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工程科技雾霾对太阳辐射的影响研究以北京市为例陈启，白莉*（吉林建筑大学市政与环境工程学院，吉林长春13 0 118）北方建筑第9 卷第2 期2 0 2 4 年4 月DO1:10.3969/j.issn.2096-2118.2024.02.001摘要：雾霾会降低太阳辐射强度并影响辐射传输。本研究采用理论分析和Origin定量拟合分析，以北京市2 0 2 3年季节性典型日为例，确定雾霾对太阳辐射强度的影响，定量分析雾霾对太阳辐射的削减，为减轻雾霾对太阳辐射的影响奠定基础。研究结果表明：北京市2 0 2 3 年春季典型日雾霾程度波动最大，辐射减弱2 6.7 2%；夏季典型日雾霾程度较春季波动较小，但辐射削减变大，为2 7.9 9%；秋季典型日雾霾程度波动最小，但雾霾对太阳辐射的影响最为严重，削减率达3 3.0 0%；冬季典型日雾霾对太阳辐射的削减最小，仅为10.0 0%。表明了随季节（气温）、时刻等宏观条件存在差异，雾霾对太阳辐射强度的影响也存在差异性，但通过高斯拟合发现二者保持高相关性。关键词：空气污染；雾霾；太阳辐射中图分类号：X513Study on the Influence of Haze on Solar Radiation:文献标识码：ATaking Beijing as an Example文章编号：2 0 9 6-2 118(2 0 2 4)0 2-0 0 0 3-0 4CHEN 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 adoptstheoretical analysis and Origin quantitative fitting analysis,and takes the seasonal typical days in Beijing in 2023as an example to determine the impact of haze on solar radiation intensity and quantitatively analyze the reduc-tion of solar radiation caused by haze,laying a foundation for reducing the impact of haze on solar radiation.Theresults show that the haze degree of typical days in 2023 in Beijing has the largest fluctuation,and the radiationdecreases by 26.72%;the typical daily haze degree in summer fluctuated less than that in spring,but the radia-tion reduction was larger,which was 27.99%;in autumn,the haze degree fluctuated the least,but the haze hadthe most serious effect on solar radiation,with a reduction rate of 33.0%;typical daily haze in winter has thesmallest reduction of solar radiation,only 10.o0%.It shows that there are differences in macroscopic conditionssuch 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 radiation0引言随着我国“双碳”战略的实施，以化石燃料为主的能源结构不断改善,近年来，太阳能等新能源得到迅速发展，与此同时，全球范围内太阳能利用也收稿日期：2 0 2 4-0 2-2 9基金项目：国家十四五重点研发课题（2 0 2 3 YFC3804702）作者简介：陈启（2 0 0 0 ）,男，河北省秦皇岛市人，硕士研究生，研究方向：太阳能光伏利用。*通信作者：白莉（19 6 4 ），女，吉林省长春市人，教授，博士，研究方向：室内空气污染控制、清洁能源应用技术，E-amil:NORTHERNARCHITECTURE3北方建筑出现新的高潮。