成信工大氣探測學(xué)課件第10章 輻射和日照時數(shù)的觀測

4。瓦/平方來240瓦/平方來103瓦/平方米到達地球的太，目輯射冷量地球散發(fā)的紅外轄射凈量郃分太陽緇射祓兌球表面及大氣反射列達地球的大悟輻射總343瓦/平方衆(zhòng)太陽藉射霄it遺馴的大氣到達地球表面部分紅，卜糧射祓潺室氣體吸收并重新?lián)窆?此*IS導(dǎo)it電球表面及大氣是下層溫度升高大壽分太陽輻射枚地球衰血EARTH攻收異位之溫度上升略俠企她球我而精故出紅外輅射本章授課內(nèi)容_―、輻射的基本知識二、輻射的觀測儀器及原理三、日照時數(shù)的觀測■重點和難點：1、各個氣象輻射量的概念及其計算方法2、直接輻射表、長波輻射表和總輻射表玻璃罩的區(qū)別2一、輻射的基本知識1輻射的內(nèi)涵溫度大于絕對零度的物體，以電磁波的方式向夕卜放射能量，同時也接受來自周圍的電磁波―?輻射：①把這種電磁波能量本身稱為輻射能（簡稱為輻射）；②這種傳播能量的方式稱為輻射。400MX>600700波長（/納米）-電磁波包括的范圍很廣。實驗證明，無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、Y射線、r射線都是電磁波。電磁波譜：按照頻率或波長、能量的順序把這些電磁波排列起來。5地球能量來源于太陽，太陽能量以輻射形式傳送到地球6000K黑體光譜能量分布曲線太陽輻射能量隨波長的分布放射能力卡分?球可見光:0.4-0.76pm（占50%）波長(u)0.20.40.60.81.0L5203.0太陽輻射最強的波長為0.475卩m,絕大部分輻射能集中于波長在0.15?3pm,所以太陽輻射被稱為短波輻射。紅外：0.76-4.0pm（占43%）紫外:0.15-0.4pm（占7%）Wavelength,pm面相射被稱為長波輻射。795%以上的熱輻射能量集中在3?120pm的波長范圍內(nèi)，其輻射能最大段波長在10~15pm范圍內(nèi)，所以地2赤2h

也Fb

（兀T）=（。刃―1）-1c為光速，h為普朗克常數(shù),k為波爾茲曼常數(shù)(ErlZE)、M-8CS-E?2、輻射的表示方法8輻射測量單位①輻照度E

(輻射通量密度)——單位時間內(nèi)投射到單位.................?面積上的輻射能(W?m-2)輻射強度輻射強度I――單位時間內(nèi)，通過垂直于選定方冋上的單位面枳的輻射能(W.m-2)I

=E

?cosq②曝輻量H——指一段時間輻照度的總量MJ.m-2地球四季是如何形成的?秋分點,9月23日9,小1011氣象輻射量臭氧:0.32-0.65卡/厘米吩?微米3.02.52.0L5100.5L4微米L01.2太陽輻射在大氣層中傳播強度逐漸減弱臭°0.20.40.60.8氣象輻射量大氣層對太陽輻射的削弱-輻射強度和輻射方向依據(jù)傳播方向的特點，太陽輻射可以分為:①直接輻射②散射輻射③反射輻射(1)太陽短波輻射一直接輻射①垂直于太陽入射光的直接輻射SA、太陽面的直接輻射B、環(huán)日輻射太陽周圍一個非常狹窄的環(huán)形天空輻射。Bai糖百稲>/*?*-19320110211_U0420②水平面太陽直接輻射s』SiACAB'cosZS_AB_AB太陽天頂角：光線入射方向與天頂方向的夾角太陽高度角：太陽光入射方向和地平面之間夾角Sl

=S

?cosZ=S?

sinh③散射輻射與太陽輻射經(jīng)過大氣散射或云反射，從天空2n立體角向下投射到地面的那部分輻射。^④總輻射Eg:達到地面的太陽輻射指水平面上，天空2n立體角所接收到的太陽直接輻射和散射輻射之和。Eg

?=，+Ed

?白天太陽被云遮擋時:Eg

?=Ed

?夜間：Eg

?=°60001()002()000297^+2147.S39611.96019701980199020002010teas、翊s専>18不同下墊面對可見光的反射率⑤短波反射輻射電總輻射到達地面后被下墊面（作用層）向上反射的那部分短波輻射。Z7=ErEk

