气候资源与利用课件.pptx

第第1 1章章 绪论绪论 1、气候资源的概念 2、气候资源的特性 3、气候资源研究的对象和任务 4、气候资源对国民经济发展的意义知识点：气候资源与利用气候资源的特点及内容气候资源的开发利用与其他自然资源的共同特点与其他自然资源相比较的特殊性气候资源与农业气候资源与交通气候资源与旅游知识框架气候资源与建筑气候资源与能源开发气候资源的主要内容天气和气候天气？气候？天气现象是指在大气中发生的各种自然现象，天气现象是指在大气中发生的各种自然现象，即某瞬时内大气中各种气象要素（如即某瞬时内大气中各种气象要素（如风风、云云、雾雾、雨雨、雪雪、霜霜、雷雷、雹雹等）空间分布的综合表现。等）空间分布的综合表现。气候是长时间内气象要素和天气现象的平均或统气候是长时间内气象要素和天气现象的平均或统计状态，时间尺度为月、季、年、数年到数百年计状态，时间尺度为月、季、年、数年到数百年以上。气候以以上。气候以冷、暖、干、湿冷、暖、干、湿这些特征来衡量。这些特征来衡量。与天气比，气候更具与天气比，气候更具稳定性稳定性，深刻反映了大气状，深刻反映了大气状况的规律性。况的规律性。气候资源的概念 气候资源学是介于气候学与自然资源学之间的一门边缘科学，它是以光、热、水、风、大气成分光、热、水、风、大气成分等气候资源要素及其组合为对象，研究其数量、质量、发展变化、空间分布及其综合开发利用、保护和管理的一门科学。这门科学在农业、建筑业、能源开发、水利工程、生产布局、城镇规划等方面有着广泛的应用。气候资源是指可以为人类生产和生活提供原原料料、能源能源、观赏游览观赏游览价值的气候要素或气候现象的总体。气候资源包括光、热、水、风与大光、热、水、风与大气成分气成分，是人类生产和生活必不可少的主要自然资源。为人类提供原料、能源和必不为人类提供原料、能源和必不可少的物质条件。可少的物质条件。气候资源是一种可再生资源：气候资源是一种可再生资源：是取之不尽的，用之不竭的。是取之不尽的，用之不竭的。气候资源的基本特征：气候资源各组成因子的相互制约性和不可代替性 时间分布上的节律性和波动性 地域分布上的差异性和不均衡性 常年的有限性和长远的潜在性气候资源和土地、生物资源的相互依存性“橘生淮南则为橘橘生淮南则为橘,橘生淮北而为枳橘生淮北而为枳”*中国东部地区的中国东部地区的雨带随着月份的变化雨带随着月份的变化作周期性移动作周期性移动*如洪涝灾害等突发性自然灾害，则表现了气候资源的非周期性特征。气候资源研究的对象研究对象：研究对象：1、气候资源的形成及物理基础、气候资源的形成及物理基础 2、太阳辐射资源、太阳辐射资源(光）光）光能资源主要指来自太阳的辐射能。辐射资源的经济价值主要表 现在两个方面：（1）光能的直接利用，如太阳能发电、供暖 等；（2）通过光合作用转换为有机物 3、热量资源、热量资源 一个地区热量状况的好坏直接决定其作物种植类型、生长状况 和产量。为了描述热量资源，一般采用积温，即在一定温度范 围内日平均温度的累 积值。4、水分资源、水分资源 我国的水分资源虽然较丰富，但其变异性较大。总体 来看，我国大部分地区降水集中季节与高温长期一 致，即水热同步，为农业生产提供了优越的气候资 源。5、风资源、风资源 风能就是大气运动产生的能量，是由太阳辐射能转 换而来。风能的利用已经有上千年的历史：用风车 驱动帆船、排水等等。6、空气资源、空气资源 1.氧气氧气 ：用于动植物呼吸，支持燃烧。主要用于潜水、医疗急：用于动植物呼吸，支持燃烧。主要用于潜水、医疗急 救、炼钢、气焊以及化工生产和宇宙航行等。救、炼钢、气焊以及化工生产和宇宙航行等。2.氮气：主要用于工业原料（制造硝酸和化肥等），作保护气，氮气：主要用于工业原料（制造硝酸和化肥等），作保护气，食品防腐，液氮用于医疗冷冻麻醉等。食品防腐，液氮用于医疗冷冻麻醉等。3.稀有气体稀有气体 ：利用惰性做保护气、用于航标灯、闪光灯、霓虹：利用惰性做保护气、用于航标灯、闪光灯、霓虹 灯的电光源、激光技术；制造低温环境；用于医疗麻醉灯的电光源、激光技术；制造低温环境；用于医疗麻醉 4.