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1、现代气候学原理,第二章 天文气候与物理气候(4),2.1 天文辐射与日地关系；2.2 太阳辐射在大气中的传输；2.3 辐射物理气候特征。,影响太阳辐射的天文因子 大气上界的天文辐射,2.1 天文辐射与日地关系,太阳和太阳活动 太阳常数和太阳辐射谱 地球轨道的变化和太阳辐射,影响太阳辐射的天文因子,太阳和太阳活动太阳大气-太阳表面及向外延伸几个太阳半径范围的大气层.光球层、色球层、日冕。,太阳活动 太阳大气层里一切活动现象的总称。主要有太阳黑子、光斑、谱斑、耀斑、日珥和日冕瞬变事件等。由太阳大气中的电磁过程引起。时烈时弱。处于活动剧烈期的太阳(称为“扰动太阳”)辐射出大量紫外线、x射线、粒子流和
2、强射电波，因而往往引起地球上极光、磁暴和电离层扰动等现象。太阳活动的现象包括：太阳黑子、光斑、谱斑、耀斑、太阳风等的变化。对地球大气 产生影响。,太阳黑子循环和气候效应之间存在关联：太阳耀斑能增强太阳风，伴随着每一次太阳耀斑的过程，与地球磁场相互作用，增强了65km处电离层的最低层的电离作用（对人类的影响很大。造成短波通讯中断）。增强的太阳风扰乱地球磁场。这期间增强的磁流和离子流能够加热和扩大上层大气。能够在几天内破坏地球上20%臭氧。,太阳黑子,在太阳黑子活动高峰期，全球范围的雷雨和闪电活动频繁。在太阳黑子较多是以及耀斑期间，紫外线的辐射量增加。最近研究表明：在上层大气中，紫外辐射与温度可能
3、有一个不成比例的效应。在过去5000年间，太阳黑子活动较弱或没有的时期与历史记录中的冷期相对应：奥特极小期（1010-1050），沃尔夫极小期（1280-1340），斯伯瑞尔极小期（1420-1530）和蒙德极小期（1645-1715）。,太阳黑子和太阳耀斑：,“黑尔循环”,周期性11年22年80-100年,太陽黑子数在19世紀之前随時間的变化13世纪开始三个低值期恰好发生在小冰河期,从理论上，科学家无法理解太阳黑子如何影响气候？太阳黑子活跃期，太阳辐射增强的部分都属于极短的波段(如紫外线、X及射线)，因此所增加的能量不多。这些辐射已进入大气时，立即为高层大气的气体吸收，因此对地表气候影响甚小
4、。目前也无任何理论可以解释高层大气温度的变化会影响到到地表附近的气候。,影响太阳辐射的天文因子,太阳常数和太阳辐射谱天文太阳辐射量:到达地球大气上界的太阳辐射能量。太阳常数:在地球位于日地平均距离处时，地球大气上界垂直于太阳光线的单位面积在单位时间内所受到的太阳辐射的全谱总能量。1375.1-1369.0wm-2,太阳辐射谱:地球大气上界的太阳辐射光谱的99以上在波长 0.154.0微米之间。大约50的太阳辐射能量在可见光谱（波长0.40.76微米），7在紫外光谱区（波长0.76微米），最大能量在波长 0.475微米处。,地球轨道的变化和太阳辐射 三种主要的长期变化：岁差precession、
5、偏心率eccentricity、黄赤交角obliquity，其变化调节地面上任意一点的季节对比性。米兰科维奇理论：,影响太阳辐射的天文因子,地球轨道参数：地球的倾角，轨道偏心率，一直在变化；这些参数的变化对百年尺度的气候变化不重要，但却能控制冰期出现的时间。,偏心率(Eccentricity)目前为 0.018 过去五百万年之中变化的范围 0.000483-0.060791 周期约为100,000年-偏心率影响近日和远日时，太阳入射地球辐射量差异的变化。-偏心率越大，辐射量差异越大-反之亦然-但是，变化相当小 比如，上述偏心率的变化，造成的变化为0.014%到-0.12%。,黄赤交角（obli
