西安地區(qū)霧霾對(duì)太陽(yáng)輻射量的影響研究

劉耀武 ，嚴(yán)祥安，任博權(quán)，段寶睿

(西安工程大學(xué) 理學(xué)院，陜西 西安 710048)

西安地區(qū)霧霾對(duì)太陽(yáng)輻射量的影響研究

劉耀武 ，嚴(yán)祥安*，任博權(quán)，段寶睿

(西安工程大學(xué) 理學(xué)院，陜西 西安 710048)

針對(duì)霧霾天氣對(duì)太陽(yáng)輻射量的影響問題，采用控制變量法對(duì)西安地區(qū)2016年的空氣質(zhì)量指數(shù)和太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)進(jìn)行定性分析，并將計(jì)算得到的日直接輻射量和散射輻射量，分別與空氣質(zhì)量指數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，在排除云雨等影響的情況下，隨著空氣質(zhì)量指數(shù)的增大(霧霾越嚴(yán)重)，西安地區(qū)的輻射日總量和直接輻射量減小，散射輻射量先增大后減小。分析結(jié)果為太陽(yáng)輻射量的計(jì)算模型提供了優(yōu)化途徑，為太陽(yáng)能資源的利用提出了相應(yīng)的建議。

霧霾；太陽(yáng)輻射量；空氣質(zhì)量指數(shù)；直接輻射；散射輻射

太陽(yáng)輻射量在很大程度上要受到陰雨和云層的影響，文獻(xiàn)[1]指出地理氣候因素，大氣中的氣溶膠、水氣等對(duì)于太陽(yáng)輻射均有顯著作用，但在諸多影響太陽(yáng)輻射的因素中，云量對(duì)于太陽(yáng)輻射的影響最大[2]。在進(jìn)行太陽(yáng)輻射量計(jì)算時(shí)，針對(duì)不同天氣和云層變化建立了許多不同的模型，包括啟發(fā)式模型、粒子系統(tǒng)模型、分形幾何模型、基于圖像處理的模型和基于流體擴(kuò)散的物理模型[3-6]等。這些模型考慮云層的運(yùn)動(dòng)以及對(duì)太陽(yáng)輻射的遮擋情況，根據(jù)大量的輻射數(shù)據(jù)來(lái)確定經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，能夠較準(zhǔn)確的得到地表水平面接收到的輻射量。

但近年來(lái)頻繁出現(xiàn)霧霾天氣，除了對(duì)人體呼吸道造成直接傷害以外[7]，對(duì)人類正常的生產(chǎn)生活也造成了極大的不便[8]。在沒有云和雨的霧霾天，大氣能見度很低，顯然對(duì)于地表水平面接收到的輻射量是有影響的[9]，此時(shí)傳統(tǒng)輻射計(jì)算模型得到的輻射量會(huì)顯著偏大。為了完善輻射計(jì)算模型，分析霧霾對(duì)于日常生活、農(nóng)作物生長(zhǎng)和太陽(yáng)能資源利用等造成的影響，研究霧霾對(duì)于太陽(yáng)輻射的影響具有重要意義。

本文以西安地區(qū)為例，對(duì)晴空下的霧霾程度和總輻射量進(jìn)行了定性的分析，然后計(jì)算得到直接輻射和散射輻射數(shù)據(jù)，通過對(duì)比，得出輻射量受空氣質(zhì)量指數(shù)影響的變化規(guī)律。對(duì)于輻射量的計(jì)算以及霧霾的防治，給出相應(yīng)的建議。

1 霧霾的簡(jiǎn)介

霧和霾是自然界的兩種天氣現(xiàn)象，兩者的區(qū)別比較大，霾是空氣中的灰塵、硫酸、硝酸等顆粒狀物質(zhì)組成的氣溶膠物質(zhì)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)會(huì)對(duì)人類造成視覺障礙。當(dāng)空氣中水汽較多時(shí)，某些吸水性強(qiáng)的干氣溶膠粒子會(huì)吸水、長(zhǎng)大，并最終活化成云霧的凝結(jié)核，產(chǎn)生更多、更小的云霧滴，使能見度進(jìn)一步降低，當(dāng)能見度低于 1 km 時(shí)被定義為霧，當(dāng)能見度在1 km到10 km之間時(shí)稱為輕霧[10]。

氣象數(shù)據(jù)中選用空氣質(zhì)量指數(shù)(Air Quality Index ，AQI)來(lái)表征霧霾的嚴(yán)重程度，AQI是定量描述空氣質(zhì)量狀況的無(wú)量綱指數(shù)。它反映了空氣的污染程度，AQI數(shù)值越大，表征空氣中細(xì)顆粒物、可吸入顆粒物、二氧化硫、二氧化氮、臭氧和一氧化碳的濃度越高，此時(shí)霧霾越嚴(yán)重，對(duì)人體健康的危害也就越大。

