Общие указания. Коротковолновая радиация

РАДИАЦИОННОГО БАЛАНСА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

РАСЧЕТ ЭФФЕКТИВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И

Лабораторная работа № 4

Коротковолновая радиация

Земная поверхность и атмосфера получают тепло от Солнца в виде прямой радиации. Энергетическая освещенность прямой радиацией зависит от высоты Солнца и прозрачности атмосферы. Зная энергетическую освещенность перпендикулярной к лучам площадки (S_m), можно рассчитать энергетическую освещенность горизонтальной площадки (S^′) (инсоляцию) с помощью следующего соотношения:

S^′ = S_msinh_o (1)

Помимо прямой радиации к коротковолновой радиации относятся: рассеянная (прямая радиация, рассеянная атмосферой), суммарная (сумма потоков прямой и рассеянной радиации) и отраженная (радиация, отраженная Землей и атмосферой).

Энергетическую освещенность рассеянной радиации, помимо непосредственных измерений можно рассчитать при безоблачном небе по приближенной формуле

D = b(S₀ – S_m) sinh_o (2)

где S₀ – энергетическая освещенность прямой радиацией (кВт/м²), перпендикулярной к лучам площадки на верхней границе атмосферы, которую можно определить по Приложению 7 в /6/, параметр b равен 0,30 – 0,33 при средних условиях замутнения атмосферы.

Энергетическую освещенность суммарной радиацией (Q) получим как сумму:

Q = S^′ + D (3)

Часть суммарной радиации, отраженной поверхностью (атмосферой), называется отраженной радиацией (R). Их отношение А = R/Q характеризует отражательную способность подстилающей поверхности (атмосферы) и называется альбедо. Иногда альбедо выражают в прцентах, т.е.:

А = (R/Q) 100% (4)

Отраженная радиация:

R = A Q (5)

Все виды коротковолновой радиации в системе СИ измеряются в кВт/м². Не отраженная поверхностью часть суммарной радиации (Q – R) поглощается поверхностью (атмосферой) и называется поглощенной коротковолновой радиацией или коротковолновым радиационным балансом поверхности (атмосферы).

Длинноволновая радиация и радиационный баланс

Поглощая коротковолновую солнечную радиацию, земная поверхность нагревается и становится источником низкотемпературного, т.е. длинноволнового излучения.

Поток теплового излучения подстилающей поверхности (Е_s), направленный в сторону атмосферы, можно рассчитать по формуле

Е_s = dsТ⁴ (6)

где Т – температура поверхности в К, s = 5,67 Вт/(м²К⁴) – постоянная Стефана-Больцмана,

d - относительная излучательная способность поверхности. Значение sТ⁴ можно найти в приложении 10 в /5/. Длина волны l_m (мкм), на которую приходится максимум теплового излучения, может быть определена на основании закона Вина:

l_m = 2897/Т (7)

Собственное тепловое излучение атмосферы, направленное к земной поверхности, называется противоизлучением атмосферы (Е_а). Оно зависит от температуры и может быть рассчитано с помощью полуэмпирической формулы Д. Брента:

Е_а = dsТ⁴ (а’ + b ) (8)

где a^’ и b – эмпирические константы, е – парциальное давление водяного пара в гПа, Т – температура воздуха в К.

Разность между собственным тепловым излучением поверхности и поглощенной частью противоизлучения атмосферы называется эффективным излучением подстилающей поверхности Е_е:

Е_е = Е_s - dЕ_а (9)

Для Е_е формула Д. Брента будет иметь вид:

Е_е = dsТ⁴ (a - b ) (10)

где а = 1 - а^’. Согласно Т.Г. Берлянд а = 0,39; b = 0,05.

