城市气象学第六章：城市太阳辐射

CO2：吸收作用主要在红外区内，可以忽略不计。 尘埃：吸收量很小。
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大气对太阳辐射的吸收作用
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？
高 层 大 气
（选择特性）
氧原子吸收部分紫外线
平 流 层 对 流 层
2.为什么大气直接吸 收的太阳辐射能量是 很少的？
臭氧大量吸收紫外线
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。
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。 ho即太阳高度角，它随时间而变化。
太阳光线 ho ho 地面
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。
为什么晴朗的天空呈现青蓝色？
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为什么傍晚的夕阳偏橘红色？
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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：
I 2
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（0.76～15μm）的波长接近， 所以云雾对红外线的散射主要是米氏散射。
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4μm波长范围内的 辐射。
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城市太阳总辐射特征
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吸收作用 主要的吸收成分 氧、臭氧、水汽、CO2 和固体杂质 各成分的吸收波段
气体成分
氧 臭氧 水汽
强吸收波段
<0.2μm的紫外光 0.2~0.32μm的紫外光 0.93~2.85μm的红外光 （三个强吸收带）
来自百度文库
弱吸收波段
0.69~0.76μm的可见光 0.6μm的可见光 0.6~0.7μm的可见光 （三个弱吸收带）
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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。
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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
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。
二氧化碳、水汽吸收红外线
（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）
地
面
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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。
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
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
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。
(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。
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太阳辐射在大气中的减弱

城市太阳辐射的波长变化
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。
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。
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0.15—120μm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。
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
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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。
散射分为分子散射（蕾利散射）、米散射和漫射。
r << 时，分子散射。
r ≈
时，米散射。
r >> 时，漫射。
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雷利分子散射定律
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：
I 4
意义
入射光波长愈短，散射能力愈强。
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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/m2，与周围四个近郊站(宝山、嘉定，川 沙，上海县)的平均值(75.19W/m2)相比少 8.55W/m2。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/m2，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/m2，少40％。
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1958~1985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(1958~1970年)太阳直接辐射最 大，到了第二时段(1971~1980年)太阳直接 辐射比第一时段约减少15.3％，而第三时段 (1981~1985)又比第二时段减少16.9％。
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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。
图中： 实线是大气上界 的太阳辐射光谱； 虚线是温度在 C 6,000K时的黑体 辐射光谱。
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A紫外区，B可见光，C红外区
B A
大气上界的太阳辐射光谱
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 ／m2 世界气象组织采用： 1367 W ／m2 太阳辐射强度 （太阳辐射通量密度）
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10—20％。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 50—55％。
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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。
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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？
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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。
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。
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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。
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城市对太阳辐射的影响
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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。
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。
单位时间内投射到单位面积上的太阳辐射能量。单位：W ／m2
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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
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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。
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。