气候学第三章 太阳辐射资源及其综合利用

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1、第三章 太阳辐射资源及其综合利用,太阳概况,（1）太阳是距离地球最近的一颗恒星，太阳光从太阳表面到达地球表面只需要8分钟。 （2）地球沿着偏心率很小的椭圆形轨道围绕太阳公转，公转周期为1年，地球至太阳距离在一年当中是不断变化的，所以到达地球表面的太阳辐射也是变化的。,光球层,色球层,日冕层,外部结构,太阳是一个炽热的气体球,太阳构造,光球是形成全部可见光并辐射连续光谱的一层太阳大气，是太阳的一个很薄的圈层，厚度仅500km左右,色球层是太阳大气的中间一层，位于光球之上因颜色绯红而得名，厚度约2000km,日冕太阳大气最外面的一层，由离子和自由电子所组成，并以极高的速度在运动着，温度可高达百万度

2、。其厚度有时向外伸展可超过太阳直径的好几倍。,太阳活动,太阳黑子呈黑斑的形式出现在太阳表面上，由于其温度比周围明亮的光球温度低1500K左右，所以看起来比较暗黑。太阳黑子多的时候，能发出更多的电磁辐射和微粒流，对地球产生更强的影响，称为太阳活动峰期，具有11年左右的周期。,耀班是太阳上的一种爆发现象，发生在是色球层中，故又称色球爆炸。 由于耀斑的出现，太阳的射电强度可以一下增强几百万倍，同时射出大量的高能粒子，到达地球时，会引起地球的一些异常现象。,日冕层中一部分粒子摆脱太阳重力的作用，奔向行星际空间，这些到达地球的粒子流，就称为太阳风。,光球上的黑子和光斑，色球上的耀斑等现象的存在和变化，说

3、明组成太阳的气体是处在剧烈变化状态中的，这种变化称为太阳活动。,太阳黑子,耀斑,太阳辐射能量来源,太阳辐射能量来源于太阳内部的核聚变反应 每秒钟4亿吨煤 22亿分之一太阳的能量,太阳： 巨大的、炽热的球体。 太阳辐射：天然的、洁净的能源。 地球上一切物理过程的能源和动力； 维持地球上一切生命的基础； 地球上大气环流、天气和气候形成的根源。 太阳能资源：对其开发利用具有现实意义。,能量传递方式： 传导，即借不运动的介质来传递能量； 对流，即借运动着的介质来传递能量； 辐射，即透过空间以电磁波传递能量。 太阳辐射方式： 太阳以电磁波的方式向外发射能量；能够到达地球的只是朝向太阳的地球表面一定立体角

4、范围内所包含的能量。,3.1 太阳辐射与天文气候 3.2 地面太阳辐射的气候学计算 3.3 太阳辐射资源的分布与变化 3.4 太阳能与作物生产 3.5 太阳能的综合利用,主要内容,3.1 太阳辐射与天文气候 3.1.1 太阳辐射类型 3.1.2 辐射场的表征 3.1.3 地球上的天文气候 3.1.4 地表辐射平衡,3.1.1 太阳辐射类型 光辐射 太阳光谱。如图所示 。 光谱颜色与对应的波长。如表所示 。 短波辐射：包括太阳直接辐射、散射辐射、 总辐射等。 长波辐射：包括大气辐射、地面辐射、地球 辐射等。 太阳能或光能：指总辐射或光合有效辐射。,太阳的光辐射不仅给地球带来光明 地球上的植物生长

5、和开花结果也是靠太阳光来维持。 植物体内的叶绿素需要利用阳光进行光合作用，把从根部吸收的水分解为氢和氧，使氧气与从空气中吸收的二氧化碳结合形成碳水化合物；碳水化合物又是动物维系生命的植物。 太阳光辐射是地球上最重要的气候资源,太阳热辐射 太阳发射光辐射的同时，也向地球辐射热量。 太阳大气中以氢最多，由氢核聚变成氦核的热核反应，产生巨大的能量 。（3.865e26,1.32e16) 地球上获得的只是其中极微小的一部分（1/22亿）。 太阳热辐射对于地球上的人类活动具有重要的资源意义。 如果没有太阳辐射对地球能量的不断补偿和供给，地球温度将会不断下降，地球上的生命和运动也就会停止。,太阳射电辐射