西安地處關(guān)中平原，位于黃土高原和秦嶺之間，在地理上形成了“盆地”，導(dǎo)致空氣中的懸浮顆粒物很難及時(shí)排出。加上近年來(lái)西安的經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，各類污染物的排放量急劇增加，城市內(nèi)部的高大建筑阻礙了空氣的流通。人類的頻繁活動(dòng)使市區(qū)氣溫升高，尤其是冬季供暖，導(dǎo)致降雪降雨減少，使得各類顆粒物難以在地面沉積。所以我們看到了近年來(lái)西安地區(qū)冬季經(jīng)常出現(xiàn)霧霾天氣，空氣質(zhì)量指數(shù)居高不下。

2 霧霾對(duì)日總輻射量的影響

2.1太陽(yáng)輻射的介紹

太陽(yáng)對(duì)于地球上萬(wàn)物的重要性不言而喻，對(duì)于太陽(yáng)能資源的研究具有重要意義。我們把地球上垂直于太陽(yáng)光方向單位面積上接收到的能量稱為輻照度。到達(dá)地表水平面的太陽(yáng)輻照度，由大氣層上界的太陽(yáng)輻照度和大氣層中的輻射損耗共同決定，輻射量是輻照度在一段時(shí)間內(nèi)的積累，對(duì)輻射量的研究更具有實(shí)際意義。

圖1 太陽(yáng)輻射模型

太陽(yáng)輻射模型如圖1所示，到達(dá)地球大氣層上界的日總輻射量H0，經(jīng)過大氣層中各種微粒和云層的反射、散射、吸收以后，到達(dá)地表水平面的日總輻射量為H，H的大小要受到空氣中各種微粒和云層的影響，霧霾天氣空氣中的懸浮粒子顯著增加，可以猜想霧霾對(duì)輻射量有著較大的影響。

2.2數(shù)據(jù)來(lái)源及篩選

選取霧霾較為嚴(yán)重的西安地區(qū)，結(jié)合氣象數(shù)據(jù)和輻射數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。輻射數(shù)據(jù)來(lái)自于涇河氣象臺(tái)站地表水平面的輻射日總量記錄，西安氣象臺(tái)站(東經(jīng)108.93度，北緯34.3度)于2005年12月31日遷到?jīng)芎託庀笈_(tái)站(東經(jīng)108.97度，北緯34.43度)，兩站的直線距離為16 km，海拔高度差12.5 m，符合氣象資料合并使用的條件。

取最新的2016年的氣象數(shù)據(jù)和輻射數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，西安地區(qū)每年的霧霾天氣集中在1月、11月和12月。為了排除云層遮擋和陰雨天對(duì)輻射量造成的影響，只選取這三個(gè)月中的“晴”、“霾”和“霾-晴”三種天氣，篩選以后符合要求的天氣共有44天，相應(yīng)的氣象數(shù)據(jù)和輻射數(shù)據(jù)見表1。

2.3空氣質(zhì)量指數(shù)與總輻射量的分析

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，1月下旬的氣溫偏低，11月上旬的氣溫偏高，其他時(shí)間的溫度基本在-5 ℃到15 ℃之間，考慮到氣溫對(duì)于太陽(yáng)輻射量并沒有顯著的直接影響，這里忽略溫度造成的輻射量差異。用表中的數(shù)據(jù)，作出空氣質(zhì)量指數(shù)和輻射日總量隨日期的變化曲線，如圖2所示。可以看出，輻射日總量變化曲線的變化趨勢(shì)與空氣質(zhì)量指數(shù)變化曲線的變化趨勢(shì)基本相反，即霧霾越嚴(yán)重的時(shí)候，到達(dá)地表的太陽(yáng)輻射越弱。比如1月中下旬，空氣質(zhì)量指數(shù)達(dá)到最小值，基本在100以內(nèi)，相應(yīng)的輻射日總量達(dá)到最大值，甚至超過了16000 KJ/m2。而12月20日時(shí)，空氣質(zhì)量指數(shù)達(dá)到了457，屬于嚴(yán)重霧霾天氣，當(dāng)天的輻射日總量?jī)H有100 KJ/m2。

圖2 西安部分日期空氣質(zhì)量指數(shù)和輻射日總量變化曲線

日期氣溫/℃天氣空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)水平面輻射日總量/KJ·m-2日期氣溫/℃天氣空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)水平面輻射日總量/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

觀察空氣質(zhì)量指數(shù)的變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)在1月13日、11月23日和12月22日三處附近，空氣質(zhì)量指數(shù)出現(xiàn)大幅下降的情況。結(jié)合氣象數(shù)據(jù)了解到這三天之前均有降雪，說明降雪對(duì)于消除霧霾和空氣中的其他污染物有著顯著的作用，雪后的太陽(yáng)輻射量提升明顯。建議在光伏發(fā)電系統(tǒng)中及時(shí)進(jìn)行積雪清理，在消除霧霾方面可以考慮使用人工降雪。

3 霧霾對(duì)直接輻射和散射輻射的影響

3.1直接輻射和散射輻射的計(jì)算

當(dāng)ωs<81.4°時(shí)：

(1)

當(dāng)ωs≥81.4°時(shí)：

(2)

考慮日地距離的變化時(shí)，H0可用下式(3)表示：

(3)

