1961～2009年我國地面太陽輻射變化特征及云對其影響的研究

楊溯 石廣玉 王標 楊紅龍 段云霞

1國家氣象信息中心，北京100081

2中國科學(xué)院大氣物理研究所，北京100029

3深圳市國家氣候觀象臺，深圳市氣象局，深圳518040

4 沈陽市氣象臺，沈陽110168

1 引言

到達地面的太陽入射輻射（Surface Solar Radiation, SSR）既包括直接到達地表的太陽輻射，也包括被氣體、云、氣溶膠散射的那部分太陽輻射，它幾乎是地氣系統(tǒng)唯一的能量來源（IPCC，2007；石廣玉，2007；Wild，2009）。SSR 對許多陸面過程都起著非常重要的作用，它直接影響著水汽蒸發(fā)和植物光合作用，進而影響與之相關(guān)的水循環(huán)、碳循環(huán)等（Haverkort et al., 1991; Ledley and Chu, 1995; Ramanathan and Vogelmann, 1997; 吳亞平, 2006; IPCC, 2007; Kadur et al., 2007; Li et al.,2009; 孫敬松等, 2010）。因此地表接收到太陽輻射量的多少，從根本上來說決定了行星的氣候條件。

過去30年的觀測和模式的研究結(jié)果都表明，在10年以上時間尺度的SSR不是一個常量，尤其在20世紀90年代前后，更是表現(xiàn)出兩種截然不同的變化趨勢：上世紀90年代前SSR持續(xù)下降，90年代之后開始上升（Stanhill and Cohen, 2001; Streets et al., 2001; Shi et al, 2008; Tang et al., 2011）。全球“變暗”和全球“變亮”分別被用來描述這兩個時期的 SSR變化特征（Wild et al., 2005; Wild,2009）。

云是SSR重要的調(diào)制者，它可以吸收和散射入射的太陽輻射，減少SSR，起到冷卻地氣系統(tǒng)的作用（汪宏七和趙高祥，1994；趙高祥和汪宏七，1994；IPCC，2007；石廣玉，2007）。目前關(guān)于云在 SSR變化趨勢轉(zhuǎn)變過程中所起的作用一直沒有定論。羅云峰等（2000）發(fā)現(xiàn)，上世紀 60～90年代，我國華南地區(qū)的總云量變化很小，云量與直射太陽輻射、日照時數(shù)之間沒有很好的對應(yīng)關(guān)系，認為云量不是造成太陽直接輻射和日照時數(shù)明顯減小的主要因素。Li et al.（2011）分析了1961～2005年我國南方地區(qū)日照時數(shù)百分比與低云、高云云量之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)低云云量與日照時數(shù)有很好的對應(yīng)關(guān)系，并認為低云與中國南方地區(qū)日照時數(shù)下降有關(guān)。Wang et al.（2011）利用衛(wèi)星資料分析了我國1984～2000年云對SSR的影響，認為高云對SSR變化有較大貢獻。

已有的研究有助于我們了解 SSR的變化特征以及云在SSR變化中所扮演的角色，但由于受限于資料時間長度等方面的原因，這些研究大多針對某一時期進行分析，未能得到較長時間內(nèi)云對SSR的影響。另一方面，SSR的變化受多種因素影響，全球“變暗”與全球“變亮”時期云在眾多影響因子中的貢獻大小是否變化也是值得關(guān)注的問題。因此，本文利用我國100個地面站點的太陽總輻射、日平均云量資料分析1961～2009年我國SSR變化特征及云在不同時期對SSR的影響。

