太阳辐射是自然环境中各种物理过程的主要能量来源，是驱动天气、气候形成和运动的基本动力，也是地面生态系统能量的主要来源^[1]。到达地面的太阳辐射分为两部分，一部分是以平行光线的形式直接投射到地面上的，称为直接辐射；一是经过散射后自天空投射到地面的，称为散射辐射，两者之和称为总辐射^[2]。到达地面的太阳辐射主要受天文因子和地球大气的影响^[3]。塔克拉玛干沙漠北缘绿洲-荒漠过渡带肖塘地区距离塔克拉玛干沙漠腹地约200 km，其下垫面与沙漠有很大差异，肖塘地区下垫面为较平坦的风蚀裸露的古河床，下垫面土壤主要由细沙（125~250 μm）和极细沙（62.5~125 μm）组成，沙尘天气发生频率极高，四季均有沙尘暴和尘卷风发生^[4-5]。独特的地理位置、天气及下垫面特性使肖塘地区的辐射变化特征尤为突出，因此，在该地区开展太阳辐射变化特征研究，对于中国西北干旱区气候变化与生态保护具有重要意义，也为研究绿洲-荒漠过渡带辐射收支平衡及沙尘气溶胶辐射效应提供基础资料。

近年来，科研工作者对太阳辐射进行了大量研究，20世纪50—60年代全球大部分地区地面总辐射和直接辐射基本呈减少趋势，而90年代后，部分地区有所回升，但散射辐射变化不明显^[6-8]。陈志华等^[9]分析1961—2000年间新疆辐射观测资料，认为新疆地区地面太阳总辐射和直接辐射总体呈下降趋势，但散射辐射减少不明显。气溶胶和地面太阳辐射的长期变化，是造成中国地面太阳辐射减小的重要原因^[10-13]。李江风^[14]利用塔克拉玛干沙漠腹地沙漠气象站多年资料及各种实地观测试验揭示了沙漠地区太阳辐射、辐射平衡和热量分布平衡的规律。买买提艾力·买买提依明等^[15]、乔艳丽等^[16]和张占峰等^[17]分别揭示了塔克拉玛干沙漠腹地、青藏高原和格尔木地区散射辐射的时间变化特征，最大值出现在春夏季。随着肖塘陆气相互作用观测试验站建设，在塔克拉玛干沙漠北缘绿洲-荒漠过渡带肖塘地区的紫外辐射、总辐射、辐射分量以及沙尘天气对短波辐射的影响方面取得了重要研究成果^[18-20]。但是关于中国塔克拉玛干沙漠绿洲-荒漠过渡带肖塘地区的散射辐射变化特征的研究近似空白。

本文利用塔克拉玛干沙漠绿洲-荒漠过渡带肖塘10 m梯度自动站2018年辐射探测资料，结合当地气象站的云量、天气气象资料，较详细地分析了塔克拉玛干沙漠绿洲-荒漠过渡带肖塘地区散射辐射年、季节和典型天气下日变化特征，以填补该地区散射辐射特征研究的空白。

肖塘陆气相互作用观测试验站，位于塔克拉玛干沙漠北缘( 40°48′N、84°18′E，海拔 912 m，图1)， 该地区属于塔克拉玛干沙漠北部边缘的荒漠-绿洲过渡带，下垫面为较平坦的风蚀裸露古河床。属于暖温带荒漠气候，气候极端干旱，潜在蒸发大，年平均气温10 ℃，年平均降水量为15.2 mm，年平均风速2.5 m·s^-1，沙尘天气发生频率极高，四季均有沙尘暴和尘卷风发生，沙粒主要是细沙和极细沙。观测试验点位于距离沙漠公路肖塘1号井1 000 m 的沙漠中，地处古河床南岸，北距胡杨林约2 km，下垫面为平坦沙面，部分地区有裸露的古河床，无植被覆盖，受人类活动影响较小^[4,21]。

