第二節(jié) 太陽輻射

1、第二節(jié) 太陽輻射（solar radiation）氣象上所討論的太陽輻射、地面輻射和大氣輻射，其波長范圍約在0.15120m之間。太陽輻射的主要波長范圍在0.154m；地面和大氣輻射的主要波長范圍是3120m。因此，將太陽輻射稱為短波輻射，而把地面輻射和大氣輻射稱為長波輻射。一、太陽輻射光譜太陽輻射能隨波長的分布稱為太陽輻射光譜。太陽輻射光譜分三個光譜區(qū)，紫外區(qū)（<0.39m ）、可見光區(qū)（為0.390.76m）和紅外區(qū)（>0.76m）。其中可見光區(qū)占能量的50，紅外區(qū)占43，紫外區(qū)占7。可見光區(qū)又分為紅、橙、黃、綠、青、藍和紫七色光波段。紅光（0.760.622m）、橙光（0.6

2、220.597m）、黃光（0.5970.577m）、綠光（0.5770.492m）、青光（0.4920.480m、藍光（0.4800.455m）和紫光（0.4550.390m）。太陽輻射中可見光部分不僅輻射能量大，而且是輻射最強的部分，所以太陽光是可見的。二、太陽常數(shù)（solar constant）在日地平均距離的條件下，地球大氣上界垂直于太陽光線的面上所接受到的太陽輻射通量密度，稱為太陽常數(shù)。用S0表示。世界氣象組織（WMO）測得S0為1367.7w/m2。由于日地距離的變化，S0有7%的變化。1cal·cm2·min-1697.8w/m2，所以，S01367.7/697

3、.81.96cal·cm2·min-1。三、太陽輻射在大氣中的減弱太陽常數(shù)是到達大氣上界的太陽輻射通量密度。當它通過大氣層時，被大氣中的各種氣體分子和云層選擇性地吸收，一部分被氣體分子和懸浮的微粒散射，一部分被它們反射，所以，到達地面的太陽輻射顯著地減少了。（一）吸收作用大氣中的臭氧、氧、水汽和二氧化碳都能直接吸收一部分太陽輻射。臭氧主要吸收波長小于0.3m的紫外輻射。例如，當太陽高度為40°時，地面接受的輻射通量中，紫外輻射由大氣外界當%減少至23%。氧、水汽和二氧化碳的主要吸收帶在近紅外光譜區(qū)內(nèi)。在可見光譜區(qū)中，也有幾個吸收帶。云和霧也吸收太陽輻射，吸收率隨云

4、狀而異。根據(jù)估計，被大氣中氣體分子和云層吸收的太陽輻射能量占大氣上界太陽輻射總能量的19%左右。（二）散射作用1、散射的概念大氣中各種氣體分子和懸浮的塵埃等微小質(zhì)點，能把入射的電磁波以相同波長向四面八方發(fā)射，這種現(xiàn)象稱為散射。散射過程中，能量并不損失，只是因為改變了一部分電磁波的方向，有部分能量返回宇宙空間，使到達地面的太陽輻射能量被減弱了。散射只改變輻射的方向，不改變輻射的性質(zhì)。2、散射的種類（1）分子散射又稱為瑞利散射。空氣分子的直徑小于太陽輻射的波長，其散射能力與波長的四次方成反比，稱為分子散射。分子散射主要發(fā)生在可見光譜區(qū)，其中對藍、紫光的散射能力最強，比對紅光的散射能力大九被，所以，

5、晴朗無云的天空呈淡藍色。（2）粗粒散射又稱為米散射，水滴和灰塵等微粒的直徑大于太陽輻射的波長，它們對各種波長的輻射幾乎具有同等的散射能力，稱為粗粒散射。所以，當天空中塵粒雜質(zhì)多或有云時，水平方向上呈乳白色。根據(jù)估計，大氣中的分子散射和粗粒散射，使6%的太陽輻射能返回宇宙空間。（三）反射作用大氣中的云層和灰塵等微粒，都能反射太陽輻射，使一部分輻射通量返回宇宙空間。根據(jù)估計，云層等反射的輻射通量約占輻射通量的20%?？傊?，太陽輻射經(jīng)過深厚的大氣層后，由于大氣的吸收作用、散射作用和發(fā)射作用，使輻射通量大約減少一半。地面可能接受的太陽輻射通量只有大氣圈外的一半左右。四、太陽高度到達地面的太陽輻射量與太

