Climate Change Research Letters 气候变化研究快报, 2019, 8(5), 619-624
Published Online September 2019 in Hans. https://https://www.doczj.com/doc/9b5961281.html,/journal/ccrl
https://https://www.doczj.com/doc/9b5961281.html,/10.12677/ccrl.2019.85068
The Variation Characteristics of Solar
Radiation in Kunming China in the Past
40 Years
Jian Liu1, Bingyun Wang1*, Jian Wang1, Shigong Wang1, Ping Shao1, Sulin Tao2,3
1College of Atmosphere Science, Chengdu University of Information Technology, Chengdu Sichuan
2School of Applied Meteorology, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing Jiangsu
3Technology Development Center, Nanjing Bridge Machine Co., Ltd., Nanjing Jiangsu
Received: Aug. 23rd, 2019; accepted: Sep. 4th, 2019; published: Sep. 11th, 2019
Abstract
Using the Mann-Kendall mutation test, Morlet wavelet analysis, correlation analysis, linear trend regression methods, the variations of solar radiation in Kunming from China daily radiation data are analyzed during 1970~2011. The whole tendency of annual change of solar radiation in 41 years is rising, with the trend approximately 12.924 MJ?m?2/a. The periods before 1991, the solar radiation value showed a downward trend, and after that, the solar radiation value showed a clear upward trend, which indicated that the solar radiation experienced from “darkening” to “brigh-tening” process in Kunming. Solar radiation increased rapidly in 1991~1994 at a growth rate of 446.38 MJ?m?2/a. The mutation of solar radiation occurs around 1981, and the mutation of solar radiation occurs around 1981, and the amount of radiation exists in a primary period of 20 years and a sub-cycle of quasi-6 years. The conclusions are useful for the references of the solar radia-tion changes’ trends and the utilization of clean energy in Kunming in the past 40 years.
Keywords
Kunming, Solar Radiation, Mann-Kendall Mutation Detection Algorithm, Morlet Wavelet Algorithm, Climate Changes
中国昆明近40年太阳辐射变化特征分析
刘健1，王炳赟1*，王健1，王式功1，邵平1，陶苏林2,3
1大气科学学院，成都信息工程大学，四川成都
2南京信息工程大学应用气象学院，江苏南京
3南京大桥机器有限公司技术开发中心，江苏南京
*通讯作者。
刘健 等
收稿日期：2019年8月23日；录用日期：2019年9月4日；发布日期：2019年9月11日
