第一节 太阳辐射

第二章大气的热能和温度第一节太阳辐射大气的热能和温度是天气变化的一个基本因素，也是气候系统状态及演变的主要控制因子。观测表明，大气的冷暖变化，在空间上分布很不均衡，在时间上有周期性和非周期性变化。这些变化是如何发生的？能量来自哪里？地球上能量的基本来源是太阳辐射。第一节太阳辐射一年中整个地球可由太阳获得5.44×1024J的辐射能量一、辐射的基本知识（一）辐射与辐射能在物体中，带电粒子在原子或分子内部的振动可以产生电磁波。由于带电粒子作热运动时具有加速度，而且有不同的频率，因而发出各种不同波长的电磁波。自然界中的一切物体都以电磁波的方式向四周放射能量。辐射就是以各种各样电磁波的形式放射或输送能量。由辐射传播的能量称为辐射能，也简称辐射。一、辐射的基本知识（一）辐射与辐射能2、特点：辐射透过空间并不需要媒介物质，真空中也可以进行能量的传输（不像声音在120公里的稀薄大气中就不能传播了）有许多辐射使我们感觉不到的，我们四周的物体都向外辐射能量，火炉向四周传送的热量就是辐射的形式。其速度为V=C;太阳辐射就是以光速从太阳向四周发射的。1、定义：自然界中的一切物体，只要温度高于-273℃（0k）都可以以电磁波的形势时可不停的向外传送能量，这种传送能量的方式及其所传送的能量都叫辐射。一、辐射的基本知识（一）辐射与辐射能3、波长：电磁波长范围有很大的差异，如宇宙射线的波长为10-10微米，而无线电波长可达几公里根据波长可将电磁波分为γ射线、χ射线、紫外线、可见光、红外线、无线电波。气象学研究的是太阳、地球、大气的热辐射，他们的波长范围大约在0.15~120微米。电磁波谱名称波长范围紫外线100埃～0.4微米可见光0.4微米～0.76微米红外线近红外0.76微米～3.0微米中红外3.0微米～6.0微米远红外6.0微米～15微米超远红外15微米～1000微米微波毫米波1～10毫米厘米波1～10厘米分米波10厘米～1米色彩名称波长范围紫0.40～0.43微米蓝0.43～0.47微米青0.47～0.50微米绿0.50～0.56微米黄0.56～0.59微米橙0.59～0.62微米红0.62～0.76微米不同电磁波的具体波长范围可见光波长范围两个概念（一般性了解）：辐射通量密度（E）单位时间内通过单位面积的辐射能量入射辐射通量密度放射辐射通量密度：辐射能力/放射能力辐射强度（I）点辐射源在单位立体角内所放射的辐射通量通过垂直于选定方向上的单位面积的辐射能E与I关系密切

辐射通量密度（E）及单位定义：单位时间通过单位面积上的辐射通量。单位：J·s-1·m-2或W·m-2E=dF/(ds.dt)dFdsdFds辐射通量密度又被称为辐射强度、辐射能力或放射能力。（没有限定方向，可以是入射、可以是放射。表示能力大小）

入射辐射通量密度放射辐射通量密度IEI=E/COSθ

θ

I：辐射强度:单位时间内，通过垂直于选定方向上的单位面积的辐射能量。4、单位：一个物体的辐射能力可以用辐射通量密度E来表示，E：辐射通量密度:单位时间内通过单位面积的辐射能量I：辐射强度:单位时间内，通过垂直于选定方向上的单位面积的辐射能量。即E没有方向性，可以是垂直的，也可以是有一个倾角的能量，强度必须是光线无论从哪个方向射来垂直于平面的那个分量（E)。（二）物体对辐射的吸收、反射和透射入射辐射吸收反射透射QoQaQrQd能量守恒：Qa+Qr+Qd=QoQa

/

Qo

+Qr

/

Qo

+Qd

/

Qo

=1

a+r+d=1吸收率反射率透射率分别表示物体对辐射吸收、反射和透射的能力物体的a、r、d具有随辐射波长和物体性质而改变的特性，这种特性称为物体对辐射吸收、反射和透射的选择性。如：干洁空气，对红外线近似透明，d≈1

