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第四章地表辐射平衡 地球作为一个开放的系统 不断地得到太阳能 同时放出长波辐射 在一定的时期气候系统处于能量平衡状态 1 第一节到达地面的太阳辐射 到达地面的太阳辐射有两部分 一是太阳以平行光线的形式直接投射到地面上的 称为太阳直接辐射 一是经过散射后自天空投射到地面的 即为散射辐射 两者之和称为总辐射 2 1 无大气时 到达地面的天文辐射 设日地距离为r 日地平均距离为r0 I I0分别为距太阳r和r0处垂直于太阳光的辐射通量密度 I0即为太阳常数 由于通过半径r0球面的太阳辐射与通过半径r球面的辐射通量相等 则有 1 直接辐射 3 2 影响太阳直接辐射的两个主要因子 大阳直接辐射的强弱和许多因子有关 其中最主要的有两个 即大阳高度角和大气透明度 太阳高度角不同时 地表面单位面积上所获得的太阳辐射也就不同 这有两方面的原因 a 太阳高度角愈小 等量的太阳辐射散布的面积就愈大 因而地表单位面积上所获得的太阳辐射就愈小 4 则 为太阳高度角 由 则 D r r0为日地相对距离 为太阳赤纬 23 5 23 5 为时角 5 b 太阳高度角愈小 太阳辐射穿过的大气层愈厚 如图所示 当太阳高度角最大时 通过大气层的射程为AO 当太阳高度角变小 光线沿CO方向斜射时 通过大气的射程为CO 显然 大气厚度CO AO 因此太阳辐射被减弱也较多 到达地面的直接辐射就较少 6 考虑到大气的透明度时 则 其中P为波长范围内的平均透明系数 P值与大气中的湿度 纬度大气质量数有关 1 大气透明系数随大气中湿度的增加而减小 一般冬季湿度小 夏季湿度大 所以冬季的大气透明系数比夏季大 2 一般说来 大气透明系数随纬度的增加而增加 3 大气透明系数还随大气质量数m的改变而改变 m值增大 P值增大 7 综合以上两种影响 到达地面的太阳辐射可以写为 8 3 正午时太阳辐射随纬度的变化 令 0时 讨论正午时太阳辐射随纬度的变化 1 当 0时 春 秋分点 赤道太阳辐射最大 极地最小 在赤道 太阳辐射在春秋分点达到最大 冬夏至最小 2 当 时 太阳辐射在回归线上达到最大 并以回归线为分界线 向南向北递减 9 设I是单位时间内的太阳辐射能量 ds为dt时间内的辐射能 则地球表面得到的太阳辐射通量密度为 4 太阳辐射日总量的计算 dt为时间 用时角代换 则 10 对一天可照时间积分 积分从日出 0到 0日落 得到太阳辐射日总量 11 1 在春分点 0 0 2 则 太阳辐射日总量的分布与纬度的余弦成正比 即随纬度增加 S日减少 南北半球对称 2 在赤道 0 0 2 则 太阳辐射日总量与太阳赤纬的余弦成正比 一年四季的变化中 在春秋分 0 S日最大 冬夏至 23 5 S日最小 12 3 在极地 2 则 夏季极地的太阳辐射日总量与太阳赤纬的正弦成正比 冬至 夏至 4 在永夜区 在永昼区 13 5 太阳辐射日总量随纬度的变化 14 a 在夏半年 太阳辐射总量在一相当宽的纬度带内发生变化甚小 在极地达到最大 这是由于在夏半球 日照时间随纬度增加而增长 从而使太阳辐射日总量随纬度增加而增大 补偿了因太阳高度随纬度增加而减小造成的太阳辐射日总量随纬度增加而减小的现象 b 在冬半年 日照时间随纬度增大而缩短 太阳高度角随纬度的增加亦减小 因此冬半年太阳辐射日总量随纬度的变化较大 南北梯度大 15 或 其中 n s1分别为云量和日照百分率 可以采用以下的公式进行计算 其中a b为由资料拟合得到的经验系数 6 有云时 太阳辐射日总量的计算 16 2 散射辐射 当太阳辐射通过大气时 受到大气中的气体分子 尘埃 气溶胶 水汽等的散射作用 使太阳辐射的一部分以漫射的形式从天空的各个角度达到地表 这一部分辐射量称为散射辐射 17 太阳高度角增大时 到达近地面层的直接辐射增强 