6、陽高度和晝長有密切關(guān)系。（一）太陽高度1、太陽高度角的定義太陽高度角的簡稱。是太陽光線和觀測點地平線間的夾角，用h表示。2、計算公式 sinhsinsin+coscoscos （球面三角公式）（1）為緯度（latitude）對某一地區(qū)來說，為常數(shù)；（2）為赤緯（太陽傾角或日偏角）以地球赤道作為基本平面的赤道坐標系中，太陽距離赤道的角距離。當太陽在赤道面以南時，取正值，以南時取負值。變化于±23.5°之間。春分日（3月21日）和秋分日（9月23日），0；夏至日（6月22日），太陽距離赤道最北，+23.5°；冬至日（12月22日），-23.5°，其余時間的值

7、可從日射常用觀測表或天文年歷表中查得。由于常用表是1925年按經(jīng)度零度和時間是零點時計算的，所以求某地某時刻的值，需經(jīng)過三種訂正，即年度訂正、經(jīng)度訂正和時間訂正。（3）為時角是真太陽時角的簡稱。太陽連續(xù)兩次通過子午圈的時間間隔為一個真太陽日，把其作24等份，每一等份為真太陽時一小時，如以角度表示，一個真太陽時相當于時角15°。時角的計量以正午為0，順時針方向為正，逆時針方向為負，也就是上午時角為負，下午時角為正。地方時以某地經(jīng)線正對太陽的時刻為正午，正背太陽的時刻作為該地的0點鐘，這種劃分稱為地方時。在同一經(jīng)度上，地方時都相同。標準時根據(jù)經(jīng)度差15°，時間差1小時的道理，把

8、整個地球表面劃分為24個時區(qū)，再把每一時區(qū)中央經(jīng)線的地方時作為該時區(qū)的時間標準，稱為標準時，或稱區(qū)時。為了便于各時區(qū)時間的換算，把所有時區(qū)都按自西向東的順序編號，以0°經(jīng)線為中央經(jīng)線叫0時區(qū)（7.5°W7.5°E），以東再隔15°為中央經(jīng)線叫1時區(qū)（7.5°E22.54°E），依次類推，直至第23時區(qū)。于是，任何兩個時區(qū)標準時的時差就相當于它們時區(qū)號碼之差。例如，北京用第8時區(qū)的標準時，烏魯木齊用第6時區(qū)的標準時，兩者時區(qū)號碼之差，即可求得兩地標準時相差2小時。北京處于東8區(qū)，東經(jīng)120°是東8區(qū)的中央經(jīng)線，因此，北京時就是

9、東經(jīng)120°的地方時。我國地域遼闊，東西寬達64個經(jīng)度，橫跨5個時區(qū)。如果完全按時區(qū)確定時間，也有所不便。因此，除了特殊地區(qū)和部門外，全國一律以北京所在地區(qū)（中央經(jīng)線120°E）的區(qū)時標準，稱為北京時。世界時國際上規(guī)定，以0時區(qū)標準時為世界統(tǒng)一時間，稱為世界時。0時區(qū)的中央經(jīng)線即是通過英國倫敦格林威治天文臺的經(jīng)線，所以世界時又叫格林威治標準時，各時區(qū)標準時的號碼正好是與世界時的時差值。例如北京是第8時區(qū)，其與世界時的時差為8小時。 正午時的太陽高度角的計算公式：正午時，0，cos1球面三角公式變?yōu)椋簊inhsinsincoscossin90°-(-)h90

