成信工大气探测学课件第10章 辐射和日照时数的观测

4。瓦/平方来240瓦/平方来103瓦/平方米到达地球的太，目辑射冷量地球散发的红外辖射净量郃分太阳緇射祓兑球表面及大气反射列达地球的大悟辐射总343瓦/平方衆太阳藉射霄it遗馴的大气到达地球表面部分红，卜粮射祓潺室气体吸收并重新择故.此*IS导it电球表面及大气是下层温度升高大寿分太阳辐射枚地球衰血EARTH攻收异位之温度上升略俠企她球我而精故出红外辂射本章授课内容_―、辐射的基本知识二、辐射的观测仪器及原理三、日照时数的观测■重点和难点：1、各个气象辐射量的概念及其计算方法2、直接辐射表、长波辐射表和总辐射表玻璃罩的区别2一、辐射的基本知识1辐射的内涵温度大于绝对零度的物体，以电磁波的方式向夕卜放射能量，同时也接受来自周围的电磁波―►辐射：①把这种电磁波能量本身称为辐射能（简称为辐射）；②这种传播能量的方式称为辐射。400MX>600700波长（/纳米）-电磁波包括的范围很广。实验证明，无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、Y射线、r射线都是电磁波。电磁波谱：按照频率或波长、能量的顺序把这些电磁波排列起来。5地球能量来源于太阳，太阳能量以辐射形式传送到地球6000K黑体光谱能量分布曲线太阳辐射能量随波长的分布放射能力卡分•球可见光:0.4-0.76pm（占50%）波长(u)0.20.40.60.81.0L5203.0太阳辐射最强的波长为0.475卩m,绝大部分辐射能集中于波长在0.15〜3pm,所以太阳辐射被称为短波辐射。红外：0.76-4.0pm（占43%）紫外:0.15-0.4pm（占7%）Wavelength,pm面相射被称为长波辐射。795%以上的热辐射能量集中在3〜120pm的波长范围内，其辐射能最大段波长在10~15pm范围内，所以地2赤2h

也Fb

（兀T）=（。刃―1）-1c为光速，h为普朗克常数,k为波尔兹曼常数(ErlZE)、M-8CS-E©2、辐射的表示方法8辐射测量单位①辐照度E

(辐射通量密度)——单位时间内投射到单位.................♦面积上的辐射能(W・m-2)辐射强度辐射强度I――单位时间内，通过垂直于选定方冋上的单位面枳的辐射能(W.m-2)I

=E

?cosq②曝辐量H——指一段时间辐照度的总量MJ.m-2地球四季是如何形成的?秋分点,9月23日9,小1011气象辐射量臭氧:0.32-0.65卡/厘米吩•微米3.02.52.0L5100.5L4微米L01.2太阳辐射在大气层中传播强度逐渐减弱臭°0.20.40.60.8气象辐射量大气层对太阳辐射的削弱-辐射强度和辐射方向依据传播方向的特点，太阳辐射可以分为:①直接辐射②散射辐射③反射辐射(1)太阳短波辐射一直接辐射①垂直于太阳入射光的直接辐射SA、太阳面的直接辐射B、环日辐射太阳周围一个非常狭窄的环形天空辐射。Bai糖百稲>/*»*-19320110211_U0420②水平面太阳直接辐射s』SiACAB'cosZS_AB_AB太阳天顶角：光线入射方向与天顶方向的夹角太阳高度角：太阳光入射方向和地平面之间夹角Sl

=S

?cosZ=S?

sinh③散射辐射与太阳辐射经过大气散射或云反射，从天空2n立体角向下投射到地面的那部分辐射。^④总辐射Eg:达到地面的太阳辐射指水平面上，天空2n立体角所接收到的太阳直接辐射和散射辐射之和。Eg

?=，+Ed

?白天太阳被云遮挡时:Eg

?=Ed

?夜间：Eg

?=°60001()002()000297^+2147.S39611.96019701980199020002010teas、翊s専>18不同下垫面对可见光的反射率⑤短波反射辐射电总辐射到达地面后被下垫面（作用层）向上反射的那部分短波辐射。Z7=ErEk

