[科普中国]-散射辐射

简介

散射辐射是太阳光经大气层中的空气分子、云滴和气溶胶的散射作用(天空散射)以及地表漫反射(地面散射)等形成的。

散射辐射是到达地面太阳辐射中的重要组成部分，它除受太阳高度角影响之外，对大气中云、气溶胶、水汽含量以及地表状况等因子的变化异常敏感。Klein(1977年)指出，在北半球冬季的晴天，到达阳坡的太阳辐射是相同坡度阴坡的3倍，而在阴天时到达阴坡与阳坡的太阳辐射几乎相等.散射辐射随着云量、气溶胶粒子的增加亦有增加的趋势。

此外，散射辐射的变化与植物的光合作用又有着密切的关系，从而影响生态系统的碳源状况。尤其是自工业革命以来，日趋严重的大气污染，大气成分含量的改变，气溶胶粒子增加等环境问题的出现对散射辐射带来了很大的影响，已经引起国内外学者的高度重视.国外对散射辐射研究的报道较多.而我国对散射辐射的研究大多为短期或不连续观测。1

背景知识太阳辐射是地球表层能量的主要来源，是促进地球上的水、大气、生物活动和变化的主要动力，是天气和气候形成的基础.太阳辐射在穿越大气层时，由于受到大气中空气分子、云以及气溶胶粒子等的吸收、反射和散射作用，使到达地面的太阳辐射有了明显的减弱.到达地面的太阳辐射是由直接辐射和散射辐射两部分组成。以平行光的形式到达地面的太阳辐射称直接辐射，经过大气散射后到达地面的太阳辐射为散射辐射。

特征基本特征（1）散射辐射的日变化：一天中，由于总辐射随太阳高度角的升高而增大.因此，散射辐射随太阳高度角的升高也呈增加趋势，晴天时散射辐射日变化的最高值通常出现在太阳高度角最高的正午左右。

（2）散射辐射的变化除了受晴空指数影响之外，也与太阳高度角有关.通常，太阳高度角增大时，到达近地面的散射辐射也相应地增强.相反，太阳高度角较低时，散射辐射也弱。

（3）散射辐射具有年变化规律。

青藏高原散射辐射特征（1）青藏高原高寒草甸生态系统的散射辐射日最高值出现在午后，比低海拔地区滞后;散射辐射的年最高值出现在4月。

（2）晴空指数的变化对散射辐射有较大影响.当日晴空指数在0. 45左右时，散射辐射占大气外界太阳辐射日总量的比例最高，即对散射辐射的贡献最大，晴空指数过高或过低的情况下散射辐射反而减弱.日晴空指数大于0. 3时，散射辐射占总辐射日总量的比例随晴空指数的增加而线性降低。

（3）散射辐射随太阳高度角升高而增大，但在不同的晴空指数下其增加速率不同，晴空指数在。. 3 ^-0. 7范围时散射辐射随太阳高度角的变化较快。1

影响因子散射辐射主要受太阳高度角和大气透明度的影响.通常，散射辐射随着太阳高度角的增高而增加.而大气透明度主要受云、水汽和气溶胶的影响，对散射辐射的影响比较复杂，并不是简单的增加与降低关系。

晴空指数云体中的水滴、冰晶是影响散射辐射的直接因子.关于这方面的研究报道已经很多，但是由于目前云的观测主要是定时目测，而且高原上的云瞬息万变，很难准确地对其进行定量化.而晴空指数能够很好地反映云的变化状况，是定量探讨天空状况对散射辐射影响的理想参数.高原上空大气中尘埃较少，太阳辐射穿过地球大气的路径也较短，因此晴朗少云的天气，晴空指数较高，高原上的散射辐射比同纬度低海拔地区要低.然而高原上温度变化剧烈，特别是在植物生长季节的5-9月之间，空气中水汽含量较高，午后容易形成热对流，为云的形成提供了条件，尤其是青藏高原东北部地区云量夏季最多，春季次之，秋冬季最少。

太阳高度角与大气质量散射辐射的变化除了受晴空指数影响之外，也与太阳高度角有关.通常，太阳高度角增大时，到达近地面的散射辐射也相应地增强.相反，太阳高度角较低时，散射辐射也弱.但在不同的晴空指数条件下，散射辐射随太阳高度角变化的速率不同。

散射辐射随太阳高度角的增加而增大。不同天空状况下散射辐射随太阳高度角的变化.不同的晴空指数，散射辐射随太阳高度角变化的速率有很大差异.随着太阳高度角的升高，散射辐射对晴空指数的变化较敏感.在晴空指数大于0. 7时，高原上散射辐射随太阳高度角的变化比低海拔地区缓慢。高原上散射辐射的变化主要集中在大气质量小于4的范围内，且随大气质量的增加而迅速降低，当大气质量超过4时，散射辐射变化就比较小了。1

