(AP05)太阳辐射传输.ppt

第五章地面和大气中的辐射过程 5.4.1 太阳和太阳辐射 粗略估计，太阳向地球输送的热能大约是250亿亿卡/分钟，相当于燃烧4亿吨烟煤所产生的能量。 地球从月球等其它天体所得的辐射能，仅为太阳的亿分之一； 来自宇宙的辐射能也仅为太阳辐射能的20亿分之一； 从地球内部传到地面的热量，全年才为5.4卡/平方厘米，仅为来自太阳辐射能的万分之一。 5.4.1 太阳和太阳辐射 地球和大气最主要的能量来源是太阳辐射。 要了解大气各层以及地面取得的太阳辐射能的规律，需要首先知道作为辐射源的太阳进入大气的辐射能谱分布以及地球和大气的吸收特性。 5.4.1 太阳和太阳辐射 5.4.1 太阳和太阳辐射 5.4.1 太阳和太阳辐射 5.4.1 太阳和太阳辐射 结构 5.4.1 太阳和太阳辐射 太阳黑子 2.大气外界太阳光谱及太阳常数 太阳光谱(solar spectrum) ：由极为宽阔的连续谱以及数以万计的夫琅和费吸收线和发射线组成 T = 5777 K 99.9% 的能量集中在IR、VIS和UV。 地面观测波段约为0.295～2.5微米。 作用：可以探测太阳大气特征和现象的产生机制与演变规律，可以认证谱线和确认元素的丰度，研究地球气候等。 2.大气外界太阳光谱及太阳常数 太阳辐射谱的观测 关心3个问题： (1) 大气外界太阳辐射的谱分布； (2) 总谱能量或太阳常数； (3) 太阳辐射随时间的变化。 2.大气外界太阳光谱及太阳常数 观测简史 在20世纪初即已开始，地面测量； 50年代利用火箭观测了太阳的紫外辐射； 60年代利用飞机和高空气球对太阳辐射谱作了仔细的观测研究； 70年代又利用火箭和卫星以及新的主动腔体辐射表观测了太阳辐射的总谱能量。 气象学领域，除了天气预报这项永恒的主题外，没有哪一项工作，能象太阳常数测定那样应用了从高空气球、飞机、火箭到卫星和航天器等如此众多的现代高科技手段。 2.大气外界太阳光谱及太阳常数 观测简史 目前，在高山上进行的长期测量，仍是测算大气外界太阳辐射光谱的主要手段。借助高空观测弥补紫外和红外波段的测量。 2.大气外界太阳光谱及太阳常数 2.大气外界太阳光谱及太阳常数 太阳辐射谱标准 NASA标准：70年代初，美宇航局用飞机测量，给出大气上界太阳辐射谱分布，辐照度(即太阳常数)为1353 Wm-2 。 WRC标准：瑞士达佛斯的世界辐射中心给出的大气上界太阳谱分布，辐照度(即太阳常数)为1367 Wm-2 。 WMO仪器与观测方法委员会1981年10月决定采用WRC标准。 2.大气外界太阳光谱及太阳常数 太阳辐射谱标准 2.大气外界太阳光谱及太阳常数 太阳常数 在大气上界日地平均距离处，通过与太阳光线垂直的单位面积上的太阳辐射总辐射通量密度(包括所有波长) 2. 大气外界太阳光谱及太阳常数 太阳常数：太阳积分辐射通量密度 2. 大气外界太阳光谱及太阳常数 1981年，WMO推荐的太阳常数最佳值为： 2. 大气外界太阳光谱及太阳常数 太阳常数的变化 2. 大气外界太阳光谱及太阳常数 太阳常数的变化 2. 大气外界太阳光谱及太阳常数 太阳温度的估计 P86：例5.2 5.4.2 地球大气上界的太阳辐射能 1. 太阳的位置和时间 季節與太陽輻射 Sun-Earth relationship Variability due to orbit 2. 水平面上太阳辐射通量的计算 入射到大气上界水平面上的太阳辐照度 2. 水平面上太阳辐射通量的计算 大气上界太阳辐射的日总量 取T = 86400 秒，太阳常数单位为 W m-2 ，Qd 单位为Jm-2d-1。 2. 水平面上太阳辐射通量的计算 大气上界太阳辐射日总量 Qd 随纬度的变化是决定地球上各纬度间气候差异的基本因素。 S0 ′的日变化与Qd 的年变化，使得气温也具有日变化与年变化。 气温并非简单地取决于S0 ′和Qd 5.4.3 太阳的直接辐射 由于太阳离地球较远，在地面上观测到太阳的视角仅为0.5°，因此太阳直接辐射可以认为是一种平行光辐射。 由于大气中的各种气体成份会吸收和散射部分太阳辐射的能量，造成了太阳直接辐射的衰减(也称削弱、消光)。 5.4.3 太阳的直接辐射 太阳辐射在大气中的吸收和散射示意图 5.4.3 太阳的直接辐射 5.4.3 太阳的直接辐射 1. 地面太阳直接辐射 假设：各吸收、散射过程相互独立 衰减系数： kλ,R 为气体分子散射所引起的衰减， kλ,M 为气溶胶粒子的散射所引起的衰减 kλ,O 为臭氧吸收所引起的衰减 kλ,g 为其它均匀混合气体分子（主要是O2和CO2） 吸收所引起的衰减。 1. 地面太阳直接辐射 衰减系数：