6、太阳射电辐射是指太阳电磁波辐射中的无线电波部分，其波 长范围在1031011之间。太阳射电辐射对地球上的无线电通 讯具有很大影响，爆发性射电会干扰甚至终端无线电通讯。 宁静太阳射电：指当太阳面上活动区比较平静，太阳黑子、光斑、耀斑等太阳活动性因子没有变动时的太阳射电。 太阳缓变射电：主要出现在105106m波段，与太阳黑子有关。太阳面出现黑子群或大型黑子通过日面中央线时，就会发生射电扰动。 太阳爆发性射电：指106m波段的太阳射电，在很短的时间内强度突然增强千百倍的情况。,太阳微粒流辐射 微粒流辐射由许多带正电荷的质子、带负电荷的自由电子和某些化学元素的原子核组成。 太阳微粒流辐射具有一定的放

7、射方向，并不是都能到达地球区域。 当这些原子和分子的离子重新捕获电子调整能量恢复到原来状态时，就会放出光子，不同的原子发出的光颜色也不同。 太阳微粒流辐射的速度比光波辐射慢，平均约为每秒10003000km。,极光,3.1.2辐射场的表征 辐射通量(Radiant Flux或 Radiant Power) 定义：单位时间内通过空间任一表面的辐射能 量。对辐射体而言，就是辐射能的功 率。 单位：焦耳/秒(J/s)或瓦特(W)。,辐射通量密度(Radiant Flux Density) 定义：单位面积上的辐射通量，亦即单位面积 上单位时间内通过的辐射能量。 单位：瓦特/米2 (W/m2) 辐射强度

8、(Radiant Intensity) 定义：在垂直于太阳光线方向的单位面积上， 单位时间和单位立体角(solid angle)内 所通过的辐射量。 单位：瓦/米2球面度 (W/m2.sr),在平面上我们定义一段弧微分a与其矢量半径r的比值为其对应的圆心角，即圆心角为da/r；所以整个圆周对应的圆心角就是2,定义立体角为曲面上面积微元ds与其矢量半径的二次方的比值为此面微元对应的立体角，ds/r2；由此可得，闭合曲面的立体角都是4。,ds,dsn,dsnds*cos ,有关辐射强度的几点说明： - 国际单位制 (International System of Units)中，辐射强度 I也称为

9、辐射率。 - 对于辐射体来说，辐射率就是在垂直于辐射方向的单位面积上单位时间内单位立体角中放射出的辐射能 - 对于接受体来说，辐射率就是接受表面与辐射方向垂直的单位面积上单位时间内单位立体角中所接受的辐射量。,- 在平行光线的辐射场，ds面上的辐射强度只取决于辐射能在单位时间内在垂直于平行光线方向上的面积dsn上的投影，与视光源空间的张角无关，辐射强度可以用辐射通量密度来表示。,辐射强度的计算：,-采用球坐标，以ds表示辐射体表面的面元，ds为接受表面面元，则 其中，r为球半径；为方位角；为天顶角；纬圈半径为rsin；如图2.2所示。,- 对于单位半径，球面上的面积就是立体角的球面度数，整个球

10、体的面积为4r2。整个球体空间的立体角球面度数为 - 将半球空间的立体角2(sr)代入辐射强度计算公式，可求出半球的辐射通量密度为 可见： 在各向同性的辐射场中，通过一个任意表面的辐射通量密度等于辐射强度的倍。,辐射强度是波长的函数，所以，对于所有波长， 辐射强度应该为：,其中,I,是单色光的辐射强度,3.1.3 地球上的天文气候 如果不考虑地球上大气圈的作用和地形高低以及海陆分布的影响，则地球上的气候就仅取决于地球各处所获得的太阳辐射能量的多少，这种气候分布就称为“天文气候” 。,地球上没有大气时的太阳辐射能量是由太阳对地球的天文位置所决定的。所以到达地球的太阳辐射量不但存在着昼夜和季节变化

11、，而且还存在着地区差异。, 太阳常数与太阳辐射强度 定义：平均日地距离情况下，地球外层大气上界与太阳 光线垂直的单位面积上，单位时间内所得到的太 阳单色光辐射通量密度 I0称为太阳辐照度频谱 密度； 对于全部太阳辐射光谱，即太阳辐射的积分通量密度 I0，称为“太阳常数”。 太阳常数并不是绝对不变的；因为太阳活动的变化会影响太阳辐射量，而且一年中的日地距离也是不断变化的。,一般认为，I0的变化范围在13591396W/m2；目前普遍公认的太阳常数为I0=13677W/m2。,表2.2 我国神舟3号飞船轨道舱上的太阳辐照度测量结果以及美国地球观测卫星测量的太阳常数数据。,地球大气上界垂直于太阳光线

