西安地区雾霾对太阳辐射量的影响研究

刘耀武 ，严祥安，任博权，段宝睿

(西安工程大学 理学院，陕西 西安 710048)

西安地区雾霾对太阳辐射量的影响研究

刘耀武 ，严祥安*，任博权，段宝睿

(西安工程大学 理学院，陕西 西安 710048)

针对雾霾天气对太阳辐射量的影响问题，采用控制变量法对西安地区2016年的空气质量指数和太阳辐射数据进行定性分析，并将计算得到的日直接辐射量和散射辐射量，分别与空气质量指数进行对比分析。结果表明，在排除云雨等影响的情况下，随着空气质量指数的增大(雾霾越严重)，西安地区的辐射日总量和直接辐射量减小，散射辐射量先增大后减小。分析结果为太阳辐射量的计算模型提供了优化途径，为太阳能资源的利用提出了相应的建议。

雾霾；太阳辐射量；空气质量指数；直接辐射；散射辐射

太阳辐射量在很大程度上要受到阴雨和云层的影响，文献[1]指出地理气候因素，大气中的气溶胶、水气等对于太阳辐射均有显著作用，但在诸多影响太阳辐射的因素中，云量对于太阳辐射的影响最大[2]。在进行太阳辐射量计算时，针对不同天气和云层变化建立了许多不同的模型，包括启发式模型、粒子系统模型、分形几何模型、基于图像处理的模型和基于流体扩散的物理模型[3-6]等。这些模型考虑云层的运动以及对太阳辐射的遮挡情况，根据大量的辐射数据来确定经验参数，能够较准确的得到地表水平面接收到的辐射量。

但近年来频繁出现雾霾天气，除了对人体呼吸道造成直接伤害以外[7]，对人类正常的生产生活也造成了极大的不便[8]。在没有云和雨的雾霾天，大气能见度很低，显然对于地表水平面接收到的辐射量是有影响的[9]，此时传统辐射计算模型得到的辐射量会显著偏大。为了完善辐射计算模型，分析雾霾对于日常生活、农作物生长和太阳能资源利用等造成的影响，研究雾霾对于太阳辐射的影响具有重要意义。

本文以西安地区为例，对晴空下的雾霾程度和总辐射量进行了定性的分析，然后计算得到直接辐射和散射辐射数据，通过对比，得出辐射量受空气质量指数影响的变化规律。对于辐射量的计算以及雾霾的防治，给出相应的建议。

1 雾霾的简介

雾和霾是自然界的两种天气现象，两者的区别比较大，霾是空气中的灰尘、硫酸、硝酸等颗粒状物质组成的气溶胶物质系统，这种系统会对人类造成视觉障碍。当空气中水汽较多时，某些吸水性强的干气溶胶粒子会吸水、长大，并最终活化成云雾的凝结核，产生更多、更小的云雾滴，使能见度进一步降低，当能见度低于 1 km 时被定义为雾，当能见度在1 km到10 km之间时称为轻雾[10]。

气象数据中选用空气质量指数(Air Quality Index ，AQI)来表征雾霾的严重程度，AQI是定量描述空气质量状况的无量纲指数。它反映了空气的污染程度，AQI数值越大，表征空气中细颗粒物、可吸入颗粒物、二氧化硫、二氧化氮、臭氧和一氧化碳的浓度越高，此时雾霾越严重，对人体健康的危害也就越大。

西安地处关中平原，位于黄土高原和秦岭之间，在地理上形成了“盆地”，导致空气中的悬浮颗粒物很难及时排出。加上近年来西安的经济飞速发展，各类污染物的排放量急剧增加，城市内部的高大建筑阻碍了空气的流通。人类的频繁活动使市区气温升高，尤其是冬季供暖，导致降雪降雨减少，使得各类颗粒物难以在地面沉积。所以我们看到了近年来西安地区冬季经常出现雾霾天气，空气质量指数居高不下。

2 雾霾对日总辐射量的影响

2.1太阳辐射的介绍

太阳对于地球上万物的重要性不言而喻，对于太阳能资源的研究具有重要意义。我们把地球上垂直于太阳光方向单位面积上接收到的能量称为辐照度。到达地表水平面的太阳辐照度，由大气层上界的太阳辐照度和大气层中的辐射损耗共同决定，辐射量是辐照度在一段时间内的积累，对辐射量的研究更具有实际意义。

