青岛农业大学:气象学复习资料(辐射)

第二章辐射

一、名词解释题：

1. 辐射：物体以发射电磁波或粒子的形成向外放射能量的方式。由辐射所传输的能量称为辐射能，有时把辐射能也简称为辐射。

2. 太阳高度角：太阳光线与地平面的交角。是决定地面太阳辐射通量密度的重要因素。在一天中，太阳高度角在日出日落时为0，正午时达最大值。

3. 太阳方位角：太阳光线在地平面上的投影与当地子午线的交角。以正南为0，从正南顺时钟向变化为正，逆时针向变化为负，如正东方为－90°，正西方为90°。

4. 可照时间：从日出到日落之间的时间。

5. 光照时间：可照时间与因大气散射作用而产生的曙暮光照射的时间之和。

6. 太阳常数：当地球距太阳为日地平均距离时，大气上界垂直于太阳光线平面上的太阳辐射能通量密度。其值为1367瓦•米-2 。

7. 大气质量数：太阳辐射在大气中通过的路径长度与大气铅直厚度的比值。

8. 直接辐射：以平行光线的形式直接投射到地面上的太阳辐射。

9. 总辐射：太阳直接辐射和散射辐射之和。

10. 光合有效辐射：绿色植物进行光合作用时，能被叶绿素吸收并参与光化学反应的太阳辐射光谱成分。

11. 大气逆辐射：大气每时每刻都在向各个方向放射长波辐射，投向地面的大气辐射，称为大气逆辐射。

12 . 地面有效辐射：地面辐射与地面吸收的大气逆辐射之差，即地面净损失的长波辐射。

13. 地面辐射差额：某时段内，地面吸收的总辐射与放出的有效辐射之差。

二、填空题：

1. 常用的辐射通量密度的单位是 (1) 。

2. 不透明物体的吸收率与反射率之和为 (2) 。

3. 对任何波长的辐射，吸收率都是1的物体称为 (3) 。

4. 当绝对温度升高一倍时，绝对黑体的总辐射能力将增大 (4) 倍。

5. 如果把太阳和地面都视为黑体，太阳表面绝对温度为6000K，地面温度为300K，则太阳表面的辐射通量密度是地表面的 (5) 倍。

6. 绝对黑体温度升高一倍时，其辐射能力最大值所对应的波长就变为原来的 (6) 。

7. 太阳赤纬在春秋分时为 (7) ，冬至时为 (8) 。

8. 上午8时的时角为 (9) ，下午15时的时角为 (10) 。

9. 武汉(30°N)在夏至、冬至和春秋分正午时的太阳高度角分别为 (11) ， (12) 和 (13) 。

10. 冬半年，在北半球随纬度的升高，正午的太阳高度角 (14) 。

11. 湖北省在立夏日太阳升起的方位是 (15) 。

12. 在六月份，北京的可照时间比武汉的 (16) 。

13. 在太阳直射北纬10°时，北半球纬度高于 (17) 的北极地区就出现极昼。

14. 由冬至到夏至，北半球可照时间逐渐 (18) 。

15. 光照时间延长，短日照植物的发育速度就会 (19) 。

16. 在干洁大气中，波长较短的辐射传播的距离比波长较长的辐射传播距离　(20) 。

17. 随着太阳高度的降低，太阳直接辐射中长波光的比 (21) 。

18. 地面温度越高，地面向外辐射的能量越 (22) 。

19. 地面有效辐射随空气湿度的增大而 (23) ，随地面与空气温度之差的增大而 (24) ，随风速的增大而 (25) 。

20. 地面吸收的太阳总辐射与地面有效辐射之差称为 (26) 。

答案：(1)瓦.米－2 ； (2)1； (3)绝对黑体； (4)15； (5)160000； (6)二分之一； (7)0°；(8)－23°27'； 

(9)－60°； (10)45°； (11)83°27'； (12)36°33'；

(13)60°； (14)减小； (15)东偏北； (16)长； (17)80°； 

(18)延长； (19)减慢； (20)短；(21)增加； (22)多； (23)减小； (24)增大； (25)减小； (26)地面辐射差额。

三、选择题：

(说明：在四个答案中，只能选一个正确答案填入空格内。)