变化趋势年曝辐量分布散射辐射年曝辐量的分布是低纬地区大于高纬地区，低海拔地区大于高海拔地区，西部干燥区大于东部湿润区。其高值区位于我国东、南部地区，超过700kWh/m2，主要是由于云和气溶胶较多，高值中心主要出现在两广丘陵、上海周边、湖北及四川盆地，超过900kWh/m2。青藏高原空气洁净、空气分子散射弱，但由于该地区海拔高，总辐射量多，散射辐射也相对较多。在纬度较高的45°N以北地区，散射辐射普遍较少，年曝辐量最低不足400kWh/m2。

中国变化趋势散射辐射的趋势在全国各区均有上升和下降的站点。但广州、上海、天津、沈阳、济南、郑州、哈尔滨这些主要大城市都呈上升趋势援。据有关研究，可能与城市化发展尧气溶胶增多导致散射辐射增多有关（这可能与城市化发展的快慢导致大气污染和气溶胶增减有关）。而散射辐射下降比较明显的分布在西北、青藏高原的一些中小城市，但是有些大城市，如北京、武汉、成都、兰州、乌鲁木齐、杭州、南京等这些大城市散射辐射略有减少，可能与近期该地区大气环境改善有关。2

散射辐射模型研究发展阶段通过散射辐射模型来合理地计算散射辐射．太阳散射辐射模型方面的研究可分为三个阶段：

第一阶段模型以各向同性散射辐射模型为主，无法适用于多云天及晴天的天气状况，以为Liu和Jordan模型为代表。

第二阶段模型以在各向同性散射辐射模型基础上进行各种修正得到的各向异性散射辐射模型为主，一般是在第一阶段各向同性模型的基础上作修正以适应多云天及晴天的天气状况，其中较为典型的有Temps、和Coulson模型、Klucher模型Cn7、Hay模型、Skartveit和Olseth模型、Reindl模型。这一阶段模型虽然形式相对简单，具有一定的实用价值，但由于只是在各向同性模型基础上进行修正，其物理意义不明确，准确性相对较低。

第三阶段模型采用构建散射辐射微元后积分求解的方法，其中Gueymard模型、Muneer模型都是在Steven和Unsworth模型基础上发展而来的，而Steven和Unsworth模型是通过Moon和Spence:模型进行积分求解得到的，其核心指标是亮度（辐射）分布指数对计算结果的准确性影响较大。Perez模型则是按辐射强度及立体角定义构建的，将太阳散射辐射分解为环日散射辐射、天边散射辐射、天顶散射辐射三个区域，并假设各区域内是各向同性的，在此基础上对这三个区域分别进行积分求解，但该模型中的天顶散射辐射区域实际上并不是各向同性的，众多实测结果和研究表明与太阳所在位置呈90°夹角的区域存在明显的散射辐射削弱（该区域对应的散射辐射以下简称为正交散射辐射）。

几种模型精度比较通过对既有散射辐射模型的分析，结合太阳辐射实测数据，建立了各向异性散射辐射新模型，其后从天气类型、朝向、季节和倾角等方面对新模型及既有模型的精度进行了对比分析。

(1)对天气类型的研究表明，阴天或多云时，Klucher模型、Hay模型、Skartveit和Olseth模型与实测值较为吻合;晴天时，Perez模型和NADR模型的计算值与实测值更接近.对典型天气的分析表明:阴天时除Temp、和Coulson模型的计算值略大于实测值外，其余模型的计算值与实测值基本吻合，且都与各向同性的Liu和Jordan模型计算值较为接近。

(2)对朝向的研究表明，对于东向和北向，Perez模型和NADR模型较为准确;对于南向和西向，Liu和Jordan模型、NADR模型较为准确.对晴天典型朝向的分析表明Liu和Jordan模型、Temp、和Coulson模型、Klucher模型和Uueymard模型的计算值一般均大于实测值;Hay模型、Skartveit和Olseth模型、Reindl模型和Muneer模型在无直射的情况下，其计算值趋近于0或等于0，与实测值存在明显偏差;而Perez模型和NADR模型的计算值与实测值误差最小。

(3)对季节的研究表明，夏秋季时，Perez模型和NADR模型较为准确;秋冬季时，Iiu和Jordan模型、NADR模型较为准确。

(4)对于倾角的研究表明，不同倾角，Klucher模型都能与实测值较为吻合;对于30。倾角，Hay模型、Skartveit和Olseth模型与实测值较为吻合;对于45。倾角，Temp、和Coulson模型与实测值较为吻合;对于60°和90°倾角，NADR模型与实测值也较为吻合.此外，各类散射辐射模型在计算倾角较小的倾斜而散射辐射精度优于倾角较大的情况.对晴天南向不同倾角散射辐射的分析表明:除Gueymard模型在倾角较大时误差较大外，其余模型的计算值与实测值相差不大。

