散射輻射

散射輻射（diffuse radiation）是由於空氣分子和氣溶膠粒子的作用，或由於空氣密度的漲落以及不均一，電磁輻射能量以一定規律在各方向重新分布的現象。

基本介紹

• 中文名：散射輻射
• 外文名：diffuse radiation
• 原因：空氣分子和氣溶膠粒子的作用
• 現象：電磁輻射能量以規律重新分布
• 相關因素：入射波長、強度及粒子

簡介

散射輻射是太陽光經大氣層中的空氣分子、雲滴和氣溶膠的散射作用(天空散射)以及地表漫反射(地面散射)等形成的。

散射輻射是到達地面太陽輻射中的重要組成部分，它除受太陽高度角影響之外，對大氣中雲、氣溶膠、水汽含量以及地表狀況等因子的變化異常敏感。Klein(1977年)指出，在北半球冬季的晴天，到達陽坡的太陽輻射是相同坡度陰坡的3倍，而在陰天時到達陰坡與陽坡的太陽輻射幾乎相等.散射輻射隨著雲量、氣溶膠粒子的增加亦有增加的趨勢。

此外，散射輻射的變化與植物的光合作用又有著密切的關係，從而影響生態系統的碳源狀況。尤其是自工業革命以來，日趨嚴重的大氣污染，大氣成分含量的改變，氣溶膠粒子增加等環境問題的出現對散射輻射帶來了很大的影響，已經引起國內外學者的高度重視.國外對散射輻射研究的報導較多.而我國對散射輻射的研究大多為短期或不連續觀測。

背景知識

太陽輻射是地球表層能量的主要來源，是促進地球上的水、大氣、生物活動和變化的主要動力，是天氣和氣候形成的基礎.太陽輻射在穿越大氣層時，由於受到大氣中空氣分子、雲以及氣溶膠粒子等的吸收、反射和散射作用，使到達地面的太陽輻射有了明顯的減弱.到達地面的太陽輻射是由直接輻射和散射輻射兩部分組成。以平行光的形式到達地面的太陽輻射稱直接輻射，經過大氣散射後到達地面的太陽輻射為散射輻射。

特徵

基本特徵

（1）散射輻射的日變化：一天中，由於總輻射隨太陽高度角的升高而增大.因此，散射輻射隨太陽高度角的升高也呈增加趨勢，晴天時散射輻射日變化的最高值通常出現在太陽高度角最高的正午左右。

（2）散射輻射的變化除了受晴空指數影響之外，也與太陽高度角有關.通常，太陽高度角增大時，到達近地面的散射輻射也相應地增強.相反，太陽高度角較低時，散射輻射也弱。

（3）散射輻射具有年變化規律。

青藏高原散射輻射特徵

（1）青藏高原高寒草甸生態系統的散射輻射日最高值出現在午後，比低海拔地區滯後;散射輻射的年最高值出現在4月。

（2）晴空指數的變化對散射輻射有較大影響.當日晴空指數在0. 45左右時，散射輻射占大氣外界太陽輻射日總量的比例最高，即對散射輻射的貢獻最大，晴空指數過高或過低的情況下散射輻射反而減弱.日晴空指數大於0. 3時，散射輻射占總輻射日總量的比例隨晴空指數的增加而線性降低。

（3）散射輻射隨太陽高度角升高而增大，但在不同的晴空指數下其增加速率不同，晴空指數在。. 3 ^-0. 7範圍時散射輻射隨太陽高度角的變化較快。

影響因子

散射輻射主要受太陽高度角和大氣透明度的影響.通常，散射輻射隨著太陽高度角的增高而增加.而大氣透明度主要受雲、水汽和氣溶膠的影響，對散射輻射的影響比較複雜，並不是簡單的增加與降低關係。

