03太阳辐射传输
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第03讲 遥感物理基础之二_太阳辐射
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地球大气对太阳辐射传输特性的遥感应用：
1.选择大气窗口。 2.认识大气传输对遥感图像判读的影响： ①大气散射使短波波段（如0.5-0.6μm）的地物 影像增加亮度，使景物反差减小； ②大气的吸收使长波波段（如0.8-1.1μ m）减低 亮度。 3.为图像恢复或辐射校正提供依据。
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思考题
1、大气的散射现象有几种类型？根据不同散射类 型的特点分析可见光遥感与微波遥感的区别，说 明为什么微波具有穿云透雾能力而可见光不能？ 2、综合论述太阳辐射传播到地球表面又返回到遥 感器这一整个过程中所发生的物理现象。
3、什么是大气窗口？大气窗口有哪些波段区间？
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河北工程大学 资源学院
遥感地质学
Remote Sensing Geology 遥感物理基础（2） －地球大气对太阳辐射传输的影响
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遥感地质学章节内容
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章 绪论 遥感物理基础（电磁波谱与电磁辐射） 遥感成像原理与图像特征 遥感图像处理 遥感图像地质解译标志 遥感图像地貌解译 遥感图像的岩性解译 遥感图像构造解译 遥感应用
3）中红外波段3.0－5.0μm，3.5－4.2μm和4.6－5.0μm； •（ 地球大气对太阳辐射的传输影响有吸收作用、散 1、选择大气窗口。 电磁波通过地球大气层时较少被反射、吸收或散射，透 2 、认识大气传输对遥感图像判读的影响：①大气散射使短 射作用、反射作用和折射作用。 （ 4 ）远红外波段8.0－14.0μm； 过率较高的波段，称为大气窗口。
折射角度大。
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大气窗口
• 大气窗口 • 主要大气窗口和遥感波谱通道(波段)：P13表2-4 电磁波通过地球大气层时较少被反射、吸收或散射，透过率 （ 1） 0.3-1.3μm：紫外波段、可见光波段、近红外波段 较高的波段，称为大气窗口。 微波波段：其常用的波段为0.8cm，3cm，5cm，10cm等等, （2） 1.5-2.5μm：近红外波段 包括部分紫外（ 电磁波信息来自地面目标物的反射光谱；可以用摄影方式来获 0.3－0.38μm ）、全部可见光（ 0.38－0.76μm） 有时也可将该窗口扩展为 0.05cm 至300cm波段。 （3） 3.0-5.0μm：中红外波段 及近红外波段（ 得和记录地物的电磁波信息 0.76－1.3μm ；电磁波的透射率在 ），是摄影成像的最佳波段，也 90％以上。 近红外窗口，在白天日照条件好的时候扫描成像常用这些波段， 电磁波信息仍来自地面目标物的反射光谱，但不能用胶片摄影， 其特点是：微波穿云透雾的能力强，这一区间可以全天候工作； 是许多卫星传感器扫描成像的常用波段，比如， Landsat 卫星 比如 TM 的 5 、 7 波段等用以探测植物含水量以及云、雪或用于 只能用扫描仪和光谱仪以及射线测试仪来测量和记录；由于水 （ 4 ） 814μm：远红外波段 中红外波段电磁波信息由地面物体反射太阳辐射和地面物体自 主要用于主动遥感，如侧视雷达。 中红外波段，物体的热辐射较强。如NOAA卫星的AVHRR传 的 TM 的1-4 波段，SPOT 卫星的 HRV 波段等。 地质制图等。 汽、二氧化碳等的作用， 1.8μm 附近有一个吸收带，因此使此 身的发射辐射混合而成，用扫描仪和光谱仪探测和记录；也分 （ 5 ） 0.8-100cm ：微波波段 感器用 3.553.93μm 探测海面温度，获得昼夜云图。 远红外波段：主要来自物体热辐射的能量，适于夜间成像，测 远红外波段：探测或记录目标物的发射光谱，利用扫描仪和热 窗口又分为两个小窗口 1.5－透过率为 1.75μm和 2.1 －2.4μm 。 透过率 为两个小窗口： 3.5 － 4.2μm 95 ％， 4.6 － 5μm 量探测目标的地物温度。 辐射计、光谱计；是地表物体在常温下辐射能量最强的波段； 约为 60－ 70％。 在9.6μm 附近处，分为两个小窗口，透射率约在 60－80％。
地理必修件大气受热过程和大气运动
季风的类型：东北季 风、西南季风、西北
季风、东南季风
季风的成因：海陆热 力性质差异、气压带 和风带的季节性移动
季风的影响：影响气 候、降水、农业生产、
交通运输等
感谢观看
汇报人：
动，形成风带
气压带与风带的分布：气压 带与风带在地球表面呈带状 分布，包括赤道低气压带、 副热带高压带、极地高压带
等
气压带与风带的影响：气压 带与风带对地球的气候、天 气、海洋等产生重要影响， 如赤道低气压带控制下的热 带雨林气候，副热带高压带
