海南大學(xué)農(nóng)業(yè)氣象學(xué)第二章_輻射

1、輻射：物體以電磁波形式傳遞能量的一種方式。（1）自然界中任何物體都在不停地向外發(fā)送電磁輻射；（2）電磁輻射傳播不需要任何介質(zhì)；（3）電磁波可以用波長（）和頻率（）表示，波速（V）為一常數(shù)，真空中為3108m/s，用 C 表示，即： C可見光可見光紅外紫外（1）輻射是以光子形式存在的，每一光子的能量為： e h hC/ 式中h為普朗克常數(shù)：6.63*10-34 J.s 每個光子的能量很小，實際應(yīng)用中常用摩爾光量子為單位，1摩爾光子稱作1愛因斯坦（Ei） 請分別計算1Ei波長為0.5微米和頻率為2450MHz的光量子的能量（2）表示輻射強弱的物理量稱作輻射強度。按照輻射方向 的不同，可以有不同的稱

2、呼：輻出度：從物體表面向外發(fā)送的輻射，單位面積上單位時間輻出度：從物體表面向外發(fā)送的輻射，單位面積上單位時間內(nèi)發(fā)送的輻射能稱輻出內(nèi)發(fā)送的輻射能稱輻出度。輻照度：某表面單位時間內(nèi)單位面積上接受周圍物體向其發(fā)送的輻射能。輻射通量密度：單位時間內(nèi)穿過空間單位面積的輻射能。輻射強度與光照度的區(qū)別：二者是不同的概念，光照度特指可見光的，為單位面積上光通量，簡稱照度，單位為lux (lx) 。二者沒有換算關(guān)系，一般大氣上界的光照度約14萬lx，而晴天中午，地面照度約為68萬lx。輻射強度和照度都不是理想的表示作物需光的物理量，因為作物不同的生理活動需要不同波段的“光”，且同波段內(nèi)“光”的有效性也有差異。輻

3、射強度更強調(diào)能量，光照度主要強調(diào)可見光的亮度。物體的吸收率、反射率及透射率是物體的固有屬性，且其數(shù)值隨著不同波長的輻射以及其自身表面溫度的變化而不同，即它們都是波長和溫度的函數(shù)： a、r、d f（、T）玻璃：對于可見光其透射率很大，而對于紅外線則基本不透明。雪對可見光反射率很高，可達0.95，而對紅外線其吸收率為0.98。黑體：a1灰體：a c白體：r 1nStefan-Boltzman 定律表達式： E T4 E為黑體的輻射強度， T為其表面溫度， 為Stefan-Boltzman常數(shù)。 5.67 * 10-8 w/m2k4 請分別計算太陽表面（6000K）和地球表面（約300K）的輻射強度

4、nWein定律Wein定律描述的是物體輻射能量的主要分布波段范圍。表達式：max 2897/T T：物體表面溫度 max：最大單色輻射波長 分別計算太陽和地球輻射的最大單色輻射波長。分別計算太陽和地球輻射的最大單色輻射波長。太陽系家族水星 金星 地球 火星 木星 土星 天王星 海王星 冥王星 到太陽的平均距離 （106Km）57.9108.2149.6227.9778.314272869.64496.65900自轉(zhuǎn)周期 59日 -243日 (逆轉(zhuǎn)) 23小時56分4秒 24小時37分23秒9小時50分30秒10小時14分-11小時 16小時 6日9小時軌道運動平均速度 （千米/秒） 47.93

5、529.824.113.19.66.85.44.7軸傾角 （赤道與軌道交角） 28o 3o 23o27 23o59 3o05 26o44 82o5 28o48 ? 赤道與黃道夾角 7o 3.4o 0o 1.9o 1.3o 2.5o 0.8o 1.8o 17.2o 軌道偏心率 0.2060.0070.0170.0930.0480.0560.0470.0090.25赤道直徑（千米） 48001210412756678714280012000051800495006,000(?) 質(zhì)量（地球=1） 0.0550.81510.108317.9 95.214.617.20.1(?) 體積（地球=1） 0

