第二节 太阳辐射的短波辐射,第三章 大气和土壤的热能和温度,一、太阳辐射光谱和太阳常数,太阳辐射中辐射能按波长的分布，称为太阳辐射光谱大气上界太阳光谱能量的分布与6000K的黑体的光谱能量分布曲线相似，可把太阳辐射看作黑体辐射最大辐射能所对应的波长为0.475微米,可见光区的太阳辐射占太阳总辐射的50％，红外区占43％，紫外区占7％一、太阳辐射光谱和太阳常数,太阳常数是一个用来衡量地球所获得太阳辐射能多少的常数，是假定地球位于日地平均距离处时，地球大气上界、垂直于太阳光线的单位面积上在单位时间内接受到的太阳辐射的全谱总能量太阳常数,大气上界在日地平均距离 时与太阳光垂直的平面上的太阳分光辐照度,,,一年中，绝大多数情况下日地距离不处于日地平均距离处,二 、大气上界的太阳辐射能,,任意时刻大气上界与阳光垂直的平面上所接受的太阳辐照度,太阳常数,任意时刻的日地距离,日地平均距离,进行日地距离订正,二 、大气上界的太阳辐射能,,,大气上界水平面上的太阳辐射能,到达水平面上的太阳辐照度,,当地纬度,太阳赤纬，即太阳直射点的纬度,时角，午前为负，午后为正1小时等于15度很多情况下太阳光线和接收面不垂直，要求水平面上的太阳辐射能，需要求水平面上的太阳辐射能,太阳常数为垂直于太阳光线的方向上的辐射能，水平面上所接收到的太阳辐射能与太阳常数和太阳高度角之间的关系为,三、到达大气上界的太阳辐射日总量,,,,,日地距离订正因素,求算大气上界水平方向上的太阳辐射能总量，在一天中从日出到日落对任何时刻的太阳辐射能公式进行积分即可得到。
三、到达大气上界的太阳辐射日总量,,,,,三、到达大气上界的太阳辐射日总量,,,,,(1)北回归线以北的任一纬度上，一年中太阳辐射能日总量夏至日最大，冬至日最小而南回归线以南的南半球各纬度上，一年中太阳辐射日总量冬至日最大，夏至日最小2）北极地区，夏季有极昼，冬季有极夜，南半球相反所以北极地区太阳辐射日总量夏季较大，冬季为零而南极地区相反3）南北回归线之间的地区，一年中太阳高度角相差不大，所以太阳辐射日总量一年中相差不大但在极地附近，因有极昼与极夜出现，因此太阳辐射日总量差异较大4）南、北半球接收的太阳辐射日总量的分布是不对称的四、太阳辐射在大气中的减弱,（一）大气对太阳辐射的吸收作用,1、大气的吸收光谱,大气中吸收太阳辐射的物质主要是氧、臭氧、水汽和液态水、其次是二氧化碳、甲烷、一氧化二氮、尘埃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一）大气对太阳辐射的吸收作用,（一）大气对太阳辐射的吸收作用,2、大气中各种成分对太阳辐射的吸收,（一）大气对太阳辐射的吸收作用,（1）氧和臭氧 氧对太阳辐射的吸收带主要在0.25微米以下的紫外区，吸收很强臭氧在紫外区和可见光区都有吸收带 。
波长小于0.12微米处有一宽吸收带，吸收能力较强,氧在可见光区的吸收带：位于0.69微米附近 和 0.76微米附近，吸收能力较弱,氧气的吸收带,哈特来(Hartley)带，波长范围0.22～0.3微米之间 ，吸收最强；哈金斯（Huggins）吸收带，波长为0.32～0.36微米 较弱,臭氧在可见光区的吸收带：波长范围在0.44～0.75微米,臭氧的吸收带,红外波段臭氧比较强的吸收带是4.7微米、9.6微米和14.1微米臭氧的吸收：紫外区的吸收带使波长小于0.29微米的紫外辐射不能达到地面；可见光区的吸收对太阳辐射的削弱较强,（一）大气对太阳辐射的吸收作用,（2）水汽的吸收光谱,2、水汽和液态水,水汽对太阳辐射的吸收带和吸收线主要位于红外区 ，在红外区从波长0.70～2.85微米之间有7个主要的吸收带,（一）大气对太阳辐射的吸收作用,水汽和液态水的吸收带,水汽在可见光区和红外区都有不少吸收带，但吸收最强的是在红外区，从0.93～2.85微米之间太阳辐射能主要集中在短波的可见光部分，所以水汽的吸收对太阳辐射的削弱并不多一）大气对太阳辐射的吸收作用,（3）二氧化碳,二氧化碳在波长大于2微米的红外区有若干个吸收带，比较强的中心位于2.7微米、4.3微米和15微米。
