气象学第二章辐射精选文档.ppt
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1、气象学第二章辐射本讲稿第一页,共六十八页本章主要内容本章主要内容n辐射的基本知识辐射的基本知识n日地关系和季节的形成日地关系和季节的形成n太阳辐射太阳辐射n地面有效辐射和地面净辐射地面有效辐射和地面净辐射n太阳辐射与植物生长太阳辐射与植物生长本讲稿第二页,共六十八页第一节第一节 辐射的基本知识辐射的基本知识(Basicknowledgeofradiation)一、辐射的概念一、辐射的概念(concept of radiation)(concept of radiation)1.1.定义:定义:辐射:物体以电磁波或粒子的形式放射或输送能量的过程。辐射:物体以电磁波或粒子的形式放射或输送能量的过程
2、。辐射能:辐射能:物体以辐射的方式物体以辐射的方式物体以辐射的方式物体以辐射的方式放射或输送放射或输送的能量。的能量。的能量。的能量。辐射有两个基本属性辐射有两个基本属性:辐射的波动性:辐射的波动性:=c =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.本讲稿第三页,共六十八页l l光速光速光速光速c=3.0 x10c=3.0 x108 8msms-1-1c=l l波长波长波长波长频率频率频率频率波长和频率的关系波长和频率的关系图图图图2
3、.12.1本讲稿第四页,共六十八页电磁辐射波谱:电磁辐射波谱:电磁辐射波谱:电磁辐射波谱:图图2 2.2.2电磁波谱电磁波谱:把电磁波按波长大小顺序排列,称为电磁波谱。把电磁波按波长大小顺序排列,称为电磁波谱。本讲稿第五页,共六十八页辐射的粒子性辐射的粒子性辐射的粒子性辐射的粒子性 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)。动量的微粒子组成,这些微粒称为粒子(量子)。n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
4、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(子(量子)量子)。如电子。如电子。这些粒子或量子每一个所具有的能量为:这些粒子或量子每一个所具有的能量为:e ehh,或或 e=h C/e=h C/h h h h 6.626106.626106.626106.62610-34-34JsJsJsJs,h h h h为普朗克常数为普朗克常数为普朗克常数为普朗克常数 。植物光合作用的研究常利用辐射的粒子性。植物光合作用的研究常利用辐射的粒子性。本讲稿第六页,共六十八页2.2.表征辐射的物理量表征辐射的物理量(1 1 1 1)辐射通量
5、:辐射通量:定义:单位时间内通过任一表面的辐射能。定义:单位时间内通过任一表面的辐射能。单位:单位:JsJs1 1或或W W(2 2)辐射通量密度辐射通量密度 定义:单位面积上的辐射通量。定义:单位面积上的辐射通量。单位:单位:Js Js1 1mm-2-2或或WmWm-2-2。辐照度辐照度辐照度辐照度辐出度辐出度辐出度辐出度本讲稿第七页,共六十八页(3 3 3 3)光通量、光通量密度、照度)光通量、光通量密度、照度)光通量、光通量密度、照度)光通量、光通量密度、照度n光通量光通量定义:单位时间通过某一表面的可见光能量。定义:单位时间通过某一表面的可见光能量。单位:流明(单位:流明(lmlm)n
6、光通量密度光通量密度定义:单位面积上的光通量。定义:单位面积上的光通量。单位:流明单位:流明/米米2 2(lmlmm m-2-2)n光照度光照度(照度)照度)定义:单位面积上接收的光通量。定义:单位面积上接收的光通量。单位:单位:lx lx,勒克斯,勒克斯,1 lx=1 lm1 lx=1 lmm m-2-2本讲稿第八页,共六十八页吸收吸收吸收吸收QaQa入射入射入射入射Q Q Q Q反射反射反射反射QrQrQrQr透射透射透射透射QtQtQtQt定义:定义:定义:定义:吸收率吸收率吸收率吸收率 a=Qa/Qa=Qa/Qa=Qa/Qa=Qa/Q 反射率反射率反射率反射率 r=Qr/Qr=Qr/Q
7、r=Qr/Qr=Qr/Q 透射率透射率透射率透射率 t=Qt/Qt=Qt/Qt=Qt/Qt=Qt/Q则有则有则有则有:a+r+t=1a+r+t=11.1.1.1.吸收率、反射率和透射率吸收率、反射率和透射率 假设有一束能量为假设有一束能量为Q Q的入射光,照射到某一物体表面,其中被的入射光,照射到某一物体表面,其中被物体吸收的能量为物体吸收的能量为QaQa,反射的能量为,反射的能量为QrQr,透射过物体的能量,透射过物体的能量为为QtQt,则:,则:Q=Qa+Qr+QtQ=Qa+Qr+Qt。二、二、二、二、物体对辐射的吸收、反射和透射物体对辐射的吸收、反射和透射本讲稿第九页,共六十八页2.2.
