太陽輻射課件

1、城市太陽輻射城市太陽總輻射特征什么是輻射？ 自然界中的一切物體都以電磁波的形式時刻不停地向外傳送能量，這種傳遞能量的方式稱為輻射。以輻射的方式向四周輸送的能量稱輻射能，有時簡稱為輻射。輻射能是以電磁波的方式傳輸?shù)摹?太陽輻射：太陽發(fā)射及傳播的能量主要集中在短于4m波長范圍內(nèi)的輻射。 2氣象學著重研究的是太陽、地球和大氣的熱輻射，它們的波長范圍大約在0.15120m之間。 其中：太陽輻射波長0.154 m ，習慣稱短波輻射， 地面、大氣間（簡稱地氣系統(tǒng)）物質(zhì)（輻射）能量交換波長3120 m ， 習慣稱長波輻射。在氣象學中，通常以焦耳(J)作為輻射能的單位。3城市太陽總輻射特征太陽輻射光譜 定義:

2、太陽輻射能隨波長的分布曲線。大氣上界的太陽輻射光譜圖中：實線是大氣上界的太陽輻射光譜； 虛線是溫度在6,000K時的黑體輻射光譜。 ABCA紫外區(qū)，B可見光，C紅外區(qū)4城市太陽總輻射特征太陽常數(shù)： 在大氣上界，垂直于太陽光線的一平方厘米的面積，一分鐘內(nèi)獲得的太陽輻射能量，稱太陽常數(shù)。 多次衛(wèi)星測得：1367 (7)W m2 世界氣象組織采用： 1367 W m2太陽輻射強度 （太陽輻射通量密度） 單位時間內(nèi)投射到單位面積上的太陽輻射能量。單位：W m2 5城市太陽總輻射特征太陽常數(shù)周期性變化： 可能與太陽黑子的活動周期有關。太陽黑子6中國在公元前140年前后成書的淮南子也有黑子的記載。漢書五行

3、志中對前28年出現(xiàn)的黑子記載則更為詳盡。 8輻射的規(guī)律(1)所有物體不論其溫度如何，都向外放射輻射能。(2)溫度較高的物體單位面積放射的總能量，要比溫度低的物體放射多。(3)物體溫度愈高，其放射的最大輻射的波長愈短；反之，物體的溫度愈低，其放射的最大輻射波長愈長。(4)輻射能力強的物體，其吸收輻射的能力也強；反之，輻射能力弱的物體，吸收能力也弱。太陽輻射在大氣中的減弱表現(xiàn)形式： 1.大氣對太陽輻射的吸收 2. 大氣對太陽輻射的散射 3. 大氣的云層和塵埃對太陽輻射的反射91.大氣對太陽輻射的吸收：太陽輻射穿過大氣層時，大氣中某些成分具有選擇吸收一定波長輻射能的特性。大氣中吸收太陽輻射的成分主要

4、有水汽、氧、臭氧、二氧化碳及固體雜質(zhì)等。太陽輻射被大氣吸收后變成了熱能，因而使太陽輻射減弱。10 吸收作用 氧、臭氧、水汽、CO2 和固體雜質(zhì)氣體成分強吸收波段弱吸收波段氧0.2m的紫外光0.690.76m的可見光臭氧0.20.32m的紫外光0.6m的可見光水汽0.932.85m的紅外光（三個強吸收帶）0.60.7m的可見光（三個弱吸收帶） 主要的吸收成分 各成分的吸收波段 CO2：吸收作用主要在紅外區(qū)內(nèi)，可以忽略不計。塵埃：吸收量很小。11大氣對太陽輻射的吸收作用地 面高層大氣平流層對流層臭氧大量吸收紫外線二氧化碳、水汽吸收紅外線（選擇特性）1. 從臭氧、二氧化碳和水汽的吸收作用，可知大氣吸

5、收具有什么特性？2.為什么大氣直接吸收的太陽輻射能量是很少的？（大氣對太陽輻射中能量最強的可見光吸收得很少，大部分可見光能夠透過大氣到地面）氧原子吸收部分紫外線12結(jié)論：大氣對太陽輻射的吸收具有選擇性，因而使穿過大氣后的太陽輻射光譜變得極不規(guī)則。由于大氣中主要吸收物質(zhì)(臭氧和水汽)對太陽輻射的吸收帶都位于太陽輻射光譜兩端能量較小的區(qū)域，因而吸收對太陽輻射的減弱作用不大。也就是說，大氣直接吸收的太陽輻射并不多，特別是對于對流層大氣來說，太陽輻射不是主要的直接熱源。132.大氣對太陽輻射的散射：太陽輻射通過大氣遇到空氣分子、塵粒、云滴等質(zhì)點時，都要發(fā)生散射。但散射并不像吸收那樣把輻射轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，?/p>