2 資料和方法

本文所用資料均來自中國氣象局氣象信息中心中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http://cdc.cma.gov.cn/[2011-05-01]），主要包括逐日地面太陽總輻射、日平均云量數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)分析前，我們發(fā)現(xiàn)部分臺站在觀測起止時間內(nèi)，有一次或多次連續(xù)數(shù)年數(shù)據(jù)缺測。為了盡量減少缺測對結(jié)果的影響，在數(shù)據(jù)挑選階段將缺測數(shù)據(jù)較多的臺站剔除出去，最終留下100個時間連續(xù)性相對較好的臺站。日平均云量包括總云量、低云量和高云量。本文著重分析云量對SSR總的影響及在不同時期的貢獻大小，因此選擇總云量數(shù)據(jù)用于分析。資料時間跨度為1961～2009年，總計約130萬組數(shù)據(jù)。需要指出，中國氣象局從1990年開始調(diào)整太陽輻射觀測網(wǎng)，因此1990年前后地面太陽輻射觀測站點數(shù)量和分布有一定變化。本文所選的100個觀測站，其中61個從1960年前后開始有太陽輻射資料，39個從1990年前后開始有輻射資料，其中的榆中、上海、納溪站為上世紀 90年代蘭州、龍華、瀘州站新址，若將這三個站點視為原站點觀測的延續(xù)，則實際觀測站點為97個。從圖1可以看到，這些站點基本能夠覆蓋我國除臺灣地區(qū)外所有省份，西藏地區(qū)站點相對較少，分布較稀疏，其他地區(qū)站點分布較均勻，基本可以代表我國SSR總的變化趨勢。

在使用總輻射數(shù)據(jù)前，參照Shi et al.（2008）提出的物理閾值、時間序列對地面太陽總輻射數(shù)據(jù)做了質(zhì)量評估，評估結(jié)果表明我國總輻射數(shù)據(jù)總體數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，通過質(zhì)量評估的總輻射數(shù)據(jù)比例為94.0%。

3 結(jié)果與討論

3.1 我國SSR變化特征

本文選取的100個站點的資料起始時間大致分為上世紀 90年代前、后兩部分，站點數(shù)量和分布有較大變化。因此在分析我國 1961～2009年地面太陽輻射（SSR）總體變化趨勢前，要考慮站點數(shù)量對全國平均變化趨勢的影響。 圖2是1961～2009年全國平均 SSR逐年變化趨勢圖。圖中藍色曲線代表自上世紀60年代開始有觀測資料的61個站點SSR年平均結(jié)果；紅色曲線代表自上世紀90年代開始有觀測資料的39個站點SSR年平均結(jié)果；黑色曲線代表不考慮前后站點變化的結(jié)果。從圖中可以看到，紅色曲線略高于其他兩條曲線，這與新增站點在高緯度地區(qū)分布相對較少有關(guān)。三條曲線的變化趨勢比較相似（1990年后），因此可以認為上世紀90年代前后站點變化對全國SSR總的變化趨勢影響較小。

圖1 100個總輻射觀測站點分布Fig.1 100 surface solar radiation observation sites over China

總的來看，在過去近50年我國SSR經(jīng)歷了先下降后上升的過程。具體變化特征為（圖 2黑色曲線）：1961～1990年呈顯著下降趨勢，期間SSR共下降約 23 W m–2，下降速率為－4.3%/10 a (7.9 W m–2(10 a)–1)；1990后SSR變化趨勢轉(zhuǎn)變，總體呈上升趨勢，上升速率為 2.8%/10 a (2.4 W m–2(10 a)–1)，尤其在1990～1995年間SSR增長非常迅速，期間SSR上升了約14 W m–2，增長速率為17.7%/10 a(28.2 W m–2(10 a)–1)。

SSR變化的轉(zhuǎn)折點大致出現(xiàn)在1990年，因此本文將數(shù)據(jù)分為 1990年前、后兩組，分別分析各時期我國SSR變化的地域特征。圖3是1961～1990年全天空條件下我國61個站點SSR變化線性趨勢圖。從圖中可以看到，大部分站點（95.5%）SSR均呈下降趨勢，其中通過95%顯著性檢驗的站點有44個（73.3%）。上述結(jié)果表明，在1961～1990年我國經(jīng)歷了大范圍“變暗”（SSR下降）過程，這一結(jié)果與之前的一些研究結(jié)果吻合，說明在此期間引起 SSR下降的主導(dǎo)因素是大范圍的，局地因素的影響較小。

