第2章 城市辐射特征辐射是影响区域气候最重要的因子。

一个地区由于所处的地理纬度已经决 定了其太阳辐射的天文总量。

在城市区域，由于受地表特征和大气污染城市效应的影响，接收的太阳直接辐射有别于同纬度的其它地区。

因此，了解城市区域辐射特征，建立城市太阳直接辐射的理论和模式，对城市区域气候和大气边界层的研究具有重要的意义。

2.1 太阳直接辐射基本原理地表和大气中接收到的太阳直接辐射能量，与地球大气上界的太阳直接辐射能及随时间的变化密切相关，这是地球上形成气候差异的基本因素。

2.1.1太阳高度的概念对于在地球上一个地点来说，太阳高度就是太阳入射光方向与地平线之间的夹角，用h 表示。

同一束阳光，直射地面时所照射的面积比斜射时小，并且，太阳直射时透过大气的路程较短，被大气吸收和散射程度较小。

因此，地面单位面积上所获得的辐射能量必定大于太阳光斜射的地方。

太阳直射与斜射的程度可以用太阳高度角来表示。

太阳高度很大程度上决定着地球表面获得太阳能量数量的多少，也是地球上形成四季和五带的重要因素，并且是大气运动和地球上一切生物能量的来源。

在大气科学、生命科学和环境科学等多学科中计算太阳辐射能量时，太阳高度是必须考虑的重要因素。

由天文学公式得太阳高度角h 与测点所在的纬度ϕ、太阳赤纬δ和当时的太阳时角0t 的关系式为0cos cos cos sin sin sinh t δϕδϕ+= （2.1） 或 0cos cos cos sin sin sinh cos t Z δϕδϕ+== （2.2）Z 为天顶角。

观测时的太阳时角0t ，为观测点经圈与太阳重合后，即当地正午，地球自转的角度，正午时刻时角为0，（当太阳在子午面时），此时太阳高度角记为h 0，一般可采用()δϕ--︒=900h 计算，在春分和秋分日（δ＝0）正午时的太阳高度为ϕ-︒=900h 。

太阳时角0t 一日之中变化π2，从-π到π对应0-24时，0t 的计算式为()12150-⨯=θt t （2.3）式中θt 为真太阳时，在太阳辐射的测量和计算时要考虑真太阳时，其计算式为()()()[]qs q qm E E E t t ＋时差－当地平太阳时－＝＋时差正当地平太阳时＋经度订＝时差日常时间平太阳时λλθ4+= （2.4） 其中λ为当地经度；λs 为当地标准时的经度（北京时ο120=s λ）。

上式的单位用分钟表示。

真太阳时＝真太阳时角＋12小时；平时（日常时间）＝平太阳时角＋12小时；当地平太阳时＝当地真太阳时－时差，北京时间＝当地平太阳时－经度订正。

时差的计算式为：0002sin 3619.92cos 3495.3sin 3515.7cos 4281.00172.0θθθθ---+=q E （2.5）()()度弧度36536036520dn dn⋅=⋅=πθ （2.6） dn 是按天数排列的序号，1月1日为0，1月2日为1，依次类推，平年12月31日为364，闰年12月31日为365。

赤纬δ是太阳与地球中心连线与赤道的夹角，一年在︒+5.23（夏至日，6月21-22日）到︒-5.23（冬至日，12月21-22日）之间变化，可用下式计算0002sin 000908.02cos 006758.0sin 070257.0cos 399912.0006918.0θθθθδ+-+-= （2.7）2.1.2地球大气上界的太阳直接辐射能地球大气上界的太阳直接辐射强度的计算公式为Z S S S cos sinh 00== （2.8）或 )cos cos cos sin (sin 200t R R S S δϕδϕ+⎪⎭⎫⎝⎛=- （2.9）式中0S ()201367-⋅=m W S 为太阳常数；0R 为日地平均距离，R 为某时刻的日地距离，它们比值的平方可由下式计算000202sin 000077.02cos 000719.0sin 001280.0cos 034221.0000110.1θθθθ++++=⎪⎭⎫⎝⎛R R （2.10） 式中0θ的计算同（2.6）式。

在气候学、环境物理和环境生态学研究中，需要研究太阳辐射的日总量、月总量或更长时期的总量，因此需要对（2.8）或（2.9）进行时间的积分。

太阳高度取决于纬度、赤纬和时角，为便于讨论太阳高度角随时间和空间的分布情况，统一取正午时刻的太阳高度来进行。

在气候学中也有用平均太阳高度的。

平均太阳高度公式为⎰⎰+-+-=sinh sinh t t t t dtdt（2.11）式中00t t +--为从日出到日落的时间长度。

2.1.3日出与日落时刻在人类直觉感觉上，每日太阳自东向西运行，当太阳自地平线升至地平线以上时，成为日出；自地平线以上落至地平线以下称为日落。

日出与日落包括时刻和方向两个方面。

日出时刻和日落时刻就是指日出和日落的瞬间。

从日出到时刻到日落时刻之间的时数为昼长时数。

计算日出和日的落瞬时时刻，须先求日出和日落时刻的太阳时角。

它决定于太阳赤纬δ与测点的纬度ϕ。

在日出和日落的时刻，太阳高度角︒=0h 。

由（6.1）式0cos cos cos sin sin 0sinh t δϕδϕ+==则有 δϕtg tg t -=0cos （2.12） 从（2.1）还可得到太阳方位角得表达式为coshsin cos sin 0t δω=上式中ω是太阳方位角，从正南算起，东为－2π，西为2π。

