太阳总辐射表的标定方法
Advances in Geosciences地球科学前沿, 2017, 7(6), 763-771
Published Online December 2017 in Hans. https://www.docsj.com/doc/873159905.html,/journal/ag
https://https://www.docsj.com/doc/873159905.html,/10.12677/ag.2017.76077
A Calibration Method of Solar Global
Radiation Sensor
Jianhui Bai
Key Laboratory of Middle Atmosphere and Global Environment Observation, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing
Received: Nov. 15th, 2017; accepted: Nov. 30th, 2017; published: Dec. 7th, 2017
Abstract
Based on analysis of solar global radiation, biogenic organic compounds (BVOCs) in Changbai Mountain temperate forest in 2011 summer and principle of solar global radiation balance, empir-ical models of solar global radiation under all sky conditions have been developed, when the at-tenuation of solar global radiation caused by BVOCs, water vapor and scattering factors were con-sidered. Good agreements between simulated and observed values were obtained at the ground and the top of atmosphere (TOA). On the basis of this, a calibration method for solar global and di-rect sensors was put forward. The sensitivity test of solar global radiation to the change of BVOCs, water vapor and scattering factors were investigated. Under realistic atmospheric conditions, the solar global radiation was more sensitive to changes in scattering factor than to changes in water vapor or BVOCs. This new calibration method has some advantages and potential applications.
Keywords
Solar Radiation, Biogenic Volatile Organic Compounds, Water Vapor and Scattering Factors,
Energy, Top of Atmosphere
太阳总辐射表的标定方法
白建辉
中国科学院大气物理研究所中层大气与全球环境探测重点实验室，北京
收稿日期：2017年11月15日；录用日期：2017年11月30日；发布日期：2017年12月7日
摘要
根据对长白山温带森林2011年夏季太阳辐射、植物挥发性有机物(BVOCs)观测数据的分析，基于总辐射
白建辉
能量平衡原理，考虑BVOCs、水汽、散射等因子对于总辐射的衰减作用，发展了实际天气太阳总辐射的经验计算模型。经验模型对地面和大气顶处的太阳总辐射有较好的模拟。以此为基础，提出太阳总辐射和直接辐射表的标定方法。利用该经验模型，计算了总辐射对于BVOCs、水汽、散射等因子变化的敏感性。敏感性试验表明，实际当前条件下，总辐射对散射因子的变化最敏感，然后是水汽和BVOCs因子。
新的标定方法比目前标定的方法有显著优势，具有潜在的应用价值。
关键词
太阳辐射，生物挥发性有机物，水汽和散射因子，能量，大气顶
Copyright ? 2017 by author and Hans Publishers Inc.
This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).
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1. 引言
太阳是地球系统唯一的能量来源，准确测量和获取太阳辐射数据是一项基本且重要的工作。太阳辐射数据是气象、农业、林业、建筑、工业等行业所需重要的基本参数，也是研究自然界中各种过程(包括物理、化学、生物等)及其相互作用最基本的参数之一[1][2][3][4]。只有在准确测量的基础上，我们才有可能研究太阳辐射能量在大气中传输、利用、分配及其在地表的分布特征，它们的时空演变规律，包括研究其长期变化。
我国于1957年建立太阳辐射观测网后，便开展了太阳辐射标准及量值传递工作。辐射标准分为国家标准和工作标准。我国太阳辐射标准器组每5年到世界辐射中心或亚洲区域中心进行比对，每2年在我国进行辐射标准比对和量值传递，再用工作级标准校准日常工作用辐射表[5][6][7]。总辐射表标定方法主要有：1) 以直接辐射表为标准，2) 以一台直接辐射表和一台配有遮蔽总辐射表为标准，3) 将工作级标准总辐射表与被校准好的总辐射表进行校准[7][8]。近年来，也有采用世界辐射基准和辐射传输理论开展总辐射标定工作的研究[9]。
已有华北地区紫外(UV)和可见光(VIS)辐射的统一算法以及其算法可以计算大气顶(TOA)的UV和VIS[2]，为开展太阳总辐射表的标定工作提供了思路，也奠定了良好基础。结合在我国长白山森林地区已开展的太阳辐射和植物挥发性有机物(BVOCs)的研究[10][11]，本文探讨太阳总辐射表的标定方法。
2. 资料和方法
为了解长白山温带森林地区太阳辐射、BVOCs排放的基本特征和变化规律，在中国科学院长白山森林生态系统定位站开展了太阳辐射、BVOCs排放综合测量。太阳辐射测量包括总辐射、直接辐射、可见光辐射、光合有效辐射(PAR)等，该系统多年来在一些台站使用，性能良好[2][10][11]。辐射仪器包括：国产分光辐射表(TBQ-4-1型)，波段分别为270~3200、400~3200、700~3200 nm，年稳定性均≤ ±2%，时间响应< 35 s (99%)，余弦响应≤ ±7% (太阳高度角h 10?时)，方位≤ ±5% (10?时)；国产直接辐射表(TBS-2型)，波段为270~3200 nm。温湿度测量仪器安放于气象观测场，温湿度测量为5分钟一次。太阳辐射传感器安放在站内楼顶，周围无遮蔽。日出前清洁所有表头、调整水平等，每日每小时巡视仪器(包括雷雨过后表头及时清洁等)，并记录天气状况、云量等[10]。
BVOCs排放通量测量设在定位站阔叶红松林(42?24'N，128?6'E，海拔738 m)内，测量仪器松弛涡度
白建辉
积累(REA)系统由采样器、三维超声风速仪及其数据采集器等部件组成。该系统安装于观测塔的32 m 平台，超声风速仪探头和气体进气口高出周围冠层9 m 左右。气体由数据采集器和采样泵控制自动采入上下两个不锈钢采样管内，采样时间为半小时。采样一般选择在晴好、无雨天气。有关REA 系统、采样等详细介绍可参见文献[10]。采集的气体样品由美国国家大气研究中心分析，气体样品进样、气相色谱和质谱的分析条件与分析方法等可参见文献[10]及其引文。BVOCs 某一成分的排放通量为：F i = bσw (C up ? C down )，σw 为垂直风速标准偏差，b 为经验系数，C up 和C down 分别为上下两个采样管中某一成分的浓度。
本文使用2011年6月19日至9月8日的实验数据。
3. 结果
3.1. 实际天气地面太阳总辐射小时累计值的计算方法
紫外辐射(UV)和可见光辐射(VIS)在大气传播过程中，均要受到水汽(或光化学)、散射、BVOCs 等因子不同程度的衰减。太阳总辐射包括紫外辐射、可见光辐射、近红外辐射(NIR)。基于总辐射在大气传输中与UV 、VIS 传输的类似性，太阳总辐射在大气传输中同样考虑如下因子的衰减作用[12] [13] [14]：1)水汽或光化学项，即各种物质(含气、液、固相)通过OH(主要在UV 波段)和*
