农业气象学-第02章.

农业气象学王丁河南教育学院生命科学系南京农业大学樊多琦南京农业大学樊多琦第二章辐射第一节辐射的基本知识第二节太阳辐射第三节地面辐射平衡方程第四节太阳辐射与农业南京农业大学樊多琦太阳辐射能是地面和大气唯一的能量来源太阳辐射能是地球大气运动的原动力1.3×1024cal/年南京农业大学樊多琦第一节辐射的基本知识一辐射的概念二辐射的波粒二象性三辐射的特征量四吸收率和反射率五辐射定律南京农业大学樊多琦一、辐射的概念辐射：温度在绝对零度(0K)以上的一切物体时刻不停地以电磁波的形式向外放射能量的一种方式。物体以电磁波或粒子流形式向周围传递或交换能量的方式。辐射能（辐射）：由辐射这种方式所传输的能量。=2.99793×1010cm/s南京农业大学樊多琦二、辐射的波粒二象性1、波动性波长微米m纳米nm埃A1mm=1000m1m=1000nm1nm=10A频率f赫兹Hz传输速度=f南京农业大学樊多琦电磁波谱紫外线100A～0.4m可见光0.4m～0.76m红外线近红外0.76m～3.0m中红外3.0m～6.0m远红外6.0m～15m超远红外15m～1000m微波毫米波1～10mm厘米波1～10cm分米波10cm～1m紫0.40～0.43m蓝0.43～0.47m青0.47～0.50m绿0.50～0.56m黄0.56～0.59m橙0.59～0.62m红0.62～0.76m南京农业大学樊多琦电磁波谱10-510-410-310-210-1100101102m紫外线红外线X射线无线电波可见光射线太阳短波辐射地面大气长波辐射0.1～4m3～120m2、粒子性南京农业大学樊多琦三、辐射的特征量热效应=0～∞光效应=0.4～0.76m辐射通量：单位时间通过任意面积的辐射能。J/s（W）辐射通量密度（辐射强度、辐照度）：单位面积上的辐射通量。W/m2或W/cm2光通量：发光强度为1坎德拉的光源在1球面度的立体角内所发出的光量。lm（流明）光通量密度：单位面积上通过的光通量。lm/m2光照强度（照度）：单位面积上接受的光通量。lx（Lux,勒克斯)1lx=1lm/m2面发光度：单位面积上发出的光通量。lx南京农业大学樊多琦四、吸收率和反射率Q入射辐射Qr反射辐射Q透射辐射Qa吸收辐射吸收率a=---反射率r=---透射率=---Qa+Qr+Q=Qa+r+=1QQQQaQQr绝对黑体（黑体）=0～∞a=1波长的黑体a=1灰体=0～∞a=常数南京农业大学樊多琦五、辐射定律1、基尔荷夫（kirchoff）定律（选择吸收定律）在一定温度下，物体对某一波长的放射辐射能力eλ,T与物体对该波长的吸收率aλ,T的比值，是温度和波长的函数Eλ,T，与物体的其它性质无关。------=Eλ,T★对于不同性质的物体，放射能力较强的，吸收能力也较强;★对于同一物体，若在某温度下能放射某个波长的辐射，则在同温度下也能够吸收这个波长的辐射。eλ,Taλ,T南京农业大学樊多琦2、斯蒂芬-波尔兹曼（Stefan-Boltzman）定律黑体的总放射辐射能力ET与其绝对温度T的四次方成正比。ET＝σT4斯蒂芬-波尔兹曼常数σ＝5.67×10-8W/m2·K4★物体温度愈高，放射能力愈强。101102103104105波长nm相对辐射强度500K1000K2000K5000K10000K20000K南京农业大学樊多琦3、维恩（Wien）定律（维恩位移定律）黑体最大放射辐射能力对应的波长λM与其绝对温度T成反比。λM·T=CC＝2897×103nm·K★物体的温度愈高，最大放射辐射能力对应的波长愈短。