第一節(jié)

到達(dá)地面的太陽輻射第1頁/共35頁到達(dá)地面的太陽輻射有兩部分：一是太陽以平行光線的形式直接投射到地面上的，稱為太陽直接輻射；一是經(jīng)過散射后自天空投射到地面的，即為散射輻射，兩者之和稱為總輻射。（1）無大氣時，到達(dá)地面的天文輻射

設(shè)日地距離為r，日地平均距離為r0，I、I0分別為距太陽r和r0處垂直于太陽光的輻射通量密度，I0即為太陽常數(shù)。由于通過半徑r0球面的太陽輻射與通過半徑r球面的輻射通量相等，則有：1.直接輻射第2頁/共35頁(2)影響太陽直接輻射的兩個主要因子大陽直接輻射的強(qiáng)弱和許多因子有關(guān)，其中最主要的有兩個。即大陽高度角和大氣透明度。太陽高度角不同時，地表面單位面積上所獲得的太陽輻射也就不同。這有兩方面的原因：（a）太陽高度角愈小，等量的太陽輻射散布的面積就愈大，因而地表單位面積上所獲得的太陽輻射就愈小。第3頁/共35頁則：為太陽高度角。由：則：D=r/r0為日地相對距離，δ為太陽赤緯：-23.5~+23.5，ω為時角。第4頁/共35頁（b）太陽高度角愈小，太陽輻射穿過的大氣層愈厚，如圖所示。當(dāng)太陽高度角最大時，通過大氣層的射程為AO；當(dāng)太陽高度角變小，光線沿CO方向斜射時，通過大氣的射程為CO。顯然，大氣厚度CO＞AO，因此太陽輻射被減弱也較多，到達(dá)地面的直接輻射就較少。第5頁/共35頁考慮到大氣的透明度時，則：其中P為波長范圍內(nèi)的平均透明系數(shù)，P值與大氣中的濕度、緯度大氣質(zhì)量數(shù)有關(guān)。第6頁/共35頁（1）大氣透明系數(shù)隨大氣中濕度的增加而減小。一 般冬季濕度小，夏季濕度大，所以冬季的大氣 透明系數(shù)比夏季大；（2）一般說來，大氣透明系數(shù)隨緯度的增加而增加；（3）大氣透明系數(shù)還隨大氣質(zhì)量數(shù)m的改變而改變，

m值增大，P值增大。綜合以上兩種影響，到達(dá)地面的太陽輻射可以寫為：第7頁/共35頁(3)正午時太陽輻射隨緯度的變化令ω

=0時，討論正午時太陽輻射隨緯度的變化：(1)當(dāng)δ

=0時，春、秋分點(diǎn)：赤道太陽輻射最大，極地最??；在赤道，太陽輻射在春秋分點(diǎn)達(dá)到最大，冬夏至最小；(2)當(dāng)φ

=δ時，太陽輻射在回歸線上達(dá)到最大，并以回歸線為分界線，向南向北遞減。第8頁/共35頁設(shè)I是單位時間內(nèi)的太陽輻射能量，ds為dt時間內(nèi)的輻射能，則地球表面得到的太陽輻射通量密度為：(4)太陽輻射日總量的計(jì)算dt為時間，用時角代換：則：第9頁/共35頁對一天可照時間積分，積分從日出-ω

0到+ω

0日落，得到太陽輻射日總量：第10頁/共35頁(1)在春分點(diǎn)，δ=0，ω0=π/2，則：太陽輻射日總量的分布與緯度的余弦成正比，即隨緯度增加，S日減少，南北半球?qū)ΨQ。(2)在赤道，φ=0，ω0=π/2，則：太陽輻射日總量與太陽赤緯的余弦成正比。一年四季的變化中，在春秋分δ=0，S日最大，冬夏至δ=23.5，S日最小。第11頁/共35頁(3)在極地，φ=π/2，則：夏季極地的太陽輻射日總量與太陽赤緯的正弦成正比。冬至：夏至：(4)在永夜區(qū)： 在永晝區(qū)：第12頁/共35頁(5)

