地表水热平衡2.6

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

第二章地表的辐射平衡

2.6 地形对地表辐射平衡的影响

2.6.1地形对可照时间的影响

2.6.2 起伏地形下太阳辐射的计算

2.6.3 坡地太阳辐射的特征

第二章地表的辐射平衡

2.6 地形对地表辐射平衡的影响

陆地上大部分地区是起伏不平的山地、高原、盆地和丘陵，其形状极其复杂，但可以大致分为几种类型：1、突出地形，如高大山脉、山峰、山脊、丘陵；2、凹陷地形，如盆地、谷地；3、平坦地形，如平原、高原；4、起伏地形，如连绵重叠的山峦。地形对辐射的影响是相当复杂的，海拔高度、坡度、坡向、遮蔽度以及地表性质等对辐射均有影响。

2.6.1地形对可照时间的影响

地形对日照分布的影响可归结为如下两个问题：1）坡地

本身（测点）的海拔高度对日照的影响；2）坡度、坡向的影响。

图2.1海拔高度对可照时间影响

在北半球，夏半年δ>0，水平面上的时

角余弦为负，

ϕ

ωtg

δ

=

−

tg

cos

ω

在第二和第三象限，|ωH|>|ω0|。

冬半年，δ<0，cosω0为正，ω0在第一与第四象限，仍有| ωH|>| ω0|。

在没有地形遮蔽的情况下，H越大，海拔高度

越高，| ωH|就越大。日出时间越早，日落时间越晚。

在地球上，地形高度一般在1.2km以下，这个高度相对于地球半径而言是很小的，ωH产生的差额也不过2-3°，折算时间为10分钟，所以可忽略不计。

同时，在实际中，海拔高度不是悬空的测定，观测点在高山的平地或山坡上，太阳光不可能由地平线下投射到水平面，加上坡度、坡向和地形遮蔽，都使| ωH|<| ω0|。

实际上，地形对日照的影响总是减短它的可照时间。日照时间随海拔高度的变化是一个极复杂的问题，除地形变化外，各地的天气气候情况，对可

照时间也有很大的影响。图2.2 在28°14‘-30°09’N 的四川山

区，相对日照随高度的变化

在我国四川山地，因为各

季多低云和辐射雾，所以1月的

相对日照400m 以上是减低的，

400m 左右达到一极大值，再向

上因绝热雾和云量又迅速减

少，直至900 m 以上才随高度增

大。夏季。因西南季风送来大

量水汽，山区云量较多，故

1000m 以下相对日照随高度的

升高减少。

cos

已知

cos 图2.3 坡面上的太阳辐射

S m 表示大气质量为m 时，光线垂直入射地面的太阳辐射量，则坡面的太阳辐射量为：

i

s s m cos ,=ψα不同季节、不同纬度、不同时间的坡地太阳辐射量与坡度和坡向之间的关系：

[]ψααψαcos cosh sin sinh cos ,+=m S S

1

sin sin cos cos cos sin sin cos sin cos cos sin 222=++=+=+=w v u w v u n

n n

ψαα

ϕψαϕψαϕαϕ要确定坡地日出日没时间，则需0,=

ψαS 即：

[]

ωδωδδψαsin cos cos cos sin w v u S S m ++=，则：

设：sin cos cos cos sin 0u v w δδωδω++=理论计算方法

图解法

对于实际地形遮蔽下的可照时数计算，采用图解法比较直观、使用方便。

以考虑的地点为圆心，作一圆，表示该地点的视平面。取两个坐标，一个是方位角坐标，由正南算起，向西为正，向东为负。另一个是高度角(仰角）坐标，由圆周上量起，沿半径刻度由0至90º。然后将坡度（遮蔽角）也绘在上面。

例如对于南坡30º的坡面，则要在正北的方位上找出仰角为30º的点，然后找出与正北方位相差±90º的方位，这两个方位对本测点的仰角是0º，于是通过三点作一圆弧，此圆弧与地平大圆所包部分为该坡地的遮蔽范围。

绘上任一天的太阳视轨道（按照太阳视轨道方程计算出逐时的太阳高度角和方位角，然后逐点绘在图上，连成太阳视轨道），对于任一地点（纬度φ）、任何日期（赤纬δ），只需事先算出海平面日出、日

落方位角±A，和正午太阳高度角H

正午，就可

通过此三点日出（-A，0）、日落（A，0）、正午（0，H

正午

）画弧，作出太阳视轨道。

凡是处于阴影范围内即表示太阳光线被坡地所挡，无日照。相反，表示有日照。

1)南坡（ψn=0）的日照状况

图2.4 南坡日照条件

s1-夏半年太阳视轨道；s2-二分日太阳视轨道；s3-冬半年太阳视轨道

在夏半年，当坡度小于纬度时，其每天的可照时间与水平面上相同；当坡度等于纬度时，每天可照时间为12小时；当坡度大于纬度时，每天可照时间随着太阳赤纬δ的增大而减小，其坡度每增加

1º，相当于纬度降低1º，愈近夏至，可照时间的减小愈厉害。

在冬半年，可照时间与水平面相同。所以在一年中，南坡可照时间最长在春分和秋分，最短在冬至和夏至。

2)北坡（ψn=180）的日照状况

图2.5 北坡日照条件

北坡的日照状况正好与南坡相反，在冬半年，当太阳升出地平线后，北坡上开始有一段时间由于坡地遮敝而无日照，直至太阳高度超过超过坡地的遮敝

角，光线自坡后投射至坡面开始有日照（ω

1）直至

（ω

2）终止日照，其可照时间随着坡度增大而迅速

减少，坡地每增加1度，相当于纬度升高1度，越近冬至，可照时间减小越快，当α＞90－φ＋δ时，其日照时间便等于零，成为永夜。

在春分和秋分日，当坡度α＝30º时，北坡上全天仍有日照，坡度增大，日照减少，至坡度α＝90º时，北坡全日无日照。

在夏半年，当坡度α＜90°－φ＋δ时，可照时间与水平面相等，不受坡度的影响；当坡度α＞90°－φ＋δ时，可照时间随着坡度增大急剧减小。