圖4是1990～2009年全天空條件下我國97個站 SSR逐年變化趨勢圖。相比圖3，圖4中各站點SSR的變化趨勢差別較大。圖中12個（12.4%）站點呈顯著下降趨勢，SSR下降但不顯著的站點有47個（48.5%），6個站點（6.2%）呈顯著“變亮”（SSR上升），“變亮”但不顯著的站點有32個（33.0%）。SSR變化趨勢有較顯著的地域特征，長江以南的站點多表現(xiàn)為增長趨勢，而長江以北則多表現(xiàn)為下降趨勢。

3.2 全天空與晴空條件下SSR變化特征對比

通過比較全天空（所有數(shù)據(jù)）與晴空（總云量為零的數(shù)據(jù)）條件下SSR的變化可以在一定程度上反映云對SSR的影響。本文根據(jù)中國氣象局提供的云量資料，挑選出日平均云量為 0的數(shù)據(jù)（約 13萬組）分析我國晴空條件下的SSR變化趨勢，并與全天空的結(jié)果比較。

圖 5 為1961～2009全天空與晴空條件下我國SSR變化趨勢的對比圖。可以看到 1961～1990年晴空條件下SSR持續(xù)下降，期間SSR下降了約23 W·m–2，下降速率為－3.9%/10 a (7.1W m–2(10 a)–1))；1990～2009年呈增長趨勢，期間 SSR增長了約 8 W m–2，增長速率為 2.3%/10 a (4.0W m–2(10 a)–1)?？偟膩砜矗缈諚l件下SSR變化趨勢與全天空情況相似（先“變暗”后“變亮”），表明近50年內(nèi)云的變化不足以引起 SSR變化趨勢的改變。就不同階段來看，1961～1990年兩者變化趨勢一致，全天空的下降速率略大于晴空，線性下降趨勢比晴空顯著。上世紀 80年代中后期晴空的地面輻射下降趨勢變緩是引起1961～1990年晴空SSR下降較慢的主要原因。據(jù)此推測，云可能是引起 1980～1990年地面繼續(xù)“變暗”的主要因子。1990～2009年，晴空情況的SSR波動較大，且全天空情況下沒有出現(xiàn)1990～1995年SSR快速上升的情況，但總趨勢是上升的。

圖2 1961～2009年全國平均SSR逐年變化趨勢。藍色曲線代表自上世紀60年代開始有觀測資料的61個站點SSR平均結(jié)果；紅色曲線代表自上世紀90年代開始有觀測資料的39個站點SSR平均結(jié)果；黑色曲線代表不考慮前后站點變化Fig.2 Time series of annual SSR during 1961–2009.Blue line is the result from 61 sites data, red line is the result from 39 sites data, and the black line is the result from all sites data

圖3 1961～1990年全天空條件我國 61個站點 SSR變化線性趨勢（單位：(10 a)–1）Fig.3 SSR linear trends at 61 sites during 1961–1990 under all sky condition (units: (10 a) –1)

圖4 1990～2009年全天空條件我國97個站點SSR線性變化趨勢（單位：(10 a)–1）Fig.4 SSR linear trends at 97 sites during 1990–2009 under all sky condition (units: (10 a) –1)

圖 6（見文后彩圖）是 1961～1990年我國各站點晴空條件下SSR變化特征。圖中顯著下降的站點 31個（51.7%），遞減但不顯著的站點 24個（40%），全國地面輻射以下降為主，總的變化趨勢與全天空的結(jié)果（圖 3）一致。