6、只是改變輻射的方向，使太陽輻射以質(zhì)點為中心向四面八方傳播開來。因而經(jīng)過散射之后，有一部分太陽輻射就到不了地面。14 散射作用 散射 當太陽輻射通過大氣時，遇到大氣中的各種質(zhì)點，太陽輻射能的一部分散向四面八方，稱為散射。 分類 由入射輻射波長 與散射質(zhì)點的相對大小r，將散射分為分子散射（蕾利散射）、米散射和漫射。 r 時，漫射。15 雷利分子散射定律 當大氣中粒子的直徑比波長小得多的時候，散射強度與入射光波長的四次方成反比。即： 定律 意義入射光波長愈短，散射能力愈強。16為什么晴朗的天空呈現(xiàn)青藍色？17為什么傍晚的夕陽偏橘紅色？18 米氏散射當大氣中粒子的直徑與輻射的波長相當時發(fā)生的散射。米氏

7、散射值與入射光波長的二次方成反比。即：散射在光線前進方向比后方向更強，方向性比較明顯。云霧的粒子大小與紅外線（0.7615m）的波長接近，所以云霧對紅外線的散射主要是米氏散射。19 漫射 當大氣中粒子的直徑比波長大得多的時候，入射光的各種波長具有同等散射能力，散射強度不再隨波長改變，稱之為漫射。為什么云霧呈白色？203. 大氣的云層和塵埃對太陽輻射的反射：大氣中云層和較大顆粒的塵埃能將太陽輻射中一部分能量反射到宇宙空間去。其中云的反射作用最為顯著，主要發(fā)生在云層的頂部。云的反射能力隨云狀和云的厚度而有很大的不同，高云反射率約為25，中云為50，低云為65，稀薄的云層也可反射1020。隨著云層增

8、厚反射增強，厚云層反射可達90，一般情況下云的平均反射率為5055。21在上述三種方式中，以反射作用最為重要，散射作用次之，吸收作用最小。以全球平均狀況而言，太陽輻射約有30因反射和散射回宇宙空間，20被大氣直接吸收，50到達地面。22到達地面的太陽輻射 到達地面的太陽輻射有兩部分：一是太陽以平行光線的形式直接投射到地面上的，稱為太陽直接輻射；二是經(jīng)過散射后自天空投射到地面的，稱為散射輻射，兩者之和稱為總輻射。23城市對太陽輻射的影響？城市太陽總輻射特征 城市中太陽總輻射比郊區(qū)弱，特別是太陽直接輻射和紫外輻射削弱更多。 由于城市下墊面和人類活動的影響，城市中太陽輻射的時空變化比郊區(qū)復雜。太陽總

9、輻射的強弱與許多因子有關，其中最主要的是太陽高度角、大氣透明度和下墊面反照率。太陽高度角 太陽高度角為太陽光線與地平線間的夾角，是影響太陽輻射強弱的最主要的因子之一。 ho即太陽高度角，它隨時間而變化。大氣透明度光在鉛直方向由大氣外界傳播至某一高度的過程中, 透過的光強占入射光強的比率。下墊面反照率地球下墊面反射的太陽輻射與入射到下墊面上的總太陽輻射之比。 城市太陽總輻射特征原因： 城市中由于空氣污染，低云量多，空氣混濁度大，太陽輻射的透射率降低，到達城市下墊面的太陽直接輻射減弱程度很大。 城市大氣混濁度大，由于云滴和顆粒狀污染物的作用，又會使到達下墊面的散射輻射比鄉(xiāng)村大。 雖然散射輻射的增加