晴空指數

雲體中的水滴、冰晶是影響散射輻射的直接因子.關於這方面的研究報導已經很多，但是由於目前雲的觀測主要是定時目測，而且高原上的雲瞬息萬變，很難準確地對其進行定量化.而晴空指數能夠很好地反映雲的變化狀況，是定量探討天空狀況對散射輻射影響的理想參數.高原上空大氣中塵埃較少，太陽輻射穿過地球大氣的路徑也較短，因此晴朗少雲的天氣，晴空指數較高，高原上的散射輻射比同緯度低海拔地區要低.然而高原上溫度變化劇烈，特別是在植物生長季節的5-9月之間，空氣中水汽含量較高，午後容易形成熱對流，為雲的形成提供了條件，尤其是青藏高原東北部地區雲量夏季最多，春季次之，秋冬季最少。

太陽高度角與大氣質量

散射輻射的變化除了受晴空指數影響之外，也與太陽高度角有關.通常，太陽高度角增大時，到達近地面的散射輻射也相應地增強.相反，太陽高度角較低時，散射輻射也弱.但在不同的晴空指數條件下，散射輻射隨太陽高度角變化的速率不同。

散射輻射隨太陽高度角的增加而增大。不同天空狀況下散射輻射隨太陽高度角的變化.不同的晴空指數，散射輻射隨太陽高度角變化的速率有很大差異.隨著太陽高度角的升高，散射輻射對晴空指數的變化較敏感.在晴空指數大於0. 7時，高原上散射輻射隨太陽高度角的變化比低海拔地區緩慢。高原上散射輻射的變化主要集中在大氣質量小於4的範圍內，且隨大氣質量的增加而迅速降低，當大氣質量超過4時，散射輻射變化就比較小了。

變化趨勢

年曝輻量分布

散射輻射年曝輻量的分布是低緯地區大於高緯地區，低海拔地區大於高海拔地區，西部乾燥區大於東部濕潤區。其高值區位於我國東、南部地區，超過700kWh/m²，主要是由於雲和氣溶膠較多，高值中心主要出現在兩廣丘陵、上海周邊、湖北及四川盆地，超過900kWh/m²。青藏高原空氣潔淨、空氣分子散射弱，但由於該地區海拔高，總輻射量多，散射輻射也相對較多。在緯度較高的45°N以北地區，散射輻射普遍較少，年曝輻量最低不足400kWh/m²。

中國變化趨勢

散射輻射的趨勢在全國各區均有上升和下降的站點。但廣州、上海、天津、瀋陽、濟南、鄭州、哈爾濱這些主要大城市都呈上升趨勢援。據有關研究，可能與城市化發展堯氣溶膠增多導致散射輻射增多有關（這可能與城市化發展的快慢導致大氣污染和氣溶膠增減有關）。而散射輻射下降比較明顯的分布在西北、青藏高原的一些中小城市，但是有些大城市，如北京、武漢、成都、蘭州、烏魯木齊、杭州、南京等這些大城市散射輻射略有減少，可能與近期該地區大氣環境改善有關。

散射輻射模型

研究發展階段

通過散射輻射模型來合理地計算散射輻射．太陽散射輻射模型方面的研究可分為三個階段：

第一階段模型以各向同性散射輻射模型為主，無法適用於多雲天及晴天的天氣狀況，以為Liu和Jordan模型為代表。

第二階段模型以在各向同性散射輻射模型基礎上進行各種修正得到的各向異性散射輻射模型為主，一般是在第一階段各向同性模型的基礎上作修正以適應多雲天及晴天的天氣狀況，其中較為典型的有Temps、和Coulson模型、Klucher模型Cn7、Hay模型、Skartveit和Olseth模型、Reindl模型。這一階段模型雖然形式相對簡單，具有一定的實用價值，但由於只是在各向同性模型基礎上進行修正，其物理意義不明確，準確性相對較低。

