地表辐射平衡PPT学习教案

1、会计学1地表辐射平衡地表辐射平衡到达地面的太阳辐射有两部分：一是太阳以平行光线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，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。两者之和称为总辐射。第1页/共35页 0220020244IrrIIrIr第2页/共35页第3页/共35页则：则：sinh为太阳高度角为太阳高度角。 由：coscoscossinsinsinh则：D=r/r0为日地相对距离，为日地相对距离， 为太阳赤纬：为太阳赤纬：-23

2、.5+23.5，为时角为时角 。sinh20DIIcoscoscossinsinsinh2020DIDII第4页/共35页（b b）太阳高度角愈小，太阳辐射穿过的大气层愈厚，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，通过大气层的射程如图所示。当太阳高度角最大时，通过大气层的射程为为AOAO；当太阳高度角变小，光线沿；当太阳高度角变小，光线沿COCO方向斜射时，通方向斜射时，通过大气的射程为过大气的射程为COCO。显然，大气厚度。显然，大气厚度COCOAOAO，因此太，因此太阳辐射被减弱也较多，到达地面的直接辐射就较少。阳辐射被减弱也较多，到达地面的直接辐射就较少。

3、第5页/共35页mPDII20其中其中P为波长范围内的平均透明系数，为波长范围内的平均透明系数，P值与大气中的湿值与大气中的湿度、纬度大气质量数有关。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；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大气透明系数还随大气质量数m的改变而改变，的改变而改变， m值增大，值增大，P值增大。值增大。第6页

4、/共35页mPDIIsinh20综合以上两种影响，到达地面的综合以上两种影响，到达地面的太阳辐射可以写为：太阳辐射可以写为：第7页/共35页令令 =0时，讨论正午时太阳辐射随纬度的变化：时，讨论正午时太阳辐射随纬度的变化：cos20DII(1)当当 =0时，春、秋分点：赤道太阳辐射最大，极地时，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，最小；在赤道，太阳辐射在春秋分点达到最大， 冬夏至最小；冬夏至最小；(2)当当 =时，太阳辐射在回归线上达到最大，并以时，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。回归线为分界线，向南向北递减。第8页/共

5、35页dtDIdscoscoscossinsin20dt为时间，用时角代换为时间，用时角代换 ：dTdt2则则： dDTIdscoscoscossinsin220第9页/共35页002020sincoscossinsindcoscoscossinsinds0000DTISsDTIS日日得：则由时，0sinh, 0 当日出日落htantancos10第10页/共35页(1)在春分点，在春分点，=0，0=/2，则：，则： cos20DTIS日太阳辐射日总量的分布与纬度的余弦成正比，即随纬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，度增加，S日日减少，南北半球对称。减少，南北半球对称。 (

6、2)在赤道，在赤道，=0，0=/2，则：，则： cos20DTIS日太阳辐射日总量与太阳赤纬的余弦成正比。一年四季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，在春秋分的变化中，在春秋分=0， S日最大，冬夏至日最大，冬夏至=23.5，S日日最小。最小。 第11页/共35页(3)在极地，在极地， = =/2/2，则，则： sin458.4sin020DTIS日夏季极地的太阳辐射日总量与太阳赤纬的正弦成正比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：冬至： 000日S夏至夏至： 0sin20DTIS日(4)在永夜区：在永夜区： 0日S在永昼区：在永昼区： sinsin20DT

7、IS日第12页/共35页第13页/共35页(a)(a)在夏半年，太阳辐射总量在一相当宽的纬度带内发在夏半年，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，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减小造成的太阳辐射日总量随纬度增加而减小的现象。(b)(b)在冬半年，日照时间随纬度增大而缩短，太阳高度在冬半年，日照时间随纬度增大而缩