6、.060.8810.15131675567570.1(?) 密度（水=1） 5.45.25.541.30.71.21.7？ 偏平度 000.0030.0090.060.10.060.02？ 大氣（主要成分） 無 二氧化碳 氮，氧 二氧化碳氬 氫，氦 氫，氦 氫，氦，甲烷 氫，氦 甲烷探測不到 可見表面平均溫度350(S)-33(C)22(S) -23(S) -150(C) -180(C) -210(C) -220-230(?) 表面大氣壓強（毫巴） 386349000010006? ? ? ? ? 表面重力（地球=1） 0.370.8810.382.641.151.171.18？ 由行星所見太

7、陽平均表觀角直徑 1o2240 4445 3159 21 609 322 141 104 49 已知衛(wèi)星數(shù) 00121617521立春、立夏、立秋、立冬分別表示四季的開始?！傲ⅰ奔撮_始的意思。公歷上一般在每年的2月4日、5月5日、8月7日和11月7日前后。夏至、冬至表示夏天、冬天到了?！爸痢奔吹降囊馑肌Ｏ闹寥?、冬至日一般在每年公歷的6月21日和12月22日。春分、秋分表示晝夜長短相等?！胺帧奔雌椒值囊馑?。這兩個節(jié)氣一般在每年公歷的3月21日和9月23日左右。雨水表示降水開始，雨量逐步增多。公歷每年的2月18日前后為雨水。驚蟄春雷乍動，驚醒了蟄伏在土壤中冬眠的動物。這時氣溫回升較快，漸有春雷萌動

8、。每年公歷的3月5日左右為驚蟄。清明含有天氣晴朗、空氣清新明潔、逐漸轉(zhuǎn)暖、草木繁茂之意。公歷每年大約4月5日為清明。谷雨雨水增多，大大有利谷類作物的生長。公歷每年4月20日前后為谷雨。小滿其含義是夏熟作物的籽粒開始灌漿飽滿，但還未成熟，只是小滿，還未大滿。大約每年公歷5月21日這天為小滿。芒種麥類等有芒作物成熟，夏種開始。每年的6月5日左右為芒種。小暑、大暑、處暑暑是炎熱的意思。小暑還未達最熱，大暑才是最熱時節(jié)，處暑是暑天即將結(jié)束的日子。它們分別處在每年公歷的7月7日、7月23日和8月23日左右。白露氣溫開始下降，天氣轉(zhuǎn)涼，早晨草木上有了露水。每年公歷的9月7日前后是白露。寒露氣溫更低，空氣已

9、結(jié)露水，漸有寒意。這一天一般在每年的10月8日。霜降天氣漸冷，開始有霜。霜降一般是在每年公歷的10月23日。小雪、大雪開始降雪，小和大表示降雪的程度。小雪在每年公歷11月22日，大雪則在12月7日左右。小寒、大寒天氣進一步變冷，小寒還未達最冷，大寒為一年中最冷的時候。公歷1月5日和該月的20日左右為小、大寒。地球的大小n為標(biāo)定地球表面任一點的具體位置設(shè)定經(jīng)緯度；n把經(jīng)過地軸的平面與地球表面的交線稱經(jīng)圈，經(jīng)圈被南北極點一分為二為兩個半圓，稱作子午線或經(jīng)線；n將通過英國倫敦格林威治天文臺舊址的子午線定為本初子午線，即0經(jīng)線，向東的稱為東經(jīng)，向西的稱西經(jīng)。格林尼治天文臺本初子午線把垂直于地軸的平面與