6、quity）黃赤交角(Obliquity)-地球自转轴与黃道面法线之间夾角。目前23.5度,介于22度與24.5度之間，变动周期 40,000年。黄赤交角的变动，不会影响地球拦截太阳辐射的总量。如果角度较大，则一年中太阳直射可达的纬度较高。夏季太阳辐射量较大，冬季较小。季节变化因此变大，四季更明显。相反，如果角度較小，則季节变化較小，四季較不明显。,倾角增加，极区的辐射在夏季增加，冬季减少,夏季高纬度地区接受的太阳辐射量较大，夏季低纬度地区接受的太阳辐射较小；冬季高纬度地区接受的太阳辐射量较小，冬季低纬度地区接受的太阳辐射较大；,岁差（precession）,地球自转轴路经宛若一圆锥体，绕完一
7、圈约22,000年目前地球经过近日点为一月，经过远日点为七月约11,000年之后，地球经过近日点为七月，经过远日点为一月那時的七月，太陽直射北半球,米兰科维奇理论,核心问题气候变化轨道驱动的若干重要证据 主要问题与讨论(作业:查文献),米蘭科維奇(Milankovitch),米蘭科維奇(Milankovitch)核心问题,日-地关系的变化造成冰期与间冰期交替出現主因冰期形成主要原因夏季（不是冬季）的太阳辐射量变弱，不足以溶化地上一冬季留下的冰雪冰雪覆该区域逐年往低纬度区扩展,较广的冰雪覆盖区反射較多的太阳辐射，地表吸收的太阳辐射变少因此冰雪溶化量更形成減少冰-反照率机制产生的正反馈，使得冰雪覆
8、盖区逐年扩大 理论的核心是单一敏感区的触发驱动机制,即北半球高纬气候变化信号被放大、传输进而影响全球）,-米兰科维奇的回答是,当地轴倾斜度减小,北半球夏季地球处在远日点时有利于冰期气候的出现;-这样的轨道要素配置将导致北半球高纬区夏季太阳辐射量的减小。因此,米氏理论可以概括为:65N附近夏季太阳辐射变化是驱动第四纪冰期旋回的主因。,适合冰期发展较小的黃赤交角及位于远日点的夏季,适合间冰期发展较大的黃赤交角及位于近日点的夏季,地球轨道怎样的配置才有利冰期气候的出现?,气候变化轨道驱动的若干重要证据,研究古气候变化的地质资料的获得深海岩芯、珊瑚礁、花粉、树木年轮、冰芯等氧同位素记录提供一个2.3万
9、年和10万年周期,与岁差周期和轨道偏心率周期接近；跨度为45万年的深海岩芯记录,发现了2.3万年、4.2万年和10万年周期的气候变化；并认为在过去的35万年里，这些周期一般来说都与适当的轨道周期步调一致。至此，越来越多的证据支持米氏理论，地球轨道变化影响气候的观点开始被接受。,地球轨道参数变化的振幅：单一参数变化振幅、综合变化的振幅,地球轨道参数变化和氧同位素含量变化的相位的一致性,当时基于的观察事实,1)冰期旋回过中,北半球高纬度大陆冰盖的变动幅度远大于南极冰盖；2)大陆冰盖是沿中心向四周扩张的；3)南北两半球冰盖变化有同时性；4)全新世开始时间不超过15000aB1P。(尽管当时还没有绝对
10、定年技术),到目前为止，大部分学者承认第四纪冰期旋回由天文因素引起的地球轨道变化所驱动。争议之处在：于太阳辐射总量基本不变的情况下，太阳辐射的纬度配置和季节配置变化通过什么机制驱动如此大幅度的全球气候变化。长期以来,古气候学家在解释古气候记录时,往往从第四纪冰期旋回动力机制的米氏理论：触发机制、放大机制、传输机制和全球耦合机制这4个部分这个框架出发。因此,米氏理论事实上为古气候学家提供了一种研究范式。,作业:查文献,主要问题与讨论北半球高纬夏季太阳辐射变化到底在冰期旋回过程中起到了多大的作用?米氏理论的单一触发机制,已难以全面解释全球晚第四纪气候变化（低纬度、南半球的一些地质证据）。气候信号的