式中Isc為太陽(yáng)常數(shù)，取1367 W/m2，ωs為日出日落時(shí)角、φ為當(dāng)?shù)鼐暥取ⅵ臑槌嗑暯恰ⅵ脼槿盏鼐嚯x變化引起的大氣層上界太陽(yáng)輻照度變化的修正值，可用(4)式求出：

(4)

N為積日，即一年中的日期序號(hào)。太陽(yáng)對(duì)地位置的計(jì)算，赤緯角δ和時(shí)角ω采用王炳忠研究員的算法[12]，高度角和方位角的計(jì)算如下[13]：

高度角：sinα=cosφcosωcosδ+sinφsinδ

(5)

(6)

ωs為日出、日落時(shí)角，此時(shí)太陽(yáng)高度角為0，代入(5)式中可得

cosωs=-tanφtanδ

(7)

綜上所述，在已知地表水平面的日輻射量H后，將相應(yīng)的地理參數(shù)和日期代入，即可算出直接輻射和散射輻射數(shù)據(jù)。

3.2直接輻射量和散射輻射量變化趨勢(shì)分析

根據(jù)計(jì)算得到所選取日期的日直接輻射量和散射輻射量，將直接輻射和散射輻射的變化分別與空氣質(zhì)量指數(shù)的變化進(jìn)行比較，如圖3和圖4所示。

圖3 空氣質(zhì)量指數(shù)和直接輻射量的變化曲線

圖4 空氣質(zhì)量指數(shù)和散射輻射量的變化曲線

結(jié)合圖2和圖3可以看出，在篩選的特殊天氣情況下，直接輻射量變化曲線跟總輻射量變化曲線基本一致，其變化趨勢(shì)均與空氣質(zhì)量指數(shù)變化趨勢(shì)相反。說明當(dāng)空氣質(zhì)量指數(shù)增加的時(shí)候，空氣中懸浮的微塵和顆粒物也增加，使直接照射的太陽(yáng)光難以透過，直接輻射量相應(yīng)的減少。

從圖4可以看出，兩條曲線的變化趨勢(shì)大體上一致，說明當(dāng)空氣質(zhì)量指數(shù)越大時(shí)，也就是霧霾越嚴(yán)重時(shí)，散射輻射量反而會(huì)增加。仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，兩條曲線的變化趨勢(shì)在某些地方也存在著比較大的差異，比如在12月20日，空氣質(zhì)量指數(shù)達(dá)到最大值時(shí)，散射輻射量最小。說明當(dāng)空氣質(zhì)量指數(shù)達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，散射輻射量不再隨著該指數(shù)的增加而增加，反而會(huì)迅速減小。

原因是形成霧霾天氣的污染物顆粒以及干氣溶膠粒子，對(duì)各個(gè)波段的太陽(yáng)光既有吸收作用也有反射作用，且反射的次數(shù)越多，太陽(yáng)能返回太空和反射損耗掉的越多。在空氣質(zhì)量指數(shù)較小，微粒濃度較低的時(shí)候，直接輻射比較強(qiáng)，散射輻射相對(duì)較弱。隨著空氣質(zhì)量指數(shù)的增加，微粒濃度也增加，此時(shí)反射的次數(shù)增加，部分直接輻射的能量轉(zhuǎn)化為散射輻射，所以散射輻射量呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，又因?yàn)槲兆饔玫募觿。钥傒椛淞亢椭苯虞椛淞烤鶞p少。當(dāng)微粒濃度增加到一定程度時(shí)，散射輻射量達(dá)到最大值，繼續(xù)增加微粒濃度會(huì)讓吸收作用更強(qiáng)，能反射的光卻越來(lái)越少，故散射輻射量迅速下降。

針對(duì)霧霾對(duì)于太陽(yáng)輻射的負(fù)面影響，以及對(duì)于人體健康和日常生活的危害，采取有效的措施來(lái)進(jìn)行霧霾防治越來(lái)越重要。從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度來(lái)看，改變能源結(jié)構(gòu)，大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電等，具有重要意義。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以西安地區(qū)為例，分別分析了晴空下霧霾對(duì)于太陽(yáng)輻射日總量、日直接輻射量和日散射輻射量的影響。得出結(jié)論：當(dāng)霧霾越嚴(yán)重時(shí)，直接輻射量和總輻射量均會(huì)顯著減少，散射輻射量則呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)。定性分析的結(jié)果，為太陽(yáng)輻射量的計(jì)算提供了優(yōu)化途徑，對(duì)于太陽(yáng)能資源的利用具有重要意義。對(duì)于現(xiàn)階段霧霾和光伏發(fā)電的相互制約，建議大力研制具有更好的弱光效應(yīng)的太陽(yáng)能電池材料。通過清潔能源的使用，較少污染物的排放，有效的減弱霧霾，從而增加太陽(yáng)輻射，形成良性循環(huán)。

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(責(zé)任編輯：熊文濤)

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

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61405151，11604252)

劉耀武(1990- )，男，湖北仙桃人，西安工程大學(xué)理學(xué)院碩士研究生。

嚴(yán)祥安(1980- )，女，湖北仙桃人，西安工程大學(xué)理學(xué)院副教授，博士，本文通信作者。