控制下的地中海气候等
季风的形成与影响
季风的定义：季节性 风向变化
地理必修件大气受热过程和大气 运动
汇报人：
目录
Contents
01 添 加 目 录 项 标 题 02 大 气 的 受 热 过 程 03 大 气 的 运 动
1
添加章节标题
2
大气的受热过程
太阳辐射的传输
太阳辐射：太阳发出的电磁波，包括可见光、红外线和紫外线等 传输途径：太阳辐射通过大气层，到达地球表面 吸收和散射：大气中的气体、尘埃和水滴等会吸收和散射太阳辐射 影响因素：大气密度、湿度、气溶胶等会影响太阳辐射的传输
大气的削弱作用
大气的反射作用：大气中 的云层、尘埃等可以反射 太阳辐射，减少到达地面
的太阳辐射量。
大气的吸收作用：大气中 的二氧化碳、水蒸气等可 以吸收地面反射的热量，
减少热量的散失。
大气的散射作用：大气中 的气体分子和微小粒子可 以散射太阳辐射，使太阳 辐射更加均匀地分布在地
球表面。
大气的逆辐射作用：大气 在吸收地面辐射后，会向 地面辐射热量，补偿地面 辐射的损失，使地球表面
量
逆辐射的作用：减少 地球表面热量的损失，
季风、东南季风
季风的成因：海陆热 力性质差异、气压带 和风带的季节性移动
季风的影响：影响气 候、降水、农业生产、
交通运输等
感谢观看
汇报人：
动，形成风带
气压带与风带的分布：气压 带与风带在地球表面呈带状 分布，包括赤道低气压带、 副热带高压带、极地高压带
等
气压带与风带的影响：气压 带与风带对地球的气候、天 气、海洋等产生重要影响， 如赤道低气压带控制下的热 带雨林气候，副热带高压带
控制下的地中海气候等
季风的形成与影响
季风的定义：季节性 风向变化
地理必修件大气受热过程和大气 运动
汇报人：
目录
Contents
01 添 加 目 录 项 标 题 02 大 气 的 受 热 过 程 03 大 气 的 运 动
1
添加章节标题
2
大气的受热过程
太阳辐射的传输
太阳辐射：太阳发出的电磁波，包括可见光、红外线和紫外线等 传输途径：太阳辐射通过大气层，到达地球表面 吸收和散射：大气中的气体、尘埃和水滴等会吸收和散射太阳辐射 影响因素：大气密度、湿度、气溶胶等会影响太阳辐射的传输
大气的削弱作用
大气的反射作用：大气中 的云层、尘埃等可以反射 太阳辐射，减少到达地面
的太阳辐射量。
大气的吸收作用：大气中 的二氧化碳、水蒸气等可 以吸收地面反射的热量，
减少热量的散失。
大气的散射作用：大气中 的气体分子和微小粒子可 以散射太阳辐射，使太阳 辐射更加均匀地分布在地
球表面。
大气的逆辐射作用：大气 在吸收地面辐射后，会向 地面辐射热量，补偿地面 辐射的损失，使地球表面
量
逆辐射的作用：减少 地球表面热量的损失，
地理必修件时大气的受热过程大气对地面的保温作用大气热力环流
热力环流的影响：影响气候、 天气、海洋等自然现象。
热力环流的表现形式
Байду номын сангаас
垂直方向：对流 层和平流层
水平方向：三圈 环流（低纬环流、 中纬环流、高纬 环流）
季节变化：夏季 环流和冬季环流
地域差异：海陆 风、山谷风、城 市风等
热力环流对气候的影响
影响气温：热力环流导致气温的差异，形成不同的气候带 影响降水：热力环流影响降水的分布，形成不同的降水类型 影响风带：热力环流影响风带的移动，形成不同的风向和风速 影响天气系统：热力环流影响天气系统的形成和发展，形成不同的天气现象
意义
水汽和云雾的保温作用
水汽和云雾在 大气中的含量
和分布
水汽和云雾对 太阳辐射的吸
收和反射
水汽和云雾对 地面辐射的吸
收和反射
水汽和云雾对 大气温度的影
响和调节
温室效应
定义：大气中的温室气体吸收并重 新放射地球表面反射的热量，导致 全球气温上升的现象
产生原因：人类活动（如燃烧化石 燃料、森林砍伐等）和自然过程 （如火山爆发、海洋释放等）
大气逆辐射
定义：大气逆辐射是指大 气层吸收地面辐射并反射
回地面的过程
原理：大气中的二氧化碳、 水蒸气等温室气体吸收地 面辐射并反射回地面，使
地球表面保持温暖
影响：大气逆辐射对地球 气候有重要影响，可以调 节地球表面温度，防止地
球表面温度过低
应用：大气逆辐射的研究 和应用对于理解地球气候 和预测气候变化具有重要
地理必修一中的大气受热过 程、保温作用和热力环流
汇报人：
目录
01 单 击 添 加 目 录 项 标 题 02 大 气 的 受 热 过 程 03 大 气 的 保 温 作 用 04 大 气 热 力 环 流
太阳辐射基础知识
03 太阳辐射测量与观测技术
直接测量方法
日射强度计测量
使用日射强度计直接测量太阳辐射的强度， 通常采用热电偶或光电传感器进行测量。
分光光度计测量
利用分光光度计测量太阳辐射的光谱分布， 可以得到不同波长的辐射强度。
间接测量方法
卫星遥感测量
通过卫星搭载的遥感仪器，间接测量地球表面的太阳辐射反射率和辐射平衡等参数，推 算太阳辐射量。
数据可视化
利用图表、图像等方式对观测数据进行可视 化展示，以便更直观地了解太阳辐射的分布 和变化情况。
D
04 太阳辐射资源评估与应用前景
资源评估方法
01
02
03
直接测量法
通过地面观测站直接测量 太阳辐射量，获取准确数 据。
卫星遥感法
利用卫星遥感技术获取大 范围、连续的太阳辐射数 据。
模型模拟法
通过建立数学模型，模拟 太阳辐射在地球表面的分 布和变化。