肖塘陆气相互作用观测试验站的辐射仪器由荷兰 Kipp & Zonen公司生产，仪器型号为CNR-1。按照规范每天对辐射仪进行巡视和维护， 其中沙尘暴和扬沙天气不维护辐射表；浮尘天气下天亮前擦拭。肖塘所用数据采集器为CR3000，采集频率为1 s，输出数据分别为1 s、1 min、30 min和1 h。

文中采用肖塘陆气相互作用观测站2018年全年辐射观测资料和地面气象观测数据。观测点采集器时钟统一采用当地的真太阳时，与北京时间相差2 h 22 min 48 s。

仪器的系统误差、仪器发生故障以及传输数据和记录过程中的其他原因，会导致虚假数据，须对以下数据进行订正或者剔除：输出的通量数值为NAN；日出日落前一段时间，由于仪器的灵敏度较高，以负数的数值形式输出。

由于Kipp & Zonen公司的A2P型自动跟踪器直接辐射表测得的是垂直面上的太阳直接辐射，而分析直接辐射时需要用水平面上的直接太阳辐射，因此对如下公式对仪器测得的直接辐射进行换算^[16]:

式中：R_b为水平面上的直接辐射；Rb'为垂直面上的直接辐射观测值；h为太阳高度角

式中：φ为地理纬度；δ为太阳赤纬；t为时角

由于肖塘地区的沙尘日数较多，对目测的云量误差很大，故采用晴空指数（即到达地面的太阳总辐射R_s与大气外界的太阳辐射Q_d的比值）。晴空指数≥0.7为晴天。

大气上界的太阳辐射的日总量由下式计算^[22]Qd=TI0πρ2(ω0sinφsinδ+cosφcosδcost) （3）

式中：T取86 400 s；I₀为太阳常数（13.67×10^-4 MJ·m^-2·s^-1）；Q_d单位为MJ·m^-2·d^-1；ω₀为日落时角（rad）；φ为地理纬度；δ为太阳赤纬（rad）。

式中：J为一年中的日数（1月1日J=0，12月31日J=364）

由图2可以看出，散射辐射呈单峰分布，有明显的季节性，散射辐射从1月（138.8 MJ·m^-2）开始上升，5月散射辐射达到峰值（455.8 MJ·m^-2），之后逐渐下降，在12月散射辐射达到最低值（133.6 MJ·m^-2）。散射辐射年曝辐量3 323.8 MJ·m^-2，5月散射辐射月曝辐量约占全年散射辐射的13.7%，占年总辐射的57.5%。肖塘地区春夏季风沙较大，全年沙尘天数5月最多，沙尘天气高达19 d，春季植被还未返青，风沙没有植被的阻挡易被带入空气中，夏季下垫面植被覆盖度增加，阻挡了地面的沙尘大量进入空气中，肖塘地区的降水主要集中在6—8月，降水对空气的沙尘起到很好的清洁作用。

由图2可以看出，肖塘地区总辐射呈双峰分布，总辐射从1月（271.6 MJ·m^-2）逐渐上升在5月达到次峰值，7月总辐射曝辐量达到峰值（679.8 MJ·m^-2），之后逐渐下降，在12月达到最低值（242.4 MJ·m^-2）。肖塘地区年总辐射曝辐量5 781.8 MJ·m^-2。7月总辐射曝辐量达到最大值679.8 MJ·m^-2，约占全年总辐射的11.7%。

由表1可知，散射辐射最大值均在春夏季，最小值均在冬季；肖塘2018年散射辐射与格尔木地区和黑河地区最大值时间一致（5月），量值肖塘大；青藏高原和满西一井散射辐射最大值在4月，两地量值接近^{[15-17，23-27]}。塔中最大值在8月，最小值在12月。肖塘总辐射最大值均在6—7月，月曝辐量均在600~700 MJ·m^-2，最小值均在12月；塔中总辐射月曝辐量最大在6月,最小在12月，与埃及、叙利亚、沙特阿拉伯地区一致^[28-30]。这不但与太阳高度角有关，还与风沙引起的浮尘、扬沙、沙尘暴天气有关。

