大气层对太阳辐射的影响探析

4.1节讨论了大气层辐射量的计算公式，虽然大气层厚度约为30km，不及地球直径的1/400，却对太阳辐射的数量和分布都有较大的影响，到达地面的太阳辐射量会因大气的吸收、反射和散射而变化。本节讨论影响太阳辐射的主要因素。

1.大气质量

到达地面的太阳辐射量与太阳光线通过大气层时的路径长短有关，路径越长表示被大气吸收、反射、散射的可能越多，到达地面的越少。把太阳直射光线通过大气层时的实际光学厚度与大气层法向厚度之比称为大气质量，以符号m表示。在海平面上，当太阳处于天顶位置（即直射头顶）时，m＝1；而当天顶角θZ＝60°时，m＝2。除很大的天顶角（m＞3，这时地球的曲率不能忽略）外，有

图4.2　太阳在大气中的入射路径

图4.3　不同大气质量的太阳辐射光谱

由图4.2可见，当时θZ＝0，太阳在天顶m＝1；当θZ＝60°时，m＝2。太阳高度角α越小，m越大，地面受到的太阳辐射就越少，当α＝0°时，对应于太阳落山的情形。北半球夏至日时，太阳辐射直射北回归圈地区，该天的赤纬角δ正好与地理纬度φ相等，午时太阳高度角α＝90°时，m＝1，阳光最强烈。这天北极的太阳高度角为23.5°。尽管日照24h，但太阳光线通过大气层的路径约为北回归线处的2.5倍，辐射量较小，加上冰雪的高反射率，不易吸收阳光等因素，是造成极区严寒的原因。图4.3给出5种不同大气质量的太阳辐射光谱，m＝1、m＝4、m＝7、m＝10。它们是在很洁净的大气条件下绘制的，大气凝结水高度为20mm，臭氧层厚度为3.4mm。其中，m＝0，代表大气层外的太阳辐射光谱不受大气层影响。

2.大气层的吸收和散射

大气质量m只是从一个方面反映大气层对太阳辐射的影响。大气中的空气分子、水蒸气和灰尘使太阳光线的能量减小并改变其传播方向，这种衰减和变向的综合作用称为散射，还要考虑大气中氧、臭氧、水分、二氧化碳对辐射的吸收作用。图4.4表明，紫外线部分主要被臭氧吸收，红外线由水蒸气及二氧化碳吸收。小于0.29μm的短波几乎全被大气层的臭氧吸收，在0.29～0.35μm范围内臭氧的吸收能力降低，但在0.6μm处还有一个弱吸收区。水蒸气对波长为1.0μm、1.4μm和1.8μm的辐射都有强吸收带。波长大于2.3μm的辐射大部分被水蒸气及二氧化碳吸收，到达地面时不到大气层外辐射的5%。考虑到大气的散射和吸收，到达地面的太阳辐射中紫外线范围占5%（大气层外为7%），可见光占45%（大气层外为47.3%），红外线占50%（大气层外为45.7%）。

图4.4　太阳辐射被大气层吸收的分布情况

3.大气透明度

大气透明度τ（或浑浊度）是另一个影响太阳辐射的主要因素。它是气象条件、海拔、大气质量、大气组成（如水汽、气溶胶含量）等因素的复杂函数。中外科学家在这方面做了许多的研究，想通过建立大气透明度的精确模型直接计算到达地面的太阳辐射量。下面介绍Hottle（1976年）提出标准晴空大气透明度计算模型。对于直射辐射的大气透明度τb为(www.xing528.com)

式中：a0、a1、k为具有23km能见度的标准晴空大气的物理常数。

当海拔小于2.5km时，可首先算出相应的a0*、a1*和k*在通过考虑气候类型的修正系数，最后求出a0、a1*和k；a0*、a1*和k*的计算公式为

式中：A为海拔高度，km。

修正系数由表4.2给出。

表4.2　考虑气候类型的修正系数

对于散射辐射，相应的大气透明度为

上述大气透明度公式是在标准晴空（23km能见度）下考虑了大气质量（即太阳天顶角）、海拔和4种气候类型所建的数学模型。我国学者从大气中水汽和气溶胶含量、大气质量以及海拔等因素研究大气透明度，也取得了很好的结果。用他们的公式反演地面可能的辐照度与实测结果比较一致，由于篇幅关系，这里不做详细介绍。

4.云的吸收和反射

云对太阳辐射有明显的吸收和反射作用，它是研究大气影响的一个综合指标。云的形状和大气质量对太阳辐射的影响见表4.3所示。通常把云量分为11级（由0～10），按云占天空面积的百分比来区分。例如，大气质量m＝1.1时，天空如果全部由雾占满，这时辐射量仅为晴天的17%；如布满绢云，则为85%等。

表4.3　辐射量在全天云与全天晴相比时的百分率　%