太陽輻射日總量隨緯度的變化第13頁/共35頁在夏半年，太陽輻射總量在一相當(dāng)寬的緯度帶內(nèi)發(fā)生變化甚小，在極地達(dá)到最大。這是由于在夏半球，

日照時間隨緯度增加而增長，從而使太陽輻射日總量

隨緯度增加而增大，補(bǔ)償了因太陽高度隨緯度增加而

減小造成的太陽輻射日總量隨緯度增加而減小的現(xiàn)象。在冬半年，日照時間隨緯度增大而縮短，太陽高度角隨緯度的增加亦減小，因此冬半年太陽輻射日總量隨緯度的變化較大，南北梯度大。第14頁/共35頁或其中：n，s1分別為云量和日照百分率?？梢圆捎靡韵碌墓竭M(jìn)行計(jì)算：其中a,b為由資料擬合得到的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。第15頁/共35頁(6)有云時，太陽輻射日總量的計(jì)算2.散射輻射當(dāng)太陽輻射通過大氣時，受到大氣中的氣體分子、塵埃、氣溶膠、水汽等的散射作用，使太陽輻射的一部分以漫射的形式從天空的各個角度達(dá)到地表，這一部分輻射量稱為散射輻射。第16頁/共35頁太陽高度角增大時，到達(dá)近地面層的直接輻射增強(qiáng)，散

射輻射也就相應(yīng)地增強(qiáng)；相反，太陽高度角減小時，散

射輻射也弱。大氣透明度不好時，參與散射作用的質(zhì)點(diǎn)增多，散射輻射增強(qiáng)；反之，減弱；云也能強(qiáng)烈地增大散射輻射。上圖是在我國重慶觀測到的晴天和陰天的散射輻射值。由圖可見，陰天的散射輻射比晴天的大得多。同直接輻射類似，散射輻射的變化也主要決定于太陽高度角的變化。一日內(nèi)正午前后最強(qiáng)，一年內(nèi)夏季最強(qiáng)。第17頁/共35頁3.總輻射到達(dá)地表的太陽直接輻射與散射輻射之和為總輻射。光學(xué)厚度。(1).總輻射的計(jì)算(a)晴天太陽總輻射的計(jì)算公式：1954年M.E.別爾梁德通過近似求解太陽輻射傳輸方程，從理論上得出一個簡單的晴天太陽總輻射計(jì)算式。其中I0為太陽常數(shù)，m為大氣光學(xué)質(zhì)量，f為表征大氣混濁度和地表反射特性的參數(shù)。f=ετ0ε為對太陽輻射的后向散射率，τ0為垂直方向上的大氣第18頁/共35頁其中a,b為總輻射的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，且要求a+b=1。第19頁/共35頁1994年翁篤鳴和高歌等人根據(jù)北京、拉薩等站實(shí)測晴天總輻射資料，提出了f的另一種形式：f=a+bln(1+e),

a=0.183(p/p0)，b=0.0542+0.0598(p/p0)(b)有云天空總輻射的計(jì)算公式：(2)總輻射的日變化日出以前，地面上總輻射的收入不多，其中只有散射輻射；日出以后，隨著太陽高度的升高，太陽直接輻射和散射輻射逐漸增加。但前者增加得較快，即散射輻射在總輻射中所占的成分逐漸減?。划?dāng)太陽高度升到約等于8°時，直接輻射與散射輻射相等；當(dāng)太陽高度為50°時，散射輻射值僅相當(dāng)總輻射的10%-20%，

