太阳辐射传输
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入射到大气上界水平面上的太阳辐照度
S0 ' = S0 cos θ S0 d
2 m
( sin ϕ sin δ + cos ϕ cos δ cos ω )
2.水平面上太阳辐射通量的计算
大气上界太阳辐射的日总量
' Qd ( ϕ , λ , D ) = ∫ S0 dt t1 t2
∫
t2
t1
2 dm S0 (sin ϕ sin δ + cos ϕ cos δ cos ω ) d t 2 m
Variability due to orbit
F(t)=S (ro/r)2 cos qo ro=mean distance qo=solar zenith angle Eccentricity, e= 0.017 Major axis ~ro(1+e) Minor axis~ ro(1-e) Variation =((1+e)/(1-e))2 ~7% Solar zenith angle cos qo = sin y sin d + cos y cos d cos h Where y= latitude d = solar declination h= hour angle
2. 大气外界太阳光谱及太阳常数
• 太阳辐射谱标准 • NASA标准：70年代初，美宇 航局用飞机测量，给出大气上 界太阳辐射谱分布，辐照度(即 太阳常数)为1353 Wm-2 。 • WRC标准：瑞士达佛斯的世界 辐射中心给出的大气上界太阳 谱分布，辐照度(即太阳常数) 为1367 Wm-2 。 • WMO仪器与观测方法委员会 1981年10月决定采用WRC标准。
2.大气外界太阳光谱及太阳常数
太阳光谱(solar spectrum) ：由极为宽阔的连续谱以及数以万计的 夫琅和费吸收线和发射线组成。 T = 5777 K 99.9% 的能量集中在IR、VIS和UV。 地面观测波段约为0.295～2.5微米。 作用：可以探测太阳大气特征和现象的产生机制与演变规律， 可以认证谱线和确认元素的丰度，研究地球气候等。
5.4.2 地球大气上界的太阳辐射能
1. 太阳的位置和时间
① 太阳高度角和方位角：大气物理学中许多问题都涉及到太阳的高 度角和方位角。对地面上处于纬度φ和经度λ的观测者而言，在 某一时刻观测到的太阳的天顶角θ（太阳高度角的余角）和方位 角a可以用下列这组方程来计算：
= cos θ sin φ sin δ + cos φ cos δ cos ω = α cos
太阳极紫外辐射图象
一架喷气客机从 巨大的太阳背景 中飞过， 由Thierry Lagault摄于法国 巴黎近郊。
1994年发生的日全食，照片摄于智利。图中可见因月球表面折射产生的贝丽珠。
• 太阳的结构
日珥_1979年12月19日NASA拍,它跨越太阳表面588,000千米
SOHO5卫星拍摄
∞
S0 = ∫ S0,λ d λ
0
= S0 S= S0 d 0 ( d0 / d )
2பைடு நூலகம்
2 m
S0表示：大气上界，与日光垂直平面上的太阳积分辐照度。式 中d为日地距离，dm=(d0/d)2为日地距离订正因数，也称为地球轨 道偏心率订正因子。
2. 大气外界太阳光谱及太阳常数
太阳常数的变化
Plot from IPCC TAR
1994
Sunspot number
1991
Lean et al 1995 Lockwood and Stamper (1999) Hoyt ans Schatten (1993)
Solanki and Fligge 1998
[例题5.2] 计算太阳的有效温度和颜色温度。 太阳的有效温度Te可由太阳常数 S0 = 1367 Wm −2 利用斯蒂芬 – 波尔兹曼定律得到。因为以日核为中心，以太 阳半径R⊙和日地平均距离d0为半径的两个球面上通过的太阳辐射能 量应该相等， 4 2 2
5.4 太阳辐射在地球大气中的传输
• • • • •
重点： 太阳辐射光谱 太阳常数 大气上界辐射能分布 太阳辐射在地气系统中的传输