廠Eg深色土攜5%?15%淺色、沙性土壤25%?45%草地15%?25%干草地20%?30%闊葉林15%?20%天然水6%?10%干潔新會80%?95%污濁的蜜40%?50%混凝土（干）17%?27%瀝青5%?10%192丿K(2)太陽常數(shù)SoE=二4時2E赤道E兩極一日地平均距離處，地球大氣上界垂直于太陽光線方向上單位面積每秒鐘獲得的太陽輻射能量。太陽常數(shù)：1359?1418W.m-2——可能與太陽黑子的活動周期有關(guān)平均值S0=1367(±7)W?m-2:1.5x

108+6371、L1.5x108=1.000084火氣上界大氣?■ML地球半徑6371km6000^^■太陽輻射從大氣頂進入氣候系統(tǒng)0大氣上界宇宙吸收大氣吸收地面輻射地面保溫地面增溫地面吸收返回宇宙返回宇宙太陽輻射.?大氣逆輻大氣吸收反射輻射(3)地球長波輻射①大氣長波輻射：對流層大氣平均溫度為-23。。(250K)②地面長波輻射：全球表面的平均溫度為15。(288K)地面降溫21⑷全輻射與凈全輻射輻射之和：全輻射宇宙吸收Z大氣吸收地面輻射地面保溫地面增溫?向下的長波和短波輻射向上的長波和短波輻射輻射平衡凈輻射對地表而言地面吸收返回宇宙返回宇宙太陽輻射.?大氣逆輻凈全輻射=全輻射向下-全輻射向上地面降溫大氣吸收反射輻射22二、輻射的觀測儀器及原理輻射傳感器一般為熱電型基本原理——對輻射的觀測都是以測定吸收輻射能所產(chǎn)生的的熱量為基礎(chǔ)的。23輻射傳感器組成：感應(yīng)面+熱電堆応，，撲;-感應(yīng)面：薄金屬片，涂上吸收率高、光譜響應(yīng)好的無光黑漆。熱電堆：緊貼感應(yīng)面，工作端位于感應(yīng)面下部，參考端（冷端）位于隱蔽處。原理：感應(yīng)面吸收輻射能增溫，與熱電堆形成溫度差,產(chǎn)生電動勢：V=KxE1、直接輻射的測定2、總輻射的測定3、散射輻射的測定4、長波輻射的測定5、凈全輻射的測定241、直接輻射的測定觀測的太陽直接輻射:垂直于太陽表面（視角約0?5°）的輻射和太陽周圍（半徑不大于2.5°）很窄的環(huán)形天空的散射輻射（環(huán)日輻射）之和——太陽直接輻射測量儀器：直接輻射表（直接日射輻射表）/絕對日射表：可直接得到以W/nP為單位的日射強度值。25氣象站常用的直接輻射表■直接輻射表觀測的是垂直于太陽入射光的直接輻射S6園園(1)結(jié)構(gòu)：-進光筒：一金屬圓筒，筒口有石英玻璃。為對準(zhǔn)太陽，進光孔兩端分別固定兩個金屬圓環(huán)。-感應(yīng)件：由感應(yīng)面和熱電堆組成，安裝在光筒的后面。-跟蹤架：是支撐進光筒使之自動準(zhǔn)確的雖艮蹤太陽的裝置。-附件：包括底座、水準(zhǔn)器、調(diào)一^螺旋、進光筒帽蓋、外罩等。以）使用與維護：-每夭工作開始時，應(yīng)檢查進光筒石英玻璃窗是否清潔，如有灰塵、水汽凝結(jié)物應(yīng)及時用軟布擦凈。-跟雖宗架要精心使用，切勿趣動進光筒位置，每夭上下午至少各檢查一次儀器跟蹤狀況（對光點），遇特珠夭氣要經(jīng)常檢查。K-如有較大的降水、雷暴等惡劣天氣不能觀測時,要及時加罩，并關(guān)上電源。-轉(zhuǎn)動進光筒對準(zhǔn)太陽，一定按操作規(guī)程進行，絕不能用力太大，否則容易損壞電機。-直接輻射表每月檢查，除檢查感應(yīng)面、進光筒內(nèi)是否進水、接線柱和導(dǎo)線的連接狀況外，重點應(yīng)檢查儀器安裝與跟蹤太陽是否正確。272、總輻射的測定測量原理感應(yīng)面由黑白片組成相間的方格，黑片和白片吸收率有較大的差別，然后測定黑片與白片之間的溫差，再換算成輻射強度Sl

