一、輻射的基本知識

（一）輻射與輻射能

輻射是以電磁波形式傳遞能量的一種方式。自然界中的一切物體，只要其溫度高于絕對零度，就會不停地以電磁波的形式向外傳遞能量，這種傳遞能量的方式稱為輻射。以輻射方式傳遞的能量稱為輻射能，簡稱輻射。輻射是能量傳播方式之一，也是太陽能傳輸?shù)降厍虻奈┮煌緩健?/p>

輻射能是通過電磁波的方式傳輸?shù)?。電磁波的波長范圍很廣，從波長10-10μm的宇宙射線，到波長達(dá)幾千米的無線電波。肉眼看得見的是0.4～0.76μm的波長，這部分稱為可見光?？梢姽饨?jīng)三棱鏡分光后，成為一條由紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫等各種顏色組成的光帶，其中紅光波長最長，紫光波長最短。其他各色光的波長則依次介于其間。波長長于紅色光波的，有紅外線和無線電波；波長短于紫色光波的，有紫外線、X射線、γ射線等，這些射線雖然不能為肉眼看見，但是用儀器可以測量出來（圖1-2）。氣象學(xué)著重研究的是太陽、地球和大氣的熱輻射。它們的波長范圍大約在0.15～120μm之間。在氣象學(xué)中，通常以焦耳（J）作為輻射能的單位。單位時間內(nèi)通過單位面積的輻射能量稱輻射通量密度（E），單位是W／m2。

輻射通量密度沒有限定輻射方向，輻射接受面可以垂直于射線或與之呈某一角度。如果指的是投射來的輻射，則稱入射輻射通量密度；如果指的是自物體表面射出的輻射，則稱放射輻射通量密度。其數(shù)值的大小反映物體放射能力的強(qiáng)弱，故稱之為輻射能力或放射能力。

圖1-2　輻射波長范圍

（二）物體對輻射的吸收、反射和透射

各種物體，在它向外放出輻射的同時，必然會接受到周圍物體向它投射過來的輻射，但投射到物體上的輻射并不能全部被吸收，其中一部分被反射，一部分可能透過物體（圖1-3）。

圖1-3　物體對輻射的吸收、反射和透射

設(shè)投射到物體上的總輻射能為Q0，被吸收的為Qa，被反射的為Qr，透過的為Qd。根據(jù)能量守恒原理

即

式中左邊第一項為物體吸收的輻射與投射于其上的輻射之比，稱為吸收率（a）；第二項為物體反射的輻射與投射于其上的輻射之比，稱為反射率（r）；第三項為透過物體的輻射與投射于其上的輻射之比，稱為透射率（d），則

a、r、d都是0～1之間變化的無量綱量，分別表示物體對輻射吸收、反射和透射的能力。

物體的吸收率、反射率和透射率大小隨著輻射的波長和物體的性質(zhì)而改變。例如，干潔空氣對紅外線是近似透明的，而水汽對紅外線卻能強(qiáng)烈地吸收；雪面對太陽輻射的反射率很大，但對地面和大氣的輻射則幾乎能全部吸收。

二、太陽輻射

太陽輻射是指太陽向宇宙空間發(fā)射的電磁波和粒子流。地球所接受到的太陽輻射能量僅為太陽向宇宙空間放射的總輻射能量的二十億分之一，但卻是地球大氣運(yùn)動的主要能量源泉。

