LOGO23太阳辐射二.ppt

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1、,第2章 辐射能,2.1 辐射的基本知识 2.2 日地关系和季节形成 2.3 太阳辐射 2.4 地面辐射和大气辐射 2.5 辐射差额 2.6 辐射与森林,2.1 辐射的基本知识,一、辐射的概念 二、辐射光谱 三、辐射的基本特征量 四、物体对辐射的吸收、反射和透射 五、辐射的基本定律,2.1 辐射的基本知识,一、辐射的概念 辐射（radiation）是大于绝对零度的物质以电磁波的形式传播能量的一种方式。 一般把这种电磁波能量本身称为辐射能。 任何物体，只要温度大于绝对零度，都以电磁波形式向周围放射能量，同时也接收来自周围的电磁波，这是由物质本身的电子、原子、分子运动产生的。 有时，放射性物质的粒

2、子放射（射线、射线）也成为辐射，但这种粒子辐射不属于本章范围，本章研究的仅仅是电磁辐射。,2019/5/23,2.1 辐射的基本知识,二、辐射光谱 电磁波用频率f、波长、波数n和波速c来描述，关系为： f = c, n = 1/ = f/c 大气科学中，波长的单位常用m（10-6m），紫外和可见光波段也用nm（10-9m）。红外波段习惯用波数表示，单位常用cm-1，表示在1cm空间距离内有几个波动。频率的单位用赫兹（Hz）等，表示一秒钟内振动的次数。 不同波长或频率的电磁波有不同的物理特性，因此可以用波长和频率来区分电磁辐射，并给以不同的名称，称为电磁波谱。,2019/5/23,2.1 辐射的

3、基本知识,可见光 可见光波段集中了太阳辐射的主要能量，不但对地球大气辐射收支有着重要影响，而且不同波长的辐射还提供给人眼不同的色彩感觉。,2019/5/23,2.1 辐射的基本知识,三、辐射的基本特征量 辐射通量（radian flux） 辐射通量是指单位时间内通过空间某一平面（或虚拟平面）的辐射能，也称为辐射功率，单位是W或J/s。以Q表示辐射能，设在dt时间内通过空间任一表面的能量为dQ，则 可以用来表示某表面向外放射或接受的照射或者通过该面的辐射功率。,2019/5/23,2.1 辐射的基本知识,三、辐射的基本特征量 辐射通量密度（radiant flux density） 物体在单位时

4、间、单位面积上发射或吸收的辐射能量称为。即单位面积上的辐射通量。 我们主要考虑垂直方向上的辐射分量，即通过某一高度水平面上的辐射通量密度。若空间某一平面元dA上的辐射通量为d，则,2019/5/23,2.1 辐射的基本知识,四、物体对辐射的吸收、反射和透射 投射到物体上的辐射不能全部被吸收，一部分被反射，一部分可能透过物体。,2019/5/23,总辐射E,反射辐射Er,透射辐射Et,吸收辐射Ea,2.1 辐射的基本知识,四、物体对辐射的吸收、反射和透射,吸收率（a）,反射率（r）,透射率（t）,a、r、t 都是01之间变化的无量纲量，分布表示物体对辐射吸收、反射和透射的能力。,2.1 辐射的基

5、本知识,四、物体对辐射的吸收、反射和透射 物体对辐射的吸收、反射和透射是具有选择性的。 例如： 红外线几乎完全透射过干洁空气，但却会被水汽强 烈吸收； 雪面对短波辐射的反射率很大，但对长波辐射则几乎全部吸收； 普通玻璃对可见光近于完全透射，但对紫外线和红外辐射几乎完全不透射。,2.1 辐射的基本知识,四、物体对辐射的吸收、反射和透射 黑体和灰体 如果物体对所有波长的辐射能都能全部吸收，即a=1，则称此物体为绝对黑体；如果对某一波长的辐射能全都吸收，即a=1，则此物体为对该波长为黑体。如果物体的吸收率小于1，但其吸收率不随波长而改变，则此物体称为灰体。,2.1 辐射的基本知识,五、辐射的基本定律

