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，放射性物质的粒子放射（射线、射线
2、）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。,2019/6/30,2.1 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。,2019/6/30,2.1 辐射的基本知识,可见光可见光波
3、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。,2019/6/30,2.1 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。,2019/6/30,2.1 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）物体在单位时间、单位面积上发射或吸收的辐射能
4、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,2019/6/30,2.1 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。,2019/6/30,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 辐射的基本知识,四、物体对辐射的吸收、反射和
5、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 基尔霍夫（Kirchhoff）定律1859年基尔
6、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、辐射的基本定律 普朗克（Planck)定律1900年普朗克求出黑
7、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,2019/6/30,2.1 辐射的基本知识,五、辐射的基本定律 斯蒂芬-波尔兹曼（Stefan-Boltzman）定律黑体的总放射能力与它本身的
8、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。,2019/6/30,=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),2019/6/30,2.2 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
9、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。,2019/6/30,2.2 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。,2019/6/30,0h90,2.2 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
10、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。日照百分率（日照时数/可照时数）100%,2019/6/30,2.3 太阳辐射,一、大气上界的太阳辐射
11、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。,2019/6/30,2.3 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。,2019/6/30,2.3 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
12、射大气云层和尘埃对太阳辐射的 反射,2019/6/30,2.3 太阳辐射,二、太阳辐射在大气中的减弱 吸收,2019/6/30,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。,2019/6/30,2.3 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
13、率为50% 55%。,2019/6/30,2.3 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。,2019/6/30,2.3 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,2019/6/30,S=Sb,h,a,b,c,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。,
14、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（用大气透明系数P说明）。,2019/6/30,2.3 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
