《Atmosphere》：Estimating Effect of Sheltering on Horizontal Measurement of Global Solar Radiation Using a Pyranometer
编辑推荐：
气象站屋顶进行全球辐射水平测量时，通常会受到日射表周围障碍物存在的干扰。为研究遮挡效应，研究人员将台湾两座气象站，即台东气象站（TWS）和澎湖气象站（PWS）的实测数据，与邻近零遮挡环境下获得的对应原位（in situ）测量数据进行了比较，后者分别来自台东国立
气象站屋顶进行全球辐射水平测量时，通常会受到日射表周围障碍物存在的干扰。为研究遮挡效应，研究人员将台湾两座气象站，即台东气象站（TWS）和澎湖气象站（PWS）的实测数据，与邻近零遮挡环境下获得的对应原位（in situ）测量数据进行了比较，后者分别来自台东国立空中大学台东学习指导中心（TCNOU）和澎湖科技大学（PUST）。研究采用鱼眼镜头图像，并结合基于极坐标网格表示且具有足够细环带划分的计算方法，确定了已安装日射表周围的遮挡视角因子。TWS和PWS的遮挡视角因子分别为11.8%和5.0%。对TWS与TCNOU、PWS与PUST的月全球辐射数据比较表明，全球辐射低估幅度在TWS为1.8%–9.1%（2016–2017年），在PWS为1.3%–4.2%（2015年5月至2017年12月）。这些低估主要归因于日射表周围全部障碍物的遮挡视角因子大小，但同时也取决于当地全球辐射组成型态，即直射辐射（beam radiation）与散射辐射（diffuse radiation），这一因素本质上属于气候学因子。
该研究发表于《Atmosphere》，聚焦于气象站屋顶环境中障碍物对全球太阳总辐射（global solar radiation）水平观测精度的影响。太阳辐射是地球生命活动与太阳能利用的基础能源，而特定地点水平面上的全球太阳总辐射是光伏与太阳热利用评估中的关键输入参数。尽管地面观测被认为是全球辐射最准确、最可靠的获取方式，但在实际布设中，日射表（pyranometer）常受限于站房屋顶空间、周边仪器塔架及其他设施，难以完全满足世界气象组织（WMO）关于“感应元件平面以上不应存在障碍物”以及障碍物不应显著减少天空立体角的安装要求。这种问题会直接干扰水平总辐射测量：一方面，障碍物会遮蔽天空散射辐射，导致观测值偏低；另一方面，浅色障碍表面还可能反射太阳直射辐射，使局部时段观测值偏高。因此，定量识别遮挡程度并评估其对全球辐射测量的系统性影响，对于建立可靠的太阳辐射数据库、校验卫星反演结果与经验模型估算结果，具有明确科学意义和应用价值。
针对上述问题，研究人员以台湾中央气象署所属两座测站为对象，开展了遮挡效应定量研究。研究选取台东气象站（TWS）与澎湖气象站（PWS），并分别在其邻近、具零遮挡环境的位置布设对照观测点，即台东国立空中大学台东学习指导中心（TCNOU）和澎湖科技大学（PUST），利用原位观测结果与气象站资料进行逐月比较。研究结果表明，障碍物对全球辐射水平观测的影响可以通过遮挡视角因子（view factor）进行量化，而且实测低估程度与遮挡视角因子大小呈对应关系。同时，偏差并非恒定不变，还受到当地直射/散射辐射比例季节变化的显著调制。研究进一步指出，遮挡问题不只体现为散射辐射被阻挡导致的低估，还应同时考虑障碍物反射直射辐射导致的高估风险。这一结论对于气象观测站辐射仪器选址、历史资料订正及太阳能资源评估均具有重要意义。
研究采用的关键技术方法主要包括以下几个方面。首先，以台湾TWS、PWS为研究站点，并分别选取距其1.63 km和1.24 km的TCNOU、PUST作为零遮挡原位对照样本来源。其次，在对照站布设Kipp and Zonen SMP10标准日射表进行连续观测，并调用气象主管部门的TWS与PWS观测资料进行配对分析。再次，利用配备鱼眼镜头的数码相机获取日射表邻近天空半球影像，通过37层环带的极坐标网格解析法计算遮挡视角因子。最后，结合太阳高度角公式、太阳轨迹在鱼眼图上的映射关系、月尺度与年尺度偏差计算式，以及缺测数据的三次样条插值方法，对遮挡效应进行定量评估。