图3是塔克拉玛干沙漠绿洲-荒漠过渡带肖塘地区的直接辐射、散射辐射、总辐射在2018年四季的日变化，其中春季3—5月，夏季6—8月，秋季9—11月，冬季12月至翌年2月。直接辐射、散射辐射和总辐射均呈现正态分布，早晚小，中午大，四季峰值均在正午12：00或13：00。

直接辐射，夏季>秋季>春季>冬季；春、夏、秋、冬季的日峰值分别为194.2、377.8、375.4、228.7 W·m^-2；日曝辐量分别为4.56、10.00、8.33、3.86 MJ·m^-2。散射辐射，春季>夏季>秋季>冬季；春、夏、秋、冬日峰值为459.3、361.6、225.8、210.5 W·m^-2，日曝辐量为13.1、11.4、6.1、4.5 MJ·m^-2。春夏季波动大，因为春、夏季沙尘日数较多，春季沙尘日数36 d，夏季31 d，冬季沙尘日数较少且太阳高度角最低，散射辐射日平均变化较小。总辐射，夏季>春季>秋季>冬季，春、夏、秋、冬季日峰值为657.6、729.4、627.0、439.8 W·m^-2。

由表2可知 ，散射辐射，相比较格尔木地区和青藏高原高海拔地区，肖塘地区散射辐射量值较大。青藏高原和格尔木地区海拔较高,太阳光线到达地面时所通过的大气层较薄，散射作用较弱，散射辐射较小。总辐射，肖塘站和哈德站相差较小，这两地海拔、纬度和自然环境差别较小。

从2018年3月1日至8月31日中分别挑选晴天、多云、降水、浮尘、扬沙、沙尘暴这6种典型天气类型，分析肖塘地区在这些天气下直接辐射、散射辐射、总辐射的日平均变化（考虑到代表性，晴天、多云、降水、浮尘、扬沙、沙尘暴天气分别选择5 d数据进行平均处理）。晴空指数≥0.7晴天；多云天选取总云量8~10成。

从图4A可以看到，典型的晴天直接辐射、散射辐射、总辐射日变化现倒“U”型，中午大、早晚小。直接辐射、散射辐射和总辐射日峰值出现在12:00或13:00，这主要是受到太阳高度角的影响。其日峰值分别为590.6、284.1和871.7 W·m^-2，直接辐射、散射辐射和总辐射的日曝辐量分别为15.0、9.7、25.1 MJ·m^-2。

从图4B可以看到，多云天与晴天（图4A）相比，多云天气直接辐射、散射辐射和总辐射的值明显减少，尤其是直接辐射。三者的日峰值出现在13:00，日峰值分别为206.8、414.1、634.6 W·m^-2，直接辐射、散射辐射和总辐射日曝辐量为4.7、12.9、17.9 MJ·m^-2，直接辐射、总辐射比晴天减少68.7%、28.7%，散射辐射增加了24.8%。在多云天气下，云对短波辐射有吸收和散射的作用。

从图4C可以看到，在降水天气情况下，由于大气中的云量和水汽的增加，太阳辐射通过大气时发生散射，改变辐射的方向，使得直接辐射、散射辐射和总辐射相比于晴天（图4A）发生明显的变化。三者的日峰值均出现在12：00以后，日峰值分别为104.9、416.1、495.5 W·m^-2，直接辐射、散射辐射和总辐射日曝辐量为1.6、10.2、12.1 MJ·m^-2，和晴天（图4A）相比，直接辐射、总辐射分别减少89.3%、57.8%，散射辐射增加0.5%。

与云量和水汽相比，沙尘也会使辐射发生变化，沙尘天气的日变化相比较于晴天发生了很明显的变化。浮尘天气（图4D）和扬沙天气（图4E）对辐射的影响没有沙尘暴天气（图4F）时大，沙尘对直接辐射的削弱最为明显，直接辐射日峰值下降明显；散射辐射日峰值增加，说明沙尘在一定范围内对散射辐射有明显增强的作用。