15、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。,2019/6/30,2.3 太阳辐射,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
16、，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。,2019/6/30,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 云 海拔高度,2019/6/30,2.3 太阳辐射,总辐射到达地面的太阳直接辐射和散射辐射之和称为 (St). 变化规律日变化：,2019
17、/6/30,2.3 太阳辐射,年变化中高纬度地区，总辐射强度（指月平均值）夏季最大，冬 季最小，但受当地气候影响，各地不太一致；赤道附近(纬度 020)，一年中有两个最大值，分别在春分和秋分。,2019/6/30,2.3 太阳辐射,总辐射 影响因子总辐射的变化取决于太阳高度、大气透明度、云量、海 拔、纬度等。 1)太阳高度：总辐射随太阳高度角的增大而增大。,2019/6/30,2.3 太阳辐射,总辐射 影响因子 2)大气透明度。大气透明度减小，总辐射也减小。 3)云量。浓云密布时，直接辐射减为零，散射辐射被反射、吸收而减小，因此总辐射大幅度减小。 4)海拔高度。大气厚度随高度增加而变薄，大气透
18、明度因水汽和尘埃的减少而增加，虽然散射辐射变少，但直接辐射加大，总辐射也加大。 5)纬度。一般而言，纬度越低，总辐射越大。,2019/6/30,2.3 太阳辐射,地面对太阳辐射的反射地面反射率取决于地表的性质和状态以及太阳高度角。 下垫面颜色深色下垫面的反射率小于浅色下垫面的。在可见光谱区， 各表面反射最强的光就是和它本身颜色相同的光。下垫面湿度反射率随土壤湿度的增大而减小，有试验指出，二者呈现负指数关系。,2019/6/30,地面反射率r：r=Sr/St100%,2.3 太阳辐射,地面对太阳辐射的反射 下垫面粗糙度随着下垫面粗糙度的增加，反射率明显减小。这是由于太阳辐射在起伏不平的粗糙地表面
19、，经过多次反射，使得向上反射的太阳辐射变少。 太阳高度角随着太阳高度角的增大，反射率减小。,2019/6/30,2.4 地面辐射和大气辐射,一、地面和大气的长波辐射 二、大气逆辐射 三、地面有效辐射,2.4 地面辐射和大气辐射,一、地面和大气的长波辐射地面的平均温度约288K，对流层大气的平均温度约250K，它们发射辐射中95%以上的能量集中在波长3120m，属于红外、远红外辐射，它们发射的辐射峰值在1015 m。所以地面和大气辐射都称为长波辐射。 地面和大气辐射的表示,2019/6/30,Eg和Ea分别表示地面和大气的辐射能力，即二者的放射辐射通量密度；g和a分别表示地面和大气的辐射发射率，
20、又称比辐射率，数值上等于吸收率；Tg和Ta表示地面和大气的温度。,2.4 地面辐射和大气辐射,一、地面和大气的长波辐射 大气长波辐射的特点 大气对长波辐射的吸收吸收具有选择性，吸收长波辐射的主要成分有水汽、CO2、臭氧。地面长波辐射和太阳短波辐射在大气中传输是有区别的。,2019/6/30,2.4 地面辐射和大气辐射,二、大气逆辐射大气辐射指向地面的部分，称为。大气逆辐射使地面因放射辐射而损耗的能量得到一定 补偿，因此大气对地面有一种保暖作用，这种作用称为大 气的保温效应或温室效应。,2019/6/30,温室效应：是指大气通过对辐射的选择吸收而防止地表热能 耗散的效应。,2.4 地面辐射和大气
21、辐射,三、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E0表示。,2019/6/30,Eg：地面放射的长波辐射Ea：大气长波辐射 g：地面的比辐射率,2.4 地面辐射和大气辐射,影响地面有效辐射的因素地面温度、空气温度、风力、云况、海拔高度等。地面有效辐射的日变化和年变化 日变化：在白天，气温升高，所以有效辐射值增大，中午12-14时最大；夜间由于地面辐射冷却的缘故，有效辐 射值也逐渐减小，在清晨达到最小。 年变化：夏季最大，冬季最小。云和水汽的影响可能破坏此 规律有效辐射的最大值不一定出现在盛夏。,2019/6/30,2.5 辐射差额,一、地面的辐射差额 二、
22、大气的辐射差额 三、地气系统的辐射差额,2.5 辐射差额,物体的收入辐射能与支出辐射能的差值称为净辐射或辐射差额。即在没有其他方式进行热交换时，辐射差额决定物体的升温或降温。地面的辐射差额大气的辐射差额地气系统的辐射差额,2019/6/30,辐射差额=收入辐射支出辐射,2.5 辐射差额,一、地面的辐射差额地面由于吸收太阳总辐射和大气逆辐射而获得能量， 同时又以其本身的温度不断向外放出辐射而失去能量。某段时间单位面积地表面所吸收的总辐射和其有效 辐射之差，称为 地面辐射差额(Rg)。Q+q=St，太阳直接辐射和散射辐射之和，即到达地面的总辐射；r为地面对总辐射的反射率；E0为地面的有效辐射。,2