10、地表面的交線稱作緯圈；經(jīng)過地心的垂直于地軸的平面與地表面交線為赤道，定義為緯度0；赤道以北的稱北緯，以南的稱南緯；地表任一點的緯度為該點與地心連線與赤道面的夾角。地表經(jīng)緯度地表經(jīng)緯度以太陽直射本地經(jīng)線定義為地方時12點；經(jīng)線相差1其地方時相差4min；以0經(jīng)線時間為基準(zhǔn)，東西各7.5的區(qū)域為0時區(qū)，向東西各增加15為一個新的時區(qū)，分別為東一區(qū)、東二區(qū)、西一區(qū)、西二區(qū)，該區(qū)域內(nèi)時間以中間經(jīng)線時間為其區(qū)時，相鄰時區(qū)時間相差1小時，東邊的早，東西十二時區(qū)重疊。問題：北京時間12點時，?？冢?10 E，20 N）地方時為多少？一、太陽輻射光譜和太陽常數(shù)太陽輻射能量隨波長的分布稱太陽輻射光譜。太陽輻射光

11、譜可以分成三個區(qū)域：紫外線區(qū)占總能量的約7，可見光區(qū)占總能量的約50，紅外線區(qū)占總能量的約43。問題：到達地表的太陽輻射中，紫外線約占總能量的7。太陽常數(shù)： 當(dāng)處于日地平均距離，地球大氣上界、垂直于太陽平行光線，單位時間穿過單位面積的太陽輻射能，數(shù)值上約13677 w/m2。 太陽常數(shù)隨著太陽活動而發(fā)生變化，范圍約13251457 w/m2。 大氣上界，太陽輻射產(chǎn)生的平均光照強度為1.351.4105lx，稱太陽光量常數(shù)。 二、太陽高度角和日照時間v太陽高度角指太陽平行光線與地平面的夾角。Sinh = sinsin + coscoscosh: 太陽高度角： 緯度： 赤緯： 時角太陽高度有什么變

12、化規(guī)律？二、太陽高度角和日照時間赤緯：太陽直射點的地理緯度，北半球為正，南半球 為負。（兩至直射回歸線，兩分直射赤道）時角：以角度表示時間，太陽“圍繞”地球旋轉(zhuǎn)一周為24小時，即每小時15，以正午的時角為0，下午為正，上午為負。正午太陽高度角： 由于0，前太陽高度角表達式可簡化為 h正午90+計算：海口（110 E，20 N）夏至日正午太陽高度角。二、太陽高度角和日照時間日照時間：從日出到日落所持續(xù)的時間稱可照時間；問題：可照時間有什么變化規(guī)律？推導(dǎo)：將地球當(dāng)成正球體，則日出、日落是對稱的，太陽高度角為0，所以日出（落）的時角為 costgtg 結(jié)論1：赤道上永遠晝夜均分；春分（秋分）時地表各

13、點晝夜均分； 結(jié)論2：北半球春分到秋分（夏半年）日長大于12小時，緯度越高，日 長越長；冬半年相反。實際上，由于大氣的折射作用，實際日長比理論日長要略長，這種差異隨緯度的增加而增加，我們將其稱作曙暮光。計算：?？诖悍秩杖粘鰰r間（北京時）和日長。計算：?？诖悍秩杖粘鰰r間（北京時）和日長。二、太陽高度角和日照時間雖然不同緯度每天的日照時間不同，但就全年來說總數(shù)是相同的，即365*124380小時，加上曙暮光時間，高緯要略大一點（見附錄）。上面說的是理論上日照時間，實際上，由于地形、植被、天氣等因素，實際得到的日照時間要少得多，我們將實際得到的日照時間稱作實照時數(shù)，它與理論上得到的日照時間（可照時間