11、放大机制 冰盖扩张(包括海冰)和大气温室气体浓度下降肯定是冰期气候形成的最为重要的放大机制,此外,海平面下降引起的陆地暴露以及植被覆盖面积和植被类型的变化等陆面过程亦应扮演了重要角色。即传输机制 北大西洋深层流变化，被视为将北半球高纬信号传输到南半球高纬区最为重要的机制；新的理论假说正在被提出。一派为“热带驱动说”。另一派假说主要为冰消期设计,它从冰消期时南极增温和大气CO2浓度增高超前于北极冰盖融化这个观察事实出发。,天文辐射：到达大气上界的太阳辐射随时间和空间的分布，完全由太阳和地球间的天文位置决定的，不考虑大气影响的太阳辐射。.日地距离.太阳赤纬.时角.太阳高度和太阳方位.日出、日末时间
12、和昼长.天顶角和大气光学质量,大气上界的天文辐射,太阳辐射在大气上界的分布是由地球的天文位置决定的，称此为天文辐射太阳辐射强度：在大气上界，任一单位水平面积上，在单位时间内获得的太阳辐射能通量。太阳辐射总量 对时间求积分可推算：小时 日 月 季节 年的太阳辐射总量。,大气上界的天文辐射,北半球季、年辐射总量随纬度的分布,纬度,同一纬度地带，日、季、年辐射量分布到处都相同，这表明天文辐射具有纬向带状分布的特点。这就是气温呈纬向分布的基本原因。,北半球各纬度日辐射总量的年分布,天文辐射的纬向分布特点，使地球上出现相应的纬向气候带，如赤道带、热带、副热带、温带、寒带等，都称为天文气候带。这是理想的气
13、候带，而实际气候远为复杂，但这已形成全球气候的基本轮廓。,2.2 太阳辐射在大气中的传输,太阳辐射光谱变化：到达大气上界的太阳辐射穿过大气时，由于大气分子、水汽和灰尘等吸收、散射和反射作用，地表接受的太阳辐射数量和光谱成份发生的变化。天文辐射穿过大气到达地面后强度减弱和颜色变化。,图 表明太阳辐射光谱穿过大气时受到减弱的情况：曲线1是大气上界太阳辐射光谱；曲线2是臭氧层下的太阳辐射光谱；曲线3是同时考虑到分子散射作用的光谱；曲线4是进一步考虑到粗粒散射作用后的光谱；曲线5是将水汽吸收作用也考虑在内的光谱，它也可近似地看成是地面所观测到的太阳辐射光谱。对比曲线1和5可以看出太阳辐射光谱穿过大气后
14、的主要变化有：总辐射能有明显地减弱；辐射能随波长的分布变得极不规则；波长短的辐射能减弱得更为显著。,大气对太阳辐射吸收,.太阳辐射经过整层大气时，0.29m以下的紫外线几乎全部被吸收，在可见光区大气吸收很少。在红外区有很强的吸收带。.大气中吸收太阳辐射的物质主要有氧、臭氧、水汽和液态水，其次有二氧化碳、甲烷、一氧化二氮和尘埃等。.云层能强烈吸收和散射太阳辐射，同时还强烈吸收地面反射的太阳辐射（云的平均反射率为0.500.55）。,二氧化碳:对太阳辐射的吸收总的说来是比较弱的，仅对红外区4.3m附近的辐射吸收较强，但这一区域的太阳辐射很微弱，被吸收后对整个太阳辐射的影响不大。,大气对长波吸收：主
15、要发生红外光谱区。大气对长波吸收：8-12um吸收率最小（大气窗）,大气对太阳辐射收散射过程：散射通过气体分子和粒子在大气中影响短波辐射，散射的程度取决于分子大小和辐射的波长；,如果太阳辐射遇到空气分子直径比波长小，辐射的波长越短，散射的越强。对于一定大小的分子来说，散射能力与波长的4次方成反比，但具有选择性，称为分子散射。,散射只改变辐射的方向，而不能把辐射能转变为热能；,大气对太阳辐射反射过程 未被地球-大气系统吸收或散射的短波辐射，在遇到分子，颗粒和物体后，无阻挡地直接返回太空。反射在大气和地表面均能发生。,反射对波长没有选择性，云的反射作用最为显著，反射能力和云状和云厚度有关。,影响地