(5)对天气、朝向、季节和倾角等多因素的综合考虑表明Temp、和Coulson模型、Uueymard模型准确性相对较低，而NADR模型的准确性最高.太阳散射辐射主要影响因素是晴空指数和太阳高度角，适用于晴空指数分布及地理纬度与上海相近的地区，如江苏南部(苏州、无锡等)、安徽、河南、湖北、浙江、江西北部、湖南北部。3

散射辐射的测量方法要进行散射辐射的影响研究, 首先要对太阳辐射的散射辐射比例DFR(diffuse radiation fraction)进行准确的观测或估算。目前, 主要有直接测量与模型估算两种方法计算DFR。

直接测量法直接测量DFR的传感器多是利用特殊的遮光装置, 将直射光全部遮挡, 然后测量散射光。散射辐射的测定仪器有比较简易的散射辐射表和灵敏度较高的BF3、SPN1传感器。由于仪器遮光装置不仅遮挡太阳的直接辐射, 同时还遮挡了遮光方向的天空散射, 使得观测的散射辐射较实际偏小。因此,必须乘以一个大于1的遮光环订正系数才能得到准确的散射辐射(中国气象局, 2007)。利用BF3传感器观测发现, Blodgett Ameriflux森林站下午冠层的散射光合有效辐射(photosynthetically available radiation,PAR)在总PAR中所占的比例要高于上午, 下午平均散射PAR较上午高22%。

模型估算法在没有进行散射辐射直接测定的地区, 一般利用散射辐射分割模型估算。模型输入变量一般为云量、经纬度、日照时数、太阳高度角、空气温度、相对湿度和晴空指数等气象参数。其中, 以晴空指数(clearness index, 也称晴空因子) kt和太阳高度角(θ)为输入变量的散射辐射分割模型精度较高, 并且变量获取方便, 利于连续观测, 从而被广泛应用于大气科学研究。kt是描述大气对太阳短波辐射影响的一个综合参数, 不仅反映了到达地面的太阳辐射强度, 还能够反映太阳辐射穿越大气时的大气状况和太阳辐射受到的影响。利用kt可以区分晴空和多云天气, 间接地反映太阳总辐射以及DFR的变化。总PAR随kt呈线性增加, 而散射PAR的比例随kt的降低而升高, 并在0.4–0.5时达到最大, 而后随kt降低而减小,呈非线性相关关系。

当云层不是连续分布时, 由于“云隙效应”的影响, 利用kt估算的DFR值偏小。自Liu和Jordan (1960)开始, 已经建立了许多DFR与kt的经验关系。Iqbal(1980)在Bugler (1977)工作的基础上, 提出了估算散射辐射的两个模型因子: kt和θ, Skartveit和Olseth(1987)利用这两个因子建立了散射辐射分割模型。Reindl等(1990)基于北美和欧洲站点采集的22000个逐时观测值研究了小时尺度上气候和几何变量对DFR(可见光和近红外光)的影响, 并用逐步回归法从28个潜在影响因子中选出了4个显著的影响因子: kt、θ、气温和相对湿度, 据此构建了水平地面的散射辐射分割模型。

散射辐射直接观测的技术还有待改进以消除遮光装置的影响, 尽管如此, 目前该方法仍被认为是最准确的方法, 用以标定散射辐射模型估算的结果。不同地区、不同环境条件以及不同时空尺度下可用不同的散射辐射分割模型估算散射辐射。在冠层尺度上, 不仅要考虑各种环境因子的影响, 还需考虑地势的影响。区域至全球尺度上的监测, 除了利用多个观测站点的观测数据与散射辐射分割模型估算外, 最好的方法是利用卫星遥感技术观测AOD和云层变动进行反演。然而, 目前的遥感模型大都基于AOD, 没有同时考虑云层变动等其他因子的影响。4

散射辐射与直射辐射太阳的直接辐射就是通过直线路径从太阳射来的光线，它被物体遮挡时，能在物体背后形成边界清晰的阴影。而散射辐射则是经过大气分子、水蒸气、灰尘等质点的反射，改变了方向的太阳辐射。它似乎从整个天空的各个方向来到地球表面，但大部分来自靠近太阳的天空。太阳的散射光线如同阴天和雾天一样，不能被物体遮蔽形成边界清晰的阴影，也不能用凸透镜或反射镜加以聚焦或反射。

太阳辐射的总辐射强度是直接辐射强度和散射辐射强度的总和。直接辐射强度与太阳的位置以及接收面的方位和高度角等都有很大的关系。散射辐射则与大气条件，如灰尘、烟气、水蒸气、空气分子和其他悬浮物的含量，以及阳光通过大气的路径等有关。一般在晴朗无云的情况下，散射辐射的成分较小；在阴天、多烟尘的情况下，散射辐射的成分较大。 散射辐射的强度通常以和总辐射强度的比来表示，不同的地方和不同的气象条件，其差异很大，散射辐射强度一般占到总辐射强度的百分之十几到百分之三十几。