大气科学概论课件第十一辐射

大气科学概论课件第十一辐射第1页，共16页，2023年，2月20日，星期一

6.3.3.1大气上界的太阳辐射能

一、不同日地距离日期的太阳常数

在平均日地距离的日期，垂直到达大气上界的太阳常数S0：

在非平均日地距离的其他日期，垂直到达大气上界的太阳常数须订正：第2页，共16页，2023年，2月20日，星期一推导：设日地距离为r，平均日地距离为r0，和S0分别为距太阳r和r0处垂直于太阳光的辐射通量密度。因为通过半径为r的球面的太阳辐射通量与通过半径为r0的球面的太阳辐射通量相等，所以，有

rm=(r0/r)²为日地距离订正系数，也称地球轨道偏心率。

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二、任何日期到达大气上界水平面上太阳辐射通量密度S的计算因为所以，即第4页，共16页，2023年，2月20日，星期一

介绍一些天文知识：

黄道平面: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。

天文单位AU:日地之间的平均距离为1AU

近日点：

1月3日，日地距离为0.973AU

远日点：

7月4日，日地距离为1.017AU第5页，共16页，2023年，2月20日，星期一

太阳高度角h：阳光与水平面的夹角。

天顶角θ：太阳高度角的余角。

时角ω：观测点的经圈与太阳重合后（即当地正午）地球自转的角度。

每天ω从0°变到360°，正午为0°，日出日落ω0的需计算。

方位角α：太阳在赤道面所处的位置。

正南为0o,正西为90o,

正北为180o,正东为270o。

太阳赤纬δ：日地连线与赤道平面的夹角。

北半球春秋分δ=0；ω0=90o或270o。夏至日δ=23.5o；

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

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对地面上处于纬度φ和经度λ的观测者而言，在某一时刻观测到的太阳高度角h和方位角α可以用下列方程计算。其中，δ为太阳赤纬，变化在正负23o27’；

ω为时角，每天从0o变至360o

。第7页，共16页，2023年，2月20日，星期一

在日出日落时刻，因为h=0o，可求出日出日落的时角和方位角为：

对北半球的春分秋分日，

δ=0o，ω0=±90o,α0=90o和270o

即日夜等长,太阳从正东升起，从正西落下。

对北半球的夏至日，

δ=23.5o，在φ=66.5o,ω0=±180o,说明北极圈内全天太阳不落。第8页，共16页，2023年，2月20日，星期一

6.3.3.2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用，直接到达地面的太阳辐射有所衰减。

设S为到达大气上界的太阳直接辐射通量密度；为到达地面的太阳直接辐射通量密度。根据皮耳定律：（p38的指数削减定律）

m为大气质量数，P为所有波长范围内的平均透明系数。第9页，共16页，2023年，2月20日，星期一

所以，有太阳直接辐射的日总量只要对上式积分即可：t1和t2分别为日出日落的时间，ω０和－ω０为对应的时角，T为一昼夜的时间，T=T(ω+π）/2πdω，

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因为P是一个时空和m的复杂函数，日总量的公式不好积分。

为简单起见，假定p=0和p=0.7,(大气完全透明和大气衰减的一般情况），结果如p44图2.15和图2.16，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。

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6.3.3.3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。

散射辐射的大小取决于太阳高度角、大气透明系数、云量、海拔高度，并受地面反射率影响，其变化范围较大。

h越小，S散越小；p越小，散射粒子越多，S散越大；云层越厚，云量很大时，因直接辐射少，S散越小。海拔越高，S散越小；反射率越大，因反复散射，S散越大。

散射辐射一般比直接辐射弱（中纬度S散仅是直接辐射的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。第12页，共16页，2023年，2月20日，星期一

6.3.3.4地面总辐射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。地面总辐射=直接辐射+散射辐射地面总辐射的日变化：

夜间为0，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。第13页，共16页，2023年，2月20日，星期一地面总辐射的年变化：

与直接辐射的年变化一致,中高纬度夏季最大，冬季最小，赤道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。地面总辐射的日总量随纬度的分布，由高纬向低纬增加，如p46图2.19。

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练习p54,6：

若大气透明度系数为0.8，求南京地区（φ=32°Nω）夏至日中午时刻入射到地表水平面上的辐射通量密度。（δ=23°27′，r/r0=1.016)解：因为中午ω=0°，将相关值代入公式