6.1 气候形成的幅射因子

第一节  气候形成的幅射因子

一、太阳辐射与天文气候

太阳辐射在大气上界的时空分布是由太阳与地球间的天文位置决定的，又称天文辐射。由天文辐射所决定的地球气候称为天文气候，它反映了世界气候的基本轮廓。 

（一）天文辐射的计算

除太阳本身的变化外，天文辐射能量主要决定于日地距离、太阳高度和白昼长度。

1.日地距离

地球绕太阳公转的轨道为椭圆形，太阳位于两焦点之一上。因此日地距离时时都在变化，这种变化以一年为周期。地球上受到太阳辐射的强度是与日地间距离的平方成反比的，在某一时刻，大气上界的太阳辐射强度I应为

式中b为该时刻的日地距离，a为地球公转轨道的平均半径，I0为太阳常数1370W/m2，假使取a=1（1个天文单位），b/a用ρ表示，则

一年中地球在公转轨道上运行，就近代情况而言，在1月初经过近日点，7月初经过远日点，按上式计算，便得到各月一日大气上界太阳辐射强度变化值（给出与太阳常数相差的百分数，如表6.1所示）：

由上表可见，大气上界的太阳辐射强度在一年中变动于+3.4％—-3.5％之间。如果略去其它因素的影响，北半球的冬季应当比南半球的冬季暖些，夏季则比南半球凉些。但因其它因素的作用，实际情况并非如此。

2.太阳高度

太阳高度是决定天文辐射能量的一个重要因素。利用天球的地平坐标和赤道坐标来表示太阳在天球上的位置，用球面三角公式可以求出任意时刻太阳高度的表达式如下

sinh=sinsinδ＋coscosδcosω              （6·3）

（6·3）式是计算太阳高度角的基本方程，式中h为太阳高度，为所在地的纬度。δ为太阳赤纬，赤纬在赤道以北为正，在赤道以南为负，一年内在北半球夏至日δ为+ 23°27′，冬至日为－23°27′，春、秋分日δ=0°。ω为时角，在一天中正午时ω=0°，距离正午每差1小时，时角相差15°，午前为负值，午后为正值。

由第二章（2·15）式已知，在太阳高度为h时，单位面积上所获得的太阳能为Isinh。再考虑到日地距离的影响，那么每单位时间落到大气上界任意地点的单位水平面上的天文辐射能量为

由（6.5）式可以求出任一地点、任一天太阳辐射在大气上界流入量（天文辐射）的日变化，以及一年中任一天白昼时任一时刻，地球表面水平面上天文辐射的分布。

3.白昼长度

指从日出到日没的时间间隔。日出和日没太阳正好位于地平圈上，太阳高度h=0°，以-ω0为日出的时角，ω0为日没的时角，根据（6·3）式可以求得

sinh=sinsinδ＋coscosδcosω0=0

cosω0=－tgtgδ           (6·6）

因日出、日没的时角绝对值相等，所以2ω0就是白昼长度，也就是天文辐射中的可照时间。它是随地理纬度和太阳赤纬而变化的。

要计算任一地点在一天内，1m2水平面上天文辐射的总能量，可按下式推算。由（6·5）式可知

考虑到时间t与时角ω具有如下关系

式中T为1日长度（24h=1440min）将上式代入（6·5）′式，则

对（6·7）式从日出到日没，即从-w0- +w0进行积分，于是得到

上式中=458.4，太阳赤纬δ，日地相对距离ρ和时角ω0都可由天文年历中查得，因此根据（6·8）式可以计算出某纬度在某日（查出该日的ρ、δ和ω0）天文辐射的日总量Qs。

（二）天文气候

由（6·8）式计算出的若干纬度上天文辐射的年变化如图6·2所示。全球天文辐射的立体模式如图6·3所示。北半球水平面上天文辐射的分布则如表6·2所示。

从上列图表中可以看出，天文辐射的时空分布具有以下一些基本特点，这些特点构成了因纬度而异的天文气候带。在同一纬度带上，还有以一年为周期的季节性变化和因季节而异的日变化。

（1）天文辐射能量的分布是完全因纬度而异的。就表6·2看来，全球获得天文辐射最多的是赤道，随着纬度的增高，辐射能渐次减少，最小值出现在极点，仅及赤道的40％。这种能量的不均衡分布，必然导致地表各纬度带的气温产生差异。地球上之所以有热带、温带、寒带等气候带的分异，与天文辐射的不均衡分布有密切关系。

（2）夏半年获得天文辐射量的最大值在20°—25°的纬度带上，由此向两极逐渐减少，最小值在极地。这是因为在赤道附近太阳位于或近似位于天顶的时间比较短，而在回归线附近的时间比较长。例如在6°N与6°S间，在春分和秋分附近，太阳位于或近似位于天顶的时间各约30天。在纬度17.5°—23.5°的纬度带上，在夏至附近，位于或近似位于天顶的时间约86天。赤道上终年昼夜长短均等，而在20°—25°纬度带上，夏季白昼时间比赤道长，这是“热赤道”北移（就北半球而言）的一个原因。又由于夏季白昼长度随纬度的增高而增长，所以由热带向极地所受到的天文辐射量，随纬度的增高而递减的程度也趋于和缓，表现在高低纬度间气温和气压的水平梯度也是夏季较小。

（3）冬半年北半球获得天文辐射最多的是赤道。随着纬度的增高，正午太阳高度角和每天白昼长度都迅速递减，所以天文辐射量也迅速递减下去，到极点为零。表现在高低纬度间气温和气压的水平梯度也是冬季比较大。

（4）天文辐射的南北差异不仅随冬、夏半年而有不同，而且在同一时间内随纬度亦有不同。在两极和赤道附近，天文辐射的水平梯度都较小，而以中纬度约在45°—55°间水平梯度最大，所以在中纬度，环绕整个地球，相应可有温度水平梯度很大的锋带和急流现象。

（5）夏半年与冬半年天文辐射的差值是随着纬度的增高而加大的。表现在气温的年较差上是高纬度大，低纬度小。再从图6·2和图6·3上可以看出，在赤道附近（约在南北纬15°间），天文辐射日总量有两个最高点，时间在春分和秋分。在纬度15°以上，天文辐射日总量由两个最高点逐渐合为一个。在回归线及较高纬度地带，最高点出现在夏至日（北半球）。辐射年变化的振幅是纬度愈高愈大，从季节来讲，则是南北半球完全相反。

（6）在极圈以内，有极昼、极夜现象。在极夜期间，天文辐射为零。在一年内一定时期中，到达极地的天文辐射量大于赤道。例如，在5月10日到8月3日期间内，射到北极大气上界的辐射能就大于赤道。在夏至日，北极天文辐射能大于赤道0.368倍，南极夏至日（12月22日）天文辐射量比北极夏至日（6月22日）大。这说明南北半球天文辐射日总量是不对称的，南半球夏季各纬圈日总量大于北半球夏季相应各纬圈的日总量。相反，南半球冬季各纬圈的日总量又小于北半球冬季相应各纬圈的日总量。这是日地距离有差异的缘故。

 

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