大犬座VY（VYCMa ，全名称为VY Canis Majoris）是一颗位于大犬座的红色的特超巨 星，距离地球5000光年，视星等7.95。据推测，其质量约为30～40倍太阳质量，直径 约有1800～2100倍太阳直径，超越土星轨道，是目前已知的恒星中最大的。大犬座VY 不仅巨大，光度也有太阳的50万倍之多(绝对星等约-9.6），但由于星际尘埃阻挡，所 以用肉眼是见不到它的。因此也被归为特超巨星。大犬座VY处於恒星演化阶段的末期， 正以庞大的速率喷出大量的气体。未来也许会引发超新星爆炸。
2. 大气外界太阳光谱及太阳常数
美国斯密逊天体物理观象台 The Smithsonian Astrophysical Observatory (SAO)
2. 大气外界太阳光谱及太阳常数
• 观测简史 • 目前，在高山上进行的长期测量，仍是测算大气外界太阳辐射光 谱的主要手段。借助高空观测弥补紫外和红外波段的测量。
2. 相对大气质量
• 大气质量数是倾斜路径的光学厚度与垂直路径光学厚度之比：
δ λ (θ ) = m (θ ) = δλ ( 0 )
∫ ∫
∞
0 ∞ 0
kλ ρ d l kλ ρdz
• 日光倾斜入射时与自天顶入射时的光学质量之比：
∫ m (θ ) = ∫
∞
0 ∞ 0
ρd l ρdz
2. 相对大气质量
太陽黑子是太陽光球上的臨時現象，它們在可見光下呈現比周圍 區域黑暗的斑點。它們是由高密度的磁性活動抑制了對流的激烈 活動造成的，在表面形成溫度降低的區域。雖然它們的溫度仍然 大約有3000-4500K ，但是與周圍5,780K的物質對比之下，使它 們清楚的顯視為黑點，因為黑體(光球非常近似於黑體)的熱強度(I) 與溫度(T)的四次方成正比。如果將黑子與周圍的光球隔離開來， 黑子會比一個電弧更為明亮。當它們在太陽表面橫越移動時，會 膨脹和收縮，直徑可以達到80,000公里，因此在地球上不用望遠 鏡也可以直接看見 。 激烈的磁場活動顯示，太陽黑子會導致次一級的活動，像是冕圈 和再聯結事件。大多數的閃焰和日冕物質拋射都起源於可見到黑 子群存在的磁場活動區域。相似的現象也在一些有著星斑的恆星 上被直接觀測到。 太阳黑子很少单独活动，常是成群出现。黑子的活动周期为11.2 年，活躍時会对地球的磁场產生影響，主要是使地球南北极和赤 道的大气环流作经向流动，从而造成恶劣天气，使气候转冷。嚴 重時會對各类电子产品和电器造成损害。
σ Te ⋅ 4 π Re = S0 ⋅ 4 π d 0
根据R⊙、d0和σ 的数值，得出太阳的有效温度Te = 5777 K。 太阳的颜色温度Tc可根据维恩定律，由太阳光谱中的最强波长 λmax=0.48µm计算得到，
2898 = Tc = 6037 K 0.48
Te 与Tc 值不一致，说明太阳并非严格的绝对黑体。
太阳辐射在大气中的吸收和散射示意图
5.4.3 太阳的直接辐射
平均而言，每年入射地球的太阳辐射约30 %由地球和大气反射和散射回太空 （地球行星反照率0.3），19 %被大气选择性吸收，51 %被地表吸收。
大气的吸收削弱
1. 地面太阳直接辐射
• 假设：各吸收、散射过程相互独立，则衰减系数为：
k λ = k λ , R + k λ , p + k λ ,O + k λ , v + k λ , a
Solar noon, h=0 Each hour h=+15 degrees
Liou Figures 2.5
K. N. Liou, 大气辐射导论（第二版） Fig 2.6. 太阳天顶角theta0与纬度phi、太阳赤纬delta以及时角h的关系 （P和D分别是观测点及日下点）
2. 水平面上太阳辐射通量的计算
5.4.1 太阳和太阳辐射
• 粗略估计，太阳向地球输送的热能大约是250亿亿卡/分钟，相当 于燃烧4亿吨烟煤所产生的能量。 地球从月球等其它天体所得的辐射能，仅为太阳的亿分之一； 来自宇宙的辐射能也仅为太阳辐射能的20亿分之一； 从地球内部传到地面的热量，全年才为5.4卡/平方厘米，仅为 来自太阳辐射能的万分之一。 • 地球和大气最主要的能量来源是太阳辐射。 • 要了解大气各层以及地面取得的太阳辐射能的规律，需要首先知 道作为辐射源的太阳进入大气的辐射能谱分布以及地球和大气的 吸收特性。
地球的季節主要受太陽輻射 變動的影響, 影響太陽輻射 強度的因素主要為日照角度 和日照時間. 太陽光斜射時,所照射面積 較直射大,但能量強度較小.