10、6;-+3、太陽高度角的變化規(guī)律（1）太陽高度角的日變化規(guī)律日出（sunrise）和日落（sunset）時為零，中午最大。（2）太陽高度角的年變化規(guī)律見教材第16頁。（二）晝長1、晝長的定義或一日的可照時間，當?shù)孛鏇]有被障礙物、云、霧和煙塵遮蔽時，日面中心從出地平線（日出）至入地平線（日落）的時間間隔。以小時為單位。2、計算公式日出和日落時，h0，sinhsinsincoscoscos，sinh0-sinsincoscoscoscos-tgtg日出和日落時的時角記為0，按反時針方向的0相當于日出，順時針方向相當于日落，則晝長的計算公式為晝長2´3、晝長的變化規(guī)律表1說明，北半球的晝長

11、時間，在春分和秋分，除北極以外均為12小時；夏至日晝長均在12小時以上，且隨緯度增高而增長，在北極圈以內(nèi)，終日為白晝，即為極晝或永晝；冬至日，晝長小于12小時，且緯度愈高，晝長愈短，到北極圈以內(nèi)地區(qū)，晝長時間為零，終日為夜，出現(xiàn)極夜或永夜。除赤道上晝長時間終年均為12小時外，北半球其余地區(qū)，下半年（春分至秋分）晝長時間在12小時以上，而以夏至日最長；冬半年（秋分至春分）晝長時間不到12小時，而以冬至日最短，冬半年和夏半年之間晝長的差異，緯度愈高愈明顯。表1 北半球各緯度二分二至時的晝長時間 （單位：時：分）緯度春分日夏至日秋分日冬至日0102023°27¢304050606

12、6°33¢12：0012：0012：0012：0012：0012：0012：0012：0012：0012：0012：3513：1313：2713：5614：5116：0918：3024：0012：0012：0012：0012：0012：0012：0012：0012：0012：0012：0011：2510：4710：3310：049：097：515：300：004、日照百分率（1）日照時數(shù)每日太陽實際照射地面的時數(shù)，以小時為單位。日照時數(shù)用日照計測定。（2）日照百分率實際日照時數(shù)與可照時數(shù)的百分比。日照百分率´100%五、太陽輻射在大氣中減弱的一般規(guī)律由于大氣的吸收

13、、散射作用以及云層的反射作用，太陽輻射通過大氣層后被減弱了。太陽輻射在大氣中減弱的一般規(guī)律遵循貝爾（Beer）定律。SS0Pm其中，S為到達地面的與太陽光垂直面上的太陽輻射通量密度，S0為太陽常數(shù)，m為大氣光學質(zhì)量，P為大氣透明系數(shù)。（一）大氣光學質(zhì)量（m）當太陽位于天頂時，以單位面積的太陽光束所穿過的大氣柱的質(zhì)量作為一個單位，稱為一個大氣質(zhì)量或單位氣質(zhì)。把太陽斜穿時穿過的大氣質(zhì)量記作m，可以證明m與h有下列關(guān)系式：m1/sinh或msecz，其中z為天頂角（或天頂距），z90°h（二）大氣透明系數(shù)（P）1、大氣透明系數(shù)的定義大氣上界太陽輻射通量密度為S0，在大氣中傳輸時被減弱了。當

14、大氣透明系數(shù)為P時，m1，那么SS0P，PS/S0，因此，到達地面與太陽光垂直面上的太陽輻射通量密度S與大氣上界的太陽常數(shù)S0之比，即為大氣透明系數(shù)。顯然它是小于1的。2、影響大氣透明系數(shù)的因素（1）大氣中水汽和塵埃的含量大氣中易變成分是水汽和塵埃等固體微粒的含量，大氣透明系數(shù)的變化決定于它們在大氣中含量的變化?？諝鉂穸却蠛凸腆w微粒多時，大氣透明系數(shù)減少，太陽輻射穿過大氣層時被減弱的量多；反之，大氣透明系數(shù)增大，太陽輻射被減弱的量少。（2）波長由于大氣對不同波長輻射的吸收和散射作用是不同的，因此大氣透明系數(shù)P與波長有關(guān)。大氣對各種光譜的透明系數(shù)見下表。由表看出，波長短的透明系數(shù)小于波長長的。表