为进一步验证沙尘对直接辐射、散射辐射和总辐射的影响，本文挑选了2018年5—15日一次沙尘天气过程的辐射观测数据，对直接辐射、散射辐射和总辐射的变化情况进行了分析。根据肖塘站地面观测记录，2018年5月12日典型晴天；5月13日多云；5月14日09:14—13:32扬沙，13:32—18:21浮尘，夜间出现沙尘暴、扬沙；5月15日08:00—09:37、13:06—16:48两次扬沙，09:37—13:06、13:04—13:16两次沙尘暴，夜间再次出现扬沙，能见度降低到200 m，并且持续到5月16日之后（图5）。

由图5可知，5月12日典型的晴天日变化，直接辐射、散射辐射和总辐射基本呈现正态分布，日峰值均在正午12:00。三者日峰值为597.3、367.4、962.1 W·m^-2。

5月13日多云，直接辐射、散射辐射和总辐射呈现不规则变化， 直接辐射在11:00达到日峰值528.0 W·m^-2，散射辐射在13:00达到日峰值415.0 W·m^-2，总辐射日峰值在12:00为928.6 W·m^-2。直接辐射和总辐射比晴天日峰值减少11.6%、24.7%，散射辐射增加11.5%。

5月14日扬沙和浮尘天气，散射辐射和总辐射呈现多峰值，两者变化幅度一致，日峰值为562.0、598.0 W·m^-2，直接辐射日峰值（33.2 W·m^-2）出现在12:00，量值非常小。扬沙和浮尘天气直接辐射和总辐射比晴天日峰值减少94.4%、37.1%，散射辐射增加34.6%。

5月15日扬沙和沙尘暴天气，直接辐射、散射辐射和总辐射都要比晴天和多云的天气下的量值要小，波动很大。总辐射日峰值为451.4 W·m^-2，不到晴天的一半；散射辐射与总辐射变化一致，日峰值为430.0 W·m^-2；直接辐射日峰值为16.5 W·m^-2，量值很小。与晴天相比，沙尘暴天直接辐射和总辐射的峰值比晴天减少97.2%、52.6%，散射辐射增加14.6%。

总体来看，浮尘、扬沙和沙尘暴的散射辐射日峰值均大于晴天散射辐射日峰值；浮尘、扬沙、沙尘暴对直接辐射都有不同程度的衰减，沙尘暴对直接辐射的衰减最为明显。

从图6可见，散射辐射随太阳高度角的升高而呈现递增趋势。在晴天时散射辐射日变化最高值出现在太阳高度角最高的正午前后，但是在沙尘天最高值并不总是在太阳高度角最大的时候，因为影响太阳辐射的因素除太阳高度角外，大气条件、纬度、水汽、云量等因素都会对其造成影响，在这里主要是大气条件对其产生的影响。塔中和巴丹吉林沙漠拐子湖两地太阳高度角夏季最大均为75°，冬季最小，分别为45°和40°，塔中辐射通量也相应地表现为夏季大，冬季小^[31]。肖塘夏季最大太阳高度角达到74°，冬季最大太阳高度角只有42°，春季太阳高度角大于秋季。肖塘地区由于春季沙尘天气较多，全年散射辐射春季大，冬季小，夏季大于秋季。春、夏季散射辐射随太阳高度角离散度很大，秋、冬季离散度较小。

