太阳辐射(ppt文档).ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,城市太阳辐射,城市太阳总辐射特征,什么是辐射？,自然界中的一切物体都以,电磁波,的形式时刻不停地向外传送能量，这种传递能量的方式称为辐射。以辐射的方式向四周输送的能量称辐射能，有时简称为辐射。辐射能是以电磁波的方式传输的。,太阳辐射：,太阳发射及传播的能量主要集中在短于,4m,波长范围内的辐射。,2,气象学着重研究的是太阳、地球和大气的热辐射，它们的波长范围大约在,0.15120m,之间。,其中：太阳辐射波长,0.15,4,m,，习惯称短波辐射，,地面、大气间（简称地气系统）物质（辐射）能量交换波长,3,120,m,，习惯称长波辐射。,在气象学中，通常以焦耳,(J),作为辐射能的单位。,3,城市太阳总辐射特征,太阳辐射光谱,定义,:,太阳辐射能随波长的分布曲线。,大气上界的太阳辐射光谱,图中：,实线是大气上界的太阳辐射光谱；,虚线是温度在,6,000K,时的黑体辐射光谱。,A,B,C,A,紫外区，,B,可见光，,C,红外区,4,城市太阳总辐射特征,太阳常数：,在大气上界，垂直于太阳光线的一平方厘米的面积，一分钟内获得的太阳辐射能量，称太阳常数。,多次卫星测得：,1367(,7)W,m,2,世界气象组织采用：,1367 W,m,2,太阳辐射强度,（太阳辐射通量密度）,单位时间内投射到单位面积上的太阳辐射能量。单位：,W,m,2,5,城市太阳总辐射特征,太阳常数周期性变化：,可能与,太阳黑子,的活动周期有关。,太阳黑子,6,中国在公元前,140,年前后成书的,淮南子,也有黑子的记载。,汉书,五行志,中对前,28,年,出现的黑子记载则更为详尽。,8,辐射的规律,(1),所有物体不论其温度如何，都向外放射辐射能。,(2),温度较高的物体单位面积放射的总能量，要比温度低的物体放射多。,(3),物体温度愈高，其放射的最大辐射的波长愈短；反之，物体的温度愈低，其放射的最大辐射波长愈长。,(4),辐射能力强的物体，其吸收辐射的能力也强；反之，辐射能力弱的物体，吸收能力也弱。,太阳辐射在大气中的减弱,表现形式：,1.,大气对太阳辐射的吸收,2.,大气对太阳辐射的散射,3.,大气的云层和尘埃对太阳辐射的反射,9,1.,大气对太阳辐射的吸收：,太阳辐射穿过大气层时，大气中某些成分具有选择吸收一定波长辐射能的特性。大气中吸收太阳辐射的成分主要有水汽、氧、臭氧、二氧化碳及固体杂质等。,太阳辐射被大气吸收后变成了热能，因而使太阳辐射减弱。,10,吸收作用,氧、臭氧、水汽、,CO,2,和固体杂质,气体成分,强吸收波段,弱吸收波段,氧,0.2m,的紫外光,0.690.76,m,的可见光,臭氧,0.2032m,的紫外光,0.6,m,的可见光,水汽,0.932.85m,的红外光,（三个强吸收带）,0.60.7,m,的可见光,（三个弱吸收带）,主要的吸收成分,各成分的吸收波段,CO,2,：吸收作用主要在红外区内，可以忽略不计。,尘埃,：吸收量很小。,11,大气对太阳辐射的吸收作用,地 面,高层大气,平流层,对流层,臭氧大量吸收紫外线,二氧化碳、水汽吸收红外线,（选择特性）,1.,从臭氧、二氧化碳和水汽的吸收作用，可知大气吸收具有什么特性？,2.,为什么大气直接吸收的太阳辐射能量是很少的？,（大气对太阳辐射中能量最强的可见光吸收得很少，大部分可见光能够透过大气到地面）,氧原子吸收部分紫外线,12结论：,大气对太阳辐射的吸收具有选择性，,因而使穿过大气后的太阳辐射光谱变得极不规则。,由于大气中主要吸收物质,(,臭氧和水汽,),对太阳辐射的吸收带都位于太阳辐射光谱两端能量较小的区域，因而吸收对太阳辐射的减弱作用不大。