16、球大气中辐射传输的三个过程中，其中反射是最重要的，尤其是云层对太阳辐射的反射最为明显，散射次之，吸收作用相对最小。,全球平均而言，太阳辐射约有30%被反射、散射回宇宙（行星反照率），20%被大气和云层直接吸收，50%到达地面。,两个原因：一是大气中各种分子和原子吸收辐射，使辐射能转变为其他形式的能量；二是大气中的气体分子、尘埃和水滴等质点将来自某方向的辐射散射到四面八方，从而减弱了天体辐射的强度。大气消光与大气的成分、辐射的波长和辐射穿过大气的厚度有关。通常蓝光所受的消光作用比红光严重，辐射穿过大气层的厚度增加，消光作用也加剧。因此，天体的天顶距越大，大气消光影响越大。,大气的消光作用,大气光
17、学质量：1个大气质量：当太阳位于天顶时，该地单位面积光束所穿过厚度为单位面积柱体的大气质量。,earth,h,Z,m=1,A,B,B,AT upper bound,大气光学质量m：入射光路经通过的大气质量相对于1个大气质量的倍数。,大气透明系数P 垂直入射时到达地表面的太阳辐射强度与(I1)大气上界太阳辐照度(I)之比。,若太阳入射方向大气质量为m时，到达地表面的太阳辐射强度Im，,2.3 辐射物理气候的某些特征,直接太阳辐射,大气消光后水平地面上直接太阳辐射日总量：,水平地表面太阳辐射：,对于某一地点而言：,求算一般方法：,散射辐射,假定大气散射各向同性，一半到达宇宙空间，一般到达地面，即天
18、空散射，地面观测到的散射辐射：,无云天空：,S0,S0,B,B,A,大气上界：,地表面：,大气上界和地表面太阳辐射强度的差值主要决定于太阳辐射在大气中的散射过程。,大气上界垂直于光线表面和水平面上那个的太阳辐射,散射辐射,地表的散射辐射和太阳高度及大气透明系数的关系(表2.19)：,无云时到达地表的散射辐射随太阳高度增加而加大，在到达地表的太阳辐射总能量中所占的比例越小。随大气透明度的减小而增加。,有云时散射辐射变化与太阳高度和下垫面的反射率有关：,2 散射辐射,由于多次反射产生相对增量为：,到达地面的散射辐射总量为：,到达地面的散射辐射增量为：,有云天空：,D,Da1,Da1a2,地面反射率
19、a1和云底反射率a2,散射辐射是一种短波辐射，其能量分布比直接辐射更集中于波长较短的光区。从上式可以看出，散射辐射的大小也与太阳高度角、大气透明度、大气质量数等因素有关：当太阳高度角增大时，直接辐射增加，散射辐射也增大；在太阳高度角一定时，如果大气透明度不好，散射质点多，散射辐射增强；而大气透明度好，散射质点少，散射辐射减弱。散射辐射的日、年变化也主要取决于太阳高度角的变化。一天中散射辐射的最大值出现在正午前后，一年中散射辐射的最大值出现在夏季。,总辐射,实际总辐射/可能总辐射,计算旬和月的平均总量计算：,地表总辐射,纬度不大于60的各个气候带内,水平地面上的太阳辐射（直接太阳辐射）+散射,实
20、际日照时数/可能日照时数,太阳总辐射的年总量的地理分布特征,纬向带状分布，云量的不均匀分布使其纬向分布特征破坏。,总辐射随纬度的分布一般是：纬度愈低总辐射愈大。反之就愈小。但由于赤道附近云很多，对太阳辐射削弱得也很多，所以，总辐射年总量最大值不是出现在赤道，而是出现在纬度20附近。中高纬度地区，总辐射强度（指月平均值）夏季最大，冬季最小；赤道附近（纬度020左右），一年中有两个最大值分别出现在春分和秋分。一般西部多于东部，山区多于平原。四川盆地为低值区，最低值仅为310J/(m2a)。青藏高原为高值区，年平均总量达790J/(m2a)，比同纬度东部地区几乎高出一倍。,夏半年辐射总量变化：同纬度