散射辐射也就相应地增强 相反 太阳高度角减小时 散射辐射也弱 大气透明度不好时 参与散射作用的质点增多 散射辐射增强 反之 减弱 云也能强烈地增大散射辐射 上图是在我国重庆观测到的晴天和阴天的散射辐射值 由图可见 阴天的散射辐射比晴天的大得多 同直接辐射类似 散射辐射的变化也主要决定于太阳高度角的变化 一日内正午前后最强 一年内夏季最强 18 3 总辐射 到达地表的太阳直接辐射与散射辐射之和为总辐射 其中I0为太阳常数 m为大气光学质量 f为表征大气混浊度和地表反射特性的参数 f 0 为对太阳辐射的后向散射率 0为垂直方向上的大气光学厚度 a 晴天太阳总辐射的计算公式 1954年M E 别尔梁德通过近似求解太阳辐射传输方程 从理论上得出一个简单的晴天太阳总辐射计算式 1 总辐射的计算 19 b 有云天空总辐射的计算公式 其中a b为总辐射的经验系数 且要求a b 1 1994年翁笃鸣和高歌等人根据北京 拉萨等站实测晴天总辐射资料 提出了f的另一种形式 f a bln 1 e a 0 183 p p0 b 0 0542 0 0598 p p0 20 2 总辐射的日变化 日出以前 地面上总辐射的收入不多 其中只有散射辐射 日出以后 随着太阳高度的升高 太阳直接辐射和散射辐射逐渐增加 但前者增加得较快 即散射辐射在总辐射中所占的成分逐渐减小 当太阳高度升到约等于8 时 直接辐射与散射辐射相等 当太阳高度为50 时 散射辐射值仅相当总辐射的10 20 到中午时太阳直接辐射与散射辐射强度均达到最大值 中午以后二者又按相反的次序变化 云的影响可以使这种变化规律受到破坏 例如 中午云量突然增多时 总辐射的最大值可能提前或推后 这是因为直接辐射是组成总辐射的主要部分 有云时直接辐射的减弱比散射辐射的增强要多的缘故 在一年中总辐射强度 指月平均值 在夏季最大 冬季最小 21 3 世界总辐射的空间分布特点 总辐射值是向着高纬方向不断减小的 但在赤道地区因阴天频率大而值有所减小 太阳总辐射的等值线分布基本上具有带状特征 由于云量非均匀分布而在下列地区带状特征受到破坏 1 南北半球的中纬度地带 加拿大西海岸 北欧 南美西南沿海及其他地区 这里气旋活动强烈 2 信风逆温和冷洋流影响下的热带海洋东部地区 3 季风环流活动区 印度半岛 亚洲东岸及印度洋西海岸 22 4 我国总辐射的空间分布特点 23 中国总辐射的年总量地理分布有以下几个特点 1 年总辐射量多在3768 l03 8374 l03千焦耳 米2之间 2 因受季风和地形影响 总辐射等值线不呈东西带状分布 东部平原区在3768 l03 5442 8 l03千焦耳 米2之间 西部干旱地区在6280 2 l03千焦耳 米2以上 3 青藏高原为中国总辐射量最多地区 达6698 9 l03 192l l03千焦耳 米2左右 是中国太阳辐射能资源最丰富的地区 4 川黔一带多阴雨 年总辐射量最少 不足3349 l03千焦耳 米2 是中国太阳辐射能最少的地区 5 东北与华南虽然纬度相差25 30 但年总辐射量差别不大 为5024 l03千焦耳 米2左右 24 4 地面对太阳辐射的反射 1 反射辐射 到达地表的总辐射有一部分由于反射作用而返回天空 这部分被地表反射进入太空的短波辐射叫地表反射辐射 2 地表反射率 到达地表的太阳辐射与地表反射的太阳辐射之比 3 影响反射辐射的因素影响反射辐射的因素主要是 1 太阳高度角2 下垫面的颜色3 干湿程度4 表面粗糙度 4 云的反射率云的反射率依赖云的厚度 形状和太阳高度角 同时还与云的黑度和下垫面的反射率有关 25 第二节地表辐射平衡 1 大气逆辐射 大气辐射指向地面的部分称为大气逆辐射 2 地面有效辐射 地面放射的辐射 Eg 与地面吸收的大气逆辐射 Ea 之差 称为地面有效辐射 以F0来表示 则 F0 Eg Ea通常情况下 地面温度高于大气温度 