谢谢聆听
加强国际合作
全球共同应对气候变化挑战，加强国 际合作与交流，共同推动全球可持续 发展。
06 总结回顾与展望未来发展趋势
关键知识点总结
太阳辐射定义
太阳以电磁波形式向宇宙空间放射的能量。
太阳辐射光谱
包括紫外线、可见光和红外线等，不同波长的光谱具有不 同的能量和特性。
太阳常数
在地球大气层外，垂直于太阳光线的平面上，单位面积、 单位时间内接收到的太阳辐射能量，是一个用于描述太阳 辐射强度的物理量。
气候变化
太阳辐射的变化还会引起大气环流、降水分布等气候要素的变化，从而影响全球和区域气候。
对生态环境影响
生物多样性
太阳辐射对生物多样性的影响表现在多个层 面，如光合作用、生物地理分布、物种繁衍 等。太阳辐射的强弱直接影响植物的生长和 分布，进而影响整个生态系统的结构和功能 。
大气辐射传输
大气辐射传输
大气辐射传输是指大气层对太阳辐射和地球辐射的吸收、散射和透过过程。
辐射传输对于地球的能量平衡和气候变化具有重要影响。
太阳辐射传输是指太阳光在大气层中的传播过程。
太阳光包括可见光、紫外线和红外线等各个波长的辐射。
当太阳辐射进入大气层时，一部分被大气层直接吸收，一部分会被大气层散射和透过。
其中散射是指太阳辐射在大气层中发生方向改变的现象，散射过程会使太阳光在任意方向上均有可能被观测到。
透过是指太阳辐射穿过大气层到达地表的过程。
太阳辐射的传输过程受到大气层中各种气体、云、气溶胶和地表的影响，不同波长的辐射在大气层中的传输特征也各不相同。
地球辐射传输是指地球表面发出的热辐射在大气层中的传播过程。
地球表面主要发出的是长波红外辐射，包括地球的地表辐射和大气层内的辐射。
在地球辐射传输过程中，大气层的主要作用是散射和吸收地球辐射。
一部分地球辐射能够直接透过大气层达到太空，一部分被大气层吸收后被重新辐射到太空中，形成热辐射平衡。
大气辐射传输对于地球能量平衡和气候变化具有重要影响。
太阳辐射传输直接影响到地球的能量收入，地球辐射传输则决定了地球的能量输出。
其中，大气层对太阳辐射的吸收和散射会影响到地球的能量收入量，而大气层对地球辐射的吸收和透过则影响到地球的能量输出量。
这些能量的变化对大气层和地表的温度、气候和天气现象产生影响。
因此，对大气辐射传输过
程的研究对于了解地球的能量平衡和气候变化机制具有重要意义。
2021年清华大学建筑环境学03第3章热湿环境-1
《清华大学学报》, 1989年, 第5期
工程应用：缝隙法、换气次数法
12
网络平衡法原理
节点平衡：AG＝0 回路压力平衡：B P＝0
各支路和节点均编号。
网络关联矩阵A元素 aij： 由 i 点到 j点为1，反之为 -1，无
关为0。
基本回路矩阵B元素 bij： 由 j支路与 i 回路同向为1，反之
为 -1，无关为0。
围护结构传热 传湿
室内产热产湿
对流换热 (对流质交换)
导热 (水蒸汽渗透)
辐射
5
基本概念
得热(Heat Gain ⎯⎯ HG)：某时刻在内外扰作用下
进入房间的总热量叫做该时刻的得热。如果得热<0，
意味着房间失去热量。
对流得热
显热
得
热
辐射得热
潜热
围护结构热过程特点：由于围护结构热惯性的存在， 通过围护结构的得热量与外扰之间存在着衰减和延迟 的关系。
2
)
(1
-a
o
3
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o
4
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3
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o
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)
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4
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太阳辐射在透光围护结构中的传递
阳光照射到单层半透 明薄层时，半透明薄 层对于太阳辐射的总 反射率、吸收率和透 射率是阳光在半透明 薄层内进行反射、吸 收和透过的无穷次反 复之后的无穷多项之 和。
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太阳辐射在透光围护结构中的传递
尽管通过围护结构的热传导量不确定，但有 时又需要用“得热”的概念，那怎么定义通 过围护结构的热传导得热呢？
工程应用：缝隙法、换气次数法
12
网络平衡法原理
节点平衡：AG＝0 回路压力平衡：B P＝0
各支路和节点均编号。
网络关联矩阵A元素 aij： 由 i 点到 j点为1，反之为 -1，无
关为0。
基本回路矩阵B元素 bij： 由 j支路与 i 回路同向为1，反之
为 -1，无关为0。
围护结构传热 传湿
室内产热产湿
对流换热 (对流质交换)
导热 (水蒸汽渗透)
辐射
5
基本概念
得热(Heat Gain ⎯⎯ HG)：某时刻在内外扰作用下
进入房间的总热量叫做该时刻的得热。如果得热<0，
意味着房间失去热量。
对流得热
显热
得
热
辐射得热
潜热
围护结构热过程特点：由于围护结构热惯性的存在， 通过围护结构的得热量与外扰之间存在着衰减和延迟 的关系。