摘 要
本文使用Mann-Kendall 突变检验、Morlet 小波分析、线性趋势回归等方法，对1970~2011年云南昆明(56778)中国辐射日值数据集的总辐射量中的太阳辐射变化趋势进行了分析。太阳辐射量在近40年间整体呈上升趋势，趋势系数约为12.9 MJ ?m ?2/a 。在1991年之前辐射值呈波动下降趋势，1991年之后呈明显的波动上升趋势，这说明昆明地区的太阳辐射存在先变暗后变亮过程。1991~1994年太阳辐射快速增强，增长率为446.38 MJ ?m ?2/a 。太阳辐射量突变发生在1981年左右，并且辐射量存在以准20年的主周期和准6年的次周期的周期变化。相关结论对深入了解昆明近40年来太阳辐射变化趋势和清洁能源利用有参考价值。
关键词
昆明，太阳总辐射，Mann-Kendall 突变，小波分析，气候变化
Copyright ? 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). https://www.doczj.com/doc/9b5961281.html,/licenses/by/4.0/
1. 引言
地球只有通过辐射过程才能与周围环境交换能量并最终达到平衡，地球的绝大多数能量来自于太阳，而地球的自热与来自太阳的辐射能相比都可以忽略不计。地球大气上界的太阳辐射照度分布和变化，与局地大气及地面能收到多少辐射能量密切相关，这是形成地球上各处气候差异的基本因素。在地球-大气系统对太阳辐射的吸收中，大气的吸收只占20%，地球表面的吸收约为50% [1]。在地球大气上界太阳辐射的中长期变化非常小，而到达地面的太阳辐射量的变化则较大，造成这种差别的主要原因是吸收和散射的不同，这与大气成分、云量、降水、气溶胶等有着密切的联系[2]。
有研究指出中国的地面总辐射与全球变化趋势一致，经历了由减少到增加的过程，即所谓的地球由变亮到变暗的过程。许建明等利用西北地区的总辐射资料研究地面太阳辐射的长期变化特征，指出从1961~2007年该地区总辐射的长期变化经历了“维持”、“变暗”、“变亮”和“回落”4个阶段[3]。齐月等对近50年来中国地面太阳辐射变化及空间分布分析指出，大约是在1960~1990年呈下降趋势，在1990年前后各地的太阳总辐射开始逐渐上升[4]。YANG 等对中国总辐射变化趋势做了研究，云南、高原、西北地区的的太阳辐射变化也呈现出了先下降后上升的趋势[5]。杨娟等分析贵阳市太阳总辐射变化特征指出1961~1986年总辐射呈明显下降趋势，之后发生逆转，1986~2015年总辐射呈显著上升趋势，总体呈现变暗-变亮的趋势[6]。但也有不一样的研究观点。陶苏林等采用DSRM-C 模型与气象资料估算我国各地区逐日总辐射结果显示，我国1981~2014年太阳总辐射量呈总体下降趋势。华北、东北和西南地区总辐射量显著下降，西北地区辐射量明显增加，华南地区则无明显变化[7]。陈中钰等对四川省太阳辐射分析发现川西高原年总辐射随时间呈先下降后趋于平稳的变化特征，攀西地区年总辐射随时间的变化是先下降后上升，四川盆地总辐射变化不大，有缓慢下降趋势。20世纪70年代四川大部分地区太阳总辐射是正距平，在此之后基本是负距平[8]。
Open Access
刘健等
在全球气候变化的背景条件下，研究到达地表太阳总辐射量的变化特征趋势，不仅有助于了解区域气候变化的规律，还可以通过辐射的变化状况间接推断该地区大气气象要素的变化特点，为科学研究提供依据。针对以上研究现状，对于处在云贵高原上的“春城”昆明的太阳辐射是怎么变化的需要进一步分析。因此，本文试图通过对昆明该区1970~2011年太阳辐射的分析，阐明昆明地区太阳总辐射的时间变化特征及其变化可能的影响因素。
2. 数据资料和研究方法
2.1. 研究区域概况和数据资料
云南省昆明市位于云南省东北部，处云贵高原中部，享“春城”之美誉，北亚热带低纬高原山地季风气候。年平均气温16.5℃，昆明全年降水量约103l毫米。降水分为干、湿两季。5~10月为雨季，降水量占全年的85%左右；11月至次年4月为干季，降水量仅占全年的15%左右。在控制数据质量的情况下，择优选取1970~2011年云南省昆明站的辐射日值数据，本文主要使用昆明站逐日总辐射量数据。
2.2. 研究方法
本文采用非参数统计检验方法的M-K突变检验对太阳辐射进行突变检验，采用Morlet小波周期分析对太阳辐射进行周期变化分析，同时还采用了线性回归进行线性拟合趋势变化分析[9][10][11]。
3. 结果分析
3.1. 年变化特征
