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1、大气科学概论课件第十一辐射第1页，本讲稿共16页 6.3.3.1 大气上界的太阳辐射能大气上界的太阳辐射能 一、不同日地距离日期的太阳常数一、不同日地距离日期的太阳常数 在在平均日地距离平均日地距离的日期的日期，垂直垂直到达到达大气上界的大气上界的太阳常数太阳常数S0：在在非平均日地距离非平均日地距离的其他日期，的其他日期，垂直垂直到达到达大气上界的太阳常数大气上界的太阳常数 须订正：须订正：第2页，本讲稿共16页 推导：推导：设日地距离为设日地距离为r r，平均日地距离为，平均日地距离为r r0 0，和和S S0 0分别为距太阳分别为距太阳r r和和r r0 0处垂直于太阳光的处垂直于太阳光
2、的 辐射通量密度。辐射通量密度。因为通过半径为因为通过半径为r r的球面的太阳辐射通量与的球面的太阳辐射通量与 通过半径为通过半径为r r0 0的球面的太阳辐射通量相等，的球面的太阳辐射通量相等，所以，有所以，有 r rm m=(r=(r0 0/r)/r)为日地距离订正系数，也称地球轨道偏心率。为日地距离订正系数，也称地球轨道偏心率。第3页，本讲稿共16页 二、任何日期到达大气上界二、任何日期到达大气上界水平面水平面上上 太阳辐射通量密度太阳辐射通量密度S S的计算的计算因为因为 所以，所以，即即第4页，本讲稿共16页 介绍一些天文知识：介绍一些天文知识：黄道平面黄道平面:地球以椭圆轨道绕太阳
3、旋转，地球地球以椭圆轨道绕太阳旋转，地球 公转轨道平面称为黄道平面。公转轨道平面称为黄道平面。天文单位天文单位AU:AU:日地之间的平均距离为日地之间的平均距离为1AU1AU 近日点：近日点：1 1月月3 3日，日地日，日地 距离为距离为0.973AU0.973AU 远日点：远日点：7 7月月4 4日，日地日，日地 距离为距离为1.017AU1.017AU第5页，本讲稿共16页 太阳高度角太阳高度角h h：阳光与水平面的夹角。阳光与水平面的夹角。天顶角天顶角：太阳高度角的余角。太阳高度角的余角。时角时角：观测点的经圈与太阳重合后（即当地观测点的经圈与太阳重合后（即当地 正午）地球自转的角度。正
4、午）地球自转的角度。每天每天从从0变到变到360，正午为，正午为0，日出日落，日出日落0的需计算。的需计算。方位角方位角：太阳在赤道面所处的位置。太阳在赤道面所处的位置。正南为正南为0 0o o,正西为正西为9090o o,正北为正北为180180o o,正东为正东为270270o o。太阳赤纬太阳赤纬：日地连线与赤道平面的夹角。日地连线与赤道平面的夹角。北半球春秋分北半球春秋分=0；0=9090o o或或270270o o。夏至日夏至日=23.5o o；在在=66.5处处0=180180o o。冬至日冬至日=-23.5o o；在在=66.5处处0=0 0o o。第6页，本讲稿共16页 对地面
5、上处于纬度对地面上处于纬度和经度和经度的观测者的观测者 而言，在某一时刻观测到的太阳高度角而言，在某一时刻观测到的太阳高度角h和和 方位角方位角可以用下列方程计算。可以用下列方程计算。其中，其中，为太阳赤纬，变化在为太阳赤纬，变化在正负正负2323o o2727；为时角，每天从为时角，每天从0 0o o变至变至360360o o 。第7页，本讲稿共16页 在在日出日落日出日落时刻，因为时刻，因为h=0h=0o o，可求出日出，可求出日出 日落的时角和方位角为：日落的时角和方位角为：对北半球的对北半球的春分秋分春分秋分日，日，=0=0o o，0 0=90=90o o,0 0=90=90o o和和
6、270270o o 即日夜等长即日夜等长,太阳从正东升起，从正西落下。太阳从正东升起，从正西落下。对北半球的对北半球的夏至日夏至日，=23.5=23.5o o，在，在=66.5=66.5o o,0 0=180=180o o,说明北极圈内全天太阳不落。说明北极圈内全天太阳不落。第8页，本讲稿共16页 6.3.3.2 到达地面的太阳直接辐射到达地面的太阳直接辐射 由于大气对太阳辐射有吸收和散射的消光作由于大气对太阳辐射有吸收和散射的消光作 用，直接到达地面的太阳辐射用，直接到达地面的太阳辐射 有所衰减。有所衰减。设设S S为到达为到达大气上界大气上界的太阳直接辐射通量密度；的太阳直接辐射通量密度；
