霧霾對(duì)太陽(yáng)輻射的影響研究

（吉林建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118）

摘 要：霧霾會(huì)降低太陽(yáng)輻射強(qiáng)度并影響輻射傳輸。本研究采用理論分析和Origin定量擬合分析，以北京市2023年季節(jié)性典型日為例，確定霧霾對(duì)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的影響，定量分析霧霾對(duì)太陽(yáng)輻射的削減，為減輕霧霾對(duì)太陽(yáng)輻射的影響奠定基礎(chǔ)。研究結(jié)果表明：北京市2023年春季典型日霧霾程度波動(dòng)最大，輻射減弱26.72%；夏季典型日霧霾程度較春季波動(dòng)較小，但輻射削減變大，為27.99%；秋季典型日霧霾程度波動(dòng)最小，但霧霾對(duì)太陽(yáng)輻射的影響最為嚴(yán)重，削減率達(dá)33.00%；冬季典型日霧霾對(duì)太陽(yáng)輻射的削減最小，僅為10.00%。表明了隨季節(jié)（氣溫）、時(shí)刻等宏觀條件存在差異，霧霾對(duì)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的影響也存在差異性，但通過(guò)高斯擬合發(fā)現(xiàn)二者保持高相關(guān)性。

關(guān)鍵詞：空氣污染；霧霾；太陽(yáng)輻射

中圖分類號(hào)：X513" " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " " "文章編號(hào)：

Study on the Influence of Haze on Solar Radiation：Taking Beijing as an Example

CHEN Qi，BAI Li*

（School of Municipal and Environmental Engineering， Jilin Jianzhu University， Changchun Jilin 130118，China）

Abstract：Smog can reduce the intensity of solar radiation and affect radiation transmission. This study adopts theoretical analysis and Origin quantitative fitting analysis， and takes the seasonal typical days in Beijing in 2023 as an example to determine the impact of haze on solar radiation intensity and quantitatively analyze the reduction of solar radiation caused by haze， laying a foundation for reducing the impact of haze on solar radiation. The results show that the haze degree of typical days in 2023 in Beijing has the largest fluctuation， and the radiation decreases by 26.72%，the typical daily haze degree in summer fluctuated less than that in spring， but the radiation reduction was larger， which was 27.99%，in autumn， the haze degree fluctuated the least， but the haze had the most serious effect on solar radiation， with a reduction rate of 33.00%，typical daily haze in winter has the smallest reduction of solar radiation， only 10.00%.It shows that there are differences in macroscopic conditions such as season （temperature） and time， and the influence of haze on solar radiation intensity is also different. However， through Gaussian fitting， it is found that the two are still highly correlated.

Keywords： air pollution; haze; solar radiation

0 引言

隨著我國(guó)“雙碳”戰(zhàn)略的實(shí)施，以化石燃料為主的能源結(jié)構(gòu)不斷改善，近年來(lái)，太陽(yáng)能等新能源得到迅速發(fā)展，與此同時(shí)，全球范圍內(nèi)太陽(yáng)能利用也出現(xiàn)新的高潮[1]。預(yù)計(jì)2021年至2025年光伏累計(jì)總裝機(jī)量年均復(fù)合增長(zhǎng)率為18.9%，年均新增裝機(jī)67.4 GW，構(gòu)建2025年‘雙碳’目標(biāo)并積累裝機(jī)581 GW[2]。光伏技術(shù)正在蓬勃發(fā)展，但光伏技術(shù)最基礎(chǔ)的支撐就是太陽(yáng)輻射，且太陽(yáng)輻射具有一定間歇性和不穩(wěn)定性，不僅受白晝黑夜的影響，還受地域與天氣等自然條件的影響[3]。想要全面提升光伏技術(shù)，應(yīng)解決太陽(yáng)輻射需要面臨的困境，霧霾環(huán)境就是問(wèn)題之一。因此許多學(xué)者開始了相關(guān)研究，李金嵐[4]研究了霧霾天氣的成因及防治措施，表述了解決霧霾影響的緊迫性。趙明智等[5]研究了霧霾對(duì)光伏組件輸出特性的影響，結(jié)合實(shí)驗(yàn)分析得出霧霾導(dǎo)致光伏輸出功率下降46.5%～70.1%，凸顯霧霾的嚴(yán)重影響。陳曉波等[6]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究提出了光伏霧霾指數(shù)的概念，更加科學(xué)地定義霧霾與光伏的關(guān)系。此外還有學(xué)者的研究涉及氣象條件、地形條件、云層厚度、濕度、風(fēng)向風(fēng)速等定性分析[7]。隨著研究的深入，定量分析霧霾對(duì)太陽(yáng)輻射的重要性顯露出來(lái)，定量分析不僅有助于更加全面、精確分析霧霾對(duì)太陽(yáng)輻射的影響，還為后續(xù)研究提供指導(dǎo)和預(yù)測(cè)，所以本文以定量分析的角度，開展霧霾對(duì)太陽(yáng)輻射影響的研究。

