城市边界层气象 第2章 城市辐射特征.doc

第2章 城市辐射特征 辐射是影响区域气候最重要的因子。一个地区由于所处的地理纬度已经决 定了其太阳辐射的天文总量。在城市区域，由于受地表特征和大气污染城市效应的影响，接收的太阳直接辐射有别于同纬度的其它地区。因此，了解城市区域辐射特征，建立城市太阳直接辐射的理论和模式，对城市区域气候和大气边界层的研究具有重要的意义。 2.1 太阳直接辐射基本原理 地表和大气中接收到的太阳直接辐射能量，与地球大气上界的太阳直接辐射 能及随时间的变化密切相关，这是地球上形成气候差异的基本因素。 2.1.1太阳高度的概念 对于在地球上一个地点来说，太阳高度就是太阳入射光方向与地平线之间的夹角，用表示。同一束阳光，直射地面时所照射的面积比斜射时小，并且，太阳直射时透过大气的路程较短，被大气吸收和散射程度较小。因此，地面单位面积上所获得的辐射能量必定大于太阳光斜射的地方。太阳直射与斜射的程度可以用太阳高度角来表示。 太阳高度很大程度上决定着地球表面获得太阳能量数量的多少，也是地球上形成四季和五带的重要因素，并且是大气运动和地球上一切生物能量的来源。在大气科学、生命科学和环境科学等多学科中计算太阳辐射能量时，太阳高度是必须考虑的重要因素。 由天文学公式得太阳高度角与测点所在的纬度、太阳赤纬和当时的太阳时角的关系式为 （2.1） 或 （2.2） Z为天顶角。观测时的太阳时角，为观测点经圈与太阳重合后，即当地正午，地球自转的角度，正午时刻时角为0，（当太阳在子午面时），此时太阳高度角记为h0，一般可采用计算，在春分和秋分日（(＝0）正午时的太阳高度为。太阳时角一日之中变化，从-(到(对应0-24时，的计算式为 （2.3） 式中为真太阳时，在太阳辐射的测量和计算时要考虑真太阳时，其计算式为 （2.4） 其中(为当地经度；(s为当地标准时的经度（北京时）。上式的单位用分钟表示。真太阳时＝真太阳时角＋12小时；平时（日常时间）＝平太阳时角＋12小时；当地平太阳时＝当地真太阳时－时差，北京时间＝当地平太阳时－经度订正。时差的计算式为： （2.5） （2.6） 是按天数排列的序号，1月1日为0，1月2日为1，依次类推，平年12月31日为364，闰年12月31日为365。赤纬是太阳与地球中心连线与赤道的夹角，一年在（夏至日，6月21-22日）到（冬至日，12月21-22日）之间变化，可用下式计算 （2.7） 2.1.2地球大气上界的太阳直接辐射能 地球大气上界的太阳直接辐射强度的计算公式为 （2.8） 或 （2.9） 式中为太阳常数；为日地平均距离，R为某时刻的日地距离，它们比值的平方可由下式计算 （2.10） 式中的计算同（2.6）式。 在气候学、环境物理和环境生态学研究中，需要研究太阳辐射的日总量、月总量或更长时期的总量，因此需要对（2.8）或（2.9）进行时间的积分。 太阳高度取决于纬度、赤纬和时角，为便于讨论太阳高度角随时间和空间的分布情况，统一取正午时刻的太阳高度来进行。在气候学中也有用平均太阳高度的。平均太阳高度公式为 （2.11） 式中为从日出到日落的时间长度。 2.1.3日出与日落时刻 在人类直觉感觉上，每日太阳自东向西运行，当太阳自地平线升至地平线以上时，成为日出；自地平线以上落至地平线以下称为日落。日出与日落包括时刻和方向两个方面。 日出时刻和日落时刻就是指日出和日落的瞬间。从日出到时刻到日落时刻之间的时数为昼长时数。计算日出和日的落瞬时时刻，须先求日出和日落时刻的太阳时角。它决定于太阳赤纬与测点的纬度。在日出和日落的时刻，太阳高度角。由（6.1）式 则有 （2.12） 从（2.1）还可得到太阳方位角得表达式为 上式中(是太阳方位角，从正南算起，东为－，西为。 （2.12）为可照时间公式。由（2.12）得出，时角随地点与季节而变化。例如，在春（秋）分日，全球各地都等于，即日、夜等长；而夏至日，在时，，也就是说在北极圈内全天太阳不落。 因为（2.12）式余弦为偶函数，所以有正、负值。为日出时角，日出时刻为；为日落时角，日落时刻为。为昼长时数。当((时，（2.12）才具有意义。 根据（2.12）式，在(0(，((0(的范围内，的值是