15、2 大氣對各種光譜的透明系數(shù)短波紫外線紫外線紫色光線藍色光線綠色光線黃色光線紅色光線紅光線長波紅外線03255647276788087當太陽高度較低時，太陽輻射通過大氣層的路程較長，太陽光譜中波長較短的藍紫光散射較多，余下的光譜是波長較長的紅橙光，所以此時太陽呈現(xiàn)紅色。下表中各種太陽高度下的光譜比例也說明上述現(xiàn)象。當h1時，紅光增加到84。表3 各種太陽高度時，太陽輻射中所含光譜的比例太陽高度90°60°30°10°5°1°紅光黃光282929303031363347348413綠光22222320143藍光131211740紫光87

16、5410太陽輻射通過大氣層時，不僅能量被減弱，而且其光譜成分也發(fā)生變化。下表是大氣上界和地面上各光譜區(qū)太陽輻射通量的分配比例。到達地面的輻射通量中，紅外區(qū)的比例增大，可見光和紫外區(qū)的能量相應(yīng)減少。表4 大氣上界及地面上各光譜區(qū)能量占全光譜區(qū)能量的百分數(shù)光譜區(qū)紫外區(qū)可見光區(qū)紅外區(qū)大氣上界太陽輻射光譜的百分數(shù)太陽高度40°時，地面上太陽輻射光譜的百分數(shù)5152404359六、到達地面的太陽輻射能到達地面的太陽輻射能，由太陽直接輻射和漫射輻射兩部分組成。兩者的和稱為太陽總輻射，簡稱總輻射。（一） 直接輻射通量密度（S）1、太陽直接輻射太陽以平行光的方式投射射到與光線相垂直面上的輻射，稱為太

17、陽直接輻射。用S表示。2、水平面上的太陽直接輻射通量密度（Sb）到達水平面上的太陽直接輻射通量密度SbS0´sinh´Pm （該公式的推導(dǎo)過程見教材P20）3、太陽直接輻射通量密度的測定用直接輻射表加以測定。4、影響太陽直接輻射的因素云和海拔高度是影響太陽輻射通量的兩個重要因子。云是很好的反射體，厚的云層能把大部分太陽輻射反射回宇宙空間，使到達地面的直接輻射通量大大減少。在高海拔地帶，由于太陽輻射穿過大氣的路程較短，輻射通量被減弱少，所以地面獲得的太陽直接輻射比平原地區(qū)多。（二） 漫射輻射通量密度（Sd）1、太陽漫射輻射來自整個天穹（天空）向下的散射輻射和反射的太陽輻射，稱

18、為太陽漫射輻射，又稱為天空輻射。由于前者遠遠大于后者，所以一般把散射輻射通量視為漫射輻射通量。日出前后，地面接受的太陽輻射主要是漫射輻射。高緯度地區(qū)，漫射輻射常常是太陽輻射的主要部分。漫射輻射通量受云的影響很大，它隨云量增多而增加。漫射輻射的光效應(yīng)就是漫射光。陰天時，只有漫射光。2、太陽漫射輻射通量密度的測定用天空輻射表加擋板直接測定漫射輻射通量密度（Sd）。（三） 總輻射通量密度（St）1、太陽總輻射 太陽直接輻射和太陽漫射輻射之和，稱為太陽總輻射。2、太陽總輻射的計算公式StSb+Sd到達地面的太陽總輻射，一部分被地面反射，余下的部分才被地面吸收。如果地面反射的太陽輻射通量密度為Sr，那么地面吸收的總輻射為Sb+Sd-Sr。反射輻射也可用反射率表示。反射率是某一表面上的反射輻射與投射到該表面的總輻射的百分比。如果地面對太陽輻射的短波反射率為r，那么地面吸收的太陽總輻射為St（1-r）或（Sb+Sd）（1-r）。3、太陽總輻射的變化規(guī)律（1）太陽總輻射的日變化太陽輻射日總量：一日內(nèi)，到達地面單位面積的太陽輻射總量。日總量不僅和太陽高度角、大氣透明系數(shù)有關(guān)，還和太陽照射時間（日照時數(shù)）有關(guān)。太陽高度角在一天中隨不同時間而變化，因而太陽輻射也產(chǎn)生了日變