影響衛星推估臺灣地區網格化日射量因子-氣膠光學厚度
作者：翁敏娟 國家災害防救科技中心 專案佐理研究員
衛星反演日射量
地球接收來自太陽的輻射量，影響地球大氣系統的能量收支平衡，亦地球上生物的生命能量來源。地表上單位面積內太陽輻射能量值稱為日射量，可應用在許多領域中，如農業、建築、疾病研究以及太陽能發電評估資訊等。
過去歷史日射量資料主要以氣象觀測站以點觀測為主，由於測站資料需經過空間內插方法獲得面資料，若是觀測點數較少或觀測資料缺失造成資料較不精確。過往曾講述運用地球同步氣象衛星可見光及紅外線頻道資料推估，運算過程考慮影響日射量因子 (如天文幾何、大氣效應及地形等)，產製高空間解析度面化臺灣地區地表日射量網格資料 (參見TCCIP電子報第39期)。目前已在臺灣氣候變遷推估資訊與調適知識平台提供2015年至2019年日累積日射量網格資料。
日射量與氣膠
地表接收到日射量除了受到天文、地形等因素影響，同時，大氣層中的雲層、氣體及懸浮微粒等因素所造成的遮蔽、吸收以及散射效應，也會影響太陽輻射抵達地表的強弱。在晴空情境下，地表日射量受到大氣層中的氣體吸收及氣膠散射之影響最大，臺灣由於中央山脈貫穿南北且地勢高聳，大氣中的懸浮微粒等物質容易因氣流受地形阻擋及擴散不良等因素而在背風尾流區堆積，又或者因為大尺度環流導致境外 (如中國) 污染物乘著東北季風到達臺灣，造成霾或靄天氣現象，進而影響太陽輻射穿透到地表的強度。
氣膠光學厚度對日射量的影響程度
利用晴空輻射傳輸模式 (Simple Model of the Atmospheric Radiative Transfer of Sunshine，SMARTS) 探討氣膠光學厚度 (Aerosol Optical Depth， 以下簡稱AOD) 與輻射量關係。SMARTS是一簡單大氣輻射傳輸模式，可模擬在晴空條件下不同時間、天氣現象、地理位置等並考慮瑞利散射、臭氧及氣膠等輸出不同波長的輻射強度。AOD為在空氣柱中太陽輻射被氣膠 (如工廠排放、森林火災、汽機車排放等不同液體及固體的微小顆粒) 散射或吸收而減弱至地表的輻射量 (圖 1)，而在500nm波段氣膠吸收或散射最佳波段，故模擬在同環境下不同AOD與直接入射量、全天空輻射量及漫射輻射的關係。
圖 1. 本研究繪製AOD在大氣中之示意圖。
由圖2顯示嘉義測站 (測站編號：467480) AOD數值偏小為大氣越清淨，空氣品質佳，直接入射量及全天空輻射量偏高，漫射輻射量偏低；AOD數值偏高為大氣較為混濁，空氣品質差，直接入射量及全天空輻射量偏低，漫射輻射量則是偏高。模擬不同AOD情境對全天空輻射量、大氣透射率、直接入射量及漫射輻射量隨時間之變化 (圖 3)。顯示大氣透射率降低、全天空輻射量及直接入射量均隨著AOD增加而減小，而漫射輻射量則是隨之增加。大氣透射率及漫射輻射量因於早晨及傍晚太陽天頂角相較於中午大，且隨時間推移的變化較劇烈。由上述知，隨AOD越厚，造成更多瑞利散射、懸浮微粒散射及水氣吸收等吸收與散射作用影響，全天空輻射量隨之減少。
圖 2. 模擬467480測站2017年4月30日中午12時之AOD與直接入射 (紅線)、漫射 (綠線) 及全天空輻射量 (藍線) 之關係。橫座標為AOD 500nm，無單位，縱座標為輻射量單位為W/m2。
圖 3. 模擬467480測站2017年4月30日早上6時至下午6時，不同AOD情境對 (a) 全天空輻射量、 (b) 大氣透射率、 (c) 直接入射量及 (d) 漫射輻射量隨時間之變化，橫座標為當地時間，單位為小時，縱座標為 (a) 全天空輻射量、 (b) 大氣透射率、 (c) 直接入射量及 (d) 漫射輻射量單位為W/m2 。
註:大氣透射率為太陽輻射經大氣層所影響的衰減程度
衛星反演日射量中的AOD
目前日射量演算法中氣膠影響透射率依Macher (1983) 主要分4月至10月及11月至3月兩期間經驗常數估算，無法表現出AOD在時空上真實情況對日射量的影響。故利用2016至2017年繞極軌道Suomi National Polar-orbiting Partnership(SNPP)衛星之Visible Infrared Imaging Radiometer Suite (VIIRS)觀測儀反演AOD產品之月平均作為背景值推算日射量，參考Chou et al. (2006) 考慮太陽天頂角及AOD計算大氣透射率。圖4為2020年8月16日9時50分修正氣膠光學厚度前後之日射強度分布圖以及差異，修正後日照強度海上為增加，陸地則減少，氣膠光學厚度修正前後的修正量不明顯，目前計畫以持續原有Macher (1983) 版本計算大氣透射率。日射量演算法經AOD修正後的結果在各月份改善幅度不一，惟此方法較能合理呈現實際大氣中AOD對日射量之影響，或許兩年月平均值並未能反映真實AOD值，侷限演算法準確性，未來將嘗試帶入即時向日葵8號衛星資料產製即時AOD產品引進反演程式計算日射量，對於晴空輻射之掌握度將能夠更為提升，並改善衛星反演日射量之程式，提升衛星反演日射量產品之準確度。
圖4. 比對2020年8月16日09:50氣膠光學厚度修正前後之日射強度分布圖及差異 (單位：W/m2)。
參考文獻
- 胥立南與賴彥任，2015：應用MTSAT2衛星資料估算臺灣地表日射量，104年天氣分析與預報研討會論文全文彙編，中央氣象局，臺北市。
- 鄭光浩等，2017：應用Himawari-8估計臺灣地表日射量之校驗及探討，106年天氣分析與預報研討會論文全文彙編，中央氣象局，臺北市。
- Macher, M.,1983: Parameterization of solar irradiation under clear skies. M.A.Sc. Thesis, University of British Columbia, Vancouver, Canada.
- Chou, M.-D., P.-H. Lin, P.-L. Ma, and H.-J. Lin ,2006: Effects of aerosols on the surface solar radiation in a tropical urban area. J. Geophys. Res., 111, D15207, doi:10.1029/2005JD006910.
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