也就是说，大气直接吸收的太阳辐射并不多，特别是,对于对流层大气来说，太阳辐射不是主要的直接热源。,13,2.,大气对太阳辐射的,散射,：,太阳辐射通过大气遇到空气分子、尘粒、云滴等质点时，都要发生散射。,但,散射并不像吸收那样把辐射转变为热能，而只是改变辐射的方向，,使太阳辐射以质点为中心向四面八方传播开来。因而经过散射之后，有一部分太阳辐射就到不了地面。,14,散射,作用散射,当太阳辐射通过大气时，遇到大气中的各种质点，太阳辐射能的一部分散向四面八方，称为散射。,分类,由,入射辐射波长 与散射质点的相对大小,r,，将散射分为,分子散射（蕾利散射）、米散射和漫射。,r,时，漫射。,15,雷利分子散射定律,当大气中粒子的直径比波长小得多的时候，散射强度与入射光波长的四次方成反比。即：,定律,意义,入射光波长愈短，散射能力愈强。,16,为什么晴朗的天空呈现青蓝色？,17,为什么傍晚的夕阳偏橘红色？,18,米氏散射,当大气中粒子的直径与辐射的波长相当时发生的散射。,米氏散射值与入射光波长的二次方成反比。即：,散射在光线前进方向比后方向更强，方向性比较明显。,云雾的粒子大小与红外线（,0.76,15,m,）的波长接近，所以云雾对红外线的散射主要是米氏散射。,19,漫射,当大气中粒子的直径比波长大得多的时候，入射光的各种波长具有同等散射能力，散射强度不再随波长改变，称之为漫射。,为什么云雾呈白色？,20,3.,大气的云层和尘埃对太阳辐射的反射：,大气中云层和较大颗粒的尘埃能将太阳辐射中一部分能量反射到宇宙空间去。其中,云的反射作用最为显著，主要发生在云层的顶部。,云的反射能力随云状和云的厚度而有很大的不同，高云反射率约为,25,，中云为,50,，低云为,65,，稀薄的云层也可反射,1020,。随着云层增厚反射增强，厚云层反射可达,90,，一般情况下云的平均反射率为,5055,。,21,在上述三种方式中，以反射作用最为重要，散射作用次之，吸收作用最小。,以全球平均状况而言，太阳辐射约有,30,因反射和散射回宇宙空间，,20,被大气直接吸收，,50,到达地面。,22,到达地面的太阳辐射,到达地面的太阳辐射有两部分：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,；二是经过散射后自天空投射到地面的，称为,散射辐射,，两者之和称为,总辐射。,23,城市对太阳辐射的影响,？,城市太阳总辐射特征,城市中太阳总辐射比郊区弱，特别是太阳直接辐射和紫外辐射削弱更多。,由于城市下垫面和人类活动的影响，城市中太阳辐射的时空变化比郊区复杂。太阳总辐射的强弱与许多因子有关，其中最主要的是太阳高度角、大气透明度和下垫面反照率。,太阳高度角,太阳高度角为太阳光线与地平线间的夹角，是影响太阳辐射强弱的最主要的因子之一。,h,o,即太阳高度角，它随时间而变化。,大气透明度,光在铅直方向由大气外界传播至某一高度的过程中,透过的光强占入射光强的比率。,下垫面反照率,地球下垫面反射的太阳辐射与入射到下垫面上的总太阳辐射之比。,城市太阳总辐射特征,原因：,城市中由于空气污染，低云量多，空气混浊度大，太阳辐射的透射率降低，到达城市下垫面的太阳直接辐射减弱程度很大。,城市大气混浊度大，由于云滴和颗粒状污染物的作用，又会使到达下垫面的散射辐射比乡村大。,虽然散射辐射的增加和直接辐射的减少相互补偿，但散射辐射的增加量不能抵消直接辐射的减少量。因此，到达城市下垫面的太阳总辐射量比乡村少。,城市太阳总辐射特征,周淑贞等对上海,19581985,年,28,年地面实测太阳辐射资料进行了分析，得出太阳辐射可分三个时段。,第一时段,(19581970,年,),太阳直接辐射最大，到了第二时段,(19711980,年,),太阳直接辐射比第一时段约减少,15.3,，而第三时段,(19811985),又比第二时段减少,16.9,。