二氧化碳的吸收带,（一）大气对太阳辐射的吸收作用,大气对太阳辐射的吸收，平流层以上主要是氧和臭氧对紫外辐射的吸收，平流层至地面主要是水汽对红外辐射的吸收整层大气吸收削弱掉太阳辐射能的19%大气直接吸收的太阳辐射并不多，特别是对对流层大气来说，太阳辐射不是主要的直接热源二）大气对太阳辐射的散射作用,光线通过密度或者折射率不均匀分布的介质时，除在光的传播方向外，在其他方向也可以见到光，这种现象称为光的散射，在传播方向之外的光称为散射光大气中可以造成散射的物质有空气分子、气溶胶（除云滴、降水以外的一切固体和液体悬浮微粒）、云雾（空气中散布着的液态微粒）和雨滴等散射与吸收的区别：吸收将辐射能转变为热能；散射只改变辐射的传递方向，使太阳辐射以质点为中心向四面八方传播，经过散射，一部分太阳辐射就到不了地面二）大气对太阳辐射的散射作用,1、分子散射（瑞利Rayleigh散射）,,,,太阳辐射遇到直径比其波长小的空气分子发生的散射称为分子散射，辐射的波长愈短，散射得愈强对于一定的分子来说，散射能力与波长的四次方成正比当太阳辐射通过大气时，由于空气分子散射的结果，波长较短的光被散射得较多雨后天晴天空呈现蓝色是因为太阳辐射中青蓝光的波长较短，容易被大气散射的缘故。
正是因为有空气分子对太阳辐射的散射我们才能看到蓝色的天空，如果没有散射，白昼的太空看起来也是完全黑暗的日出和日落时天空呈现红色是因为波长较短的蓝光在穿越较长的路径中大部分被散射掉，只剩下波长较长的红色光的原因1、分子散射,,,,,,,分子散射还有一个特点是质点散射对于其光学特性来说是对称的球形,（二）大气对太阳辐射的散射作用,2、粗粒散射（米散射）,（二）大气对太阳辐射的散射作用,太阳辐射遇到悬浮在空气中的尘埃、烟尘、水滴等比光的波长尺度大的粗粒时所产生的散射叫粗粒散射粗粒散射的散射质点对于其光学特性来说不再是对称的球形，于入射光方向伸长散射质点愈大，偏对称程度更加增大粗粒散射没有选择性，对所有波长的辐射都同样散射当空气中存在很多尘埃或雾滴时呈现灰白色的原因是粗粒散射,粗粒散射下，在射入光方向上的散射能量，分别超过了在射入光线的相反方向和垂直方向上能量的2.37及2.85倍三）云层对太阳辐射的反射,,,,大气中的云层和较大颗粒的尘埃能将太阳辐射中的一部分反射到宇宙中去其中云的反射作用最为显著，太阳辐射遇到云时被反射一部分或大部分反射对各种波长没有选择性，所以反射光成白色云层的反射能力随云状和云的厚度不同，高云（云底高度大于6000米）的反射率约为25％；中云（云底高度在2000米～6000米之间）的反射率为50％；低云（云底高度低于2000米）的反射率为65％,太阳辐射经过厚厚的大气层，由于吸收、散射和反射三种减弱作用仅有43%的太阳辐射能量能到达地面，不仅使太阳辐射发生明显减弱，而且太阳辐射光谱也发生了变化。
曲线1是大气上界太阳辐射光谱,曲线2是臭氧层下的太阳辐射光谱，臭氧主要吸收紫外线和部分可见光,曲线3是同时考虑到分子散射作用的光谱，在短波部分的散射削弱比长波部分强,曲线4是进一步考虑到粗粒散射作用后的光谱，粗粒散射对波长没有选择性,曲线5是将水汽吸收作用也考虑在内的光谱，可以近似地看成是地面观测到的太阳辐射光谱,总结：在三种削弱方式中，反射作用最重要，尤其是云层对太阳辐射的反射最为明显，另外还包括大气散射回宇宙以及地面反射回宇宙的部分；散射作用形成了达到地面的散射辐射；（从到达地面的总辐射角度来看，散射作用对太阳辐射的削弱并不显著，只是改变了辐射达到地面的方式；吸收作用的削弱最小,就全球平均而言，太阳辐射约有30％被散射和漫射回宇宙空间，成为行星反射率（包括云层的反射、空气分子的散射朝向宇宙空间的那一部分，以及地面对太阳辐射的反射）20％被大气和云层直接吸收转换为大气的热能50%到达地面被地面吸收,,,,五、到达地面的太阳辐射,,,,,,,,,,,太阳以平行光的方式，投射到地面上的那一部分辐射能，称为直接辐射 ，通常以到达水平面上的太阳直接辐射的辐照度来表示直接辐射的大小,,（一）直接辐射,,从此公式中可以发现，影响太阳直接辐射的因素很多，主要的是太阳高度角和大气透明度,1、太阳高度角,（1）太阳高度角不同时，等量的太阳辐射在地面上的散布面积不同。