21、冬半年和下半年辐射总量的差值随纬度的增大而增大；辐射总量最大值出现在纬度25 oN附近，向赤道和极地方向减小；50oN与 赤道，40oN 与 10oN，赤道辐射总量大致相当。,冬半年辐射总量变化,辐射总量随纬度增加而减少，减少的梯度明显大于夏半年；辐射总量的纬度梯度愈向高纬愈大，一直到极点附近，整个冬半年的辐射总量为零。,全年辐射总量变化,太阳辐射年总量的纬度梯度，在中纬度地区比在赤道和极地附近大得多；,纬度0 oN-10 oN，辐射年总量的相对变率为1.4%，纬度50 oN-60 oN，辐射年总量的相对变率为16.8%，纬度80 oN-90 oN，辐射年总量的相对变率为3%.,在中高纬度地区
22、，热力梯度增大，对流层平均温度场南北温度梯度最大，气候锋带的形成，气旋活动频繁。,反射率A0（ALBEDO）,A0=S反射/Q总辐射,Fresnel反射特征：地表反射率的估算和太阳高度角有关，其反照率在太阳高度角从90o变到40o时基本为一常数，当太阳高度小于40o反射率迅速增加.,地表反照率估算：,(1）颜色对反射率的影响:颜色不同的各种下垫面，对太阳辐射可见光部分有选择反射的作用。各种颜色表面的最强反射光谱，就是它本身颜色的波长。白色表面具有最强的反射能力，黑色表面的反射能力较小，绿色植物对黄绿光的反射率大。颜色不同，反射率有很大差别，例如新白雪的反射率可高达80%95%，而黑钙土的反射率
23、只有5%12%。,到达地面的太阳总辐射不能完全被地面吸收，有一部分将被地面反射。地面反射辐射的大小与地面对太阳辐射或称短波辐射的反射率(Albedo)有关。短波辐射反射率主要与下垫面的颜色、湿度、粗糙度、不同植被、土壤性质及太阳高度角等因素有关:,(2)土壤湿度对反射率的影响 反射率将随土壤湿度的增大而减小。例如白沙土，随着湿度的增加其反射率从40%降到18%，减少了22%。这是因为水的反射率比陆面小的缘故。有试验指出，地面反射率与土壤湿度呈负指数关系。3.粗糙度对反射率的影响 随着下垫面粗糙度的增加，反射率明显减小。这是由于太阳辐射在起伏不平的粗糙地表面，有多次反射，另外太阳辐射向上反射的面
24、积相对变小，所以导致反射率变小。,(4).太阳高度角对反射率的影响 当太阳高度角比较低时，无论何种表面，反射率都较大。随着太阳高度角的增大，反射率减小。一日中太阳高度有规律的日变化，使地面反射率也有明显的日变化，中午前后较小，早、晚较大。(5）.几种下垫面的反射率 植被反射率的大小与植被种类、生长发育状况、颜色和郁闭程度有关。植物颜色愈深，反射率愈小，绿色植物在20%左右。植物苗期与裸地相差不多，反射率较大；生长盛期反射率变小，多在20%左右；成熟期，茎叶枯黄，反射率又增大。,5 几种下垫面的反射率 水面的反射率一般比陆面小，波浪和太阳高度角对水面的反射率有很大的影响。一般太阳高度角愈大，水面
25、愈平静，反射率愈小，例如当太阳高度角大于60时，平静水面的反射率小于2%，高度角为30时，反射率增至6%，高度角为2时，反射率可达80%。新雪面的反射率可高达90%以上，脏湿雪面的反射率只有20%30%，冰面的反射率大致为30%40%。由于反射率随各地自然条件而变化，所以它在季节上的变化也是很大的。由此可见，即使总辐射的强度一样，不同性质的地表真正获得的太阳辐射仍有很大差别，这也是导致地表温度分布不均匀的重要原因之一。,太阳系九大行星中以金星的反射率为最大：，水星的最小：。地球的反射率各研究者所得的数值各不相。大体在之间目前行星反照率在30%左右。,行星反照率的地理分布:,1）由赤道向两极增高