厂Eg深色土携5%〜15%浅色、沙性土壤25%〜45%草地15%〜25%干草地20%〜30%阔叶林15%〜20%天然水6%〜10%干洁新會80%〜95%污浊的蜜40%〜50%混凝土（干）17%〜27%沥青5%〜10%192丿K(2)太阳常数SoE=二4时2E赤道E两极一日地平均距离处，地球大气上界垂直于太阳光线方向上单位面积每秒钟获得的太阳辐射能量。太阳常数：1359〜1418W.m-2——可能与太阳黑子的活动周期有关平均值S0=1367(±7)W・m-2:1.5x

108+6371、L1.5x108=1.000084火气上界大气®■ML地球半径6371km6000^^■太阳辐射从大气顶进入气候系统0大气上界宇宙吸收大气吸收地面辐射地面保温地面增温地面吸收返回宇宙返回宇宙太阳辐射.•大气逆辐大气吸收反射辐射(3)地球长波辐射①大气长波辐射：对流层大气平均温度为-23。。(250K)②地面长波辐射：全球表面的平均温度为15。(288K)地面降温21⑷全辐射与净全辐射辐射之和：全辐射宇宙吸收Z大气吸收地面辐射地面保温地面增温♦向下的长波和短波辐射向上的长波和短波辐射辐射平衡净辐射对地表而言地面吸收返回宇宙返回宇宙太阳辐射.•大气逆辐净全辐射=全辐射向下-全辐射向上地面降温大气吸收反射辐射22二、辐射的观测仪器及原理辐射传感器一般为热电型基本原理——对辐射的观测都是以测定吸收辐射能所产生的的热量为基础的。23辐射传感器组成：感应面+热电堆応，，扑;-感应面：薄金属片，涂上吸收率高、光谱响应好的无光黑漆。热电堆：紧贴感应面，工作端位于感应面下部，参考端（冷端）位于隐蔽处。原理：感应面吸收辐射能增温，与热电堆形成温度差,产生电动势：V=KxE1、直接辐射的测定2、总辐射的测定3、散射辐射的测定4、长波辐射的测定5、净全辐射的测定241、直接辐射的测定观测的太阳直接辐射:垂直于太阳表面（视角约0・5°）的辐射和太阳周围（半径不大于2.5°）很窄的环形天空的散射辐射（环日辐射）之和——太阳直接辐射测量仪器：直接辐射表（直接日射辐射表）/绝对日射表：可直接得到以W/nP为单位的日射强度值。25气象站常用的直接辐射表■直接辐射表观测的是垂直于太阳入射光的直接辐射S6园园(1)结构：-进光筒：一金属圆筒，筒口有石英玻璃。为对准太阳，进光孔两端分别固定两个金属圆环。-感应件：由感应面和热电堆组成，安装在光筒的后面。-跟踪架：是支撑进光筒使之自动准确的虽艮踪太阳的装置。-附件：包括底座、水准器、调一^螺旋、进光筒帽盖、外罩等。以）使用与维护：-每夭工作开始时，应检查进光筒石英玻璃窗是否清洁，如有灰尘、水汽凝结物应及时用软布擦净。-跟虽宗架要精心使用，切勿趣动进光筒位置，每夭上下午至少各检查一次仪器跟踪状况（对光点），遇特珠夭气要经常检查。K-如有较大的降水、雷暴等恶劣天气不能观测时,要及时加罩，并关上电源。-转动进光筒对准太阳，一定按操作规程进行，绝不能用力太大，否则容易损坏电机。-直接辐射表每月检查，除检查感应面、进光筒内是否进水、接线柱和导线的连接状况外，重点应检查仪器安装与跟踪太阳是否正确。272、总辐射的测定测量原理感应面由黑白片组成相间的方格，黑片和白片吸收率有较大的差别，然后测定黑片与白片之间的温差，再换算成辐射强度Sl

