第六讲 四季和五带

� 五带的划分： � 南北回归线划分热带和温带（有无 90°H） ； � 南北极圈划分寒带和温带（有无极 昼极夜）。
� 夜半太阳 “低度”
H′= -(90° － ϕ)+ δ= ϕ+δ－90°
式中的 -(90° － ϕ)为下点的低度 � 白夜的纬度界限 -18°＝ϕ＋23.5°－90°
ϕ＝48.5°
二、 正午太阳高度的纬度分布
H = ( 90° + δ ) － ϕ
( 90° + δ )为赤道上不同季节的正午太阳高 度，其他各地随纬度递减， ϕ是对( 90° + δ ) 的纬度订正。
�基本数据： 南北分量为 300 000 000km×sin23°26′＝120 000 000km。造成太阳赤纬 23°26′×2＝ 46°52′的变化。在春秋分前后，太阳赤纬每分 钟增减约1″，地球公转的南北分量最大，约 为 30×sin23 °26′= 12km/s。
昼夜长短
一、 昼夜长短概说 � 晨昏线： 昼夜两半球之间的分界线，分 晨线和昏线，整个叫晨昏圈。各地 昼夜长短，因晨昏圈随太阳直射点 的移动而发生变化
——二分时，δ＝0°。各地的正午太阳高度都等 于当地的余纬，即H＝90°－φ。赤道最高，H＝ 90°；至两极递减为0°。 ——北至时， δ＝ 23°26‘。北半球各地的正午 太阳高度H＝113°26’－φ；南半球各地则 H＝ 66°34‘－φ。这时，北回归线的正午太阳高度最 大， H＝90°，由此向南、北两个方向递减；至北 极和南极，H分别为23°26’和－23°26‘。 ——南至时，δ＝－23°26＇北半球各地H＝ 66°34＇－φ，南半球各地H＝113°26＇－φ。这 时，南回归线H＝90°，向南北递减，至北极和南 极，H分别为－23°26＇和23°26＇。
�昼夜交替： 由于地球的自转和公转，昼夜两半 球在时间上不断地相互交替，使得各 个地点时而位于昼半球，因而经历着 白昼；时而位于夜半球，因而经历着 黑夜。这叫做昼夜交替。昼夜交替的 周期，是地球自转与公转的会合周期。 �昼夜长短变化： 因晨昏圈随太阳直射点的移动而变化
图 4-1 春秋二分：太阳直射 赤道，晨昏线等分所有纬 线，全球昼夜平分
� 过程 在每年的北至日（北半球的夏至日）， 地球位于其轨道的最南点。这时，从地球上 看来，太阳位于黄道上的北至点，因而直射 点落在地球的北回归线上。反之，在每年的 南至日（北半球的冬至日），地球到达轨道 上的最北点，太阳相应地位于黄道上的南至 点，因而直射在地球的南回归线。每年的升 分和降分日（北半球的春秋二分日），地球 位于轨道南北两端的中点。这时，太阳相应 地位于黄道上的升分点和降分点，因而直射 在地球的赤道上。
图 4-2 北至日：太阳直射 北回归线，北半球各地昼 最长，夜最短；北极圈内 为极昼。南半球则相反
图 4-3 南至日：太阳直射南回归线， 南北半球的昼夜长短与北至日相反
� 半昼弧公式 地平圈分太阳周日圈（赤纬圈）为昼弧和 夜弧两部分 cost=-tanϕtanδ （式中的ϕ和δ皆以北半球为正，南半球为 负）此公式表明，决定昼夜长短有两个 因素：当地地理纬度 ϕ和当时的太阳赤 纬δ（即太阳直射点纬度）。前者是空 间因素，即地理因素；后者是时间因 素，即季节因素
二、 昼夜长短的纬度分布
� 基本规律： ——赤道上（φ＝0°）全年昼夜等长。 ——太阳直射半球，昼长夜短，高纬度（ φ ≥90°－δ）地区有极昼，昼长达 24小时。 ——非太阳直射半球，昼短夜长，高纬度相 应地区有极夜，昼长为零（夜长 24小时）。
�分带： – 全球分极昼，昼长夜短，昼短夜 长，极夜四个地带（两分除外） – δ 为正值，全球昼长向北递增；δ 为负值，向南递增 – δ 的绝对值愈大，极昼（夜）地带 愈大
�阶段划分：
升分——— 北至——— 降分——— 南至——— 升分
北半球： 昼增夜减
昼长夜短
昼减夜增 昼长夜短 昼增夜减 昼短夜长
昼减夜增 昼短夜长 昼增夜减 昼长夜短
昼增夜减 昼短夜长 昼增夜减 昼长夜短
南半球： 昼减夜增
昼短夜长
� 二分前后，太阳赤纬（δ）变化最快，因而这段时 间昼夜长短的变化特别明显。 � “夏至十八天，冬至当日回 ”。
� 四季的性质 � 半球性现象：昼夜长短和正午太阳高 度角是半球性的，季节变化的主要因 素； � 全球性现象：日地距离的变化（影响 很小）； � 首先是天文现象，然后是气候现象。
图4-5 季节的天文因素：昼夜长短和正午太阳高度的变化
� 太阳直射点的移动和四季的递变 � 太阳直射点在南北半球的移动：两半球 冬夏半年相互替代； � 太阳直射点向北或向南移动，两半球的 昼夜长短和正午太阳高度角变化相互倒 转； � 太阳直射点向赤道移动，昼夜长短和的 正午太阳高度角趋向齐平，极昼和极夜 地区缩小；太阳直射点向回归线移动， 则反之。
� 正午太阳高度因纬度而不同，因季节 而变化； � 式中的 (90°－ϕ)可看作上点高度。 注意
