地表水热平衡2.2

地表水热平衡

刘绍民

北京师范大学地理学与遥感科学学院

2.2太阳总辐射

2.2.1 天文辐射

2.2.2 直接辐射

2.2.3 散射辐射

2.2.4 总辐射

2.2.1 天文辐射

图2.2 地球自转轴的倾斜造成入射太阳辐射的变化地球公转一周所需的时间为一年。由于日地距离的改变使得到达地面的太阳辐射能在一年中有7%的变化。

地球在绕太阳公转的同时还有自转。地球自转一周所需的时间为一天，一年中太阳有时直射北半球，有时直射南半球，其直射点在南北纬度23º27’之间变动，且在南北两极的极圈内会出现极昼和极夜。

地球上某个地方得到太阳能的多少与太阳高度角及日照时间的长短有关。一个地区太阳高度角和日照时间长短的变化主要是由太阳直射点的变化引起的。地球上各点随着地球在公转轨道上的位置不同，使太阳高度、日照时间和太阳辐射也发生不同的变化。因此自转是产生昼夜变化的原因，自转轴的倾斜是造成季节变化的原因。

1、天文辐射

不考虑地球大气和地球表面不同性质对太阳辐射的影响，把地球假想为没有大气的均一球体，这种条件下的太阳辐射称为天文辐射。

除太阳本身的变化外，天文辐射主要决定于太阳高度、日地距离和白昼长度。

在天文辐射和太阳视位置计算中，需要三个表征日地运动关系的天文参量: 太阳赤纬、日地距离和时差。

3、赤纬

赤纬是日地中心连线与赤道平面的交角，变化在±23º27´之间。

2、太阳常数s 0

在大气上界，在太阳与地球平均距离处，与日光垂直平面上的太阳辐照度，称为太阳常数s 0。

WMO 在1981年推荐的太阳常数是1367±7W/m ２。

若把365d 对应于区间[0，2Π]，取D 为一年中的日数（1月1日D=1，12月31日D=365），则日角x=2π(D-1)/365

x

x x x x x 3sin 001516.03cos 002689.02sin 000896.02cos 006799.0sin 072075.0cos 399512.0006894.0+−+−+−=δ

图2.3 赤纬与日地距离订正因子的年变化

订正因子一般随赤纬的减少而增加，但上、下半年各循不同的路线变化。每年有两次数值为1（4月4日、10月5日），各有一次极大值和极小值（1月4日、7月5日）。

图2.4

天球坐标示意图5、天球坐标

假定地球不动，处在原点位置，宇宙各个天体（星体）是围绕着地球在一个球面上运动，这个球体称为天体。

子午圈：通过天顶、天底在天球上所截的大圆，其平面称天子午面。中天：天体通过子午面。每个天体每天有两次通过子午面，在最高位置时称上中天，在最低位置时称下中天。

假如天体位置在天球上X处，则天体与地平面的张角＜XOM，称为高度角h。而天体与天顶的张角＜XOZ称为天顶角。

以南点为标准，它和天体高度圈与地平面交点的夹角＜SOM，称为方位角A，南点A=0°；向西为正，西点A=90°，东点A=-90°。

垂直于天赤道的子午圈PXTP’，称为时圈。天子午圈与天体时圈在天极的张角＜XPZ称为时角t （观测点的经圈与太阳重合后（即当地正午）地球自转的角度，每天从0º变至360º，正午时刻时角为0º）。

图2.5 天球位置坐标

6、时差

太阳相继两次经过同一地方子午圈所经历的时间为一个太阳日。由于太阳日有真和平太阳日的区别，因此有两种太阳时。

对某个观测点来说，太阳视圆面的中心连续两次上中天经历的时间为一个真太阳时，以太阳视圆面中心上中天的时刻作为起算点。由于人们习惯以子夜为时间的起算点，所以规定真太阳时在数值上等于太阳视圆面中心的时角加上12小时。---椭圆形

假想在太阳附近有一在赤道平面上作等速圆周运动的天体，其速度等于太阳视运动的平均速度，这个天体就是平太阳。平太阳时以平太阳在观测点下中天时刻作为起算点。

真太阳时和平太阳时的差异称为时差η，

η

=

真太阳时−

平太阳时

时差η在一年之中变化于+16分25秒（10月30日）至-14分15秒（2月11日）之间。

为了便于不同地区交往，规定以标准经度的平太阳时为时间标准，成为标准时。（1）世界时，以0 °经度线即英国格林尼治天文台的平太阳时子夜为0时。（2）区时，规定以东经120°的平太阳时子夜为北京时0时，北京时比世界时早8小时。

计算太阳辐射是应考虑真太阳时，

x

x x

x 2sin 040685.02cos 014974.0sin 032040.0cos 002061.0000043.0−−−+=ηη

η

++=+=经度订正）阳时（当地标准经度的平太平太阳时真太阳时）（经度订正λλ−−=s 4λs 为当地标准时的经度（北京时120 °）；λ是当地经度。

min

图2.6 赤纬与时差的年变化

从图中可看出，时差每年有4次为零，两次极大值和两

次极小值。

7、太阳高度

太阳高度（h ）是光线与受光面的交角，是纬度

（φ）、太阳赤纬（δ）和时角（ω）的函数，根据球面三角可表示为：

ωδϕδϕcos cos cos sin sin sinh +=cosh cos /sinh)sin (sin cos ϕϕδα−=式中φ是地理纬度；δ为太阳赤纬；ω是时角；α为方位角。

8、可照时间

除南北极圈之内的地区外，一日中日出到日没的时间为昼，日没到日出的时间为夜。昼长时间称为可照时间。在日出、日没时（ω= ω0），太阳高度角等于0对于水平面，在日出、日没时(ω= ω0)，太阳高度h=0，

2ω0就是昼长，负根-ω0相当于日出时的时角；正根ω0相当于日没时的时角。当-ω0< ω< ω0时，上式才有意义。以小时为单位的昼长N 为：