+Ed

I=KxN

（电流读数）整个感应面密封在一个半球形石英玻璃罩中，为了保持罩内空气的干净，玻璃罩内存放有干燥剂。28玻璃罩：半球形双层石英玻璃罩①能够透过0・3〜3卩m的短波辐射，透射率0.9②防风③双层罩：防止外层罩红外辐射的影响，以减小误差29散射辐射传感器总辐射中把来自太阳直射部分遮挡后测得的为散射辐射（天空辐射）。遮光环的作用：保证从日出到日落连续遮挡太阳直接辐射303、散射辐射的测定总辐射传感器4、反射辐射的测量总辐射表感应面朝下，其测量的就是地表反射的太阳短波辐射，其数值与地表反射率有关。5、长波辐射的测定一一长波辐射表一总辐射表基本相同:感应件、玻璃罩和附件。特点：玻璃罩内镀上硅单晶,使3卩m以下的短波辐射不能到达感应面。6、净全辐射的测定——净全辐射表测量原理：净辐射表由上下两片涂黑感应面与热电堆组成（与总辐射表不同之处）。两面都可以接收0.3〜100卩m的全波辐射。接收辐射量不同时，热电堆上下端产生温差，测量电讯号，换算可以得出净辐射。①防止风的影响②保护感应面③既能透过长波也能透过短波两个防风罩聚乙烯薄膜材料32净全辐射表使用时的注意事项：①由于一般玻璃罩只能透过短波辐射，而净辐射表要感应的全辐射，因此感应面上不能加盖玻璃罩。②薄膜罩使用时间过长，容易脏污和老化，紫外线强和污染严重将大大降低罩的透过率，因此要经常维护薄膜罩清洁并定期更换，才能保持其测量精度。③使用聚乙烯薄膜罩的净辐射表，应定期与标准仪器进行对比，才较精确地计算出净辐射。④净辐射表还有充气装置，通过两根细气管给薄膜罩提供干燥气体，排除罩内湿气，并保持罩的半球形。33自动气象站--辐射自动观测仪辐射自动观测仪：辐射表（传感器）和采集器3435三、日照时数的观测-----_____________1、概念——指太阳在一地实际照射的时数（一天内太阳直射光线照射地面的时间）——在一给定时间内，太阳直接辐照度达到或超过120W.m-2的那段时间总和。单位：小时h,取1位小数。日照时数一实照时数WMO把太阳直接辐照度^120W.m-2定为日照阈值影响日照时数的因子：云、降水、水汽压、能见度、气溶胶浓度、风速、温度3627001800全国年平均总日照时数(1978—2007年)可照时数——天文可照时数——指在无任何遮蔽条件下，太阳中心从某地东方地平线到进入西方地平线，其光线照射到地面所经历的时间。（日出到日落的时间）可照时数由公式计算，也可从天文年历或气象常用表查出。日照百分率=日照时数可照时数X100%取整数日照时数主要表征当地气候特征，是农业气候资源、太阳能开发利用、城市规划布局研究中的重要因素。382、测量方法(1)烧痕法：聚焦直接太阳辐射，在记录纸上产生烧痕，由烧痕读出日照时间。(2)直接辐射测量法：直接辐射表直接检测辐照度土120W.m-2时的时间。(3)总辐射测量法：由总辐射度和散射射计算出直接辐射，依据WMO阈值确定日照时数。(4)对比法：若干传感器以不同方位对着太阳，利用与辐射阈值相当的传感器输出信号的特定差值进行测量比较来确定。(5)扫描法：用连续扫描小范围天空的传感器接受的辐照度，与辐射阈值相等的方法进行鉴别。393、暗筒式（乔唐式）日照计测量原理：利用阳光透过仪器上小孔射入筒内，使涂有感光药剂的日照纸上留下感光痕迹线，来计算日照时数的。表示测点纬度下在不同的季节和各种大气物理状况下实际测得的日照时间。国家基本气象站中保留的人工观测项目之一40主体为一金属圆筒，筒的一端密闭，一端有盖，筒的上部有一块隔光板，筒身上在隔光板的两侧边缘的同一垂直面上，各有一个圆锥形进光孔，两孔前后位置错开，与圆心的夹角为120°。筒内有一弹性压纸夹，用以固定日照纸，圆筒下部有固定螺丝，松开后，圆筒可绕支架旋转，支架下部有纬度刻度盘与指示纬度的刻度线，仪器底座上有三个等距离的孔，用以固定仪器。日照计应安置在开阔的、终年从日出到日落都能受到太阳光照射的地方。安置时底座要水平，底面上要精确测定南北子午线，并划出标记，再把仪器安装在台座上，筒口对准正北，牢固的将日照计底座加以固定。然后，转动筒身，使支架上的纬度记号线对准纬度盘上当地纬度值，这样筒轴与地轴平行。仪器底座上有一水准器，用以调整仪器的水平。41感光迹线的形状和长短L通过孔A作一个垂直于圆筒的平面ATBA。光线L通过通过孔A投射到筒内M点，筒内光线AM在圆筒平面上的投影为AT,AT与暗筒直径AB的夹角为a,AM与圆筒面ATBA的夹角为。，故：B在直角三角形中，MT