圖7（見文后彩圖）為1990～2009我國各站點晴空條件下SSR變化特征。圖中顯著“變暗”的站點數(shù)為0，“變暗”但不顯著的站點34個（35.0%），顯著“變亮”的站點有 8個（8.2%），54個站點（55.7%）“變亮”但不顯著?？梢钥吹?990～2009年晴空條件下地面“變亮”的趨勢非常明顯。對比同時期全天空條件下各站點SSR變化趨勢（圖 4）可以看到，晴空條件下“變亮”的站點數(shù)量更多，覆蓋范圍更大。

在假設(shè)各個站點無云日的數(shù)據(jù)量差別不大且無云數(shù)據(jù)在各個季節(jié)分布較均勻的條件下，根據(jù)上述結(jié)果（圖 6、7）可以認為，在1961～1990年，晴空條件的設(shè)置對地面輻射變化趨勢的影響不大，此時云量變化在地面“變暗”過程中并不起主導(dǎo)作用；而在 1990～2009年，云量在一定程度上削弱了地面的“變亮”趨勢。

3.2 云量變化特征及與SSR變化的聯(lián)系

前面通過對比全天空和晴空條件下 SSR的變化趨勢分析云在不同時期對SSR的貢獻，本節(jié)通過分析云量的變化來驗證和補充上述結(jié)論。

圖8是1961～2009年間我國100個輻射觀測站點平均云量變化趨勢圖。由圖可以看出我國云量的變化大致可以分為兩個時段，1961～1990年呈微弱的下降趨勢，下降速率為－0.49/10 a (－0.8% (10 a)–1)，1990～2009年云量轉(zhuǎn)為微弱的上升趨勢，上升速率為0.47/10 a (0.8% (10 a)–1)。這種先降后升的特征與地面太陽輻射的變化相似（圖2），并且發(fā)生轉(zhuǎn)折的時間點也非常接近。

圖5 1961～2009年全天空與晴空條件我國SSR變化趨勢對比Fig.5 Comparison between time series of annual SSR in past 50 years under all sky and clear sky condition

圖9（見文后彩圖）為1961～1990年我國各輻射站點云量變化趨勢。圖中對 61個輻射觀測站點的云量變化進行分析。結(jié)果顯示，有 23個站點（37.7%）表現(xiàn)為增長趨勢，其中 2個站點通過顯著性檢驗；其余38個站點（62.3%）表現(xiàn)為下降趨勢，其中8個站點通過顯著性檢驗。我國東北部地區(qū)的云量多為下降趨勢，而浙江、福建和廣東地區(qū)的站點多為上升趨勢?？傮w而言，這一時期云量變化的并不顯著，且變化幅度較小。

圖10（見文后彩圖）為1990～2009年我國各輻射站點云量變化圖。圖中有53個站點（54.6%）呈增長趨勢，其中 30個站點通過顯著性檢驗，其余 44個站點（45.4%）表現(xiàn)為下降趨勢，其中 12個站點通過顯著性檢驗。與 1961～1990年的結(jié)果對比（圖9），1990～2009年（圖10）云量為增長趨勢的站點增加了16.7%，云量變化幅度更大，中、高緯度地區(qū)，云量增長趨勢非常明顯。

與全天空 SSR變化趨勢的結(jié)果（圖 3、4）結(jié)合可以發(fā)現(xiàn)，1990年后云量顯著增長的站點與 地面輻射下降的站點都集中在我國中高緯度帶，長江以南的站點多表現(xiàn)為地面輻射上升同時云量下降，云量與SSR間呈較明顯的負相關(guān)，但這種負相關(guān)在1990年前并不明顯。這表明，1990年后云對SSR的作用較1990年前顯著。

圖 11和圖 12分別給出 1961～1990，1990～2009云量與地面輻射年平均值的線性擬合函數(shù)的斜率。在1961～1990年（圖 11），云與SSR呈顯著的負相關(guān)的站點有14個（21.5%）；而在1990～2009年（圖 12），有47個站呈顯著負相關(guān)（48.0%），表明1990年后云對SSR的影響力由不明顯轉(zhuǎn)為較顯著。這與本文3.2節(jié)的結(jié)果一致。