到達(dá)地球大氣上界的太陽輻射能量稱為天文太陽輻射量。在地球位于日地平均距離處時，地球大氣上界垂直于太陽光線的單位面積在單位時間內(nèi)所受到的太陽輻射的全譜總能量，稱為太陽常數(shù)。太陽常數(shù)的常用單位為W／m2。因觀測方法和技術(shù)不同，得到的太陽常數(shù)值不同。世界氣象組織（WMO）1981年公布的太陽常數(shù)值是1368W／m2。地球大氣上界的太陽輻射光譜的99%以上在波長0.15～4.0μm之間。大約50%的太陽輻射能量在可見光譜（波長0.4～0.76μm），7%在紫外光譜區(qū)（波長＜0.4μm），43%在紅外光譜區(qū)（波長＞0.76μm），最大能量在波長0.475μm處。由于太陽輻射波長較地面和大氣輻射波長（約3～120μm）小得多，所以通常又稱太陽輻射為短波輻射，稱地面和大氣輻射為長波輻射。太陽活動和日地距離的變化等會引起地球大氣上界太陽輻射能量的變化。

太陽輻射通過大氣，一部分到達(dá)地面，稱為直接太陽輻射；另一部分為大氣的分子、大氣中的微塵、水汽等吸收、散射和反射。被散射的太陽輻射一部分返回宇宙空間，另一部分到達(dá)地面，到達(dá)地面的部分稱為散射太陽輻射。到達(dá)地面的散射太陽輻射和直接太陽輻射之和稱為總輻射。太陽輻射通過大氣后，其強(qiáng)度和光譜能量分布都發(fā)生變化。到達(dá)地面的太陽輻射能量比大氣上界小得多，在太陽光譜上能量分布在紫外光譜區(qū)幾乎絕跡，在可見光譜區(qū)減少40%，而在紅外光譜區(qū)增至60%。

在地球大氣上界，北半球夏至?xí)r，日輻射總量最大，從極地到赤道分布比較均勻；冬至?xí)r，北半球日輻射總量最小，極圈內(nèi)為零，南北差異最大。南半球情況相反。春分和秋分時，日輻射總量的分布與緯度的余弦成正比。南、北回歸線之間的地區(qū)，一年內(nèi)日輻射總量有兩次最大，年變化小。緯度愈高，日輻射總量變化愈大。

到達(dá)地表的全球年輻射總量的分布基本上呈帶狀，只有在低緯度地區(qū)受到破壞。在赤道地區(qū)，由于多云，年輻射總量并不最高。在南北半球的副熱帶高壓帶，特別是在大陸荒漠地區(qū)，年輻射總量較大，最大值在非洲東北部。

（一）太陽在天空中的位置

太陽在天空中的位置常用太陽高度角（h）和方位角（A）來標(biāo)定。

1.太陽高度角

太陽高度角是太陽光線與某測定點(diǎn)地平面的夾角，簡稱太陽高度，如圖1-4中NESW是觀測點(diǎn)“O”的真地平，Z是天頂，OZ是鉛垂線，NZSZ′是子午圈，NOS是過測點(diǎn)“O”的子午線，M是太陽，設(shè)

h即為太陽高度角。

圖1-4　太陽高度角和方位角示意圖

同一時刻，各緯度上的太陽高度角不等，即使正午時刻也只有個別地區(qū)的太陽高度是90°，稱直射；多數(shù)地區(qū)的太陽高度角小于90°，稱斜射。圖1-5是北半球春分日正午時太陽高度的分布。由圖可見，該日太陽直射赤道，其他地區(qū)均為斜射。

圖1-5　北半球春分日正午時太陽高度

太陽高度具有周期性的日變化規(guī)律，即正午時刻最大，日出和日落時為零。圖1-6是北京地區(qū)夏至日太陽高度的日變化曲線。

在北半球，北回歸線以南至赤道范圍內(nèi)，一年中有兩天正午時太陽直射，赤道上分別是春分日和秋分日。北回歸線上，只有夏至日的正午，太陽直射地面。北回歸線以北地區(qū)，無直射，但全年仍以夏至日的太陽高度最高，冬至日最低。