2NO (主要在VIS 波段)自由基、H 2O 等在化学和光化学反应中对太阳辐射的吸收与利用(BVOCs 除外，因单独考虑)、水汽在近红外波段总的吸收，用A e ?kwm 表示，系数A 根据对实验数据的分析确定，()o e 1cos kWm S I Z ???，其中，太阳常数I o = 1367 W ?m ?2，Z 为太阳天顶角(度)，整层大气吸收太阳辐射通量密度△S = 0.172(mW × 0.1 × 30)0.303 (cal ?cm ?2?min ?1, 1 cal ?cm ?2?min ?1= 696.7 W ?m ?2)，k 为水汽平均吸收系数(m ?1)，W 为整层大气水汽含量(W = 0.21ev )，ev 为地面水汽压(102 Pa)，30为采样时间(min)，0.1为经验系数，大气质量m 取采样时段中间时刻之值(无量纲，下同)。此项的意义和作用可参见文献[12] [13] [14]和后面讨论部分。2) 散射项，大气中各种物质(包含气溶胶、云等)对总辐射的散射衰减、大气中物质和地表对总辐射的多次反射和散射作用，用e
D Q
S S ?表示，其中，S D 、S Q 分别为散射辐射和总辐射(W ?m ?2)。3) BVOCs 项，异戊二烯或单萜
烯对总辐射的利用或衰减，采用1e k Etm ?表达，其中，k 1是衰减系数，假定为单位1；E 为异戊二烯或单萜烯的排放通量(mg ?m ?2?h ?1)；t 为采样时间，取值为30 min ；m 为大气质量。异戊二烯和单萜烯在总辐射波段没有直接吸收，但它们与OH 自由基及其他VOC 成分、O 3等在化学和光化学过程对于总辐射能量(包括UV 、VIS 、NIR)有利用[11] [12] [13] [14] [15]。为描述异戊二烯或单萜烯通过化学和光化学过程对总辐射能量的利用或衰减，参照比尔定律来客观表达。其他气体(如O 3等)的能量作用均通过OH 自由基的桥梁作用考虑于光化学项之中[11] [12] [13] [14] [15]。本文此小节经验模式中的辐射量、BVOCs 排放通量以及其他各量均取半小时的累计值。
为了确保总辐射经验模型的可靠性和实用性，而且兼顾获取一定量的数据用于模型建立，所用实验数据采用如下标准。对于考虑异戊二烯作用的经验模型：1) 剔除总辐射半小时累计值小于0.55 MJ ?m ?2(辐照度为300 W ?m ?2)的数据，以减小较低辐射和低排放通量测量中实验误差对所建模型的影响；2) 太阳高度角h < 39?之测量值；3) 剔除排放通量异常高和异常低值。最后得到样本数(n )为16组的实验数据。对于考虑单萜烯作用的经验模型，相应的值和标准分别为：a) 0.44 MJ ?m ?2 (辐照度245 W ?m ?2)，b) h < 39?，c) 剔除排放通量异常值。最后得到22组实验数据。
基于华北实际天气地面UV 和VIS 小时累计值经验模型[12] [13] [14]、长白山森林地区BVOCs 排放经验模式[11] [15]，发展和建立了长白山森林地区实际天气太阳总辐射(S Q )半小时累计值的计算方法：
(
)
1Q 1230e e
e cos D Q
S k Etm kwm S A A A A Z ???=+++ (1)
式中，系数A i (i = 1、2、3)、常数A 0根据对实验数据的分析确定，它们分别表达了吸收或光化学因
白建辉
子(kwm e ?)、散射因子(e
D Q
S ?)、异戊二烯或单萜烯、cos Z (Z 为太阳天顶角)对于总辐射的作用或贡献。
根据对实测数据的统计分析，确定了总辐射经验模型中的系数和常数、总辐射与3个因子的可决系数(R 2)、相对偏差的平均值和最大值(δ、max δ)(表1)。对于总辐射与异戊二烯关系的经验模型，总辐射的计算值与观测值大多比较接近(图1)，二者相对偏差(δ)的平均值为7.71%，图1中的总辐射为表达时刻之前半小时累计值。类似地，对于总辐射与单萜烯关系的经验模型，计算值与测量值同样比较接近，但相对偏差平均值略大。根据相关系数检验，总辐射与异戊二烯、总辐射与单萜烯关系的经验模型，总辐射与3个因子均在置信度α = 0.001水平高度相关；水汽项与散射项没有显著相关(仅在α = 0.5水平相关)。
3.2. 总辐射表标定：3因子标定方法
总辐射与异戊二烯关系经验模型中各系数之和1230A A A A ++?为5.59，与大气顶(TOA)处辐照度1367 W ?m ?2的误差为13.56%，即总辐射模式计算值与TOA 处测量值之比为1.1356。因而，此值也是总辐射表灵敏度的修正值，即将总辐射表的灵敏度除以此值便是新的灵敏度。该值表明，总辐射表的灵敏度在下降。同理，得到总辐射与单萜烯关系经验模型中各系数之和(5.78)，与大气顶(TOA)处辐照度的误差为17.42%，即总辐射计算值与TOA 处测量值之比为1.1742。两个标定系数的相对偏差为3.40%。因此，依
3.3.
Table 1. 2), 表1. 实际天气总辐射半小时累计值的计算结果：可决系数(R 2)、系数和常数(A 1、A 2、A 3、A 0)、相对偏差的平均值和最大值(δ, δmax (%))
water vapor + scattering + monoterpenes factors
0.827
3.70, 2.17, ?1.60, ?1.50
10.7
48.8
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简化为2因子经验公式，即分别剔除异戊二烯和单萜烯之项，两种情况下所用样本数均同前。从而得到了新的系数和常数以及计算结果(表2)。
此种情况下，采用建立总辐射与异戊二烯关系模型所用数据，得到总辐射模式计算值与TOA处测量值之比(1.1035)，该值与3因子的相应值差别不大。采用建立总辐射与单萜烯关系模型所用数据，确定总辐射模式计算值与TOA处测量值之比为0.9982，该值与3因子的相应值差别较大，其原因主要是建立单萜烯排放经验模型较异戊二烯的放宽了数据筛选标准[11]。鉴于此，使用比以前更为严格的数据筛选标准，即将2011年散射因子最大值由1降为0.9，从而获得15组实验数据。为了统一研究和比较总辐射和异戊二烯关系经验模型的计算结果，也将异戊二烯的数据标准略微严格一些，删去其计算偏差最大的一组数据，同样得到15组实验数据。基于同样的计算，得到新的计算结果(表3)。
此种情型下，利用总辐射与异戊二烯经验模型确定的总辐射计算值与TOA处测量值之比为1.1339；利用总辐射与单萜烯经验模型确定的总辐射计算值与TOA处测量值之比为1.1369。此时的两种情型下，二者使用的数据不完全相同，得到的系数、相对偏差平均值、计算值和测量值之比均比较接近。
3.4. 总辐射表标定：总辐射经验模式和2因子标定方法的推广
鉴于我国辐射测量时间分辨率一般为小时，为了标定方法的方便使用及其验证，特将半小时的计算方法推广到小时值：将计算中的各个参数全部由半小时值替换为为小时值，公式中的系数和常数不变。此种情形使用2010年夏季的实验数据，数据筛选标准为：总辐射时累>2.5 MJ?m?2, h > 50?，散射因子<0.7，得到69组数据。基于相同的计算，得到2因子标定方法的系数和常数分别为：3.79、1.18、?0.53，R2 = 0.588，相对偏差的平均值和最大值分别为4.01%、11.70%。总辐射计算值与TOA处测量值之比为1.1169。该计算结果与3因子半小时的计算结果比较相近，较为合理。
3.5. 敏感性试验
首先，利用总辐射与异戊二烯关系经验模型，计算了实际天气某一因子变化(其他因子保持原值)情形总辐射的变化率(%) (表4)。
敏感性试验表明，总辐射对各个因子变化的响应都是非线性的；同等变化率情形下，异戊二烯和散
Table 2. Calculated results of half-hour solar global irradiance under all sky conditions: coefficient of determination (R2), coefficients and constant (A1, A2, A3, A0) and average and maximum of the absolute relative bias (δ, δmax (%))
表2. 实际天气总辐射半小时累计值的计算结果：可决系数(R2)、系数和常数(A1、A2、A3、A0)、相对偏差的平均值和最大值(δ, δmax (%))
water vapor + scattering factors 0.802 1.68, 2.01, ?1.2211.66 38.23
Table 3. Calculated results of half-hour solar global irradiance under all sky conditions: coefficient of determination (R2), coefficients and constant (A1, A2, A3, A0) and average and maximum of the absolute relative bias (δ, δmax (%)). Sampling points = 15
表3.实际天气总辐射半小时累计值的计算结果：可决系数(R2)、系数和常数(A1、A2、A3、A0)、相对偏差的平均值和δ
