第二章輻射第一節(jié)日地關(guān)系及季節(jié)形成一、日地關(guān)系地球是一橢圓體，其赤道半徑是6378.1km，它在太空中不停地繞太陽公轉(zhuǎn)，同時(shí)又繞地軸自西向東進(jìn)行自轉(zhuǎn)，公轉(zhuǎn)的軌道為一近圓形的橢圓，太陽位于橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上，在一年中地球距太陽最近的時(shí)間約在每年的1月3日，即近日點(diǎn)，最遠(yuǎn)的時(shí)間約在7月4日，即遠(yuǎn)日點(diǎn)。若在北極星方向來看，地球的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)方向均是逆時(shí)針的。地球繞太陽公轉(zhuǎn)有兩個(gè)重要的特點(diǎn)：一是地軸與地球公轉(zhuǎn)軌道始終保持66度33分的交角二是地軸在宇宙空間的傾斜方向始終保持不變由于地球的公轉(zhuǎn)，有時(shí)北半球傾向太陽，有時(shí)南半球傾向太陽，引起太陽直射地球的位置不斷改變，導(dǎo)致地面獲得太陽的能量發(fā)生周期性的變化，于是便產(chǎn)生了地球上季節(jié)更替的現(xiàn)象，地球各地的太陽輻射狀況受太陽在天空中的位置的影響，太陽在天空中的位置可用太陽高度角和太陽方位角來表示二、太陽高度角和方位角(一)太陽高度角1、概念：太陽平行光線與水平面的交角稱為太陽高度角，簡稱太陽高度2、求算式：正午時(shí)刻的簡化公式為：h=90–?+δ大慶的地理緯度是45度46分到46度55分，經(jīng)度為124度19分到125度12分。(二)太陽方位角1、概念：太陽光線在水平面上的投影與當(dāng)?shù)刈游缇€間的夾角。子午線：為測量地球而假設(shè)的南北方向的線，即通過地面某點(diǎn)的經(jīng)線，也叫子午圈。三、晝夜形成和日照長短的變化(一)在地球自轉(zhuǎn)過程中，總是有半個(gè)球面朝向太陽，另半個(gè)球面背向太陽。朝向太陽的半球稱晝半球，背向太陽的半球稱夜半球，晝半球和夜半球的分界線，叫晨昏線。晨昏線與緯圈交割把緯圈分成兩段圓弧，處于晝半球的弧段兒晝弧，處于夜半球的弧段稱夜弧。當(dāng)?shù)厍蜃晕飨驏|自轉(zhuǎn)時(shí)，晝半球的東側(cè)逐漸進(jìn)入黑夜，夜半球的東側(cè)逐漸進(jìn)入白天，由此形成了地球上的晝夜交替的現(xiàn)象。(二)幾個(gè)概念1、可照時(shí)數(shù)：在天文學(xué)上，某地的晝長是指從日出到日沒太陽可能照射的時(shí)間間隔。2、實(shí)照時(shí)數(shù)：將一日中太陽直接照射地面的實(shí)際時(shí)數(shù)稱為實(shí)照時(shí)數(shù)。通常短于可照時(shí)數(shù)。曙暮光：在日出前與日沒后的一段時(shí)間內(nèi)，雖然太陽直射光不能直接投射到地面上，但地面仍能得到高空大氣的散射光，使晝夜的更替不是突然的，天文學(xué)上稱為晨光和昏影，總稱為晨昏影，一般習(xí)慣上則稱之為曙光和暮光。光照時(shí)間：把包括曙暮光在內(nèi)的日長時(shí)間稱為光照時(shí)間。四、季節(jié)的形成及二十四節(jié)氣季節(jié)的形成：主要是由于太陽輻射隨時(shí)間變化的結(jié)果，一年內(nèi)地球每日在公轉(zhuǎn)軌道上的位置不同，一地不同時(shí)期獲得太陽輻射能量不同，溫度不同，地球公轉(zhuǎn)一周，恰好是寒來暑往的一年四季。在氣侯資料統(tǒng)計(jì)中，把陽歷的3、4、5月劃分為春季；6、7、8月劃分為夏季；9、10、11月劃分為秋季；12、1、2月劃分為冬季。二十四節(jié)氣：春雨驚春清谷天，夏滿芒夏暑相連，秋處露秋寒霜降，冬雪雪冬小大寒。每月兩節(jié)日期定，前后相差一兩天，上半年在六廿一，下半年在八二三。第二節(jié)輻射的基本知識一、輻射與輻射能概念：自然界中的一切物體，只要其溫度在絕對零度以上，都時(shí)刻不停地以電磁波或粒子的形式向外放射能量，這種放射能量的方式稱為輻射，通過輻射傳播的能量稱為輻射能。性質(zhì)：波動(dòng)性：輻射的波動(dòng)性可用波長、頻率表示，關(guān)系式為λ·μ=C粒子性：輻射的粒子學(xué)說內(nèi)容：電磁輻射由具有一定質(zhì)量能量和動(dòng)量的微粒子組成，這些微粒稱為量子，每個(gè)量子所具有的能量與其頻率成正比，或說與波長成反比。關(guān)系式為E=h·μ或E=C/λ二、表征輻射特性的物理量輻射通量：單位時(shí)間內(nèi)通過或到達(dá)任一面積的輻射能。輻射通量密度：單位時(shí)間內(nèi)通過或到達(dá)單位面積的輻射能。輻出度：放射體表面單位時(shí)間單位面積上所放出的輻射能。輻照度：單位時(shí)間照射到單位面積物體表面的輻射能。光通量密度：單位面積上通過或到達(dá)的光通量。光照度：單位面積上接收的光通量。三、物體對輻射的吸收、反射和透射1、概念吸收率（a）：物體吸收的輻射與投射到該物體表面上的總輻射之比。反射率(r)：物體反射的輻射與投射到該物體表面上的總輻射之比。