圖1-6　北京地區(qū)夏至日太陽高度日變化

2.太陽方位角

太陽方位角是太陽光線在地平面上的投影線與測定點(diǎn)子午線之間的角度，即圖1-4中的∠KOS＝A。正午時，A＝0，定為正南，順時針取正值，即正西為90°，逆時針取負(fù)值，即正東為-90°。一年中只有春分日和秋分日，太陽才是東升西落。北半球，春分日后，太陽日出時的方位逐漸向北偏，緯度愈高，偏角愈大；夏至日偏角最大，以后偏角又漸漸減小。秋分日后，日出時的方位向南偏，直到冬至日，向南偏的角度最大，以后偏角又逐日減小，春分日為-90°。

（二）太陽輻射光譜太陽常數(shù)

太陽輻射中輻射能按波長的分布，稱為太陽輻射光譜。大氣上界太陽光譜中能量的分布曲線（圖1-7中實線）與T＝6000K時，根據(jù)黑體輻射公式計算的黑體光譜能量分布曲線（圖1-7中虛線）相比較，非常相似。因此，可以把太陽輻射看作黑體輻射，有關(guān)黑體輻射的定律都可應(yīng)用于太陽輻射。例如利用斯蒂芬-波耳茲曼定律和維恩定律，可以根據(jù)太陽輻射強(qiáng)度計算出太陽表面的溫度；反之利用天文儀器測得的太陽表面溫度，也可以計算出太陽的輻射強(qiáng)度以及輻射最強(qiáng)的波長。

太陽是一個熾熱的氣體球，其表面溫度約為6000K，內(nèi)部溫度更高。根據(jù)維恩定律可以計算出太陽輻射最強(qiáng)的波長λm為0.475μm。這個波長在可見光范圍內(nèi)相當(dāng)于青光部分。因此，太陽輻射主要是可見光線（0.4～0.76μm），此外也有不可見的紅外線（＞0.76μm）和紫外線（＜0.4μm），但在數(shù)量上不如可見光多。在全部輻射能中，波長在0.15～4μm之間占99%以上，且主要分布在可見光區(qū)和紅外區(qū)，前者占太陽輻射總能量的50%，后者占43%，紫外區(qū)的太陽輻射能很少，只占總能量的7%。

（三）太陽常數(shù)

太陽輻射通過星際空間到達(dá)地球。就日地平均距離來說，在大氣上界，垂直于太陽光線的1cm2面積內(nèi)，1分鐘內(nèi)獲得的太陽輻射能量，稱太陽常數(shù)，用I0表示。太陽常數(shù)雖經(jīng)多年觀測研究，由于觀測設(shè)備、技術(shù)以及理論校正方法的不同，其數(shù)值常不一致，變動于1359～1418W／m2之間。1957年國際地球物理年決定采用1380W／m2。近年來，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)儀器，在高空氣球、火箭和人造衛(wèi)星上約數(shù)萬次以上的探測，得出太陽常數(shù)值約為1367（±7）W／m2，這也是1981年世界氣象組織推薦的太陽常數(shù)的最佳值。多數(shù)文獻(xiàn)上采用1370W／m2。據(jù)研究，太陽常數(shù)也有周期性的變化，變化范圍在1%～2%，這可能與太陽黑子的活動周期有關(guān)。在太陽黑子最多的年份，紫外線部分某些波長的輻射強(qiáng)度可為太陽黑子最少年份的20倍。

圖1-7　太陽輻射光譜

（四）太陽輻射在大氣中的減弱

太陽輻射光通過大氣圈，然后到達(dá)地表。由于大氣對太陽輻射有一定的吸收、散射和反射作用，使投射到大氣上界的太陽輻射不能完全到達(dá)地面，所以在地球表面所獲得的太陽輻射強(qiáng)度比1370W／m2要小。