water vapor + scattering factors 0.896 2.33, 1.78, ?1.48 5.65 10.38
白建辉
Table 4. Solar global radiation changing rates (%) caused by the changes of one factor (%), and other factors keep at their original levels under realistic atmospheric conditions (Factors: isoprene, water vapor and scattering)
表4. 实际天气条件某一因子变化(%)而其他因子保持原值时总辐射的变化率(%)(因子：异戊二烯、水汽、散射因子) isoprene water vapor scattering factor +20 +40 +80 ?20 ?40 ?80 +20 +40 +80 ?20 ?40 ?80 +20 +40 +80 ?20 ?40 ?80
2.2 4.3 8.5 ?2.2 ?4.5 ?9.2 ?4.3 ?9.0 ?20.8 4.1 8.1 15.9 ?9.8 ?18.4 ?32.5 11.2 24.1 56.0
射因子减少比其增加将带来总辐射的变化略大(水汽因子相反)，并以散射因子变化引起总辐射变化的差别最大；总辐射对于散射因子的变化最敏感，其次是水汽因子，最后是异戊二烯因子；平均而言，总辐射对水汽因子的敏感性是总辐射对异戊二烯敏感性的2.0倍(范围为1.7~2.5)，总辐射对散射因子的敏感性是总辐射对异戊二烯敏感性的4.8倍(范围为3.8~6.1)。敏感性试验所反映的物理、化学、生物机制为：异戊二烯增/减表象上“引起”总辐射的增/减，其揭示的实际机制为太阳辐射(如光合有效辐射PAR、UV)增/减导致异戊二烯排放的增/减[11][16]；水汽增/减引起地面总辐射的减小/增加，揭示了大气中气液固相物质在与OH、NO2*、H2O等的化学和光化学反应中对太阳总辐射(如紫外和可见光辐射等)能量利用的增大/减小[2][3][11][12][13][14]；散射因子的增/减引起地面总辐射的减小/增加，揭示了在较低散射因子条件下(平均值= 0.59)，经化学和光化学过程产生气液固相物质增加/减少对应的损失于大气中总辐射能量的增加/减少(即这些能量被直接和间接用于参与反应中的各种物质)，因而导致地面总辐射的减小/增加。
其次，利用总辐射与单萜烯关系经验模型，计算了实际天气某一因子变化(其他因子保持原值)时总辐射的变化率(%)(表5)。
同样，总辐射对各个因子变化的响应也是非线性的；同等变化率情形下，单萜烯和散射因子减少比其增加带来总辐射的变化略大(水汽因子也相反)，也以散射因子变化引起总辐射变化的差别最大；总辐射对散射因子的变化最敏感，其次是水汽因子，最后是单萜烯因子；平均而言，总辐射对水汽因子的敏感性是总辐射对单萜烯敏感性的1.3倍(范围为1.0~1.7)，总辐射对散射因子的敏感性是总辐射对单萜烯敏感性的4.7倍(范围为3.8~5.7)，这两个值与总辐射对异戊二烯敏感性的对应值均比较相近。敏感性试验所反映的机制为：单萜烯增/减表象上“引起”总辐射的增/减，同样揭示了太阳辐射(如PAR)增减导致单萜烯排放的增/减[2][3][11][12][13][14]；水汽增/减和散射因子增/减与地面总辐射的响应机制与异戊二烯的相似，即它们之间的能量关系类似。
对比总辐射与异戊二烯关系和总辐射与单萜烯关系经验模型敏感性试验结果，总辐射对单萜烯、光化学、散射因子响应值和总辐射对异戊二烯、光化学、散射因子响应值之比的平均值分别为1.43、0.91、
1.35。
从本质上说，总辐射与异戊二烯或单萜烯关系经验模型表达了各物理量之间的相互关系，是一种双向的能量关系，而不是单一方向的关系。
3.6. 直接辐射表标定
为了获得总辐射比较可靠的标定结果，需要标定直接辐射表。鉴于直接辐射和总辐射在大气中传输的过程和规律基本相同，故采用相同的标定方法和经验模型(1)。首先，利用总辐射和异戊二烯关系的经验模型以及使用的数据(n = 16)计算直接辐射的系数和计算偏差，计算结果为：计算偏差的平均值和最大值分别为40.9%、446.2%。仔细分析数据，发现计算偏差大者均为散射因子> 0.85者。即大气中较大的物质含量(主要为云、气溶胶等)给总辐射计算带来了较大的偏差。因此，剔除散射因子> 0.85的数据，
白建辉Table 5. Solar global radiation changing rates (%) caused by the changes of one factor (%), and other factors keep at their original levels under realistic atmospheric conditions (Factors: monoterpenes, water vapor and scattering)
表5. 实际天气条件某一因子变化(%)而其他因子保持原值时总辐射的变化率(%)(因子：单萜烯、水汽、散射因子) monoterpenes water vapor scattering factor
+20 +40 +80 ?20 ?40 ?80 +20 +40 +80 ?20 ?40 ?80 +20 +40 +80 ?20 ?40 ?80 3.0 6.0 11.6 ?3.1 ?6.4 ?13.2 ?3.4 ?6.4 ?11.5 3.9 8.5 22.8 ?13.2 ?24.8 ?43.9 15.2 32.6 75.7
得到12组数据。对新的数据重新计算，得到直接辐射和异戊二烯关系的经验模型的系数和常数分别为：?1.56、2.97、2.79、?1.91。R2 = 0.954，计算偏差的平均值和最大值分别为9.26%、32.86%。直接辐射计算值与TOA处测量值之比为1.2426。
考虑到总辐射表的标定会影响到直接辐射表的测量和模拟结果，为进一步准确了解直接辐射表灵敏度的变化情况，进而先将总辐射表进行标定，即将其灵敏度除以新的标定系数1.1356(注：其中也包括散射因子中的总辐射值。利用前面的12组数据和同样算法，得到了新的计算结果：直接辐射和异戊二烯关系的经验模型的系数和常数分别为：?1.59、3.02、2.29、?1.72。R2 = 0.954，计算偏差的平均值和最大值分别为9.30%、31.82%。直接辐射计算值与TOA处测量值之比为1.1060。可见，总辐射表经过标定后，直接辐射表的标定比值下降；该值与总辐射表标定结果的变化规律比较一致、比较合理。这与它们相同的测量原理、相同的室外使用环境等有关。
4. 讨论
3因子标定方法考虑影响总辐射传输的过程及其相互作用较多、较详细，包括物理、化学、生物过程，可以较好地研究各个因子对总辐射的衰减和各个过程之间的相互作用，建议有条件的情况下尽量采用。2因子标定方法，考虑总辐射传输过程中的影响因子较少，所用参数易于从常规测量站获得，为开展标定工作提供了便利。
从3因子到2因子的标定，减少了某一参数测量和研究工作，方便了标定。为了获得较准确的标定结果，它以牺牲或减少样本数为条件，因而需要采用更严格的数据筛选标准(例如单萜烯)。另外，它也缺少了对于某一相关过程及其规律的详细了解。水汽或光化学项的意义：在考虑3因子时，它表达除BVOCs 外其他气液固相成分对总辐射的直接吸收和间接利用；在考虑2因子情形，则包含了BVOCs的气液固相成分对总辐射的直接吸收和间接利用。不同因子情形各因子实际的作用由对实测数据的统计分析来客观确定和定量表达。这一处理方法的可行性从以前关于UV辐射的研究中得到支持和验证：在计算UV时考虑3因子“O3、光化学、散射因子”与考虑2因子“光化学、散射因子”之情形，利用3因子计算的“O3+光化学因子”和利用2因子的光化学因子的计算结果非常接近[17]。
从3因子到2因子、2因子从半小时到1小时标定方法的推广，虽然样本数不同，但都得到了总辐射与相关物理化学生物过程的相互作用规律、相近的标定结果。因此，建立总辐射经验计算方法，样本数量不是决定性的，关键是数据质量。本文采用长白山温带森林建立BVOCs排放模型时较为严格的数据筛选标准[11]，虽然建立经验模型时使用数据相对较少，但涉及异戊二烯和单萜烯有关的经验模型均得到了较好的计算结果。所以，数据质量远重要于数据数量的原则在以后研究中应备受重视[3][15]，以准确捕捉和深入理解自然界中的物理、化学、生物过程，特别是这些过程之间的相互作用规律，包括物质变化与能量变化之间的规律性。
对于总辐射与异戊二烯和总辐射与单萜烯关系的两种标定情形而言，不论3因子还是2因子的标定，通过对实验数据的严格筛选，均可以获得较好且一致的标定结果(TOA处计算值与测量值之比)。它表明太阳总辐射与影响总辐射的物理化学生物过程及其相互作用之间的能量关系存在于自然之中，但是其基
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本且内在规律——“能量基本态”需要全面、细致地分析和寻找才能确定。标定工作可以在实际天气条件进行，但需要较为严格的标定标准。
