辐射能收支的地理分布 辐射能的定理

导语：辐射能收支的地理分布是什么呢?辐射能收支的地理分布在全球能源格局中发挥着重要作用，而且不同地区的资源禀赋、技术水平和政策支持将影响其能源发展的路径和速度，接下来就一起去看看辐射能的定理吧!

辐射能收支的地理分布

太阳

地-气系统的辐射能收支差额(RS)，可按第二章(2.23)式计算Rs(Q+q)(1—a)+qa-F¥ (2.23)式中Q和q分别为到达地表的太阳直接辐射和散射辐射，合称总辐射Q0.a为地表的反射率，qa为大气所吸收的太阳辐射能，F¥ 为包括透过大气的地面辐射和大气本身向宇宙空间放射的长波辐射，又合称长波射出辐射。在(2.23)式中收入部分为短波辐射，支出部分为长波辐射，Rs又称净辐射。

根据实际观测，到达地表的年平均总辐射(W/m2)。年平均总辐射最高值并不出现在赤道，而是位于热带沙漠地区。例如在非洲撒哈拉和阿拉伯沙漠部分地区年平均总辐射高达293W/m2.而处在同纬度的我国华南沿海只有160W/m2左右。再例如美国西部干旱区年平均总辐射高达239—266W/m2.而其附近的太平洋面只有186W/m2左右。空气湿度、云量和降水等的影响，破坏了天文辐射的纬圈分布，只有在广阔的大洋表面，年平均总辐射等值线才大致与纬线平行，其值由低纬向高纬递减，在极地最低，降至80W/m2以下。

根据美国NOAA极轨卫星在1974年6月至1978年2月，共45个月，扫描辐射仪的观测资料，经过处理分析，绘制出在此期间全球地-气系统冬季(12、1、2月)和夏季(6、7、8月)的平均反射率、长波射出辐射(W/m2)和净辐射(W/m2)的分布图，图中反映出，在极地冰雪覆盖区地表反射率最大，可达0.7以上。其次在沙漠地区反射率亦甚高，常在0.4左右。大洋水面反射率较低，特别是在太阳高度角大时反射率最小，小于0.08.但如洋面为白色碎浪覆盖时，反射率会增大。

地-气系统的长波射出辐射F¥ 以热带干旱地区为最大，夏季尤为显著。如北非撒哈拉和阿拉伯等地夏季长波射出辐射达300W/m2以上。极地冰雪表面F¥ 值最低，冬季北极最低值在175W/m2以下，南极最低值在125W/m2左右。

在地-气系统净辐射的分布图可见，除两极地区全年为负值，赤道附近地带全年为正值外，其余大部分地区是冬季为负值，夏季为正值，季节变化十分明显。

就全球地-气系统全年各纬圈吸收的太阳辐射和向外射出的长波辐射的年平均值而言，对太阳辐射的吸收值，低纬度明显多于高纬度。这一方面是因为天文辐射的日辐射量本身有很大的差别，另一方是高纬度冰雪面积广，反射率特别大，所以由热带到极地间太阳辐射的吸收值随纬度的增高而递减的梯度甚大。在赤道附近稍偏北处因云量多，减少其对太阳辐射的吸收率。

就长波射出辐射而言，高低纬度间的差值却小得多。

这是因为赤道与极地间的气温梯度不完全是由各纬度所净得的太阳辐射能所决定的。通过大气环流和洋流的作用，可缓和高、低纬度间的温度差(后详)。长波辐射与温度的4次方成正比，南北气温梯度减小，其长波辐射的差值亦必随之减小。因此呈出的长波射出辐射的经向差距远比所吸收的太阳辐射为小。在低纬度地区太阳辐射能的收入大于其长波辐射的支出，有热量的盈余。而在高纬度地区则相反，辐射能的支出大于收入，热量是亏损的。

这种辐射能收支的差异是形成气候地带性分布，并驱动大气运动，力图使其达到平衡的基本动力。

太阳

辐射能的定理

一个表面所接受的辐射，取决于该表面对着辐射束的方向如何。倘若这一束辐射通量不变，可是它所占据的表面积越来越大时，则随着表面积的增大，此表面上的辐射通量密度就越来越小了。这可以由兰勃脱(Lambert)余弦定理作定量的表达 [2]：

Q=Qdcosθ

此处的Qd标志着当表面垂直于辐射束时的辐射通量密度;而Q代表实际表面上的辐射通量密度;θ则是光线与表面的法线之间的角度。该定律可以用来计算粗略自然地理面中各种坡度时所入射的太阳直接辐射。由于θ的变化十分复杂，因此实际运用时，还必须作更为复杂的推导。

进入自然地理面的太阳辐射能，由两部分组成一个是上述的直接辐射，另一部分则是散射辐射。它们各自的测定方法与计算方法已如上述，都是比较成熟的，但仍要针对各种不同的地形、高度、下垫面状况、不同天气条件等加以具体化。

平行的单色的辐射在通过一个均匀介质时将要发生衰减，这可由下边的公式来描述：

Q=Q0e-kx

Q0在此代表未衰减时的辐射通量密度;X为辐射束在介质中走过的路径;K为介质的消弱系数。这个定律，经过不同形式的变换，用来表达辐射能通过大气时的衰减，也用来表达在通过植物冠丛和水体时的辐射衰减状况。

地表面十分近似于一个“黑体”，因此它也具有类似于黑体发射时那样的规律。知道这种特性，对于了解自然地理系统中的能量转换，对于遥感技术的应用，是至为必要的。一个黑体的单位面积上所发射的辐射能，是由斯特藩-波尔兹曼定律来描述的，即

QB=σT4

此处的QB为理想黑体所发射的能量，T是用开氏温标表达时的绝对温度数值;σ为斯特藩-波尔兹曼常数，可以用已经制定好的表，查出在不同温度T时QB的数值。地球表面的平均温度大致为15℃，(按绝对温度计是288°K)，它发射的平均能量为390瓦/平方米;而太阳表面的发射相当于黑体在5727℃，(按绝对温度计是6000°K)时的状况，因而它所发射的能量为每平方米7.3×107瓦。至于非黑体所发射的能量可按下式去计算：

Q=∈σT4

Q代表该物体所发射的能量;∈为该物体的表面发射率(对于黑体来说，∈=1.而一切非黑体的发射率均小于1)。绝大多数自然表面的长波发射率都介于0.90—0.98之间。