(AP05)太阳辐射传输.ppt

第五章 地面和大气中的辐射过程,5.4 太阳辐射在地球大气中的传输 重点： 太阳辐射光谱、太阳常数、大气上界辐射能分布。 太阳辐射在地气系统中的传输。,5.4.1 太阳和太阳辐射,粗略估计，太阳向地球输送的热能大约是250亿亿卡/分钟，相当于燃烧4亿吨烟煤所产生的能量。 地球从月球等其它天体所得的辐射能，仅为太阳的亿分之一； 来自宇宙的辐射能也仅为太阳辐射能的20亿分之一； 从地球内部传到地面的热量，全年才为5.4卡/平方厘米，仅为来自太阳辐射能的万分之一。,5.4.1 太阳和太阳辐射,地球和大气最主要的能量来源是太阳辐射。 要了解大气各层以及地面取得的太阳辐射能的规律，需要首先知道作为辐射源的太阳进入大气的辐射能谱分布以及地球和大气的吸收特性。,5.4.1 太阳和太阳辐射,5.4.1 太阳和太阳辐射,这是太阳在紫外线波段的照片(1996)(ESA/NASA),太阳极紫外辐射图象,日珥_1979年12月19日NASA拍,它跨越太阳表面588,000千米,一架喷气客机从巨大的太阳背景中飞过， 由Thierry Lagault摄于法国巴黎近郊。,1994年发生的日全食，照片摄于智利。图中可见因月球表面折射产生的贝丽珠。,太阳的X射线图片,5.4.1 太阳和太阳辐射,结构,5.4.1 太阳和太阳辐射,太阳剖面,日冕及其微细结构,5.4.1 太阳和太阳辐射,太阳黑子,太阳光谱(solar spectrum) ：由极为宽阔的连续谱以及数以万计的夫琅和费吸收线和发射线组成 T = 5777 K 99.9% 的能量集中在IR、VIS和UV。 地面观测波段约为0.2952.5微米。 作用：可以探测太阳大气特征和现象的产生机制与演变规律，可以认证谱线和确认元素的丰度，研究地球气候等。,2.大气外界太阳光谱及太阳常数,太阳辐射谱的观测 关心3个问题： (1) 大气外界太阳辐射的谱分布； (2) 总谱能量或太阳常数； (3) 太阳辐射随时间的变化。,2.大气外界太阳光谱及太阳常数,观测简史 在20世纪初即已开始，地面测量； 50年代利用火箭观测了太阳的紫外辐射； 60年代利用飞机和高空气球对太阳辐射谱作了仔细的观测研究； 70年代又利用火箭和卫星以及新的主动腔体辐射表观测了太阳辐射的总谱能量。 气象学领域，除了天气预报这项永恒的主题外，没有哪一项工作，能象太阳常数测定那样应用了从高空气球、飞机、火箭到卫星和航天器等如此众多的现代高科技手段。,2.大气外界太阳光谱及太阳常数,观测简史 目前，在高山上进行的长期测量，仍是测算大气外界太阳辐射光谱的主要手段。借助高空观测弥补紫外和红外波段的测量。,2.大气外界太阳光谱及太阳常数,2.大气外界太阳光谱及太阳常数,美国斯密逊天体物理观象台 The Smithsonian Astrophysical Observatory (SAO),/cfa/ep/brochure/sao.html,太阳辐射谱标准 NASA标准：70年代初，美宇航局用飞机测量，给出大气上界太阳辐射谱分布，辐照度(即太阳常数)为1353 Wm-2 。 WRC标准：瑞士达佛斯的世界辐射中心给出的大气上界太阳谱分布，辐照度(即太阳常数)为1367 Wm-2 。 WMO仪器与观测方法委员会1981年10月决定采用WRC标准。,2.大气外界太阳光谱及太阳常数,太阳辐射谱标准,2.大气外界太阳光谱及太阳常数,太阳常数 在大气上界日地平均距离处，通过与太阳光线垂直的单位面积上的太阳辐射总辐射通量密度(包括所有波长),2.