二氧化碳：用于植物的光合作用二氧化碳：用于植物的光合作用 7、气候资源的综合开发和利用、气候资源的综合开发和利用 风能，太阳能的利用风能，太阳能的利用中国太阳能资源分布中国太阳能资源分布地地区区类类型型年日照时年日照时数（数（h/a）年辐射总量年辐射总量（MJ/m2）等量热量所等量热量所需标准燃煤需标准燃煤 （kg）包括的主要地区包括的主要地区备注备注一一类类3200-33006680-8400225285宁夏北部，甘肃北部，新宁夏北部，甘肃北部，新疆南部，青海西部，西藏疆南部，青海西部，西藏西部西部最丰最丰富富二二类类3000-32005852-6680200225河北西北部，山西北部，河北西北部，山西北部，内蒙南部，宁夏南部，甘内蒙南部，宁夏南部，甘肃中部，青海东部，西藏肃中部，青海东部，西藏东南部，新疆南部东南部，新疆南部较丰较丰富富三三类类2200-30005016-5852170-200山东，河南，河北东南部，山东，河南，河北东南部，山西南部，新疆北部，吉山西南部，新疆北部，吉林，辽宁，云南，陕西北林，辽宁，云南，陕西北部，甘肃东南部，广东南部，甘肃东南部，广东南部部中等中等四四类类1400-20004180-5016140-170湖南，广西，江西，浙江，湖南，广西，江西，浙江，湖北，福建北部，广东北湖北，福建北部，广东北部，陕西南部，安徽部，陕西南部，安徽南部南部较差较差五五类类1000-14003344-4180115-140四川大部分地区，贵州四川大部分地区，贵州最差最差中国太阳能资源分布表中国太阳能资源分布表大气的气体组成成份提出合理利用气候资源的途径和措施，以充提出合理利用气候资源的途径和措施，以充分挖掘其潜力，因地制宜地开发和利用气候分挖掘其潜力，因地制宜地开发和利用气候资源为国民经济服务资源为国民经济服务研究任务研究任务 摸清光、热、水、风、大气成分等气候资摸清光、热、水、风、大气成分等气候资 源要素的数量、质量和时空分布状况源要素的数量、质量和时空分布状况 研究气候资源各组成因子之间的关系、研究气候资源各组成因子之间的关系、掌握它们相互之间组合的变化规律掌握它们相互之间组合的变化规律 研究气候资源的形成、演变及发展规律研究气候资源的形成、演变及发展规律 揭示气候资源的特性，分别鉴定气候资源揭示气候资源的特性，分别鉴定气候资源 对农业及其他国民经济部门的影响和作用对农业及其他国民经济部门的影响和作用气候资源研究对国民经济发展的意义为农业生产提供必要的光照、热量、水分及二氧化碳等物质和能量与交通运输关系密切为城市规划和建筑提供依据为旅游业提供独特的自然景观为工业生产提供必要的水分、气、风 能、太阳能*气候资源与农业：气候资源与农业：“万物生长靠太阳，雨露滋润禾苗壮”*与农业的关系最密切与农业的关系最密切*是是农农业业自自然然资资源源的的组组成成部部分分，主主要要提提供供光光热热、水水和和空空气气等等能能量量和和物物质质。一地的气候资源往往决定着该地的种植制度，一地的气候资源往往决定着该地的种植制度，包括作物的结构、熟制、配置与种植方式。包括作物的结构、熟制、配置与种植方式。地区无霜期10积 温（）降水（mm）种植制度类型隔年年内复种指数东北地区14017013003700500800春麦玉米大豆轮作一年一熟西北地区10022020004500250600春麦冬麦谷轮作一年一熟黄淮海平原17722034004700500950麦麦豆套种一年两熟长江中下游地区210280450056008001600绿肥稻稻油菜稻稻麦稻稻一年三熟*我国四个地区的种植制度我国四个地区的种植制度*随着农业科学技术的发展，人们广随着农业科学技术的发展，人们广泛采用的间作、套种的方式，泛采用的间作、套种的方式，塑料大棚塑料大棚和温室和温室等农业生产措施，以及等农业生产措施，以及生态农业生态农业，机械农业机械农业等，都是合理而充分的利用气等，都是合理而充分的利用气候资源，挖掘农业气候资源潜力，以建候资源，挖掘农业气候资源潜力，以建成高产、优质、高效的农业。成高产、优质、高效的农业。农业气候资源的开发利用：农业气候资源的开发利用：棚架与温室生态农业2008年暴雪 气候变化影响农业生产Source:www.meto.gov.uk/sec5/CR_div/Brochure97/全球变化使全球变化使中高纬地区中高纬地区农业生产的产量增加农业生产的产量增加，低纬地区，低纬地区产量减少产量减少；使广大发展中国家的农业遭受重创使广大发展中国家的农业遭受重创。0030N30N30S30S 与交通的关系：公路，铁路的设计，应特别注意沿线的暴雨公路，铁路的设计，应特别注意沿线的暴雨及其激发的泥石流、大风等出现的强度和频及其激发的泥石流、大风等出现的强度和频率、以及冻土、积雪的深度等。率、以及冻土、积雪的深度等。