由昆明1970~2011年的太阳辐射量年变化和趋势图(图1)可知，该地区近41年期间太阳辐射总体呈上升趋势，年总辐射量的增长率为129.24 MJ?m?2/10a。太阳总辐射量在1974年为相对最低值4730.94 MJ?m?2，在1994年为相对最高值6152.56 MJ?m?2。这与刘瑜等的研究昆明地区46年的平均温度呈上升趋势，太阳辐射的上升将导致昆明地区的温度上升相一致[12]。1974~1984年期间太阳总辐射为波动增大，之后至1991年波动减小，达到41年间的次低值4813.42 MJ?m?2。1981~1999年期间太阳总辐射波动较大，其中1991至1994年为太阳总辐射快速增强期，增长率为446.38 MJ?m?2/a，1994年太阳总辐射值为6152.56 MJ?m?2。并且，总辐射量在1991年之后先快速上升后波动维持较高辐射量，这与全国太阳辐射的变化趋势一致，在1990年前后，太阳辐射存在翻转现象，也就是太阳辐射由“变暗”到“变亮”的过程[3][4][5][6]。
Figure 1. Annual changes and trend of total solar radiation in Kunming, Yunnan
图1. 云南昆明太阳总辐射的年际变化和趋势
刘健 等
3.2. 季节变化特征
由1970~2011年期间四季太阳总辐射年际变化图(图2)和逐月变化图(图3)可以看出，昆明地区太阳总辐射的季节差异非常明显，春季最高，秋季最低，夏季和冬季次之，这种变化的主要原因可能是该地区日照时数和阴雨天气的共同影响有关。春夏秋冬四季总辐射的增长率分别为21.0 MJ ?m ?2/10a ，48.1 MJ ?m ?2/10a ，44.6 MJ ?m ?2/10a 和15.5 MJ ?m ?2/10a 。夏季和秋季的增长率相对较快。春季总辐射在1987年达到最大值2040.1 MJ ?m ?2，在1990年达到最小值1440.38 MJ ?m ?2。夏季总辐射在2011年达到最大值1664.2 MJ ?m ?2，在1974年达到最小值940.39 MJ ?m ?2；秋季总辐射在2009年达到最大值1368.24 MJ ?m ?2，在1988年达到最小值795.85 MJ ?m ?2；冬季总辐射在2005年达到最大值1483.28 MJ ?m ?2，在2008年达到最小值1031.56 MJ ?m ?2。
Figure 2. Annual changes and trends of total solar radiation in four seasons in Kunming, Yunnan
图2. 云南昆明太阳总辐射四季年际变化和趋势
Figure 3. Monthly changes of total solar radiation in Kunming, Yunnan
图3. 云南昆明太阳总辐射逐月变化
3.3. 突变检验
由图4太阳总辐射的M-K 突变检验可知，在1970年~1978年期间UB 线在超过1.96的信度检验且UF 线为负值，说明此期间总辐射呈下降趋势。1978年之后呈上升趋势，在1994年之后总辐射上升趋势显著。根据UB 和UF 曲线交点的位置，确定昆明的总辐射在1981
年发生突变，上升是一种突变现象，
刘健 等
从图1太阳辐射变化趋势图上可以看出1981年之前总辐射量呈相对规律的趋势变化，在1981年，总辐射量开始显著上升，在之后的10年波动下降为主，1991年之后呈现波动上升趋势，1994年之后，总辐射呈显著上升趋势，总辐射的上升表明昆明地区的气温在呈现一定的上升趋势。
Figure 4. Mann-Kendall mutation detection of total solar radiation in Kunming, Yunnan
图4. 云南昆明太阳总辐射的突变检验
3.4. 周期性分析
为了进一步识别太阳总辐射时间序列的周期成分及其在时域上的分布，利用Morlet 小波对对昆明地区1970~2011年的太阳总辐射数据做周期变化分析(图5)。由图可知，小波系数实部等值线上半部分等值线比下半部分等值线稀疏，表明上半部分为较长尺度的时间周期振荡，下半部分为较短时间的周期振荡，在3~8年时间尺度上、10~30年这两个时间尺度的波动十分明显，正负位相交替出现。并且小波系数的等值线在10~30年周期上未闭合，说明2011年昆明地区总辐射可能存在上升趋势。由昆明地区的小波方差可知，总辐射变化具有准6a 和准20a 主周期。说明在该地区太阳的总辐射在近41年来，第一主周期约为20a ，第二主周期约为6a 。
Figure 5. Real contour map (left) and wave-wave variance chart (right) of total solar radiation wavelet coefficient in Kunming, Yunnan
图5. 云南昆明太阳总辐射小波系数实部等值线图(左)和小波方差图(右)
4. 结论
本文利用云南省昆明地区1970~2011年的太阳辐射资料分析了昆明地区太阳总辐射年代际变化，得出如下结论：
刘健等
1) 近40年来昆明的太阳总辐射呈波动上升趋势。在1990年之前，太阳辐射呈下降趋势，1990年之