1. 短日照植物南种北引，生育期将________。

A. 延长；  B.缩短；

C. 不变；  D.可能延长也可能缩短。

2. 晴朗的天空呈蓝色，是由于大气对太阳辐射中蓝紫色光________较多的结果。

A. 吸收； B. 散射； C. 反射； D.透射。

3. 对光合作用有效的辐射包含在________中。

A. 红外线；  B. 紫外线；

C. 可见光；  D. 长波辐射。

4. 在大气中放射辐射能力最强的物质是________。

A. 氧；     B. 臭氧；

C. 氮；     D. 水汽、水滴和二氧化碳。

5. 当地面有效辐射增大时，夜间地面降温速度将____。

A. 加快； B. 减慢； C. 不变； D. 取决于气温。

答案：1. A； 2. B； 3. C； 4. D； 5. A。

四、判断题：

1. 对绝对黑体，当温度升高时，辐射能力最大值所对应的波长将向长波方向移动。

2. 在南北回归线之间的地区，一年有两次地理纬度等于太阳赤纬。

3. 时角表示太阳的方位,太阳在正西方时,时角为90°。

4. 北半球某一纬度出现极昼时，南半球同样的纬度上必然出现极夜。

5. 白天气温升高主要是因为空气吸收太阳辐射的缘故。

6. 光合有效辐射只是生理辐射的一部分。

7. 太阳直接辐射、散射辐射和大气逆辐射之和称为总辐射。

8. 地面辐射和大气辐射均为长波辐射。

9. 对太阳辐射吸收得很少的气体，对地面辐射也必然很少吸收。

10. 北半球热带地区辐射差额昼夜均为正值，所以气温较高。

答案：1. 错； 2. 对； 3. 错； 4. 对； 5. 错； 6. 对； 7. 错； 8. 对； 9.错； 10. 错。

五、计算题

1. 任意时刻太阳高度角的计算

根据公式Sinh＝sinφsinδ＋cosφcosδcosω

大致分三步进行：

(1) 计算时角ω，以正午时为0°，上午为负，下午为正，每小时15°；如以“度”为单位，其计算式是ω＝(t－12)×15°其中t为以小时为单位的时间；如以“弧度”为单位，则ω＝(t－12)×2π/24建议计算时以角度为单位。

(2) 计算sinh值(所需的δ值可从教材附表3中查到，考试时一般作为已知条件给出)。

(3) 求反正弦函数值h，即为所求太阳高度角。 

例：计算武汉(30°N)在冬至日上午10时的太阳高度角。

解：上午10时：ω＝(t－12)×15°＝(10－12)×15°＝－30°

冬至日：δ=－23°27' 武汉纬度：φ=30°

∴sinh = sin30°sin(－23°27')＋cos30°cos(－23°27')cos(－30°)=0.48908

h=29°17'

2. 正午太阳高度角的计算

根据公式：

h=90°－φ＋δ

进行计算；特别应注意当计算结果h>90°时，应取补角(即用180°－h作为太阳高度角)。

也可根据

h=90°－|φ－δ| 

进行计算，就不需考虑取补角的问题(建议用后一公式计算)。还应注意对南半球任何地区，φ应取负值；在北半球为冬半年(秋分至春分)时，δ也取负值。 

例计算当太阳直射20°S时(约11月25日)在40°S的正午太阳高度角。

解：已知φ= －40°(在南半球) 　 δ=－20°

∴h=90°－(－40°)+(－20°)=110°

计算结果大于90°，故取补角，

太阳高度角为：h=180°－110°=70°

也可用上述后一公式直接得

h=90°－|φ－δ| = 90°－|－40°－(－20°)|=70° 

3. 计算可照时间

大致分三步：

(1) 根据公式： cosω0 = －tgφtgδ 计算cosω0 的值。

(2) 计算反余弦函数值ω0 ，得日出时角为－ω0 ，日落时角为+ω0

(3) 计算可照时间2ω0 /15°(其中ω0 必须以角度为单位)。 

例计算11月25日武汉的可照时间。

解：由附表3可查得δ=－20°，武汉纬度φ=30°

cosω0 =－tgφtgδ=－tg30°tg(－20°)=0.210138

ω0 =77.87° 

即：日出时角为－77.87°(相当于真太阳时6时49分)，

日落时角为77.87°(相当于真太阳时17时11分)。

∴ 可照时间=2ω0/15°=2×77.87°/15°=10.38小时

4. 计算水平面上的太阳直接辐射通量密度

根据公式：Rsb=Rsc•am sinh

大致分三步进行计算：

(1) 计算太阳高度角的正弦sinh (参看第1，2两部分)。

(2) 计算大气质量数，一般用公式 m=1/sinh

(3) 计算Rsb

例1 计算北京(取φ=40°N)冬至日上午10时水平面上的太阳直接辐射通量密度(设Rsc=1367瓦•米-2 ，a=0.8)。

解：已知φ=40°,δ=－23°27'(冬至日)，ω=－30°

sinh=sin40°sin(－23°27') + cos40°cos(－23°27') cos(－30°)=0.352825

m=1/sinh=1/0.352825=2.8343

∴Rsb=Rsc•am sinh=1367×0.82.8343×0.352825=256.25 (瓦•米-2 ) 

