大氣科學(xué)概論課件第十一輻射

大氣科學(xué)概論課件第十一輻射第1頁(yè)，共16頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

6.3.3.1大氣上界的太陽(yáng)輻射能

一、不同日地距離日期的太陽(yáng)常數(shù)

在平均日地距離的日期，垂直到達(dá)大氣上界的太陽(yáng)常數(shù)S0：

在非平均日地距離的其他日期，垂直到達(dá)大氣上界的太陽(yáng)常數(shù)須訂正：第2頁(yè)，共16頁(yè)，2023年，2月20日，星期一推導(dǎo)：設(shè)日地距離為r，平均日地距離為r0，和S0分別為距太陽(yáng)r和r0處垂直于太陽(yáng)光的輻射通量密度。因?yàn)橥ㄟ^(guò)半徑為r的球面的太陽(yáng)輻射通量與通過(guò)半徑為r0的球面的太陽(yáng)輻射通量相等，所以，有

rm=(r0/r)2為日地距離訂正系數(shù)，也稱(chēng)地球軌道偏心率。

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二、任何日期到達(dá)大氣上界水平面上太陽(yáng)輻射通量密度S的計(jì)算因?yàn)樗裕吹?頁(yè)，共16頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

介紹一些天文知識(shí)：

黃道平面:地球以橢圓軌道繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)，地球公轉(zhuǎn)軌道平面稱(chēng)為黃道平面。

天文單位AU:日地之間的平均距離為1AU

近日點(diǎn)：

1月3日，日地距離為0.973AU

遠(yuǎn)日點(diǎn)：

7月4日，日地距離為1.017AU第5頁(yè)，共16頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

太陽(yáng)高度角h：陽(yáng)光與水平面的夾角。

天頂角θ：太陽(yáng)高度角的余角。

時(shí)角ω：觀測(cè)點(diǎn)的經(jīng)圈與太陽(yáng)重合后（即當(dāng)?shù)卣纾┑厍蜃赞D(zhuǎn)的角度。

每天ω從0°變到360°，正午為0°，日出日落ω0的需計(jì)算。

方位角α：太陽(yáng)在赤道面所處的位置。

正南為0o,正西為90o,

正北為180o,正東為270o。

太陽(yáng)赤緯δ：日地連線(xiàn)與赤道平面的夾角。

北半球春秋分δ=0；ω0=90o或270o。夏至日δ=23.5o；

在φ=66.5處ω0=180o。冬至日δ=-23.5o；在φ=66.5處ω0=0o。

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對(duì)地面上處于緯度φ和經(jīng)度λ的觀測(cè)者而言，在某一時(shí)刻觀測(cè)到的太陽(yáng)高度角h和方位角α可以用下列方程計(jì)算。其中，δ為太陽(yáng)赤緯，變化在正負(fù)23o27’；

ω為時(shí)角，每天從0o變至360o

。第7頁(yè)，共16頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

在日出日落時(shí)刻，因?yàn)閔=0o，可求出日出日落的時(shí)角和方位角為：

對(duì)北半球的春分秋分日，

δ=0o，ω0=±90o,α0=90o和270o

即日夜等長(zhǎng),太陽(yáng)從正東升起，從正西落下。

對(duì)北半球的夏至日，

δ=23.5o，在φ=66.5o,ω0=±180o,說(shuō)明北極圈內(nèi)全天太陽(yáng)不落。第8頁(yè)，共16頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

6.3.3.2到達(dá)地面的太陽(yáng)直接輻射

由于大氣對(duì)太陽(yáng)輻射有吸收和散射的消光作用，直接到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射有所衰減。

設(shè)S為到達(dá)大氣上界的太陽(yáng)直接輻射通量密度；為到達(dá)地面的太陽(yáng)直接輻射通量密度。根據(jù)皮耳定律：（p38的指數(shù)削減定律）

m為大氣質(zhì)量數(shù)，P為所有波長(zhǎng)范圍內(nèi)的平均透明系數(shù)。第9頁(yè)，共16頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

所以，有太陽(yáng)直接輻射的日總量只要對(duì)上式積分即可：t1和t2分別為日出日落的時(shí)間，ω０和－ω０為對(duì)應(yīng)的時(shí)角，T為一晝夜的時(shí)間，T=T(ω+π）/2πdω，

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因?yàn)镻是一個(gè)時(shí)空和m的復(fù)雜函數(shù)，日總量的公式不好積分。

為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，假定p=0和p=0.7,(大氣完全透明和大氣衰減的一般情況），結(jié)果如p44圖2.15和圖2.16，盡管上述處理是一致的，但仍然可以看出大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的消光作用。

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6.3.3.3到達(dá)地表的太陽(yáng)散射輻射

由于大氣的存在，到達(dá)地表的輻射除太陽(yáng)直接輻射外，還有從天空各方向散射而來(lái)太陽(yáng)散射輻射，散射輻射來(lái)自整個(gè)半球天空，又稱(chēng)天空輻射。

散射輻射的大小取決于太陽(yáng)高度角、大氣透明系數(shù)、云量、海拔高度，并受地面反射率影響，其變化范圍較大。

h越小，S散越小；p越小，散射粒子越多，S散越大；云層越厚，云量很大時(shí)，因直接輻射少，S散越小。海拔越高，S散越小；反射率越大，因反復(fù)散射，S散越大。

散射輻射一般比直接輻射弱（中緯度S散僅是直接輻射的35%-90%）但有時(shí)會(huì)大于直接輻射。如高緯云多的地區(qū)，有時(shí)會(huì)大幾倍。第12頁(yè)，共16頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

6.3.3.4地面總輻射到達(dá)地面的太陽(yáng)直接輻射與散射輻射之和稱(chēng)為地面總輻射。地面總輻射=直接輻射+散射輻射地面總輻射的日變化：

夜間為0，日出后增大，正午最大，午后逐漸減少，有云使最大值提前和推后出現(xiàn)。第13頁(yè)，共16頁(yè)，2023年，2月20日，星期一地面總輻射的年變化：

與直接輻射的年變化一致,中高緯度夏季最大，冬季最小，赤道一年兩個(gè)最大值出現(xiàn)在春分和秋分，最小值出現(xiàn)在夏至和冬至。地面總輻射的日總量隨緯度的分布，由高緯向低緯增加，如p46圖2.19。

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練習(xí)p54,6：

若大氣透明度系數(shù)為0.8，求南京地區(qū)（φ=32°Nω）夏至日中午時(shí)刻入射到地表水平面上的輻射通量密度。（δ=23°27′，r/r0=1.016)解：因?yàn)橹形绂?0°，將相關(guān)值代入公式