后，太阳辐射呈上升趋势，这与全国的太阳辐射趋势变化特征一致。总辐射量的增长率为129.24 MJ?m?2/10a，总辐射的增长率变化最大；总辐射在1980年发生突变现象，存在以准20a的主振荡周期和准6a的次周期。
2) 在总辐射的季节性变化中，发现春季总辐射量最大，秋季总辐射量最小，夏季总辐射大于冬季总
辐射。夏季、秋季总辐射量在1990年之后存在显著的波动上升趋势，总辐射最大值出现在春季的4月份，夏季的8月份；最小值出现在秋季11月。
基金项目
国家自然科学基金重大研究计划重点支持项目(91644226)和面上项目(41775147)，国家电网有限公司科技项目资助(521999180006)，四川省雅安市科技局2019年度科技计划项目(2019yyjskf02)共同资助。
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太阳辐射的特性 昼夜是由于地球自转而产生的，而季节是由于地球的自转轴与地球围绕太阳公转的轨道的转轴呈23°27′的夹角而产生的。地球每天绕着通过它本身南极和北极的“地轴” 自西向东自转一周。每转一周为一昼夜，所以地球每小时自转15°。地球除自转外还循偏心率很小的椭圆轨道每年绕太阳运行一周。地球自转轴与公转轨道面的法线始终成23．5°。地球公转时自转轴的方向不变，总是指向地球的北极。因此地球处于运行轨道的不同位置时，太阳光投射到地球上的方向也就不同，于是形成了地球上的四季变化（见下图）。每天中午时分，太阳的高度总是最高。在热带低纬度地区（即在赤道南北纬度23°27′之间的地区），一年中太阳有两次垂直入射，在较高纬度地区，太阳总是靠近赤道方向。在北极和南极地区（在南北半球大于90°~23°27′），冬季太阳低于地平线的时间长，而夏季则高于地平线的时间 长。 由于地球以椭圆形轨道绕太阳运行，因此太阳与地球之间的距离不是一个常数，而且一年里每天的日地距离也不一样。众所周知，某一点的辐射强度与距辐射源的距离的平方成反比，这意味着地球大气上方的太阳辐射强度会随日地间距离不同而异。然而，由于日地间距离太大（平均距离为1.5 x 108km），所以地球大气层外的太阳辐射强度几乎是一个常数。因此人们就采用所谓“太阳常数”来描述地球大气层上方的太阳辐射强度。它是指平均日地距离时，在地球大气层上界垂直于太阳辐射的单位表面积上所接受的太阳辐射能。近年来通过各种先进手段测得的太阳常数的标准值为1353w／m2。一年中由于日地距离的变化所引起太阳辐射强度的变化不超过上3.4％。 2.2 到达地面的太阳辐射 太阳照射到地平面上的辐射或称“日射”由两部分组成——直达日射和漫射日射。太阳辐射穿过大气层而到达地面时，由于大气中空气分子、水蒸气和尘埃等对太阳辐射的吸收、反射和散射，不仅使辐射强度减弱，还会改变辐射的方向和辐射的光谱分布。因此实际到达地面的太阳辐射通常是由直射和漫射两部分组成。直射是指直接来自太阳其辐射方向不发生改变的辐射；漫射则是被大气反射和散射后方向发生了改变的太阳辐射，它由三部分组成：太阳周围的散射（太阳表面周围的天空亮光），地平圈散射（地平圈周围的天空亮光或暗光），及其他的天空散射辐射。另外，非水平面也接收来自地面的反射辐射。直达日射、漫射日射和反射日射的总和即为总日射或环球日射。可以依靠透镜或反射器来聚焦直达日射。如果聚光率很高，就可获得高能量密度，但却损耗了漫射日射。如果聚光率较低，也可以对部分太阳周围的漫射日射进行聚光。漫射日射的变化范围很大，当天空晴朗无云时，漫射日射为总日射的10％。但当天空乌云密布见不到太阳时，总日射则等于漫射日射。因此聚式收集器采集的能量通常要比非聚式收集器采集的能量少得多。反射日射一般都很弱，但当地面有冰雪覆盖时，垂直面上的反射日射可达总日射的40％。 到达地面的太阳辐射主要受大气层厚度的影响。大气层越厚，对太阳辐射的吸收、反射和散射就越严重，到达地面的太阳辐射就越少。此外大气的状况和大气的质量对到达地面的太阳辐射也有影响。显然太阳辐射穿过大气层的路径长短与太阳辐射的方向有关。参看下图，A为地球海平面上的一点，当太阳在天顶位置S时，太阳辐射穿过大气层到达A点的路径为OA。城阳位于S点时，其穿过大气层到达A 点的路径则为0A。 O，A与 OA之比就称之为“大气质量”。它表示太阳辐射穿过地球大气的路径与太阳在天顶方向垂直入射时的路径之比，通常以符号m表示，并设定标准大气压和O℃时海平面上太阳垂