大气外界太阳光谱及太阳常数,Average Solar Radiation on a Sphere,太阳常数：太阳积分辐射通量密度,2. 大气外界太阳光谱及太阳常数,1981年，WMO推荐的太阳常数最佳值为：,2. 大气外界太阳光谱及太阳常数,太阳常数的变化,2. 大气外界太阳光谱及太阳常数,Solanki and Fligge 1998,2. 大气外界太阳光谱及太阳常数,太阳常数的变化,太阳温度的估计 P86：例5.2,2. 大气外界太阳光谱及太阳常数,1. 太阳的位置和时间,5.4.2 地球大气上界的太阳辐射能,7月（极昼）北阿拉斯加午夜前后的太阳,季節與太陽輻射,左圖, 地球繞日的橢圓軌道，地球在1月比7月靠近太陽。,地球的季節主要受太陽輻射變動的影響, 影響太陽輻射強度的因素主要為日照角度和日照時間. 太陽光斜射時,所照射面積較直射大,但能量強度較小.,Sun-Earth relationship,夏季太阳直射北半球，日射必须经过较厚的大气才能到达较高纬度地区(光程)。,地球自转轴和绕日轨道有23.5度的夹角，6月北半球较倾向太阳，接收较多的日射，白天较长，故天气较暖，十二月则相反。,Variability due to orbit,Liou Figures 2.5,F(t)=S (ro/r)2 cos qo ro=mean distance qo=solar zenith angle Eccentricity, e= 0.017 Major axis ro(1+e) Minor axis ro(1-e) Variation =(1+e)/(1-e)2 7% Solar zenith angle cos qo = sin y sin d + cos y cos d cos h Where y= latitude d = solar declination h= hour angle Solar noon, h=0 Each hour h=+15 degrees,K. N. Liou, 大气辐射导论（第二版） Fig 2.6. 太阳天顶角theta0与纬度phi、太阳赤纬delta以及时角h的关系 （P和D分别是观测点及日下点）,入射到大气上界水平面上的太阳辐照度,2. 水平面上太阳辐射通量的计算,大气上界太阳辐射的日总量 取T = 86400 秒，太阳常数单位为 W m-2 ，Qd 单位为Jm-2d-1。,2. 水平面上太阳辐射通量的计算,大气上界太阳辐射日总量 Qd 随纬度的变化是决定地球上各纬度间气候差异的基本因素。 S0 的日变化与Qd 的年变化，使得气温也具有日变化与年变化。 气温并非简单地取决于S0 和Qd,2. 水平面上太阳辐射通量的计算,由于太阳离地球较远，在地面上观测到太阳的视角仅为0.5，因此太阳直接辐射可以认为是一种平行光辐射。 由于大气中的各种气体成份会吸收和散射部分太阳辐射的能量，造成了太阳直接辐射的衰减(也称削弱、消光)。,5.4.3 太阳的直接辐射,太阳辐射在大气中的吸收和散射示意图,5.4.3 太阳的直接辐射,5.4.3 太阳的直接辐射,平均而言，每年入射地球的太阳辐射约30 %由地球和大气反射和散射回太空（地球行星反照率0.3），19 %被大气选择性吸收，51 %被地表吸收。,5.4.3 太阳的直接辐射,假设：各吸收、散射过程相互独立 衰减系数： k,R 为气体分子散射所引起的衰减， k,M 为气溶胶粒子的散射所引起的衰减 k,O 为臭氧吸收所引起的衰减 k,g 为其它均匀混合气体分子（主要是O2和CO2） 吸收所引起的衰减。