太陽(yáng)輻射波長(zhǎng)

1、太陽(yáng)輻射、太陽(yáng)輻射光譜和太陽(yáng)常數(shù)太陽(yáng)輻射光譜太陽(yáng)輻射中輻射能按波長(zhǎng)的分布，稱為太陽(yáng)輻射光譜，見(jiàn)圖 2.4。從圖中可看出，大氣 上界太陽(yáng)光譜能量分布曲線，與用普朗克黑體輻射公式計(jì)算出的6000K的黑體光譜能量分布曲線非常相似。因此可以把太陽(yáng)輻射看作黑體輻射。太陽(yáng)是一個(gè)熾熱的氣體球，其表面溫度約為6000K,內(nèi)部溫度更高。根據(jù)維恩位移定律可以計(jì)算出太陽(yáng)輻射峰值的波長(zhǎng)入max為0.475 m m,這個(gè)波長(zhǎng)在可見(jiàn)光的青光部分。太陽(yáng)輻射主要集中在可見(jiàn)光部分(0.40.76Wm),波長(zhǎng)大于可見(jiàn)光的紅外線(>0.76 m>和小于可見(jiàn)光白紫外線(V 0.4 m nD的部分少。在全部輻射能中，波長(zhǎng)在

2、 0.154dm之間的占99%以上，且主要分布在可見(jiàn)光區(qū)和紅外區(qū)， 前者占太陽(yáng)輻射總能量的約50%后者占約43%紫外區(qū)的太陽(yáng)輻射能很少，只占總量的約7%太陽(yáng)常數(shù)太陽(yáng)輻射通過(guò)星際空間到達(dá)地球表面。當(dāng)日地距離為平均值， 在被照亮的半個(gè)地球的大氣上界，垂直于太陽(yáng)光線，每秒每平方米的面積上，獲得的太陽(yáng)輻射能量稱為太陽(yáng)常數(shù)，用 Rsc (Solar constant)表示，單位為(W/m2。太陽(yáng)常數(shù)是一個(gè)非常重要的常數(shù)，一切有 關(guān)研究太陽(yáng)輻射的問(wèn)題，都要以它為參數(shù)。關(guān)于太陽(yáng)常數(shù)的研究已有很長(zhǎng)歷史了，早在20世紀(jì)初，人們就已經(jīng)通過(guò)各種觀測(cè)手段估計(jì)它的取值，認(rèn)為大約應(yīng)在13501400W/m2±間

3、。太陽(yáng)常數(shù)雖然經(jīng)多年觀測(cè)， 由于觀測(cè)設(shè)備、技術(shù)以及理論校正方法的不同，其數(shù)值常不一致。據(jù)研究，太陽(yáng)常數(shù)的變化具有周期性，這可能與太陽(yáng)黑子的活動(dòng)周期有關(guān)。在太陽(yáng)黑子最多的年份，紫外線部分某些波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度可為太陽(yáng)黑子最少年份的20倍。近年來(lái)，氣候?qū)W家指出，只要地球的長(zhǎng)期氣候發(fā)生1%勺變化，就會(huì)引起太陽(yáng)常數(shù)的變化。目前已有許多無(wú)人或有人操作的空間實(shí)驗(yàn)對(duì)太陽(yáng)輻射進(jìn)行直接觀測(cè)，并在宇宙空間實(shí)驗(yàn)站設(shè)計(jì)了名為“地球輻射平衡”的課題，其中一個(gè)重要項(xiàng)目就是對(duì)太陽(yáng)輻射進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)視。這些觀測(cè)數(shù)據(jù)將對(duì)進(jìn)一步了解大氣物理過(guò)程及全球氣候變遷的原因有很大幫助。1981年世界氣象組織推薦的太陽(yáng)常數(shù)值 Rsc=1367

4、77;7 (W/m2 ,通常采用1367W/m2二、太陽(yáng)輻射在大氣中的衰減太陽(yáng)輻射通過(guò)大氣層后到達(dá)地球表面。由于大氣對(duì)太陽(yáng)輻射有一定的吸收、散射和反射作用，使投射到大氣上界的輻射不能完全到達(dá)地表面。圖2.4最下面的實(shí)曲線表示太陽(yáng)輻射通過(guò)大氣層被吸收、散射、反射后到達(dá)地表的太陽(yáng)輻射光譜。6000K絕對(duì)黑體輻射曲線圖2.4大氣上界和地面的太陽(yáng)輻射光譜與大氣上界的太陽(yáng)輻射光譜相比較，可以看出：通過(guò)大氣層后，太陽(yáng)總輻射能有明顯地減弱；波長(zhǎng)短的輻射能減弱得最為顯著；輻射能隨波長(zhǎng)的分布變得極不規(guī)則。產(chǎn)生這些變化有以下幾方面原因：1大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收太陽(yáng)輻射穿過(guò)大氣層到達(dá)地面時(shí)，要受到一定 程度的減弱，這