图1 太阳辐射模型

太阳辐射模型如图1所示，到达地球大气层上界的日总辐射量H0，经过大气层中各种微粒和云层的反射、散射、吸收以后，到达地表水平面的日总辐射量为H，H的大小要受到空气中各种微粒和云层的影响，雾霾天气空气中的悬浮粒子显著增加，可以猜想雾霾对辐射量有着较大的影响。

2.2数据来源及筛选

选取雾霾较为严重的西安地区，结合气象数据和辐射数据进行分析。辐射数据来自于泾河气象台站地表水平面的辐射日总量记录，西安气象台站(东经108.93度，北纬34.3度)于2005年12月31日迁到泾河气象台站(东经108.97度，北纬34.43度)，两站的直线距离为16 km，海拔高度差12.5 m，符合气象资料合并使用的条件。

取最新的2016年的气象数据和辐射数据进行分析，西安地区每年的雾霾天气集中在1月、11月和12月。为了排除云层遮挡和阴雨天对辐射量造成的影响，只选取这三个月中的“晴”、“霾”和“霾-晴”三种天气，筛选以后符合要求的天气共有44天，相应的气象数据和辐射数据见表1。

2.3空气质量指数与总辐射量的分析

从表1中数据可以看出，1月下旬的气温偏低，11月上旬的气温偏高，其他时间的温度基本在-5 ℃到15 ℃之间，考虑到气温对于太阳辐射量并没有显著的直接影响，这里忽略温度造成的辐射量差异。用表中的数据，作出空气质量指数和辐射日总量随日期的变化曲线，如图2所示。可以看出，辐射日总量变化曲线的变化趋势与空气质量指数变化曲线的变化趋势基本相反，即雾霾越严重的时候，到达地表的太阳辐射越弱。比如1月中下旬，空气质量指数达到最小值，基本在100以内，相应的辐射日总量达到最大值，甚至超过了16000 KJ/m2。而12月20日时，空气质量指数达到了457，属于严重雾霾天气，当天的辐射日总量仅有100 KJ/m2。

图2 西安部分日期空气质量指数和辐射日总量变化曲线

日期气温/℃天气空气质量指数(AQI)水平面辐射日总量/KJ·m-2日期气温/℃天气空气质量指数(AQI)水平面辐射日总量/KJ·m-21月1日-1～12霾143985011月30日1～14晴125137701月2日1～12霾340982012月3日1～13霾～晴170107801月3日1～9霾326835012月4日2～16晴112135901月4日2～10霾～晴375631012月5日0～14晴145130101月13日-4～3晴1331168012月6日-1～11晴114137201月14日-4～6晴881445012月8日1～12晴249119901月17日-3～7晴991261012月9日2～9霾25780901月18日-5～4晴731483012月10日2～9霾22683701月23日-13～0晴921470012月11日2～8霾21188101月24日-12～-2晴541722012月14日-2～8霾31756701月25日-10～1晴931622012月15日-1～10霾247107201月26日-6～2晴1371523012月16日-1～10晴1871232011月3日7～19晴2261262012月17日0～11霾258990011月4日8～20霾2151469012月18日2～10霾342932011月5日9～20霾2391293012月19日0～10霾416602011月16日8～15霾268555012月20日2～7霾45710011月17日7～13霾322597012月22日-1～9晴1101237011月18日6～17霾248413012月26日-2～7晴741100011月19日4～15霾～晴195713012月27日-3～7晴801420011月23日-3～2晴491119012月28日-1～5晴951174011月26日1～12晴1511361012月30日-2～6晴251964011月29日1～11霾160722012月31日-1～8霾3528870

观察空气质量指数的变化趋势，发现在1月13日、11月23日和12月22日三处附近，空气质量指数出现大幅下降的情况。结合气象数据了解到这三天之前均有降雪，说明降雪对于消除雾霾和空气中的其他污染物有着显著的作用，雪后的太阳辐射量提升明显。建议在光伏发电系统中及时进行积雪清理，在消除雾霾方面可以考虑使用人工降雪。

3 雾霾对直接辐射和散射辐射的影响

3.1直接辐射和散射辐射的计算

当ωs<81.4°时：

(1)

当ωs≥81.4°时：

(2)

考虑日地距离的变化时，H0可用下式(3)表示：

(3)

式中Isc为太阳常数，取1367 W/m2，ωs为日出日落时角、φ为当地纬度、δ为赤纬角、γ为日地距离变化引起的大气层上界太阳辐照度变化的修正值，可用(4)式求出：

(4)