101102103104105波长nm相对辐射强度500K1000K2000K5000K10000K20000K南京农业大学樊多琦第二节太阳辐射一日地关系二太阳视运动三太阳常数和太阳辐射光谱四太阳辐射在大气中的削弱南京农业大学樊多琦一、日地关系自转公转地轴赤道晨昏线阳光近日点1月3日远日点7月4日144.5×106km154.5×106km24节气南京农业大学樊多琦地轴赤道晨昏线地轴赤道晨昏线赤黄交角23°27′太阳直射点23°27′S（南回归线）～23°27′N（北回归线）太阳赤纬-23°27′～+23°27′南京农业大学樊多琦昼夜长短的变化和一年四季的形成（北半球）太阳直射点昼长夜长春分赤道1212↓北移加长缩短夏半年夏至北回归线最长最短↓南移缩短加长秋分赤道1212↓南移缩短加长冬半年冬至南回归线最短最长↓北移加长缩短春分赤道1212南京农业大学樊多琦南京农业大学樊多琦二、太阳视运动1、太阳高度角和太阳方位角太阳高度角（太阳高度）h：太阳光线与地平面之间的夹角。太阳方位角A：太阳光线在地平面的投影与当地子午线间的夹角。hA天顶天空子午线天穹当地子线太阳太阳光线投影线NSWE南京农业大学樊多琦太阳高度角的计算sinh＝sin·sin+cos·cos·cosh太阳高度角，取值范围：0～90°，若h＞90°则取h＝180°-h当地的地理纬度当天的太阳赤纬，取值范围：-23.5°～+23.5°＝23.5sinN°N°距春分日或秋分日最近的天数，以度为单位夏半年（春分～秋分）取正值，冬半年（秋分～春分）取负值春分＝0°，秋分＝0°，夏至＝+23.5°，冬至＝-23.5°当时的时角，正午为0°，上午为负，下午为正，1小时＝15°=----（t-12）t时间（真太阳时）224南京农业大学樊多琦正午时刻的太阳高度角（=0）h正午＝90°-+日出日落时的时角（h=0）cos日出、日落＝-tg·tgt日出＝12--------------t日落＝12+-------------真太阳时、地方平均时（当地经度）、北京时（120°E）的换算地方平均时=真太阳时-时差北京时=地方平均时+----------------120°-当地经度15°∣日出、日落∣15°∣日出、日落∣15°南京农业大学樊多琦太阳方位角的计算cosA＝-----------------A太阳方位角，正南为0°，正南以东为负，正南以西为正日出日落时的太阳方位角（h=0）cosA日出、日落＝-------春分、秋分时，＝0，cosA日出、日落＝0，A日出、日落＝±90°日出正东方，日落正西方夏半年，＞0，cosA日出、日落＜0，∣A日出、日落∣＞90°日出东偏北方，日落西偏北方冬半年，＜0，cosA日出、日落＞0，∣A日出、日落∣＜90°日出东偏南方，日落西偏南方sinh·sin-sincosh·cossincos南京农业大学樊多琦2、可照时间和光照时间可照时间（可照时数、昼长）：太阳从东方地平线升起到西方地平线落下所经历的时间数。可照时间=--------------日照时数（实照时数）：一天中，地面能够接受到太阳直接辐射的时间数。地面用日照计实际测量的日照时数。日照百分率=-----------×100％2∣日出、日落∣15°可照时数日照时数南京农业大学樊多琦可照时间的变化规律（北半球）：cos日出、日落＝-tg·tg春分、秋分，＝0，cos日出、日落＝0，日出、日落＝±90°日出06时，日落18时，可照时数12小时（全球）夏半年，＞0，cos日出、日落＜0，∣日出、日落∣＞90°日出06时之前，日落18时之后，可照时数＞12小时随着增大，可照时数加长冬半年，＜0，cos日出、日落＞0，∣日出、日落∣＜90°日出06时之后，日落18时之前，可照时数＜12小时随着增大，可照时数缩短赤道，＝0，cos日出、日落＝0，日出、日落＝±90°日出06时，日落18时，可照时数12小时（全年）冬至→夏至，增大，可照时数加长夏至→冬至，减小，可照时数缩短南京农业大学樊多琦h′太阳光散射光地平面地球光照时间=可照时间+曙暮光时间曙暮光：日出前、日落后高层大气的散射光。