5、是因?yàn)榇髿庵心承┏煞志哂羞x擇吸收一定波長(zhǎng)輻射能的特性。大氣中吸收太陽(yáng)輻射的成分主要有水汽、液態(tài)水、二氧化碳、氧、臭氧及塵埃等固體雜質(zhì)等。太陽(yáng)輻射被 吸收后變成了熱能，因而使太陽(yáng)輻射減弱。水汽吸收最強(qiáng)的波段是位于紅外區(qū)的0.932.85m,據(jù)估計(jì)，太陽(yáng)輻射因水汽的吸收可減弱約4% 15%氧只對(duì)波長(zhǎng)小于 02dm的紫外線吸收很強(qiáng)，在可見(jiàn)光區(qū)雖然也有吸收，但較弱。臭氧在大氣中的含量很少，但在紫外區(qū)和可見(jiàn)光區(qū)都有吸收帶，在 0.20.3 m波段的吸收帶很強(qiáng)，由于臭氧的吸收，使小于 0.29 科m波段的太陽(yáng)輻射不能到達(dá)地面，因而保護(hù)了地球上的一切生物免遭紫外線過(guò)度輻射的傷害。臭氧在0.440.75 m還

6、有吸收，雖不強(qiáng)，但因這一波段正好位于太陽(yáng)輻射最強(qiáng)的區(qū)域 內(nèi)，所以吸收的太陽(yáng)輻射量相當(dāng)多。二氧化碳對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收比較弱，僅對(duì)紅外區(qū)2.7科m和4.3科m附近的輻射吸收較強(qiáng)，但該區(qū)域的太陽(yáng)輻射較弱，被吸收后對(duì)整個(gè)太陽(yáng)輻射的 影響可忽略。懸浮在大氣中的水滴、塵埃、污染物等雜質(zhì)，對(duì)太陽(yáng)輻射也有吸收作用，大氣 中這些物質(zhì)含量越高， 對(duì)太陽(yáng)輻射吸收越多， 如在工業(yè)區(qū)、森林火災(zāi)、火山爆發(fā)、沙塵暴等， 太陽(yáng)輻射都有明顯減弱?？傊髿鈱?duì)太陽(yáng)輻射的吸收， 在平流層以上主要是氧和臭氧對(duì)紫外輻射的吸收，平流層至地面主要是水汽對(duì)紅外輻射的吸收。被大氣成分吸收的這部分太陽(yáng)輻射，將轉(zhuǎn)化為熱能而不再到達(dá)地面。由于大氣成分

7、的吸收多位于太陽(yáng)輻射光譜兩端，而對(duì)可見(jiàn)光部分吸收較少，因此可以說(shuō)大氣對(duì)可見(jiàn)光幾乎是透明的。2大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的散射太陽(yáng)輻射進(jìn)入大氣時(shí)將遇到空氣分子、塵粒、云霧滴等質(zhì)點(diǎn)，都要產(chǎn)生散射現(xiàn)象。散射不像吸收那樣是把輻射轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽皇歉淖冚椛涞姆较?，使太?yáng)輻射以質(zhì)點(diǎn)為中心向四面八方傳播，使原來(lái)傳播方向上的太陽(yáng)輻射減弱。見(jiàn)圖 2.5。如果太陽(yáng)輻射遇到的散射質(zhì)點(diǎn) 的直徑比入射輻射的波長(zhǎng)要短(如空氣分子)，則對(duì)入射輻射中波長(zhǎng)較短的輻射的散射強(qiáng)， 也即輻射波長(zhǎng)愈短， 散射愈強(qiáng)；而對(duì)波長(zhǎng)較長(zhǎng)的輻射散射弱。對(duì)于一定大小的分子來(lái)說(shuō)，散射能力與波長(zhǎng)的四次方成反比。這種散射是有選擇性的，稱為分子散射，也叫雷利(Rayl