透射率(t)：透過物體的輻射與投射到該物體表面上的總輻射之比。三者關(guān)系：a+r+t=12、分類根據(jù)物體對輻射的吸收率黑體：如果某種物體在任何溫度下，對任何波長的入射輻射能的吸收率都等于1，則稱之為絕對黑體，簡稱黑體?；殷w：如果某種物體的吸收率為小于1的常數(shù)，并且不隨波長而改變，稱之為灰體。白體：如果某種物體的反射率等于1，即吸收率等于零，則稱之為白體。四、輻射的基本定律（一）斯蒂芬——波耳茲曼定律黑體的輻射能力與其表面的絕對溫度的四次方成正比，表達(dá)式為：E=σT4（二）維恩位移定律黑體輻射能力最大值所對應(yīng)的波長與其表面絕對溫度成反比，表達(dá)式為：λmax=C/T。（三）基爾霍夫定律：當(dāng)熱量平衡（即溫度不變）時(shí)，物體對于某一波長的輻射能力與物體對該波長吸收率之比為一恒量。該定律指出，輻射能力強(qiáng)的物體，吸收能力也強(qiáng)，反映了輻射能力和吸收率的關(guān)系。第三節(jié)太陽輻射及其穿過大氣層時(shí)的減弱一、概念：太陽時(shí)刻不停地以輻射的方式向宇宙空間放射出巨大的能量，從太陽放射出來的光，熱能量總稱為太陽輻射能，簡稱太陽輻射或太陽能。二、太陽輻射光譜和太陽常數(shù)太陽輻射光譜：太陽輻射經(jīng)色散分光后按波長大小排列的圖案，稱為太陽輻射光譜。太陽輻射光譜主要分為紫外區(qū)、可見光區(qū)、紅外區(qū)三部分。分別約占太陽輻射總能量的7%、50%、43%。2、太陽常數(shù)在大氣上界，當(dāng)日地間處于平均距離時(shí)，垂直于太陽光線平面上，單位面積、單位時(shí)間內(nèi)所接受的太陽輻射能，稱為太陽常數(shù)。通常用“S?！北硎?，其最佳值為1367±7W/m2。三、太陽輻射在大氣中的減弱（一）大氣吸收作用太陽輻射穿過大氣層時(shí)，大氣成分中的水汽、氧、臭氧、二氧化碳及固體雜質(zhì)等物質(zhì)有選擇吸收一定波長輻射能的特性，致使到達(dá)地面的太陽輻射能量被減弱，光譜發(fā)生改變。（二）大氣的散射概念：太陽輻射通過大氣時(shí)，遇到大氣的各種質(zhì)點(diǎn)，太陽輻射能的一部分則以電磁波的形式從這些質(zhì)點(diǎn)向四面八方傳播開，這種現(xiàn)象稱為大氣的散射。分類：根據(jù)散射質(zhì)點(diǎn)的直徑和入射輻射的波長之間的大小關(guān)系分子散射：若散射質(zhì)點(diǎn)的直徑小于入射輻射的波長，此時(shí)的散射有選擇性。粗粒散射：若散射質(zhì)點(diǎn)的直徑比入射輻射的波長大得多，此時(shí)的散射無選擇性。3、為什么天空有時(shí)呈蔚藍(lán)色，有時(shí)呈乳白色。晴朗的天空，大氣中的水汽、塵埃等雜質(zhì)少，大氣散射以分子散射為主，分子散射能力與投射質(zhì)點(diǎn)上輻射波波長的四次方成反比，即入射輻射波長愈短，愈易被散射，所以晴朗的天空呈蔚藍(lán)色。當(dāng)大氣中水滴、灰塵等雜質(zhì)多時(shí)，大氣的散射以漫射為主，漫射能力與波長無關(guān)，即各種波長同等地被散射，故天空呈現(xiàn)乳白色。（三）大氣的反射太陽輻射進(jìn)入大氣層后，會(huì)被云層和較大顆粒的塵埃所反射，使一部分太陽輻射返回宇宙空間去，從而削弱到達(dá)地面的太陽輻射，其中以云的反射作用最顯著，云層愈厚，云量越多，反射作用愈強(qiáng)，反射對各種波長無選擇性。就全球平均狀況而言，進(jìn)入大氣的太陽輻射約有31％被反射或散射返回宇宙空間，約24％被大氣直接吸收，45％到達(dá)地面。（四）太陽輻射通過大氣后減弱的一般規(guī)律1、大氣質(zhì)量通常用太陽輻射通過大氣路徑的長度與大氣在垂直方向上的厚度的比值表示公式為m=csch2、大氣透明度用大氣透明系數(shù)來表示，它是以陽光透過一個(gè)大氣質(zhì)量后的輻照度與透過前的輻照度之比來表示的，即Pm=Sm/Sm-13、減弱規(guī)律（比爾定律）內(nèi)容：垂直于太陽輻射方向的太陽輻照度隨大氣透明系數(shù)增加而增大，隨穿過大氣質(zhì)量增加而變小，公式為Sm=S0Pm就全球平均而言，太陽輻射約有31％被散射，24％被吸收，45％到達(dá)一面。第四節(jié)到達(dá)地面的太陽輻射總輻射：經(jīng)過大氣削弱后，投射到地面上的太陽輻射稱為總輻射。由兩部分組成：太陽直接輻射和散射輻射一、太陽直接輻射（Sˊ）1、概念：太陽以平行光線的形式直接投射到地面的輻射，強(qiáng)弱通常以到達(dá)地平面的太陽直接輻射的輻照度來表示，公式為：S=S0Pmsinh2、影響因素：太陽高度：隨其增大而增大大氣透明度：隨大氣透明系數(shù)增大而增大海拔高度：隨其增大而增大緯度：隨其增大而減小二、散射輻射（D）（天空輻射）概念：被大氣質(zhì)點(diǎn)散射后，自天空各個(gè)方向投射到地面的輻射。2、影響因素：太陽高度：在干潔大氣中，隨其增大而增大大氣透明度：隨大氣透明系數(shù)增大而減小云的作用：云能增加散射輻射下墊面：隨下墊面反射率增大而增大海拔高度：在碧空情況下，隨其增大而減小。但在全天有云時(shí)相反三、總輻射（Q）晴天時(shí)Q=Sˊ+D陰天時(shí)Q=D四、總輻射的變化