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太阳辐射在透光围护结构中的传递
阳光照射到单层半透 明薄层时，半透明薄 层对于太阳辐射的总 反射率、吸收率和透 射率是阳光在半透明 薄层内进行反射、吸 收和透过的无穷次反 复之后的无穷多项之 和。
22
太阳辐射在透光围护结构中的传递
尽管通过围护结构的热传导量不确定，但有 时又需要用“得热”的概念，那怎么定义通 过围护结构的热传导得热呢？
03.第三章 太阳辐射与温度
第三章光与温度因子太阳辐射是光和热的最终来源，所以我们把这二个生态因子放在同一章里讨论。
我们知道，光和热的变化产生了地球表面的光照强度不同和温度的不同，植物、动物及其它们的群落随之发生着各种变化。
第一节太阳辐射与光一、光的性质与变化与动物相比，植物从无机环境中获得“食物”，光是植物的能量来源，矿质元素是植物的营养来源（Light is their energy source，minerals are their building bricks）。
而光的最终能量来源是太阳，太阳内聚极高温度，在氢原子发生核裂变且放射出能量，其中以1.94卡/cm2.min的能量被地球所吸收，称此为太阳常数，因此，光是地球上一切能量的最终来源。
光具有波粒二相性，它既是太阳辐射出来的电磁波又是一束束的粒子流，像密集的雨点一样辐射或打到植物的叶片上，使植物吸收光能。
到达地球的所有太阳辐射的光波大体上可分成三部分：I--紫外光，波长<400 nm；II--可见光，400 nm<波长<700 nm；III--红外光，波长>700 nm。
顾名思义，可见光是人们能够看得见的光，它对动植物的生理作用最为重要，因此，也称之为生理有效辐射，通常讲光由7种不同颜色（7个不同不波长）的光组成就是指可见光部分，具体光谱组成请见表（3-1）。
表3-1 光谱分布1.光的性质(1)光具有波粒二相性可以说是一种由太阳辐射出来的电磁波。
光波的二个峰值间的距离叫波长，波长越短，频率越高，能量越大：λ（波长）×V（频率）= C（光强）V = C/λ（2）光能一个光子在一定波长条件下具有的能量是：E = hv（h是普朗克常数，为6.6×10-27尔格/秒。
比如波长是680nm的光：E = 6.6×10-27尔格/秒×3×1017nm（光速）×（680）-1nm =2.9 ×10-12尔格1尔格= 10-7焦耳, 1卡= 4.2焦耳E= 2.9 ×10-12尔格/4.2×107尔格/卡= 6.9×10-20卡λ（3）光强进入一片树叶或一个森林群落的光，不仅决定它的质量（波长），而且还与它的振幅有关系（光强）。
《气象学太阳辐射》课件
太阳辐射变化对气候的影响
温度变化
太阳辐射的变化直接影响 地球表面的热量分布，导 致温度变化，进而影响气 候系统的运行。
降水变化
太阳辐射的变化通过影响 蒸发和凝结过程，进而影 响降水分布和强度，对水 循环产生影响。
风和洋流变化
太阳辐射的变化还可能影 响大气环流和洋流运动， 从而影响气候系统的稳定 性。
太阳辐射光谱
太阳辐射的能量分布在不 同波长范围内，形成的光 谱曲线。
太阳辐射的来源和特性
核聚变
太阳内部的氢核聚变成氦核，释放出大量能量，形成太阳辐 射。
特性
太阳辐射具有连续光谱和偏振特性，其强度随时间和空间变 化。
太阳辐射对地球的影响
气候变化
太阳辐射是地球气候系统的主要能量来源，影响地球 的气候变化。
THANKS
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《气象学太阳辐射》PPT课 件
contents
目录
• 太阳辐射的基础知识 • 太阳辐射的测量和观测 • 太阳辐射与气象学的关系 • 太阳辐射的变化及其影响 • 太阳辐射的防护和利用
01 太阳辐射的基础 知识
太阳辐射的定义
01
02
03
太阳辐射
太阳以电磁波的形式向外 发送的能量。
太阳常数
在地球大气层顶，垂直于 太阳光线的单位面积上， 每分钟接收到的太阳辐射 能量。
总结词
太阳辐射的变化会影响降水量的多少和分布。
详细描述
太阳辐射的变化会影响气候系统的运行，如季风、洋流等，从而影响降水量的多 少和分布。此外，太阳辐射的加热作用还
太阳辐射通过加热地表和大气层，引 起气流运动，从而影响风的方向和速 度。
详细描述
太阳辐射的加热作用会导致地表和大 气层之间的温度差异，这种差异会引 起气流运动，从而导致风的形成。此 外，太阳辐射的强度和分布还会影响 风的方向和速度。
03太阳辐射传输
2. 大气外界太阳光谱及太阳常数
太阳辐射谱 标准
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)
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
S 0 S 0 , d
0
S0 S0 d 0 / d
3．地面太阳直接辐射的简单模式
（1）空气分子散射的光学厚度 ρ z 6 4 ρ z kλ ,R z kλ ,R 0 1.0563 10 λ ρ0 ρ0
,R 0 k ,R z d z 0.00844
0
4
由于空气折射指数也与波长有关，Robinson (1966) 将上式修正为 4.05