8、eigh )散射。表2.3為可見(jiàn)光的散射系數(shù)相對(duì)值，即若將紅光(0.70 m)的散射系數(shù)定為 1.0 ,則紫光(0.44 m)的散射系數(shù)為紅光的 6.4倍。當(dāng)大氣中的水汽、塵粒等雜質(zhì)較少時(shí)，主要 是空氣分子散射，太陽(yáng)輻射中波長(zhǎng)較短的藍(lán)紫光被散射得多，所以晴朗的天空呈蔚藍(lán)色。日出、日落時(shí)，因光線通過(guò)大氣路程長(zhǎng)，可見(jiàn)光中波長(zhǎng)較短的光被散射殆盡，所以看上去太陽(yáng)呈桔紅色。當(dāng)太陽(yáng)輻射遇到的散射質(zhì)點(diǎn)的直徑是比入射的波長(zhǎng)大的粗粒質(zhì)點(diǎn)，輻射雖然也被散射，但這種散射是沒(méi)有選擇性的，即輻射的各種波長(zhǎng)都同樣地被散射。這種散射稱粗粒散射，也稱米(Mie)散射。例如當(dāng)空氣中污染較嚴(yán)重或存在較多的霧?；驂m埃等雜質(zhì)時(shí)，一定

9、范圍的長(zhǎng)短 波都同樣地被散射，使天空呈灰白色。大氣云層及顆粒物對(duì)太陽(yáng)輻射的反射大氣中的云層和較大顆粒物能將部分太陽(yáng)輻射反射回宇宙空間。其中云的反射能力最強(qiáng)。云的反射能力隨云狀、云量和厚度的不同而不同。見(jiàn)圖 2.6 , 一般情況下云的平均反射率為 0.500.55。如果按地球平均云量為 5計(jì)算，太陽(yáng)輻射就有近 25%被云反射回空間，因此云 的反射作用對(duì)太陽(yáng)輻射影響很大。上述提到的大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的衰減三種方式中，以反射作用最為重要，尤其以云層對(duì)太陽(yáng)輻射的反射最為明顯，散射作用次之，吸收作用相對(duì)最小。三、到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射由兩部分組成：一是太陽(yáng)以平行光的形式直接投射到地面上的，稱為

10、太陽(yáng)直接輻射用Rsb(Direct beam solarradiation) 表示；另一個(gè)是經(jīng)過(guò)散射后到達(dá)地面的，稱為散射輻射用Rsd (Diffuse solar radiation) 表示，兩者之和就是到達(dá)地面的太陽(yáng)總輻射，用 Rs (Solar radiation )表示，Rs=Rsb +Rsd 。直接輻射太陽(yáng)以平行光形式投射到地面的直接輻射Rsb 是地球表面獲得太陽(yáng)輻射最主要來(lái)源。它的強(qiáng)弱由下式表示：Rsb =am- Rc - sinh O (2.8 )式中Rsc 是太陽(yáng)常數(shù)1367W/m2,h。是太陽(yáng)高度角，a是大氣透明系數(shù)，m是大氣質(zhì)量數(shù)。從式中可以看出，太陽(yáng)直接輻射與太陽(yáng)高度角、

11、大氣質(zhì)量數(shù)和大氣透明系數(shù)有關(guān)。(1)太陽(yáng)高度角太陽(yáng)平行光線與水平面之間的夾角稱為太陽(yáng)高度角。太陽(yáng)直接輻射隨太陽(yáng)高度角的增大而增大。一方面是由于太陽(yáng)高度角（hO）愈小時(shí)，等量的太陽(yáng)輻射能散布的面積愈大，則單位面積上接受到的能量就愈少。另一方面，因?yàn)樘?yáng)高度角愈小時(shí)，太陽(yáng)光穿過(guò)的大氣層就愈厚，大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的減弱作用就愈強(qiáng)。所以到達(dá)地面上的輻射就愈少。太陽(yáng)高度角的計(jì)算式為：hO =arcsin sin（）sin 8+cos（）cos 8 cos 15 ° （t-12） （2.9）式中3是當(dāng)?shù)氐木暥龋?是太陽(yáng)赤緯（也稱太陽(yáng)傾角），可根據(jù)天文年歷查到；t是地方時(shí)，按24 h計(jì)算每小時(shí)15&#