1．日變化:夜間為零，日出后逐漸增大，午后又開始減少。

2．年變化:最大值出現(xiàn)在夏季，最小值出現(xiàn)在冬季。

五、日照與日照百分率

太陽光在一天中實(shí)際的照射時(shí)數(shù)稱日照，以小時(shí)為單位。

日照百分率=實(shí)際照射時(shí)數(shù)/可照時(shí)數(shù)×100%，大小說明一地的光能與降水充足與否。六、到達(dá)地面上的太陽輻射光譜

1．紅外線和紅光隨太陽高度角減小而增多（解釋朝霞不出門，晚霞行千里）太陽的白色光實(shí)際是紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫等一系列有色光波組成的。早晨或傍晚，太陽光是斜射的，它通過空氣層的路程比較長，受到散射減弱得很厲害。減弱得最多的是紫色光，其次是靛、藍(lán)色光等，減弱得最少的是紅色或橙色光。這些減弱后的彩色陽光，照射在天空和云層上，就形成鮮艷奪目的彩霞。

在大氣中有微小水滴及塵埃時(shí)，散射作用比單純的只有空氣分子時(shí)要更厲害些，因此，太陽在地平線時(shí)，如陽光所透過的遠(yuǎn)處低層大氣中，有小水滴（云滴）及塵埃存在，晚霞的顏色比沒有小水滴及塵埃時(shí)更加紅。

夏季早上，低空空氣穩(wěn)定，很少塵埃，如果當(dāng)時(shí)有鮮艷的紅霞，稱為早霞。這表示東方低空含有許多水滴，有云層存在，隨著太陽升高，熱力對流逐漸向平地發(fā)展，云層也會(huì)漸密，壞天氣將逐漸逼近，本地天氣將愈來愈變壞，這就是“早霞不出門”的原因；而傍晚，由于一天的陽光加熱，溫度較高，低空大氣中水分一般不會(huì)很多，但塵埃因?qū)α髯內(nèi)醵赡艽罅考械降蛯?。因此，如果出現(xiàn)鮮艷的晚霞，說明晚霞主要是由塵埃等干粒子對陽光散射所致，說明西方的天氣比較干燥。按照氣流由西向東移動(dòng)的規(guī)律，未來本地的天氣不會(huì)轉(zhuǎn)壞，所以有“晚霞行千里”的說法。