曙暮光时间随纬度的增加而加长夏季长，冬季短民用曙暮光h′=0～6°（曙暮光）天文曙暮光h′=0～18°南京农业大学樊多琦三、太阳常数和太阳辐射光谱太阳常数（热量太阳常数）S0：日地平均距离（1.496×108km），地球大气上界，太阳辐射垂直面上的太阳辐射强度。变化范围：1325～1457W/m2我国取S0＝1382W/m2光量太阳光量常数：日地平均距离（1.496×108km），地球大气上界，太阳辐射垂直面上的平均光照强度。变化范围：1.35×105～1.4×105lx通常取为1.4×105lx南京农业大学樊多琦太阳辐射光谱0.40.81.21.62.02.450010001500200025000波长m可见光红外线紫外线0.1～4m可见光＝0.4～0.76m占50％红外线＞0.76m占43％紫外线＜0.4m占7％M＝0.475m（可见光区的青蓝光）6000K时的黑体辐射光谱南京农业大学樊多琦四、太阳辐射在大气中的削弱削弱方式：吸收、散射、反射1、吸收吸收对波长具有选择性氧紫外线＜0.2m臭氧紫外线＝0.2～0.31m水汽红外线二氧化碳红外线大气杂质南京农业大学樊多琦2、散射大气对太阳辐射的散射作用主要发生在可见光区分子散射（雷莱Rayleigh散射）散射粒子的半径r＜/10分子散射对波长具有选择性散射系数K=C/4粗粒散射（米Mie散射）散射粒子的半径r＞/10粗粒散射对波长没有选择性南京农业大学樊多琦3、反射云的反射反射对波长没有选择性太阳辐射100大气上界地面反射23吸收24散射2542128直接辐射散射辐射南京农业大学樊多琦第三节地面辐射平衡方程一直接辐射二散射辐射三总辐射四反射辐射五短波净辐射六地面辐射七大气逆辐射八长波净辐射九地面辐射差额南京农业大学樊多琦地面辐射平衡方程R=（S’+D）-Rr-（Eg-Ea）=（S’+D）·（1-r）-E0R地面辐射差额（地面净辐射）S’太阳直接辐射D散射辐射（天光漫射）S’+D总辐射r地面反射率1-r地面吸收率Rr=（S’+D）r反射辐射（S’+D）-Rr=（S’+D）·（1-r）短波净辐射Eg地面辐射Ea大气逆辐射E0=Eg-Ea长波净辐射（地面有效辐射）南京农业大学樊多琦一、太阳直接辐射S’太阳直接辐射：直接来自太阳日盘、以平行光的形式投射到地面的太阳辐射能。太阳直接辐射的影响因素：大气质量数大气透明系数南京农业大学樊多琦大气质量数（大气质量）m：到达地面的太阳辐射所经历的大气路径长度与大气铅直厚度的比值。h30°20°15°10°7°5°4°3°2°1°m2.002.903.825.607.7710.4012.4415.3619.7926.96太阳高度角h＜30°时的大气质量数OBAh大气上界地面m=----=------=cschOAOB1sinh南京农业大学樊多琦大气透明系数p：太阳辐射透过一个大气质量数时的透过率。h大气上界地面MNS0SMSNSSM=S0·pSN=SM·p=S0·p2S=S0·pm（布格尔Bouguer-兰勃特Lambert定律）南京农业大学樊多琦S太阳辐射垂直面上的太阳直接辐射强度S’水平面上的太阳直接辐射强度S·OA=S’·OBS’=S·OA/OBS’=S·sinh=S0·pm·sinh太阳直接辐射强度S’取决于h、p、云况S’SOBAh单位宽度南京农业大学樊多琦二、散射辐射（天光漫射）D散射辐射：太阳辐射被大气中的各种粒子散射后，从天空各个方向投射到地面的太阳辐射能。散射辐射的影响因素：入射辐射的强度散射粒子的多少假设太阳辐射被大气散射后，散射辐射能有一半到达地面，则S0·sinh=S’+2D=S0·pm·sinh+2DD=--S0·（1-pm）·sinh散射辐射强度D取决于h、p、云况12南京农业大学樊多琦三、总辐射S’+D散射辐射：投射到地面的太阳辐射能。总辐射强度S’+D取决于h、云况南京农业大学樊多琦中国年总辐射量分布图（×108J／m2）最大：西藏最小：四川盆地55556