12、176;。例如：北京（） = 4 0° N ）6月22日（夏至8= 23.4 ° ） 下午1點(diǎn)半（t=13.5）的太陽(yáng)高度角：hO = arcsin sin 40 ° sin 23.4 ° +cos 40 ° cos 23.4 cos 15° （13.5-12） =65°（2）大氣質(zhì)量數(shù)在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，海平面氣壓為1013hPa,氣溫為0c時(shí)，太陽(yáng)光垂直投射到地面所經(jīng)路程中，單位截面積空氣柱的質(zhì)量稱為一個(gè)大氣質(zhì)量數(shù)m5不同太陽(yáng)高度角，陽(yáng)光經(jīng)過(guò)的大氣質(zhì)量數(shù)也不同。當(dāng)太陽(yáng)高度角很小時(shí)，m值很大，隨著太陽(yáng)高度角的增大，m值很快減少。

13、太陽(yáng)在地平面時(shí)所通過(guò)的m值比在天頂時(shí)大35.4倍。在計(jì)算大氣質(zhì)量數(shù)時(shí)需要考慮如下幾個(gè)問(wèn)題：（a）地球是一個(gè)彎曲的表面，所以地球大氣上界是一條曲線。（b）光線在大氣中傳播的路徑也是一條曲線，這是由于大氣密度隨高度而遞減，光線穿過(guò)不同密度的介質(zhì)時(shí)發(fā)生折射而形成的。（c）空氣密度在水平方向上也是不均勻的。為解決上述困難，要作如下 假設(shè)：（a）光線在大氣中傳播的路徑是一條直線。（ b）大氣上界的表面設(shè)為平面。（ c） 水平方向上的密度是均一的。常用的大氣質(zhì)量數(shù)計(jì)算式為：m=（P/P。）/ h o式中P/Po代表觀測(cè)地氣壓與經(jīng)過(guò)緯度訂正的海平面氣壓之比，h。是太陽(yáng)高度角。（3）大氣透明度太陽(yáng)輻射從大氣上

14、界進(jìn)入大氣層后還要受大氣透明度的影響。大氣透明度的特征量用透明系數(shù)a表示。它是指透過(guò)一個(gè)大氣質(zhì)量數(shù)后的輻射強(qiáng)度與透過(guò)前的輻射強(qiáng)度之比。也就是當(dāng)太陽(yáng)位于天頂時(shí)，在大氣上界的太陽(yáng)輻射通量密度即太陽(yáng)常數(shù)Rsc與到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射通量密度Rs之比值。a=Rs/Rsca值表明輻射通過(guò)大氣后的削弱程度。實(shí)際上，不同波長(zhǎng)的削弱也不相同，a僅表征對(duì)各種波長(zhǎng)的平均削弱情況。JP1大氣透明系數(shù)與大氣中的水汽、水汽凝結(jié)物、塵埃雜質(zhì)等有關(guān)。 這些物質(zhì)越多，大氣透明程度越差，透明系數(shù)越小。因而太陽(yáng)輻射受到的減弱越強(qiáng)，地面獲得的太陽(yáng)輻射也越少。a是一個(gè)小于1的數(shù)，其取值是：當(dāng)天空特別晴朗，污染較少時(shí)a=0.9; 當(dāng)污染特

15、別嚴(yán)重，天空特別混濁時(shí)a=0.6 ; 一般情況下a=0.84左右。JP由于太陽(yáng)直接輻射主要是由太陽(yáng)高度角決定的，所以有明顯的日變化、年變化和隨緯度的變化。一天中，無(wú)云的天氣條件下，一般是中午太陽(yáng)高度角最大，直接輻射最強(qiáng)；日出、日落時(shí)太陽(yáng)高度角最小，直接輻射最弱。一年中，對(duì)一個(gè)地區(qū)來(lái)說(shuō)，直接輻射夏季最大，冬季最小。但如果夏季，大 氣中的水汽含量增加，云量增多，會(huì)使直接輻射減弱很多，使得直接輻射的最大月平均值出現(xiàn)在春末夏初季節(jié)。太陽(yáng)直接輻射還隨緯度而改變。 一年中低緯地區(qū)比高緯的太陽(yáng)高度角大，所以獲得的直接輻射也多，但全年直接輻射的最大值出現(xiàn)在回歸線附近，而不在赤道的原因是赤道上空云雨較多，太陽(yáng)被

