地表辐射平衡学习教案

会计学1地表地表(dbio)辐射平衡辐射平衡第一页，共35页。到达地面的太阳辐射到达地面的太阳辐射(fsh)(fsh)有两部分：一是太阳以平行光有两部分：一是太阳以平行光线的形式直接投射到地面上的，称为太阳直接辐射线的形式直接投射到地面上的，称为太阳直接辐射(fsh)(fsh)；一是经过散射后自天空投射到地面的，即为散射辐射；一是经过散射后自天空投射到地面的，即为散射辐射(fsh)(fsh)，两者之和称为总辐射，两者之和称为总辐射(fsh)(fsh)。第1页/共35页第二页，共35页。0220020244IrrIIrIr第2页/共35页第三页，共35页。阳辐射就愈小。阳辐射就愈小。第3页/共35页第四页，共35页。则：则：sinh为太阳为太阳(tiyng)(tiyng)高度角。高度角。 由：coscoscossinsinsinh则：D=r/r0为日地相对距离为日地相对距离(jl)， 为太阳赤纬：为太阳赤纬：-23.5+23.5，为为时角时角 。sinh20DIIcoscoscossinsinsinh2020DIDII第4页/共35页第五页，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，到达阳辐射被减弱也较多，到达(dod)(dod)地面的直接辐射就地面的直接辐射就较少。较少。第5页/共35页第六页，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值与大气中的湿度、值与大气中的湿度、纬度大气质量数有关。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，所以般冬季湿度小，夏季湿度大，所以(suy)冬季的大气冬季的大气 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/共35页第七页，共35页。mPDIIsinh20综合以上两种影响，到达综合以上两种影响，到达(dod)(dod)地面的太阳辐射可以写地面的太阳辐射可以写为：为：第7页/共35页第八页，共35页。令令 =0时，讨论正午时太阳辐射随纬度时，讨论正午时太阳辐射随纬度(wid)的变化：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(jd) 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35页第九页，共35页。dtDIdscoscoscossinsin20dt为时间为时间(shjin)，用时，用时角代换角代换 ：dTdt2则则： dDTIdscoscoscossinsin220第9页/共35页第十页，共35页。002020sincoscossinsindcoscoscossinsinds0000DTISsDTIS日日得：则由时，0sinh, 0 当日出日落htantancos10第10页/共35页第十一页，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太阳辐射日总量的分布(fnb)与纬度的余弦成正比，与纬度的余弦成正比，即随纬度增加，即随纬度增加，S日减少，南北半球对称。日减少，南北半球对称。 (2)在赤道在赤道(chdo)，=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(y nin s j)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日最小。日最小。 第11页/共35页第十二页，共35页。(3)在极地在极地(jd)， =/2，则：，则： sin458.4sin020DTIS日夏季极地的太阳夏季极地的太阳(tiyng)(tiyng)辐射日总量与太阳辐射日总量与太阳(tiyng)(tiyng)赤纬的正弦成正比。赤纬的正弦成正比。冬至冬至(dngzh)： 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： sinsin20DTIS日第12页/共35页第十三页，共35页。第13页/共35页第十四页，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，补偿随纬度增加而增大，补偿(bchng)(bchng)了因太阳高度随纬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。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页第十五页，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(yxi)的公式进行计算：的公式进行计算： 211bsasSS日其中其中(qzhng)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页第十六页，共35页。sinhP12SDmm日第16页/共35页第十七页，共35页。太阳高度角增大时，到达近地面层的直接辐射增强，散射太阳高度角增大时，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，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，减弱散射辐射增强；反之，减弱(jinru)(jinru)；云也能强烈地增；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。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。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页第十八页，共35页。fm1sinhIQ00其中其中(qzhng)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的参数。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，为对太阳辐射的后向散射率，0为垂直方向上的大气光为垂直方向上的大气光学厚度。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，从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。理论上得出一个简单的晴天太阳总辐射计算式。第18页/共35页第十九页，共35页。(b)有云天空总辐射有云天空总辐射(fsh)的计算公式：的计算公式： 1bsaSQ日其中其中a, b 为总辐射的经验系数为总辐射的经验系数(xsh)，且要求，且要求a+b=1。19941994年翁笃鸣和高歌等人根据北京、拉萨等站实测晴天总辐射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，提出了资料，提出了f f的另一种的另一种(y zhn)(y zhn)形式：形式：f=a+bln(1+e), a=0.183(p/p0)，b=0.0542+0.0598(p/p0)第19页/共35页第二十页，共35页。日出以前，地面上总辐射的收入不多，其中只有散射辐射日出以前，地面上总辐射的收入不多，其中只有散射辐射；日出以后，随着太阳高度的升高，太阳直接辐射和散射；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中所占的成分逐渐减小；当太阳高度升到约等于8时，时，直接辐射与散射辐射相等；当太阳高度为直接辐射与散射辐射相等；当太阳高度为50时，散射辐时，散射辐射值仅相当总辐射的射值仅相当总辐射的10%-20%，到中午时太阳直接辐射，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。