14、）的比值稱日照百分率。日照百分率各地差異很大，多數(shù)地方年日照百分率在4060之間，而各月的差異可變化于1090。三、大氣對太陽輻射的減弱太陽輻射在穿越大氣層時，大氣組分對其阻礙，使其減弱，減弱的方式主要有：v大氣對太陽輻射的吸收作用v大氣對太陽輻射的散射作用v大氣對太陽輻射的反射作用大氣對太陽輻射的吸收作用（1）大氣的吸收光譜 太陽輻射經(jīng)過整層大氣時，在波長小于0. 29m的波段中，吸收率接近于1。也就是說，大氣把太陽光譜中0. 29m以下的紫外輻射幾乎全部吸收了。而在可見光區(qū)，大氣吸收很少，只有不強的吸收線帶。但在紅外區(qū)則有很多很強的吸收帶。（2）大氣中各種成份對太陽輻射的吸收 大氣中吸收太

15、陽輻射的物質(zhì)主要是氧、臭氧、水汽和液態(tài)水，其次是二氧化碳、甲烷、一氧化二氮、塵埃等。氧（O2） 氧對太陽輻射的吸收主要在0.25m以下的紫外區(qū)，吸收很強。并在吸收后發(fā)生光化反應(yīng)產(chǎn)生臭氧。這一吸收作用主要在高層大氣中進行，以致使0.25m以下的太陽輻射很少到達一般觀測所及的高度。在可見光區(qū)，氧還有兩個較弱的吸收帶，A帶位于0.76m附近，B帶位于0.69m附近。它們對太陽輻射的削弱不大。臭氧（O3）：臭氧在紫外區(qū)和可見光區(qū)都有吸收帶，其最強的吸收帶位于0.20.32m之間稱為哈特萊帶，另一個吸收帶位于0.32-0.36m稱為漢琴斯帶。由于這個波段的輻射被臭氧吸收，使它不能到達地面，因而保護了地面

16、上生物免受過量紫外線的傷害。位于可見光的吸收帶其波長范圍在0.440.75m。此吸收帶雖弱，但因位于太陽輻射最強的波段內(nèi)、所以吸收的能量并不少。 v水汽和液態(tài)水（H2O）：水汽對太陽輻射的吸收帶和吸收線很多，在可見光區(qū)有很多吸收帶，但都很弱。在紅外區(qū)從波長0.932.85m之間有七個主要的吸收帶，水汽對太陽輻射的吸收與水汽含量的多少有關(guān)，水汽含量愈多，吸收的也愈多。一般來說，水汽在主要的太陽輻射光譜中沒有極強的吸收帶。大氣中的水分不僅處于氣態(tài)，也有處于液態(tài)的，大氣中的液態(tài)水同樣能夠吸收太陽輻射。液態(tài)水具有比水汽強得多的吸收帶，這些吸收帶的位置相對于水汽吸收帶向波長較長的方向移動。v 二氧化碳（

17、CO2）：二氧化碳在波長大于2m的紅外區(qū)有若干個吸收帶，比較強的中心位于2.77和4.3m。但該波段內(nèi)太陽輻射比較弱，因此在研究太陽短波輻射時，可以忽略。v大氣中的飄塵、其它固態(tài)物質(zhì)及大氣中的污染物質(zhì)，像甲烷（CH4）等對太陽輻射也有吸收作用。大氣中這些物質(zhì)的含量是隨時間和地點而變化的，它們的來源與特性也有很大的差異，因此研究它們對太陽輻射的吸收是比較困難的。但也可以肯定，大氣中這些物質(zhì)的含量越高，對太陽輻射吸收減弱得越厲害。所以在工業(yè)中心、森林山火及火山爆發(fā)的地區(qū)，太陽輻射將會有明顯的減弱。v 由上討論可知，大氣對太陽輻射的吸收，在平流層以上主要是氧和臭氧對紫外輻射的吸收，平流層以下，主要是