桥桥涵涵孔孔径径的的大大小小、路路基基的的高高低低等等都都需需要要根根据据当当地地的的暴暴雨雨强强度度来来设设计计。与与交交通通的的关关系系：2008南方暴雪与交通的关系：航空机场的选址，宜选择低云、雾和暴雨出现航空机场的选址，宜选择低云、雾和暴雨出现频率较少、风速较少的地方。潮湿低洼外易出频率较少、风速较少的地方。潮湿低洼外易出现雾，城市、工业区易出现烟幕，因此机场宜现雾，城市、工业区易出现烟幕，因此机场宜设在距城市较远、地势较高的地方。设在距城市较远、地势较高的地方。气候资源与建筑：气候资源与建筑：日照与街道方向日照与街道方向风向与城市规划风向与城市规划日照与街道方位日照与街道方位对于东西走向的街道来说，两旁的房屋一般为南北朝向。对于南北走向的街道来说，两旁的房屋一般为东西朝向。一般来说，朝北的一般来说，朝北的房屋，光照条件较差！房屋，光照条件较差！那么，怎么来解决这个那么，怎么来解决这个问题呢？问题呢？解决方法解决方法30度度60度度解决方法：城镇街道宜采取南北方向与东西方向的中间方位，即使街道与子午线成30度到60度的夹角。盛行风向重污染企业轻度污染企业居民住宅区在常年盛行一种主导风向的地区：对大气在常年盛行一种主导风向的地区：对大气在常年盛行一种主导风向的地区：对大气在常年盛行一种主导风向的地区：对大气有污染的企业布局在盛行风的下风向，居住区有污染的企业布局在盛行风的下风向，居住区有污染的企业布局在盛行风的下风向，居住区有污染的企业布局在盛行风的下风向，居住区布局在上风向。布局在上风向。布局在上风向。布局在上风向。风风向向与与城城市市规规划划：在风向随季节变化的地区：布局在在风向随季节变化的地区：布局在当地最小风频的上风向，居住区布局在当地最小风频的上风向，居住区布局在上风向。上风向。盛行风向重污染企业轻度污染企业居民住宅区风风向向与与城城市市规规划划：旅游业离不开气候，气候是旅游业中不 可缺少的一种资源。首先是气候现象本身的美。如：冬日雪 景是最壮丽的自然景色，夏日雷电则是 最惊心动魄的自然现象。秋高气爽使人 心情平静，春暖花开使人感到生机盎然。其次，在特殊气候条件下形成的特殊自 然景观与人文景观，更是旅游的重要目 标，如香山红叶，洛阳牡丹。最后，旅游是一项人类活动，一般需要宜人的 气候条件。黄山云海娥眉佛光太阳能发电2008年的奥运会，“新奥运”将充分体现“环保奥运、节能奥运”的新概念，计划奥运会场馆周围80至90的路灯将利用太阳能光伏发电技术；采用全玻璃真空太阳能集热技术，供应奥运会90的洗浴热水。风力发电我国风电总装机容量仅达到36万kW,只占全国电力总装机容量的1,约为可开发储量的1.4参考书目邓先瑞主编“气候资源概论”，华中师范大学出版社，1995傅抱璞：气候资源与开发利用，气象出版社，1995.周淑贞主编 “气象学与气候学”第三版.高等教育出版社.1997李克煌：气候资源学，河南大学出版社，1990.第二章 气候资源的形成及其物理基础主要内容气候系统的概念和性质气候系统的形成因子下垫面的热量平衡气候系统1974年在斯德哥尔摩召开的WMO-ICSU联席会上，明确提出了这一概念：气候系统指的是大气圈同水圈、冰雪圈、岩石圈、生物圈之间相互作用的整体。气候系统示意图水圈：海洋是由世界大洋和邻近海域的含盐海水所组成。其总面积为3.6 亿km2，约占地球表面的71，相当于陆地面积的2.5倍。无论从力学和热力学效应来看，海洋在气候系统中具有最大的惯性，是一个巨大的能量贮存库。陆面：岩石圈。在近代气候变化的时间尺度内，除火山爆发外，对大气的作用主要还是发生在陆地表面。冰雪圈：冰川和冰原的体积变化与海平面高度的变化有很大关系。由于冰雪具有很大的反射率，在冰雪覆盖下，地表（包括海洋和陆地）与大气间的热量交换被阻止，因此冰雪对地表热量平衡有很大影响。它是气候系统中的一个重要子系统。生物圈：生物对于大气和海洋的二氧化碳平衡，气溶胶粒子的产生，以及其它与气体成分和盐类有关的化学平衡等都有很重要的作用。气候系统的基本特性气候系统是一个非常复杂的非线性系统，各子系统虽能彼此独立地客观存在着，而其相互作用却又决定着各子系统的演化行为。一般从以下几个方面来描述气候系统的基本特性：热力属性、动力属性、水分属性、静力属性 大气圈与各圈层关系大气圈与各圈层关系 大气圈与岩石圈 气候条件通过大气条件的外力作用，对地质、地貌的形 成和发展产生着巨大影响。