=ATtgO在直角三角形ATB中，AT

=ABcosa=2RcosaMT=2RcosatgO42MT

:日照纸上一日瞬时感光点距离水平分线（日照纸上两进光孔通过圆心的一条直线，即地球赤道平面）的垂直距离。MT=2RcosatgO。为太阳赤纬，一年之中仅在南北赤纬23.5°范围内变化,①夏半年：春分至秋分②冬半年：秋分至春分③春分和秋分日因此可以认为在一天之内基本不变，故MT的长短紧随a角的变化而变化。上下午感光迹线以12时为分界线，两条感光迹线等长且对称，8时和16时a=0,MT达到最大值。感光迹线的基本特征①感光迹线为一条余弦曲线的一段（0-60°）o②上午和下午各为一条对称曲线。③8时和16时MT最长（cos0°=l）。④当春、秋分阳光直射赤道时（。=0,MT=0）,则感光迹线为通过筒身横切面的一条直线。⑤夏半年（春分至秋分），阳光直射北半球，感光迹线位于洞孔的切平面以南，呈凹形，即偏于水平线之上且较长。⑥冬半年（秋分至春分），阳光直射南半球，感光迹线位于洞孔的切平面以北，呈凸形，即偏于水平44感光纸：在日照纸上面刷上由柠檬酸铁铵和赤血盐调配的感光药水。记录整理：①在每天日落后换下的日照纸，应依感光迹线的长短，在其下描画铅笔线。并按铅笔线计算各时的日照时数，以十分法记录，准确到小数一位。②将各时的日照时数相加，则为全天的日照时数。③然后将日照纸放入足量的清水中浸漂3-5分钟拿出（全天无日照的纸也应浸漂）；待阴干后，再复验感光迹线与铅笔线是否一致。如感光迹线比铅笔长，则应补描上这段铅笔线，并改正原计算的日照时数，添上日合计。如全天无日照，记0・0。464、聚焦式（康培斯托克式）日照计测量原理：利用太阳光经玻璃球聚焦后烧灼日照纸留下的焦痕来记录日照时数的构造原理：实心玻璃球支持在弧架两端的支架上。整个弧架可以转动，以对准纬度。与玻璃球同心的金属槽，则是用以安放日照纸的，其半径恰好等于玻璃球的焦距。5、日照传感器⑴直接辐射表观测日照时数直接辐射表每日自动跟踪太阳，自动测量系统把S>120W-m-2的时间累加起来，得到每小时的日照时数和每天日照时数。误差来源：倾斜效应温度依赖性非线性零点漂移直接辐射表等级自动跟踪装置的准确度48(2)用总辐射与散射辐射计算日照时数通过总辐射乌和散射辐射马以及当时的太阳咼度角乩，计算岀水平面直接辐射岛、垂直面直接辐射S其计算公式为：SL