1 霧霾對(duì)太陽(yáng)輻射影響的理論分析

霧霾是水分子相對(duì)濕度超過(guò)潮解點(diǎn)的“霧”（大氣中懸浮的小水滴或冰晶組成的水汽凝結(jié)物）直徑多為0.01 ？m～10 ？m，與“霾”（空氣中懸浮的氣溶膠顆粒）發(fā)生水合作用后迅速膨脹而形成[8]。霧霾中光吸收性成分占41%～57%，會(huì)吸收太陽(yáng)輻射并增加散射，引起環(huán)境亮度、溫度、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度變化[9]，它削弱了到達(dá)空氣中的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度。

1.1 霧霾對(duì)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的影響

霧霾，作為社會(huì)發(fā)展和環(huán)境變化的產(chǎn)物，對(duì)太陽(yáng)輻射造成了負(fù)面的影響[10]。2012年范學(xué)花等[11]在大氣氣溶膠輻射特性參數(shù)的觀測(cè)與研究中提出，Howeamp;Burrows首次量化了霧霾對(duì)GJ 1214b大氣透射譜的影響，得出霧霾中的顆粒物會(huì)導(dǎo)致紫外線光解的結(jié)論。2019年Sweerts等[12]研究統(tǒng)計(jì)了中國(guó)的119個(gè)站點(diǎn)的觀測(cè)輻射數(shù)據(jù)，表明在1960年至2015年間，由于霧霾污染，中國(guó)的太陽(yáng)輻射量平均下降了11～15％，可見光輻射與最大輻射強(qiáng)度都受到影響，霧霾減少的輻射在整個(gè)光譜中并不均勻，到達(dá)光伏組件的光譜較正常的藍(lán)光豐富度要低得多，說(shuō)明霧霾會(huì)導(dǎo)致接收的光譜發(fā)生變化。與此同時(shí)，霧霾程度的不同通常伴隨其顆粒物粒徑的變化，會(huì)給太陽(yáng)輻射帶來(lái)不同的影響，2019年張敏等[13]通過(guò)天津城區(qū)Mie理論反演消光實(shí)驗(yàn)，證明了霧霾中不同粒徑顆粒物對(duì)太陽(yáng)輻射的貢獻(xiàn)率不同，最小僅為3%，但最大可達(dá)到15%。

此外，霧霾中的顆粒物與空氣中的水蒸氣發(fā)生水合反應(yīng)，使得顆粒物粒徑增大，不對(duì)稱因子變大，前向散射能力增加，導(dǎo)致輻射傳輸困難[14]。霧霾中的顆粒物濃度越高，吸收組分消光能力就越強(qiáng)，地表輻射量下降就越多[15]。2013年Nobre等[16]人通過(guò)新加坡空氣污染研究顯示，霧霾環(huán)境下地表輻射損失達(dá)20%，霧霾給太陽(yáng)輻射傳輸帶來(lái)了嚴(yán)重的影響。

