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1、根据日期、时间和当地经纬度计算太阳天顶角和方位角的原理 2012-07-1611:25:57
2、 分类:精华文章(转)
3、 标签:太阳天顶角 方位角 太阳赤纬 平均太阳时 太阳方位角
4、字号大中小 订阅转载中国气象科学研究院王炳忠研究员编写的《太阳辐射计算讲座》。 在开展野外试验的时候,经常需要知道当时的太阳天顶角和方位角,比如测量地物反射率时,需要知道太阳天顶角,来选择恰当的灰板反射率曲线。进行地物BRDF测量时,更需要知道太阳天顶角。太阳天顶角和方位角可以通过经纬仪实地测量得到,但是经纬仪携带不便。只要知道当地经
5、纬度和时间,就可以根据下文的原理,计算得到当时当地的太阳天顶角和方位角。1日地距离 地球绕太阳公转的轨道是椭圆形的,太阳位于椭圆两焦点中的一个。发自太阳到达地球表面的辐射能量与日地间距离的平方成反比,因此,一个准确的日地距离值R就变得十分重要了。日地平均距离R0,又称天文单位,1天文单位=1.496×108km或者,更准确地讲等于149597890±500km。日地距离的最小值(或称近日点)为0.983天文单位,其日期大约在1月3日;而其最大值(或称远日点)为1.017天文单位,日期大约在7月4日。地球处于日地平均距离的日期为
6、4月4日和10月5日。 由于日地距离对于任何一年的任何一天都是精确已知的,所以这个距离可用一个数学表达式表述。为了避免日地距离用具体长度计量单位表示过于冗长,一般均以其与日地平均距离比值的平方表示,即ER=(r/r0)2,也有的表达式用的是其倒数,即r0/r,这并无实质区别,只是在使用时,需要注意,不可混淆。 我们得到的数学表达式为 ER=1.000423+0.032359sinθ+0.000086sin2θ-0.008349cosθ+0.000115cos2θ(1)式中θ称日角,即θ=2πt/365.2422(2)这里t
7、又由两部分组成,即t=N-N0(3)式中N为积日,所谓积日,就是日期在年内的顺序号,例如,1月1日其积日为1,平年12月31日的积日为365,闰年则为366,等等。 N0=79.6764+0.2422×(年份-1985)-INT〔(年份-1985)/4〕(4)2太阳赤纬角 地球绕太阳公转的轨道平面称黄道面,而地球的自转轴称极轴。极轴与黄道面不是垂直相交,而是呈66.5°角,并且这个角度在公转中始终维持不变。正是由于这一原因形成了每日中午时刻太阳高度的不同,以及随之而来的四季的变迁。太阳高度的变化可以从图1中形象地看到。图中日
8、地中心的连线与赤道面间的夹角每天(实际上是每一瞬间)均处在变化之中,这个角度称为太阳赤纬角。它在春分和秋分时刻等于零,而在夏至和冬至时刻有极值,分别为正负23.442°。 图1地球绕太阳运行轨迹 由于太阳赤纬角在周年运动中任何时刻的具体值都是严格已知的,所以它(ED)也可以用与式(1)相类似的表达式表述,即: ED=0.3723+23.2567sinθ+0.1149sin2θ-0.1712sin3θ-0.758cosθ+0.3656cos2θ+0.0201cos3θ(5)式中θ的含义与式(1)中的相同。3时差 真正的太阳
9、在黄道上的运动不是匀速的,而是时快时慢,因此,真太阳日的长短也就各不相同。但人们的实际生活需要一种均匀不变的时间单位,这就需要寻找一个假想的太阳,它以均匀的速度在运行。这个假想的太阳就称为平太阳,其周日的持续时间称平太阳日,由此而来的小时称为平太阳时。 平太阳时S是基本均匀的时间计量系统,与人们的生活息息相关。由于平太阳是假想的,因而无法实际观测它,但它可以间接地从真太阳时S⊙求得,反之,也可以由平太阳时来求真太阳时。为此,需要一个差值来表达二者的关系,这个差值就是时差,以Et表示,即S⊙=S+Et(6) 由于真太阳的周年视
10、运动是不均匀的,因此,时差也随时都在变化着,但与地点无关,一年当中有4次为零,并有4次达到极大。时差也可以以式(1)相似的表达式表示: Et=0.0028-1.9857sinθ+9.9059sin2θ-7.0924cosθ-0.6882cos2θ(7) 上面,我们给出了3个计算式,从形式上讲,它们与一般书籍中给出的并无不同。我们之所以又重新研究它,是因为以往的公式存在以下的通病:①对平年和闰年不加区分,一方面,这对闰年就不好处理,另一方面,闰年的影响有累计效应,会逐步增长;②即使是从当年天文年历查到的数值,也是格林尼治经度处
11、0点时刻的数值,而我们所需要的数值,会因所在地点的地理经度以及具体时刻与表值有异而不同。具体地讲,一般要进行如下3项订正: (1)年度订正:除非我们只用当年的天文年历值,此外均需使用此项订正,引入此项订正的原因就是一回归年的实际长度不是365日,而是365.2
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