10、和直接輻射的減少相互補償，但散射輻射的增加量不能抵消直接輻射的減少量。因此，到達城市下墊面的太陽總輻射量比鄉(xiāng)村少。城市太陽總輻射特征 周淑貞等對上海19581985年28年地面實測太陽輻射資料進行了分析，得出太陽輻射可分三個時段。 第一時段(19581970年)太陽直接輻射最大，到了第二時段(19711980年)太陽直接輻射比第一時段約減少15.3，而第三時段(19811985)又比第二時段減少16.9。 散射輻射與直接輻射相反，三個時段中是不斷增加的；第二時段比第一時段增加了2.2，第三時段又比第二時段增加了9.3。而總輻射則又是逐時段減少的，其遞減速度要比直接輻射為小，即第二時段比第一時段

11、減小了7.1，第三時段比第二時段減小了3.3；這說明總輻射的時間變化以直接輻射的變化為主，晴天總輻射量中一般直接輻射量大于散射輻射量。城市太陽總輻射特征 由于城市太陽輻射在減少，所以城區(qū)和郊區(qū)太陽輻射也有差異，上海市區(qū)龍華的直接輻射為66.64W/m2，與周圍四個近郊站(寶山、嘉定，川沙，上?？h)的平均值(75.19W/m2)相比少8.55W/m2。按百分比計算要少11.4。龍華站的散射輻射為全地區(qū)最大，與四個站的平均值相比要多2.49W/m2，即多3.3；相反，總輻射龍華全地區(qū)最小，與近郊四個站的平均值比較要少6.08W/m2，少40。城市太陽總輻射特征城市太陽總輻射特征城市太陽總輻射特征城

12、市太陽總輻射特征 南京由于城市發(fā)展，空氣中的煙塵、廢氣等逐年增多。特別是從1974年以后，大氣透明度迅速下降，平均每年下降0.0083；太陽直接輻射量1983年比1974年減少了139.57W/m2，減弱了24.9%。南京大學大氣科學系1984年4月作城市氣候考察時，曾在安徽黃山、南京大廠鎮(zhèn)、空軍氣象學院和南京大學設置了四個測站，觀測輻射收支各分量和大氣透明度、混濁度，結(jié)果列于表2.14；其中PZ為大氣透明度，TW為空氣混濁度。城市太陽總輻射特征城市太陽總輻射特征 可見，安徽黃山的太陽直接輻射通量最大，空軍氣象學院其次，南京大廠鎮(zhèn)最少。這是因為大廠鎮(zhèn)是工業(yè)區(qū)，污染物排放量最大，大氣透明度小，混

13、濁度高，所以輻射到達量明顯減少?？哲姎庀髮W院在南京郊區(qū)，相對于市中心的南京大學來說大氣透明度好一些，因此直接輻射強度比南京大學高。城市太陽總輻射特征 城市中的太陽輻射和日照條件受城市空氣污染的影響最為明顯?？諝馕廴镜慕Y(jié)果使大氣混濁度增加，于是使到達城市地面的太陽總輻射大大減少。 市區(qū)空氣污染對于直接輻射的影響大小，與太陽光線在污染空氣中傳播的“路程”長短有關，當太陽高度角比較低時，光線在污染空氣中經(jīng)過的“路程”長，消弱就更多。所以，空氣污染對直接輻射的削弱以冬季和每日的早晚時刻最為顯著。城市太陽總輻射特征 城市中的散射輻射變化不如直接輻射明顯，而且各地的觀測結(jié)果也不一致。這主要與城市空氣污染狀

14、況(污染物質(zhì))不同有關，也就是說與城市上空微粒、灰塵等的譜分布特征有關。 例如，有的城市將重工業(yè)區(qū)規(guī)劃建設在郊區(qū)，而市中心主要為輕工業(yè)和商業(yè)部門，這就會出現(xiàn)散射輻射郊區(qū)大于城市的情況。所以，具體城市應進行具體分析，不能一概而論。城市太陽總輻射特征 城市中如果采取有效措施，減輕大氣污染，改善大氣環(huán)境，城市所獲得的太陽總輻射也可以有所增加，使城市和郊區(qū)的總輻射差異縮小。 例如，英國、美國通過實施對污染物控制排放措施以后，大氣環(huán)境已有顯著改善，城市和郊區(qū)太陽總輻射差值明顯減小?？梢?，只要改善城市大氣環(huán)境，減低空氣污染濃度，城郊之間太陽總輻射的差距是可以縮小的。城市太陽總輻射特征城市太陽輻射的波長變化