8、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。随纬度的变化较大，南北梯度大。第14页/共35页)(SSnf日)(SS1sf日或或 其中：其中：n，s1分别为云量和日照百分率。可以采用以下分别为云量和日照百分率。可以采用以下的公式进行计算：的公式进行计算： 211bsasSS日其中其中a, b为由资料拟合得到的经验系数。为由资料拟合得到的经验系数。第15页/共35页sinhP12SDmm日第16页/共35页太阳高度角增大时，到达近地面层的直接辐射增强，散太阳高度角增大时，到达近地面层的直接辐射增强，散射辐射也

9、就相应地增强；相反，太阳高度角减小时，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。上图是在我国散射辐射。上图是在我国重庆重庆观测到的晴天和阴天的散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

10、，一年内夏季最强。度角的变化。一日内正午前后最强，一年内夏季最强。第17页/共35页fm1sinhIQ00其中其中I0为太阳常数，为太阳常数，m为大气光学质量，为大气光学质量，f为表征大气为表征大气混浊度和地表反射特性混浊度和地表反射特性的参数。的参数。f=0 为对太阳辐射的后向散射率，为对太阳辐射的后向散射率，0为垂直方向上的大气为垂直方向上的大气光学厚度。光学厚度。(a)晴天太阳总辐射的计算公式：晴天太阳总辐射的计算公式：1954年年M.E.别尔梁德通过近似求解太阳辐射传输方程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。，从理论上得出一个简单的晴天太阳

11、总辐射计算式。第18页/共35页(b)有云天空总辐射的计算公式：有云天空总辐射的计算公式： 1bsaSQ日其中其中a, b 为总辐射的经验系数，且要求为总辐射的经验系数，且要求a+b=1。19941994年翁笃鸣和高歌等人根据北京、拉萨等站实测晴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，提出了天总辐射资料，提出了f f的另一种形式：的另一种形式：f=a+bln(1+e), a=0.183(p/p0)，b=0.0542+0.0598(p/p0)第19页/共35页日出以前，地面上总辐射的收入不多，其中只有散射日出以前，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

12、升高，太阳直接辐辐射；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到约等于8时，直接辐射与散射辐射相等；当太阳高时，直接辐射与散射辐射相等；当太阳高度为度为50时，散射辐射值仅相当总辐射的时，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。；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

13、化规律受到破坏。例如，中午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，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年中总辐射强度(指月平均值指月平均值)在夏季最大，冬季最小。在夏季最大，冬季最小。第20页/共35页总辐射值是向着总辐射值是向着高纬方向不断减高纬方向不断减小的，但在赤道小的，但在赤道地区因阴天频率地区因阴天频率大而值有所减小大而值有所减

14、小。太阳总辐射的等太阳总辐射的等值线分布基本上值线分布基本上具有带状特征，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南北半球的中纬度地带(加拿大西海岸、北欧、南加拿大西海岸、北欧、南 美西南沿海及其他地区美西南沿海及其他地区)，这里气旋活动强烈；，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；信风逆温和冷洋流影响下的热带海洋东部地区；(3)季风环流活动区季风环流活动区(印度半岛、亚洲东岸及印度洋西印度半岛、亚洲东岸及印度洋西 海岸海岸)。第21页/共35页第22页/共35页米米2左右

15、，是中国太左右，是中国太阳辐射能资源最丰富的地区；阳辐射能资源最丰富的地区；(4)川黔一带多阴雨，年总辐射川黔一带多阴雨，年总辐射量最少，不足量最少，不足3349l03千焦耳米千焦耳米2，是中，是中国太阳辐射能最少的国太阳辐射能最少的地区；地区；(5)东北与华南虽然纬度相差东北与华南虽然纬度相差2530，但年总辐射量，但年总辐射量差别不大，为差别不大，为5024l03千焦千焦耳米耳米2左右。左右。第23页/共35页3干湿程度干湿程度 4表面粗糙度。表面粗糙度。4. 云的反射率云的反射率云的反射率依赖云的厚度，形云的反射率依赖云的厚度，形状和太阳高度角，同时还与云状和太阳高度角，同时还与云的黑度