8、关于关于a a、r r、t t的几点讨论的几点讨论na a、r r、t t是是0 01 1之间的无量纲量。若辐射不能透过物体,之间的无量纲量。若辐射不能透过物体,t t0 0,则,则a ar r1 1,吸收率越大,反射率越小,反之亦然。,吸收率越大,反射率越小,反之亦然。n物体对辐射的吸收、反射和透射具有选择性。物体对辐射的吸收、反射和透射具有选择性。n吸收率等于吸收率等于1 1的物体为的物体为黑体黑体。吸收率为小于吸收率为小于1的常数,且不的常数,且不随波长变化的物体叫随波长变化的物体叫灰体。灰体。本讲稿第十页,共六十八页三、辐射的基本定律三、辐射的基本定律定律:定律:在一定温度下,物体对某
9、一波长的辐射能力在一定温度下,物体对某一波长的辐射能力在一定温度下,物体对某一波长的辐射能力在一定温度下,物体对某一波长的辐射能力(e(e(e(e,T,T,T,T)与物与物与物与物体对该波长的吸收率体对该波长的吸收率体对该波长的吸收率体对该波长的吸收率(a(a(a(a,T,T,T,T)的比值是一常数,即的比值是一常数,即的比值是一常数,即的比值是一常数,即:E E E ETTTT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。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。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。是黑体的辐射能力,它是波长和温度的函数,与物
10、体的性质无关。1 1 1 1、基尔霍夫定律基尔霍夫定律基尔霍夫定律基尔霍夫定律 本讲稿第十一页,共六十八页 推论:推论:推论:推论:放射能力较强的物体,吸收能力也较强;反之,放射能放射能力较强的物体,吸收能力也较强;反之,放射能放射能力较强的物体,吸收能力也较强;反之,放射能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,所以它也是力弱者,吸收能力也弱,黑体的吸收能最强,所以它也是力弱者,吸收能力也弱,黑体的吸收能最强,所以它也是力弱者,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。最强的放射物体。最强的放射物体。最强的放射物体。同一物体,如
11、果在温度同一物体,如果在温度同一物体,如果在温度同一物体,如果在温度T T T T时它可放射某一波长的辐射,那么,时它可放射某一波长的辐射,那么,时它可放射某一波长的辐射,那么,时它可放射某一波长的辐射,那么,在同一温度下它也可吸收该波长的辐射。在同一温度下它也可吸收该波长的辐射。在同一温度下它也可吸收该波长的辐射。在同一温度下它也可吸收该波长的辐射。本讲稿第十二页,共六十八页3.3.维恩位移定律维恩位移定律n定律:黑体放射能力的最大值对应的波长定律:黑体放射能力的最大值对应的波长(max)(max)与其本身与其本身的绝对温度的绝对温度(T)(T)成反比。即:成反比。即:maxT=C maxT
12、=C如果波长以如果波长以m m为单位,则常数为单位,则常数C C28972897m Km K。意义:物体温度愈高,其放射能力愈强。意义:物体温度愈高,其放射能力愈强。定律:黑体的放射能力(定律:黑体的放射能力(ET)与它本身绝对温度()与它本身绝对温度(T)的四次方成正比。即:的四次方成正比。即:ETT4式中式中5.6710-8Wm-2K-4为斯蒂芬为斯蒂芬波尔兹曼常数。波尔兹曼常数。2.2.斯蒂芬斯蒂芬波尔兹曼定律波尔兹曼定律 本讲稿第十三页,共六十八页图图2.42.4不同温度下黑体辐射强度与温度的关系不同温度下黑体辐射强度与温度的关系 物体的温度愈高,辐射物体的温度愈高,辐射能量最大值的波
13、长愈短,即能量最大值的波长愈短,即黑体辐射具有最大辐射能力黑体辐射具有最大辐射能力的波长随温度升高逐渐向短的波长随温度升高逐渐向短波方向移动。波方向移动。本讲稿第十四页,共六十八页一一一一.日地关系日地关系日地关系日地关系地球是一个椭球体,赤地球是一个椭球体,赤地球是一个椭球体,赤地球是一个椭球体,赤道半径道半径道半径道半径6378.0km6378.0km,极半径,极半径,极半径,极半径6356.8km6356.8km,在绕太阳公转的在绕太阳公转的在绕太阳公转的在绕太阳公转的同时又绕地轴自西向东自转。同时又绕地轴自西向东自转。同时又绕地轴自西向东自转。同时又绕地轴自西向东自转。公转形成四季,自