水汽，对红外线强烈吸收，a大雪面，对太阳辐射反射率大，r大对地面、大气辐射全部吸收，a=1某种物体，如能把投射来的所有波长的辐射全部吸收，a=1，r=0，d=0，这种物体称为黑体。该物体被任何波长的光照射时均呈黑色。黑体是理想的辐射体，实际上自然界并不存在真正的黑体，但是为了研究方便，在一定条件下（例如在一定的波长范围内），可以把某些物体近似地看成黑体。（二）物体对辐射的吸收、反射和透射投射到物体上的总辐射能为Qo,，被分成三部分，即吸收Qa

、反射Qr

、透射Qd

根据能量守恒定律：Qo=Qa+Qr+Qd

第一项，吸收的辐射能量与投射到其上的总辐射能量之比，是吸收率第二项，反射出的辐射能量与投射到其上的总辐射能量之比，是反射率第三项，透射过的辐射能量与投射到其上的总辐射能量之比，是透射率。也即：a+r+d=1对于一般物体来讲是不透明的，则用于透射的能量为零，d=0,则公式变为a+r=1对于同一物体，吸收率大则反射率小，反之，吸收率小则反射率大。

（三）辐射差额定义：自然界中的一切物体，不仅不停地向外放出辐射能，而且还不停地吸收别的物体放出的辐射能，在某一时段内，收支差额即为辐射差额额。若：收入>支出差额为正温度升高收入=支出差额为零温度不变收入<支出差额为负温度降低（三）辐射差额（四）辐射的基本定律1、基尔霍夫定律2、斯蒂芬—波尔兹曼定律3、维恩定律辐射的基本定律基尔荷夫(kirchoff)定律(选择吸收定律)

定律在一定温度下，任何物体对于某一波长的放射能力(eλ,T)

与物体对该波长的吸收率(aλ,T)的比值，只是温度和波长的函数，而与物体的其它性质无关。如果物体m1、m2、m3的放射能力是e1、e2、e3；吸收能力是k1、k2、k3，则:

e1/k1=e2/k2=e3/k3=e0/k0=Eλ,TEλ,T只是波长和温度的函数。绝对黑体m0的吸收能力k0＝1，所以他的放射能力e0=E0λ,T这样对于任何物体的放射能力和吸收能力的比即为：e/k＝E0λ,T这表明：某一物体在某一温度T，对于某一波长λ的放射能力的比值等于绝对黑体在同一温度下对同一波长的放射能力。

推论

对不同性质的物体，放射能力较强的物体，吸收能力也较强；反之，放射能力弱者，吸收能力也弱，黑体的吸收能最强，所以它也是最强的放射物体。

对同一物体，如果在温度T时它放射某一波长的辐射，那么，在同一温度下它也吸收这一波长的辐射。

基尔荷夫定律表明了物体放射能力和吸收率之间的关系。把一般物体的辐射、吸收与黑体辐射联系起来，从而有可能通过对黑体辐射的研究来了解一般物体的辐射，极大地简化了一般辐射的问题。适用于处于辐射平衡的任何物体。对流层和平流层大气以及地球表面都可认为是处于辐射平衡的，因而可直接应用这一定律。

斯蒂芬—波尔兹曼(Stefan-Boltzmann)定律

黑体的总放射能力（ET）与它本身绝对温度（T）的四次方成正比。即：ET＝σT4

…………(3--5)式中σ＝5.67×10-8W.m-2.K-4为斯蒂芬—波尔兹曼常数。

意义物体温度愈高，其放射能力愈强。

黑体的总放射能力与它本身的绝对温度的四次方成正比：ET=σT4

，

σ为斯—玻常数。可计算出黑体在T时的辐射强度，也可由黑体的辐射强度求得其表面温度。λm＝C/T或λmT=C

如果波长以nm为单位，则常数C＝2,897×103nm·K,于是(3-6)式为：

维恩(Wien)位移定律

绝对黑体的放射能力最大值对应的波长(λm)

与其本身的绝对温度(T)成反比。即：λmT＝2897×103nm·K

当T＝6000K，计算波长：?相当于?光部分不同温度下黑体辐射强度与温度的关系

意义

物体的温度愈高，放射能量最大值的波长愈短，随着物体温度不断增高，最大辐射波长由长向短位移。

太阳辐射是短波辐射，人、地面和大气辐射是长波辐射。有此三个基本定律，绝对黑体的辐射规律就容易确定。对非黑体，只要知道它们的温度和吸收率，利用基尔荷夫定律，它们的辐射能力也可以确定。太阳辐射（一）什么是辐射一、辐射的基本知识二、太阳辐射（二）物体对辐射的吸收、反射和透射（三）辐射差额（四）辐射的基本定律（一）太阳辐射光谱和太阳常数（二）太阳辐射在大气中的衰减（三）到达地面的太阳辐射（四）地面对太阳辐射的反射