在论文主体中，研究首先从水平全球辐射测量的物理构成展开分析。
2. Analysis and Conditions for Horizontal Measurement of Global Radiation
研究人员指出，水平放置的日射表接收到的总辐射并不只是简单的太阳总辐射，而是由直射辐射、散射辐射以及周围障碍物反射至传感器的辐射共同构成。散射辐射又可细分为各向同性散射辐射（isotropic diffuse radiation）、环日散射辐射（circumsolar diffuse radiation）和地平增亮散射辐射（horizon brightening diffuse radiation）。论文基于辐射几何关系建立了总辐射表达框架，并指出WMO关于日射表安装的规范，本质上就是为了尽可能消除障碍物对天空视域的侵占及其附加反射影响。研究通过花莲、鞍部、竹子湖等测站实例说明，现实中许多气象站由于屋顶狭小、设备密集，难以满足理想安装条件，因而会出现全球辐射观测值异常偏高或不同测站间高程—辐射关系失常等现象。这些案例构成了本研究提出定量分析框架的现实依据。
2.2. Objectives
在明确问题来源后，研究提出两个核心目标：其一，以视角因子定量评估日射表周围遮挡程度；其二，将受遮挡气象站观测值与邻近零遮挡环境下的原位观测值进行比较，以识别并量化遮挡对全球辐射测量造成的偏差。
3. Experimental Method
本部分阐述了实验设计与分析流程。研究在台东与澎湖两地建立零遮挡监测站，分别对应TWS和PWS，形成空间上距离较近、气候背景相似但遮挡条件显著不同的观测对。TWS位于台湾本岛东部狭长海岸平原城市区，TCNOU距离其1.63 km；PWS位于台湾海峡中澎湖群岛的马公市城区，PUST距离其1.24 km。此种站点设计使研究能够在较小空间尺度上尽量减弱区域气候差异干扰，将偏差归因集中于遮挡条件差异。
3.2. Set up for Measuring Global Radiation
研究人员在TCNOU和PUST各布设一套水平安装的Kipp and Zonen SMP10日射表，作为零遮挡环境下的标准观测系统；而TWS和PWS原有观测则采用Eppley PSP日射表。论文同时说明了两类设备的准确度等级、采样率以及校准前后相对误差，并对极端天气、故障和维护导致的缺测数据采用三次样条插值法进行重建，同时限制连续插值点数，以控制重建误差。由此建立起可进行月尺度和年尺度比较的数据基础。
3.3. Fisheye Images and Evaluation of View Factors
这是全文的方法学核心。研究通过鱼眼镜头拍摄日射表邻近半球天空影像，将图像数字化后划分为“天空”与“遮挡物”像素，再叠加37环极坐标网格，对每一环带中障碍物占据的方位角范围进行解析计算。由此得到各个障碍物的视角因子，并求和形成整体遮挡视角因子。该方法将原本偏定性的鱼眼影像解释，转化为可用于辐射偏差评估的定量指标。
3.4. Determination of the Sun’s Trajectory on the Fisheye Image
为判断障碍物是否会阻挡直射辐射，研究进一步建立鱼眼影像中像素半径与仰角之间的三次多项式关系，并据此将不同日期太阳轨迹投影到鱼眼图中。通过比较障碍物位置与夏至、冬至太阳路径的相对关系，研究能够判别障碍物对直射辐射遮挡是否显著，以及是否可能在部分季节引发反射增强效应。
4. Results and Discussion
结果部分围绕两个目标测站分别展开。
4.1. Sheltering Effect for the Pyranometer Installed at TWS