（2.12）为可照时间公式。

由（2.12）得出，时角t 随地点()ϕ与季节()δ而变化。

例如，在春（秋）分日，0=δ全球各地t 都等于2π±，即日、夜等长；而夏至日︒=5.23δ，在︒=5.66ϕ时，π±=0t ，也就是说在北极圈内全天太阳不落。

因为（2.12）式余弦为偶函数，所以0t 有正、负值。

0t -为日出时角，日出时刻为012t h -；0t +为日落时角，日落时刻为012t h +。

02t 为昼长时数。

当0t -<t <0t 时，（2.12）才具有意义。

根据（2.12）式，在ϕ>0︒，δ>0︒的范围内，0cos t 的值是负值，也就是0t >90︒，日出在午前6时以前。

因此，在北半球（ϕ>0）从春分到秋分期间（δ>0），日出在午前6时以前，日落在午后6时以后。

同理，在ϕ<0︒，δ<0︒时，即在南半球从秋分到来年春分期间，也具有同样情况。

当ϕ>0︒，δ<0︒或ϕ<0︒，δ>0︒时，则0t <90︒，日出在午前6时以后，日落在午后6时以前。

日出日落时刻随纬度和季节而不同，在赤道上︒=0ϕ，则︒==90,0cos 00t tδ不论如何变化，︒t 都为此值。

也就是说，赤道上一年中任何季节日出和日没时间都是午前6时和午后6时。

自赤道至极圈的地带，全年有日出日落现象，而其出没时间因季节而变化。

一年内最早与最迟的日出时刻与日落时刻相差的时数随纬度增加而增加。

在赤道为0时，极圈上为12时。

自极圈至两极一年内只有在以春秋分为中心的春秋期间有日出日落现象。

其期间的长短，随纬度的增加而缩短。

在南被两极只有以年为周期的昼半年和夜半年，而无以天为周期的昼夜交替。

所以，在南北两极一年内只有一次日出和日没。

北极的日出发生在春分，日落发生在秋分。

南极的日出发生在秋分，日落发生在春分。

在春秋分时，太阳位于天赤道，直射地球赤道。

因此，︒==90,0cos 00t t ，全球各地的日出时刻都是上午6时，日落时刻都是下午6时。

在夏至日，太阳位于天赤道以北23︒27'，日出时刻北半球早于上午6时；南半球迟于上午6时，日落时刻北半球迟于下午6时，南半球早于下午6时，见表2.1。

表2.1 冬夏至日出日落时刻（引自张惠民，1987）[4]自春分到夏至或自冬至到来年春分，太阳直射点由赤道逐日向北移到北回归线或从南回归线逐日向赤道移动，北半球的日出时刻和南半球的日落时刻逐日提早，南半球的日出时刻和北半球的日落时刻逐日延迟。

自夏至到秋分或从秋分到冬至，太阳直射点由北回归线逐日向南移到赤道或从赤道逐日向南回归线移动，北半球的日出时刻和南半球的日落时刻逐日延迟，南半球的日出时刻和北半球的日落时刻逐日提早。

上面讨论都是以太阳是一个发光点和不考虑大气的影响下的结果。

实际上，我们从地球表面看太阳时，太阳并不是一个点，而是一个球。

因此，日出时刻是指太阳上部边缘与地平线相切的瞬间，日落时刻是指太阳下部边缘与地平线相切的瞬间。

由于大气的折射作用，地平线附近的天体比实际高约34'。

因此，在考虑了太阳视半径和大气折射后，所得日出和日落时刻，都比未经过太阳视半径和大气折射订正而求得的时刻要早或迟些。

表4.3为考虑了必要的修正后的冬夏至日的日出和日落时刻。

表2.2 修正后的冬夏至日的日出和日落时刻（引自张惠民，1987）[4]2.1.4 日出和日落方位角太阳高度角h 和方位角α的计算式为0cos cos cos sin sin sinh t δϕδϕ+=coshcos sinhsin sin cos ϕϕδω-=（2.13）日出、日落时的方位角即为太阳高度角h=0时刻的方位角，如不考虑太阳视半径和大气折射的影响，则上式为ϕδωcos sin cos 0=（2.14） 由（2.14）可见，已知太阳的赤纬δ和测点的纬度ϕ，即可计算日出、日落时的方位角ω0。

在北半球的春（秋）分日时，即δ=0（太阳赤纬，为日地中心连线与赤道平面的夹角，在夏至时，δ=23︒27'，在冬至时，δ=-23︒27'），则0cos 0=ω，因而，ωE =90︒和ωW =270︒，即日夜等长，太阳从正东方升起，到正西方落下。

在春分日以后到秋分日之前，日出、日落点都从正东、正西向北偏；在秋分日后到来年春分日前，日出、日落点都从正东、正西向南偏。

日出点对于正东的偏角，称为日出幅角，北偏为正，南偏为负。

日落点对于正西的偏角，称为日落幅角，北偏为正，南偏为负。

任何地点在任何日期的日出幅角与日落幅角，偏向相同，偏角相等。

2.2 城市太阳直接辐射基本原理 2.2.1 影响城市日照的因素由于城市下垫面建筑特征，城市日照特性与郊区有显著的差异，既是在城市开阔区域与同纬度同季节的平原郊区比较，其日照时间也小于空旷的郊区。

由于城市建筑的遮蔽作用，城市区域日照的局地性差异远比平坦开阔的郊区大。

通常把在没有云雾遮蔽太阳的情况下，从日出到日落的全天可能受到太阳照射的时间称为可照时间。

而把可照时间减去受云雾遮蔽影响的时间的日照时间称为实照时间，简称为日照。

因此，实照时间总是小于或等于可照时间。

在开阔平地，在研究区域没有高于测点的物体或建筑物遮挡，其每天的可照时间只与地理纬度和太阳赤纬有关，可以根据一般的天文学公式计算，而实照时间还要受云雾和天气的影响。