18、水汽對紅外輻射的吸收，整層大氣吸收作用約削弱掉太陽輻射能的24。因而對于對流層大氣來說，太陽輻射不是其主要的熱源。大氣對太陽輻射的散射作用光波在遇到大氣分子或氣溶膠粒子等時，便會與它們發(fā)生相互作用，重新向四面八方發(fā)射出頻率與入射光的相同，但強度較弱的光(稱子波)，這種現(xiàn)象稱光散射。子波稱散射光，接受原入射光并發(fā)射子波的空氣分子或氣溶膠粒子稱散射粒子。當(dāng)散射粒子的尺度遠小于入射光的波長時（a0.32），稱分子散射或瑞利散射，散射光分布均勻且對稱。分子散射具有選擇性，它的散射強度與入射光的波長四次方成反比。所以，不同入射光被散射的比例差別很大。問題：為什么晴朗天空呈蔚藍色？大氣對太陽輻射的散射作用

19、當(dāng)散射粒子的尺度與入射光波長可比擬時(例如飄塵粒子對可見光的散射)，散射光的強度分布不對稱而是分布復(fù)雜，稱為米散射。米散射（粗粒散射）沒有選擇性，所以入射光與散射光在光譜組成上是一致的。思考：霧的顏色。散射對太陽輻射減弱作用強烈，使得直射光一大部分變成了散射光，即天空輻射（或稱散射輻射）；散射的方向四面八方，一部分經(jīng)一次或多次散射而到達地表，另一部分回到宇宙空間，這也是我們從太空中可以觀察到地球的大氣的原因?；氐接钪婵臻g的約占總輻射能的4左右。大氣對氣對太陽輻陽輻射的反射作用大氣中云層和較大顆粒的埃塵能將太陽輻射中的一部分能量反射到宇宙空間去。其中反射最明顯的是云。不同的云量，不同的云狀，云的

20、不同厚度所發(fā)生的反射是不同的。高云平均反射25，中云平均反射50，低云平均反射65，很厚的云層反射可達90?；\統(tǒng)地講，云量反射平均達5055。假設(shè)大氣層頂?shù)奶栞椛涫?00。那么太陽輻射通過大氣后發(fā)生散射、吸收和反射(反射云量反射表示)，向上散射占4，大氣吸收占21,云量吸收占3,云量反射占23。 到達地表的太陽輻射 直接輻射自太陽表面發(fā)射，未被大氣散射而直接到達地表的太陽平行光的輻射強度稱直接輻射。影響直接輻射數(shù)值大小的主要因素有：太陽高度角、大氣透明度、大氣質(zhì)量數(shù) 散射輻射大氣對太陽輻射的散射作用而使部分部分輻射自天空到達地表的稱散射輻射。影響散射輻射數(shù)值變化的因素：太陽高度角、大氣透明度

21、 總輻射直接輻射和散射輻射之和稱總輻射。中國年太陽總輻射能分布地表對太陽輻射的反射到達地表的太陽輻射，一部分被地面吸收，其余的被地面反射回大氣層，而透過的量可以忽略不計。地面反射量的大小（地面反射率）與地表的性質(zhì)相關(guān)。一、地面有效輻射 地氣系統(tǒng)在接受太陽輻射的同時，也在不停地發(fā)送著長波輻射，整個地氣系統(tǒng)從能量的角度來看是平衡的。 地表發(fā)送輻射的方向單一地指向大氣，被下層大氣所吸收。 RluT4 ：比輻射率 地表大多數(shù)物體的比輻射率介于0.900.98之間 大氣發(fā)送的輻射在大氣層內(nèi)部指向整個球面，我們可以將其分成兩部分：其一指向更高層大氣，另一部分指向地表；指向上層的輻射被高層大氣吸收，熱量就這

22、樣逐級向上傳遞；而指向下層的大氣對其起到保溫作用。 大氣輻射指向地表的部分稱為大氣逆輻射。 地面一方面通過長波輻射向大氣傳遞熱量，同時，接收大氣的逆輻射。地面長波輻射與大氣逆輻射被地面所吸收的部分之差稱地面有效輻射。 Rln = Rlu- Rld青藏高原（五道梁）觀測的地面輻射(a)和大氣輻射(b)二、地表凈輻射n地面吸收的太陽短波輻射與地面有效輻射的差值，稱地表凈輻射(或地表輻射差額)。 Rn (RsbRsd)(1r)Rlnn影響凈輻射大小的主要因素為太陽短波輻射，地面有效輻射由于地溫和氣溫的變化不大，對其影響較小，所以太陽短波輻射強弱的日變化和年變化基本上就決定了凈輻射的日、年周期變化。n