即大气条件的外力 地质、地貌 大气圈与水圈 通过大气物理过程、大气运动，对其（水圈）产生深刻 影响。即大气物理过程、大气运动 水圈 海洋空中海，陆面海洋的水分大循环过程海洋大陆地下水径流海水蒸发云云暖湿空气陆地蒸发30%70%降水降水 大气圈与生物圈 通过各种气候条件，影响和决定各种生存生物的 种群及生物生存的生态系统 植物生存高度与哪些因素 有关？同种植物南北坡种植（生 存）的高度为什么不同？各种气候条件 生物圈 大气圈不断对生物圈、岩石圈、水圈发生作用，而他们反过来又直接影响着当地的天气、气候，从而使地表的自然状况处在应有的平衡之中。即岩石、水、生物三圈层对大气圈有反馈作用。NS 气候系统形成的三大因子太阳辐射大气活动的能量之源，大气过程的主宰力量。（外部因素）大气环流输送热量和水分的机制，是直接控制气候过程的因素。（本身）地理环境下垫面的影响、人类活动的影响。只有地理条件才是气候特征的决定因素。天文辐射(不考虑大气影响的太阳辐射）具有明显的周期变化及随纬度变化的规律性地球大气中辐射能量的转化（大气削弱作用）受大气和云层吸收、气体分子和悬浮微粒散射、云层的反射散射散射反射反射吸收吸收大大气气对对太太阳阳辐辐射射的的削削弱弱作作用用 大气环流是地表太阳辐射不均匀引起热量输送 （1)缓和赤道和极地温差 (2)调节海陆之间的热量水分输送水分循环通过蒸发、大气中水分输送、降水和径流实现地理环境（下垫面、人类活动）下垫面（大气的热源、水源和边界面）(1)海陆分布 (2)地形 (3)局地下垫面特性人类活动 (1)改变下垫面 (2)改变空气成分第 三 章 太阳辐射资源及其综合利用 第一节 太阳辐射与天文气候 第二节 地面太阳辐射的气候学计算 第三节 太阳辐射资源的分布与变化第四节 太阳能与作物生产 第五节 太阳能的综合利用第三章 太阳辐射资源及其综合利用太阳是一个巨大的、炽热的球状气团。太阳辐射是一种天然的、洁净的能源。地球上一切物理过程的能源和动力；维持地球上一切生命的基础；地球上大气环流、天气和气候形成的根源。研究太阳能资源及其开发利用具有实际意义。第三章 第一节 主要内容3.1 太阳辐射与天文气候2.1.1 太阳辐射类型2.1.2 辐射场的表征2.1.3 地球上的天文气候2.1.4 地表辐射平衡3.1 太阳辐射与天文气候能量传递方式：传导，即借不运动的介质来传递能量；对流，即借运动着的介质来传递能量；辐射，即透过空间以电磁波传递能量。太阳辐射方式：太阳以电磁波的方式向外发射能量；能够到达地球的只是朝向太阳的地球表面一定立体角范围内所包含的能量。3.1.1 太阳辐射类型光辐射太阳光谱是吸收光谱，如图所示。光谱颜色与对应的波长，如表所示。短波辐射太阳直接辐射、散射辐射、总辐射等。长波辐射大气辐射、地面辐射、地球辐射等。太阳能或光能总辐射或光合有效辐射。太阳热辐射太阳发射光辐射的同时，也向地球辐射热量。太阳大气中以氢最多，由氢核聚变成氦核的热核反应，产生巨大的能量。地球上获得的只是其中极微小的一部分。太阳热辐射对于地球上的人类活动具有重要的资源意义。太阳射电辐射宁静太阳射电是指当太阳面上活动区比较平静，太阳黑子、光斑、耀斑等太阳活动性因子没有变动时的太阳射电。太阳缓变射电主要出现在105106m波段，与太阳黑子有关。太阳面出现黑子群或大型黑子通过日面中央线时，就会发生射电扰动。太阳爆发性射电是指106m波段的太阳射电，在很短的时间内强度突然增强千百倍的情况。太阳微粒流辐射微粒流辐射由许多带正电荷的质子、带负电荷的自由电子和某些化学元素的原子核组成。太阳微粒流辐射具有一定的放射方向，并不是都能到达地球区域。太阳微粒流辐射的速度比光波辐射慢，平均约为每秒10003000km。3.1.2辐射场的表征表示辐射传输能量的大小和特征，通常采用的表征量：1.辐射通量(Radiant Flux或 Radiant Power)单位时间内通过空间任一表面的辐射能量，称为辐射通量。对辐射体(Radiator)而言，就是辐射能的功率。单位为焦耳/秒(J/s)或瓦特(W)。2.辐射通量密度(Radiant Flux Density)单位面积上的辐射通量称为辐射通量密度；即单位面积上单位时间内通过的辐射能量。单位为瓦特/米2(W/m2)表示。3.辐射强度(Radiant Intensity)辐射强度是指在垂直于太阳光线方向的单位面积上，单位时间和单位立体角(solid angle)内所通过的辐射量。表示为(3.1)式。单位为瓦/米2球面度(W/m2.sr)。