第三階段模型採用構建散射輻射微元後積分求解的方法，其中Gueymard模型、Muneer模型都是在Steven和Unsworth模型基礎上發展而來的，而Steven和Unsworth模型是通過Moon和Spence:模型進行積分求解得到的，其核心指標是亮度（輻射）分布指數對計算結果的準確性影響較大。Perez模型則是按輻射強度及立體角定義構建的，將太陽散射輻射分解為環日散射輻射、天邊散射輻射、天頂散射輻射三個區域，並假設各區域內是各向同性的，在此基礎上對這三個區域分別進行積分求解，但該模型中的天頂散射輻射區域實際上並不是各向同性的，眾多實測結果和研究表明與太陽所在位置呈90°夾角的區域存在明顯的散射輻射削弱（該區域對應的散射輻射以下簡稱為正交散射輻射）。

幾種模型精度比較

通過對既有散射輻射模型的分析，結合太陽輻射實測數據，建立了各向異性散射輻射新模型，其後從天氣類型、朝向、季節和傾角等方面對新模型及既有模型的精度進行了對比分析。

(1)對天氣類型的研究表明，陰天或多雲時，Klucher模型、Hay模型、Skartveit和Olseth模型與實測值較為吻合;晴天時，Perez模型和NADR模型的計算值與實測值更接近.對典型天氣的分析表明:陰天時除Temp、和Coulson模型的計算值略大於實測值外，其餘模型的計算值與實測值基本吻合，且都與各向同性的Liu和Jordan模型計算值較為接近。

(2)對朝向的研究表明，對於東向和北向，Perez模型和NADR模型較為準確;對於南向和西向，Liu和Jordan模型、NADR模型較為準確.對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模型的計算值一般均大於實測值;Hay模型、Skartveit和Olseth模型、Reindl模型和Muneer模型在無直射的情況下，其計算值趨近於0或等於0，與實測值存在明顯偏差;而Perez模型和NADR模型的計算值與實測值誤差最小。

(3)對季節的研究表明，夏秋季時，Perez模型和NADR模型較為準確;秋冬季時，Iiu和Jordan模型、NADR模型較為準確。

(4)對於傾角的研究表明，不同傾角，Klucher模型都能與實測值較為吻合;對於30。傾角，Hay模型、Skartveit和Olseth模型與實測值較為吻合;對於45。傾角，Temp、和Coulson模型與實測值較為吻合;對於60°和90°傾角，NADR模型與實測值也較為吻合.此外，各類散射輻射模型在計算傾角較小的傾斜而散射輻射精度優於傾角較大的情況.對晴天南向不同傾角散射輻射的分析表明:除Gueymard模型在傾角較大時誤差較大外，其餘模型的計算值與實測值相差不大。

(5)對天氣、朝向、季節和傾角等多因素的綜合考慮表明Temp、和Coulson模型、Uueymard模型準確性相對較低，而NADR模型的準確性最高.太陽散射輻射主要影響因素是晴空指數和太陽高度角，適用於晴空指數分布及地理緯度與上海相近的地區，如江蘇南部(蘇州、無錫等)、安徽、河南、湖北、浙江、江西北部、湖南北部。

散射輻射的測量方法

要進行散射輻射的影響研究, 首先要對太陽輻射的散射輻射比例DFR(diffuse radiation fraction)進行準確的觀測或估算。目前, 主要有直接測量與模型估算兩種方法計算DFR。

直接測量法

直接測量DFR的感測器多是利用特殊的遮光裝置, 將直射光全部遮擋, 然後測量散射光。散射輻射的測定儀器有比較簡易的散射輻射表和靈敏度較高的BF3、SPN1感測器。由於儀器遮光裝置不僅遮擋太陽的直接輻射, 同時還遮擋了遮光方向的天空散射, 使得觀測的散射輻射較實際偏小。因此,必須乘以一個大於1的遮光環訂正係數才能得到準確的散射輻射(中國氣象局, 2007)。利用BF3感測器觀測發現, Blodgett Ameriflux森林站下午冠層的散射光合有效輻射(photosynthetically available radiation,PAR)在總PAR中所占的比例要高於上午, 下午平均散射PAR較上午高22%。