14、转形成昼夜。公转形成四季,自转形成昼夜。公转形成四季,自转形成昼夜。公转形成四季,自转形成昼夜。第二节第二节第二节第二节 太阳辐射的基本概念及其预备知识太阳辐射的基本概念及其预备知识太阳辐射的基本概念及其预备知识太阳辐射的基本概念及其预备知识本讲稿第十五页,共六十八页 近日距:近日距:1月月3日,日,1.47 108km 远日距:远日距:7月月4日,日,1.52108km1 1.地球的公转运动:地球的公转运动:公转轨道为一椭圆公转轨道为一椭圆,公转一周的时间为一年。公转一周的时间为一年。2 2.地球的自转运动地球的自转运动:绕地轴旋转,自转一周为一天。绕地轴旋转,自转一周为一天。3 3.地轴与
15、地球公转轨道面的交角为地轴与地球公转轨道面的交角为66.566.5,且地球在公且地球在公 转过程中,地轴方向保持不变转过程中,地轴方向保持不变.公转轨道为一近圆形的椭圆,太阳位于一个焦点上,日地平公转轨道为一近圆形的椭圆,太阳位于一个焦点上,日地平均距离均距离1.495101.495108 8kmkm。本讲稿第十六页,共六十八页本讲稿第十七页,共六十八页(一)太阳辐射光谱和太阳常数一)太阳辐射光谱和太阳常数一)太阳辐射光谱和太阳常数一)太阳辐射光谱和太阳常数1.1.1.1.太阳辐射光谱太阳辐射光谱太阳辐射光谱太阳辐射光谱定义:把太阳辐射按波长的分布称太阳辐射光谱。定义:把太阳辐射按波长的分布称
16、太阳辐射光谱。定义:把太阳辐射按波长的分布称太阳辐射光谱。定义:把太阳辐射按波长的分布称太阳辐射光谱。太阳辐射的波长范围较广,几乎包括了所有的电磁波,其能太阳辐射的波长范围较广,几乎包括了所有的电磁波,其能太阳辐射的波长范围较广,几乎包括了所有的电磁波,其能太阳辐射的波长范围较广,几乎包括了所有的电磁波,其能量的量的量的量的99999999集中在集中在集中在集中在0.150.150.150.154m4m4m4m波段,因此说太阳辐射光谱波段,因此说太阳辐射光谱波段,因此说太阳辐射光谱波段,因此说太阳辐射光谱主要主要主要主要包括包括包括包括红外线、可见光和紫外线光谱。红外线、可见光和紫外线光谱。红
17、外线、可见光和紫外线光谱。红外线、可见光和紫外线光谱。二、太阳辐射的基本概念二、太阳辐射的基本概念二、太阳辐射的基本概念二、太阳辐射的基本概念本讲稿第十八页,共六十八页2.2.太阳常数太阳常数n定义:当日、地间处于平均距离时定义:当日、地间处于平均距离时(约约1.496101.496108 8km)km),在大气,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。用收的太阳辐射能,称为太阳常数。用S S0 0表示。其值为表示。其值为13677 Wm13677 Wm-2-2 我国采用的太阳常数值为我国采用的太阳
18、常数值为1367 Wm1367 Wm-2-2 。影响太阳常。影响太阳常数的因子有日地距离、太阳黑子数等。数的因子有日地距离、太阳黑子数等。本讲稿第十九页,共六十八页2022/9/20三、太阳高度角和方位角三、太阳高度角和方位角 (一)、太阳高度角(一)、太阳高度角(h h)1.定义定义:太阳平行光线与地表水平面之间的夹角。太阳平行光线与地表水平面之间的夹角。(0h90)(0h90)水平面上得到的太阳辐水平面上得到的太阳辐射能随着射能随着h的增加而增的增加而增加。加。图图2.6 2.6 太阳高度角和太阳辐射强度太阳高度角和太阳辐射强度本讲稿第二十页,共六十八页2.2.任意时刻及正午时刻太阳高度角
19、的计算任意时刻及正午时刻太阳高度角的计算任意时刻任意时刻h h的计算的计算sin hsin hsin hsin h sinsin+coscoscossinsin+coscoscossinsin+coscoscossinsin+coscoscos式中:式中:为观测点纬度,为观测点纬度,为赤纬,为赤纬,是时角。是时角。的的的的含义:含义:太阳直射点的地理纬度太阳直射点的地理纬度.范围范围-23.5-23.5+23.5+23.5。的计算的计算的计算的计算:23.5sinN 23.5sinN 23.5sinN 23.5sinN 本讲稿第二十一页,共六十八页说明:说明:说明:说明:式中式中式中式中NNN