到中午時太陽直接輻射與散射輻射強(qiáng)度均達(dá)到最大值；中午以后二者又按相反的次序變化。云的影響可以使這種變化規(guī)律受到破壞。例如，中午

云量突然增多時，總輻射的最大值可能提前或推后，

這是因?yàn)橹苯虞椛涫墙M成總輻射的主要部分，有云時

直接輻射的減弱比散射輻射的增強(qiáng)要多的緣故。在一

年中總輻射強(qiáng)度(指月平均值)在夏季最大，冬季最小。第20頁/共35頁(3)世界總輻射的空間分布特點(diǎn)總輻射值是向著高緯方向不斷減小的，但在赤道地區(qū)因陰天頻率大而值有所減小。太陽總輻射的等值線分布基本上具有帶狀特征，由于云量非均勻分布而在下列地區(qū)帶狀特征受到破壞：√(1)南北半球的中緯度地帶(加拿大西海岸、北歐、南美西南沿海及其他地區(qū))，這里氣旋活動強(qiáng)烈；√(2)信風(fēng)逆溫和冷洋流影響下的熱帶海洋東部地區(qū)；√(3)季風(fēng)環(huán)流活動區(qū)(印度半島、亞洲東岸及印度洋西海岸)。第21頁/共35頁(4)我國總輻射的空間分布特點(diǎn)第22頁/共35頁中國總輻射的年總量地理分布有以下幾個特點(diǎn)：√(1)年總輻射量多在3768×l03-8374×l03千焦耳／米2之間；√(2)因受季風(fēng)和地形影響，總輻射等值線不呈東西帶狀分布，東部平原區(qū)在3768×l03-5442.8×l03千焦耳／米2之間，西部干旱地區(qū)在6280.2×l03千焦耳／米2以上；√(3)青藏高原為中國總輻射量最多地區(qū)，達(dá)6698.9×l03-192l×l03千焦耳／米2左右，是中國太陽輻射能資源最豐富的地區(qū)；√(4)川黔一帶多陰雨，年總輻射量最少，不足

3349×l03千焦耳／米2，是中國太陽輻射能最少的地區(qū)；√(5)東北與華南雖然緯度相差25—30°，但年總輻射量第23頁/共35頁4.地面對太陽輻射的反射第24頁/共35頁反射輻射：到達(dá)地表的總輻射有一部分由于反射作用而返回天空，這部分被地表反射進(jìn)入太空的短波輻射叫地表反射輻射。地表反射率：到達(dá)地表的太陽輻射與地表反射的太陽輻射之比。影響反射輻射的因素影響反射輻射的因素主要是：1〉太陽高度角2〉下墊面的顏色3〉干濕程度

4〉表面粗糙度。云的反射率云的反射率依賴云的厚度，形狀和太陽高度角，同時還與云的黑度和下墊面的反射率有關(guān)。第二節(jié)

地表輻射平衡第25頁/共35頁大氣逆輻射:大氣輻射指向地面的部分稱為大氣逆輻射。地面有效輻射:地面放射的輻射(Eg)與地面吸收的大氣逆輻射(δEa)之差，稱為地面有效輻射。以F0來表示，則：F0=Eg-δEa通常情況下，地面溫度高于大氣溫度，地面有效輻射為正值。這意味看通過長波輻射的放射和吸收，地表面經(jīng)常失去熱量。只有在近地層有很強(qiáng)的逆溫及空氣濕度很大的情況下，有效輻射才可能為負(fù)值，這時地面才能通過長波輻射的交換而獲得熱量。?影響有效輻射的主要因子有:地面溫度，空氣溫度，空氣濕和云況。還與地表面的性質(zhì)有關(guān)，平滑地表面的有效輻射比粗糙地表面有有效輻幅射小；有植物覆蓋時的有效輻射比裸地時的有效輻射小。第26頁/共35頁?有效輻射的日變化:其日變化具有與溫度日變化相似的特征。在白天，由于低層大氣中垂直溫度梯度增大，所以有效輻射值也增大，中午12-14時達(dá)最大；而在夜旬由于地面輻射冷卻的緣故，有效輻射值也逐漸減小，在清晨達(dá)到最小。當(dāng)天空有云時，可以破壞有效輻射的變化規(guī)律。?有效福射的年變化:有效福射的年變化也與氣溫的年變化相似，夏季最大．冬季最小。但由于水汽和云的影響使有效輻射的最大值不一定出現(xiàn)在盛夏。我國秦嶺、淮河以南地區(qū)有效輻射秋季最大，春季最?。蝗A北、東北等地區(qū)有效輻射則春季最大，夏季最小，這是由于水汽和云況的影響。第27頁/共35頁3.地面輻射平衡:某段時間內(nèi)，單位面積地表所吸收的太陽總輻射與它的有效輻射之差為地面輻射平衡或地面輻射差額或地面凈輻射量。則單位面積在單位時間內(nèi)的輻射平衡R方程可寫為：