+Ed

I=KxN

（電流讀數(shù)）整個感應(yīng)面密封在一個半球形石英玻璃罩中，為了保持罩內(nèi)空氣的干凈，玻璃罩內(nèi)存放有干燥劑。28玻璃罩：半球形雙層石英玻璃罩①能夠透過0?3?3卩m的短波輻射，透射率0.9②防風(fēng)③雙層罩：防止外層罩紅外輻射的影響，以減小誤差29散射輻射傳感器總輻射中把來自太陽直射部分遮擋后測得的為散射輻射（天空輻射）。遮光環(huán)的作用：保證從日出到日落連續(xù)遮擋太陽直接輻射303、散射輻射的測定總輻射傳感器4、反射輻射的測量總輻射表感應(yīng)面朝下，其測量的就是地表反射的太陽短波輻射，其數(shù)值與地表反射率有關(guān)。5、長波輻射的測定一一長波輻射表一總輻射表基本相同:感應(yīng)件、玻璃罩和附件。特點：玻璃罩內(nèi)鍍上硅單晶,使3卩m以下的短波輻射不能到達感應(yīng)面。6、凈全輻射的測定——凈全輻射表測量原理：凈輻射表由上下兩片涂黑感應(yīng)面與熱電堆組成（與總輻射表不同之處）。兩面都可以接收0.3?100卩m的全波輻射。接收輻射量不同時，熱電堆上下端產(chǎn)生溫差，測量電訊號，換算可以得出凈輻射。①防止風(fēng)的影響②保護感應(yīng)面③既能透過長波也能透過短波兩個防風(fēng)罩聚乙烯薄膜材料32凈全輻射表使用時的注意事項：①由于一般玻璃罩只能透過短波輻射，而凈輻射表要感應(yīng)的全輻射，因此感應(yīng)面上不能加蓋玻璃罩。②薄膜罩使用時間過長，容易臟污和老化，紫外線強和污染嚴(yán)重將大大降低罩的透過率，因此要經(jīng)常維護薄膜罩清潔并定期更換，才能保持其測量精度。③使用聚乙烯薄膜罩的凈輻射表，應(yīng)定期與標(biāo)準(zhǔn)儀器進行對比，才較精確地計算出凈輻射。④凈輻射表還有充氣裝置，通過兩根細(xì)氣管給薄膜罩提供干燥氣體，排除罩內(nèi)濕氣，并保持罩的半球形。33自動氣象站--輻射自動觀測儀輻射自動觀測儀：輻射表（傳感器）和采集器3435三、日照時數(shù)的觀測-----_____________1、概念——指太陽在一地實際照射的時數(shù)（一天內(nèi)太陽直射光線照射地面的時間）——在一給定時間內(nèi)，太陽直接輻照度達到或超過120W.m-2的那段時間總和。單位：小時h,取1位小數(shù)。日照時數(shù)一實照時數(shù)WMO把太陽直接輻照度^120W.m-2定為日照閾值影響日照時數(shù)的因子：云、降水、水汽壓、能見度、氣溶膠濃度、風(fēng)速、溫度3627001800全國年平均總?cè)照諘r數(shù)(1978—2007年)可照時數(shù)——天文可照時數(shù)——指在無任何遮蔽條件下，太陽中心從某地東方地平線到進入西方地平線，其光線照射到地面所經(jīng)歷的時間。（日出到日落的時間）可照時數(shù)由公式計算，也可從天文年歷或氣象常用表查出。日照百分率=日照時數(shù)可照時數(shù)X100%取整數(shù)日照時數(shù)主要表征當(dāng)?shù)貧夂蛱卣?，是農(nóng)業(yè)氣候資源、太陽能開發(fā)利用、城市規(guī)劃布局研究中的重要因素。382、測量方法(1)燒痕法：聚焦直接太陽輻射，在記錄紙上產(chǎn)生燒痕，由燒痕讀出日照時間。(2)直接輻射測量法：直接輻射表直接檢測輻照度土120W.m-2時的時間。(3)總輻射測量法：由總輻射度和散射射計算出直接輻射，依據(jù)WMO閾值確定日照時數(shù)。(4)對比法：若干傳感器以不同方位對著太陽，利用與輻射閾值相當(dāng)?shù)膫鞲衅鬏敵鲂盘柕奶囟ú钪颠M行測量比較來確定。(5)掃描法：用連續(xù)掃描小范圍天空的傳感器接受的輻照度，與輻射閾值相等的方法進行鑒別。393、暗筒式（喬唐式）日照計測量原理：利用陽光透過儀器上小孔射入筒內(nèi)，使涂有感光藥劑的日照紙上留下感光痕跡線，來計算日照時數(shù)的。表示測點緯度下在不同的季節(jié)和各種大氣物理狀況下實際測得的日照時間。國家基本氣象站中保留的人工觀測項目之一40主體為一金屬圓筒，筒的一端密閉，一端有蓋，筒的上部有一塊隔光板，筒身上在隔光板的兩側(cè)邊緣的同一垂直面上，各有一個圓錐形進光孔，兩孔前后位置錯開，與圓心的夾角為120°。筒內(nèi)有一彈性壓紙夾，用以固定日照紙，圓筒下部有固定螺絲，松開后，圓筒可繞支架旋轉(zhuǎn)，支架下部有緯度刻度盤與指示緯度的刻度線，儀器底座上有三個等距離的孔，用以固定儀器。日照計應(yīng)安置在開闊的、終年從日出到日落都能受到太陽光照射的地方。安置時底座要水平，底面上要精確測定南北子午線，并劃出標(biāo)記，再把儀器安裝在臺座上，筒口對準(zhǔn)正北，牢固的將日照計底座加以固定。然后，轉(zhuǎn)動筒身，使支架上的緯度記號線對準(zhǔn)緯度盤上當(dāng)?shù)鼐暥戎担@樣筒軸與地軸平行。儀器底座上有一水準(zhǔn)器，用以調(diào)整儀器的水平。41感光跡線的形狀和長短L通過孔A作一個垂直于圓筒的平面ATBA。光線L通過通過孔A投射到筒內(nèi)M點，筒內(nèi)光線AM在圓筒平面上的投影為AT,AT與暗筒直徑AB的夾角為a,AM與圓筒面ATBA的夾角為。，故：B在直角三角形中，MT