20、N以度为单位,是距春分日或秋分日最近的以度为单位,是距春分日或秋分日最近的以度为单位,是距春分日或秋分日最近的以度为单位,是距春分日或秋分日最近的总天数。春分日至秋分日取正值,否则,取负值。总天数。春分日至秋分日取正值,否则,取负值。总天数。春分日至秋分日取正值,否则,取负值。总天数。春分日至秋分日取正值,否则,取负值。特殊日期特殊日期特殊日期特殊日期的的的的值:值:(北半球)北半球)(南半球相反)南半球相反)春分日春分日春分日春分日(21/3)(21/3)(21/3)(21/3)或秋分日或秋分日或秋分日或秋分日(23/9)(23/9)(23/9)(23/9):0000夏至日夏至日夏至日夏至日
21、(22/6)(22/6)(22/6)(22/6):23.523.523.523.5冬至日冬至日冬至日冬至日(22/12)(22/12)(22/12)(22/12):-23.5-23.5-23.5-23.5 23.5sinN 23.5sinN 23.5sinN 23.5sinN 本讲稿第二十二页,共六十八页 的确定的确定的确定的确定:是用角度表示的时间,是用角度表示的时间,是用角度表示的时间,是用角度表示的时间,每每每每15151515为一小时为一小时为一小时为一小时 正午:正午:正午:正午:0 0 0 0 上午:上午:上午:上午:0 0 0 0 下午:下午:下午:下午:0 0 0 0 本讲稿第
22、二十三页,共六十八页正午时刻正午时刻h的计算的计算 例例例例1 1 1 1:计算屯溪(计算屯溪(292940N,1180N,11820EE)夏至日和冬至日正午时)夏至日和冬至日正午时刻的太阳高度角?刻的太阳高度角?解:解:根据公式根据公式 h h 9090,夏至日夏至日+23.5+23.5,冬至日,冬至日-23.5-23.5 夏至日夏至日h=9029h=902940023.523.5=83=83500 冬至日冬至日h=9029h=902940-23.50-23.5=36=36500注意:当计算所得注意:当计算所得h为钝角时,取其补角为太阳高度角。为钝角时,取其补角为太阳高度角。hh正午正午正午
23、正午90-+90-+本讲稿第二十四页,共六十八页太阳高度角随纬度和季节的变化太阳高度角随纬度和季节的变化表表2.1 2.1 太阳高度角随纬度和季节的变化太阳高度角随纬度和季节的变化纬度纬度(N(N)春分日春分日夏至日夏至日秋分日秋分日冬至日冬至日90900 0232327270 023232727666630302323272746465454232327270 050504040636327274040161633334040505073732323505026263333232327276666333390906666333343430606202070708686333370704646
24、333310108080767633338080565633330 0909060603333909066663333本讲稿第二十五页,共六十八页(二)太阳方位角(二)太阳方位角(二)太阳方位角(二)太阳方位角 (A A A A)1.1.定义定义:太阳平行光线在水平地面上太阳平行光线在水平地面上 的投影和当地子午线之间的夹角。的投影和当地子午线之间的夹角。2.2.计算公式:计算公式:式中式中式中式中A A A A值:值:值:值:正南:正南:正南:正南:A=0A=0A=0A=0正南以西:正南以西:正南以西:正南以西:A A A A0000正南以东:正南以东:正南以东:正南以东:A A A A00
25、00日出日没时日出日没时日出日没时日出日没时h h h h0000,cosAcosAcosAcosAsinsecsinsecsinsecsinsec本讲稿第二十六页,共六十八页3.3.北半球一年内太阳出没的方位北半球一年内太阳出没的方位北半球一年内太阳出没的方位北半球一年内太阳出没的方位 冬半年内,日出东偏南方向,日没西偏南方向;且愈近冬至日,冬半年内,日出东偏南方向,日没西偏南方向;且愈近冬至日,冬半年内,日出东偏南方向,日没西偏南方向;且愈近冬至日,冬半年内,日出东偏南方向,日没西偏南方向;且愈近冬至日,日出日没方位愈偏南。日出日没方位愈偏南。日出日没方位愈偏南。日出日没方位愈偏南。除北极
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