太阳辐射变化的特性分析

辐射是太阳能传输到地球的唯一途径。太阳辐射中辐射能波长的分布，称为太阳辐射光谱。太阳辐射主要是可见光（0.4～0.76μm），此外还有不可见的红外线（＞0.76μm）和紫外线（＜0.4μm）。在全部辐射能之中，波长在0.15～0.4μm之间的占99%以上，且主要分布在可见光区和红外区，前者占太阳辐射总能量的50%，后者占43%，紫外区的太阳辐射能只占总能量的7%，太阳辐射光谱如图2-5所示。

图2-5　太阳辐射光谱

就日地平均距离而言，大气上界垂直于太阳入射光线的单位面积单位时间内获得的太阳辐射能量称为太阳常数。1981年世界气象组织推荐的太阳常数最佳值为1367±7W／m2。大气层水平面上的太阳辐射日总量H0为：

式中　Isc——太阳常数；

ωs——日出、日落时角；

δ——太阳赤纬角；

γ——日地距离变化引起大气层上界的太阳辐射通量的修正值。

式中　n——一年中的日期序号。

太阳辐射到达地表前要通过大气层，由于大气对太阳辐射有一定的吸收、散射和反射作用。实际投射到大气上界的太阳辐射不能完全到达地面，在地球表面获得的太阳辐射强度比太阳常数值要小。

（1）大气对太阳辐射的吸收。大气中的某些成分会选择性吸收一定波长的太阳辐射，这些成分主要有水汽、氧、臭氧、二氧化碳及固体杂质等。吸收太阳短波辐射的主要是水汽，其次是氧和臭氧。

水汽在可见光区有不少吸收带，但最强的吸收带在红外区。太阳辐射能量主要在短波部分，因此水汽吸收的太阳辐射的能量并不多。据估计，太阳辐射因水汽的吸收可减弱4%～15%。

氧在波长小于0.2μm处有一宽吸收带，吸收能力较强。臭氧在0.6μm处有一宽吸收带，虽然吸收能力不强，但因位于太阳辐射最强的辐射带里，所以吸收的太阳辐射能量较多。

由于大气中主要吸收物质对太阳辐射的吸收带都位于太阳辐射两端能量较小的区域，因此对太阳辐射的削减作用不大。

（2）大气对太阳辐射的散射。太阳辐射通过大气时，会碰到空气分子、云滴、尘埃等粒子，发生散射现象。散射只是改变辐射的方向，并不吸收辐射能。经过散射，一部分太阳辐射无法到达地面。如果太阳辐射遇到直径比波长小的空气分子，则辐射的波长越短，散射越强，其散射能力与波长的四次方成正比。这种散射是有选择性的，称为分子散射，也叫瑞利散射。如果太阳辐射遇到直径比波长大的质点，辐射虽然也要被散射，但这种散射是没有选择性的，辐射的各种波长都要被散射，这种散射称为粗粒散射，也叫米散射。(www.xing528.com)

（3）云层、尘埃对太阳辐射的反射。大气中的云层和较大颗粒的尘埃能将太阳辐射中的一部分能量反射到宇宙空间，其中云的反射作用最为显著。反射对各种波长没有选择性，所以反射光呈白色。云的反射能力因云状和云厚而不同，高云反射率约25%，中云为50%，低云为65%，稀薄的云层也可反射10%～20%。厚的云层反射可达90%，一般情况下云的平均反射率为50%～55%。

上述三种作用中，反射作用最为重要，散射作用次之，吸收作用最小。太阳辐射约有30%被散射和漫射回宇宙，约20%被大气和云层直接吸收，到达地面被吸收的太阳辐射约50%。

（4）地表总辐射的变化。太阳辐射经过大气的减弱后，以平行光线的形式直接投射到地面上的部分，称为直接辐射，经过散射后由天空投射到地面的，称为散射辐射，两者之和称为总辐射。

影响太阳直接辐射强度的最主要因子为太阳高度角和大气透明度。

太阳高度角是从太阳中心直射到地球某一地点的光线与当地水平面的夹角，是决定地球表面获得太阳能数量的最重要因素，太阳高度角不同，地表单位面积上获得的太阳辐射也就不同。太阳高度角越小，等量的太阳辐射散布面积就越大，单位面积上获得的太阳辐射就越小。同时，太阳高度角越小，太阳辐射穿过大气层时经过的距离也就越长，被大气削弱的也就越多。

当地面为标准气压（1013hPa）时，太阳光垂直投射到地面所经过的路程中，单位截面积的空气柱质量称为一个大气质量。在相同的大气质量和相同的太阳高度角情况下，到达地面的太阳辐射也不完全一样，因为还受大气透明系数（p）的影响：

式中　I0——太阳常数；

I——到达地面的太阳辐射强度。

大气中所含的水汽、尘埃等杂质越多，大气透明程度越差，透明系数越小，太阳辐射受到的减弱也就越强。

太阳辐射透过大气层后的减弱程度与大气透明系数和通过大气质量之间的关系可以表示为：

式中　m——大气质量数。

由此可以看出，如果大气透明系数一定，大气质量数以等差级数增加，则透过大气层到达地面的太阳辐射以等比级数减小。

散射辐射的强弱也与太阳高度角和大气透明度有关。太阳高度角增大时，到达近地面层的直接辐射增强，散射辐射也就随之增强。而太阳高度角减小时，到达近地面层的直接辐射减小，散射辐射也就相应地减弱。大气透明度较低时，空气中水汽、尘埃等杂质较多，散射作用增强，散射辐射较大。反之，散射辐射则较小。

日出以前，地面上只有散射辐射；日出以后，随着太阳高度的升高，直接辐射和散射辐射逐渐增加，直接辐射增加的较快，总辐射中散射辐射的比重不断减小。理想条件下，太阳高度角约为8°时，直接辐射与散射辐射相等；当太阳高度角为50°时，散射辐射仅相当于总辐射的10%～20%；正午时刻直接辐射和散射辐射都达到一天中的最大值；当天空有云时，直接辐射的减弱比散射辐射的增强要多，总辐射最大值出现的时间可能提前或者推后。