6、 基尔霍夫（Kirchhoff）定律 1859年基尔霍夫由热力学定律得到： aT与T是某一物体在波长处和温度T时的吸收率和发射率。则物体的辐射吸收率等于放射率。 基尔霍夫定律说明：,（1）在一定波长、一定温度下，一个物体的吸收率等于该物体同温度、同波长的放射率。,（ 2）下标表示在一定的温度（T）下，不同波长的 ， 的数值不同。同一物体在温度T时它放射某一波长的辐射，那么，在同一温度下也吸收这一波长的辐射。,意义：将物体的吸收能力和放射能力联系起来，只要知道某 种物体的吸收率，也就知道了它的放射率；特别是将 各种物体的吸收、放射能力与黑体的放射能力联系起 来。,2.1 辐射的基本知识,五、辐射

7、的基本定律 普朗克（Planck)定律 1900年普朗克求出黑体辐射能力与黑体温度及波长的关系： ET是绝对黑体发射的辐射通量密度，单位是W/m2； C=3108m/s,光速；h=6.6310-34Js,普朗克常数； k=1.3810-23J/K,波尔兹曼常数,T是热力学温度，单位K；e 为自然对数。,ET=,2,5,2.1 辐射的基本知识,五、辐射的基本定律 普朗克（Planck)定律 由公式可作出不同温度下绝对黑体辐射能力随波长的分布曲线。,2.1 辐射的基本知识,五、辐射的基本定律 普朗克（Planck)定律,2019/5/23,2.1 辐射的基本知识,五、辐射的基本定律 斯蒂芬-波尔兹

8、曼（Stefan-Boltzman）定律 黑体的总放射能力与它本身的绝对温度四次方成正比。 对于灰体，某温度下其辐射通量密度为： ，为灰体的辐射发射率。,2019/5/23,=T4,为斯蒂芬-波尔兹曼常数，= 5.6710-8w/m2k4,ET=T4,2.1 辐射的基本知识,五、辐射的基本定律 维恩(Wein )位移定律 黑体辐射极大值对应的波长(max)是随温度的升高而向波长较短的方向移动。 C是常数，约为2897 mK，所以 m=2897/T (单位m),2019/5/23,2.2 日地关系和季节形成,一、太阳高度角 二、日照时间,2.2 日地关系和季节形成,就南北半球而言，随地球在公转轨

9、道上的位置不同，所得到的太阳辐射能有着显著的变化，这就是形成一年四季的原因。 地球上的某一地方，得到太阳能量的多少与太阳高度角和日照时间有关。,2019/5/23,2.2 日地关系和季节形成,一、太阳高度角（sun altitude） 定义:也称太阳高度，是太阳光线和观测点地平线之间的夹角。,2019/5/23,0h90,2.2 日地关系和季节形成,变化规律 1)日变化规律：各纬度太阳高度的日变化规律比较一致，都 是正午最大，日出和日落时为零 。,太阳高度角,时间,0,4,5,6,7,8,12,19,20,10,20,30,70,2.2 日地关系和季节形成,变化规律 2)太阳高度与纬度和季节关

10、系（北半球） 北回归线以南至赤道范围内,一年中有两天正午时太阳直射,赤道上分别是春分日和秋分日。 北回归线上,只有夏至日的正午,太阳直射地面。 北回归线以北地区,无直射,但全年仍以夏至日最高,冬至日最低.且随纬度升高正午太阳高度减小.,2.2 日地关系和季节形成,二、日照时间 日照时间分为可照时间和日照时数。 可照时间 指一天中，地面没有被障碍物、云、雾和烟尘遮蔽时，太阳从日出到日落的时间间隔，以小时为单位。 日照时数 实际上，由于云、雾等天气现象或地物障碍的影响，使太阳光实际照射地面的时间减少。每日实际照射地面的时间称为（以小时为单位）。 日照百分率 实际日照时数与可照时数的百分比。 日照百

11、分率（日照时数/可照时数）100%,2019/5/23,2.3 太阳辐射,一、大气上界的太阳辐射 二、太阳辐射在大气中的减弱 三、到达地面的太阳辐射,2.3 太阳辐射,一、大气上界的太阳辐射 太阳辐射光谱。太阳辐射能随波长分布称为。图为地球气圈外太阳辐射的光谱分布。,2019/5/23,2.3 太阳辐射,一、大气上界的太阳辐射 太阳常数 在日地平均距离下，地球大气上界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。以S0来表示，单位是W/m2。 太阳常数是有波动的，1981年世界气象组织确定S0 =1367W/m2，文献上也有用1370W/m2。 太阳常数随着太阳黑子数的增多而增大。,2