实验室的研究表明，单萜烯的氧化产率为2%~23% [18]远大于异戊二烯的氧化产率(为0.9%~3%)[19]。
本文实际大气条件敏感性试验结果：对于单萜烯和异戊二烯而言，总辐射对散射因子变化的响应(平均值)分别为4.85、4.67，比较接近。它可能反映了较低散射因子条件下(空气污染不太严重)，与单萜烯或异戊二烯氧化形成小颗粒气溶胶中利用总辐射能量变化有相近的能量关系。
对比总辐射与异戊二烯关系和总辐射与单萜烯关系的敏感性结果，总辐射对单萜烯及散射因子响应值和总辐射对异戊二烯及散射因子响应值的对应值之比(平均值)都很接近，分别为1.40、1.35，它们可能揭示了：异戊二烯或单萜烯变化与对应的总辐射能量变化规律的一致性；与异戊二烯或单萜烯相关的大气中物质含量(主要为小颗粒气溶胶，较低的散射因子值)的变化(散射因子)与对应的总辐射能量变化规律的一致性。另外，上述两个规律也存在一致性(两个比值比较接近)，即异戊二烯或单萜烯变化与对应小颗粒气溶胶变化以及这些物质变化所对应的总辐射能量变化之间有着密切联系，而这一联系通过“总辐射能量变化/物质变化”清晰地表现了出来。因此，涉及异戊二烯或单萜烯的物理、化学、生物过程，表现出物质变化和能量变化之间一致的规律性。
总辐射对散射因子的变化最为敏感。因而辐射表的标定条件，选择晴天、洁净大气之时段，具备可靠的物理基础；同时，也侧面反映了辐射经验模型的可靠性。
本文提出的标定方法与目前使用的标定方法相比具有明显优势：节省大量的人力物力、节省标定仪器和设备(如标准辐射表及其标定系统)。标定工作在当地日常观测中即可开展，实验站不必准备其他备用辐射表；但需要准确的太阳常数数据。虽然太阳常数比较稳定，但仍有微小变化，如能获得实时更新的太阳常数数据，则可获得更为准确的标定结果。
5. 结论
基于辐射能量平衡原理，考虑BVOCs、水汽(或光化学)和散射因子对总辐射的作用，建立和发展了实际天气总辐射经验计算方法。该方法可以较好地获得地面和大气顶的总辐射。利用总辐射在TOA处的计算值和测量值，可以标定辐射表。敏感性计算表明，总辐射对各因子变化的响应都是非线性的，总辐射对于散射因子的变化最敏感，然后是水汽、BVOCs因子。为详细研究物理化学生物过程及其相互作用，建议采用3因子标定方法。在无BVOCs排放参数的情况下，可以采用2因子标定方法。
新的标定方法以太阳常数为标准，在原地和实际天气条件下，利用辐射表日常测量数据开展标定工作，可节省目前辐射表标定过程中的标定仪器、仪器运输、专业人员等资源，是一种值得深入研究和广泛推广的方法。
致谢
感谢中国科学院长白山森林生态系统定位站韩士杰、张军辉、林凤友、徐浩、李东、宋国正、闫伟等同仁给予的帮助．
基金项目
国家自然科学基金资助项目(40975082, 41275137)、中华人民共和国科技部–欧洲空间局合作“龙计划”4期项目(ID32771)、欧盟第七框架计划(FP7) MarcoPolo项目(Grant NO. 606953)。
参考文献(References)
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白建辉
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太阳直接辐射计算
太阳直接辐射计算导则 1 范围 本标准给出了太阳直接辐射计算的基本原则，不同条件下的计算方法和适用范围，以及对计算结果的检验要求。 本标准适用于水平面直接辐射和法向直接辐射的计算。 2 规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。 GB/T 33698—2017 太阳能资源测量直接辐射 GB/T 34325—2017 太阳能资源数据准确性评判方法 3 术语和定义 下列术语和定义适用于本文件。 3.1 直接辐射 direct radiation 从日面及其周围一小立体角内发出的辐射。 [GB/T 31163—2014，定义] 注：一般来说，直接辐射是由视场角约为5°的仪器测定的，而日面本身的视场角仅约为°，因此，它包括日面周围的部分散射辐射，即环日辐射。 3.2 法向直接辐射 direct normal radiation 与太阳光线垂直的平面上接收到的直接辐射。 注：从数值上而言，直接辐射与法向直接辐射是相同的；两者的区别在于，直接辐射是从太阳出射的角度而定义，法向直接辐射则是从地表入射的角度而定义。
[GB/T 31163—2014，定义] 3.3 水平面直接辐射 direct horizontal radiation 水平面上接收到的直接辐射。 [GB/T 31163—2014，定义] 3.4 散射辐射 diffuse radiation；scattering radiation 太阳辐射被空气分子、云和空气中的各种微粒分散成无方向性的、但不改变其单色组成的辐射。 [GB/T 31163—2014，定义] 3.5 [水平面]总辐射 global [horizontal] radiation 水平面从上方2π立体角（半球）范围内接收到的直接辐射和散射辐射之和。 注：改写GB/T 31163—2014，定义。 3.6 地外太阳辐射 extraterrestrial solar radiation 地球大气层外的太阳辐射。 [GB/T 31163—2014，定义] 3.7 辐照度 irradiance 物体在单位时间、单位面积上接收到的辐射能。 注：单位为瓦每平方米（W/m2）。 [GB/T 31163—2014，定义] 3.8 辐照量 irradiation 曝辐量 radiance exposure 在给定时间段内辐照度的积分总量。 注1：单位为兆焦每平方米（MJ/m2）或千瓦时每平方米（kWh/m2）。 注2：1 kWh/m2= MJ/m2；1MJ/m2≈ kWh/m2。
2018年高考地理专题复习-如何判读太阳辐射等值线图
方法技巧：如何判读太阳辐射等值线图太阳辐射等值线图是用来表示年太阳辐射量分布状况的等值线图，最常用的是太阳辐射总量分布图。除此之外，还有能够体现太阳辐射分布的其他相关要素分布图，如云量日均值分布图、日照时数图、光合有效辐射图等。在对其判读时，要从以下几点着手分析： 一、读数值 1．读出图中最大值、最小值，求出差值大小。如下图中最大值为①点，介于6 000～6 500之间，最小值为②点，介于3 000～3 500之间。 某区域太阳年辐射总量等值线分布图 2.关注等值线数值大小的分布趋势，分析其数值变化规律(增大、减小方向)等。如下图多年平均云量日均值变化趋势为：大致由东南向西北减少。 多年平均云量日均值分布图 二、看分布 看等值线的走向、弯曲方向、闭合及疏密。 三、析成因 与太阳相关的等值线图在成因分析上要针对不同的情况进行具体分析。 1．等值线的走向多与纬度、地势高低、山脉走向(迎风坡、背风坡)、海陆
位置等有关。 2．等值线的弯曲多与地形有关。 3．等值线的闭合多与地势高低、山脉走向等有关。 4．等值线的疏密更多与地势起伏大小有关。 5．影响太阳辐射强弱的因素： [温馨提示] 太阳辐射强的地方，热量不一定丰富，如青藏高原，由于海拔高，空气稀薄，水汽、尘埃少，晴天多，太阳辐射强，光照充足；但由于空气稀薄，大气吸收的地面长波辐射很少，大气的保温作用弱，成为我国夏季气温最低的地区。 【典型例题】 (2015·安徽高考)下图表示一年中大气上界单位面积水平面上每日接收到的太阳辐射随纬度的变化，单位为MJ/m2，图中阴影部分表示没有太阳辐射。完成下面两题。 1.图中M日最接近( ) A．春分日B．夏至日 C．秋分日D．冬至日 2.a、b两点太阳辐射差异的影响因素主要为( )
我国太阳辐射分布详解
我国太阳辐射分布详解 我国西部太阳能的年总辐射约为140－200 Kcal/cm2·year，高于东部的80－160Kcal/cm2·year；我国东部、北部地区的年总辐射约为120－160 Kcal/cm2·year，高于南部地区的80－120 Kcal/cm2·year；我国三分之二以上的地区的年日照时数达2000小时，年总辐射大于140 Kcal/cm2?year，应用太阳能空调的前景很好。 特点：1。太阳能资源最好的地区和最差的地区，都分布在北纬22°～35°区域内。尤其是青藏高原，是我国太阳能资源最理想的地区，年辐射量达180～200Kcal/cm2·year。而四川盆地由于处在南北两股暖冷气流交汇处，云雨天气多，形成太阳能资源的低值中心。 2。在北纬30°～40°之间，太阳能资源随纬度增加而增加。 3。北纬40°以上，太阳能资源自东向西逐渐增加。 4。新疆地区太阳能资源分布由东南向西北逐渐减少。 5。台湾地区太阳能资源由东北向西南逐渐增加，海南岛太阳能资源和台湾基本相当。 太阳能利用潜力巨大太阳能资源按日照时间和太阳能辐射量的大小，大致上可分为五类。甘肃省大部分地区属于一、二类地区，太阳辐射比较丰富，平均年日照时间在２３００—２７００小时。有专家测试，在相同水量和温度的前提下，兰州市夏季每天每平方米所接受的太阳热量相当于４千瓦时电转化的热量，冬季则大约相当于２千瓦时到３千瓦时电。 其实这个太阳能的能源分布是有表格的.