Sun-Earth relationship
夏季太阳直射北半球，日射必 须经过较厚的大气才能到达较 高纬度地区(光程)。 地球自转轴和绕日轨道有23.5度的夹角，6月北 半球较倾向太阳，接收较多的日射，白天较长， 故天气较暖，十二月则相反。
T ∫−ω0 d S0 (sin ϕ sin δ + cos ϕ cos δ cos ω ) 2 π d ω
ω0
Qd
T 2 d m S0 (ω0 sin ϕ sin δ + cos ϕ cos δ cos ω0 ) π
取T = 86400 秒，太阳常数单位为Wm-2 ，Qd单位为Jm-2d-1。
2. 水平面上太阳辐射通量的计算
( sin δ − sin φ cos θ ) / cos φ sin δ
• 其中d 为太阳赤纬（日地中心连线与赤道平面的夹角），变化于 ±23º27′ 之间。ω为时角，定义为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0变至2π，正午时刻时角为0。
季節與太陽輻射
地球繞日的橢圓軌道，地球 在1月比7月靠近太陽。
• 大气上界太阳辐射日总量
• Qd 随纬度的变化是决定地球上 各纬度间气候差异的基本因素。 • S0 '的日变化与Qd 的年变化,使 得气温也具有日变化与年变化。 • 气温并非简单地取决于S0'和Qd
5.4.3 太阳的直接辐射
• 由于太阳离地球较远，在地面上观测到太阳的视角仅为0.5°，因 此太阳直接辐射可以认为是一种平行光辐射。 • 由于大气中的各种气体成份会吸收和散射部分太阳辐射的能量， 造成了太阳直接辐射的衰减(也称削弱、消光)。
① 均匀混合气体相对大气质量，平面平行无折射均质大气：
δ λ (θ ) (θ ) = m = δλ ( 0 )
θd z ∫ kλ ( z ) sec= ∫ kλ ( z ) dz
2. 大气外界太阳光谱及太阳常数
太阳辐射谱的观测，关心3个问题： 大气外界太阳辐射的谱分布、总谱 能量或太阳常数和太阳辐射随时间 的变化。 观测简史 ① 在20世纪初即已开始，地面测量； ② 50年代利用火箭观测了太阳的紫外 辐射； ③ 60年代利用飞机和高空气球对太阳 辐射谱作了仔细的观测研究； ④ 70年代又利用火箭和卫星以及新的 主动腔体辐射表观测了太阳辐射的 总谱能量。
2. 大气外界太阳光谱及太阳常数
• 太阳常数：在大气上界日地平均距离处，通过与太阳光线垂直的 单位面积上的太阳辐射总辐射通量密度(包括所有波长)。
Average Solar Radiation on a Sphere
2. 大气外界太阳光谱及太阳常数
• 太阳常数：太阳积分辐射通量密度。 • 1981年，WMO推荐的太阳常数最佳值为：1367±7Wm-2。
• • • • kl,R为气体分子散射所引起的衰减， kl,M为气溶胶粒子的散射所引起的衰减 kl,O为臭氧吸收所引起的衰减 kl,g为其它均匀混合气体分子(O2和CO2)吸收所引起的衰减。
衰减系数：
∞ = Sλ Sλ ,0 exp − ∫ kλ d l 0 ∞ = Sλ ,0 exp − ∫ ( kλ , R + kλ , p + kλ ,O + kλ ,v + kλ ,a ) d l 0 = Sλ ,0 exp − ( δ λ , R + δ λ , p + δ λ ,O + δ λ , v + δ λ , a ) = Sλ ,0τ λ , Rτ λ , p τ λ ,Oτ λ ,v τ λ ,a
S0 ' = S0 cos θ S0 d
2 m
( sin ϕ sin δ + cos ϕ cos δ cos ω )
2.水平面上太阳辐射通量的计算
大气上界太阳辐射的日总量
' Qd ( ϕ , λ , D ) = ∫ S0 dt t1 t2
∫
t2
t1
2 dm S0 (sin ϕ sin δ + cos ϕ cos δ cos ω ) d t 2 m
Variability due to orbit