模型估算法

在沒有進行散射輻射直接測定的地區, 一般利用散射輻射分割模型估算。模型輸入變數一般為雲量、經緯度、日照時數、太陽高度角、空氣溫度、相對濕度和晴空指數等氣象參數。其中, 以晴空指數(clearness index, 也稱晴空因子) kt和太陽高度角(θ)為輸入變數的散射輻射分割模型精度較高, 並且變數獲取方便, 利於連續觀測, 從而被廣泛套用於大氣科學研究。kt是描述大氣對太陽短波輻射影響的一個綜合參數, 不僅反映了到達地面的太陽輻射強度, 還能夠反映太陽輻射穿越大氣時的大氣狀況和太陽輻射受到的影響。利用kt可以區分晴空和多雲天氣, 間接地反映太陽總輻射以及DFR的變化。總PAR隨kt呈線性增加, 而散射PAR的比例隨kt的降低而升高, 並在0.4–0.5時達到最大, 而後隨kt降低而減小,呈非線性相關關係。

當雲層不是連續分布時, 由於“雲隙效應”的影響, 利用kt估算的DFR值偏小。自Liu和Jordan (1960)開始, 已經建立了許多DFR與kt的經驗關係。Iqbal(1980)在Bugler (1977)工作的基礎上, 提出了估算散射輻射的兩個模型因子: kt和θ, Skartveit和Olseth(1987)利用這兩個因子建立了散射輻射分割模型。Reindl等(1990)基於北美和歐洲站點採集的22000個逐時觀測值研究了小時尺度上氣候和幾何變數對DFR(可見光和近紅外光)的影響, 並用逐步回歸法從28個潛在影響因子中選出了4個顯著的影響因子: kt、θ、氣溫和相對濕度, 據此構建了水平地面的散射輻射分割模型。

散射輻射直接觀測的技術還有待改進以消除遮光裝置的影響, 儘管如此, 目前該方法仍被認為是最準確的方法, 用以標定散射輻射模型估算的結果。不同地區、不同環境條件以及不同時空尺度下可用不同的散射輻射分割模型估算散射輻射。在冠層尺度上, 不僅要考慮各種環境因子的影響, 還需考慮地勢的影響。區域至全球尺度上的監測, 除了利用多個觀測站點的觀測數據與散射輻射分割模型估算外, 最好的方法是利用衛星遙感技術觀測AOD和雲層變動進行反演。然而, 目前的遙感模型大都基於AOD, 沒有同時考慮雲層變動等其他因子的影響。

散射輻射與直射輻射

太陽的直接輻射就是通過直線路徑從太陽射來的光線，它被物體遮擋時，能在物體背後形成邊界清晰的陰影。而散射輻射則是經過大氣分子、水蒸氣、灰塵等質點的反射，改變了方向的太陽輻射。它似乎從整個天空的各個方向來到地球表面，但大部分來自靠近太陽的天空。太陽的散射光線如同陰天和霧天一樣，不能被物體遮蔽形成邊界清晰的陰影，也不能用凸透鏡或反射鏡加以聚焦或反射。

太陽輻射的總輻射強度是直接輻射強度和散射輻射強度的總和。直接輻射強度與太陽的位置以及接收面的方位和高度角等都有很大的關係。散射輻射則與大氣條件，如灰塵、煙氣、水蒸氣、空氣分子和其他懸浮物的含量，以及陽光通過大氣的路徑等有關。一般在晴朗無雲的情況下，散射輻射的成分較小；在陰天、多煙塵的情況下，散射輻射的成分較大。 散射輻射的強度通常以和總輻射強度的比來表示，不同的地方和不同的氣象條件，其差異很大，散射輻射強度一般占到總輻射強度的百分之十幾到百分之三十幾。