2 霧霾影響定量分析的研究條件

上述研究理論上闡釋了霧霾對(duì)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的影響及其程度，揭示了霧霾影響太陽(yáng)輻射的理論原因。本文將進(jìn)一步分析霧霾對(duì)太陽(yáng)輻射的削減，確定不同霧霾條件對(duì)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的削弱率，定量分析其對(duì)太陽(yáng)輻射的影響。

2.1 選取北京市進(jìn)行空間定位研究的代表性

太陽(yáng)輻射作為最常見的自然資源之一，其強(qiáng)度取決于該區(qū)域的緯度、維度、晝夜長(zhǎng)短和天氣狀況等。定量分析霧霾對(duì)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的影響也必須確定研究對(duì)象的地理位置。確定選取北京市作為本研究的空間定位，綜合考慮下述原因：①北京市的地理和政治、經(jīng)濟(jì)位置，霧霾程度對(duì)于全國(guó)來(lái)講都具有特殊性；②北京市地區(qū)太陽(yáng)能資源較豐富，太陽(yáng)能普及性較高，具有必要性，北京市積極響應(yīng)國(guó)家的雙碳戰(zhàn)略，致力于光伏利用與城市融合發(fā)展，近十年北京市光伏利用已位居全國(guó)第一；③北京市作為首都，經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展帶來(lái)的空氣環(huán)境問(wèn)題較為突出，以北京市為中心的周邊地區(qū)不斷分擔(dān)北京市的環(huán)境壓力，霧霾情況與北京市相似，研究成果具有典型性和緊迫性。

2.2 霧霾影響定量分析時(shí)間條件確定

AQI是考量霧霾程度的常用參量，城市（地區(qū)）的AQI是瞬時(shí)變化的，本研究利用統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)方法計(jì)算出北京市AQI分時(shí)段平均數(shù)值，以此作為定量分析的大氣霧霾程度參量。本著既簡(jiǎn)化計(jì)算量又具有代表性的定量分析，本研究選取北京市2023年各季節(jié)中最具季節(jié)代表性的一天進(jìn)行計(jì)算；為進(jìn)一步區(qū)分不同氣候條件對(duì)太陽(yáng)輻射的影響，將其劃分為4個(gè)階段，即“四季”的春、夏、秋、冬，以此進(jìn)行定量分析。

3 霧霾對(duì)太陽(yáng)輻射影響的定量分析

通過(guò)上述分析，從理論上明晰了霧霾影響太陽(yáng)輻射的原因和影響規(guī)律，也為進(jìn)一步開展霧霾對(duì)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的削弱的量化研究明確了前提條件。

3.1 霧霾對(duì)太陽(yáng)輻射影響的定量分析

本研究通過(guò)北京市2023年全年各季節(jié)的AQI數(shù)據(jù)；并依據(jù)NASA實(shí)測(cè)的全時(shí)段太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)，得到每小時(shí)太陽(yáng)輻射量（G0），同時(shí)計(jì)算出霧霾造成太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的日均削減率，其中關(guān)鍵數(shù)據(jù)見表1。

分析表1可以得出：北京市一年四季中春天時(shí)刻的霧霾程度變化最為嚴(yán)重，霧霾造成太陽(yáng)輻射強(qiáng)度削減量117.95 W/m2，輻射減弱26.72%。夏季時(shí)刻霧霾雖未有春季嚴(yán)重，但對(duì)太陽(yáng)輻射產(chǎn)生的削減率較接近，為27.99%，太陽(yáng)輻射削減量為80.02 W/m2。秋季時(shí)刻霧霾程度變化最小，給太陽(yáng)輻射強(qiáng)度帶來(lái)最為嚴(yán)重的削弱率，為33.00%，輻射強(qiáng)度減弱79.48 W/m2。冬季時(shí)刻霧霾對(duì)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的削減最弱，僅為10.00%，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度減弱26.8 W/m2。

