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,但卻是地球大氣運動的主要能量源泉.
到達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)的常用單位為瓦/米2.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1368瓦/米2.地球大氣上界的太陽輻射光譜的99％以上在波長 0.15～4.0微米之間.大約50％的太陽輻射能量在可見光譜區(qū)（波長0.4～0.76微米）,7％在紫外光譜區(qū)（波長0.76微米）,最大能量在波長 0.475微米處.由于太陽輻射波長較地面和大氣輻射波長（約3～120微米）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,另一部分到達地面,到達地面的這部分稱為散射太陽輻射.到達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,其強度和光譜能量分布都發(fā)生變化.到達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)減少至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.
到達地表的全球年輻射總量的分布基本上成帶狀,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.
太陽輻射
太陽輻射是地球表層能量的主要來源.太陽輻射在大氣上界的分布是由地球的天文位置決定的,稱此為天文輻射.由天文輻射決定的氣候稱為天文氣候.天文氣候反映了全球氣候的空間分布和時間變化的基本輪廓.
除太陽本身的變化外,天文輻射能量主要決定于日地距離、太陽高度角和晝長.
地球繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道為橢圓形,太陽位于兩個焦點中的一個焦點上.因此,日地距離時刻在變化.每年1月2日至5日經(jīng)過近日點,7月3日至4日經(jīng)過遠日點.地球上接受到的太陽輻射的強弱與日地距離的平方成反比.
太陽光線與地平面的夾角稱為太陽高度角,它有日變化和年變化.太陽高度角大,則太陽輻射強.
白晝長度指從日出到日落之間的時間長度.赤道上四季白晝長度均為12小時,赤道以外晝長四季有變化,40°緯度的春、秋分日晝長12小時,夏至和冬至日晝長分別為14小時51分和9小時09分,到緯度66°33′出現(xiàn)極晝和極夜現(xiàn)象.南北半球的冬夏季節(jié)時間正好相反.
天文輻射的時空變化特點是：①全年以赤道獲得的輻射最多,極地最少.這種熱量不均勻分布,必然導(dǎo)致地表各緯度的氣溫產(chǎn)生差異,在地球表面出現(xiàn)熱帶、溫帶和寒帶氣候；②天文輻射夏大冬小,它導(dǎo)致夏季溫高冬季溫低.
大氣對太陽輻射的削弱作用包括大氣對太陽輻射的吸收、散射和反射.太陽輻射經(jīng)過整層大氣時,0.29μm以下的紫外線幾乎全部被吸收,在可見光區(qū)大氣吸收很少.在紅外區(qū)有很強的吸收帶.大氣中吸收太陽輻射的物質(zhì)主要有氧、臭氧、水汽和液態(tài)水,其次有二氧化碳、甲烷、一氧化二氮和塵埃等.云層能強烈吸收和散射太陽輻射,同時還強烈吸收地面反射的太陽輻射.云的平均反射率為0.50～0.55.
經(jīng)過大氣削弱之后到達地面的太陽直接輻射和散射輻射之和稱為太陽總輻射.就全球平均而言,太陽總輻射只占到達大氣上界太陽輻射的45％.總輻射量隨緯度升高而減小,隨高度升高而增大.一天內(nèi)中午前后最大,夜間為0；一年內(nèi)夏大冬小.
太陽輻射能在可見光線（0.4～0.76μm）、紅外線（＞0.76μm）和紫外線（＜0.4μm）分別占50％、43％和7％,即集中于短波波段,故將太陽輻射稱為短波輻射
地面輻射
地球表面在吸收太陽輻射的同時,又將其中的大部分能量以輻射的方式傳送給大氣.地表面這種以其本身的熱量日夜不停地向外放射輻射的方式,稱為地面輻射.
由于地表溫度比太陽低得多(地表面平均溫度約為300K),因而,地面輻射的主要能量集中在1～30微米之間,其最大輻射的平均波長為10微米,屬紅外區(qū)間,與太陽短波輻射相比,稱為地面長波輻射.
地面的輻射能力,主要決定于地面本身的溫度.由于輻射能力隨輻射體溫度的增高而增強,所以,白天,地面溫度較高,地面輻射較強；夜間,地面溫度較低,地面輻射較弱.
地面的輻射是長波輻射,除部分透過大氣奔向宇宙外,大部分被大氣中水汽和二氧化碳所吸收,其中水汽對長波輻射的吸收更為顯著.因此,大氣,尤其是對流層中的大氣,主要靠吸收地面輻射而增熱.
大氣逆輻射
大氣吸收地面長波輻射的同時,又以輻射的方式向外放射能量.大氣這種向外放射能量的方式,稱為大氣輻射.由于大氣本身的溫度也低,放射的輻射能的波長較長,故也稱為大氣長波輻射.
大氣輻射的方向既有向上的,也有向下的.大氣輻射中向下的那一部分,剛好和地面輻射的方向相反,所以稱為大氣逆輻射.大氣逆輻射是地面獲得熱量的重要來源.由于大氣逆輻射的存在,使地面實際損失的熱量比地面以長波輻射放出的熱量少一些,大氣的這種保溫作用稱為大氣的溫室效應(yīng).這種大氣的保溫作用使近地表的氣溫提高了約18℃.月球則因為沒有象地球這樣的大氣,因而,致使它表面的溫度晝夜變化劇烈,白天表面溫度可達127℃,夜間可降至-183℃.
地面有效輻射
地面和大氣之間以長波輻射的方式進行著熱量的交換,大氣對地面起著保溫作用.這種作用可用地面有效輻射(F0)表示:
F0=Fg-δEA
地面有效輻射就是地面輻射和地面所吸收的大氣逆輻射(δEA)之間的差值.通常,地面溫度高于大氣溫度,所以地面輻射要比大氣逆輻射強.
地面有效輻射的強弱隨地面溫度、空氣溫度、空氣濕度及云況而變化.
(1)根據(jù)輻射強度的關(guān)系,地面溫度增高時,地面輻射增強,如其它條件(溫度、云況等)不變,則地面有效輻射增大.
(2)空氣溫度高時,大氣逆輻射增強,如其它條件不變,則地面有效輻射減小.
(3)空氣中含有水汽和水汽凝結(jié)物較多,則因水汽放射長波輻射的能力比較強,使大氣逆輻射增強,從而也使地面有效輻射減弱.
(4)天空中有云,特別是有濃密的低云存在,大氣逆輻射更強,使地面有效輻射減弱得更多.所以,有云的夜晚通常要比無云的夜晚暖和一些.云被的這種作用,我們也稱為云被的保溫效應(yīng).人造煙幕所以能防御霜凍,其道理也在于此.