这张由SOHO远紫外成像望远镜(EIT)拍摄的照片其实是由三种不同波长的照片合成的太阳辐射二、太阳辐射(一)太阳辐射光谱和太阳常数1、太阳辐射光谱：

按太阳辐射光线的波长顺序而成的波谱叫做太阳辐射光谱。三个光谱区：紫外线光谱区（波长小于0.4µm）可见光光谱区（波长在0.4~0.76µm）红外线光谱区（波长大于0.76µm）。三个光谱区：紫外线光谱区（波长小于0.4µm）可见光光谱区（波长在0.4~0.76µm）红外线光谱区（波长大于0.76µm）。可把太阳辐射看作为黑体辐射，斯—玻定律和维恩定律都可应用于太阳辐射。太阳辐射最强的波长为0.475μm，相当于青光。为什么太阳不是以青色为主，而看起来偏黄？太阳辐射光谱曲线不对称，并不是以0.475μm为中峰线，其余均衡分布在两侧；而是大部分次强波长在波长偏长的黄、红一侧，所以看起来偏黄。名称波段(nm)占总能量的比例（%）效应作用可见光400—76050光效应植物光合作用红外区>76043热效应加热地球、大气和生物紫外区<4007化学效应杀菌消毒、促进种子萌发2、太阳常数太阳辐射通过星际空间到达地球表面，中间首先到达大气上界。在日地平均距离处在大气上界垂直于太阳光线的1平方厘米的面积上，1分钟内所获得的太阳辐射能量即为太阳辐射常数。到达地面是什么状态？太阳常数（S0）太阳常数及变化范围定义：当地球位于日地平均距离时(约为1.496×108km)，在地球大气上界投射到垂直于太阳光线平面上的太阳辐射强度。变化范围：1325W·m-2

～1457W·m-2

我国采用的太阳常数值为1382

W·m-2

。信阳秋季的气候特点是什么？地球表面极端最高温是多少？极端最低温是多少？→虽然地球表面昼夜温差较大，但与月球相比，有何不同？为什么？

月球白天130°C，日出前－170°C地球温度平均15°月球无大气的保护，温差很大；地球有大气保护，温差较小的结论。

为什么大气的存在能使地球表面白天的温度不会很高？夜晚的温度不会很低？大气是怎样起作用？

大气对太阳辐射有削弱作用，对地面有保温作用。

太阳辐射（一）什么是辐射一、辐射的基本知识二、太阳辐射（二）物体对辐射的吸收、反射和透射（三）辐射差额（四）辐射的基本定律（一）太阳辐射光谱和太阳常数（二）太阳辐射在大气中的衰减（三）到达地面的太阳辐射（四）地面对太阳辐射的反射二、太阳辐射（一）太阳辐射光谱和太阳常数（二）太阳辐射在大气中的衰减（二）太阳辐射在大气中的衰减1、大气的吸收——有选择性占大气体积的99%以上的氮、氧对太阳辐射的吸收微弱，而含量不多的水气、二氧化碳和臭氧可以吸收某些波段的太阳辐射能。

吸收作用

氧、臭氧、水汽和CO2气体成分强吸收波段弱吸收波段使太阳能损耗氧<200nm的紫外光690~760nm的可见光臭氧200~320nm的紫外光600nm的可见光吸收量很多水汽930~1500nm的红外光（三个强吸收带）600~700nm的可见光（三个弱吸收带）损耗4－15％减弱方式

主要的吸收成分－－－吸收具有的选择性

各成分的吸收波段－－－－－－－－－－－水的吸收区域－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－臭氧吸收带－－－－－－－－－－－－－

大气上界太阳辐射

地球表面太阳辐射地面大气通过太阳辐射增温每天不足1℃，例如：秋天最高气温20℃，最低气温5℃，日较差15℃；可见，大气温度升高不是通过吸收太阳辐射来的。大气的吸收对太阳辐射的减弱作用不明显1、吸收：（1）选择性，穿过大气的太阳辐射光谱变得极不规则；（2）吸收对太阳辐射的减弱作用不大；即大气直接吸收的太阳辐射并不多，特别是对于对流层大气而言，太阳辐射不是主要的直接热源。（二）太阳辐射在大气中的衰减2、散射