23、019/6/30,Rg=(Q+q)(1-r)-E0,2.5 辐射差额,一、地面的辐射差额 日变化一天中，一般夜间为负，白天为正，由负转正为日出后1小时，由正转负一般在日落前11.5h。年变化一年中，一般夏季辐射差额为正，冬季为负，最大值出现在较暖的月份，最小值出现在较冷的月份。,2019/6/30,2.5 辐射差额,二、大气的辐射差额可分为整个大气层的和某一层大气的。所以整层大气的辐射差额是负值，大气要维持热平衡，还要依靠对流即潜热释放等输送热量给大气。,2019/6/30,整个大气层的辐射差额,大气层吸收的太阳辐射,地面的 有效辐射,大气上界的 有效辐射,2.5 辐射差额,三、地气系统的辐射
24、差额把地面和大气看作一个整体，则其辐射能的净收入为：Rs=(Q+q)(1-r)+qa-个别地区的Rs可以为正，可以为负，但就整个地气系统而言，辐射差额的多年平均应为零。,2019/6/30,整个地球和大气的平均温度多年来变化很小,高低纬之间的热量输送主要靠大气环流和洋流完成。,2.6 辐射与森林,一、森林对净辐射的影响 二、森林的光能利用率 三、太阳辐射对森林的影响,一、森林对净辐射的影响,(一)林冠层的净辐射方程 (二)林冠下的地表净辐射方程,(一)林冠层的净辐射方程,1、对于短波辐射（太阳辐射）投射到林冠层的总辐射Sf（=Sfb+Sfd），反射辐射通量Sfr，透射通量Sft 2、对于长波辐
25、射 大气逆辐射。林冠层吸收的大气逆辐射通量为LfaLfLfrLft 自身向外发射长波辐射。林冠层的上表面L1、下表面L2。 地面长波辐射。林冠层吸收的通量为L0aL0L0r-L0t 3、林冠层净辐射方程BD=(Sf-Sft-Sfr)+(Lf-Lfr-Lft)+(L0-L0r-L0t)-(L1+L2),2019/6/30,林冠层吸收的总辐射通量为: SfaSfSfrSft,（二）林冠下的地表净辐射方程,假设地表对短波和长波反射率为rs和rl 1、对于短波辐射（太阳辐射）地表对短波辐射的收入为Sft（l-rs） 2、对于长波辐射收入的长波辐射为（LftL2）（1-rl）地表支出的长波辐射为 L0
26、3、林冠下地表的净辐射方程Bs=Sft(l-rs)+(Lft+L2)(1-rl)-L0,2019/6/30,影响到达林内太阳辐射的因素,投射到林冠下的太阳总辐射，一部分被林冠表面反射回去，大部分被林冠截获，还有一部分透过林冠层经林内大气衰减后到达林地。到达林地的总辐射中又有一部分被林地反射进入林冠，成为林冠补充截获量。林内太阳辐射收入比空旷田野要小得多。到达林地太阳总辐射的强弱，主要决定于森林类型和林冠结构，如森林郁闭度、森林密度、林龄等。,2019/6/30,影响到达林内太阳辐射的因素,森林类型和林木状况林分密度林龄,2019/6/30,二、森林的光能利用率,表征植物固定太阳能效率的指标，指
27、植物通过光合作用将所截获/吸收的能量转化为有机干物质的效率（%）。 单位面积作物收获物中所包含的能量与投射到该相应的时间段内单位面积上的太阳辐射能（或光合有效辐射）能量的比值。单位面积上某段时期内干物质的增长量或最终干物质产量或籽粒产量（g/m2）；H为一克干物质燃烧时所放出的能量（kJ/g）；落叶乔木的叶16.4-21.6kJ/g，根16.8-19.7kJ/g；为该时段内光合有效辐射（可见光）能量的总和（kJ/m2）,2019/6/30,2019/6/30,提高森林光能利用率的途径合理密植，发展立体林业营造混交林林分改造特性特培选育良种,光能利用率的测定方法：生物量调查法光量子效率法涡度相关
28、法生产力模型估算最大光能利用率,三、太阳辐射对森林的影响,(一)太阳辐射光谱中不同的部分 1、太阳辐射能中的生理辐射部分供给树木进行光合作用和制 造有机物质。 2、太阳辐射能中的红外线既能促进树木的延长生长，供给树木热量，又能促进树木提内水分循环和蒸腾过程。 3、紫外线能抑制树木枝条的徒长，促进花青素的形成和引起树木向光性的敏感。还能起杀菌消毒作用，提高种子萌发能力。,2019/6/30,三、太阳辐射对森林的影响,(二)太阳辐射的光量和光照强度光照强度对树木外形的影响也很大。同时也影响林内下木和活地被物的种类、数量及林木的天然更新。光饱和点：一定光照范围内，光合强度随着光照的增加而增加，但当光照度增加到一定数值时，光和强度不再增加，这种现象叫光饱和现象。开始达到光饱和现象时的光照度，叫光饱和点。光补偿点：当光照度较高时，植物的光合强度往往比呼吸强度高若干倍，当光照度下降时，光合强度与呼吸强度逐渐接近，当光照度降低到光合作用吸收的二氧化碳和呼吸作用放出的二氧化碳相等时，即净光合强度等于零，此时的光照度，称为光补偿点。,2019/6/30,三、太阳辐射对森林的影响,(三)光照时间对森林生长的影响树木对日照或黑夜长短的反映称为光周期现象。当延长白天日照时数而开花，缩短日照时数则不开花的植物称为长日照植物；相反称为短日照植物。,2019/6/30,2019/6/30,本章完,