国内最好的是西藏,青海,最差的是四川,贵州一部 太阳辐射能量不仅具大，对于我们的生产和生活有着非常重要的影响，目前被人类利用的能量几乎都是直接或者间接来自太阳辐射的能量。所以了解和认识我国太阳辐射能分布规律对于充分利用太阳能和指导工农业生产有着重要意义。太阳辐射能分布是影响农业生产光照热量条件的重要因素，也是考试重要的知识点，因此在知识上我们既要了解太阳辐射的分布规律又要会分析太阳辐射分布不同的原因。 一、我国太阳辐射能时空分布规律 1、就时间而言，我国大部分地区们于北半球的中纬度，夏季太阳高度角大光照时间长，各个地区的太阳辐射能夏半年多于冬半年。 2、就空间而言，我国太阳辐射能分布大体上东南向西北递增。 大体上的界线，从大兴安岭向西南，，经北京西侧，兰州，昆明再折向北到西藏南部，这一条线以西、以北广大地区，太阳辐射特别丰富。 二、影响太阳辐射差异的原因分析 影响太阳辐射的因素主要包括纬度高低、地形地势、气候气象条件等方面。我们结合中国太阳年辐射总量的分布图来仔细分析贫乏区、可利用区、较丰富区、丰富区的差异的原因。整体上来看，在我国西部地区由南向北，由青藏高原丰富区向北到新疆中北部地区较丰富区过渡，体现了由于太阳高度的大小关系，太阳年辐射总量由低纬向较高纬度递减规律；东部地区从沿海地区向内陆地区，太阳年辐射总量由可利用区向较丰富区和丰富区过渡，这种和经度地带类似的变化过程，由于距海远近降水多少或者说气候气象条件影响的结果；而几乎在同一纬度地带的青藏高原由于地势较高，空气稀薄形成了丰富区，四川盆地由于盆地地形影响，形成了贫乏区。 具体到太阳年辐射总量高值和低值中心来看，高值和低值中心都处在北纬22º-35º之间，高值的中心在青藏高原，低值的中心在四川盆地。青藏高原能成
太阳直接辐射计算
太阳直接辐射计算导则 1范围 本标准给出了太阳直接辐射计算的基本原则，不同条件下的计算方法和适用范围，以及对计算结果的检验要求。 本标准适用于水平面直接辐射和法向直接辐射的计算。 2规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。 凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。 GB/T 33698 —2017 太阳能资源测量直接辐射 GB/T 34325 —2017 太阳能资源数据准确性评判方法 3术语和定义 下列术语和定义适用于本文件。 3.1 直接辐射direct radiati on 从日面及其周围一小立体角内发出的辐射。 [GB/T 31163 —2014，定义5.11] 注：一般来说，直接辐射是由视场角约为5。的仪器测定的，而日面本身的视场角仅约为0.5 °，因此，它包括日面周围的部分散射辐射，即环日辐射。 3.2 法向直接辐射direct no rmal radiati on 与太阳光线垂直的平面上接收到的直接辐射。 注：从数值上而言，直接辐射与法向直接辐射是相同的；两者的区别在于，直接辐射是从太阳岀射的角度而定义，法向直接辐射则是从地表入射的角度而定义。 [GB/T 31163 —2014，定义5.12] 3.3 水平面直接辐射direct horizo ntal radiation 水平面上接收到的直接辐射。 [GB/T 31163 —2014，定义5.13] 3.4 散射辐射diffuse radiati on ；scatteri ng radiati on
太阳辐射被空气分子、云和空气中的各种微粒分散成无方向性的、但不改变其单色组成的辐射。 [GB/T 31163 —2014，定义5.14] 3.5 [ 水平面] 总辐射global [horizontal] radiation 水平面从上方2 n立体角（半球）范围内接收到的直接辐射和散射辐射之和。注：改写GB/T 31163 —2014，定义 5.15 。 3.6 地外太阳辐射extraterrestrial solar radiation 地球大气层外的太阳辐射。 [GB/T 31163 —2014，定义5.3] 3.7 辐照度irradiance 物体在单位时间、单位面积上接收到的辐射能。注：单位为瓦每平方米（W/m2）。 [GB/T 31163 —2014，定义6.3] 3.8 辐照量irradiation 曝辐量radiance exposure 在给定时间段内辐照度的积分总量。注1：单位为兆焦每平方米（MJ/m2）或千瓦时每平方米（kWh/m2）。 注2： 1 kWh/m2=3.6 MJ/m 2; 1MJ/ni ?0.28 kWh/m2。注3：改写GB/T 31163—2014，定义 6.5 。 3.9 法向直接辐照度direct normal irradiance 与太阳光线垂直的平面上单位时间、单位面积上接收到的直接辐射能。注：单位为瓦每平方米（W/m2）。 3.10 法向直接辐照量direct normal irradiation 在给定时间段内法向直接辐照度的积分总量。 注：单位为兆焦每平方米（Mj/m）或千瓦时每平方米（kwh/m）。 3.11 水平面直接辐照度direct horizontal irradiance 水平面上单位时间、单位面积上接收到的直接辐射能。 注：单位为瓦每平方米（W/m2）。 3.12 水平面直接辐照量direct horizontal irradiation 在给定时间段内水平面直接辐照度的积分总量。
(完整版)影响太阳辐射强弱的因素分析分析
影响太阳辐射强弱的因素分析 JGSLJZ 【知识归纳】 太阳辐射强度是指到达地面的太阳辐射的强弱。大气对太阳辐射的吸收、反射、散射作用，大大削弱了到达地面的太阳辐射。但尚有诸多因素影响太阳辐射的强弱，使到达不同地区的太阳辐射的多少不同。影响太阳辐射强弱的因素主要有以下四个因素。 1．纬度位置 纬度低则正午太阳高度角大，太阳辐射经过大气的路程短，被大气削弱得少，到达地面的太阳辐射就多；反之，则少。这是太阳辐射从低纬向高纬递减的主要原因。 2．天气状况 晴朗的天气，由于云层少且薄，大气对太阳辐射的削弱作用弱，到达地面的太阳辐射就强；阴雨的天气，由于云层厚且多，大气对太阳辐射的削弱作用强，到达地面的太阳辐射就弱。如赤道地区被赤道低压带控制，多对流雨，而副热带地区被副高控制，多晴朗天气，所以赤道地区的太阳辐射要弱于副热带地区。 3．海拔高低 海拔高，空气稀薄，大气对太阳辐射的削弱作用弱，到达地面的太阳辐射就强；反之，则弱。如青藏高原成为我国太阳辐射最强的地区，主要就是这个原因。如青藏高原成为我国太阳辐射最强的地区，主要就是这个原因。 4．日照长短 日照时间长，获得太阳辐射强；日照时间短，获得太阳辐射弱。如我国夏季南北普遍高温，温差不大，是因为纬度越高的地区，白昼时间长，弥补了因太阳高度角低损失的能量。 【典例精析】 1.读“太阳辐射光谱示意图”，下列因素中与A区（大气上界太阳辐射与地球表面太阳辐射差值）多少无关的是（） A．云层的厚薄B．大气污染程度C．大气密度D．气温 【解析】云层的厚薄、大气污染程度以及大气密度都会影响大气透明度进而影响到达地面的太阳辐射的多少。 【答案】D 2.辐射差额是指在某一段时间内物体能量收支的差值。读“不同纬度辐射差额的变化示意图”，若只考虑纬度因素，则a、b、c三地纬度由高到低的排列顺序为（）
中国光资源分布
中国三北地区太阳能资源分布 按接受太阳能辐射量的大小，全国大致上可分为五类地区，如表1.1所示 五类地区分布图见图1.1
内蒙古太阳能资源状况： 内蒙古全区太阳能资源的分布自东部向西南增多，以巴彦淖尔市西部
及阿拉善盟最 多，太阳能总辐射量高达6490～6992兆焦耳/平方米，仅次于青藏高原，处我国的第二位。 一年之中，4～9月辐射总量与日照率都在全年的50%以上。特别是4～6月，东南季风还未推 进到内蒙古境内，所以空气干燥，阴云天气少，日照充足。内蒙古大部分年日照时数都大 于2700小时，其中： 1、巴彦淖尔市西部，日照时数为3100—3300小时。 巴彦淖尔市太阳能资源十分丰富，属我国太阳能资源富集区域。全市各地太阳年总辐 射量为198.8-208.5瓦/平方米之间，由东向西逐步增多。其中，杭锦后旗、五原为200-204 瓦/平方米之间，临河、乌中旗200瓦/平方米。各月总辐射的高值在5、6、7月，其次为8月 、4月和9月，其中5月达到极高值。5、6、7月的太阳高度角为一年中最高的时候，而5月是 降水量最少的月份，此时的云量少，晴天多，日照足，因而辐射强烈;6、7月份随云量和降 水天气的逐渐增多，总辐射量有所下降;8月为降水量多的时期，且日照时数也减少，辐射进一步减弱，其他月份由于太阳高度角低，日照时间短，比5月平均少30小时以上。