圖1-8　太陽輻射光通過大氣時的變化

圖1-8給出了太陽輻射光譜穿過大氣時受到減弱的情況。曲線1是大氣上界太陽輻射光譜；曲線2是臭氧層下的太陽輻射光譜；曲線3是同時考慮到分子散射作用的光譜；曲線4是進(jìn)一步考慮到粗粒散射作用后的光譜；曲線5是將水汽吸收作用也考慮在內(nèi)的光譜，它也可近似地看成是地面所觀測到的太陽輻射光譜。對比曲線1和5可以看出太陽輻射光譜穿過大氣后的主要變化有：①總輻射能有明顯地減弱；②輻射能隨波長的分布變得極不規(guī)則；③波長短的輻射能減弱得更為顯著。產(chǎn)生這些變化的原因有以下幾方面。

1.大氣對太陽輻射的吸收

太陽輻射穿過大氣層時，大氣中的氧、水汽、二氧化碳和臭氧等氣體分子選擇性地吸收一部分太陽輻射能。臭氧主要吸收紫外輻射。氧、水汽和二氧化碳主要吸收紅外輻射。在可見光譜區(qū)中，也有幾個氧的吸收帶，但吸收的量不多。

云和霧也能吸收太陽輻射，吸收率隨云狀而異。

2.大氣對太陽輻射的散射

太陽輻射通過大氣時，大氣中的各種氣體分子、懸浮的水滴和塵埃等微粒都能連續(xù)地把入射的電磁波，以相同的波長向四面八方發(fā)射，這種現(xiàn)象稱散射。散射只改變輻射方向，不改變輻射性質(zhì)。散射有分子散射和粗粒散射兩種。

空氣分子的直徑小于太陽輻射波長，其散射能力與波長的四次方成反比，稱為分子散射。分子散射主要發(fā)生在可見光譜區(qū)，藍(lán)光（0.425μm）的散射能力約為紅光（0.650μm）的5.5倍，也比綠光和黃光的散射能力強(qiáng)。藍(lán)光的能量比較多，又因人眼對藍(lán)光視感好，所以人們常說蔚藍(lán)色的天空。

水滴和灰塵等微粒的直徑大于太陽輻射波長，它們對各種波長的輻射幾乎具有同等的散射能力，稱為粗粒散射?？諝饣鞚峄蜿幪旌陀徐F時，天空便呈乳白色。

3.大氣的云層和塵埃對太陽輻射的反射

大氣中云層和較大顆粒的塵埃能將太陽輻射中一部分能量反射到宇宙空間去。其中云的反射作用最為顯著，太陽輻射遇到云時被反射一部分或大部分。反射對各種波長沒有選擇性，所以反射光呈白色。云的反射能力隨云狀和云的厚度而不同，高云反射率約25%，中云為50%，低云為65%，稀薄的云層也可反射10%～20%。隨著云層增厚反射增強(qiáng)，厚云層反射可達(dá)90%，一般情況下云的平均反射率為50%～55%。

上述三種方式中，反射作用最重要，尤其是云層對太陽輻射的反射最為明顯，另外還包括大氣散射回宇宙以及地面反射回宇宙的部分；散射作用次之，形成了到達(dá)地面的散射輻射；吸收作用相對最小。以全球平均而言，太陽輻射約有30%被散射和漫射回宇宙，稱之為行星反射率，20%被大氣和云層直接吸收，50%到達(dá)地面被吸收。

雖然太陽輻射穿過大氣層時被減弱，但平均來說，大約還有大氣上界能量的50%到達(dá)地面。

（五）影響太陽輻射減弱的因子

太陽輻射穿過大氣時輻射能被減弱，其減弱程度與陽光在大氣中經(jīng)歷的路程和大氣混濁程度有關(guān)，前者用大氣光學(xué)質(zhì)量（m）表示，后者用大氣透明系數(shù)（p）表示。

1.大氣光學(xué)質(zhì)量

如果不考慮地表面的曲率（視作平面）和大氣對陽光的折射（取作直線路徑），并令太陽高度為90°時，光線穿過大氣到達(dá)地面所經(jīng)歷的路程是一個大氣光學(xué)質(zhì)量（表1-2）。

表1-2　不同太陽高度（h）時的大氣質(zhì)量數(shù)

2.大氣透明系數(shù)

