直接辐射

来自辐射源方向的未经散射和反射的辐射。

描述

以平行光线的形式直接投射到地面的太阳辐射，称之为太阳直接辐射。

通常以直接辐射通量密度来表示其强弱。它的大小取决于太阳高度角、大气透明度、云量、海拔高度和地理纬度等。太阳高度角越大时,光线通过的大气量越少,辐射分布的面积越小,故太阳直接辐射越强。大气透明度越好,太阳辐射被削弱得越少,直接辐射越强。云层越厚,云量越多,则直接辐射越弱。在浓云密布时,直接辐射可减少为零。海拔高度越高,光线穿过的大气量越少和大气越透明。

影响因子

太阳直接辐射的强弱与许多因子有关，如太阳辐射角、大气透明度、云况、海拔高度等因素，其中前两个是最主要的因素。

（1）太阳高度角

太阳高度角不同时，地表面单位面积上所获得的太阳辐射也就不同。这主要是存在以下两个方面的原因：

①太阳高度角不同，等量的太阳辐射在地面上的散布面积不同。如图1所示，太阳高度角越小，等量的太阳辐射散布的面积就越大，地表单位面积上所获得的太阳辐射就越小。

图1 太阳高度角与受热面大小的关系

②太阳高度角越小，太阳辐射穿过的大气越厚，太阳辐射被减弱越多。如图2所示，当太阳高度角为90°时，通过大气层的射程为AO；当太阳高度角变小时，光线沿CO方向斜射，通过大气的射程为CO。显然，大气厚度CO大于AO，因此太阳辐射被减弱也较多，到达地面的直接辐射就较少。

图2 太阳高度角与太阳辐射穿过大气质量的关系

为了更好地理解这个概念，在此给出“大气光学质量”的概念。指的是在地面为标准气压（1013百帕）时，太阳光垂直投射到地面所经路程中单位截面积的空气柱的质量。不同的太阳高度角，阳光穿过大气的光学质量也不同。表1给出了不同太阳高度角时的大气光学质量数，可见，大气光学质量数随太阳高度角减小而增大，且当太阳高度角较小时，大气光学质量数的变化加大。

表1 不同太阳高度角时的大气光学质量

太阳高度角的大小取决于纬度、季节和一年中的时间，因此直接辐射有明显的日变化、年变化和随纬度的变化。

晴日里，在一天当中，日出、日没时太阳辐射角最小，直接辐射最弱；中午太阳高度角最大，直接辐射最强。同样地，在一年中，直接辐射在夏季最强、冬季最弱。以纬度而言，低纬度地区一年各季太阳高度角都很大，地表面得到的直接辐射比中高纬度地区大得多。

天空有云时，直接辐射减小，厚的云层能全部挡住太阳辐射。太阳辐射角越小，直接辐射穿透云层的能力越弱。

（2）大气透明度

大气透明度的特征用透明系数（p）表示，它是指透过一个大气质量的辐射强度与进入该大气的辐射强度之比。即当太阳位于天顶处，在大气上界太阳辐射通量为I0，而到达地面后的太阳辐射通量为I，则：

p = I / I0

p值表明辐射通过大气后的削弱程度，即大气透明系数。实际上，不同波长的削弱程度也不一样，p仅表征对某种波长的平均削弱情况，如：p = 0.7，表示削弱了30%。

p取决于大气中所含水汽、水汽凝结物和尘粒杂质的多少。水汽凝结物和尘粒杂质多，则大气透明度差，p小，说明太阳辐射被减弱得多，到达地面的太阳辐射相应减少。

大气透明系数和云状决定于天气气候特征，因此直接辐射的大小除与纬度有关外，还与当地的天气气候特征有关。海拔高度高，则太阳辐射通过的大气光学质量数小，到达地面的太阳辐射强。例如，珠穆朗玛峰地区不同高度上的直接辐射值都高于同纬度平原地区的值。

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