上述數(shù)據(jù)說(shuō)明：霧霾程度并不是影響太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的唯一參量，季節(jié)（氣溫）、時(shí)刻等宏觀條件不同，霧霾對(duì)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度影響的差異性較大，這與人們以往的認(rèn)知是有偏差的。

3.2 霧霾對(duì)太陽(yáng)輻射影響的擬合分析

通過(guò)上述霧霾對(duì)太陽(yáng)輻射的定量分析，可以直觀得出霧霾對(duì)太陽(yáng)輻射的定量削弱。本文根據(jù)光伏霧霾指數(shù)的概念[6]（ξ：水平面理論輻射量與霧霾天氣下實(shí)際太陽(yáng)輻射量之比），計(jì)算霧霾和太陽(yáng)輻射的規(guī)律關(guān)系，并通過(guò)Origin進(jìn)行相關(guān)性擬合，公式如下：

式（1）～（2）中：

Q理為無(wú)霧霾天氣光伏板理論接收輻射量，W/m2；Q實(shí)為有霧霾天氣下太陽(yáng)輻射量，W/m2。

室外無(wú)霧霾環(huán)境下水平面太陽(yáng)輻射強(qiáng)度可以近似認(rèn)為晴朗天氣下的太陽(yáng)輻射量，通常用IH表示，水平面太陽(yáng)輻射強(qiáng)度計(jì)算公式：

式（3）～（9）中：為地球軌道的偏心修正系數(shù)；為散射輻射量，W/m2；為水平面直接輻射量，W/m2；為太陽(yáng)常數(shù)（通常為1 367 W/m2）；PAM為大氣透明度；AM為大氣光學(xué)質(zhì)量，無(wú)量綱；太陽(yáng)高度角，（°）；為赤緯角，（°）；w為太陽(yáng)時(shí)角，（°）；為當(dāng)?shù)氐乩砭暥龋粸橐荒曛心骋惶斓捻樞驍?shù)（本文取60～91）。

以北京市各季節(jié)霧霾的典型日為例，由公式（1）～（9）計(jì)算出當(dāng)天霧霾程度（AQI）最高和最低時(shí)刻的光伏霧霾指數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表2。

分析表2可以得出：春季典型日，霧霾程度逐漸減弱66.9%，ξ變化區(qū)間為1.55～2.1，實(shí)際太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較理論值降低179 W/m2～458.58 W/m2。夏季典型日，霧霾程度逐漸減弱63.5%，ξ變化區(qū)間為2.375～1.71，實(shí)際太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較理論值降低65.97 W/m2～284.52 W/m2。秋季典型日，霧霾程度逐漸減弱23%，ξ變化區(qū)間為2.236～2.078，實(shí)際太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較理論值降低199.64 W/m2～259.75 W/m2。冬季典型日，霧霾程度逐漸減弱49.3%，ξ變化區(qū)間為2.15～1.79，實(shí)際太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較理論值降低194.92 W/m2～222.23 W/m2。根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)霧霾程度（AQI）和光伏霧霾指數(shù)（ξ）進(jìn)行高斯擬合，并將結(jié)果繪制如圖1所示。

通過(guò)圖1可以得出：霧霾程度（AQI）從66增加到181，ξ隨其上升而增大，并達(dá)到頂峰，擬合系數(shù)（R）＞0.9，充分說(shuō)明霧霾程度和ξ具備強(qiáng)烈的相關(guān)性。且ξ由理論太陽(yáng)輻射和實(shí)際太陽(yáng)輻射計(jì)算得出進(jìn)而表明：霧霾程度和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度具備相關(guān)性，其高斯關(guān)系式為，霧霾程度越嚴(yán)重，光伏霧霾指數(shù)越大，實(shí)際太陽(yáng)輻射強(qiáng)度越弱，霧霾對(duì)太陽(yáng)輻射帶來(lái)了嚴(yán)重削減。