预计2 0 2 1年至2 0 2 5 年光伏累计不同通常伴随其颗粒物粒径的变化，会给太阳辐射总装机量年均复合增长率为18.9%，年均新增装机带来不同的影响，张敏等113 1通过天津城区Mie理论67.4GW，构建2 0 2 5 年“双碳”目标并积累装机5 8 1反演消光实验，证明了雾霾中不同粒径颗粒物对太GW(21。光伏技术正在蓬勃发展，但光伏技术最基础阳辐射的贡献率不同，最小仅为3%，但最大可达到的支撑就是太阳辐射,且太阳辐射具有一定间歇性15%。和不稳定性，不仅受白昼黑夜的影响,还受地域与此外，雾霾中的颗粒物与空气中的水蒸气发生天气等自然条件的影响3 。想要全面提升光伏技术，水合反应,使得颗粒物粒径增大,不对称因子变大，应解决太阳辐射需要面临的困境，雾霾环境就是问前向散射能力增加,导致辐射传输困难(14 。雾霾中的题之一。因此许多学者开始了相关研究,李金岚4 研颗粒物浓度越高，吸收组分消光能力就越强，地表究了雾霾天气的成因及防治措施，表述了解决雾霾辐射量下降就越多15 。Nobre等16 人通过新加坡空气影响的紧迫性。赵明智等(5 研究了雾霾对光伏组件污染研究显示，雾霾环境下地表辐射损失达2 0%，输出特性的影响，结合实验分析得出雾霾导致光伏雾霾给太阳辐射传输带来了严重的影响。输出功率下降4 6.5%7 0.1%，凸显雾霾的严重影响。陈晓波等(6 通过实验研究提出了光伏雾霾指数的概念,更加科学地定义雾霾与光伏的关系。此外还有学者的研究涉及气象条件、地形条件、云层厚度、湿度、风向风速等定性分析(7 。随着研究的深入，定量分析雾霾对太阳辐射的重要性显露出来,定量分析不仅有助于更加全面、精确分析雾霾对太阳辐射的影响，还为后续研究提供指导和预测,所以本文以定量分析的角度，开展雾霾对太阳辐射影响的研究。1雾霾对太阳辐射影响的理论分析雾霾是水分子相对湿度超过潮解点的“雾”（大气中悬浮的小水滴或冰晶组成的水汽凝结物)直径多为0.0 1m10m,与“霾（空气中悬浮的气溶胶颗粒)发生水合作用后迅速膨胀而形成8。雾霾中光吸收性成分占4 1%5 7%，会吸收太阳辐射并增加散射，引起环境亮度、温度、太阳辐射强度变化9，它削弱了到达空气中的太阳辐射强度。1.1雾霾对太阳辐射强度的影响雾霾，作为社会发展和环境变化的产物，对太阳辐射造成了负面的影响10 1。范学花等111在大气气溶胶辐射特性参数的观测与研究中提出，Howe&Burrows首次量化了雾霾对GJ1214b大气透射谱的影响，得出雾霾中的颗粒物会导致紫外线光解的结论。Sweerts等(12 研究统计了中国的119 个站点的观测辐射数据，表明在19 6 0 年至2 0 15 年间，由于雾霾污染,中国的太阳辐射量平均下降了11%15%，可见光辐射与最大辐射强度都受到影响，雾霾减少的辐射在整个光谱中并不均匀，到达光伏组件的光谱较正常的蓝光丰富度要低得多，说明雾霾会导致接收的光谱发生变化。与此同时,雾霾程度的4NORTHERNARCHITECTURE第9 卷2雾霾影响定量分析的研究条件上述研究理论上阐释了雾霾对太阳辐射强度的影响及其程度,揭示了雾霾影响太阳辐射的理论原因。本文将进一步分析雾霾对太阳辐射的削减，确定不同雾霾条件对太阳辐射强度的削弱率，定量分析其对太阳辐射的影响。2.1选取北京市进行空间定位研究的代表性太阳辐射作为最常见的自然资源之一,其强度取决于该区域的纬度、维度、昼夜长短和天气状况等。定量分析雾霾对太阳辐射强度的影响也必须确定研究对象的地理位置。确定选取北京市作为本研究的空间定位，综合考虑下述原因：北京市的地理和政治、经济位置，雾霾程度对于全国来讲都具有特殊性；北京市地区太阳能资源较丰富，太阳能普及性较高，具有必要性，北京市积极响应国家的“双碳”战略，致力于光伏利用与城市融合发展，近十年北京市光伏利用已位居全国第一；北京市作为首都，经济社会发展带来的空气环境问题较为突出，以北京市为中心的周边地区不断分担北京市的环境压力，雾霾情况与北京市相似，研究成果具有典型性和紧迫性。2.2雾霾影响定量分析时间条件确定AQI是考量雾霾程度的常用参量,城市（地区）的AQI是瞬时变化的，本研究利用统计数学方法计算出北京市AQI分时段平均数值，以此作为定量分析的大气雾霾程度参量。本着既简化计算量又具有代表性的定量分析，本研究选取北京市2 0 2 3 年各季节中最具季节代表性的一天进行计算；为进一步区分不同气候条件对太阳辐射的影响,将其划分为4个阶段，即“四季”的春、夏、秋、冬，以此进行定量分析。