當(dāng)然，“早霞不出門，晚霞行千里”這是一般的規(guī)律，也有例外情況。如當(dāng)太陽已落入地平線以下，地平線上霞光應(yīng)當(dāng)消失的時(shí)候，因地平線下有云層存在，地平線下的霞光受云層底部的反射，卻能呈現(xiàn)出一片胭脂紅色，空氣中雜質(zhì)愈多時(shí)，太陽的顏色愈接近于胭脂紅。這表明西方地平線下有云層存在，空氣十分潮濕渾濁，預(yù)兆天氣將變壞。因此又有“日沒胭脂紅，無雨也有風(fēng)”的說法。2．紫外線、藍(lán)紫光隨太陽高度角增大而增多（解釋天空蔚藍(lán)色原因）；可見光隨高度角增大，陰天變化比例不大，晴天增加。七、地面對太陽輻射的反射影響因素：1、土壤顏色：白色表面較黑色表面具有更強(qiáng)的反射能力，綠色植物對黃綠光反射率較大2、土壤濕度：反射率隨其增大而減小3、粗糙度：反射率隨其增大而減小4、太陽高度：反射率隨其增大而減小第五節(jié)地面和大氣的輻射一、地面輻射、大氣輻射和地面有效輻射（一）地面輻射1、概念：地面吸收太陽輻射，同時(shí)按其本身的溫度向外放射稱地面輻射。2、影響因素：地面溫度：隨其增大而增大下墊面性質(zhì)：新雪的相對輻射率最大（二）大氣輻射概念：大氣主要吸收地面輻射，同時(shí)按其本身的溫度放出輻射，稱大氣輻射。影響因素：氣溫：隨其增加而增加大氣的水汽含量和云的狀況：隨其增加而增加大氣逆輻射：大氣輻射朝向四面八方，其中一部分外逸到宇宙空間，另一部分投向地面，投向地面的這部分大氣輻射稱為大氣逆輻射。大氣的溫室效應(yīng)（花房效應(yīng)）：由于大氣對太陽短波輻射吸收很少，易于讓大量太陽輻射透過而到達(dá)地面，同時(shí)大氣又能強(qiáng)烈吸收地面長波輻射，使地面輻射不易逸出大氣，大氣還以逆輻射返回地面一部分能量，從而減少地面的失熱，大氣對地面的這種保暖作用，稱為大氣的保溫效應(yīng)，習(xí)慣稱溫室效應(yīng)。大氣之窗：大氣對8—12um波段的吸收率最小，透過率最大，這一波段的地面輻射可以直射宇宙空間，故稱大氣之窗。（三）地面有效輻射（F。）概念：地面放射的輻射與地面吸收的大氣逆輻射之差。影響因素：地面溫度：隨其增大而增加大氣溫度和濕度：隨其增大而減小土壤表面性質(zhì)：平滑的比粗糙的表面小，潮濕的比干燥的表面大云和二氧化碳量：隨其增加而減少風(fēng)的作用：有微風(fēng)時(shí)，有效輻射減小海拔高度：隨其增加而增加（四）長波射出輻射概念：地面長波輻射被云體和大氣層吸收了絕大部分，有一小部分透過大氣層射入宇宙空間；云和大氣層也向宇宙空間放出長波輻射，這兩部分進(jìn)入宇宙空間的長波輻射之和，是地球—大氣系統(tǒng)進(jìn)入宇宙空間的熱輻射，稱為長波射出輻射。二、地面及地—?dú)庀到y(tǒng)的輻射差額物體收入輻射能與支出輻射能的差值稱為凈輻射或輻射差額。（一）地面凈輻射（Rg）：指地面輻射能的總收入和總支出之差值，又稱地面輻射差額或地面輻射平衡。地面輻射平衡方程：1、白天晴天時(shí)：Rg=（Sˊ+D）（1-r）-F。2、白天陰天時(shí)：Rg=D（1-r）-F。3、夜間：Rg=-F。（二）大氣的輻射差額（主要指整個(gè)大氣層的輻射差額）大氣輻射平衡方程：1、白天晴天時(shí)：Ra=qa+F。-F（其中，qa表示整個(gè)大氣層所吸收的太陽輻射，F(xiàn)。，F(xiàn)分別表示地面及大氣上界的有效輻射）。2、白天陰天或夜間時(shí)：Ra=F。-F（三）地氣系統(tǒng)的輻射差額把地面和大氣看成一個(gè)整體，其輻射能的凈收入為：R=（Sˊ+D）（1-r）+qa-F就個(gè)別地區(qū)來說，地氣系統(tǒng)的輻射差額既可為正，也可為負(fù)。但就整個(gè)地氣系