5.4.5地面对太阳辐射的反射和吸收
在地球―大气系统对太阳辐射的吸收中, 大
气的吸收只占20%，地球表面吸收了约50%
5.4.5地面对太阳辐射的反射和吸收
1 地面反照率
5.4.5地面对太阳辐射的反射和吸收
1 地面反照率
应用：植被指数（NDVI）
在NOAA气象卫星上利用二个通道，分别测量可 见光通道（例如0.58~0.68μm）和近红外通道 （例如0.7~1.1μm）波段的地面反照率 NDVI = (Ch2Ch1) / (Ch2+Ch1) 当植被生长茂盛，植被指数值就较大
k,O 为臭氧吸收所引起的衰减 k,a 为其它均匀混合气体分子（主要是O2和 CO2）吸收所引起的衰减。
1. 地面太阳直接辐射
衰减系数：
S S ,0 exp k d l 0 S ,0 exp ( k ,R k , p k ,O k ,v k , a ) d l 0 S ,0 exp ( ,R , p ,O ,v , a ) S ,0 ,R , p ,O ,v , a
第03讲太阳对地球的影响-【暑假自学课】2023年新高一地理暑假精品课
第03讲太阳对地球的影响1．结合太阳辐射的分布图，说明太阳辐射的分布规律2．结合实例，说明影响太阳辐射的因素和太阳辐射对地球的影响3．观看太阳大气层的结构示意图，熟悉太阳大气层的结构及太阳活动的标志。
4．结合实例，分析太阳活动对地球的影响学问点01根底学问梳理一、太阳概况1.物质组成：酷热的气体2.主要成分：氢和氦3.外表温度：约6000k二、太阳辐射1.概念：太阳源源不断地以电磁波的形式向宇宙空间放射能量的现象。
2.能量来源：太阳内部的核聚变反响。
〔1〕为地球供应光和热，维持着地表温度，是地球上水、大气运动和生命活动的主要动力。
〔2〕为人类生产和生活供应能量a直接被汲取、转化为热能。
如太阳能热水器、太阳灶b被捕获并存储，转换为热能、电能等。
如太阳能光伏发电。
c利用地质历史时期生物固定并积累的太阳能。
如煤、石油、自然?气典例如图为我国华北平原西部某区域等高线图，图中低山丘陵地带以荒山草坡为主。
该地正在打造“太阳山〞——建设大型山坡集中式光伏发电站，光伏发电站的发电效率主要与日照强度、日照时间和太阳能面板清洁度有关。
据此完成1～2题。
1．在甲、乙、丙、丁四个荒山草坡安置太阳能面板，发电效率最高的是()A．甲B．乙C．丙D．丁2．与甘肃河西走廊相比，该地建设大型集中式光伏发电站的优势是()A．太阳辐射强B．日照时数多C．用地本钱低D．面板清扫频次少【解析】1.B 2.D 第1题，解题的关键在于对地形遮挡状况的推断。
图示乙坡为阳坡，太阳光照条件最好。
甲、丙、丁受地形遮挡，光照条件相对较差。
第2题，河西走廊气候干旱，靠近沙漠，沙尘多，而该地位于华北平原，气候较潮湿，西侧有山地阻挡，空气中沙尘颗粒要少于河西走廊，故太阳能面板清扫频次较少。
河西走廊位于西北干旱半干旱地区，气候枯燥，太阳辐射强度大，日照时数多；河西走廊与华北平原相比，人口密度小，用地本钱低。
此题易错之处在于不能很好地提取材料信息，特殊是材料中提到的“太阳能面板清洁度〞。
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2 m
ω0
T Qd = π
dm 2 S 0 (ω 0 sin ϕ sin δ + cos ϕ cos δ cos ω 0 ) d 取T = 86400 秒，太阳常数单位为 W m-2 ，Qd 单位为Jm 单位为 -2d-1。
2. 水平面上太阳辐射通量的计算
大气上界太阳辐射 日总量
S 0 = ∫ S 0 ,λ d λ
0 ∞
S0 = S0 ( d 0 / d
)
2
2. 大气外界太阳光谱及太阳常数
1981年 WMO推荐的太阳常数最佳值为： 1981年，WMO推荐的太阳常数最佳值为： 推荐的太阳常数最佳值为
2. 大气外界太阳光谱及太阳常数
太阳常数的变化
2. 大气外界太阳光谱及太阳常数
5.4.1 太阳和太阳辐射
在宇宙芸芸众星之中，太阳是极其普通的恒星， 在宇宙芸芸众星之中，太阳是极其普通的恒星，目前 处于星体演化的中年阶段，安详稳定。 中年阶段 处于星体演化的中年阶段，安详稳定。
5.4.1 太阳和太阳辐射
5.4.1 太阳和太阳辐射
5.4.1 太阳和太阳辐射
太 阳 的 射 线 图 片 X
3．地面太阳直接辐射的简单模式
总光学厚度
δλ (θ ) =δλ ,R (θ ) + δλ , p (θ ) + δλ ,O (θ ) + δλ ,v (θ ) + δλ ,a (θ )
日光以天顶角θ 日光以天顶角θ角倾斜入射 空气分子散射、 空气分子散射、 气溶胶粒子散射、 气溶胶粒子散射、 臭氧吸收、 臭氧吸收、 水汽吸收、 水汽吸收、 均匀混合气体吸收
观测简史
目前，在高山上进行的长期测量， 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。 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。 红外波段的测量。
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)
5.4.1 太阳和太阳辐射
结构
5.4.1 太阳和太阳辐射 太 阳 之 剖 面