第2 期3雾霾对太阳辐射影响的定量分析通过上述分析，从理论上明晰了雾霾影响太阳辐射的原因和影响规律,也为进一步开展雾霾对太阳辐射强度的削弱的量化研究明确了前提条件。3.1雾霾对太阳辐射影响的定量分析本研究通过北京市2 0 2 3 年全年各季节的AQI数据，并依据NASA实测的全时段太阳辐射数据，得到每小时太阳辐射量（G。）,同时计算出雾霾造成太阳辐射强度的日均削减率,其中关键数据见表1。表12 0 2 3 年北京市雾霾对太阳辐射的日削减率最值AQI/(gm)春138(7:00)夏66(7:00)181(16:00)秋148(7:00)114(16:00)冬142(8:00)分析表1可以得出：北京市一年四季中春天时刻的雾霾程度变化最为严重，雾霾造成太阳辐射强度削减量117.9 5 W/m,辐射减弱2 6.7 2%。夏季时刻雾霾虽未有春季严重，但对太阳辐射产生的削减率较接近，为2 7.9 9%，太阳辐射削减量为8 0.0 2 W/m秋季时刻雾霾程度变化最小，给太阳辐射强度带来最为严重的削弱率，为3 3.0 0%，辐射强度减弱7 9.4 8W/m。冬季时刻雾霾对太阳辐射强度的削减最弱，仅为10.0 0%，太阳辐射强度减弱2 6.8 W/m。上述数据说明：雾霾程度并不是影响太阳辐射强度的唯一参量，季节（气温）、时刻等宏观条件不同,雾霾对太阳辐射强度影响的差异性较大,这与人们以往的认知是有偏差的。3.2雾霾对太阳辐射影响的拟合分析通过上述雾霾对太阳辐射的定量分析，可以直观得出雾霾对太阳辐射的定量削弱。本文根据光伏雾霾指数的概念(6（：水平面理论辐射量与雾霾天气下实际太阳辐射量之比），计算雾霾和太阳辐射的规律关系，并通过Origin进行相关性拟合，公式如下：理Q实北京AQImax/(g.m)AQImil/(gm)春417(16:00)夏181(16:00)秋14.8(7:00)冬142(8:00)陈、启,等：雾霾对太阳辐射的影响研究-$。=G/(Wm2)削减率/%417(16:00)441.42286.87161.4655(15:00)255.7.5表2 北京市典型日AQI和光伏雾霾指数计算I/(Wm)Q./(Wm)Qsz/(Wm)138(7:00)502.6166(7:00)352.86114(16:00)361.155(15:00)450.67一以北京市为例Q理=I#式(1)（2)中：Q理为无雾霾天气光伏板理论接收辐射量，W/m;Q实为有雾霾天气下太阳辐射量，W/m。室外无雾霾环境下水平面太阳辐射强度可以近似认为晴朗天气下的太阳辐射量，通常用I表示，水平面太阳辐射强度计算公式：IH=Is+IDIs=SoIsePAMsin2=1+0.033cos360(d,+284)18=23.45sin365323.4726.72206.8527.99240.9433.00282.5510.00(1)9274.91.37500.69504.78(2)(3)(4)2Td,(5)365(6)sina=sinosinp+cospcosocosw(7)1AM=sin+0.15(+3.885)1-PI,=0.5。I。（1-1,41nP式(3)（9)中：s。为地球轨道的偏心修正系数;I为散射辐射量，W/m;Is为水平面直接辐射量，W/m;Isc为太阳常数（通常为13 6 7 W/m);PAM为大气透明度；AM为大气光学质量，无量纲；为太阳高度角，();8为赤纬角，（);w为太阳时角，（);为当地地理纬度;d.为一年中某一天的顺序数（本文取6 0 91)。以北京市各季节雾霾的典型日为例，由公式(1)(9)计算出当天雾霾程度(AQI)最高和最低时刻的光伏雾霾指数,计算结果见表2。分析表2 可以得出：春季典型日，雾霾程度逐渐减弱6 6.9%，变化区间为1.5 5 4 2.1,实际太阳辐射强度较理论值降低17 9.14 W/m485.58W/m。夏季典型日，雾霾程度逐渐减弱6 3.5%，5 变化区间为2.3751.71，实际太阳辐射强度较理论值降低146.01W/m204.50W/m。秋季典型日，雾霾程度逐渐减弱2 3%，变化区间为2.2 3 6 2.0 7 8，实际太阳辐射强度较理论值降低19 9.6 4 W/m259.75W/m。冬季典型日，雾霾程度逐渐减弱4 9.3%，$变化区间为2.15 1.7 9，实际太阳辐射强度较理论值降低194.92W/m222.23W/m。