12、019/5/23,2.3 太阳辐射,二、太阳辐射在大气中的减弱 大气对太阳辐射的 吸收 大气对太阳辐射的 散射 大气云层和尘埃对太阳辐射的 反射,2019/5/23,2.3 太阳辐射,二、太阳辐射在大气中的减弱 吸收,2019/5/23,此处添加公司信息,2.3 太阳辐射,二、太阳辐射在大气中的减弱 散射 散射不像吸收把辐射能转化为热能，而只是改变辐射方向，经过散射，一部分太阳辐射就到不了地面。 包括分子散射（蕾利散射）、粗粒散射、米散射等。,2019/5/23,2.3 太阳辐射,二、太阳辐射在大气中的减弱 反射 大气中云层和较大颗粒的尘埃能反射一部分太阳辐射到宇宙空间。其中云的反射最显著，反

13、射没有选择性，所以反射光呈白色。 云的反射能力随云状和厚度而不同，高云反射率中云低云；厚云层反射率薄云层，通常云的反射率为50% 55%。,2019/5/23,2.3 太阳辐射,三、到达地面的太阳辐射 包含两部分：一是太阳以平行光形式直接透射到地面上的，称太阳直接辐射；另一个是经过大气散射后到达地面的，称散射辐射。两者之和就是太阳总辐射。,2019/5/23,2.3 太阳辐射,三、到达地面的太阳辐射 太阳的直接辐射 太阳以平行光方式投射到与光线相垂直的面上的辐射 ，用S表示。 太阳以平行光的方式投射到水平面上的太阳直接辐射通量密度用Sb表示。 Sb,2019/5/23,S=Sb,h,a,b,c

14、,垂直于太阳光线的平面面积为A，辐射通量密度为S。,设一水平地面面积为Ab，太阳高度角为h，水平面上的太阳直接辐射密度为Sb。,d,A,S,Ab,Sb,由辐射通量相等得： AbSb=AS,即Sb/S=A/Ab=acad/(abad)=ac/ab=sinh，则 Sb=Ssinh,2.3 太阳辐射,太阳的直接辐射 Sb= Ssinh=PmS0sinh 式中，S0是太阳常数1367W/m2，h是太阳高度角，P是大气透明系数,m是大气质量数。 太阳辐射穿过深厚的大气层时，由于大气的吸收、散射和反射而被减弱。减弱程度取决于太阳辐射穿过大气的路途长短（用大气质量m表示）和大气中气溶胶粒子多少（用大气透明系

15、数P说明）。,2019/5/23,2.3 太阳辐射,太阳的直接辐射 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（m=1）. 把太阳斜射时穿过的大气质量记做m，则 m=1/sinh,m是无量纲量，表示太阳倾斜照射时太阳光线在大气中的路程是垂直入射时的倍数。,2.3 太阳辐射,太阳的直接辐射 大气透明系数 指太阳在天顶时(m=1时)，到达地面与太阳垂直面上的太阳辐射通量密度S与大气上界太阳常数S0之比。 P=S/S0（0P1） 物理意义：表明辐射通过大气后的削弱程度，也就是指太阳直接辐射穿过单位气质时的投射。,2019/5/23,2.3 太阳辐

16、射,散射辐射 大气对太阳辐射有散射作用，其中散射向地面的部分称为，用Sd表示。 空气分子的散射 太阳辐射在大气中一部分 被分子散射。根据分子散射 规律，波长短的辐射散射 掉的能量远大于波长长的辐 射。 多次散射后，散射辐射 强度越来越弱，直至可忽略 不计。,2019/5/23,无论是晴朗无云或全天是云的白昼，天空总是明亮的，这是空气分子和气溶胶粒子散射太阳辐射的结果。,气溶胶粒子的散射 与分子散射不同，气溶胶散射光谱比较接近于入射光谱。例如，太阳光是白光，有时天空没有云，但因大气中气溶胶含量较高，天空也会显灰白色，这是大气污染的一种标志。,2.3 太阳辐射,散射辐射 影响散射辐射的因素： 太阳高度角 大气透明度