F(t)=S (ro/r)2 cos qo ro=mean distance qo=solar zenith angle Eccentricity, e= 0.017 Major axis ~ro(1+e) Minor axis~ ro(1-e) Variation =((1+e)/(1-e))2 ~7% Solar zenith angle cos qo = sin y sin d + cos y cos d cos h Where y= latitude d = solar declination h= hour angle
2. 大气外界太阳光谱及太阳常数
• 太阳辐射谱标准 • NASA标准：70年代初，美宇 航局用飞机测量，给出大气上 界太阳辐射谱分布，辐照度(即 太阳常数)为1353 Wm-2 。 • WRC标准：瑞士达佛斯的世界 辐射中心给出的大气上界太阳 谱分布，辐照度(即太阳常数) 为1367 Wm-2 。 • WMO仪器与观测方法委员会 1981年10月决定采用WRC标准。
2.大气外界太阳光谱及太阳常数
太阳光谱(solar spectrum) ：由极为宽阔的连续谱以及数以万计的 夫琅和费吸收线和发射线组成。 T = 5777 K 99.9% 的能量集中在IR、VIS和UV。 地面观测波段约为0.295～2.5微米。 作用：可以探测太阳大气特征和现象的产生机制与演变规律， 可以认证谱线和确认元素的丰度，研究地球气候等。
5.4.2 地球大气上界的太阳辐射能
1. 太阳的位置和时间
① 太阳高度角和方位角：大气物理学中许多问题都涉及到太阳的高 度角和方位角。对地面上处于纬度φ和经度λ的观测者而言，在 某一时刻观测到的太阳的天顶角θ（太阳高度角的余角）和方位 角a可以用下列这组方程来计算：
= cos θ sin φ sin δ + cos φ cos δ cos ω = α cos
太阳极紫外辐射图象
一架喷气客机从 巨大的太阳背景 中飞过， 由Thierry Lagault摄于法国 巴黎近郊。
1994年发生的日全食，照片摄于智利。图中可见因月球表面折射产生的贝丽珠。
• 太阳的结构
日珥_1979年12月19日NASA拍,它跨越太阳表面588,000千米
SOHO5卫星拍摄
∞
S0 = ∫ S0,λ d λ
0
= S0 S= S0 d 0 ( d0 / d )
2பைடு நூலகம்
2 m
S0表示：大气上界，与日光垂直平面上的太阳积分辐照度。式 中d为日地距离，dm=(d0/d)2为日地距离订正因数，也称为地球轨 道偏心率订正因子。
2. 大气外界太阳光谱及太阳常数
太阳常数的变化
Plot from IPCC TAR
1994
Sunspot number
1991
Lean et al 1995 Lockwood and Stamper (1999) Hoyt ans Schatten (1993)
Solanki and Fligge 1998
[例题5.2] 计算太阳的有效温度和颜色温度。 太阳的有效温度Te可由太阳常数 S0 = 1367 Wm −2 利用斯蒂芬 – 波尔兹曼定律得到。因为以日核为中心，以太 阳半径R⊙和日地平均距离d0为半径的两个球面上通过的太阳辐射能 量应该相等， 4 2 2
5.4 太阳辐射在地球大气中的传输
• • • • •
重点： 太阳辐射光谱 太阳常数 大气上界辐射能分布 太阳辐射在地气系统中的传输
大犬座VY（VYCMa ，全名称为VY Canis Majoris）是一颗位于大犬座的红色的特超巨 星，距离地球5000光年，视星等7.95。据推测，其质量约为30～40倍太阳质量，直径 约有1800～2100倍太阳直径，超越土星轨道，是目前已知的恒星中最大的。大犬座VY 不仅巨大，光度也有太阳的50万倍之多(绝对星等约-9.6），但由于星际尘埃阻挡，所 以用肉眼是见不到它的。因此也被归为特超巨星。大犬座VY处於恒星演化阶段的末期， 正以庞大的速率喷出大量的气体。未来也许会引发超新星爆炸。
