辐射。 主要辐射成分：水汽、二氧化碳 放射能力：温度、水汽含量、云况。 大气辐射指向地面的部分称为大气逆辐射(La)。 大气温室效应 大气对太阳辐射吸收很小，让大量的太阳辐射透过 大气到地面，而大气强烈吸收地面红外辐射增温， 并以大气逆辐射的方式返回一部分给地面，使地面 不致于失热过多，大气这种对于地面的保温作用， 称为大气温室效应。 近地层40-50m大气约吸收地面辐射的75%-95%。 大气窗口 812um处大气对长波吸收率最小，透明度最大，因此称此波 段为“大气窗口”。 这一波段内的辐射，正好位于地面辐射能力最强处，所以地 面辐射有20%的能量透过这一窗口射向宇宙空间

14、。 3.2地面有效辐射 地面有效辐射：地面放射的辐射与地面吸收的大气逆辐射之差 称为地面有效辐射，以Ln表示。 一般，由于气温低于地温，所以大气逆辐射小于地面辐射，有 效辐射使地面损失能量。 3.2.1影响因子 地面温度、空气湿度、空气温度和云况 1）地面温度越高，有效辐射越大；反之，有效辐射 则减小； 2）空气湿度越大，有效辐射越小； 3）云层越低，云量越多，则有效辐射越小 ； 4）海拔高的地方有效辐射大；有逆温时有效辐射小 ，甚至可出现负值。 湿热干冷，云覆盖晴朗天空，空气混浊空气 干洁。 3.2.2 有效辐射的日变化和年变化 日变化12-14时最大，清晨最小； 年变化也与温度的年变化相似

15、，夏季最大，冬季最小 ，由于水汽和云的影响使有效辐射的最大值不一定出 现在盛夏。 东北、华北、西北地区有效辐射春季最大，高海拔 地区有效辐射大。 大气对地面的保温作用 大气上界 地面 地面增温 地 面 辐 射 射向宇宙空 间 大 气 吸 收 “太阳暖大地”“大气还大地”“大地暖大气” 大 气 辐 射 射向地面 太 阳 辐 射 大气吸收地 面 吸 收 4 地面及地气系统的辐射差额 辐射差额： 指某一作用面或作用层辐射能收入和支出之差，称为净辐射 或辐射差额。 净辐射0，物体收支的辐射能量不平衡，会有升温或降温产生； 净辐射=0，物体的温度保持不变。 4.1 地面辐射差额 1、地面净辐射： 某段时

16、间内单位面积地表面所吸收的总辐射和其有效辐射 之差值，以B表示。 B=St(1-r)-Ln=(Sb+Sd)(1-r)-Ln 上式中St是太阳到达地面的总辐射， (Sb+Sd)太阳直接辐 射和散射之和，r为地面对总辐射的反射率，Ln为地面的 有效辐射。 B0时地面有热量积累，B0时热量亏。 地面净辐射=地面收入短波地面支出长波 4.2净辐射的日变化 日出后1h有负值转为正值，日落前11.5h有正值转为负值 。 4.3净辐射的年变化 图2.20 各纬度辐射差额的年变化 5 能量平衡 地面能量平衡方程 地面的热量收支用地面热量平衡方程表示： B=LE+P+Qs +A 式中B为净辐射，P为感热通量，LE为潜热通量， 约等于2.5106J/kg，Qs为土