4 結(jié)論

1） 通過(guò)理論分析霧霾對(duì)太陽(yáng)輻射的影響得出：霧霾中光吸收性成分占比較大，霧霾出現(xiàn)時(shí)不僅吸收太陽(yáng)輻射并增加散射，還會(huì)導(dǎo)致大氣光學(xué)厚度增加，降低環(huán)境亮度，積極采取措施降低霧霾對(duì)太陽(yáng)輻射的影響具有必要性和緊迫性。

2） 通過(guò)以北京市2023年季節(jié)典型日數(shù)據(jù)為例，定量分析霧霾對(duì)太陽(yáng)輻射的影響，結(jié)論如下：①北京市一年四季中春天時(shí)刻的霧霾程度變化最為嚴(yán)重，霧霾造成太陽(yáng)輻射強(qiáng)度削減量最多，為117.95 W/m2，但對(duì)太陽(yáng)輻射產(chǎn)生的削減率卻是秋季時(shí)刻最高，為33.00%。而冬季時(shí)刻霧霾對(duì)太陽(yáng)輻射的削減率和輻射量皆為最小，僅為10%和26.8 W/m2。說(shuō)明季節(jié)（氣溫）、時(shí)刻等宏觀條件的不同，霧霾對(duì)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的影響存在差異性。②春季典型日，霧霾程度變化最大，實(shí)際太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較理論值降低179.14 W/m2～485.58 W/m2，但 卻是夏季典型日變化最大，為0.665。秋季典型日，霧霾程度變化最低，ξ為0.158，實(shí)際太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較理論值降低199.64 W/m2～259.75 W/m2。再次說(shuō)明了影響差異性的存在。③通過(guò)霧霾程度和ξ的數(shù)值變化得出其擬合系數(shù)（R）＞0.9，充分表明霧霾會(huì)對(duì)太陽(yáng)輻射帶來(lái)了嚴(yán)重削減，霧霾程度越嚴(yán)重，光伏霧霾指數(shù)越大，實(shí)際太陽(yáng)輻射強(qiáng)度就越弱。

太陽(yáng)輻射作為光伏利用的基本條件，被霧霾減弱其輻射強(qiáng)度，既是太陽(yáng)資源的無(wú)端浪費(fèi)，也是實(shí)現(xiàn)光伏技術(shù)高效運(yùn)行的“擋路石”。目前我國(guó)大力推動(dòng)“雙碳”和“節(jié)能減排”發(fā)展戰(zhàn)略的全面實(shí)施，不僅要在源頭上降低溫室氣體等大氣污染物排放減少霧霾發(fā)生，也積極為全球范圍的環(huán)境友好、人與自然和諧共生承擔(dān)國(guó)家責(zé)任，為我國(guó)乃至全世界提供光伏技術(shù)高效運(yùn)用提供良好環(huán)境。相信隨著霧霾影響太陽(yáng)輻射問(wèn)題的不斷深入研究，“霧霾”將僅僅是太陽(yáng)輻射進(jìn)行實(shí)際預(yù)測(cè)的環(huán)境變量，而不會(huì)給輻射強(qiáng)度帶來(lái)減弱。

參 考 文 獻(xiàn)

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編輯：楊洋

基金項(xiàng)目：國(guó)家十四五重點(diǎn)研發(fā)課題（2023YFC3804702）

作者簡(jiǎn)介：陳 啟（2000～），男，河北省秦皇島市人，碩士研究生，研究方向：太陽(yáng)能光伏利用。

*通信作者：白 莉（1964～），女，吉林省長(zhǎng)春市人，教授，博士，研究方向：室內(nèi)空氣污染控制、清潔能源應(yīng)用技術(shù)。