国际单位制(International System of Units)中，辐射强度 I也称为辐射率。对于辐射体来说，辐射率就是在垂直于辐射方向的单位面积上单位时间内单位立体角中放射出的辐射能。对于接受体来说，辐射率就是接受表面与辐射方向垂直的单位面积上单位时间内单位立体角中所接受的辐射量。在平行光线的辐射场，ds面上的辐射强度只取决于辐射能在单位时间内在垂直于平行光线方向上的面积dsn上的投影，与视光源空间的张角无关，辐射强度 I可以用辐射通量密度来表示。采用球坐标，以ds表示辐射体表面的面元，ds为接受表面面元，则 其中，r为球半径；为方位角；为天顶角；纬圈半径为rsin；如图2.2所示。对于单位半径，球面上的面积就是立体角的球面度数，整个球体的面积为4r2。整个球体空间的立体角球面度数为 。将半球空间的立体角2sr代入辐射强度计算公式，可求出半球的辐射通量密度为可见，在各向同性的辐射场中，通过一个任意表面的辐射通量密度等于辐射强度的倍。3.1.3 地球上的天文气候不考虑地球上大气圈的作用和地形高低以及海陆分布的影响，则地球上的气候就仅取决于地球各处所获得的太阳辐射能量的多少，这种气候分布就称为“天文气候”。地球上没有大气时的太阳辐射能量是由太阳对地球的天文位置所决定的。所以到达地球的太阳辐射量不但存在着昼夜和季节变化，而且还存在着地区差异。1.太阳常数与太阳辐射强度平均日地距离情况下，地球外层大气上界与太阳光线垂直的单位面积上，单位时间内所得到的太阳单色光辐射通量密度 I0 称为太阳辐照度频谱密度；对于全部太阳辐射光谱，即太阳辐射的积分通量密度 I0，称为“太阳常数”。太阳常数并不是绝对不变的；因为太阳活动的变化会影响太阳辐射量，而且一年中的日地距离也是不断变化的。一般认为，I0的变化范围在13591396W/m2；目前普遍公认的太阳常数为I0=13677W/m2。地球大气上界垂直于太阳光线表面上的太阳辐射强度为 I=I0/2，为日地相对距离，将太阳高度角h与地理纬度、太阳赤纬和时角的关系代入，可得地球上天文辐射强度的计算公式 定义定义定义定义S Sm mS Sm m S Sm msinhsinh二、太阳高度角、太阳方位角和昼长二、太阳高度角、太阳方位角和昼长二、太阳高度角、太阳方位角和昼长二、太阳高度角、太阳方位角和昼长 太阳高度角太阳高度角太阳高度角太阳高度角 （h h h h）太阳光线与地表水平面之间的夹角。太阳光线与地表水平面之间的夹角。太阳光线与地表水平面之间的夹角。太阳光线与地表水平面之间的夹角。(0h90)(0h90)(0h90)(0h90)水平面上太阳辐射的计算水平面上太阳辐射的计算水平面上太阳辐射的计算水平面上太阳辐射的计算 S Sm m和和和和S Sm m与与与与h h h h的关系图的关系图的关系图的关系图 (3-8)(3-8)太阳高度角（h）愈小，太阳辐射强度愈弱，单位时间、单位面积地表上获得太阳辐射热能 （直接辐射）愈少；相反愈多。全球赤道地区地表获辐射热能最多，极地最少，其它纬度间于两者之间。全年夏季太阳光最强，冬季最少。太阳高度角对辐射的影响水平面上得到的太阳辐射能随着水平面上得到的太阳辐射能随着h的增加而增加。的增加而增加。h h的计算公式的计算公式的计算公式的计算公式sin hsin hsin hsin hsinsin+coscoscossinsin+coscoscossinsin+coscoscossinsin+coscoscos式中：式中：式中：式中：为观测点纬度，为观测点纬度，为观测点纬度，为观测点纬度，为赤纬，为赤纬，为赤纬，为赤纬，是时角。是时角。是时角。是时角。的计算的计算的计算的计算的的的的含义：含义：太阳直射点纬度太阳直射点纬度太阳直射点纬度太阳直射点纬度(即太阳直射光线与赤道平面即太阳直射光线与赤道平面即太阳直射光线与赤道平面即太阳直射光线与赤道平面 之间的夹角之间的夹角之间的夹角之间的夹角)。计算公式：计算公式：计算公式：计算公式：说明：说明：说明：说明：以度为单位，以度为单位，以度为单位，以度为单位，N N N N是从是从是从是从1 1 1 1月月月月1 1 1 1号算起的总天数。号算起的总天数。号算起的总天数。号算起的总天数。