在大氣中傳輸時，太陽輻射被減弱。大氣透明系數(shù)p是太陽輻射穿過一個大氣光學(xué)質(zhì)量的透射率，p值小于1。

（六）到達(dá)地面的太陽輻射

到達(dá)地面的太陽輻射有兩部分：一是太陽以平行光線的形式直接投射到地面上的，稱為太陽直接輻射；二是經(jīng)過散射后自天空投射到地面的，稱為散射輻射，兩者之和稱為總輻射。

1.直接輻射

因陽光斜射，地平面上接受的太陽直接輻射通量Sb要小于S′b，如圖1-9。Sb與S′b的關(guān)系是

從圖1-9可看出，太陽輻射投射到與日光垂直的A′面（正方形）上的輻射與射到地平面A（矩形）上的輻射量相等，所以有

即

也可寫成

雖然地平面接受的太陽直接輻射與大氣透明系數(shù)、大氣光學(xué)質(zhì)量和太陽高度三者有關(guān)，但是大氣光學(xué)質(zhì)量也是太陽高度的函數(shù)，因此，Sb取決于p和h兩個因子。當(dāng)p一定時，Sb隨太陽高度增高而增大；當(dāng)h一定時，Sb隨大氣透明系數(shù)p增大而增加。

圖1-9　地面上的太陽輻射

直接輻射有顯著的年變化、日變化和隨緯度的變化。這種變化主要由太陽高度角決定。在一天當(dāng)中，日出、日沒時太陽高度最小，直接輻射最弱；中午太陽高度角最大，直接輻射最強(qiáng)。同樣道理，在一年當(dāng)中，直接輻射在夏季最強(qiáng)，冬季最弱。如圖1-10是北京直接輻射的年變化，從中即可看出以上所述。以緯度而言，低緯度地區(qū)一年各季太陽高度角都很大，地表面得到的直接輻射較中高緯度地區(qū)大得多。

圖1-10　北京直接輻射的年變化

圖1-11　重慶散射輻射的日變化

2.散射輻射

散射輻射（用Sd表示）的強(qiáng)弱也與太陽高度角及大氣透明度有關(guān)。太陽高度角增大時，到達(dá)近地面層的直接輻射增強(qiáng)，散射輻射也就相應(yīng)地增強(qiáng)；相反，太陽高度角減小時，散射輻射也弱。大氣透明度不好時，參與散射作用的質(zhì)點(diǎn)增多，散射輻射增強(qiáng)；反之，減弱。云也能強(qiáng)烈地增大散射輻射。圖1-11是在重慶觀測到的晴天和陰天的散射輻射值。由圖可見，陰天的散射輻射比晴天的大得多。

同直接輻射類似，散射輻射的變化也主要決定于太陽高度角的變化。一日內(nèi)正午前后最強(qiáng)，一年內(nèi)夏季最強(qiáng)。

3.總輻射

太陽總輻射（St）是地面上接受的太陽直接輻射和太陽漫射輻射之和，即

晴天時，總輻射由兩部分組成，而且Sb遠(yuǎn)大于Sd。陰天時，太陽被云遮蔽，總輻射等于太陽漫射。

日出以前，地面上總輻射的收入不多，其中只有散射輻射；日出以后，隨著太陽高度的升高，太陽直接輻射和散射輻射逐漸增加。但前者增加得較快，即散射輻射在總輻射中所占的成分逐漸減??；當(dāng)太陽高度升到約等于8°時，直接輻射與散射輻射相等；當(dāng)太陽高度為50°時，散射輻射值僅相當(dāng)總輻射的10%～20%；到中午時太陽直接輻射與散射輻射強(qiáng)度均達(dá)到最大值；中午以后二者又按相反的次序變化。云的影響可以使這種變化規(guī)律受到破壞。例如，中午云量突然增多時，總輻射的最大值可能提前或推后，這是因為直接輻射是組成總輻射的主要部分，有云時直接輻射的減弱比散射輻射的增強(qiáng)要多的緣故。在一年中總輻射強(qiáng)度（指月平均值）在夏季最大，冬季最小。