太阳辐射 一、太阳辐射光谱和太阳常数 太阳辐射光谱 太阳辐射中辐射能按波长的分布，称为太阳辐射光谱，见图2.4。从图中可看出，大气上界太阳光谱能量分布曲线，与用普朗克黑体辐射公式计算出的6000K的黑体光谱能量分布曲线非常相似。因此可以把太阳辐射看作黑体辐射。太阳是一个炽热的气体球，其表面温度约为6000K，内部温度更高。根据维恩位移定律可以计算出太阳辐射峰值的波长λmax为0.475μm，这个波长在可见光的青光部分。太阳辐射主要集中在可见光部分（0.4～0.76μm），波长大于可见光的红外线（＞0.76μm）和小于可见光的紫外线（＜0.4μm）的部分少。在全部辐射能中，波长在0.15～4μm之间的占99%以上，且主要分布在可见光区和红外区，前者占太阳辐射总能量的约50%，后者占约43%，紫外区的太阳辐射能很少，只占总量的约7%。 太阳常数 太阳辐射通过星际空间到达地球表面。当日地距离为平均值，在被照亮的半个地球的大气上界，垂直于太阳光线，每秒每平方米的面积上，获得的太阳辐射能量称为太阳常数，用Rsc (Solar constant)
表示，单位为（W/m2）。太阳常数是一个非常重要的常数，一切有关研究太阳辐射的问题，都要以它为参数。关于太阳常数的研究已有很长历史了，早在20世纪初，人们就已经通过各种观测手段估计它的取值，认为大约应在1350～1400W/m2之间。太阳常数虽然经多年观测，由于观测设备、技术以及理论校正方法的不同，其数值常不一致。据研究，太阳常数的变化具有周期性，这可能与太阳黑子的活动周期有关。在太阳黑子最多的年份，紫外线部分某些波长的辐射强度可为太阳黑子最少年份的20倍。近年来，气候学家指出，只要地球的长期气候发生1%的变化，就会引起太阳常数的变化。目前已有许多无人或有人操作的空间实验对太阳辐射进行直接观测，并在宇宙空间实验站设计了名为“地球辐射平衡”的课题，其中一个重要项目就是对太阳辐射进行长期监视。这些观测数据将对进一步了解大气物理过程及全球气候变迁的原因有很大帮助。1981年世界气象组织推荐的太阳常数值Rsc=1367±7（W/m2），通常采用1367W/m2。 二、太阳辐射在大气中的衰减 太阳辐射通过大气层后到达地球表面。由于大气对太阳辐射有一定的吸收、散射和反射作用，使投射到大气上界的辐射不能完全到达地表面。图2.4最下面的实曲线表示太阳辐射通过大气层被吸收、散射、反射后到达地表的太阳辐射光谱。
高中地理课本太阳辐射图的判读 课程教材研究所丁尧清 高中《地理1必修》（人教版）选用了一幅大气上界太阳辐射日总量立体图（图1），说明太阳为地球提供能量及其对自然环境的影响。在试教过程中，一些师生反映图像阅读困难，难以理解，在此作简要说明。 首先，该图表示大气上界（不是地表），即大气暖层距地表480千米处的太阳辐射状况。其次该图从两个方面即纬度和季节来反映太阳辐射日总量的分布情况。 按照课本要求，学生应当能够大致说出太阳辐射的纬度分布情况，对细节可不作过高追求，重点在于找大规律，例如太阳辐射日总量从低纬向高纬递减的趋势（图2，单位为W/m2），据测算，一年中赤道接受的太阳辐射是极地的2.5倍。下面作具体说明。 一太阳辐射分布的不均匀状况 赤道附近大气上界太阳辐射的年变化平缓（图3），两至日较低，两分日最高（350W/m2）。
在极圈内一年中有一段时间太阳辐射为零（图4），但6月北极太阳辐射甚至高于赤道（图4a）。这是因为夏季北极整日暴露在阳光下，而40°N和赤道的日照时间分别是15和12小时。但是由于极地正午太阳高度较低，所以尽管极地日照时数是赤道的两倍，但两者的辐射差值仅为100W/m2。 南极12月份的辐射（＞550W/m2）高于北极（图4b），这是因为日地距离较近（1月3日为近日点）的缘故。就日地距离而言，近日点时的太阳辐射比远日点时约多7％。 极圈与回归线之间呈单峰式的连续变化（图5）。北半球夏至日最高，冬至日最低；南半球相反，冬至日最高，夏至日最低。这主要是受太阳高度和日照时间的影响。 综上所述，到达大气上界的太阳辐射取决于太阳高度、日地距离和日照时间。其中以太阳高度的影响最为重要。
太阳辐射.
太阳辐射 一、太阳辐射光谱和太阳常数 太阳辐射光谱 太阳辐射中辐射能按波长的分布，称为太阳辐射光谱，见图2.4。从图中可看出，大气上界太阳光谱能量分布曲线，与用普朗克黑体辐射公式计算出的6000K的黑体光谱能量分布曲线非常相似。因此可以把太阳辐射看作黑体辐射。太阳是一个炽热的气体球，其表面温度约为6000K，内部温度更高。根据维恩位移定律可以计算出太阳辐射峰值的波长λmax为0.475μm，这个波长在可见光的青光部分。太阳辐射主要集中在可见光部分（0.4～0.76μm），波长大于可见光的红外线（＞0.76μm）和小于可见光的紫外线（＜0.4μm）的部分少。在全部辐射能中，波长在0.15～4μm之间的占99%以上，且主要分布在可见光区和红外区，前者占太阳辐射总能量的约50%，后者占约43%，紫外区的太阳辐射能很少，只占总量的约7%。
太阳常数 太阳辐射通过星际空间到达地球表面。当日地距离为平均值，在被照亮的半个地球的大气上界，垂直于太阳光线，每秒每平方米的面积上，获得的太阳辐射能量称为太阳常数，用Rsc (Solar constant)表示，单位为（W/m2）。太阳常数是一个非常重要的常数，一切有关研究太阳辐射的问题，都要以它为参数。关于太阳常数的研究已有很长历史了，早在20世纪初，人们就已经通过各种观测手段估计它的取值，认为大约应在1350～1400W/m2之间。太阳常数虽然经多年观测，由于观测设备、技术以及理论校正方法的不同，其数值常不一致。据研究，太阳常数的变化具有周期性，这可能与太阳黑子的活动周期有关。在太阳黑子最多的年份，紫外线部分某些波长的辐射强度可为太阳黑子最少年份的20倍。近年来，气候学家指出，只要地球的长期气候发生1%的变化，就会引起太阳常数的变化。目前已有许多无人或有人操作的空间实验对太阳辐射进行直接观测，并在宇宙空间实验站设计