太阳辐射通过大气时遇到空气分子、尘埃、云滴等介质质点时，都要发生散射，但散射并不像吸收那样把辐射变成热能，而是改变了辐射的方向，使太阳辐射的以质点为中心向四面八方传播。因而，经过散射，一部分太阳辐射就不会沿原方向到达地面。2、散射作用

散射概念

当太阳辐射通过大气时，遇到大气中的各种质点(空气分子、尘埃、云滴等介质质点时)，太阳辐射能的一部分散向四面八方，称为散射。。

分类

由入射辐射波长与散射质点的相对大小d，将散射分为分子散射（雷莱散射）和米（Mie）散射。

d《

时，分子散射。

d~

时，米散射。（2）散射分类①分子散射（雷莱散射）——有选择性

d<波长愈小散射能力越强，波长较短的可见光为青蓝紫光，这是天空蓝色的原因。

空气质点的短波散射－

散射作用有选择性

如果太阳辐射遇到的是直径比波长小的空气分子，则辐射的波长愈短，被散射愈厉害。其散射能力与波长的对比关系是：对于一定大小的分子来说，散射能力和波长的四次方成反比，这种散射是有选择性的。例如波长为0.7微米时的散射能力为1，波长为0.3微米时的散射能力就为30。因此，太阳辐射通过大气时，由于空气分子散射的结果，波长较短的光被散射得较多。雨后天晴，天空呈青兰色就是因为辐射中青兰色波长较短，容易被大气散射的缘故。②粗粒散射——没有选择性这种质点往往是直径较大的灰尘、冰晶等。各种波长的太阳辐射都要被散射。如：当空中存在较多的尘埃、或雾等粗粒时，太阳辐射的长短波都被同等的散射，使天空呈现灰白色，也叫漫射。气溶胶粒子的漫射散射作用有选择性

3、反射——无选择性云层、尘埃具有强烈的反射作用对各种波段的光都反射，因而呈白色。随着云层增厚反射能力也增强。平均为50%——55%大气对太阳辐射的减弱，依次为：反射>散射>吸收从全球平均状况来看：大气直接吸收的太阳辐射占20%；散射占到30%，只有50%到达地面被吸收。碧空和阴天时散射光谱能量的分布

厚云层的反射与散射云层的反射三种方式中：

反射作用：最重要

散射作用：次之共约30%，行星反射率

吸收作用：最小，约20%到达地面：约50%

太阳辐射（一）什么是辐射一、辐射的基本知识二、太阳辐射（二）物体对辐射的吸收、反射和透射（三）辐射差额（四）辐射的基本定律（一）太阳辐射光谱和太阳常数（二）太阳辐射在大气中的衰减（三）到达地面的太阳辐射（四）地面对太阳辐射的反射（三）到达地面的太阳辐射有两部分：1、直接辐射：太阳以平行光线的形式直接投射到地面上。2、散射辐射：经过散射辐射后自天空投射到地面上。二者之和称为总辐射。（三）到达地面的太阳辐射

1、直接辐射太阳以平行光线的形式直接投射到地面上的称为直接辐射其大小取决于两个条件：（1）太阳高度角（h)：太阳光线和水平面的夹角。根据经验中午太阳高度角大时，太阳光强烈；早晚太阳高度角小时辐射较弱。原因：A太阳高度角越小，等量的太阳辐射散布的面积就越大，因而地表单位面积上所获得的太阳辐射就越小。“手电筒效应”B太阳高度角越小，太阳穿过的大气层越厚，被吸收、散射、反射的能量越多，太阳辐射被减弱也较多，到达地面的太阳辐射也就少了。太阳直射太阳斜射1、直接辐射：太阳高度（角）、大气透明度（1）太阳高度角（h）：太阳光线与水平面间的夹角；h不同，地表单位面积上所获得的太阳辐射也就不同。①h越小，等量的太阳辐射散布的面积就越大，地表单位面积上所获得的太阳辐射就越小。BACSS’h设AB单位面积上每分钟所受到的太阳辐射能为I’垂直I则I’·S’=I·S而S/S’=AC/AB=sinh所以I’=S/S’·I=Isinh

朗伯（白）特定律I一定，地面获得的辐射量大小I’与h有关。②

h越小，太阳辐射穿过的大气层越厚地球O点的地平线OACh2h1h1>h2AO<CO太阳辐射被减弱也较多（吸收、反射、散射等），到达地面的直接辐射就较少。

一个大气质量：地面为标准气压（1013hpa）时，太阳光垂直投射到地面所经路程中，单位截面积的空气柱的质量。

h不同，大气质量数不同；大气质量数随h减小而增大。

因太阳高度角和方位引申的另一个因素－大气质量数(m)