16、遮蔽時(shí)間長(zhǎng)。2 散射輻射大氣對(duì)太陽(yáng)輻射有散射作用，其中散射向地面的那部分稱為散射輻射Rsd ,它的強(qiáng)弱由下式表示：Rsd =0.5Rsc(1-am)sinh O (2.11) 式中各項(xiàng)意義同前。 散射輻射是一種短波輻射，其能量分布，比直接輻射更集中于波長(zhǎng)較短的光區(qū)。從上式可以看出，散射輻射的大小也與太陽(yáng)高度角、大氣透明度、大氣質(zhì)量數(shù)等因素有關(guān)。當(dāng)太陽(yáng)高度角增大時(shí)，直接輻射增加，散射輻射也增大。在太陽(yáng)高度角一定時(shí)，如 果大氣透明度不好，散射質(zhì)點(diǎn)多，散射輻射增強(qiáng)；而大氣透明度好，散射質(zhì)點(diǎn)少，散射輻射 減弱。散射輻射的日、年變化也主要取決于太陽(yáng)高度角的變化。一天中散射輻射的最大值出現(xiàn)在正午前后，一年

17、中散射輻射的最大值出現(xiàn)在夏季。3 總輻射到達(dá)地面的太陽(yáng)直接輻射和散射輻射之和稱為總輻射Rs,它的表達(dá)式如下：Rs=Rsb+Rsd=0.5Rsc(1+am)sinh O) (2.12 )總輻射的日變化與直接輻射的日變化基本一致。見(jiàn)圖29。日出以前，地面上獲得的總輻射不多，只有散射輻射；日出以后，太陽(yáng)高度角不斷增大，當(dāng)太陽(yáng)高度角增到20。以前，散射輻射大于直接輻射，以后由于直接輻射增加得較快，使散射輻射在總輻射中所占比例逐漸減小；當(dāng)太陽(yáng)高度角達(dá)到50°左右，散射輻射只占總輻射的10%- 20%到中午時(shí)，直接輻射和散射輻射均達(dá)最大值；中午以后二者又按相反的次序變化。有云時(shí)總輻射一般會(huì)減少，

18、因?yàn)檫@時(shí)直接輻射的減弱比散射輻射的增強(qiáng)要多。只有當(dāng)云量不太多，太陽(yáng)視面無(wú)云，直接 輻射沒(méi)受到影響，而散射輻射因云的增加而增大時(shí)，總輻射才比晴空時(shí)稍大。輻射的年變化與直接輻射的年變化基本一致，中高緯度地區(qū)，總輻射強(qiáng)度(指月平均值)夏季最大，冬季 最??；赤道附近(緯度 020。左右)，一年中有兩個(gè)最大值分別出現(xiàn)在春分和秋分?？傒?射隨緯度的分布一般是，緯度愈低總輻射愈大。反之就愈小。但由于赤道附近云很多，對(duì)太陽(yáng)輻射削弱得也很多，所以，總輻射年總量最大值不是出現(xiàn)在赤道，而是出現(xiàn)在緯度20。附近。 其主要特點(diǎn)是太陽(yáng)輻射年平均總量在380 X 1 0 7840 X 1 0 7 J/(m2 a)范圍內(nèi)。一

19、般西部多于東部，山區(qū)多于平原。四川盆地為低值區(qū)，最低值僅為310X 1 0 J J/(m2 a)。青藏高原為高值區(qū)，年平均總量達(dá)790X 1 0 J J/(m2a),比同緯度東部地區(qū)幾乎高出一倍。四、地面對(duì)太陽(yáng)輻射的反射到達(dá)地面的太陽(yáng)總輻射不能完全被地面吸收，有一部分將被地面反射。地面反射輻射的大小與地面對(duì)太陽(yáng)輻射或稱短波輻射的反射率a(Albedo)有關(guān)。短波輻射反射率主要與下墊面的顏色、濕度、粗糙度、不同植被、土壤性質(zhì)及太陽(yáng)高度角等因素有關(guān)。1 顏色對(duì)反射率的影響各種顏色表面的最 黑色表面的反射能力 例如新白雪的反射率顏色不同的各種下墊面， 對(duì)太陽(yáng)輻射可見(jiàn)光部分有選擇反射的作用。 強(qiáng)反射光譜，就是它本身顏色的波長(zhǎng)。白色表面具有最強(qiáng)的反射能力， 較小，綠色植物對(duì)黃綠光的反射率大。顏色不同，反射率有很大差別,可高達(dá)80%- 95%而黑鈣土的反射率只有 5%-12%2 土壤濕度對(duì)反射率的影響反射率將隨土壤濕度的增大而減小。例如白沙土，隨著濕度的增