=ATtgO在直角三角形ATB中，AT

=ABcosa=2RcosaMT=2RcosatgO42MT

:日照紙上一日瞬時感光點距離水平分線（日照紙上兩進光孔通過圓心的一條直線，即地球赤道平面）的垂直距離。MT=2RcosatgO。為太陽赤緯，一年之中僅在南北赤緯23.5°范圍內(nèi)變化,①夏半年：春分至秋分②冬半年：秋分至春分③春分和秋分日因此可以認(rèn)為在一天之內(nèi)基本不變，故MT的長短緊隨a角的變化而變化。上下午感光跡線以12時為分界線，兩條感光跡線等長且對稱，8時和16時a=0,MT達到最大值。感光跡線的基本特征①感光跡線為一條余弦曲線的一段（0-60°）o②上午和下午各為一條對稱曲線。③8時和16時MT最長（cos0°=l）。④當(dāng)春、秋分陽光直射赤道時（。=0,MT=0）,則感光跡線為通過筒身橫切面的一條直線。⑤夏半年（春分至秋分），陽光直射北半球，感光跡線位于洞孔的切平面以南，呈凹形，即偏于水平線之上且較長。⑥冬半年（秋分至春分），陽光直射南半球，感光跡線位于洞孔的切平面以北，呈凸形，即偏于水平44感光紙：在日照紙上面刷上由檸檬酸鐵銨和赤血鹽調(diào)配的感光藥水。記錄整理：①在每天日落后換下的日照紙，應(yīng)依感光跡線的長短，在其下描畫鉛筆線。并按鉛筆線計算各時的日照時數(shù)，以十分法記錄，準(zhǔn)確到小數(shù)一位。②將各時的日照時數(shù)相加，則為全天的日照時數(shù)。③然后將日照紙放入足量的清水中浸漂3-5分鐘拿出（全天無日照的紙也應(yīng)浸漂）；待陰干后，再復(fù)驗感光跡線與鉛筆線是否一致。如感光跡線比鉛筆長，則應(yīng)補描上這段鉛筆線，并改正原計算的日照時數(shù)，添上日合計。如全天無日照，記0?0。464、聚焦式（康培斯托克式）日照計測量原理：利用太陽光經(jīng)玻璃球聚焦后燒灼日照紙留下的焦痕來記錄日照時數(shù)的構(gòu)造原理：實心玻璃球支持在弧架兩端的支架上。整個弧架可以轉(zhuǎn)動，以對準(zhǔn)緯度。與玻璃球同心的金屬槽，則是用以安放日照紙的，其半徑恰好等于玻璃球的焦距。5、日照傳感器⑴直接輻射表觀測日照時數(shù)直接輻射表每日自動跟蹤太陽，自動測量系統(tǒng)把S>120W-m-2的時間累加起來，得到每小時的日照時數(shù)和每天日照時數(shù)。誤差來源：傾斜效應(yīng)溫度依賴性非線性零點漂移直接輻射表等級自動跟蹤裝置的準(zhǔn)確度48(2)用總輻射與散射輻射計算日照時數(shù)通過總輻射烏和散射輻射馬以及當(dāng)時的太陽咼度角乩，計算岀水平面直接輻射島、垂直面直接輻射S其計算公式為：SL