影响太阳辐射强弱的因素分析 JGSLJZ 【知识归纳】 太阳辐射强度是指到达地面的太阳辐射的强弱。大气对太阳辐射的吸收、反射、散射作用，大大削弱了到达地面的太阳辐射。但尚有诸多因素影响太阳辐射的强弱，使到达不同地区的太阳辐射的多少不同。影响太阳辐射强弱的因素主要有以下四个因素。 1．纬度位置 纬度低则正午太阳高度角大，太阳辐射经过大气的路程短，被大气削弱得少，到达地面的太阳辐射就多；反之，则少。这是太阳辐射从低纬向高纬递减的主要原因。 2．天气状况 晴朗的天气，由于云层少且薄，大气对太阳辐射的削弱作用弱，到达地面的太阳辐射就强；阴雨的天气，由于云层厚且多，大气对太阳辐射的削弱作用强，到达地面的太阳辐射就弱。如赤道地区被赤道低压带控制，多对流雨，而副热带地区被副高控制，多晴朗天气，所以赤道地区的太阳辐射要弱于副热带地区。 3．海拔高低 海拔高，空气稀薄，大气对太阳辐射的削弱作用弱，到达地面的太阳辐射就强；反之，则弱。如青藏高原成为我国太阳辐射最强的地区，主要就是这个原因。如青藏高原成为我国太阳辐射最强的地区，主要就是这个原因。 4．日照长短 日照时间长，获得太阳辐射强；日照时间短，获得太阳辐射弱。如我国夏季南北普遍高温，温差不大，是因为纬度越高的地区，白昼时间长，弥补了因太阳高度角低损失的能量。 【典例精析】 1.读“太阳辐射光谱示意图”，下列因素中与A区（大气上界太阳辐射与地球表面太阳辐射差值）多少无关的是（） A．云层的厚薄B．大气污染程度C．大气密度D．气温 【解析】云层的厚薄、大气污染程度以及大气密度都会影响大气透明度进而影响到达地面的太阳辐射的多少。 【答案】D 2.辐射差额是指在某一段时间内物体能量收支的差值。读“不同纬度辐射差额的变化示意图”，若只考虑纬度因素，则a、b、c三地纬度由高到低的排列顺序为（）
南京信息工程大学 实习报告 实习名称 某地理论日太阳辐射计算 实习科目 气象气候学 指导老师 陈华 日期 12.15 姓名 王一舟 学院 遥感 专业 地理信息系统 班级 07地信(1) 学号 20071316004 一、 实习名称：某地理论日太阳辐射量计算 二、 实习内容 1. （1）计算（135°E,35°N ）的全年日太阳辐射（计算积日，1 月1日记为1，1 月2 日记为2，依次累加，每隔30天计算一日的太阳辐射） （2）计算海口（20°N ），南京（32.13°），北京（40°）在6月22日的日理论太阳辐射。（6月22日换算积日为173） 日太阳辐射计算公式 ) sin cos cos sin sin (2)cos cos cos sin (sin 2002 200 ωδ?δ?ωρπω ωδ?δ?ρπωω+=+=?+-I T Q d I T Q s s 。 为当地当日的太阳赤纬地纬度，为当为日地相对距离，，本文亦采用该值，用在近代气候计算中多采为太阳常数， 为当日日落时角，，为日理论太阳辐射量，其中，δ?ρωπ 00001370I I 4.4852T Q =s 2. 计算工具 ：MA TLAB 3. 计算过程（程序） %计算某地理论日太阳辐射总量，要求输入当地纬度、正午太阳高度、积日数 function [d,chiwei,shijiao,s]=sun(fai,h,dn) %fai 为当地纬度，h 为当地 某日正午太阳高度，dn 为积日数（1月1日为1，1月2日记为2，依次累加） d=1+0.033*cos(2*pi*dn/365) ; %当地某日实际日地距离 chiwei=fai*pi/180-acos(sin(pi*h/180)) ; %某日太阳赤纬 shijiao=acos(-tan(fai*pi/180)*tan(chiwei)) ; %当地某日日落时角
我国太阳辐射减弱研究进展 摘要：本文综述了近40年我国太阳辐射变化，主要是减弱变化的研究结论。研究表明，虽然多年间太阳辐射值有所波动，但总体呈现下降趋势。太阳辐射的减弱主要由于云、臭氧以及大气气溶胶等的作用。排除云层厚度等的影响，近30年来中国的大部分地区的太阳直接辐射和总辐射能减弱，青海、贵州、四川、甘肃和长江中游地区最为明显。大气气溶胶含量增加，使得散射辐射比例增强，太阳总辐射持续下降，这将对农业生产产生重要影响。 关键词：太阳辐射；遮荫；云量；气溶胶；农作物生产 1引言 当前，太阳辐射减弱所引起环境效应受到了人们的广泛关注。近年来，中国地区大气气溶胶的浓度、大气浑浊度及灰霆日数增加导致到达地表的太阳辐射呈现降低趋势，其中长江三角洲地区的降低较为明显。 