R=(S+D)(1-α)-F0其中S、D、F0分別為直接輻射、散射輻射和有效輻射，α為反射率。地面輻射能量的收支，決定于地面的輻射差額。當(dāng)Rg>0時，即地面所吸收的太陽輻射大于地面的有效輻射，地面將有熱量的積累；當(dāng)Rg<0時，則地面因輻射而有熱量的虧損。第28頁/共35頁?影響地面輻射差額的因子:影響地面輻射差額的因子很多，除了總輻射和有效輻射的因子外，還應(yīng)考慮地面反射率的影響。反射率是由不同的地面性質(zhì)決定的，所以不同的地理環(huán)境、不同的氣候條件下，地面輻射差額值有顯著的差異。?地面輻射差額的日變化:一般夜間為負(fù)，白天為正。由負(fù)值轉(zhuǎn)到正值的時刻一般在日出后1h，由正值轉(zhuǎn)到負(fù)值的時刻一般在日落前1-1.5h。上海市7月份晴天輻射差額的日變化第29頁/共35頁無云情況下，地面輻射差額各分量的日變化?地面輻射差額的年變化:引起年變化的原因是太陽高度的年變化、地表狀況反射狀況的變化、各雨帶的季節(jié)性變化。在一年中，一般夏季輻射差額為正，冬季為負(fù)值。通常最大值在夏季，受雨季的影響，地面輻射差額的最大值可能出現(xiàn)在雨季的前后；最小值在冬季。不同緯度上，地面輻射差額年變化不同，在

23.5SN緯度之間，地面輻射差額的年變化曲線是雙峰型，即一年有兩次最大值；在23.5NS以北或以南，地面輻射差額的年變化是單峰型。第30頁/共35頁由上圖可以看出，贛州代表我國南部地區(qū)，地面輻射差額月最大值出現(xiàn)在7月。而北部地區(qū)以北京為例，沙漠地區(qū)以敦煌為例，地面輻射差額月最大值都出現(xiàn)在6月。地面輻射差額的最小值出現(xiàn)在12月。第31頁/共35頁?地面輻射差額年平均總量的空間分布特點(diǎn)(最大、最小值、原因):第32頁/共35頁√1〉地面輻射差額隨緯度的增加而減少，最高值出現(xiàn)在低緯度，最低值出現(xiàn)在高緯度。從大陸到海洋，等值線在沿海出現(xiàn)中斷，因?yàn)楹Ｑ笈c大陸的反射率差異較大，因而等值線不連續(xù)?！?〉在整個洋面和大陸表面上，地面輻射差額年總量都是正的。但在具有穩(wěn)定的冰雪覆蓋的格陵蘭中部和南極大陸出現(xiàn)負(fù)地面輻射差額年總量。√3〉大陸表面最大值出現(xiàn)在潮濕的熱帶地區(qū)，但比同緯度的海洋表面小得多；干旱地區(qū)地面輻射差額比同緯度濕潤地區(qū)和過分濕潤地區(qū)小得