總輻射隨緯度的分布一般是，緯度愈低，總輻射愈大。反之就愈小。表1-3是根據(jù)計算得到的北半球年總輻射緯度分布的情況，其中可能總輻射是考慮了受大氣減弱之后到達(dá)地面的太陽輻射；有效總輻射是考慮了大氣和云的減弱之后到達(dá)地面的太陽輻射。由于赤道附近云多，太陽輻射減弱得也多，因此有效輻射的最大值并不在赤道，而在20°N。

表1-3　北半球年總輻射隨緯度的分布

據(jù)研究，我國年輻射總量最高的地區(qū)在西藏，為212.3～252.1W／m2。青海、新疆和黃河流域次之，為159.2～212.3W／m2。而長江流域與大部分華南地區(qū)反而減少，為119.4～159.2W／m2。這是因為西北、華北地區(qū)晴朗干燥的天氣較多，總輻射也較大；長江中下游云量多，總輻射較?。晃鞑睾０胃叨却?，總輻射量也大。

4.總輻射的日變化和年變化

太陽高度是影響總輻射的主要因子，所以總輻射也有日變化，其特征是：夜間總輻射為零，日出后逐漸增加，正午時出現(xiàn)最大值，午后又漸漸減少（圖1-12）。晴天情況下，上述規(guī)律具有普遍性。如果一日中云量多變，則上述日變化規(guī)律常常被破壞。

一年中，太陽高度和晝長有變化，所以太陽輻射也有年變化，一般是夏季最大，冬季最?。▓D1-13）。北京地區(qū)總輻射的年變化中，夏季正逢雨季，陰雨日多，太陽輻射顯著減少，以致全年最高值出現(xiàn)在5月份。各地總輻射年變化型不完全一樣，低緯度地區(qū)和干濕兩季分明的地區(qū)較為復(fù)雜些。

圖1-12　北京地區(qū)總輻射日變化

圖1-13　北京地區(qū)總輻射年變化

一日內(nèi)，每一時刻太陽總輻射之和就是太陽總輻射的日總量。它不僅取決于太陽高度和大氣透明系數(shù)，還和太陽照射時間有關(guān)。

一年內(nèi)，太陽總輻射日總量之和就是太陽總輻射的年總量。

三、地面和大氣的輻射

太陽輻射雖然是地球上的主要能源，但因為大氣本身對太陽輻射直接吸收很少，而水、陸、植被等地球表面（又稱下墊面）卻能大量吸收太陽輻射，并經(jīng)轉(zhuǎn)化供給大氣，從這個意義來說，下墊面是大氣的直接熱源。因此，在研究大氣熱狀況時，必須了解地面和大氣之間交換熱量的方式及地-氣系統(tǒng)的輻射差額。

1.地面輻射

地面能吸收太陽短波輻射，同時按其本身的溫度不斷地向外放射長波輻射（長波輻射是指波長大于4μm的輻射）。大氣對太陽短波輻射幾乎是透明的，吸收很少，但對地面的長波輻射卻能強(qiáng)烈吸收。

地面日夜不停地向上發(fā)射長波輻射，稱地面輻射，以L0表示地面輻射通量，單位是W／m2。地面溫度一般在-40～40℃之間。如果把地面近似地視作黑體，則根據(jù)輻射定律可估算出地面長波輻射通量為（1.67×102～5.55×102）W／m2之間。L0比太陽常數(shù)S0小得多，但是與到達(dá)地平面的太陽直接輻射通量相似。地面發(fā)射的電磁波長主要在4～40μm之間，發(fā)射能量最大的波長是10μm附近。地面長波輻射通過大氣層時，大氣中的水汽、二氧化碳和水滴等吸收了絕大部分的地面輻射能，其中尤以水汽的吸收能力最強(qiáng)?？梢姡孛孑椛涫堑蛯哟髿獾闹饕芰吭慈?/p>