到达地表的太阳辐射是地球生命的能量来源，是决定气候形成和环境变化的重要因子[21]。近年来，我国工业化进程加快，大气污染物排放显著增加，导致大气气溶胶浓度及雾 霆日数与日俱增，最终将导致这些地区到达地表的太阳辐射呈减少趋势[23]。2961一1990年间，全球到达地表的太阳辐射每年减少2.3%[22]。从20世纪50年代到90年代，我国日光强度每10年就会下降3%一4%，这种趋势在70年代以后愈发明显[22]。其中[1]华东地区在1961一2008年间，每十年下降2.05w/m2。不断降低的太阳辐射将会显著影响我国的生态平衡和农业发展，成为气象环境中新的研究热点问题。 2太阳辐射的变化研究 太阳辐射是地球生态系统的最终能量来源，是决定气候形成及生命活动的重要因子。因此,一直以来有关太阳辐射变化及其影响因素的相互关系是人们关注的热点问题之一[27]。目前普遍认为，1960年代以来全球太阳辐射经历了“变暗”至“变亮”的过程，其中1990年代以前为减弱期，辐射强度平均下降了大约10%[45]；1990年代以后全球太阳辐射上升，出现“全球变亮”趋势，对气候变化产生了重要的影响[23]。 2.1我国太阳辐射的测定 我国近20年煤、石油和天然气等常规能源将在一二百年内面临枯竭，按目前开采速度, 世 界原油将在年后全部耗尽，天然气将在年后耗尽，而煤在年后也将耗尽仁门，一些发达国家未雨绸缪，已开始制定应对传统能源危机的可持续发展战略，研发太阳能、风能等新能源。按年的能源消费总量计算，我国常规能源仅够满足年使用，急需开发太阳能等新能源,以应 对国民经济发展迫切的能源需求，并减缓二氧化碳、甲烷等温室气体排放。为广泛有效利用太阳能,科学评估我国各地区太阳能资源可利用量,必须了解我国太阳辐射精细分布状况。 目前，研究太阳辐射的方法主要有地面台站观测、卫星遥感和数值模拟研究[24]。地面台站 观测具有时间连续的优点，但台站空间分布离散,一般采用地理空间插值的方法弥补，带有 较大的插值误差，尤其是站点稀疏地区。19世纪50年代，研究利用辐射台站资料获得我国太阳辐射分布基本特征，结果表明我国太阳辐射总体特征西高东低，青藏高原是我国太阳辐射最强区域，但其研究空间分布精度较低。近年来，研究以模式为基础结合辐射、气象站点信息，采用参数化、地学空间插值方法获得我国太阳总辐射空间分布状况，空间分辨率有所提高。李晓文等[30]利用台站资料研究表明，我国太阳总辐射和直接辐射呈减小趋势，认为 大气中悬浮颗粒浓度增加是引起部分地区直接辐射量下降的可能原因。在卫星遥感辐射方面，利用我国东南沿海地区探空站的资料，建立晴空状况下卫星测值与大气中各高度太阳直接辐射和散射辐射的统计模式。卫星遥感资料空间分布连续，但时间分布是间断的另外，数据质
地面温度的日变化 在正常的天气条件下，一日内，土壤表面最高温度出现在13时左右，最低温度出现在将近日出的时刻。 土壤表面的最高温度之所以出现在午后而不是正午，是由于太阳辐射虽在正午以后己逐渐减弱，但土壤表面吸收的太阳辐射能仍大于其由于放射长波辐射和分子传导、蒸发等方式所支出的热量，即此时土壤表面吸收和放出的热量差额仍为正值，所以，其温度仍继续上升，直到13时左右，土壤表面的热量吸放达到平衡时，其温度才达到最高值。此后，因热量的支出大于收入，温度才逐渐下降。 同理，在日出前，土壤表面由于经过一整夜的辐射冷却，温度越来越低，放射长波辐射的能量也越来越少，几乎完全为其吸收的由分子传导、水相变化输送来的热量所补偿，此时热量达到收支平衡，出现最低温度。日出后由于吸收的太阳辐射能逐渐增加，温度又逐渐升高。 影响土壤表面温度日较差大小的主要因子是太阳高度角。正午时刻太阳高度角大的季节和地区，一日内太阳高度角的变化就大，太阳辐射的日变化也大，因而土壤表面温度的日较差就大。一般，正午太阳高度角随纬度的增高是减小的，所以土壤表面温度的日较差也随纬度的增高而减小。中纬度地区正午太阳高度角随季节的变化比较大，所以，中纬度地区土壤表面温度的日较差随季节的变化也较大。 土壤表面温度的日较差的大小，还与土壤的热性质有关。例如，导热率大或容积比例大的土壤其温度日较差都小。另外，土壤的颜色、土壤的湿度以及地形，斜坡的方位对温度的日较差都有影响。深色土壤表面的温度日较差比浅色土大，这是由于两种不同的土壤对太阳辐射的反射率不同而引起的。湿度大的土壤表面温度日较差小。地形主要影响乱流热交换。与平地相比，凸地由于通风良好，乱流交换旺盛，白天温度不易升高，夜间温度不易降低，因而温度日较差比平地小。凹地由于乱流交换弱，白天热量不易散失，夜间热量不易补充，夜间除辐射冷却外，冷空气沿坡下滑汇集到凹地，更加剧了地面的冷却，故凹地土壤温度日较差大于平地。向阳坡比背阳坡日较差大。 实际上土壤温度的日较差是由上述各种因子综合影响的结果，但是，其中太阳高度角的影响是主要的。 土壤温度的日较差在土壤表面最大，随深度的增大其值很快减小，至25厘米深度处日变化值已经很小。与日较差减小的同时最高温度和最低温度出现的时间也随深度的增大而落后。 水面，由于其容积比热和导热率等热用性与土壤不同，加上水体可通过水平流动和对流、乱流使温度不相同的水发生混合，又因水面能将太阳辐射的能量透射到水的深层，因此，水面温度的日较差要比土壤表面小得的多。而日最高温度出现在15～16时，最低温度出现在太阳升起后不久，落后于土壤温度最高、最低出现的时刻。