不同的下垫面状况，散射辐射的日变化是不同的。下垫面有积雪时散射辐射增加10%~20%，干净的新雪比草地大30%~40%^[32]。由图7可知，1月21日为晴天，散射辐射的量值最小，日峰值（165.0 W·m^-2）出现在13:00，日曝辐量为4.0 MJ·m^-2；1月29日上午降雪（08:00—12:45），下午积雪（15:18—17:35），平均总云量为10成，散射辐射的量值明显高于晴天和积雪天，散射辐射呈现单峰型，日峰值（349.5 W·m^-2）出现在13:00，日曝辐量为6.2 MJ·m^-2，比晴天增加55%；1月30日地面有积雪，日峰值（247.9 W·m^-2）出现在12:00；日曝辐量为5.9 MJ·m^-2，比晴天增加了47.5%，相比于降雪天减少4.8%^{。降雪和积雪散射辐射通量大，主要是因为雪对短波和可见光波段反射较强，雪面和大气多次反射太阳辐射。}

塔克拉玛干沙漠绿洲-荒漠过渡带肖塘地区2018年散射辐射和总辐射年曝辐量分别为3 323.8、5 781.8 MJ·m^-2，均低于塔克拉玛干沙漠腹地。肖塘地区，散射辐射月曝辐量最大在5月（455.8 MJ·m^-2），最低在12月（133.6 MJ·m^-2）；塔克拉玛干沙漠腹地塔中，散射辐射月总量最大在8月（468.33 MJ·m^-2）^[15]，最低在12月。满西一井，月总量最大值在4月（347 MJ·m^-2）最低在12月。库车、喀什、若羌散射辐射最大值出现在5月，月总量分别为381.15、387.77、397.7 MJ·m^-2[24]。肖塘地区在5月沙尘天气多，降水主要集中在6—8月。塔中夏季沙尘天气较多，夏季散射辐射变化要强于各类云况和强天条件下的变化。相较于肖塘和塔中两地，库车、喀什、若羌最大量值稍小，主要是因为风沙对于西部地区影响较小，且阴云天气较塔中和肖塘地区多。肖塘地区，总辐射最大在7月（679.8 MJ·m^-2），最小在12月（242.4 MJ·m^-2），哈德最大在7月（686.8 MJ·m^-2），最小在12月（228.1 MJ·m^-2），两地量值接近，主要是因为，这两地海拔、纬度和自然环境差别较小。巴丹吉林沙漠拐子湖地区，月总量最大在7月（792.74 MJ·m^-2），最小在12月，虽然与肖塘地区总辐射月总量最大出现时间一致，量值却比肖塘大。肖塘地区的沙尘日数远远高于拐子湖地区，所以总辐射拐子湖地区大于肖塘地区^[31]。

直接辐射、散射辐射和总辐射季节变化明显，直接辐射夏季>秋季>春季>冬季；散射辐射春季>夏季>秋季>冬季；总辐射夏季>春季>秋季>冬季。散射辐射，肖塘地区春季最大，塔克拉玛干沙漠腹地塔中夏季较大，主要是因为肖塘地区春季沙尘天气较多，且处在荒漠-绿洲过渡带，植被未返青，空气中的沙尘较多，降水较少。直接辐射和总辐射，肖塘地区、塔中^[33]和黑河沙漠地区^[25]一致，夏季大，冬季小。

直接辐射、散射辐射和总辐射在晴天呈现正态分布，各时刻的直接辐射、散射辐射和总辐射通量均高于多云、浮尘、扬沙、沙尘暴天气。直接辐射和总辐射在沙尘天气削弱明显，一个连续的沙尘天气过程中，沙尘暴天气使直接辐射和总辐射削弱明显，主要集中在低值区，散射辐射与总辐射变化一致，散射辐射在沙尘天量值明显增加，与买买提艾力·买买提依明等^[33]、金莉莉等^[26]对塔克拉玛干沙漠腹地塔中研究结果相似。

在晴天时，散射辐射随着太阳高度角升高而增加，散射辐射变化最高值通常出现在正午前后。肖塘夏季最大太阳高度角达到74^o，冬季最大太阳高度角42^o。

积雪下垫面散射辐射比晴天散射辐射增加47.5%，主要是因为雪对短波和可见光波段反射较强，雪面和大气多次反射太阳辐射。