根据计算结果对雾霾程日期32.3.47441.42206.85286.87161.46240.94255.75282.55(8)-1.253AM)sin$1.5542.3752.2362.15NORTHERNARCHITECTURE(9)$22.11.712.0781.794.127.210.151.65北方建筑度(AQI)和光伏雾霾指数()进行高斯拟合,并将结179.14W/m485.58W/m，但却是夏季典型日变果绘制如图1所示。化最大，为0.6 6 5。秋季典型日，雾霾程度变化最低，$为0.15 8，实际太阳辐射强度较理论值降低19 9.6 42.4Sheet1列B的Gauss拟合2.32.22.12.01.91.81.760图1北京市典型日光伏雾霾指数(s)随AQI变化通过图1可以得出：雾霾程度（AQI)从6 6 增加到18 1,随其上升而增大，并达到顶峰，拟合系数(R)0.9，充分说明雾霾程度和具备强烈的相关性。且由理论太阳辐射和实际太阳辐射计算得出进而表明：雾霾程度和太阳辐射强度具备相关性，其高斯关系式为y=yo+xexpwxsqrt2-2(x-xc)/w,雾霾程度越严重,光伏雾霾指数越大，实际太阳辐射强度越弱,雾霾对太阳辐射带来了严重削减。4结论1）通过理论分析雾霾对太阳辐射的影响得出：雾霾中光吸收性成分占比较大，雾霾出现时不仅吸收太阳辐射并增加散射,还会导致大气光学厚度增加，降低环境亮度，积极采取措施降低雾霾对太阳辐射的影响具有必要性和紧迫性。2）通过以北京市2 0 2 3 年季节典型日数据为例,定量分析雾霾对太阳辐射的影响，结论如下：北京市一年四季中春天时刻的雾霾程度变化最严重，雾霾造成太阳辐射强度削减量最多，为117.9 5W/m,但对太阳辐射产生的削减率却是秋季时刻最高，为3 3.0 0%。而冬季时刻雾霾对太阳辐射的削减率和辐射量皆为最小,仅为10%和2 6.8 W/m。说明季节（气温）、时刻等宏观条件的不同，雾霾对太阳辐射强度的影响存在差异性。春季典型日,雾霾程度变化最大，实际太阳辐射强度较理论值降低6NORTHERNARCHITECTURE第9 卷W/m259.75W/m。再次说明了影响差异性的存在。通过雾霾程度和的数值变化得出其拟合系数(R)0.9,充分表明雾霾会对太阳辐射带来了严重削减,雾霾程度越严重，光伏雾霾指数越大，实际太阳辐射强度就越弱。太阳辐射作为光伏利用的基本条件，被雾霾减弱其辐射强度，既是太阳资源的无端浪费，也是实现光伏技术高效运行的“挡路石”。目前我国大力推动“双碳”和“节能减排”发展战略的全面实施，不仅要在源头上降低温室气体等大气污染物排放减少80100120AQi(ugm)140160Api180200雾霾发生，也积极为全球范围的环境友好、人与自然和谐共生承担国家责任，为我国乃至全世界提供光伏技术高效运用提供良好环境。相信随着雾霾影响太阳辐射问题的不断深入研究，“雾霾”将仅仅是太阳辐射进行实际预测的环境变量，而不会给辐射强度带来减弱。参考文献1陈炜,任静,武新芳，等.雾霾条件下光伏发电量预测的迭代优化与经济性分析J.中国电力，2 0 2 1,5 8（10）：2 2 3-2 2 9.2Binz C,Tang T,Huenteler J.Spatial lifecycles of cleantech in-dustries-The global development history of solar photovoltaicsJ.EnergyPolicy,2017,101:386-402.3Feron S,Cordero R R,Damiani A,et al.Climate change ex-tremes and photovoltaic power output Jj.Nature Sustainability,2020,4(3):270-276.4李金岚,论雾霾天气的成因危害及防治措施J.科技论文与案例交流，2 0 13(10)：14 6.5赵明智,冯绍东,段佩瑶,等.雾霾对光伏组件输出特性的影响研究J.太阳能学报，2 0 2 3，4 4（6）：2 2 0-2 2 5.6陈晓波,陈剑波,孙坤.光伏雾霾指数及其实验研究.建筑节能,2 0 18,5(4 6):10-13.7刘刚,鲁世伟,党睿,等.雾霾天气对建筑光环境影响的定量化研究J.照明工程学报，2 0 15,2 6（6)：2 3-2 6,8Elias T,Haeffelin M,Drobinski P,et 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