16、和下垫面的反射率有关。的黑度和下垫面的反射率有关。第24页/共35页只有在近地层有很强的逆温及只有在近地层有很强的逆温及空气湿度很大的情况下，有效空气湿度很大的情况下，有效辐射才可能为负值，这时地面辐射才可能为负值，这时地面才能通过长波辐射的交换而获才能通过长波辐射的交换而获得热量。得热量。第25页/共35页影响有效辐射的主要因子有影响有效辐射的主要因子有: :地面温度，空气温度，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

17、射比裸地时的有效辐射小。盖时的有效辐射比裸地时的有效辐射小。有效辐射的日变化有效辐射的日变化: :其日变化具有与温度日变化相似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，所以有效辐射值也增大，中午12-1412-14时达最大；而在时达最大；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。辐射的变化规律。第26页/共35页3.地面辐射平衡

18、地面辐射平衡:某段时间内，某段时间内，单位面积地表所吸收的太阳总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面辐射平衡或地面辐射差额或地面净辐射量。地面净辐射量。则单位面积在单位时间内的辐则单位面积在单位时间内的辐射平衡射平衡R方程可写为：方程可写为： R=(S+D)(1-)-F0其中其中S、D、F0分别为直接辐射、分别为直接辐射、散射辐射和有效辐射，散射辐射和有效辐射，为反射为反射率。率。第27页/共35页还应考虑地面反射率的影响。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反射率是由不同的地面性质决定的，所以不同的地理环境

19、、定的，所以不同的地理环境、不同的气候条件下，地面辐射不同的气候条件下，地面辐射差额值有显著的差异。差额值有显著的差异。第28页/共35页地面辐射差额的日变化地面辐射差额的日变化:一般夜间为负，白天为正。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由负值转到正值的时刻一般在日出后1h，由正值转到，由正值转到负值的时刻一般在日落前负值的时刻一般在日落前1-1.5h。上海市上海市7 7月份晴天辐射差额的日变月份晴天辐射差额的日变化化无云情况下，地面辐射差额各分量的日变化无云情况下，地面辐射差额各分量的日变化第29页/共35页地面辐射差额的年变化地面辐射差额的年变化: :引起年变化的原因

20、是太阳高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。节性变化。在一年中，一般夏季辐射差额为正，冬季在一年中，一般夏季辐射差额为正，冬季为负值。为负值。通常最大值在夏季，受雨季的影响，通常最大值在夏季，受雨季的影响，地面辐地面辐射差额射差额的最大值可能出现在雨季的前后；最小值在冬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，季。不同纬度上，地面辐射差额地面辐射差额年变化不同，在年变化不同，在23.5SN纬度之间，纬度之间，地面辐射差额地面辐射差额的年变化曲线是双峰的年变化曲线是双峰型，即一年有两次最大值；

21、在型，即一年有两次最大值；在23.5NS以北或以南，以北或以南，地地面辐射差额面辐射差额的年变化是单峰型。的年变化是单峰型。第30页/共35页由由上上图可以看出，赣州代表我国南部地区，地面辐射图可以看出，赣州代表我国南部地区，地面辐射差额月最大值出现在差额月最大值出现在7月。而北部地区以北京为例，沙月。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月。地面辐射差额的最小值出现在12月。月。第31页/共35页的热带地区，但比同的热带地区，但比同纬度的海纬度的海洋表面小得多；干旱地区地面洋表面小得多；干旱地区地面辐射差额比同纬度湿润辐射差额比同纬度湿润地区和地区和过分湿润地区小得多。过分湿润地区小得多。我国的辐射我国的辐射差额差额特点特点:受季风气受季风气候和地形的影响，台湾西南最候和地形的影响，台湾西南最大，其次是青藏高原河谷地区大，其次是青藏高原河谷地区和内蒙高原东部