N为积日，即一年中的日期序号。太阳对地位置的计算，赤纬角δ和时角ω采用王炳忠研究员的算法[12]，高度角和方位角的计算如下[13]：

高度角：sinα=cosφcosωcosδ+sinφsinδ

(5)

(6)

ωs为日出、日落时角，此时太阳高度角为0，代入(5)式中可得

cosωs=-tanφtanδ

(7)

综上所述，在已知地表水平面的日辐射量H后，将相应的地理参数和日期代入，即可算出直接辐射和散射辐射数据。

3.2直接辐射量和散射辐射量变化趋势分析

根据计算得到所选取日期的日直接辐射量和散射辐射量，将直接辐射和散射辐射的变化分别与空气质量指数的变化进行比较，如图3和图4所示。

图3 空气质量指数和直接辐射量的变化曲线

图4 空气质量指数和散射辐射量的变化曲线

结合图2和图3可以看出，在筛选的特殊天气情况下，直接辐射量变化曲线跟总辐射量变化曲线基本一致，其变化趋势均与空气质量指数变化趋势相反。说明当空气质量指数增加的时候，空气中悬浮的微尘和颗粒物也增加，使直接照射的太阳光难以透过，直接辐射量相应的减少。

从图4可以看出，两条曲线的变化趋势大体上一致，说明当空气质量指数越大时，也就是雾霾越严重时，散射辐射量反而会增加。仔细观察发现，两条曲线的变化趋势在某些地方也存在着比较大的差异，比如在12月20日，空气质量指数达到最大值时，散射辐射量最小。说明当空气质量指数达到一定数值时，散射辐射量不再随着该指数的增加而增加，反而会迅速减小。

原因是形成雾霾天气的污染物颗粒以及干气溶胶粒子，对各个波段的太阳光既有吸收作用也有反射作用，且反射的次数越多，太阳能返回太空和反射损耗掉的越多。在空气质量指数较小，微粒浓度较低的时候，直接辐射比较强，散射辐射相对较弱。随着空气质量指数的增加，微粒浓度也增加，此时反射的次数增加，部分直接辐射的能量转化为散射辐射，所以散射辐射量呈现增加的趋势，又因为吸收作用的加剧，所以总辐射量和直接辐射量均减少。当微粒浓度增加到一定程度时，散射辐射量达到最大值，继续增加微粒浓度会让吸收作用更强，能反射的光却越来越少，故散射辐射量迅速下降。

针对雾霾对于太阳辐射的负面影响，以及对于人体健康和日常生活的危害，采取有效的措施来进行雾霾防治越来越重要。从长远的角度来看，改变能源结构，大力发展风力发电、太阳能发电等，具有重要意义。

4 结语

本文以西安地区为例，分别分析了晴空下雾霾对于太阳辐射日总量、日直接辐射量和日散射辐射量的影响。得出结论：当雾霾越严重时，直接辐射量和总辐射量均会显著减少，散射辐射量则呈现先增加后减少的趋势。定性分析的结果，为太阳辐射量的计算提供了优化途径，对于太阳能资源的利用具有重要意义。对于现阶段雾霾和光伏发电的相互制约，建议大力研制具有更好的弱光效应的太阳能电池材料。通过清洁能源的使用，较少污染物的排放，有效的减弱雾霾，从而增加太阳辐射，形成良性循环。

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(责任编辑：熊文涛)

AnalysisoftheInfluenceofHazeonSolarRadiationinXi’an

Liu Yaowu, Yan Xiang’ an*, Ren Boquan, Duan Baorui

(SchoolofScience，Xi’anPolytechnicUniversity，Xi’an，Shaanxi710048,China)

Qualitative analysis of air quality index and solar radiation data in Xi’ an area in 2016 is made by using control variable method regarding the influence of fog and haze on solar radiation. The daily direct radiation and scattered radiation are calculated and compared with air quality index respectively. The results show that, excluding the influence by weather such as rain and cloud, the amount of daily total radiation and direct radiation in Xi’ an area decreases and the amount of scattered radiation increases first and then decreases as air quality index increases (more serious haze). The analysis results provide an optimized way for the calculation model of solar radiation， and put forward some suggestions for the utilization of solar energy resources．

haze；solar radiation；air quality index；direct radiation；scattered radiation

TK51

A

2095-4824(2017)06-0027-05

2017-08-07

国家自然科学基金项目(61405151，11604252)

刘耀武(1990- )，男，湖北仙桃人，西安工程大学理学院硕士研究生。

严祥安(1980- )，女，湖北仙桃人，西安工程大学理学院副教授，博士，本文通信作者。