太阳辐射对植物生长发育的影响 姓名：卢常磊 学号： 1001064113 专业：种子科学与工程
一、光的生物学意义与植物的光学特性 （一）光是生物体生命活动的能量源泉 太阳辐射是地球上生物有机体的主要能量源泉。地球上所有生命都靠来自太阳辐射提供生命活动的能量。而植物的光合作用几乎使所有的有机体与太阳辐射之间发生了最本质联系。同时，地球表面吸收一部分太阳辐射直接转变为热能，其中一部分用于水分蒸发，其余部分用于增加地表温度，因而太阳辐射也是构成地表热量和水分等分布状况的能量源泉。 到达地球上的太阳辐射主要的作用是产生光合效应、热效应和光的形态效应。地球生物圈内的光辐射的生物学效应可分为：1、有机物质组成，其中包括光合作用，维生素D的形成；2、物质输送；3、刺激作用，其中包括光周期现象、向光性、趋光性、感光性等。光和热是动、植物生长发育和产量形成的根本条件。光对叶绿素起着化学作用，没有光，不能产生叶绿素，也不能进行二氧化碳的合成。光是植物进行光合作用的能量源泉。光对植物的热效应，由于植物的蒸腾，不致使植物“体温”过高而“灼”死。光还影响植物营养体形态的建成和生长发育以及叶的方位等。太阳各种辐射光谱区对植物生命活动具有不同的重要性： 光对生物有机体的影响是由光照强度、光照长度、光谱成分的对比关系构成的。植物光合作用利用太阳能的程度很低，绿色植物只能吸收落到叶子上太阳能的50%左右，其中又只有1-5%参与植物的光合过程。而植物通过光合合成的物质却占到植物总干重的90—95%。当
前，我们还不能改变太阳能的大小及其在地球上的分布，但能提高到达地面上太阳能的利用率，特别是提高植物接受光能的面积和它们的利用率。 （二）植物单叶的光学特性 投射于叶面上的太阳辐射，可分为反射、吸收和透射三部分。反射由内反射和外反射构成。外反射是叶片表皮层与空气界面所发生的反射现象。内反射是投射到叶子内部，又从投射一侧返回空气中的辐射。进入叶子内部，部分被吸收、反射后，一部分光通过叶片到达另一侧，这部分光称为透射光。与上述辐射相对应的百分率称为反射率、透射率、和吸收率。关系为R+T+A=1。 叶片对太阳辐射的反射能力大小，主要决定于叶子本身的特点。反射率在绿色部位呈现高峰，兰色及红色部位最低。叶子的吸收绿叶有两个明显的吸收峰，主要在光合有效辐射部分和长波辐射部分，以长波辐射为最强。叶肉组织吸收的大部分光线，依赖于色素类别，主要是叶绿素（a、b）和类胡萝卜素。 （三）群体叶片的光学特性 太阳进入农田植被中，受到植被中茎叶的层层削弱，有的被反射、有的被吸收、有的层层透射到达地面。不同的植物，植物处于不同生长时段，对光的吸收、反射和透射不同，因而，光在植物群体内的分布曲线是不同的。 通常，我们用透光率来表征农田中的透光情况。所谓透光率，就是农田中各高度的照度与农田上方照度的比值，常用小数或百分数表
考前每日练| 太阳辐射和地面辐射能量变化 下图为冬至日某地太阳辐射和地面辐射能量变化示意图，据此回答4～5题。 4.该地最有可能是（） A. 里约热内卢 B. 伦敦 C. 新加坡 D. 上海 5. 关于图中甲、乙区域和A、B两点的叙述，正确的是（） A.该日甲区域气温正在逐渐下降 B.乙区域为黑夜 C.A点对应的时刻为该地中午太阳高度角最大时 D.B点对应的时刻为该地一天中气温最低时知识拓展 1、太阳辐射与大气受热过程 近地面大气的主要热源来自于地面辐射，而地面辐射热源则来自于太阳辐射，即太阳是地面的直接热源。要注意的是光照充足并不代表光热充足，比如青藏高原地区，海拔高，空气稀薄，大气保温作用弱，所以虽然太阳辐射量大，但气温低。一般情况下，低纬地区热量充足，高纬地区热量不足；中低纬高山高原地区，光多热少；中高纬内陆干旱地区，光多热少。 2、气温的测定 我们通常所说的气温，指在野外空气流通、不受太阳直射下测得的空气温度，是在观测场中离地面1.5米高的百叶箱中的温度表上测得的。最高气温是一日内气温的最高值，一般出现在14-15时，最低气温一般出现在早晨5-6时，一般出现在日出前。当然，不同地方的最高、最低温度也会因天气情况的不同而发生变化。在人工气象观测中，为了避免太阳的直接辐射，测量温度的温度表和传感器放置在百叶箱中。百叶箱的门朝北开，是为了防止观测时阳光直接照射箱内的仪器。把百叶箱漆成白色，可以将投射在百叶箱上的阳光基本上都反射掉。而且白色不容易吸热。气温有定时气温（基本站每日观测4次，分别为02、08、14、20四个时次；部分测站根据实际情况，一天观测3次，分别为08、14、20三个时次。基准站每日观测24次）。