特殊日期特殊日期特殊日期特殊日期的的的的值：值：春分日春分日春分日春分日(21/3)(21/3)(21/3)(21/3)或秋分日或秋分日或秋分日或秋分日(23/9)(23/9)(23/9)(23/9)：0000 夏至日夏至日夏至日夏至日(22/6)(22/6)(22/6)(22/6)：23.523.523.523.5 冬至日冬至日冬至日冬至日(22/12)(22/12)(22/12)(22/12)：-23.5-23.5-23.5-23.5（23.5S23.5S23.5S23.5S）的确定的确定的确定的确定是用角度表示的时间，是用角度表示的时间，是用角度表示的时间，是用角度表示的时间，每每每每15151515为一小时为一小时为一小时为一小时 正午：正午：正午：正午：0 0 0 0；上午：上午：上午：上午：0 0 0 0；下午：下午：下午：下午：0 0 0 0，。，。，。，。正午时刻正午时刻正午时刻正午时刻h h的计算公式的计算公式的计算公式的计算公式h h h h正午正午正午正午90-+90-+90-+90-+(3-11)(3-11)(3-11)(3-11)太阳方位角太阳方位角太阳方位角太阳方位角 （A A A A）定义定义定义定义太阳光线在水平面上的投影和当地子午线的夹角。太阳光线在水平面上的投影和当地子午线的夹角。太阳光线在水平面上的投影和当地子午线的夹角。太阳光线在水平面上的投影和当地子午线的夹角。计算公式计算公式计算公式计算公式式中式中式中式中A A A A值：值：值：值：正南：正南：正南：正南：A=0A=0A=0A=0 正南以西：正南以西：正南以西：正南以西：A0A0A0A0 正南以东：正南以东：正南以东：正南以东：A0A0A0A0)，南半球的太阳辐射强度由北向南降低；北半球的地区，太阳辐射强度由南向北递减，而在地区由北向南递减。|-|愈大，辐射强度愈弱。二分日(=0)，I=I0cos/2，辐射强度与地理纬度的余弦成正比；赤道地区最大，极地最小。冬半年(0.70.74343热效应热效应热效应热效应加热地球、大气和生物加热地球、大气和生物加热地球、大气和生物加热地球、大气和生物可见光可见光可见光可见光0.40.40.70.75050光效应光效应光效应光效应植物光合作用植物光合作用植物光合作用植物光合作用紫外区紫外区紫外区紫外区0.40.47 7化学效应化学效应化学效应化学效应杀菌消毒、促进种子萌发杀菌消毒、促进种子萌发杀菌消毒、促进种子萌发杀菌消毒、促进种子萌发颜颜色色典型波长典型波长/m波长范围波长范围/m颜颜色色典型波长典型波长/m波长范围波长范围/m紫紫0.4300.3900.455黄绿黄绿0.5600.5500.575深蓝深蓝0.4700.4550.485黄黄0.5800.5750.585浅蓝浅蓝0.4950.4850.505橙橙0.600O.5850.620绿绿0.5300.5050.550红红0.6400.6200.760光谱颜色与对应的波长范围光谱颜色与对应的波长范围 纬度Milankovitch常数表 第三章 第二节 主要内容3.2 地面太阳辐射的气候学计算3.2.1 地面总辐射计算公式3.2.2 地区总辐射计算方法3.2.3 直接辐射和散射辐射的计算散射散射反射反射吸收吸收大大气气对对太太阳阳辐辐射射的的削削弱弱作作用用 3.2 地面太阳辐射的气候学计算确定地面太阳总辐射量，通常采用直接测量或气候学计算方法。3.2.1 地面总辐射计算公式理论上，到达地球表面的太阳总辐射量就等于大气上界的天文辐射量天文辐射量乘以大气透明度系数大气透明度系数。由于大气透明度系数难以精确确定，所以为了获得某一地区地面总辐射量的多年平均值，通常采用经验方法即气候学计算方法确定。第三章 第二节 地面太阳辐射的气候学计算1.地面总辐射的影响因子 地面总辐射的气候学计算大多采用(3.16)的形式 其中，F为表示天空遮蔽度的函数空遮蔽度的函数；S1为日照百分率日照百分率，即实际日照时数与可能日照时数的百分比。为平均平均 云量云量,起始值Qi有三种选择，即天文辐射量Q0，晴天太阳总辐射量QA和理想大气总辐射量Qm:不考虑大气中的水汽水汽、各种悬浮微粒各种悬浮微粒对太阳辐射影响，太阳辐射的衰减只与臭氧、氧、二氧化碳臭氧、氧、二氧化碳的选择性吸收以及空气分子空气分子的散射有关。第三章 第二节 地面太阳辐射的气候学计算遮蔽因子对太阳总辐射的到达量影响很大。云量；日照百分率。天空总云量愈大，对太阳直接辐射的遮蔽作用愈大，地面接受的太阳直接辐射量就愈少；使得地面上的实际日照时数愈小，即日照百分率愈小。第三章 第二节 地面太阳辐射的气候学计算(3.16)式又可表示为 和2.