1) 北半球H以南点为起点（南半球反之）； 2) 当δ = ϕ时，H = 90°，只有南北回归线之 间，才可能达到90°的太阳高度； 3) 南北回归线之间（不包括南北回归线）， 当δ > ϕ时，H > 90°； 4) 极圈内冬半年，若ϕ > 90°－δ，H < 0°。
太阳高度 一、 太阳高度概说
� 任意时刻太阳高度（ h） � 包含三个因素： • 太阳赤纬 δ（周年变化因素） • 当地纬度 ϕ（分布因素） • 当地太阳时角 t （周日变化因素） � 由余弦公式可得： sinh = sinϕsinδ + cosϕcosδcost
� 正午太阳高度（H） � 正午太阳时刻， t = 0 , cost = 1,消去周 日变化因素，公式便简化为： sinH = sinϕsinδ + cosϕcosδ 按复合角公式有： cos(α－β)＝cosαcosβ+sinαsinβ 于是便有： sinH = cos(ϕ－β) = sin[90°－(ϕ－δ)] H＝90°－ϕ＋δ （式中δ以夏半年为正，冬半年为负）
四、 昼夜长短的其他因素
�太阳视半径：太阳是一个视半径约为 16＇的 光盘。日出和日没是以日轮的上缘出露地平 为准的。 �大气折光作用：地球大气的密度随高度而迅 速递减。光在大气中的折射，有 “抬升”天体 的作用，造成约34＇的效应。 �眼高差：观测者站在高处，能较早看到日出 和较晚看到日没。
�后果： cost= —tgδtgφ—0.0149secδsecφ
�晨昏蒙影时间变化：
晨昏蒙影持续的时间，取决于太阳 自地平落入地平下18°所需的时间。 � 晨昏蒙影的时间，随纬度增高而增长； � 略因季节而变化（因为太阳周日圈的大 小因季节而不同），二分较短，二至较 长。
�白夜：
（纬度高于 48.°5N的地方（66°5—18°）） 夏季，高纬地区整夜处于民用晨昏蒙影 状态中，前一天的黄昏尚未结束，次日的黎 明便接踵而来，被称为白夜。
�不同季节昼夜长短的纬度分布： � 二分日：全球各纬度昼夜等长，均为 12小时。 � 北至日：北半球各地昼最长，极昼地带最广 （北极圈内皆为极昼）；南半球各地昼最短， 极夜地带最广（南极圈内皆为极夜）。 � 南至日：情形相反。
三、 昼夜长短的季节变化
� 基本规律： ——二分时，全球昼夜平分，均为 12小时 ——二至时，昼夜长短极端 ——各地全年平均昼长相等，皆为 12小时
三、 正午太阳高度的季节变化
H = ( 90° －ϕ ) + δ ( 90° － ϕ )为二分时的正午太阳高度， 即全年的平均值； δ是对( 90° － ϕ )的季 节订正。各自半球的夏半年取正值，冬 半年为负值。
——在赤道，φ＝0°， H＝90°± 23°26‘，即那里 的正午太阳高度变化于113°26’—66°33‘之间（实即 66°34’——90°——66°34‘）。 ——在北回归线，φ＝23°26‘， H＝66°34’± 23°26‘，那里的正午太阳高度，最高可达 90°，最低 不小于43°08’。 ——在北极圈，＝66°34‘，H＝23°26’±23°26‘那里 的正午太阳高度，最高不超过46°52’，最低时为0°。 ——在北极，φ＝90°，H＝0°±23°26＇，变化于 23°26＇—－23°26＇之间。
� 天文学上四季的划分 � 我国强调天文特征，以四立（立春、立 夏、立秋、立冬）为四季的起止，以二 分二至为四仲； � 西方侧重气候季节，以二分二至作为四 季的起点。 � 要使四季划分反映地球的气候特征，必须 采用气候本身的标准
图4-6 四季的划分
五、 地球上的五带
� 五带的性质 � 季节带：具体的季节因地而异； � 天文带：按有无直射阳光和有无极昼、 极夜现象； � 纬度带：不考虑海陆、大陆东西岸和 地形的影响，也不考虑具体气象条件。 总之，以纬度为唯一标准。
�极昼和极夜：
在南北极圈内，都有极昼和极夜。 它们的范围大小，随太阳赤纬（ δ）而 变化。｜δ｜值愈大，极昼（夜）范围化 此图表示南北两半球极昼（夜）区的季节性扩大和缩小。图中 每个圆面分上下两半，分别表示北极和南极地区。三个同心圆分别 表示66°34′ ，69°44′和78°28′的三条纬线。
� 太阳回归运动定量地表现为太阳赤纬的变 化。（任何时候，太阳赤纬总是等于太阳 直射点纬度） 根据太阳黄经求知所对应的太阳赤纬： sinσ=0.4sinλ � 二十四节气按太阳黄经划分，其更重要的 区别在于太阳赤纬的不同 � 太阳赤纬决定：昼夜长短和正午太阳高度
二、 太阳回归运动与地球公转
� 成因 由于黄赤交角的存在，地球在向东 公转的同时，还有其南北的分量，造 成太阳直射点的南北移动。正是这个 南北分量，造成地球和太阳的回归运 动。 （这里，以地球自转方向为正东方向）
（由于太阳视半径和大气折光，使太阳出没时，视太 阳中心的天顶距增加了 16‘＋34’＝50‘）