定义太阳光通过大气路径的长度与大气铅直厚度之比。

m随h的变化在各太阳高度时的大气质量h(度)906030105310m11.152.05.610.415.427.035.4大气质量m随太阳高度的增高而减小，当太阳高度低时，m值的增大特别迅速。（2）大气透明度I为到达地面的太阳辐射强度I0为太阳位于天顶时的大气上界的辐射强度大气干净的程度。它取决于大气中所含水汽、水汽凝结物和尘粒杂质的多少这些物质越多，大气透明度越差。如西北的沙尘暴遮天蔽日，飞沙走石，白天尚需电灯透明度低，而大雨大雪后的天空是澄净的大气透明度高。大气透明度可以用透明系数来表示（p）实质上p表示太阳辐射穿过大气后的削弱程度，若p=0.8就表示削弱了20%，若=1则大气透明度为最大。综合考虑太阳高度角和大气透明度，可用布格公式表示到达地面的太阳辐射的多少，最主要是受到太阳高度角的影响。P决定于大气中所含水汽、水汽凝结物和尘粒杂质的多少；多，大气透明度差，P小，太阳辐射被减弱得多，到达地面的太阳辐射相应减少。太阳直接辐射随时间空间的变化规律：同一地点，在同一天，日出日暮时太阳高度角最小，直接辐射最弱；中午太阳高度角最大直接辐射最强。在一年中，夏季最强；冬季最弱。不同纬度，低纬度一年各季太阳高度角都很大，地面得到的直接辐射较中、高纬度大得多。2、散射辐射：太阳高度角、

大气透明度

天空散射辐射就是大气对空中的太阳直接辐射进行散射及反射而产生的。h大，到达近地面的直接辐射增强，散射辐射也相应增强；h小，弱。（与直接辐射同向）大气透明度，不好，参与散射作用的质点增多，散射辐射增强；好，减弱。（与直接辐射反向）云：能强烈地增大散射辐射。日、年变化，也主要决定于h的变化，一日内正午前后最强，一年内夏季最强。太阳散射辐射随时间空间的变化规律：太阳高度角（h)大散射辐射强小散射辐射弱大气透明度（p）大散射辐射弱小散射辐射强太阳的颜色：日出日落由于太阳光斜射到地面，光波通过地球的大气层较厚，波长较短的青光和蓝光多被吸收，（或者是短波的青光散射减弱），波长较长的低温红光和黄光穿过大气层较多，故日出日落时刻太阳呈现黄红色。太湖日出鄱阳湖的黄昏

3、太阳总辐射强度及其影响因素

太阳总辐射强度

到达地面的太阳总辐射强度是太阳直接辐射强度和天空散射辐射强度的总和。Q=S′+D影响因子太阳高度角(h)

太阳总辐射与太阳高度呈正相关关系。大气透明度(P)

大气透明度差，到达地面的太阳直接辐射减少，故太阳总辐射减少。大气质量(m)

大气质量m愈大，到达地面的太阳总辐射愈少。纬度纬度愈高，太阳总辐射愈低。

海拔

海拔愈高，地面接受的太阳总辐射愈强。

坡度坡向北半球北回归线(23.5°N)以北地区，纬度愈高，愈是表现出南坡向阳、北坡背阴，冬季比夏季显著。云一般云愈厚，愈多，太阳直接辐射愈弱，散射辐射的比例增大。3、总辐射总辐射=直接辐射+散射辐射二者都达到最大值相等只有散射辐射直接辐射>08总辐射随维纬度的分布一般是:纬度越低总辐射越大。反之，越小。一般情况下，一年中总辐射量最大的时候往往不会出现在雨季云量最大的时间。在我国北方出现在雨季到来之前的5、6月份。根据计算，考虑了纬度、大气、云的共同影响到达地面的有效辐射最大值不在赤道，而在20°N——热赤道。我国年总辐射量最高的地区在西藏﹥青海、新疆、黄河流域﹥长江流域、华南地区我国年辐射总量分布最高地区在西藏，青海、新疆、黄河流域次之，长江流域与大部分华南地区反而少。

因为：西藏海拔高度大（青藏高原，世界屋脊），太阳辐