地面总辐射的经验公式 国外学者大多采用云量作为天空遮蔽度的指标量，而国内学者大多采用日照百分率计算地面总辐射。第三章 第二节 地面太阳辐射的气候学计算 晴天太阳总辐射量的计算理论上，晴天太阳总辐射QA日总量的计算公式为 其中，Pmm为大气透明度系数。根据水平面上的观观测测的的晴晴天天太太阳阳辐辐射射与太太阳阳高高度度角角之间存在近似线性关系，其中，a、b是取决于大气透明度的经验系数；第三章 第二节 地面太阳辐射的气候学计算利用晴天条件下太太阳阳总总辐辐射射量量与太太阳阳高高度度角角h和之间的关系进行非非线线性性拟拟合合，计算晴天太阳总辐射的经验公式为 式中，表示大大气气透透明明状状况况的经验系数a、b与大气质量m=1时的透明度 P1 之间的关系为：当P1=0.85时，a=2.0，b=0.4；当P1=0.69时，a=2.0，b=0.7；当P1=0.52时，a=2.0，b=1.0。第三章 第二节 地面太阳辐射的气候学计算根据晴天太阳总辐射晴天太阳总辐射与太阳高度角太阳高度角h以及大气质大气质量量m之间的关系，经验公式为 式中，Z为太阳天顶角；c、0为表示大气混浊度的常数。晴天太阳总辐射QA的月、季、年总量也可以用天文辐射Q0的月、季、年总量来推算。即第三章 第二节 地面太阳辐射的气候学计算左大康等曾分析了晴天太阳总辐射QA月总量随地理纬度的变化规律。研究认为，由于我国是季风气候，地形变化复杂，所计算的QA和北半球平均情况不同。我国范围内的平原和高原地区QA的地形差异很明显。因此，实际计算 QA时，必须采用符合各地区特点的经验系数，不能盲目套用。第三章 第二节 地面太阳辐射的气候学计算 理想大气总辐射量的计算理想大气中，太阳辐射被削弱的因素主要是臭氧臭氧、氧氧和二氧化碳二氧化碳的选择性吸收选择性吸收以及空气分子空气分子的散射。通过理想大气到达地面的太阳直接辐射量为 式中，S0为大气上界波长为的太阳直接辐射；Pm(O3)为O3的透明度系数；Pm(F)为为与空气分空气分子散射作用子散射作用有关的透明度系数；K为CO2和O2吸收的订正值。第三章 第二节 地面太阳辐射的气候学计算考虑到整层大气的散射作用，理想大气的散射辐射量为对时间积分求和可得Qm日总量；经日地距离订正后，可用直方图方法求得Qm月总量。实际太阳总辐射量的计算地球上实际太阳总辐射即地面总辐射量地面总辐射量，是天文辐射经过大气减弱后所得到的辐射量，既与大气大气透明度透明度有关，又与天空晴朗程度天空晴朗程度有关。第三章 第二节 地面太阳辐射的气候学计算H.Kimball最早提出用云量n参数计算地面总辐射，.认为，比值Q/QA 与1-(1-K)n之间为非线性关系，建议使用分别考虑总云量n和低云量nL的影响，提出的公式为第三章 第二节 地面太阳辐射的气候学计算.用日照时数计算地面总辐射 其中 t为日照总时数；a、b为随季节和纬度而变化的经验系数。J.N.Black等采用日照百分率计算地面总辐射，经验公式为第三章 第二节 地面太阳辐射的气候学计算 A.Angstrom的经验公式为 其中为经验系数；S为相对日照时数。左大康等根据我国日射站的实测资料得到 经论证认为a、b值变化很小，全国范围内都可采用统一的公式第三章 第二节 地面太阳辐射的气候学计算翁笃鸣得出的经验公式为高国栋等发现太阳总辐射与相对日照的关系远比云量的关系密切。经验形式为 我国部分地区太阳总辐射的计算公式，如下表：第三章 第二节 地面太阳辐射的气候学计算第三章 第二节 地面太阳辐射的气候学计算王炳忠根据Q/Qm与S1的线性关系，建立了我国西北干旱地区的经验公式为 我国其它地区的经验公式为 式中，En为地面年平均绝对湿度，单位为hPa。第三章 第二节 地面太阳辐射的气候学计算第三章 第二节 地面太阳辐射的气候学计算张炯远等采用多元回归方程计算我国最大晴天总辐射，由此可得各月地面总辐射的计算公式为 式中，i表示月份；Cki为各月方程的回归系数；Ei为各月平均绝对湿度。采用该方法得到的全国a、b系数分区，如图所示。第三章 第二节 地面太阳辐射的气候学计算朱志辉等采用多因子综合法，提出全国通用的经验公式 式中，E为月(年)平均水汽压(hPa)；月(年)天文辐射总量Q0采用逐日求和累计法计算。总辐射计算公式评述使用经验公式时，要针对具体情况进行具体分析，选用合适的计算公式。天文辐射与晴天总辐射之间的关系为 类似地，可以得到天文辐射与理想大气总辐射的关系；三者差异主要表现为平均透明度系数的不同。