青海省位于青藏高原东北部，境内80%以上地区海拨高度3000m。大气层相对稀薄，目 光透过率高，加之气候干旱，降雨量少，无霜期长，云层遮蔽率低，故太阳能辐射资源十 分丰富。其特征为：一是年日照时间长，全省各地年日照时间达2300～3650h，年平均日照 率达60%～80%;二是光辐射强度大，省内各地的辐射总量达586×104～754×104kJ/m2·h。 三是直接辐射比例高。境内西、北部地区一般超过60%，全省直接辐射年平均值为419× 104kJ/m2·h以上。 新疆太阳能资源状况： 新疆水平表面太阳辐照度年总量为5×105～6.5×105 J / (cm2·a)，年平均值为5.8 ×105J/(cm2·a)，年总辐射量比同纬度地区高10%～15%，比长江中下游高15%～25%，仅次 于青藏高原，居全国第二位。太阳辐射峰值出现在东疆和南疆东部一带，最低值出现在博 州、阿尔泰和天山北麓部分地区，年总辐照度的区域分布大致是由东南向西北不均匀递减 。东南部太阳总辐照度多在5.8×105J/(cm2·a)以上，西北部均为5.2×105 J/(cm2·a)。
我国太阳能资源分布概述
我国太阳能资源分布概述 编辑：sunny 作者：马月北京木联能软件技术有限公司高级工程师发表于：2014-04-09 来源：索比太阳能光伏网 摘要：根据过去一些太阳能辐射资源分布的相关研究，基于中国气象局及其下属单位、NREL和NASA 的研究成果，本文将对对我国太阳能资源分布情况进行描述。 Solarbe(索比)光伏太阳能网讯：摘要：根据过去一些太阳能辐射资源分布的相关研究，基于中国气象局及其下属单位、NREL和NASA的研究成果，本文将对对我国太阳能资源分布情况进行描述。 太阳能是一种清洁的、环保的可再生能源。太阳能发电成为目前备受关注的焦点之一。我国太阳能发电正处于蓬勃发展阶段，详细了解我国太阳能资源分布情况能够有效的指导宏观决策，对我国太阳能资源开发具有重要意义。 目前，一些机构已从事太阳辐射观测、数值模拟工作多年，并取得了重要成果。例如，中国气象局及其下属单位建立了多个太阳辐射观测站、气象站，组成了太阳能资源观测网，获取真实的观测资料，并结合气候统计和数值模拟等方法绘制我国太阳能资源气候分布图。美国可再生能源实验室（NREL）研发了太阳辐射气候模式（Climatological Solar Radiation (CSR) Model），结合云盖、水汽和示踪气体信息，并考虑气溶胶数量，计算得到分辨率为40km×40km的月平均太阳辐射数据，该数据免费对外开放。美国航空航天局（NASA）通过对卫星观测数据的反演，免费为用户提供分辨率为1°×1°的太阳辐射数据。 根据过去一些太阳能辐射资源分布的相关研究，基于中国气象局及其下属单位、NREL和NASA的研究成果，下面对我国太阳能资源分布情况进行描述。 一、我国太阳能资源分布概述 我国属太阳能资源丰富的国家之一，全国总面积2/3以上地区年日照时数大于2000小时，年辐射量在5000MJ／m2以上。据统计资料分析，中国陆地面积每年接收的太阳辐射总量为3.3×103～8.4×103MJ/m2，相当于2.4×104亿吨标准煤的储量。 根据国家气象局风能太阳能评估中心划分标准，我国太阳能资源地区分为以下四类： 一类地区（资源丰富带）：全年辐射量在6700~8370MJ/m2。相当于230kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括青藏高原、甘肃北部、宁夏北部、新疆南部、河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部等地。 二类地区（资源较富带）：全年辐射量在5400～6700MJ/m2，相当于180～230kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、江苏中北部和安徽北部等地。
太阳辐射的特性
太阳辐射的特性 昼夜是由于地球自转而产生的，而季节是由于地球的自转轴与地球围绕太阳公转的轨道的转轴呈23°27′的夹角而产生的。地球每天绕着通过它本身南极和北极的“地轴” 自西向东自转一周。每转一周为一昼夜，所以地球每小时自转15°。地球除自转外还循偏心率很小的椭圆轨道每年绕太阳运行一周。地球自转轴与公转轨道面的法线始终成23．5°。地球公转时自转轴的方向不变，总是指向地球的北极。因此地球处于运行轨道的不同位置时，太阳光投射到地球上的方向也就不同，于是形成了地球上的四季变化（见下图）。每天中午时分，太阳的高度总是最高。在热带低纬度地区（即在赤道南北纬度23°27′之间的地区），一年中太阳有两次垂直入射，在较高纬度地区，太阳总是靠近赤道方向。在北极和南极地区（在南北半球大于90°~23°27′），冬季太阳低于地平线的时间长，而夏季则高于地平线的时间 长。 由于地球以椭圆形轨道绕太阳运行，因此太阳与地球之间的距离不是一个常数，而且一年里每天的日地距离也不一样。众所周知，某一点的辐射强度与距辐射源的距离的平方成反比，这意味着地球大气上方的太阳辐射强度会随日地间距离不同而异。然而，由于日地间距离太大（平均距离为1.5 x 108km），所以地球大气层外的太阳辐射强度几乎是一个常数。因此人们就采用所谓“太阳常数”来描述地球大气层上方的太阳辐射强度。它是指平均日地距离时，在地球大气层上界垂直于太阳辐射的单位表面积上所接受的太阳辐射能。近年来通过各种先进手段测得的太阳常数的标准值为1353w／m2。一年中由于日地距离的变化所引起太阳辐射强度的变化不超过上3.4％。 2.2 到达地面的太阳辐射 太阳照射到地平面上的辐射或称“日射”由两部分组成——直达日射和漫射日射。太阳辐射穿过大气层而到达地面时，由于大气中空气分子、水蒸气和尘埃等对太阳辐射的吸收、反射和散射，不仅使辐射强度减弱，还会改变辐射的方向和辐射的光谱分布。因此实际到达地面的太阳辐射通常是由直射和漫射两部分组成。直射是指直接来自太阳其辐射方向不发生改变的辐射；漫射则是被大气反射和散射后方向发生了改变的太阳辐射，它由三部分组成：太阳周围的散射（太阳表面周围的天空亮光），地平圈散射（地平圈周围的天空亮光或暗光），及其他的天空散射辐射。另外，非水平面也接收来自地面的反射辐射。直达日射、漫射日射和反射日射的总和即为总日射或环球日射。可以依靠透镜或反射器来聚焦直达日射。如果聚光率很高，就可获得高能量密度，但却损耗了漫射日射。如果聚光率较低，也可以对部分太阳周围的漫射日射进行聚光。漫射日射的变化范围很大，当天空晴朗无云时，漫射日射为总日射的10％。但当天空乌云密布见不到太阳时，总日射则等于漫射日射。因此聚式收集器采集的能量通常要比非聚式收集器采集的能量少得多。反射日射一般都很弱，但当地面有冰雪覆盖时，垂直面上的反射日射可达总日射的40％。 到达地面的太阳辐射主要受大气层厚度的影响。大气层越厚，对太阳辐射的吸收、反射和散射就越严重，到达地面的太阳辐射就越少。此外大气的状况和大气的质量对到达地面的太阳辐射也有影响。显然太阳辐射穿过大气层的路径长短与太阳辐射的方向有关。参看下图，A为地球海平面上的一点，当太阳在天顶位置S时，太阳辐射穿过大气层到达A点的路径为OA。城阳位于S点时，其穿过大气层到达A 点的路径则为0A。 O，A与 OA之比就称之为“大气质量”。它表示太阳辐射穿过地球大气的路径与太阳在天顶方向垂直入射时的路径之比，通常以符号m表示，并设定标准大气压和O℃时海平面上太阳垂
徐州地区太阳辐射强度的计算..
徐州地区太阳辐射强度的计算 1.1 太阳辐射强度的计算基础知识 1.1.1 日地相对运动与赤纬角 贯穿地球中心与南北两极相连的线称为地轴。地球除了绕地轴自转以每天(24h)为一个周期外；同时又沿椭圆形轨道围绕太阳进行公转，运行周期约为一年。太阳位于椭圆形的一个焦点上。该椭圆形轨道称为黄道，在黄道平面内长半袖约为152 。 短半轴约为 ；椭圆偏心率不大，1月l 日为近日点，日地距离约 ；7月1日为远日点时 ，相差约3％。 一年中任一天的日地距离可以表示为： 81.510[10.017sin(2(93)/365)]R n km π=?+- 式中 R --- 日地距离 ； n --- 为1月1日算起，一年中的第几天 ； 地球的赤道平面与黄道平面的夹角称为赤黄角，它就是地轴与黄道平面法线间的夹角，在一年中的任一时刻皆保持为23.45°。太阳、地球的相对运动如图所示 以太为中心的日-地俯视图
以地球为中心的俯视图 在地球上任一位置观察太阳在天空中每天的视运动是以年为周期性变化的，并取决于太阳赤纬角的大小。赤纬角δ即正午时的太阳光与地球赤道平面间的夹角。取赤道向北为正方向，而向南为负方向，用δ表示。赤纬角δ从+23.45°到-23.45°变化，它导致地球表面上太阳辐射入射角的变化，使白天的长短随季节性有所不同。在赤道地区，从太阳升起到日落的持续时间为12h。但在较高纬度地区，不同季节其昼长就有相当大变化。赤纬角δ是地球围绕太阳运行规律造成的，它使地球上不同的地理位置所接受到的太阳入射光线方向不同，从而形成地球上一年有四季的变化。一年中有四个特殊日期，即：夏至、冬至、春分、秋分。北半球夏至（6月21日或22日）阳光正射北回归线赤纬角δ=23.45°；北半球冬至（12月22日或21日），太阳光线正射南回归线，δ=-23.45°；春分（3月20日或21日）和秋分（9月22日或23日）太阳正射赤道，赤纬角都为零，地球南北半球昼夜长度相等。 赤纬角的日变化可用如下近似表达式计算： δ=+ n 23.45sin[360(284)/365] 式中 n---从1月1日算起一年中的第几天的天数 ; 一年中赤纬角(δ)的变化范围23.45 ±°之间 ; 1.1.2 太阳时和时差
实验一、太阳辐射、光照强度和日照百分率的测定1