12、表面上的太阳辐射强度为 I= I0 / 2， 为日地相对距离，将太阳高度角h与地理纬度、太阳赤纬和时角的关系代入，可得地球上天文辐射强度的计算公式,太阳高度角(h)是指太阳光的入射方向和地平面之间的夹角 太阳赤纬()是地球赤道平面与太阳和地球中心的连线之间的夹角。赤纬角以年为周期，在+23 27与-23 27的范围内移动，成为季节的标志。,2327N,2327S,EQ,SmSm Smsinh,太阳高度角、太阳方位角和昼长,太阳高度角 （h）：,太阳光线与地表水平面之间的夹角。(0h90),水平面上太阳辐射的计算,Sm和Sm与h的关系图, (3-8),定义：,太阳高度角（h）愈小，太阳辐射强度愈

13、弱， 单位时间、单位面积地表上获得太阳辐射热能 直接辐射）愈少；相反愈多。 全球赤道地区地表获辐射热能最多，极地最少， 其它纬度间于两者之间。 全年夏季太阳光最强，冬季最少。,太阳高度角对辐射的影响：,水平面上得到的太阳辐射能随着h的增加而增加。,h的计算公式：,sin hsinsin+coscoscos,式中：为观测点纬度，为赤纬，是时角。,的计算,的含义：太阳直射点纬度(即太阳直射光线与赤道平面 之间的夹角)。,计算公式：,说明：以度为单位，N是从1月1号算起的总天数。,特殊日期的值：,春分日(21/3)或秋分日(23/9)：0 夏至日(22/6)：23.5N 冬至日(22/12)：-23

14、.5（23.5S）,的值,是用角度表示的时间，每15为一小时 正午：0； 上午：0； 下午：0，。,正午时刻h的计算公式,h正午90-+ (3-11),sin hsinsin+coscos=sin(90-+),太阳方位角 （A）,定义：,太阳光线在水平面上的投影和当地子午线的夹角。,计算公式,式中A值： 正南：A=0 正南以西：A0 正南以东：A0,日出日没时（h=0）, （3-13）,特殊时刻A的计算公式,北半球A的季节变化,除北极外，一年中只有春分日和秋分日(=0)，日出正东日没 正西。,夏半年内(：0+23.50)，日出东偏北方向，日没西偏北方 向； 且愈近夏至日，日出日没方位愈偏北。,

15、冬半年内(：0-23.50)，日出东偏南方向，日没西偏南方向；且愈近冬至日，日出日没方位愈偏南。,天文辐射强度的时空变化特征 以(真太阳时)正午为例(=0，h=0=90- +)，讨论如下： 季节变化 夏半年 ( 0)，南半球的太阳辐射强度由北向南降低；北半球的地区，太阳辐射强度由南向北递减，而在地区由北向南递减。|- |愈大，辐射强度愈弱。 二分日(=0)，I=I0cos/2，辐射强度与地理纬度的余弦成正比；赤道地区最大，极地最小。 冬半年 (0)，由秋分到春分南北半球的太阳辐射强度分布与夏半年相反。,地区差异： 赤道地区(=0)，I=I0cos/2 ，太阳辐射强度以春、秋分最大，冬、夏至最小

16、。 极地地区( =90)，I= I0sin /2，太阳辐射强度在北极以夏至日最大，冬至日为永夜；在南极以冬至日最大，夏至日为永夜。永夜期间太阳辐射强度为零。,天文辐射日总量 地球大气上界单位面积水平面上某段时间 t1t2内的太阳总辐射量，等于该水平面上的太阳辐射强度在这段时间内的积分。即 考虑时间与时角的关系：,T为地球自转周期（长度为24小时），t为时差,可得出天文辐射日总量计算公式,地球上某纬度处每天的太阳辐射总量就是从日出到日没这段时间的积分，由于日出日落时太阳高度角h等于零，可计算出时角,可将对时间的积分转化为对时角的积分,利用(3.6)和(3.7)式可以计算出地球上不同季节、不同纬度处任意一天的天文辐射日总量。 也可以采用太阳黄经代替太阳赤纬。与的关系为sin=sinsin；其中为黄道对赤道的倾角，约等于2327。春分日黄经为0，夏至日为90，秋分日为180，冬至日为270；