5.4.1 太阳和太阳辐射
5.4.1 太阳和太阳辐射
日冕及其微细结构
5.4.1 太阳和太阳辐射
太阳黑子
2. 大气外界太阳光谱及太阳常数
太阳光谱( 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
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 ) =
∫
t2
t1 t2
S 0' d t
2 = ∫ d m S 0 (sin ϕ sin δ + cos ϕ cos δ cos ω ) d t t1
T = ∫ d S 0 (sin ϕ sin δ + cos ϕ cos δ cos ω ) dω −ω0 2π
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
2. 大气外界太阳光谱及太阳常数
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： 关心3个问题：
(1) 大气外界太阳辐射的谱分布； 大气外界太阳辐射的谱分布； (2) 总谱能量或太阳常数； 总谱能量或太阳常数； (3) 太阳辐射随时间的变化。 太阳辐射随时间的变化。
2. 大气外界太阳光谱及太阳常数
观测简史
在20世纪初即已开始，地面测量； 20世纪初即已开始，地面测量； 世纪初即已开始 50年代利用火箭观测了太阳的紫外辐射； 50年代利用火箭观测了太阳的紫外辐射； 年代利用火箭观测了太阳的紫外辐射 60年代利用飞机和高空气球对太阳辐射谱作了 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； 仔细的观测研究； 70年代又利用火箭和卫星以及新的主动腔体辐 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。 射表观测了太阳辐射的总谱能量。
δ λ ,R ( 0 ) = 0.0088λ
3．地面太阳直接辐射的简单模式
（2）气溶胶散射光学厚度
安斯川姆 ( Ångström，1964 ) 提出下式计算整 ö ， 层大气米散射的光学厚度
δ λ , p ( 0) = β λ
−α
β 称为浑浊度系数，随大气中气溶胶总量而变 称为浑浊度系数， α称为波长指数，平均半径越小，α 4 称为波长指数，平均半径越小，
衰减系数： 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
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。 因素。 S0 ′的日变化与 d 的 的日变化与Q 的日变化与 年变化， 年变化，使得气温 也具有日变化与年 变化。 变化。 气温并非简单地取 决于S 和 决于 0 ′和Qd
5.4.3 太阳的直接辐射
由于太阳离地球较远， 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 0.5° 的视角仅为0.5°，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， 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) 的衰减(也称削弱、消光)。
5.4.3 太阳的直接辐射
太阳辐射在大气中的吸收和散射(示意图) 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
太阳辐射传输
5.4.3 太阳的直接辐射
1. 地面太阳直接辐射
假设：各吸收、 假设：各吸收、散射过程相互独立
衰减系数： 衰减系数：
kλ = kλ ,R + kλ , p + kλ ,O + kλ ,v + kλ ,a
http://cfa/cfa/ep/broc hure/sao.html
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， NASA标准：70年代初，美宇航局用飞机测量， 标准 年代初 给出大气上界太阳辐射谱分布，辐照度( 给出大气上界太阳辐射谱分布，辐照度(即太 阳常数) 阳常数)为1353 Wm-2 。 WRC标准： WRC标准：瑞士达佛斯的世界辐射中心给出的大 标准 气上界太阳谱分布，辐照度(即太阳常数) 气上界太阳谱分布，辐照度(即太阳常数)为 Wm1367 Wm-2 。 WMO仪器与观测方法委员会1981年10月决定采用 WMO仪器与观测方法委员会1981年10月决定采用 仪器与观测方法委员会1981 WRC标准 标准。 WRC标准。
气象学领域，除了天气预报这项永恒的主题外，没有哪一项工作， 气象学领域，除了天气预报这项永恒的主题外，没有哪一项工作，能象 太阳常数测定那样应用了从高空气球、飞机、 太阳常数测定那样应用了从高空气球、飞机、火箭到卫星和航天器等 如此众多的现代高科技手段。 如此众多的现代高科技手段。
2. 大气外界太阳光谱及太阳常数
平面平行无折射均质大气
δ λ ( θ ) ∫ k λ ( z ) sec θ d z m (θ ) = = = sec θ δλ ( 0) ∫ kλ ( z ) d z
2. 相对大气质量
