第2章 辐射与热量平衡2012

气象学与气候学

第2章 辐射与热量平衡2.1 辐射的基本知识2.2 太阳辐射 2.3 地面和大气辐射

2.4 地面及地气系统的辐射差额2.5 地面热量平衡及地气系统的热量收支 2.6 地面温度和气温的周期变化

思考题

第2章 辐射与热量平衡

2.1 辐射的基础知识2.1.1 辐射与辐射能自然界中一切物理过程和现象，乃至生命活动和现象，都直接或间接地以辐射能为能源基础，辐射能包括太阳辐射、地面辐射和 大气辐射。

Visible light

各种辐射的波长范围

X-rays Ultraviolet (UV) Visible Near-Infrared (Near-IR) Middle-IR Far-IR Microwave

l < 10nm 10 < l < 400nm 0.4 < l < 0.7µm 0.7 < l < 3.5µm 3.5< l < 30µm 30 < l < 100µm 1mm<l<1m

第2章 辐射与热量平衡

2.1 辐射的基础知识2.1.1 辐射与辐射能 辐射的度量

(1) 辐射通量和辐射通量密度：单位时间内通过任一表面的辐射 能称为辐射通量， 单位W,或J/s;辐射通量除以辐射所通过的面 积则称为辐射通量密度，用F 表示，单位W/m2。

例如，太阳辐射通量约为3.9X1026W,太阳半径约为7X108m, 则太阳表面辐射通量密度为F 3.9 1026 4 7 10

8 2

6.34 107 W / m 2

第2章 辐射与热量平衡

2.1 辐射的基础知识2.1.1 辐射与辐射能 辐射的度量 (2)辐射强度(I):在单位时间 (△t)、 单位立体角(△ω)内，垂直通过任意单位 面积的辐射能(△F),称为该方向的辐射 强度，单位为W m-2 sr-1 ; n I

△F

F I t S cos 光源

△S△ω

第2章 辐射与热量平衡

2.1 辐射的基础知识2.1.1 辐射与辐射能 辐射的度量 (3)辐射通量密度(F)与辐射强度(I) 关系： 设沿一定方向通过任意单位面积，在 dω立体角内的辐射能为dF,则 dF

I cos

I

dF I cos d 于是

F

半球

dF2

d sin d d 2

所以，对于各向同性的辐射，辐射通量密度等于辐射强度的 倍。

半球

I cos d d I cos sin d I0 0

第2章 辐射与热量平衡

附：立体角定义

球坐标系中，立体角定义为球面面积与半 径平方之比。若立体角元为 d ,球面面 积元dA,则

dA r sin d rd

d dA/ r 2 sin d d 沿整个球面积分，得整个球体立体角 o

d r

d sin d d 4 0 0 0 0

2

2

dl dα r dα=dl/r

立体角单位为立体弧度(steradians, sr) 立体角与平面角的比较

第2章 辐射与热量平衡

2.1 辐射的基础知识2.1.1 辐射与辐射能 普朗克函数(The Planck Function):

单色波黑体辐射强度Iλ*)与其温度(T) 和辐射的波长(λ)之间具有如下的关系：

2hc2 * I l 5 hc / klT l e 1

太阳 地球 辐射 辐

射

其中，h、k及c 依次为普朗克常 数、Boltzmann常数及光速:

h 6.63 10 34 Js; k 1.38 10 23 JK 1 ; c 3 108 m / s

第2章 辐射与热量平衡

2.1 辐射的基础知识2.1.1 辐射与辐射能 Stefan-Boltzmann定律：将单色波黑体辐射强度Iλ*对波长(λ)积分，得黑体辐射强度(I*), * * 即 I I dl T 4 0 l 因黑体辐射为各向同性，根据辐射通量和辐射强度的关系，得 黑体辐射通量密度E*,为。E * I * T 4 上式称为Stefan-Boltzmann定律。表明物体温度越高，其放射能 力越强。

推论： 根据Stefan-Boltzmann定律计算的温度称为等效黑体温度或 亮度温度(Brightness temperature)TB。

第2章 辐射与热量平衡

2.1 辐射的基础知识2.1.1 辐射与辐射能 基尔霍夫(Kirchhoff)定律： 任何物体的辐射通量密度Eλ与同温度下黑体 辐射通量密度Eλ*之比，称为比辐射率ελ,即

E

*

l

E

r

E

l

l El El *基尔霍夫(Kirchhoff)定律：任何物体对一定波 长(λ)的比辐射率ελ与其对同一波长的吸收率aλ相等， 即 a l l

Ta

E

a

意义：若物体能强烈吸收某一波长的辐射， 则一定也能强烈发射同一波长的辐射。

作用：任意物体的辐射强度等于黑体辐射强 度与其比辐射率之积，即

E E a E (1 r ) E* *

*

E a 吸收率 E E 反射率 r E E 比辐射率 El*

l

r

l

*

l

l

l

*

l

l

l

l

l

l

l

l

第2章 辐射与热量平衡

2.1 辐射的基础知识2.1.1 辐射与辐射能 Wien定律：黑体辐射的光谱强度(单色辐射能力)最大值对应的波长 (λm)与其热力学温度(T)成反比， 太阳 地球 C 辐射 lm 辐射 T 其中，常数C=2897×103 nm K 太阳辐射(短波辐射): T=6000K, 则λm=480nm; 地球辐射(长波辐射): T=288K, 则λm=10.1×103nm;

第2章 辐射与热量平衡

2.2 太阳辐射2.2.1 太阳辐射光谱和太阳常数 太阳辐射光谱： 即太阳辐射能随波长的分布， 与T=6000K的黑体光谱相似。

6000K黑体光谱 大气上界太阳光谱

波长范围：0.15μm~4μml m 0.475 m

可见光0.4~0.76μm,50%; 红外线>0.76μm,43%;lm

紫外线<0.4μm,7%。

第2章 辐射与热量平衡

2.2 太阳辐射2.2.1 太阳辐射光谱和太阳常数 太阳常数(I0):大气上界的太阳辐射的取决于太阳及其与地球间的天文位置 (日地距离、太阳高度角及白昼长度),因此，太阳辐射也称天 文辐射。

当日地平均距离时，大气上界垂直于太阳光线的单位面积上 单位时间内获得的太阳辐射能量，称为太阳常数I0,I0=1370W/m2。

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