例2 计算武汉(φ为30°N)在夏至日正午时的太阳直接辐射通量密度(已知a=0.8)。

解：已知φ=30°，δ=23°27'，

正午太阳高度角为h=90°－φ+δ=90°－30°+23°27'=83°27'

m=1/sinh=1.00657

Rsb=Rsc•am sinh=1367×0.81.00657 ×sin83°27'=1084.87 (瓦•米-2)

例3 当太阳直射南半球纬度18°时，试求我国纬度42°处地面上正午时的直接辐射通量密度(已知大气透明系数为0.7，太阳常数为1367瓦•米-2)。 

解：已知φ=42° δ=－18° a=0.7

正午时：h=90°－φ+δ=90°－42°－18°=30°

m=1/sinh=1/sin30°=2

Rsb=Rsc•am sinh=1367×(0.7)2 sin30°=334.9 (瓦•米-2 )

5. 计算坡面的太阳直接辐射通量密度

坡面上的直接辐射通量密度计算式为：

Rsb坡=Rsc•am sinα

其中α为太阳光线与坡面的夹角。

Rsb坡的计算步骤与上述水平面上Rsb的计算类似，但在第2步(计算m)后，应确定夹角α。

例1 计算武汉(φ为30°N)冬至日坡度为20°的南坡和北坡在正午时的太阳直接辐射通量密度(设透明系数a=0.8)。

解：已知φ=30°，δ=－23°27'，正午太阳高度角为：h=90°－|φ－δ|=90°－|30°－(－23°27')|=36°33'

m=1/sinh=1/sin36°33'=1.6792(注意：此处计算m时不能用α代替h)。

对于南坡，正午时α=h+坡度=36°33'+20°=56°33'

Rsb南坡=Rsc•am sinα=1367×0.81.6792 ×sin56°33'=784.14 (瓦•米-2 )

对于北坡，正午时α=h－坡度=36°33'－20°=16°33'(如果北坡坡度大于h时则无直射光，即 Rsb北坡 =0)

Rsb北坡=Rsc•am sinα=1367×0.81.6792 ×sin16°33'=267.71 (瓦•米-2 )

由此题可知冬季南坡暖而北坡冷的一个重要原因在于Rsb南坡和Rsb北坡的差别。

例2 在46.5°N的某地欲盖一朝南的玻璃温室，为了减小反射损失，要使冬至日正午时太阳直接光线垂直于玻璃面，试问玻璃面与地平面的夹角应是多少？冬至日正午时到达玻璃面上的直接辐射通量密度为多少(已知太阳常数为1367瓦/米2 ，透明系数为0.8)？

解：已知φ=46.5°，δ=－23.5°，a=0.8

(1) h=90°－φ+δ=90°－46.5°－23.5°=20°

m=1/sinh=1/sin20°=2.923804

玻璃面与地平面的夹角β=90°－h = 90°－20°= 70°

(2) 玻璃面上的直接辐射通量密度为

Rsb坡=Rsc•am sinα =1367×(0.8)2.923804 ×sin90°=711.9 (瓦•米-2 )

例3 在北纬36.5°处有一座山，其南北坡的坡度为30°，试求冬至日正午时水平地面上及南北坡面上的太阳直接辐射通量密度(设大气透明系数为0.8， 太阳常数为1367瓦•米-2) 。

解：已知φ=36.5°，δ=－23.5°，a=0.8，坡面坡度β=30°

h=90°－φ+δ=90°－36.5°+(－23.5°)=30°

m=1/sinh=1/sin30°=2

水平地面上直接辐射能量密度Rsb=Rsc•am sinh =1367×(0.8)2×sin30°=437.4 (瓦•米-2 )

南坡：Rsb南坡=Rsc•am sinα=Rsc•am sin(h+β)=1367×(0.8)2 ×sin60°= 757.7(瓦•米-2 )