15、 太陽輻射在大氣中傳播時，其透射率與波長有關；太陽光中的光波波長愈短愈容易被散射。在太陽輻射光譜中紅外線和紅色光波透射率最大，橙黃光次之，紫光和紫外線透射率最小。 城市大氣中顆粒污染物和氣體污染物比郊區(qū)多，太陽輻射穿過城市上空的大氣后到達地面其波長發(fā)生了變化；短波部分因極易被散射而比例減少，長波部分因散射作用而比例增加。 為了對比城市和郊區(qū)太陽輻射減弱的情況，通常采取在城市和郊區(qū)同時進行太陽總輻射和紫外輻射等的分光觀測，以城區(qū)輻照度占郊區(qū)輻照度的百分比來表示，稱為比輻照度。城市太陽輻射的波長變化 上表為法國巴黎城市內(nèi)外總輻射光譜成分的百分比?？梢?，巴黎城區(qū)和郊區(qū)太陽總輻射中不同波長的光波波段所

16、占的比例大不相同；即波長愈短所占比例愈小，而波長愈長所占比例愈大。低緯高原城市區(qū)域冬季晴天不同波長輻射的特征 (1)城內(nèi)因受周圍大氣環(huán)境質(zhì)量的影響,各波長輻射量的變化離散性大于城外;不同波長輻射的絕對量和相對量(城內(nèi)外比值)大多是城內(nèi)小于城外,且以大氣污染嚴重的午前差異顯著。(2)低緯高原城市區(qū)域,冬季晴好天氣時午前后不同波長輻射占總輻射的百分率存在差異;城內(nèi)外各輻射的百分率及其變化特征也不相同,特別在大氣污染嚴重的午前,差異十分顯著。(3)冬季晴好天氣時不同波長輻射的日總量和午前、午后總量,城內(nèi)外同樣存在明顯的差異。 上表為南京大學大氣科學系分別在南京和黃山的分光觀測結(jié)果。南京市中心從紫外到

17、紅外光譜區(qū)的透明度都比黃山小，且隨著太陽輻射波長增加，大氣透明度有增大的趨勢。 城市中到達的紫外輻射量減少，將影響城市居民健康。紫外輻射減少狀況由大氣透明度和太陽高度角決定，空氣的混濁度大，太陽高度角越低，減少越厲害。市區(qū)對于紫外輻射的削弱非常明顯。城市太陽輻射的波長變化 城市中短波紫外輻射的衰減情況，因太陽高度角和大氣透明度程度而異。城市大氣透明度狀況愈差，紫外輻射的減弱愈顯著。各城市紫外輻射減弱的具體情況，則視這兩個因子的綜合效應而定。 城市中因大氣污染，大氣透明度差，紫外輻射的削弱比較突出，所以城市太陽總輻射中短波輻射所占比例就比郊區(qū)更少。城市太陽輻射的波長變化思考題1、什么是太陽輻射？

18、2、太陽輻射在大氣中減弱的表現(xiàn)形式有哪些？3、城市對太陽總輻射的影響特征及其原因？4、影響太陽總輻射的因子有哪些？5、城市對太陽輻射光譜成分的百分比的影響？城市太陽輻射的時空變化 季節(jié)變化全年夏季最大，冬季最小。緯度愈低，總輻射愈大; 反之就愈小。最大值在20 N20 S赤道帶附近, 氣候上稱該緯度為熱赤道。總輻射 緯度變化52 我國年總輻射值大小，受地形、天氣氣候不同影響，呈非規(guī)律分布。 西藏（藏北高原、柴達木等地）最高 212252Wm2 青海、新疆、內(nèi)蒙、黃河流域(西北、華北)次之 159.2212.3W m2 長江流域和大部分華南地區(qū) 119.4159.2W m2 四川盆地最少 53545556城市中太陽輻射的時空變化 城市中人類活動(工業(yè)生產(chǎn)、交通運輸?shù)?而引起空氣污染的周期性和非周期性變化，使得到達城區(qū)地表的太陽總輻射的時間變化比郊區(qū)更加復雜。 就日變化來說，城區(qū)總輻射的削弱以白天1215時為最大；就季節(jié)變化而言，因城區(qū)云量和污染物濃度的季節(jié)變化而各不相同。 特別是由于人為因素的影響，城市中太陽輻射還有以一周時間為周期的周變化。研究結(jié)果表明，在周末兩天，總輻射和紫外輻射的城郊比值明顯高于星期一至星期五。