2. 大气外界太阳光谱及太阳常数
美国斯密逊天体物理观象台 The Smithsonian Astrophysical Observatory (SAO)
2. 大气外界太阳光谱及太阳常数
• 观测简史 • 目前，在高山上进行的长期测量，仍是测算大气外界太阳辐射光 谱的主要手段。借助高空观测弥补紫外和红外波段的测量。
2. 相对大气质量
• 大气质量数是倾斜路径的光学厚度与垂直路径光学厚度之比：
δ λ (θ ) = m (θ ) = δλ ( 0 )
∫ ∫
∞
0 ∞ 0
kλ ρ d l kλ ρdz
• 日光倾斜入射时与自天顶入射时的光学质量之比：
∫ m (θ ) = ∫
∞
0 ∞ 0
ρd l ρdz
2. 相对大气质量
太陽黑子是太陽光球上的臨時現象，它們在可見光下呈現比周圍 區域黑暗的斑點。它們是由高密度的磁性活動抑制了對流的激烈 活動造成的，在表面形成溫度降低的區域。雖然它們的溫度仍然 大約有3000-4500K ，但是與周圍5,780K的物質對比之下，使它 們清楚的顯視為黑點，因為黑體(光球非常近似於黑體)的熱強度(I) 與溫度(T)的四次方成正比。如果將黑子與周圍的光球隔離開來， 黑子會比一個電弧更為明亮。當它們在太陽表面橫越移動時，會 膨脹和收縮，直徑可以達到80,000公里，因此在地球上不用望遠 鏡也可以直接看見 。 激烈的磁場活動顯示，太陽黑子會導致次一級的活動，像是冕圈 和再聯結事件。大多數的閃焰和日冕物質拋射都起源於可見到黑 子群存在的磁場活動區域。相似的現象也在一些有著星斑的恆星 上被直接觀測到。 太阳黑子很少单独活动，常是成群出现。黑子的活动周期为11.2 年，活躍時会对地球的磁场產生影響，主要是使地球南北极和赤 道的大气环流作经向流动，从而造成恶劣天气，使气候转冷。嚴 重時會對各类电子产品和电器造成损害。
σ Te ⋅ 4 π Re = S0 ⋅ 4 π d 0
根据R⊙、d0和σ 的数值，得出太阳的有效温度Te = 5777 K。 太阳的颜色温度Tc可根据维恩定律，由太阳光谱中的最强波长 λmax=0.48µm计算得到，
2898 = Tc = 6037 K 0.48
Te 与Tc 值不一致，说明太阳并非严格的绝对黑体。
太阳辐射在大气中的吸收和散射示意图
5.4.3 太阳的直接辐射
平均而言，每年入射地球的太阳辐射约30 %由地球和大气反射和散射回太空 （地球行星反照率0.3），19 %被大气选择性吸收，51 %被地表吸收。
大气的吸收削弱
1. 地面太阳直接辐射
• 假设：各吸收、散射过程相互独立，则衰减系数为：
k λ = k λ , R + k λ , p + k λ ,O + k λ , v + k λ , a
Solar noon, h=0 Each hour h=+15 degrees
Liou Figures 2.5
K. N. Liou, 大气辐射导论（第二版） Fig 2.6. 太阳天顶角theta0与纬度phi、太阳赤纬delta以及时角h的关系 （P和D分别是观测点及日下点）
2. 水平面上太阳辐射通量的计算
5.4.1 太阳和太阳辐射
• 粗略估计，太阳向地球输送的热能大约是250亿亿卡/分钟，相当 于燃烧4亿吨烟煤所产生的能量。 地球从月球等其它天体所得的辐射能，仅为太阳的亿分之一； 来自宇宙的辐射能也仅为太阳辐射能的20亿分之一； 从地球内部传到地面的热量，全年才为5.4卡/平方厘米，仅为 来自太阳辐射能的万分之一。 • 地球和大气最主要的能量来源是太阳辐射。 • 要了解大气各层以及地面取得的太阳辐射能的规律，需要首先知 道作为辐射源的太阳进入大气的辐射能谱分布以及地球和大气的 吸收特性。
地球的季節主要受太陽輻射 變動的影響, 影響太陽輻射 強度的因素主要為日照角度 和日照時間. 太陽光斜射時,所照射面積 較直射大,但能量強度較小.