,散射辐射与直接辐射相反，三个时段中是不断增加的；第二时段比第一时段增加了,2.2,，第三时段又比第二时段增加了,9.3,。而总辐射则又是逐时段减少的，其递减速度要比直接辐射为小，即第二时段比第一时段减小了,7.1,，第三时段比第二时段减小了,3.3,；这说明总辐射的时间变化以直接辐射的变化为主，晴天总辐射量中一般直接辐射量大于散射辐射量。,城市太阳总辐射特征,由于城市太阳辐射在减少，所以城区和郊区太阳辐射也有差异，上海市区龙华的直接辐射为,66.64W/m,2,，与周围四个近郊站,(,宝山、嘉定，川沙，上海县,),的平均值,(75.19W/m,2,),相比少,8.55W/m,2,。按百分比计算要少,11.4,。龙华站的散射辐射为全地区最大，与四个站的平均值相比要多,2.49W/m,2,，即多,3.3,；相反，总辐射龙华全地区最小，与近郊四个站的平均值比较要少,6.08W/m,2,，少,40,。,城市太阳总辐射特征,城市太阳总辐射特征,城市太阳总辐射特征,城市太阳总辐射特征,南京由于城市发展，空气中的烟尘、废气等逐年增多。特别是从,1974,年以后，大气透明度迅速下降，平均每年下降,0.0083,；太阳直接辐射量,1983,年比,1974,年减少了,139.57W/m2,，减弱了,24.9%,。南京大学大气科学系,1984,年,4,月作城市气候考察时，曾在安徽黄山、南京大厂镇、空军气象学院和南京大学设置了四个测站，观测辐射收支各分量和大气透明度、混浊度，结果列于表,2.14,；其中,PZ,为大气透明度，,TW,为空气混浊度。,城市太阳总辐射特征,城市太阳总辐射特征,可见，安徽黄山的太阳直接辐射通量最大，空军气象学院其次，南京大厂镇最少。这是因为大厂镇是工业区，污染物排放量最大，大气透明度小，混浊度高，所以辐射到达量明显减少。空军气象学院在南京郊区，相对于市中心的南京大学来说大气透明度好一些，因此直接辐射强度比南京大学高。,城市太阳总辐射特征,城市中的太阳辐射和日照条件受城市空气污染的影响最为明显。空气污染的结果使大气混浊度增加，于是使到达城市地面的太阳总辐射大大减少。,市区空气污染对于直接辐射的影响大小，与太阳光线在污染空气中传播的“路程”长短有关，当太阳高度角比较低时，光线在污染空气中经过的“路程”长，消弱就更多所以，空气污染对直接辐射的削弱以冬季和每日的早晚时刻最为显著。,城市太阳总辐射特征,城市中的散射辐射变化不如直接辐射明显，而且各地的观测结果也不一致。这主要与城市空气污染状况,(,污染物质,),不同有关，也就是说与城市上空微粒、灰尘等的谱分布特征有关。,例如，有的城市将重工业区规划建设在郊区，而市中心主要为轻工业和商业部门，这就会出现散射辐射郊区大于城市的情况。所以，具体城市应进行具体分析，不能一概而论。,城市太阳总辐射特征,城市中如果采取有效措施，减轻大气污染，改善大气环境，城市所获得的太阳总辐射也可以有所增加，使城市和郊区的总辐射差异缩小。,例如，英国、美国通过实施对污染物控制排放措施以后，大气环境已有显著改善，城市和郊区太阳总辐射差值明显减小。可见，只要改善城市大气环境，减低空气污染浓度，城郊之间太阳总辐射的差距是可以缩小的。,城市太阳总辐射特征,城市太阳辐射的波长变化,太阳辐射在大气中传播时，其透射率与波长有关；太阳光中的光波波长愈短愈容易被散射。在太阳辐射光谱中红外线和红色光波透射率最大，橙黄光次之，紫光和紫外线透射率最小。,城市大气中颗粒污染物和气体污染物比郊区多，太阳辐射穿过城市上空的大气后到达地面其波长发生了变化；短波部分因极易被散射而比例减少，长波部分因散射作用而比例增加。