26、，2）在南半球，其等值线呈明显的带状分布；在北半球，反射率季节变化比较大，北极圈内，等值线的分布较为复杂。3）在低纬热带地区，其行星反照率分布于所在纬度的年平均值存在明显偏离。,4）海洋上的行星反射率远远小于陆地；5）在赤道附近，由热带高值区向赤道减小，但在赤道辐合带内形成数值较小的峰值区。,气旋活动频繁地区以及气旋移行路径上，行星反射率的季节变化明显，在沙漠、冰雪覆盖区、永久性反气旋地区以及云区，其地理分布的变化相对较小。,长波有效辐射,地球辐射平衡温度：255K,太阳辐射,地球热辐射,5780K,255K,0.1 0.5 3 5 10 50 100 m,4,（1）地球的辐射平衡温度,长波有
27、效辐射,地球吸收剩余的部分太阳辐射而增温，同时地球也将以长波长的电磁波向空间辐射，当两者平衡后，地球温度保持不变的状态时的温度。,（2）地球的辐射特性,太阳辐射在波长0.4m 附近最大，地球辐射在10m附近最大，3-80m波谱内（90%）；此两种辐射在4m处交界，地球辐射属于红外辐射，太阳辐射大部分在可见光部分。,比辐射率，0.850.99,长波有效辐射,有效辐射F 数学表达式,/长波辐射平衡/长波辐射净通量,地面向上辐射U，大气逆辐射G，地面对长波辐射吸收率a，比辐射率=0.850.99。,地面有效辐射计算方法,地面有效辐射主要决定与地面温度、空气湿度、大气中随其含量和云状云量等气象因子。,
28、晴天有效辐射可表示为：,考虑云的影响：是大气逆辐射加强，有效辐射减小；影响大气逆辐射的主要因子-云量n和云底温度Tc,影响系数0.75,地面有效辐射：大气逆辐射：,地面有效辐射：大气逆辐射：,地面有效辐射：大气逆辐射：,大气逆辐射和有效辐射的日变化特点：,晴夜大气逆辐射的降低首先是有温度的降低引起的；在气温相近的条件下，空气中水汽含量对大气逆辐射有较大影响。（图2.21、2.22）,天空有云存在时。高云、中云、低云,行星地球/地-气系统的长波有效辐射：,一是波长位于大气弱吸收区和大气窗区的地面长波辐射；二是波长位于强吸收带内的大气长波辐射。（图2.23）,问题思考：,太阳活动？对地球气候的意义
29、？地球轨道参数？和地球接收到太阳辐射的关系？如何理解米兰科维奇理论？消光系数？其计算和反演方法有哪些？（查文献）长波辐射？短波辐射？到达地表的太阳辐射受哪些因素影响？全球年辐射最大值出现在副热带地区？理解总辐射和辐射差额具有带状分布？逆辐射？有效辐射？反照率及影响其因素？我国夏季高温出现在西北内陆地区？而不是低纬度的华南地区？胡丽琴 刘长盛，云层与气溶胶对大气吸收太阳辐射的影响（The Influence of Cloud Layer and Aerosol on Absorption of Solar Radiation，）高原气象，2001 20(3),对流层,平流层,上冷下热高空对流,中
30、间层,热层,后面是附加的的图片,大气上界是为了说明大气圈的垂直范围而确定的地球大气的最大上限高度。通常有两种确定法：着眼于大气中出现的某些物理现象，据观测极光出现的最大高度在1200公里的高度上，因此，有人认为大气上界是1200公里高度，这称为大气的物理上界。着眼于大气密度，根据天体物理研究，星际气体密度约为每立方厘米中一个微观粒子。按人造卫星探测资料推算，地球大气密度在20003000公里高空达到这一标准，故目前一般以此作为大气上界。,大气对太阳辐射散射过程：,分子散射,粗粒散射,选择性，呈球型对称的，入射方向强，垂直方向弱。,无选择性：辐射的各种波长都同样被散射,直径小于波长,直径大于波长,大气的消光作用，夏至日全球辐射日总量的极大值将有极地向低纬方向移动，大气越混浊，极地辐射量减少的越快，极地和赤道的辐射差别越明显。,地球上云量分布除副热带外，一般由赤道向极地方向增加，同时大气透明度随纬度增加；云量的影响超过大气透明度的影响，直接太阳辐射总量最大值不时出现在赤道，而是在云量最少的热带干旱地区附近。,直接太阳辐射分布特征,