Sun-Earth relationship
夏季太阳直射北半球，日射必 须经过较厚的大气才能到达较 高纬度地区(光程)。 地球自转轴和绕日轨道有23.5度的夹角，6月北 半球较倾向太阳，接收较多的日射，白天较长， 故天气较暖，十二月则相反。
T ∫−ω0 d S0 (sin ϕ sin δ + cos ϕ cos δ cos ω ) 2 π d ω
ω0
Qd
T 2 d m S0 (ω0 sin ϕ sin δ + cos ϕ cos δ cos ω0 ) π
取T = 86400 秒，太阳常数单位为Wm-2 ，Qd单位为Jm-2d-1。
2. 水平面上太阳辐射通量的计算
( sin δ − sin φ cos θ ) / cos φ sin δ
• 其中d 为太阳赤纬（日地中心连线与赤道平面的夹角），变化于 ±23º27′ 之间。ω为时角，定义为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0变至2π，正午时刻时角为0。
季節與太陽輻射
地球繞日的橢圓軌道，地球 在1月比7月靠近太陽。
• 大气上界太阳辐射日总量
• Qd 随纬度的变化是决定地球上 各纬度间气候差异的基本因素。 • S0 '的日变化与Qd 的年变化,使 得气温也具有日变化与年变化。 • 气温并非简单地取决于S0'和Qd
5.4.3 太阳的直接辐射
• 由于太阳离地球较远，在地面上观测到太阳的视角仅为0.5°，因 此太阳直接辐射可以认为是一种平行光辐射。 • 由于大气中的各种气体成份会吸收和散射部分太阳辐射的能量， 造成了太阳直接辐射的衰减(也称削弱、消光)。
① 均匀混合气体相对大气质量，平面平行无折射均质大气：
δ λ (θ ) (θ ) = m = δλ ( 0 )
θd z ∫ kλ ( z ) sec= ∫ kλ ( z ) dz
2. 大气外界太阳光谱及太阳常数
太阳辐射谱的观测，关心3个问题： 大气外界太阳辐射的谱分布、总谱 能量或太阳常数和太阳辐射随时间 的变化。 观测简史 ① 在20世纪初即已开始，地面测量； ② 50年代利用火箭观测了太阳的紫外 辐射； ③ 60年代利用飞机和高空气球对太阳 辐射谱作了仔细的观测研究； ④ 70年代又利用火箭和卫星以及新的 主动腔体辐射表观测了太阳辐射的 总谱能量。
2. 大气外界太阳光谱及太阳常数
• 太阳常数：在大气上界日地平均距离处，通过与太阳光线垂直的 单位面积上的太阳辐射总辐射通量密度(包括所有波长)。
Average Solar Radiation on a Sphere
2. 大气外界太阳光谱及太阳常数
• 太阳常数：太阳积分辐射通量密度。 • 1981年，WMO推荐的太阳常数最佳值为：1367±7Wm-2。
• • • • kl,R为气体分子散射所引起的衰减， kl,M为气溶胶粒子的散射所引起的衰减 kl,O为臭氧吸收所引起的衰减 kl,g为其它均匀混合气体分子(O2和CO2)吸收所引起的衰减。
衰减系数：
∞ = Sλ Sλ ,0 exp − ∫ kλ d l 0 ∞ = Sλ ,0 exp − ∫ ( kλ , R + kλ , p + kλ ,O + kλ ,v + kλ ,a ) d l 0 = Sλ ,0 exp − ( δ λ , R + δ λ , p + δ λ ,O + δ λ , v + δ λ , a ) = Sλ ,0τ λ , Rτ λ , p τ λ ,Oτ λ ,v τ λ ,a