气象学实验报告 班级：植保检11-1 姓名：李舒学号：20116340 实验一、太阳辐射、光照强度和日照时数测定 一、实验目的 1.掌握太阳天空辐射表的使用，正确观测太阳直接辐射辐射、散射辐射、净辐射 2.掌握日照计的使用方法，正确光测光照强度 3.掌握日照时数、日照百分率的计算 二、实验器材 天空辐射表、净辐射表、照度计、紫外线照度计、日照记录纸 三、实验原理 1.辐射表示通过感应部位黑白相间的感应器产生热效应，转化为电动势 ): 单位时间内以平行光形式投射到地表单位水平面积上的2.太阳直接辐射(S′ m 太阳辐射能。 3.散射辐射(Ｄ):太阳光线经大气散射后，单位时间内以散射光形式到达地表单位水平面积上的太阳辐射能（散射辐射）。 +Ｄ) : 太阳直接辐射和散射辐射之和，称为太阳总辐射。 4.太阳总辐射(Q= S′ m 5.地面净辐射(B)：单位时间内，单位面积地面所吸收的辐射与放出的辐射之差（也称为地 面辐射差额）。 四、实验步骤与结果 1.天空辐射表、净辐射表的观测、照度计的观测、紫外照度计的观测
（ lx） 24550378005160059300628006170033900 33980305004890049400665006410036500 紫外线光照强度（uw/m2）125.8112.2271285302344230 228.3124.4275301286299197 323 .1100.9267276334387259 从表1可以看出， 图1 天空辐射、直接辐射、净辐射和散射辐射的时间变化规律 图2 光照强度的时间变化规律
图3 紫外线强度的时间变化规律 2. 日照时数及光照百分率的计算（以雅安为例） （1）1993年9月23日的实照时数= 7.6 h 。 （2）1993年9月23日的可照时数= 12h δ = 23.5 sinＮo 因1993年9月23日的Ｎ＝０，所以δ = 23.5 sin0o＝ 0 则这天的可照时数为12h 日照百分率＝（7.6／12）×100﹪＝63.33﹪ 五、讨论 1.天空辐射、直接辐射、散射辐射、净辐射的日变化 由图1可知，天空辐射、直接辐射、净辐射从9点到15点大体上都呈先升高后降低的趋势，且在13点左右达到最大值。由于早上9点太阳未完全升起、大气透明度低等因素，辐射比较弱；随着太阳的升起、大气透明度增加，辐射逐渐增强直至太阳高度角最大时，辐射最强；再随时间推移，辐射减弱。总辐射、直接辐射与太阳高度角呈正相关，而太阳直接辐射越强，散射辐射越弱。 ２光照强度和紫外线光照强度的日变化 由图2、3可知，光照强度和紫外线强度随时间的变化，先升高后降低。因为光照强度和紫外线强度也和太阳高度角呈正相关，而太阳高度角在9点到15点是先增加后降低。 ３(特定时间)日照时数及日照百分率 秋分日和春风日昼夜平分，各为12小时，通过计算得知1993年9月23日雅安的日照时数和日照百分率。实照时数说明太阳直接辐射的时数多少，日照百分率说明晴阴状况。所以这天雅安晴朗，天气比较好。 实验二、土壤温度、空气温度及空气湿度的测定 一、实验目的 1.熟悉测定气温和低温的几种仪器的构造和原理 2.掌握气温和土壤温度的观测方法 3.了解测定空气温度仪器的构造原理 4.掌握差算空气湿度的方法 二、实验器材 通风干湿表、百叶箱、地面温度计、最高温度计、最低温度计。 三、实验步骤
太阳直接辐射计算
太阳直接辐射计算导则 1 围 本标准给出了太阳直接辐射计算的基本原则，不同条件下的计算方法和适用围，以及对计算结果的检验要求。 本标准适用于水平面直接辐射和法向直接辐射的计算。 2 规性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。 GB/T 33698—2017 太阳能资源测量直接辐射 GB/T 34325—2017 太阳能资源数据准确性评判方法 3 术语和定义 下列术语和定义适用于本文件。 3.1 直接辐射 direct radiation 从日面及其周围一小立体角发出的辐射。 [GB/T 31163—2014，定义5.11] 注：一般来说，直接辐射是由视场角约为5°的仪器测定的，而日面本身的视场角仅约为0.5°，因此，它包括日面周围的部分散射辐射，即环日辐射。 3.2 法向直接辐射direct normal radiation 与太线垂直的平面上接收到的直接辐射。 注：从数值上而言，直接辐射与法向直接辐射是相同的；两者的区别在于，直接辐射是从太阳出射的角度而定义，法向直接辐射则是从地表入射的角度而定义。 [GB/T 31163—2014，定义5.12] 3.3 水平面直接辐射direct horizontal radiation 水平面上接收到的直接辐射。 [GB/T 31163—2014，定义5.13] 3.4 散射辐射diffuse radiation；scattering radiation 太阳辐射被空气分子、云和空气中的各种微粒分散成无方向性的、但不改变其单色组成的辐射。 [GB/T 31163—2014，定义5.14] 3.5 [水平面]总辐射global [horizontal] radiation
“中国年太阳辐射总量分布图”的分析【地理必修1】
“中国年太阳辐射总量分布图”的分析【地理必修1】太阳辐射的能量巨大，对于我们的生产和生活有着非常重要的影响，目前被人类利用的能量几乎都是直接或者间接来自太阳辐射的能量。所以认识和了解我国太阳辐射能分布规律对于充分利用太阳能和指导工农业生产有着重要意义。 一、我国太阳辐射能时空分布规律 1.就时间而言，我国大部分地区位于北半球的中纬度，夏季太阳高度角大，光照时间长，各个地区的太阳辐射能夏半年多于冬半年。 2.就空间而言，我国太阳辐射能分布大体上从东南向西北递增。大体上的界线从大兴安岭向西南，经北京西侧、兰州、昆明再折向北到西藏南部，这一条线以西、以北的广大地区，太阳辐射能特别丰富。 二、太阳辐射差异的原因分析 我们已经知道，影响太阳辐射的因素主要包括纬度、天气、海拔和日照等方面。下面结合我国年太阳辐射总量分布图来分析产生贫乏区、可利用区、较丰富区、丰富区的原因。 在我国西部地区由南向北，由青藏高原丰富区向北到新疆中部、北部地区较丰富区过渡，体现了年太阳辐射总量由低纬向较高纬度递减的规律；东部地区从沿海地区向内陆地区，年太阳辐射总量由可利用区向较丰富区(北方)或贫乏区(南方)过渡，这种变化是距海远近引起降水差异或者说天气、气候差异的结果。 我国年太阳辐射总量的高值和低值中心都分布在北纬22°～35°之间，高值中心在青藏高原，低值中心在四川盆地。青藏高原能成为太阳辐射的高值中心，主要是因为海拔高，空气稀薄，空气中含有的尘埃量较少，晴天较多，日照时间较长，到达地面的太阳辐射能量多。而四川盆地为低值中心的原因在于：盆地地形，水汽不易散发，空气中水汽含量多，阴天、雾天较多，从而造成日照的时间短，日照强度弱，太阳能资源贫乏。 三、太阳辐射量对农业生产的影响 一般来说，太阳辐射量越大，光照越充足，光合作用越强，对农业生产越有利。比如新疆南部绿洲农业发展棉花生产，充分利用了充足的光照；再比如青藏高原上雅鲁藏布江谷地农业单产较高的重要原因也是太阳辐射强，光照充足。
太阳辐射波长
太阳辐射 一、太阳辐射光谱和太阳常数 太阳辐射光谱 太阳辐射中辐射能按波长的分布，称为太阳辐射光谱，见图2.4。从图中可看出，大气上界太阳光谱能量分布曲线，与用普朗克黑体辐射公式计算出的6000K的黑体光谱能量分布曲线非常相似。因此可以把太阳辐射看作黑体辐射。太阳是一个炽热的气体球，其表面温度约为6000K，内部温度更高。根据维恩位移定律可以计算出太阳辐射峰值的波长λmax为0.475μm，这个波长在可见光的青光部分。太阳辐射主要集中在可见光部分（0.4～0.76μm），波长大于可见光的红外线（＞0.76μm）和小于可见光的紫外线（＜0.4μm）的部分少。在全部辐射能中，波长在0.15～4μm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约50%，后者占约43%，紫外区的太阳辐射能很少，只占总量的约7%。 太阳常数 太阳辐射通过星际空间到达地球表面。当日地距离为平均值，在被照亮的半个地球的大气上界，垂直于太阳光线，每秒每平方米的面积上，获得的太阳辐射能量称为太阳常数，用Rsc (Solar constant)表示，单位为（W/m2）。太阳常数是一个非常重要的常数，一切有关研究太阳辐射的问题，都要以它为参数。关于太阳常数的研究已有很长历史了，早在20世纪初，人们就已经通过各种观测手段估计它的取值，认为大约应在1350～1400W/m2之间。太阳常数虽然经多年观测，由于观测设备、技术以及理论校正方法的不同，其数值常不一致。据研究，太阳常数的变化具有周期性，这可能与太阳黑子的活动周期有关。在太阳黑子最多的年份，紫外线部分某些波长的辐射强度可为太阳黑子最少年份的20倍。近年来，气候学家指出，只要地球的长期气候发生1%的变化，就会引起太阳常数的变化。目前已有许多无人或有人操作的空间实验对太阳辐射进行直接观测，并在宇宙空间实验站设计了名为“地球辐射平衡”的课题，其中一个重要项目就是对太阳辐射进行长期监视。这些观测数据将对进一步了解大气物理过程及全球气候变迁的原因有很大帮助。1981年世界气象组织推荐的太阳常数值Rsc=1367±7（W/m2），通常采用1367W/m2。 二、太阳辐射在大气中的衰减 太阳辐射通过大气层后到达地球表面。由于大气对太阳辐射有一定的吸收、散射和反射作用，使投射到大气上界的辐射不能完全到达地表面。图2.4最下面的实曲线表示太阳辐射通过大气层被吸收、散射、反射后到达地表的太阳辐射光谱。