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，中午云量突然突然(trn)增多时，总辐射的最大值可能提前或推后，这增多时，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页第二十一页，共35页。总辐射值是向着总辐射值是向着(xing zhe)高纬方高纬方向不断减小的，但向不断减小的，但在赤道地区因阴天在赤道地区因阴天频率大而值有所减频率大而值有所减小。小。太阳总辐射的等值太阳总辐射的等值线分布基本上具有线分布基本上具有带状特征，带状特征，由于云量非均匀分布而在下列由于云量非均匀分布而在下列(xili)地区带状特征受到破坏：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页第二十二页，共35页。第22页/共35页第二十三页，共35页。米米2左右，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，年总辐射量川黔一带多阴雨，年总辐射量最少，不足最少，不足 3349l03千焦耳米千焦耳米2，是，是中国太阳辐射能最少的中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页第二十四页，共35页。色色 3干湿程度干湿程度 4表面粗糙表面粗糙度。度。4. 云的反射率云的反射率云的反射率依赖云的厚度，云的反射率依赖云的厚度，形状和太阳高度角，同时形状和太阳高度角，同时(tngsh)还与云的黑度和下垫还与云的黑度和下垫面的反射率有关。面的反射率有关。第24页/共35页第二十五页，共35页。经常失去热量。只有在近地层经常失去热量。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，有效辐射才可能为的情况下，有效辐射才可能为负值，这时地面才能通过长波负值，这时地面才能通过长波辐射的交换而获得热量。辐射的交换而获得热量。第25页/共35页第二十六页，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的特征(tzhng)。在白天，由于低层大气中垂直温度。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，中午梯度增大，所以有效辐射值也增大，中午12-14时达最时达最大；而在夜旬由于地面辐射冷却的缘故，有效辐射值大；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。破坏有效辐射的变化规律。第26页/共35页第二十七页，共35页。3.地面辐射平衡地面辐射平衡: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面辐射平衡或地面辐射差额(ch )或地面净辐射量。或地面净辐射量。则单位面积在单位时间内的则单位面积在单位时间内的辐射平衡辐射平衡R方程可写为：方程可写为： R=(S+D)(1-)-F0其中其中S、D、F0分别为直接辐分别为直接辐射、散射辐射和有效辐射，射、散射辐射和有效辐射，为为反射率。反射率。第27页/共35页第二十八页，共35页。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(d lhun jn)、不同的气候条件下，地面辐射差额值有显著的差异。第28页/共35页第二十九页，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。由一般夜间为负，白天为正。由负值转到正值的时刻负值转到正值的时刻(shk)一般在日出后一般在日出后1h，由正值转到，由正值转到负值的时刻负值的时刻(shk)一般在日落前一般在日落前1-1.5h。上海市上海市7 7月份晴天辐射月份晴天辐射(fsh)(fsh)差额的差额的日变化日变化无云情况下，地面辐射差额各分量无云情况下，地面辐射差额各分量(fn ling)(fn ling)的日变化的日变化第29页/共35页第三十页，共35页。地面辐射差额的年变化地面辐射差额的年变化(binhu):(binhu):引起年变化引起年变化(binhu)(binhu)的原因是太阳高度的年变化的原因是太阳高度的年变化(binhu)(binhu)、地表状、地表状况反射状况的变化况反射状况的变化(binhu)(binhu)、各雨带的季节性变化、各雨带的季节性变化(binhu)(binhu)。在一年中，一般夏季辐射差额为正，冬季为。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度上，地面辐射差额年变化(binhu)(binhu)不同，在不同，在23.5SN23.5SN纬纬度之间，地面辐射差额的年变化度之间，地面辐射差额的年变化(binhu)(binhu)曲线是双峰型曲线是双峰型，即一年有两次最大值；在，即一年有两次最大值；在23.5NS23.5NS以北或以南，地面辐射以北或以南，地面辐射差额的年变化差额的年变化(binhu)(binhu)是单峰型。是单峰型。第30页/共35页第三十一页，共35页。由上图可以看出由上图可以看出(kn ch)，赣州代表我国南部地区，地面辐射，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，沙漠地区以月。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。地面辐射差额月。地面辐射差额的最小值出现在的最小值出现在12月。月。第31页/共35页第三十二页，共35页。第32页/共35页第三十三页，共35页。4.大气及地大气及地-气系统的辐射平衡气系统的辐射平衡:如果把地面和大气视为一个系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统，此系统的辐射能收支差额称为地-气系统辐射平衡。气系统辐射平衡。Rs =(S+D) (1-) +q0-F其中其中为行星反射率，为行星反射率，qa和和F分别分别(fnbi)为大气吸收的太阳辐为大气吸收的太阳辐射和大气上界的有效辐射。射和大气上界的有效辐射。地气系统的辐射差额地气系统的辐射差额(ch )(ch )收支情况：就个别地区来说，地收支情况：就个别地区来说，地气系统的辐射差额气系统的辐射差额(ch )(ch )既可既可以为正，也可以为负。但就整个以为正，也可以为负。但就整个地气系统来说，这种辐射差额地气系统来说，这种辐射差额(ch )(ch )的多年平均应为零。的多年平均应为零。该图描绘了南北半球各纬度辐射该图描绘了南北半球各纬度辐射(fsh)收支情况，以及各纬圈行收支情况，以及各纬圈行星反射率。由图可以看出，无论南、北半球，地星反射率。由图可以看出，无论南、北半球，地-气系统的辐射气系统的辐射(fsh)差额在纬度差额在纬度30处是一转折点。北纬处是一转折点。北纬35以南的差额是正以南的差额是正值，以北是负值。值，以北是负值。第33页/共35页第三十四页，共35页。4gagsgT1F1gaggT为地表为地表(dbio)(dbio)比辐射率。比辐射率。为大气为大气(dq)(dq)比辐射率，若设地表温度为比辐射率，若设地表温度为300K,300K,当当减小减小0.01时，时，上升上升1.8K。第34页/共35页第三十五页，共35页。