2.大氣輻射

大氣也是輻射體。大氣也按其本身的溫度，向外放射長波輻射。通過長波輻射，地面和大氣之間，以及大氣中氣層和氣層之間，相互交換熱量，并也將熱量向宇宙空間散發(fā)。

大氣輻射中，射向地面的部分稱為大氣逆輻射，其輻射通量用La表示。大氣逆輻射傳輸?shù)降孛妫蟛糠帜芰勘坏孛嫖?，反射不多。如果地面的長波吸收率是A，那么地面吸收的大氣逆輻射通量為A·La。大氣逆輻射使地面因放射輻射而損耗的能量得到一定的補(bǔ)償，由此可見大氣對地面有一種保暖作用，這種作用稱為大氣的保溫效應(yīng)。據(jù)計算，如果沒有大氣，近地面的平均溫度應(yīng)為-23℃，但實際上近地面的均溫是15℃，也就是說大氣的存在使近地面的溫度提高了38℃。

3.地面有效輻射

地面有效輻射是地面輻射與地面吸收的大氣逆輻射之差，以Ln表示。有

地面有效輻射說明了地面與大氣間，在長波輻射的交換過程中，地面所獲得或失去的凈長波輻射能。當(dāng)“Ln”為正值時，地面損失長波輻射能；“Ln”為負(fù)值時，地面獲得長波輻射能。通常情況下，地面溫度高于大氣溫度，地面有效輻射為正值。這意味著通過長波輻射的放射和吸收，地表面經(jīng)常失去熱量。只有在近地層有很強(qiáng)的逆溫及空氣濕度很大的情況下，有效輻射才可能為負(fù)值，這時地面才能通過長波輻射的交換而獲得熱量。

影響有效輻射的主要因子有：地面溫度、空氣溫度、空氣濕度和云況。一般情況下，在濕熱的天氣條件下，有效輻射比干冷時小，有云覆蓋時比晴朗天空條件下有效輻射小；空氣混濁度大時比空氣干潔時有效輻射??；在夜間風(fēng)大時有效輻射小；海拔高度高的地方有效輻射大，當(dāng)近地層氣溫隨高度顯著降低時，有效輻射大；有逆溫時有效輻射小，甚至可出現(xiàn)負(fù)值。此外，有效輻射還與地表面的性質(zhì)有關(guān)，平滑地表面的有效輻射比粗糙地表面有效輻射??；有植物覆蓋時的有效輻射比裸地的有效輻射小。

有效輻射具有明顯的日變化和年變化。其日變化具有與溫度日變化相似的特征。在白天，由于低層大氣中垂直溫度梯度增大，所以有效輻射值也增大，中午12～14時達(dá)最大；而在夜間由于地面輻射冷卻的緣故，有效輻射值也逐漸減小，在清晨達(dá)到最小。當(dāng)天空有云時，可以破壞有效輻射的日變化規(guī)律。有效輻射的年變化也與氣溫的年變化相似，夏季最大，冬季最小。但由于水汽和云的影響使有效輻射的最大值不一定出現(xiàn)在盛夏。我國秦嶺、淮河以南地區(qū)有效輻射秋季最大，春季最小；華北、東北等地區(qū)有效輻射則春季最大，夏季最小，這是由于水汽和云況的影響。

4.大氣對長波輻射的吸收

大氣對長波輻射的吸收非常強(qiáng)烈，吸收作用不僅與吸收物質(zhì)及其分布有關(guān)，而且還與大氣的溫度、壓強(qiáng)等有關(guān)。大氣中對長波輻射的吸收起重要作用的成分有水汽、液態(tài)水、二氧化碳和臭氧等。它們對長波輻射的吸收同樣具有選擇性。