Учитывая разность температур поверхности земли (Т₀) и воздуха (Т), в формулу (9) следует внести поправку:

DЕ_е = d(s - sТ⁴) (11)

Уменьшение эффективного излучения облачностью можно учесть соотношением:

Е_обл = Е_е(1 – cn) (12)

где Е_е – эффективное излучение при безоблачном небе без учета поправки DЕ_е, n – количество общей облачности в баллах, с – эмпирический облачный коэффициент. Эмпирический коэффициент с различен для облаков разных ярусов, поэтому более точным является соотношение:

Е_обл = Е_е(1 - с_нn_н – с_сn_с - с_вn_в) (13)

где n_н, n_с, n_в – количество облаков нижнего, среднего и верхнего яруса в баллах. По Н.Г. Ефимову с_н = 0,076, с_с = 0,052, с_в = 0,029. Поправка DЕ_е вводится после учета облачности.

Зная коротковолновые и длинноволновые потоки радиации, можно определить радиационный баланс земной поверхности (В) как алгебраическую сумму получаемых и теряемых ею потоков радиации:

В = Q – R – E_s + dE_a = (Q – R) – E_e = Q (1 – A) – E_e = B_кв – В_дв (14)

где Q – суммарная радиация, R – отраженная радиация, А – альбедо подстилающей поверхности. Длинноволновый радиационный баланс:

В_дв = dE_a - E_s = -E_е (15)

Задание 1

Найти поток теплового излучения от подстилающей поверхности, считая ее абсолютно черной, и длину волны, на которую приходится максимум излучения, если известна температура поверхности (Т).

Варианты исходных данных

Вар.
Т,°С	-40	-30	-20	-10

Как изменится поток теплового излучения, если поверхность не будет абсолютно черной?

Задание 2

Вычислить эффективное излучение подстилающей поверхности, имеющей температуру Т₀, если температура воздуха Т, относительная влажность f в случае безоблачного неба и при облачности n баллов.

Варианты исходных данных

Вар.
Т0, °С
Т, °С
f, %
n, баллы	2 Ac 4 Ci	4 St 3 Ac	2 Sc 4 Ac	6 Ns 1 Ac	4 Ns 3 Ac	5 St 2 Ac	10 St	1 Sc 6 Ci	5 Ac 2 Cc	10 Cs

Задание 3

Вычислить коротковолновый, длинноволновый и полный радиационный баланс земной поверхности, если известны его составляющие: прямая радиация S_m, рассеянная D, альбедо А, тепловое излучение поверхности Е_s и атмосферы Е_а.

Варианты исходных данных

Вар
Sm, кВт/м^2	0,20	0,25	0,30	0,43	0,65	0,72	0,54	0,93	0,95	1,00
D, кВт/м^2	0,06	0,08		0,10	0,12	0,14	0,16	0,17	0,18	0,20
Es, кВт/м^2	0,35	0,42	0,44	0,46	0,48	0,50	0,52	0,53	0,54	0,55
Ea, кВт/м^2	0,32	0,34	0,36	0,38	0,40	0,42	0,45	0,46	0,47	0,48
ho
A, %

Задание 4

По исходным данным рассчитать прямую радиацию на горизонтальную поверхность (S^′), суммарную (Q) и отраженную радиацию (R), эффективное излучение (Е_е).

Построить график суточного хода радиационного баланса (В) и его составляющих (S^′, Q, R, E_e) и проанализировать вклад этих составляющих в (В) в различные сроки.

Исходные данные

срок	0ч30мин.	6ч30мин.	9ч30мин.	12ч30мин	15ч30мин	18ч30мин	0ч30мин.
ho, °	-						-
Sm,кВт/м^2	0,00	0,61	0,75	0,80	0,68	0,45	0.00
D, кВт/м^2	0,00	0,10	0,15	0.21	0.18	0.06	0.00
В, кВт/м^2	-0.05	0.17	0.44	0.59	0.47	0.03	-0.07
А, %	-						-

Контрольные вопросы

1.Какие факторы и как влияют на величину полного радиационного баланса? Каковы приходные и расходные статьи баланса?

2.Когда полный радиационный баланс становится равным нулю?

3.Какими факторами определяется радиационный баланс ночью?

4.Как влияет облачность и влажность воздуха на эффективное излучение поверхности, величину и время смены знака радиационного баланса?

Лабораторная работа № 5

Дата добавления: 2015-06-28