太阳高度角越小，其在水平面上散布的面积越大，投射到水平面上的太阳辐射与太阳高度角的正弦成正比2）太阳高度角愈小，太阳辐射穿过的大气层愈厚，太阳辐射被减弱越多，到达地面的太阳直接辐射越少关于大气光学质量,,,,,,在地面为标准气压时，太阳光垂直照射到地面所经路程中，单位截面积的空气柱的质量，称为一个大气质量即把太阳位于天顶时，光线穿过大气经过的最短路径作为一个单位大气质量它表示倾斜方向太阳光的路程为铅直方向的太阳光的路程的倍数2、大气透明度,,,,,,,,,,,,,,关于大气透明系数P：整层大气在垂直方向上的透过率称为透明系数,,透过一个大气质量的辐射强度与进入该大气辐射强度之比，表示辐射通过大气后的削弱程度,,在相同的大气质量下，到达地面的太阳辐射也不完全一样,关于大气透明系数,,,,,,,,,,,,,,,（1）空气透明系数随大气中的湿度的增加而减小一般冬季湿度小，夏季湿度大，所以，冬季的大气透明系数较夏季为大（2）空气透明系数随大气中含尘量的增加而减小，一般极地含尘量最小，所以大气透明系数随纬度的增加而增大（3）空气透明系数随大气质量数的增加而增大,太阳辐射透过大气层后的减弱与大气透明系数和通过大气质量之间的关系，可用布格公式表示,到达地面的太阳辐射强度,太阳常数,大气透明系数,大气质量数,如果大气透明系数一定，大气质量数以等差级数增加，则透过大气层到达地面的太阳辐射，以等比级数减少。
一）直接辐射,,,,,,,,,,,,,,直接辐射随太阳高度角的增大而增加,直接辐射有显著的日变化，在无云的天气条件下，一天中，直接辐射一般是正午最大，最小值是日出日落时刻直接辐射也有显著的年变化，这种变化主要决定于太阳高度角的年变化直接辐射还随纬度而改变,（二）散射辐射,,,,,,,,,,,,,,,1、空气分子的散射,2、气溶胶粒子的散射,散射辐射：地平面上每单位时间在单位面积上接收到的来自天空一切方向的散射辐射及反射的短波辐射量散射辐射的强度也和太阳高度角和大气透明度有关散射辐射是一种短波辐射，其能量分布，比直接辐射更集中于波长较短的光谱区三）总辐射,,,,,,,,,,,,,,,同时到达地面上的太阳直接辐射和散射辐射之和，称为总辐射,,总辐射,直接辐射,散射辐射,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,四川盆地多云雾，是我国年总辐射量最小的地区,青藏高原南部，是我国总辐射最大的地区,（三）总辐射,,,,,,,,,,,,,,,,,总辐射估算公式,大气上界太阳辐射日总量,日照百分率,（四）地面对太阳辐射的反射,,,,,,,,,,,,,,,,第三节 地面和大气的辐射,第三章 大气和土壤的热能和温度,太阳辐射虽然是地球上的主要能源，但因为大气本身对太阳辐射吸收很少，而水、陆、植物等地球表面（又称为下垫面）却能大量吸收太阳辐射，并经转化供给大气，从这个意义上来说，下垫面是大气的直接热源。
一、地面和大气的长波辐射,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,地面辐射是指由地面发射的指向大气的辐射它大部分被大气所吸收，只有一小部分直达宇宙空间大气不容易让地面辐射通过大气辐射是指大气发射的长波辐射，它一部分向下到达地面，一部分被周围的大气吸收，只有小部分到达宇宙空间一、地面和大气的长波辐射,,,,,,,,,,,,,,,,地球长波辐射的相对辐射率,。