圖1-14描繪了整個大氣對長波輻射的放射與透射光譜。由圖看出，大氣在整個長波段，除8～12μm一段外，其余的透射率近于零，即吸收率為1。8～12μm處吸收率最小，透明度最大，稱為“大氣窗口”。這個波段的輻射，正好位于地面輻射能力最強(qiáng)處，所以地面輻射有20%的能量透過這一窗口射向宇宙空間。在這一窗口中9.6μm附近有一狹窄的臭氧吸收帶，對于地面放射的14μm以上的遠(yuǎn)紅外輻射，幾乎能全部吸收，故此帶可以看成近于黑體。

圖1-14　大氣對長波輻射的吸收譜與放射譜

水汽對長波輻射的吸收最為顯著，除8～12μm波段的輻射外，其他波段都能吸收。并以6μm附近和24μm以上波段的吸收能力最強(qiáng)。

液態(tài)水對長波輻射的吸收性質(zhì)與水汽相仿，只是作用更強(qiáng)一些，厚度大的云層表面可當(dāng)作黑體表面。

二氧化碳有兩個吸收帶，中心分別位于4.3μm和14.7μm。第一個吸收帶位于溫度為200～300K絕對黑體的放射能量曲線的末端，其作用不大，第二個吸收帶為12.9～17.1μm，比較重要。

四、太陽輻射對戶外活動的影響

太陽輻射中的紅外光譜區(qū)放射的紅外輻射對人體皮膚有刺激作用，紅外輻射因波長不同而產(chǎn)生的生物作用不同，長波紅外輻射被皮膚表層吸收，短波紅外輻射被皮膚深層吸收。人體皮膚接受長波紅外輻射后，可引起塊狀紅斑，停止照射后立即消失。過強(qiáng)的紅外輻射，可穿透并損傷視網(wǎng)膜，引起白內(nèi)障。因此，觀察日全蝕時必須戴護(hù)目鏡。較長時間接受紅外輻射照射，會引起眼結(jié)膜、角膜疼痛發(fā)炎。反復(fù)多次接受紅外輻射，皮膚容易出現(xiàn)色素沉著。當(dāng)然，適量的紅外輻射可以消毒、殺菌和取暖。

可見光輻射對人體高級神經(jīng)有明顯作用。紅色具有溫暖、興奮作用，使人精神振奮，神經(jīng)反應(yīng)迅速，肌肉張力增強(qiáng)；但持續(xù)感知紅色，使人很快疲勞。藍(lán)、紫色具有涼爽和降低機(jī)體神經(jīng)反應(yīng)，使人鎮(zhèn)靜。黃色能促進(jìn)心和肺的活動，增加機(jī)體抵抗力。綠是生命之色，綠色光不含對眼睛有害的光線，對人體神經(jīng)系統(tǒng)、大腦皮層和眼睛視網(wǎng)膜最適合，多看綠色可以保護(hù)眼睛。

紫外光輻射按波長可分為三段。

A段：波長0.32～0.40μm，一般情況下對人體影響不大，當(dāng)它與某些醫(yī)用化學(xué)物質(zhì)相互作用時可產(chǎn)生光毒性、光過敏性、光致癌性的增強(qiáng)。

B段：波長0.275～0.320μm，此范圍內(nèi)的光，可抗佝僂病。

C段：波長0.200～0.275μm，此范圍內(nèi)的光，對機(jī)體細(xì)胞有強(qiáng)烈的破壞作用，可以用來消毒、殺菌，也可以使人致癌。

因此，適當(dāng)?shù)臅裉枌θ梭w身心健康有好處，高緯度少日照地區(qū)的人喜歡到西班牙去旅游，主要是為了追尋那里的陽光；而西班牙人也以能向全球出售陽光而自豪。英國人在有太陽的時候，可以停下手中的工作，到室外沐浴陽光。除緯度60°以北的地區(qū)外，一般每天接近中午時，身體局部在太陽輻射下照射半小時，對身體健康和美容都有好處。