北坡：Rsb北坡=Rsc•am sinα=Rsc•am sin(h－β)=Rsc•am sin0°=0

由此题可知，一般来说冬季正午南坡上的太阳直接辐射最强，而对坡度大于太阳高度角的北坡，则无太阳直接辐射。所以南坡为温暖的阳坡，北坡为阴冷的阴坡。

六、问答题：

1. 太阳辐射与地面辐射的异同是什么？

答：二者都是以电磁波方式放射能量；二者波长波不同，太阳辐射能量主要在0.15~4微米，包括紫外线、可见光和红外线，能量最大的波长为0.48微米。地面辐射能量主要在3~80微米，为红外线，能量最大的波长在10微米附近。二者温度不同，太阳表面温度为地面的20倍，太阳辐射通量密度为地面的204倍。

2. 试述正午太北半球阳高度角随纬度和季节的变化规律。

答：由正午太阳高度角计算公式h=90°－｜φ－δ｜可知在太阳直射点处正午时h最大，为90°；越远离直射点，正午h越小。因此正午太阳高度角的变化规律为：

随纬度的变化：在太阳直射点以北的地区(φ>δ)，随着纬度φ的增大，正午h逐渐减小；在直射点以南的地区，随φ的增大，正午h逐渐增大。

随季节(δ)的变化：对任何一定的纬度，随太阳直射点的接近，正午h逐渐增大；随直射点的远离，正午h逐渐减小。例如北回归线以北的地区，从冬至到夏至，正午h逐渐增大；从夏至到冬至，正午h逐渐减小。

在｜φ－δ｜>90°的地区(极圈内)，为极夜区，全天太阳在地平线以下。

3. 可照时间长短随纬度和季节是如何变化的？

答：随纬度的变化：在北半球为夏半年时，全球随纬度φ值的增大(在南半球由南极向赤道φ增大)，可照时间延长；在北半球为冬半年时,全球随纬度φ值的增大可照时间缩短。

随季节(δ)的变化：春秋分日，全球昼夜平分；北半球随δ增大(冬至到夏至)，可照时间逐渐延长；随δ减小(夏至到冬至)，可照时间逐渐缩短；南半球与此相反。

在北半球为夏半年(δ>0)时，北极圈内纬度为(90°-δ）以北的地区出现极昼，南极圈内同样纬度以南的地区出现极夜；在北半球冬半年(δ<0)时，北极圈90°+δ以北的地区出现极夜，南极圈内同样纬度以南出现极昼。 

4. 光照时间长短对不同纬度之间植物的引种有什么影响？

答：光照长短对植物的发育，特别是对开花有显著的影响。有些植物要求经过一段较短的白天和较长的黑夜才能开花结果，称短日照植物；有些植物又要求经过一段较长的白天和较短的黑夜才能开花结果，称长日照植物。前者发育速度随生育期内光照时间的延长而减慢，后者则相反。对植物的主要生育期(夏半年)来说，随纬度升高光照时间延长，因而短日照植物南种北引，由于光照时间延长，发育速度将减慢，生育期延长；北种南引，发育速度因光照时间缩短而加快，生育期将缩短。长日照植物的情况与此相反。

而另一方面，对一般作物来说，温度升高都会使发育速度加快，温度降低使发育速度减慢。因此，对长日照植物来说，南种北引，光照时间延长将使发育速度加快，温度降低又使发育速度减慢，光照与温度的影响互相补偿，使生育期变化不大；北种南引也有类似的光温互相补偿的作用。所以长日照植物不同纬度间引种较易成功。而对短日照植物，南种北引，光照和温度的改变都使发育速度减慢，光照影响互相叠加，使生育期大大延长；而北种南引，光温的变化都使发育速度加快，光温影响也是互相叠加，使生育期大大缩短，所以短日照植物南北引种一般不易成功。但纬度相近且海拔高度相近的地区间引种，不论对长日照植物和短日照植物，一般都容易成功。

5. 为什么大气中部分气体成分对地面具有“温室效应”？

答：大气对太阳短波辐射吸收很少，绝大部分太阳辐射能透过大气而到达地面，使地面在白天能吸收大量的太阳辐射能而升温。但大气中的部分气体成分，如水汽、二氧化碳等，都能强烈地吸收地面放射的长波辐射，并向地面发射大气逆辐射，使地面的辐射能不致于大量逸出太空而散热过多，同时使地面接收的辐射能增大(大气逆辐射)。因而对地面有增温或保暖效应，与玻璃温室能让太阳辐射透过而又阻止散热的保温效应相似，所以这种保暖效应被称为大气的“温室效应”。