第三讲 太阳辐射
第三讲 太阳辐射及大气受热过程 基础知识 一、太阳辐射：太阳以电磁波的形式向宇宙空间放射的能量。 二、太阳辐射的能量来源： 太阳中心的核聚变反应（4 个氢原子核聚变成氦原子核，并放出大量能量） 三、太阳辐射的特点： 太阳辐射是短波辐射，能量主要集中在波长较短的可见光部分。 四、太阳辐射的意义： （1）太阳辐射对地球的影响： ①太阳直接为地球提供了光、热资源，地球上生物的的生长发育离不开太阳。 ②太阳辐射能维持着地表温度，是促进地球水、大气运动和生物活动的主要动力。 ③作为工业主要能源的煤、石油等矿物燃料，是地质历史时期生物固定、积累下来的太阳能。 ④太阳辐射能是我们日常生活和生产所用的能源，是太阳灶、太阳能热水器、太阳能电站的能量来源。 （2）我国年太阳能的地区分布及影响因素 ①太阳能最丰富地区：青藏高原。原因：海拔高，空气稀薄，空气中水气少，尘埃少，透明度好，太阳辐射强，日照时间长。 ②太阳能贫乏地区：四川盆地、云贵高原等。原因：阴雨天多，云雾大，较多地削弱了太阳辐射。 五、太阳年辐射总量的影响因素及空间分布： 1.影响太阳辐射量的因素: 2．我国年太阳辐射总量的空间分布 我国年太阳辐射总量的分布，从总体上看，是从东部沿海向西部内陆逐渐增强。高值中心在青藏高原，低值中心在四川盆地，具体分布如下图所示： 六、全球年太阳辐射的分布： 全球年太阳辐射量大体从低纬度地区向高纬度地区递减，南、北半球纬度值相同的地区太阳辐射量随月份变化的规律相反，但不同季节表现出的结果并不相同。如图所示。 七、我国太阳辐射的分布： 我国太阳辐射分布的高值和低值中心均位于北纬 22。 ～35。 之间；在北纬30。 ～40。 地区，随纬度增高太 阳辐射增加。具体分布如图所示。
地球表面太阳光波长以及分布
地球表面太阳光波长以及分布 太阳辐射通过大气，一部分到达地面，称为直接太阳辐射；另一部分为大气的分子、大气中的微尘、水汽等吸收、散射和反射。太阳辐射经过整层大气时，被散射的太阳辐射一部分返回宇宙空间，另一部分到达地面，到达地面的这部分称为散射太阳辐射。太阳辐射通过大气后，其强度和光谱能量分布都发生变化。到达地面的太阳辐射能量比大气上界小得多(全球平均45%)，在太阳光谱上能量分布在紫外光谱区几乎绝迹(0.29μm以下的紫外线几乎全部被吸收),仅剩3%左右，在可见光谱区减少到44％，而在红外光谱区增至53％。详见附图。 另外地球大气上界的太阳辐射光谱：99％以上在波长0.15～4.0微米之间。大约50％的太阳辐射能量在可见光谱（波长0.4～0.76微米），7％在紫外光谱区（波长<0.4微米），43％在红外光谱区（波长>0.76微米），最大能量在波长0.475微米处。在地面上观测的太阳辐射的波段范围大约为0．295～2．5微米。 减反射膜的厚度经过特殊设计，刚好为入射光的波长的四分之一。计算过程如下，对于折射率为n1薄膜材料，入射光波长为λ0，则使反射最小化的薄膜厚度为d1： d1=λ0/4n1尽管，通过上面的公式，选用相应厚度、折射率膜和相应波长的光，能使反射的光减少到零，但是每一种厚度和折射率只能对应一种波长的光。在光伏应用中，人们设计薄膜的厚度和反射率，以使波长为0.6μm的光的反射率达到最小。因为这个波长的能量最接近太阳光谱能量的峰值。 如果减反射膜的折射率为膜两边的材料的折射率的几何平均数，反射将被进一步降低。即 如果镀上多层减反射膜，能减少反射率的光谱范围将非常宽。但是，对于多数商业太阳能电池来说，这样的成本通常太高。
太阳能辐射计算公式
一、中国太阳能直接辐射的计算方法 ()1bS a Q S +='（1） () 211111S c S b a Q S ++='（2）⊙ ()n c S b a Q S 2122++='（3） S ′为直接辐射平均月（年）总量；Q 为计算直接辐射的起始数据，可采用天文总辐射S 0，理想大气总辐射，Q i ,晴天总辐射Q 0来表示。a ，b ，a 1，b 1，c 1，a 2，b 2，c 2为系数。n 为云量。S 1为日照百分率。 相关系数的计算公式： ()() ()() ()()∑∑∑∑∑∑∑∑∑=========?? ? ??-?? ? ??--= ----= n i n i i i n i n i i i n i n i n i i i i i n i i i n i i i y y n x x n y x y x n y y x x y y x x r 12 12 12 121 1 1 1 2 21 考虑到大气透明度，则有 ()()n c S b a P P P Q n c S b a P P P Q S i m i 2122cos cos sin sin 1 2122++=++='+海 年海 年δ ?δ?（4） 其中m 为大气质量： δ ?δ?cos cos sin sin 1 sinh 1+== Θm 其中，φ为测站的纬度；δ为赤纬角，取每月15日的赤纬值作为月平均值；时角ω统一取中午12时，则ω=0，cosω=1；年P 为测站的年平均气压，P 海为海平面气压，P 海=1013.25mp ，海年P P 为对大气质量进行的高度订正。 对于a 2的计算： 当测站的海拔H≥3000m 时，a 2=0.456； 当H≤3000m 是，若年平均绝对湿度E ≤10.0mb ，则 F a ?-=00284.0688.02 否则F a ?-=01826.07023.02，其中F 为测站沙尘暴日数与浮尘日数之和。 对于（4）式中，系数之间的关系式为 { 011.1039.02222=+-=+b a c a
影响太阳辐射强度的主要因素
大气环境—影响太阳辐射强度的主要因素 一般用太阳辐射中纬度来表示到达地面太阳辐射能量的多少，一个地区的太阳辐射强度受多种因素的影响和制约。 1、太阳高度角 影响太阳辐射强度的最主要因素是太阳高度角。其影响表现在两个方面：一是太阳高度大，等量的光线散布的面积小，光热集中，单位面积获得的太阳辐射能量就多，反之就越少。另一方面，太阳高度角大，太阳经过的大气层的距离短，受到大气的削弱作用小，到达地面的太阳辐射能量就多，反之就越少。 2、云量 云量的多少和云层的厚度对太阳辐射的影响很大，云层越厚，云量越多，对太阳辐射的削弱越多，到达地面的太阳辐射能量就越少，因而晴天比阴天太阳辐射强。 3、地势高低
地势越高，大气越稀薄，大气对太阳辐射的削弱作用就弱，太阳辐射强度就越大。反之则越小。 4.日照时间的长短----日照长，辐射强度大 太阳辐射的影响因素有哪些？ 对于某一个具体的场地，太阳辐射强度将取决于诸多因素，这些因素包括大气条件，地球相对于太阳的位置和附近的障碍物等。 （1）大气条件对太阳辐射的影响 地球表面接受的太阳辐射要受到大气条件的影响而衰减，主要原因是由空气分子、水蒸气和尘埃引起的大气散射和由臭氧、水蒸气和二氧化碳引起的大气吸收。在晴朗夏天的正午时刻，大约有70%的太阳辐射穿过大气层直接到达地球表面；另有7%左右的太阳辐射经大气分子和粒子散射以后，也最终抵达地面；其余的被大气吸收或经散射返回空间。 (2)地球相对太阳位置的影响 地球相对于太阳的相对位置可以通过如下几个指标进行考虑： ①太阳高度角。太阳在地平线以上的高度以地平面与太阳光入射线之间的夹角来测量，称为高度角(或仰角)。太阳高度角愈大，太阳辐射强度愈大。因为对于某一地平面而言，太阳高度角低时，光线穿过大气的路程较长，能量衰减得就较多。同时，又因为光线以较小的角度投射到该地平面上，所以到达地平面的能量就较少。反之，则较多。太阳高度角因时、因地而异：一日之中，太阳高度角正午大于早晚；夏季大于冬季；低纬度地区大于高纬度地区。 ②地球到太阳的距离和地球轴的倾斜同样影响到太阳能辐射量。当6～8月份夏天来到北半球时，地球的北半球朝太阳倾斜。夏季白天时间很长，加之有利的地球轴倾斜，造成了夏季与冬季太阳能辐射总量的巨大差别。 ③日地距离。日地距离是指地球环绕太阳公转时，由于公转轨道呈椭圆形，日地之间的距离则不断改变。由于大气对太阳辐射到达地面之前有很大的衰减作用，而这种衰减因又与太阳辐射穿过大气路程的长短有关系。太阳辐射在大气中经过的路程越长，能量损失得就越多；路程越短．能量损失得越少。所以，地球位于近日点时，获得太阳辐射大于远日点。(3)日照时间 太阳辐射强度与日照时间成正比。日照时间的长短，随纬度和季节而变化。 (4)海拔高度 海拔越高，大气透明度越好，所以从太阳投射来的直接辐射量也就越高。 (5)地形、地貌及障碍物的影响 在日常生活中经常会看到如下现象。当上午或下午太阳斜照时，高大的山峰、树林会遮住太阳，房屋、烟囱等建筑物也会挡住阳光。上述现象在冬天就更为突出，冬天时太阳在地球的南半球上空，在北半球的人看上去太阳离地平线的距离较夏天近得多。由于太阳斜射的影响，阳光更容易被地形、地貌及障碍物遮挡。