第三章 第二节 地面太阳辐射的气候学计算从物理意义上，总辐射计算公式可概括为 该式表明，任一地点的太阳总辐射取决于三个因素：该地大气上界的天文辐射量、大气透明状况对射入辐射的减弱函数、天空遮蔽状况对射入辐射的减弱函数。第三章 第二节 地面太阳辐射的气候学计算使用经验公式时必须注意公式的适用条件。对于我国西部地区，适宜用理想大气理想大气总辐射Qm作为计算地面总辐射的起始值。对于我国东部地区，适宜采用天文辐射天文辐射Q0作为计算地面总辐射的起始值。对于我国北方，可以使用晴天总辐射晴天总辐射QA作为计算地面总辐射的起始值。第三章 第二节 地面太阳辐射的气候学计算3.2.2 地区总辐射计算方法为了研究我国太阳辐射资源的分布特征并加以综合利用，需要计算各地区的太阳总辐射量。1.选择合适的计算公式需要对各省区域地面总辐射进行单独研究，建立符合各省具体情况的总辐射经验公式。第三章 第二节 地面太阳辐射的气候学计算原则上，应根据当地的地理地形特点、实际大气状况以及所具备的历史资料等条件，尽可能采用QA作为起始值作为起始值的经验公式。省区总辐射的计算精度，一般要求月总量相对误差小于10%，年总量相对误差小于5%。首先，确定出省区总辐射计算公式的具体类型，再利用省区内日射站的历史资料，进行统计分析，经验拟合出适用于本省的总辐射计算公式，并对公式进行误差分析，验证公式的正确性验证公式的正确性。第三章 第二节 地面太阳辐射的气候学计算2.确定计算公式的经验系数省区总辐射计算公式的经验拟合，通常采用统计学中的回归分析方法。影响地面总辐射的因素主要是大气透明度大气透明度状况状况，即云量云量和/或日照百分率日照百分率；两者与总辐射之间为线性关系。因此，可以采用一元线性回归方法，确定适用于各个地区具体情况的总辐射计算公式及其回归系数。第三章 第二节 地面太阳辐射的气候学计算采用Q0作为起始值时，回归系数a、b的数值随地随地区和季节区和季节的变化非常显著。应该按具体日射站分不同季节求出不同的a、b值。自然季节的划分方法：统计各日射站Q与Q0S1的月际差值，并分析其季节变化特点。点绘Q与Q0S1的相关图，根据相关系数划分各地的自然季节。进行统计假设检验，确定a、b系数差值是否属于本质差异。第三章 第二节 地面太阳辐射的气候学计算为使省区总辐射的估计值与实测值的“误差平方和”达到最小，可采用最小二乘法确定经验系数a、b的值。最小二乘法的有关表达式为：第三章 第二节 地面太阳辐射的气候学计算第三章 第二节 地面太阳辐射的气候学计算3.2.3 直接辐射和散射辐射的计算在原则上和方法上，都与总辐射的气候学计 算 相 类 似。通 常 采 用S=QiFS(S1)和 D=QiFD(n)的形式。1.太阳直接辐射量的计算如果地球外围没有大气，则到达地球水平面上的天文辐射量就是地面直接辐射量。第三章 第二节 地面太阳辐射的气候学计算实际到达地面的直接辐射量，除了要考虑大气散散射射和吸吸收收的减弱作用以外，还要考虑云的影响。地面直接辐射气候学计算公式，有：.公式公式.公式公式.公式公式 式中S0为可能太阳辐射量；S1为相对日照时数；S2为日照时数月总量。第三章 第二节 地面太阳辐射的气候学计算太阳直接辐射与日日照照百百分分率率的相关程度很高。左大康、翁笃鸣、高国栋等都采用 S=Q0FS(S1)的形式。翁笃鸣得到各地区直接辐射日总量的经验公式为第三章 第二节 地面太阳辐射的气候学计算高国栋经过相关检验发现直直接接辐辐射射量量与日日照百分率照百分率的线性关系最为密切，公式为显然，这一形式更符合实际情况。第三章 第二节 地面太阳辐射的气候学计算为什么为什么全阴天全阴天(S1=0)时，时，S0？晴空无云晴空无云(S1=1)时，时，SQ0？高国栋得到我国部分地区太阳直接辐射月总量的计算公式如下：第三章 第二节 地面太阳辐射的气候学计算2.散射辐射量的计算散射辐射是指天空中空空气气分分子子、水水汽汽、悬悬浮杂质浮杂质等散射出来的太阳辐射。散射辐射取决于太阳辐射的入入射射角角、云云量量、水汽水汽、微粒微粒、烟尘烟尘等含量的多少。第三章 第二节 地面太阳辐射的气候学计算实际工作中，通常采用经验公式计算散射辐射，特别是对于较长时期的平均值，气候学计算公式不但简便，而且比较精确。认为晴天散射辐射量仅与大气质量有关，式中，m=sinh为大气质量。第三章 第二节 地面太阳辐射的气候学计算.认为，一个地方的散射系数应该是晴天的散射辐射量加上云量的影响。提出 式中ns=(1-S1+n)/2为阴空参数；k为云天