6. 什么是地面有效辐射？它的强弱受哪些因子的影响？举例说明在农业生产中的作用。

答：地面有效辐射是地面放射的长波辐射与地面所吸收的大气逆辐射之差，它表示地面净损失的长波辐射，其值越大，地面损失热量越多，夜晚降温越快。

影响因子有：(1)地面温度：地面温度越高，放射的长波辐射越多，有效辐射越大。(2)大气温度：大气温度越高，向地面放射的长波辐射越多，有效辐射越小。(3)云和空气湿度：由于大气中水汽是放射长波辐射的主要气体，所以水汽、云越多，湿度越大，大气逆辐射就越大，有效辐射越小。(4)天气状况：晴朗无风的天气条件下，大气逆辐射减小，地面有效辐射增大。(5)地表性质：地表越粗糙，颜色越深，越潮湿，地面有效辐射越强。(6)海拔高度：高度增高，大气密度减小，水汽含量降低，使大气逆辐射减小，有效辐射增大。(7)风速：风速增大能使高层和低层空气混合，在夜间带走近地层冷空气，而代之以温度较高的空气，地面就能从较暖的空气中得到较多的大气逆辐射，因而使有效辐射减小；而在白天风速增大可使有效辐射转向增大。      举例：因为夜间地面温度变化决定于地面有效辐射的强弱，所以早春或晚秋季节夜间地面有效辐射很强时，引起地面及近地气层急剧降温，可出现霜冻。 

7. 试述到达地面的太阳辐射光谱段对植物生育的作用。

答：太阳辐射三个光谱段是紫外线(0.15－0.4微米)、可见光(0.4－0.76微米)和红外线(0.76－4微米)。紫外线对植物生长发育主要起生化效应，对植物有刺激作用，能促进种子发芽、果树果实的色素形成，提高蛋白质和维生素含量以及抑制植物徒长和杀菌作用等。可见光主要起光效应，提供给绿色植物进行光合作用的光能，主要吸收红橙光区(0.6－0.7微米)和蓝紫光区(0.4－0.5微米)。红外线主要起热效应，提供植物生长的热量，主要吸收波长为2.0－3.0微米的红外线。

七、复习思考题：

1. 对A、B两灰体，在同样强度的辐射照射下，A升温快得多，问在移去外界辐射源后，哪一个降温快？若A、B都不是灰体，你的结论还成立吗？

2. 雪面对太阳辐射的反射率很大(约0.9)，对红外辐射的吸收率也很大(可达0.99)，由此解释地面积雪时天气特别寒冷的原因。

3. 设灰体的吸收率为a，试推导其总辐射能力与温度的关系式（提示：将Kirchhoff定律与Stefan－Boltzmann定律结合起来考虑)。

4. 已知太阳表面温度约为6000K，地球表面温度平均约为300K，假定太阳表面为绝对黑体，地球表面为吸收率为0.9的灰体，试分别计算太阳和地球表面的总放射能力。

5. 计算武汉(30°N)二分、二至日出、日落时间和可照时间。

6. 试分析正午太阳高度角随纬度和季节的变化规律。

7. 根据可照时间计算公式分析可照时间随纬度和季节的变化规律。

8. 当太阳赤纬为δ时，在地球上哪些区域分别出现极昼、极夜？

9. 假如地球自转轴与公转轨道面铅直，地球上还会有季节交替吗？可照时间还会变化吗？正午太阳高度角随纬度如何变化呢？为什么？

10. 为何长日照植物大多原产于高纬度地区，而短日植物一般原产于低纬度地区？

11. 对长日照作物和短日照植物进行南北引种，哪一种更易成功？为什么？

12. 已知日地平均距离为1.495×108公里，太阳直径为1.392×106 公里，太阳常数为 1367瓦•米-2，将太阳视为绝对黑体，忽略宇宙尘埃对太阳辐射的吸收作用，试推算太阳表面辐射的辐射通量密度、总功率和有效温度。

13. 为何晴天天空常呈尉蓝色？而日出、日落时太阳光盘又呈红色？

14. 根据水平面太阳直接辐射通量密度的计算式，分析直接辐射的影响因素。

15. 计算武汉(30°N)和北京(40°N)冬至和夏至日晴天真太阳时10、12时的太阳直接辐射通量密度（设透明系数 p=0.8）。

16. 任一坡面上太阳直接辐射通量密度为 Rsb坡=Rsc