23、年凈輻射量隨緯度的增加而減小，極圈內(nèi)常為負值地面輻射平衡n地面獲得的平均凈輻射一般都大于0，但地球并沒有因此使地表溫度持續(xù)上升，因為獲得的能量用于了加熱空氣、蒸發(fā)水汽等，就總體來說，全球能量是平衡的。n輻射平衡表達式： RnH+LE+Gn輻射平衡各因子占凈輻射能的比例的高低是決定一個地方小氣候的物理基礎(chǔ)。n例：沙漠與綠洲小氣候的差異全球地氣系統(tǒng)能量平衡模式5. 輻射與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)太陽輻射光譜與農(nóng)作物生產(chǎn)農(nóng)田中光能分布光照強度與農(nóng)作物生長光照時間與農(nóng)作物生長提高光能利用率途徑太陽輻射光譜與農(nóng)作物生產(chǎn)n光合有效輻射（PAR）太陽輻射中對植物光合作用有效的光譜成分。波長范圍0.40.7m。葉綠素吸收光譜

24、的最強吸收只有兩個：一個在波長為640660納米的紅光部分，另一個在波長為430450納米的藍紫光部分。類胡蘿卜吸收光譜主要是藍紫光。色素對其他波長的光一般不吸收。 光合光量子通量密度光合光量子通量密度：單位時間通過單位面積的光合光量子數(shù)，數(shù)值單位是 mol/m2.s，測量儀器為光量子輻射儀。太陽輻射光譜與農(nóng)作物生產(chǎn)太陽輻射中光合有效輻射的含量太陽輻射中光合有效輻射的含量太陽輻射光譜與農(nóng)作物生產(chǎn)n不同光譜成分對植物的影響：波長大于1.0m的紅外線：熱效應(yīng)，提供熱量、促進蒸騰；波長1.00.72m：伸長效應(yīng)，光周期效應(yīng)；波長0.720.61m：紅橙光，強光合作用；波長0.610.51m：綠光，弱

25、光合、弱成形作用；波長0.510.40m：藍紫光，強光合、成形作用；波長0.400.32m：成形作用，果實著色；波長小于0.32m：對植物生長有害，甚至能致其死亡；n昆蟲的趨光性：昆蟲的可見光范圍約0.250.7m n農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用：如覆蓋塑料薄膜；修枝整形；鋪反光膜等農(nóng)田中光能分布n葉片對太陽輻射的吸收、反射和透射：葉片對太陽輻射的吸收率約8090%，其余被反射、透射，其數(shù)值大小取決于葉片的傾斜角；對不同波長的太陽輻射其吸收率等不同；闊葉紅松林太陽輻射狀況及光譜組成（應(yīng)用生態(tài)學(xué)報 2000 vol.11 No.1 金昌杰等） 項目總輻射能紫外輻射可見光輻射紅外輻射林冠上1006.6 (100)45.5 (100)47.9 (100)反射輻射14.70.4 (6.1)1.7 (3.7)12.6 (26.3)吸收輻射77.46.2 (93.9)42.8 (94.1)28.4 (59.2)透過輻射7.901 (2.2)6.9 (14.4)理想綠葉對太陽輻射的吸收狀況理想綠葉對太陽輻射的吸收狀況農(nóng)田中光能分布在一均勻冠層獲得的太陽輻射強度：RsR0e-Lk農(nóng)田植被的平均消光系數(shù)（K）名稱三葉草向日葵甘藍豆科類玉米大麥大豆高梁草類K值1.100.970.940.860.700.690.490.49