均匀混合气体相对大气质量
有折射地球非均质大气
1 m= −1.253 cosθ + 0.1500⋅ ( 93.885 − θ )
第五章 地面和大气中的辐射过程
5.4 太阳辐射在地球大气中的传输 重点： 重点： 太阳辐射光谱、太阳常数、 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
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。
太阳温度的估计
P86： P86：例5.2
5.4.2 地球大气上界的太阳辐射能
1.
太阳的位置和时间
7月北阿拉斯加午夜前后的太阳 月北阿拉斯加午夜前后的太阳
2. 水平面上太阳辐射通量的计算
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 )
Kasten经验公式 Kasten经验公式 WMO推荐 WMO推荐
2. 相对大气质量
水汽和臭氧的相对大气质量 1 mv = −1.452 cos θ + 0.0548 ( 92.650 − θ )
1 + z 3 / re mO = 2 12 [ cos θ + 2 ( z 3 / re ) ]
由于水汽和臭氧厚度不易准确确定， 由于水汽和臭氧厚度不易准确确定，所以此二 式计算误差较大， 式计算误差较大，很少使用 由Kasten公式代替，并不作气压订正 Kasten公式代替， 公式代替
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。
ω0
T Qd = π
dm 2 S 0 (ω 0 sin ϕ sin δ + cos ϕ cos δ cos ω 0 ) d 取T = 86400 秒，太阳常数单位为 W m-2 ，Qd 单位为Jm 单位为 -2d-1。
2. 水平面上太阳辐射通量的计算
大气上界太阳辐射 日总量
S 0 = ∫ S 0 ,λ d λ
0 ∞
S0 = S0 ( d 0 / d
)
2
2. 大气外界太阳光谱及太阳常数
1981年 WMO推荐的太阳常数最佳值为： 1981年，WMO推荐的太阳常数最佳值为： 推荐的太阳常数最佳值为
2. 大气外界太阳光谱及太阳常数
太阳常数的变化
2. 大气外界太阳光谱及太阳常数
5.4.1 太阳和太阳辐射
在宇宙芸芸众星之中，太阳是极其普通的恒星， 在宇宙芸芸众星之中，太阳是极其普通的恒星，目前 处于星体演化的中年阶段，安详稳定。 中年阶段 处于星体演化的中年阶段，安详稳定。
5.4.1 太阳和太阳辐射
5.4.1 太阳和太阳辐射
5.4.1 太阳和太阳辐射
太 阳 的 射 线 图 片 X
3．地面太阳直接辐射的简单模式
总光学厚度
δλ (θ ) =δλ ,R (θ ) + δλ , p (θ ) + δλ ,O (θ ) + δλ ,v (θ ) + δλ ,a (θ )
日光以天顶角θ 日光以天顶角θ角倾斜入射 空气分子散射、 空气分子散射、 气溶胶粒子散射、 气溶胶粒子散射、 臭氧吸收、 臭氧吸收、 水汽吸收、 水汽吸收、 均匀混合气体吸收
观测简史
目前，在高山上进行的长期测量， 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。 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。 红外波段的测量。
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)
5.4.1 太阳和太阳辐射
结构
5.4.1 太阳和太阳辐射 太 阳 之 剖 面
5.4.1 太阳和太阳辐射
5.4.1 太阳和太阳辐射
日冕及其微细结构
5.4.1 太阳和太阳辐射
太阳黑子
2. 大气外界太阳光谱及太阳常数
太阳光谱( 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
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 ) =
∫
t2
t1 t2
S 0' d t
2 = ∫ d m S 0 (sin ϕ sin δ + cos ϕ cos δ cos ω ) d t t1
T = ∫ d S 0 (sin ϕ sin δ + cos ϕ cos δ cos ω ) dω −ω0 2π
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
2. 大气外界太阳光谱及太阳常数
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： 关心3个问题：
(1) 大气外界太阳辐射的谱分布； 大气外界太阳辐射的谱分布； (2) 总谱能量或太阳常数； 总谱能量或太阳常数； (3) 太阳辐射随时间的变化。 太阳辐射随时间的变化。
2. 大气外界太阳光谱及太阳常数
观测简史