地面有效辐射为正值 这意味看通过长波辐射的放射和吸收 地表面经常失去热量 只有在近地层有很强的逆温及空气湿度很大的情况下 有效辐射才可能为负值 这时地面才能通过长波辐射的交换而获得热量 26 影响有效辐射的主要因子有 地面温度 空气温度 空气湿和云况 还与地表面的性质有关 平滑地表面的有效辐射比粗糙地表面有有效辐幅射小 有植物覆盖时的有效辐射比裸地时的有效辐射小 有效辐射的日变化 其日变化具有与温度日变化相似的特征 在白天 由于低层大气中垂直温度梯度增大 所以有效辐射值也增大 中午12 14时达最大 而在夜旬由于地面辐射冷却的缘故 有效辐射值也逐渐减小 在清晨达到最小 当天空有云时 可以破坏有效辐射的变化规律 27 有效福射的年变化 有效福射的年变化也与气温的年变化相似 夏季最大 冬季最小 但由于水汽和云的影响使有效辐射的最大值不一定出现在盛夏 我国秦岭 淮河以南地区有效辐射秋季最大 春季最小 华北 东北等地区有效辐射则春季最大 夏季最小 这是由于水汽和云况的影响 3 地面辐射平衡 某段时间内 单位面积地表所吸收的太阳总辐射与它的有效辐射之差为地面辐射平衡或地面辐射差额或地面净辐射量 则单位面积在单位时间内的辐射平衡R方程可写为 R S D 1 F0其中S D F0分别为直接辐射 散射辐射和有效辐射 为反射率 28 地面辐射能量的收支 决定于地面的辐射差额 当Rg 0时 即地面所吸收的太阳辐射大于地面的有效辐射 地面将有热量的积累 当Rg 0时 则地面因辐射而有热量的亏损 影响地面辐射差额的因子 影响地面辐射差额的因子很多 除了总辐射和有效辐射的因子外 还应考虑地面反射率的影响 反射率是由不同的地面性质决定的 所以不同的地理环境 不同的气候条件下 地面辐射差额值有显著的差异 29 地面辐射差额的日变化 一般夜间为负 白天为正 由负值转到正值的时刻一般在日出后1h 由正值转到负值的时刻一般在日落前1 1 5h 上海市7月份晴天辐射差额的日变化 无云情况下 地面辐射差额各分量的日变化 30 地面辐射差额的年变化 引起年变化的原因是太阳高度的年变化 地表状况反射状况的变化 各雨带的季节性变化 在一年中 一般夏季辐射差额为正 冬季为负值 通常最大值在夏季 受雨季的影响 地面辐射差额的最大值可能出现在雨季的前后 最小值在冬季 不同纬度上 地面辐射差额年变化不同 在23 5SN纬度之间 地面辐射差额的年变化曲线是双峰型 即一年有两次最大值 在23 5NS以北或以南 地面辐射差额的年变化是单峰型 31 由上图可以看出 赣州代表我国南部地区 地面辐射差额月最大值出现在7月 而北部地区以北京为例 沙漠地区以敦煌为例 地面辐射差额月最大值都出现在6月 地面辐射差额的最小值出现在12月 32 地面辐射差额年平均总量的空间分布特点 最大 最小值 原因 1 地面辐射差额随纬度的增加而减少 最高值出现在低纬度 最低值出现在高纬度 从大陆到海洋 等值线在沿海出现中断 因为海洋与大陆的反射率差异较大 因而等值线不连续 2 在整个洋面和大陆表面上 地面辐射差额年总量都是正的 但在具有稳定的冰雪覆盖的格陵兰中部和南极大陆出现负地面辐射差额年总量 3 大陆表面最大值出现在潮湿的热带地区 但比同纬度的海洋表面小得多 干旱地区地面辐射差额比同纬度湿润地区和过分湿润地区小得多 我国的辐射差额特点 受季风气候和地形的影响 台湾西南最大 其次是青藏高原河谷地区和内蒙高原东部 低值中心在湿润多云的川黔山地 以长江流域以南的广大地区 天山地区积雪较多 也是一低值区 33 4 大气及地 气系统的辐射平衡 如果把地面和大气视为一个系统 此系统的辐射能收支差额称为地 气系统辐射平衡 Rs S D 1 q0 F 其中 为行星反射率 qa和F 分别为大气吸收的太阳辐射和大气上界的有效辐射 地气系统的辐射差额收支情况 就个别地区来说 地气系统的辐射差额既可以为正 也可以为负