,1. 地面太阳直接辐射,衰减系数：,1. 地面太阳直接辐射,大气质量数是倾斜路径的光学厚度与垂直路径光学厚度之比 日光倾斜入射时与自天顶入射时的光学质量之比,2. 相对大气质量,均匀混合气体相对大气质量 平面平行无折射均质大气,2. 相对大气质量,均匀混合气体相对大气质量 有折射地球非均质大气 Kasten经验公式 WMO推荐,2. 相对大气质量,水汽和臭氧的相对大气质量 由于水汽和臭氧厚度不易准确确定，所以此二式计算误差较大，很少使用。 由Kasten公式代替，并不作气压订正。,2. 相对大气质量,总光学厚度 日光以天顶角角倾斜入射 空气分子散射 气溶胶粒子散射 臭氧吸收 水汽吸收 均匀混合气体吸收,3地面太阳直接辐射的简单模式,（1）空气分子散射的光学厚度 由于空气折射指数也与波长有关，Robinson (1966) 将上式修正为,3地面太阳直接辐射的简单模式,（2）气溶胶散射光学厚度 安斯川姆 ( ngstrm，1964 ) 提出下式计算整层大气米散射的光学厚度 b 称为浑浊度系数，随大气中气溶胶总量而变 称为波长指数，平均半径越小，4,3地面太阳直接辐射的简单模式,（2）气溶胶散射光学厚度 FY-1C,3地面太阳直接辐射的简单模式,（3）臭氧吸收光学厚度 式中uO 为臭氧总量（m），mO 为臭氧的大气质量数,3地面太阳直接辐射的简单模式,（4）水汽吸收光学厚度 Pv：可降水量，把单位面积空气柱中所有水汽都凝结成液态水时所具有的厚度（上式用m） e为地面水汽压（hPa）; Pv：cm,3地面太阳直接辐射的简单模式,（4）水汽吸收光学厚度,3. 地面太阳直接辐射的简单模式,（5）均匀混合气体吸收光学厚度,3. 地面太阳直接辐射的简单模式,4. 地面太阳直接辐射光谱,4. 地面太阳直接辐射光谱,由公式 (5.4.20)，如果在一段时间不变，则地面所测太阳直接辐射光谱仅随m 变化 长法需较长时间进行观测，保证m有相当大的变化范围 天气条件；紫外、红外观测不全，需补足,5大气上界太阳光谱的地面测量,无论是晴朗无云或全天是云的白昼，天空总 是明亮的。这些光是空气分子和大气气溶胶 颗粒散射太阳辐射的结果。,5.4.4 天空的散射辐射,1.空气分子散射,5.4.4 天空的散射辐射,2.气溶胶颗粒的散射 瑞利散射总存在，米散射因大气颗粒物而存在瑞利散射与波长四次方成反比，米散射光谱接近入射辐射。 当散射过程以米散射为主时，在太阳周围的天空表现出很强的散射光强，称为日周光。,5.4.4 天空的散射辐射,3.阳伞效应 由于云和气溶胶（特别是火山灰）对太阳辐射的强散射作用，导致到达地面的太阳辐射能减少，称为阳伞效应或反射效应。,5.4.4 天空的散射辐射,在地球大气系统对太阳辐射的吸收中, 大 气的吸收只占20%，地球表面吸收了约50%,5.4.5地面对太阳辐射的反射和吸收,1 地面反照率,5.4.5地面对太阳辐射的反射和吸收,1 地面反照率 应用：植被指数（NDVI） 在NOAA气象卫星上利用二个通道，分别测量可见光通道（例如0.580.68m）和近红外通道（例如0.71.1m）波段的地面反照率 NDVI = (Ch2Ch1) / (Ch2+Ch1) 当植被生长茂盛，植被指数值就较大,5.4.5地面对太阳辐射的反射和吸收,5.4.5地面对太阳辐射的反射和吸收,2 云的反照率 云的反照率既依赖于云的厚度、相态和含水量等云的宏微观特性，而且和太阳高度角和下垫面反照率有关,5.