在20世纪初即已开始，地面测量； 20世纪初即已开始，地面测量； 世纪初即已开始 50年代利用火箭观测了太阳的紫外辐射； 50年代利用火箭观测了太阳的紫外辐射； 年代利用火箭观测了太阳的紫外辐射 60年代利用飞机和高空气球对太阳辐射谱作了 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； 仔细的观测研究； 70年代又利用火箭和卫星以及新的主动腔体辐 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。 射表观测了太阳辐射的总谱能量。
δ λ ,R ( 0 ) = 0.0088λ
3．地面太阳直接辐射的简单模式
（2）气溶胶散射光学厚度
安斯川姆 ( Ångström，1964 ) 提出下式计算整 ö ， 层大气米散射的光学厚度
δ λ , p ( 0) = β λ
−α
β 称为浑浊度系数，随大气中气溶胶总量而变 称为浑浊度系数， α称为波长指数，平均半径越小，α 4 称为波长指数，平均半径越小，
衰减系数： 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
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。 因素。 S0 ′的日变化与 d 的 的日变化与Q 的日变化与 年变化， 年变化，使得气温 也具有日变化与年 变化。 变化。 气温并非简单地取 决于S 和 决于 0 ′和Qd
5.4.3 太阳的直接辐射
由于太阳离地球较远， 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 0.5° 的视角仅为0.5°，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， 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) 的衰减(也称削弱、消光)。
5.4.3 太阳的直接辐射
太阳辐射在大气中的吸收和散射(示意图) 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
太阳辐射传输
5.4.3 太阳的直接辐射
1. 地面太阳直接辐射
假设：各吸收、 假设：各吸收、散射过程相互独立
衰减系数： 衰减系数：
kλ = kλ ,R + kλ , p + kλ ,O + kλ ,v + kλ ,a
http://cfa/cfa/ep/broc hure/sao.html
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， NASA标准：70年代初，美宇航局用飞机测量， 标准 年代初 给出大气上界太阳辐射谱分布，辐照度( 给出大气上界太阳辐射谱分布，辐照度(即太 阳常数) 阳常数)为1353 Wm-2 。 WRC标准： WRC标准：瑞士达佛斯的世界辐射中心给出的大 标准 气上界太阳谱分布，辐照度(即太阳常数) 气上界太阳谱分布，辐照度(即太阳常数)为 Wm1367 Wm-2 。 WMO仪器与观测方法委员会1981年10月决定采用 WMO仪器与观测方法委员会1981年10月决定采用 仪器与观测方法委员会1981 WRC标准 标准。 WRC标准。
气象学领域，除了天气预报这项永恒的主题外，没有哪一项工作， 气象学领域，除了天气预报这项永恒的主题外，没有哪一项工作，能象 太阳常数测定那样应用了从高空气球、飞机、 太阳常数测定那样应用了从高空气球、飞机、火箭到卫星和航天器等 如此众多的现代高科技手段。 如此众多的现代高科技手段。
2. 大气外界太阳光谱及太阳常数
平面平行无折射均质大气
δ λ ( θ ) ∫ k λ ( z ) sec θ d z m (θ ) = = = sec θ δλ ( 0) ∫ kλ ( z ) d z
2. 相对大气质量
均匀混合气体相对大气质量
有折射地球非均质大气
1 m= −1.253 cosθ + 0.1500⋅ ( 93.885 − θ )
第五章 地面和大气中的辐射过程
5.4 太阳辐射在地球大气中的传输 重点： 重点： 太阳辐射光谱、太阳常数、 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
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。
太阳温度的估计
P86： P86：例5.2
5.4.2 地球大气上界的太阳辐射能
1.
太阳的位置和时间
7月北阿拉斯加午夜前后的太阳 月北阿拉斯加午夜前后的太阳
2. 水平面上太阳辐射通量的计算
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 )
Kasten经验公式 Kasten经验公式 WMO推荐 WMO推荐
2. 相对大气质量
水汽和臭氧的相对大气质量 1 mv = −1.452 cos θ + 0.0548 ( 92.650 − θ )
1 + z 3 / re mO = 2 12 [ cos θ + 2 ( z 3 / re ) ]
由于水汽和臭氧厚度不易准确确定， 由于水汽和臭氧厚度不易准确确定，所以此二 式计算误差较大， 式计算误差较大，很少使用 由Kasten公式代替，并不作气压订正 Kasten公式代替， 公式代替
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。