,为了对比城市和郊区太阳辐射减弱的情况，通常采取在城市和郊区同时进行太阳总辐射和紫外辐射等的分光观测，以城区辐照度占郊区辐照度的百分比来表示，称为比辐照度。,城市太阳辐射的波长变化,上表为法国巴黎城市内外总辐射光谱成分的百分比。可见，巴黎城区和郊区太阳总辐射中不同波长的光波波段所占的比例大不相同；即波长愈短所占比例愈小，而波长愈长所占比例愈大。,低纬高原城市区域冬季晴天不同波长辐射的特征,(1),城内因受周围大气环境质量的影响,各波长辐射量的变化离散性大于城外,;,不同波长辐射的绝对量和相对量,(,城内外比值,),大多是城内小于城外,且以大气污染严重的午前差异显著。,(2),低纬高原城市区域,冬季晴好天气时午前后不同波长辐射占总辐射的百分率存在差异,;,城内外各辐射的百分率及其变化特征也不相同,特别在大气污染严重的午前,差异十分显著。,(3),冬季晴好天气时不同波长辐射的日总量和午前、午后总量,城内外同样存在明显的差异。,上表为南京大学大气科学系分别在南京和黄山的分光观测结果。南京市中心从紫外到红外光谱区的透明度都比黄山小，且随着太阳辐射波长增加，大气透明度有增大的趋势。,城市中到达的紫外辐射量减少，将影响城市居民健康。紫外辐射减少状况由大气透明度和太阳高度角决定，空气的混浊度大，太阳高度角越低，减少越厉害。市区对于紫外辐射的削弱非常明显。,城市太阳辐射的波长变化,城市中短波紫外辐射的衰减情况，因太阳高度角和大气透明度程度而异。城市大气透明度状况愈差，紫外辐射的减弱愈显著。各城市紫外辐射减弱的具体情况，则视这两个因子的综合效应而定。,城市中因大气污染，大气透明度差，紫外辐射的削弱比较突出，所以城市太阳总辐射中短波辐射所占比例就比郊区更少。,城市太阳辐射的波长变化,思考题,1,、什么是太阳辐射？,2,、太阳辐射在大气中减弱的表现形式有哪些？,3,、城市对太阳总辐射的影响特征及其原因？,4,、影响太阳总辐射的因子有哪些？,5,、城市对太阳辐射光谱成分的百分比的影响？,城市太阳辐射的时空变化,季节变化,全年夏季最大，冬季最小。,纬度愈低，总辐射愈大,;,反之就愈小。,最大值在,20 N20 S,赤道带附近,气候上称该纬度为热赤道。,总辐射,纬度变化,52,我国年总辐射值大小，受地形、天气气候不同影响，呈非规律分布。,西藏（藏北高原、柴达木等地）最高,212252W,m,2,青海、新疆、内蒙、黄河流域,(,西北、华北,),次之,159.2212.3W,m,2,长江流域和大部分华南地区,119.4159.2W,m,2,四川盆地最少,53,54,55,56,城市中太阳辐射的时空变化,城市中人类活动,(,工业生产、交通运输等,),而引起空气污染的周期性和非周期性变化，使得到达城区地表的太阳总辐射的时间变化比郊区更加复杂。,就日变化来说，城区总辐射的削弱以白天,1215,时为最大；就季节变化而言，因城区云量和污染物浓度的季节变化而各不相同。,特别是由于人为因素的影响，城市中太阳辐射还有以一周时间为周期的周变化。研究结果表明，在周末两天，总辐射和紫外辐射的城郊比值明显高于星期一至星期五。,城市中因发展阶段不同，大气污染浓度随时间的变化，致使城市太阳总辐射具有明显的年际变化。乡村郊区太阳总辐射的年际变化，主要受自然因素的影响，一般人为因素的作用较小。,城市中太阳辐射的时空变化,城市内部太阳总辐射的分布差异也十分显著，这与多种因素有关。,首先，由于城市各区功能不同，局地大气污染浓度不一；在污染浓度大的工业区，地面所获得的太阳总辐射量必然减少。,另外，城市内部太阳总辐射的差异与风向的关系密切，当风由城市工业区吹来而风速又不大时，其下风方向大气污染物浓度增大，太阳总辐射减小；相反，当风向由郊区吹向城市工业区时，城区大气透明度有所改善，太阳总辐射量则增大。,城市中太阳辐射的时空变化,