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太阳辐照度在大气上界的作用特点

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：若S0为太阳常数，以S′表示任意时刻大气上界与阳光相垂直的平面上所接受的太阳辐照度。上式表明，大气上界与阳光相垂直的表面上的太阳辐照度是与日地距离的平方成反比。

1.大气上界的太阳辐射强度取决于太阳的高度角、日地距离和日照时间

（1）太阳高度角愈大，太阳辐射强度愈大。因为同一束光线，直射时，照射面积最小，单位面积获得的太阳辐射最多；反之，斜射时，照射面积大，单位面积获得的太阳辐射少。太阳高度角因时因地而异。一日之中，太阳高度角正午大于早晚，夏季大于冬季，低纬地区大于高纬度地区。

（2）日地距离是指地球环绕太阳公转时，由于公转轨道呈椭圆形，日地之间的距离不断变化。地球上获得的太阳辐射强度与日地距离的平方成反比。地球位于近日点时，获得的太阳辐射大于远日点。据研究，1月初地球通过近日点时，地表单位面积上获得的太阳辐射比7月初通过远日点时多7%。

（3）太阳辐射强度与日照时间成正比。日照时间的长短，随纬度和季节变化。

2.太阳辐射日总量

一年中，地球位于日地平均距离的时间是很少的，要应用大气上界的太阳辐照度，可以根据太阳常数来求得。若S0为太阳常数，以S′表示任意时刻大气上界与阳光相垂直的平面上所接受的太阳辐照度。r0表示日地平均距离，r为任意时刻的日地距离。因为通过以太阳为中心，以任意时刻的日地距离r为半径的球面的太阳辐射总通量是与通过以太阳为中心，以日地平均距离r0为半径的球面的太阳辐射总通量是相等的。

上式表明，大气上界与阳光相垂直的表面上的太阳辐照度是与日地距离的平方成反比。对于投射到大气上界水平面上的太阳辐照度（S′），它不仅与日地距离有关，而且还取决于太阳高度角（h）。

太阳辐射日总量是地理纬度、太阳赤纬角和日出（或日落）的时角的函数，计算公式如下：

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式中 ωS——日出、日落时角，可根据公式（2-5）计算；

γ——日地距离变化引起大气层上界的太阳辐射通量的修正值，由公式（2-8）计算。

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式中 n——一年中的日期序号。

上式表明日总量取决于水平面上的太阳辐照度和可照时间的长短（若给出地理位置和日期），其变化规律总结如下：

（1）北回归线以北的任一纬度上，一年中太阳辐射日总量夏至日最大，冬至日最小，这是因为北半球那些地区夏至日太阳高度角最大，白昼也最长，冬至日太阳高度角最小，白昼也最短的缘故。而在南回归线以南的南半球各纬度上，一年中太阳辐射日总量冬至日最大，夏至日最小。

（2）北极地区（66°33′N以北），夏季有极昼，冬季有极夜；南半球相反。这是由于地球公转时，地轴倾斜方向不变，而且与公转轨道面始终为66°33′夹角之故，所以北极地区太阳辐射日总量夏季最大，冬季为零；而南极地区相反。

（3）在南北回归线之间的地区，一年中太阳高度角相差不大，所以太阳辐射日总量一年中差异不大。但在极地附近，因有极昼和极夜出现，因此太阳辐射日总量的差异较大。

（4）南北半球接受的太阳辐射日总量的分布是不对称的。例如南半球40MJ/（m2·d）的等值线伸展到的纬度比北半球低，这是因为当太阳直射南半球时，日地距离较近，而太阳直射北半球时，日地距离较远的缘故。也就是说，南半球的夏季日地距离比北半球的夏季日地距离要近。

太阳辐射日总量随时间的变化和地理分布的特点是决定气温的日、年变化及纬度变化的主要因子。

【例2-4】试计算北纬43°处4月15日大气层上界水平面上的太阳辐射日总量H0。

解：由表2-2可知，4月15日的n=105，δ=9.41°

cosωS=-tan43°tan9.41°=-0.9325×0.1657=-0.1545

由此可得ωS=98.9°

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