研究发现，TWS屋顶日射表周围存在三座短型气象塔，其中用于安装风速计的品牌桁架（brandreth）构成主要障碍物。通过鱼眼图与极坐标分析，TWS的遮挡视角因子被定量为11.8%，而零遮挡对照站TCNOU为0%。以TCNOU月全球辐射数据为基准，与TWS的中央气象资料比较后发现，2016–2017年TWS月全球辐射低估介于0.976%至9.112%之间，年偏差分别为?5.66%和?5.68%。研究结合夏至、冬至太阳轨迹图分析指出，TWS多数障碍物位于两条太阳路径界定区域之外，因此对直射辐射的直接遮挡效应可忽略；但位于夏至太阳路径上方的障碍物在一年中的部分时期可能将直射辐射反射至日射表。进一步结合典型气象年（TMY）中直射辐射/全球辐射比值可见，台东地区夏半年直射辐射贡献较高，冬季东北季风期间散射辐射贡献上升。当散射辐射占比增加时，遮挡导致的低估更明显，因此月偏差表现出显著季节变化。
4.2. Sheltering Effect on the Pyranometer Installed at PWS
对PWS的分析显示，其屋顶虽有五座短型气象塔，但鱼眼影像中显著可见的主要障碍较少，计算得到的遮挡视角因子为5.0%，同样高于零遮挡对照站PUST的0%。采用PUST月数据作为基准，与PWS资料比较可见，2015年5月至2017年12月间，PWS月全球辐射低估介于1.183%至4.201%之间，2016和2017年的年偏差分别为?2.51%和?2.32%。太阳轨迹分析表明，PWS与TWS类似，现有障碍物对直射辐射的直接阻挡效应有限，但部分障碍物在某些季节条件下可能引发直射辐射反射。研究进一步指出，澎湖位于海峡岛屿环境，全年受湿润海洋空气影响，PWS的直射辐射对全球辐射贡献在各月均低于TWS；东北季风季节散射辐射占比尤其高，1月直射辐射/全球辐射比值可低至0.256，而夏季9月为0.448。因此，尽管PWS的遮挡视角因子小于TWS，但由于当地散射辐射相对更重要，遮挡对全球辐射削弱的气候敏感性同样显著。
在综合讨论中，研究人员指出，所展示的多个台湾气象站实例均未满足WMO关于障碍物不应使总立体角减少超过0.5 sr的安装要求。这反映出气象站小型屋顶上集中布设多类仪器的普遍现实。虽然这些装置通常尽量被安置在屋顶北侧，以避免遮蔽来自南方天空的直射太阳辐射，但它们仍会减少日射表可见天空范围，从而阻挡散射辐射入射。研究据此明确提出：遮挡效应与遮挡视角因子成正相关，但具体低估幅度还受到当地气候条件、尤其是直射/散射辐射组成变化的调制。与此同时，若障碍物表面较明亮，还可能将直射辐射反射到传感器上，引起局部时段全球辐射高估。也就是说，屋顶障碍物对日射表观测误差的影响具有双重性：既可能因遮蔽散射辐射而低估，也可能因反射直射辐射而高估，二者均应纳入评估框架。
研究结论部分可概括翻译如下：研究通过比较台湾两座气象站（TWS、PWS）与其邻近零遮挡环境原位观测点（TCNOU、PUST）的全球辐射数据，评估了遮挡对日射表水平测量全球辐射的影响。利用鱼眼镜头图像并结合Steyn及其合作者提出的方法，确定TWS和PWS的遮挡视角因子分别为11.8%和5.0%。TWS与TCNOU的比较显示，2016–2017年TWS月全球辐射低估范围为0.8%–9.1%；PWS与PUST的比较显示，2015年5月至2017年12月PWS月全球辐射低估范围为1.3%–4.2%。这种低估主要由日射表周围障碍物的遮挡视角因子大小决定，同时还受当地全球辐射组成型态这一气候学因子的影响。除障碍物阻挡散射辐射导致的低估外，还应考虑障碍物反射直射辐射可能造成的高估。由此，日射表全球辐射测量中的遮挡效应应被分为两个部分处理：其一是障碍物阻挡各向同性散射辐射所致低估，其程度与遮挡视角因子成正比；其二是浅色障碍物表面对直射辐射的反射所致高估。对于镜面反射（specular reflection）情形，除表面反射率外，还需掌握障碍物朝向、距离、尺寸与形状等详细几何信息，方可进一步计算其反射影响。