7、为到达为到达地面地面的太阳直接辐射通量密度。的太阳直接辐射通量密度。根据皮耳定律根据皮耳定律：（p38p38的指数削减定律）的指数削减定律）m m为大气质量数，为大气质量数，P P为所有波长范围内的平均透明系数。为所有波长范围内的平均透明系数。第9页，本讲稿共16页 所以，有所以，有 太阳直接辐射的太阳直接辐射的日总量日总量只要对上式积分即可：只要对上式积分即可：t t1 1和和t t2 2分别为日出日落的时间，分别为日出日落的时间，和和为对应的时角，为对应的时角，T T为一昼夜的时间，为一昼夜的时间，T=T(+T=T(+）/2d/2d，第10页，本讲稿共16页 因为因为P P是一个时空和是一
8、个时空和m m的复杂函数，日总量的复杂函数，日总量 的公式不好积分。的公式不好积分。为简单起见，假定为简单起见，假定p=0p=0和和p=0.7p=0.7,(,(大气完全透明大气完全透明 和大气衰减的一般情况），和大气衰减的一般情况），结果如结果如p44p44图图2.152.15和和 图图2.162.16，尽管上述处理是一致的，但仍然可以看出，尽管上述处理是一致的，但仍然可以看出 大气对太阳辐射的消光作用。大气对太阳辐射的消光作用。第11页，本讲稿共16页 6.3.3.3 到达地表的太阳散射辐射到达地表的太阳散射辐射 由于大气的存在，到达地表的辐射除太阳直接由于大气的存在，到达地表的辐射除太阳直
9、接 辐射外，还有从天空各方向散射而来太阳散射辐辐射外，还有从天空各方向散射而来太阳散射辐 射，散射辐射来自整个半球天空，又称天空辐射。射，散射辐射来自整个半球天空，又称天空辐射。散射辐射的散射辐射的大小大小取决于取决于太阳高度角太阳高度角、大气透明系数大气透明系数、云量云量、海拔高度海拔高度，并受地面，并受地面反射率反射率影响，其变化范围较大。影响，其变化范围较大。h h越小，越小，S S散散越小；越小；p p越小，散射粒子越多，越小，散射粒子越多，S S散散越大；云层越厚，越大；云层越厚，云量很大时，因直接辐射少，云量很大时，因直接辐射少，S S散散越小。海拔越高，越小。海拔越高，S S散散
10、越小；反射率越小；反射率 越大，因反复散射，越大，因反复散射，S S散散越大。越大。散射辐射一般比直接辐射弱（中纬度散射辐射一般比直接辐射弱（中纬度S S散散仅是直接辐射的仅是直接辐射的35%-90%）但有时会大于直接辐射。如高纬云多的地区，有时会大几倍。但有时会大于直接辐射。如高纬云多的地区，有时会大几倍。第12页，本讲稿共16页 6.3.3.4 地面总辐射地面总辐射 到达地面的太阳直接辐射与散射辐射之和到达地面的太阳直接辐射与散射辐射之和 称为地面总辐射。称为地面总辐射。地面总辐射地面总辐射=直接辐射直接辐射+散射辐射散射辐射 地面总辐射的地面总辐射的日变化日变化：夜间为夜间为0，日出后增
11、大，正午最大，午后逐，日出后增大，正午最大，午后逐 渐减少，有云使最大值提前和推后出现。渐减少，有云使最大值提前和推后出现。第13页，本讲稿共16页 地面总辐射的地面总辐射的年变化年变化：与直接辐射的年变化一致与直接辐射的年变化一致,中高纬度中高纬度夏季最大，夏季最大，冬季最小，冬季最小，赤道赤道一年两个最大值出现在春分和秋一年两个最大值出现在春分和秋 分，最小值出现在夏至和冬至。分，最小值出现在夏至和冬至。地面总辐射的日总量随纬度的分布，由高纬向地面总辐射的日总量随纬度的分布，由高纬向低纬增加，如低纬增加，如p46图图2.19。第14页，本讲稿共16页 练习练习p54,6p54,6：若大气透
12、明度系数为若大气透明度系数为0.80.8，求南京地区，求南京地区 （=32N=32N）夏至日中午时刻入射到地表水平）夏至日中午时刻入射到地表水平 面上的辐射通量密度。面上的辐射通量密度。（=2327=2327，r/rr/r0 0=1.016)=1.016)解：解：因为中午因为中午=0=0，将相关值代入公式，将相关值代入公式:S=1318w/m S=1318w/ms s第15页，本讲稿共16页 思考题：思考题：1、入射到大气上界水平面上太阳辐照度。、入射到大气上界水平面上太阳辐照度。2、大气上界水平面的太阳辐射能积分日总量。、大气上界水平面的太阳辐射能积分日总量。3、什么叫地面总辐射？到达地面的散射辐射、什么叫地面总辐射？到达地面的散射辐射 的大小取决于那些因子？的大小取决于那些因子？第16页，本讲稿共16页