3.4 晴空與全天空情況下SSR變化拐點的討論

從前文全天與晴空條件下全國 SSR逐年變化圖可以發(fā)現(xiàn)，在1980～1990年，晴空條件下 SSR沒有表現(xiàn)出明顯的下降趨勢，而全天空條件下SSR繼續(xù)下降，兩者區(qū)別較顯著（圖 5）。這意味著晴空與全天空條件下 SSR出現(xiàn)轉(zhuǎn)折的時間可能有所不同。本節(jié)通過擬合不同時段SSR線性變化趨勢，尋找晴空與全天空情況下各自最合適的拐點。SSR變化拐點的判斷依據(jù)為兩條擬合曲線的均方根誤差（Root Mean Square Error, RMSE）之和最小，計算公式如下：

式中，下標1和2分別代表前后兩個時段，上標i，j分別代表各時段內(nèi)第i，j年，Y為觀測結(jié)果，?Y為線性擬合結(jié)果。結(jié)果顯示，晴空與全天空情況下，SSR變化出現(xiàn)轉(zhuǎn)折的時間分別在 1980年和1990年前后。由此推測，云在1980年后SSR繼續(xù)下降過程中扮演了非常重要的角色。

這里同時分析了 1980～1990年間各站點晴空與全天空條件下SSR的變化特征。考慮到數(shù)據(jù)量較少（11 a），擬合結(jié)果的統(tǒng)計意義相對較弱，因此其結(jié)果僅作為參考。圖 13和圖 14分別擬合了這一時期各站點在全天空與晴空條件下 SSR的線性變化趨勢。由圖可以看到全天空條件下，大部分站點SSR呈下降趨勢（64.0%），顯著下降的站點占總站點數(shù)的 21.3%，呈上升趨勢的站點上升速率較慢（＜4%/10 a）。而在晴空條件下，大部分站點SSR呈上升趨勢（67.7%），顯著上升的站點占總站點數(shù)的3.2%。對比兩種結(jié)果，推測此時云在一定程度上抑制了“變亮”的趨勢。

圖6 1961～1990年晴空條件我國60個站點SSR線性變化趨勢（單位：(10 a)–1）Fig.6 SSR linear trends at 60 sites during 1961–1990 under clear sky condition (units: (10 a) –1)

圖7 1990～2009年晴空條件我國97個站點SSR線性變化趨勢（單位：(10 a)–1）Fig.7 SSR linear trends at 97 sites during 1990–2009 under clear sky condition (units: (10 a) –1)

圖8 1961～2009年我國平均云量變化趨勢Fig.8 Time series of annual total cloud fraction during 1961–2009

圖9 1961～1990年我國 60個站點云量線性變化趨勢（單位：(10 a)–1）Fig.9 Total cloud fraction linear trend at 60 sites during 1961–1990(units: (10 a) –1)

圖10 1990～2009 年我國 97個站點云量線性變化趨勢（單位：(10 a) –1）Fig.10 Total cloud fraction linear trend at 97 sites during 1990–2009(units: (10 a) –1)

圖11 1961～1990年云量與SSR線性擬合函數(shù)斜率Fig.11 The slops of linear regression between total cloud fraction and SSR at 60 sites during 1961–1990

圖12 1990～2009年云量與SSR線性擬合函數(shù)斜率Fig.12 The slops of linear regression between total cloud fraction and SSR at 60 sites during 1990–2009

圖13 1980～1990年全天空條件我國各站點SSR線性變化趨勢（單位：(10a)–1）Fig.13 SSR linear trends at 61 sites during 1980–1990 under all sky condition (units: (10a) –1)

圖14 1980～1990年晴空條件我國各站點SSR線性變化趨勢（單位：(10a) –1）Fig.14 SSR linear trends at 97 sites during 1980–1990 under clear sky condition (units: (10a) –1)

4 主要結(jié)論

本文通過分析地面太陽總輻射和日平均總云量資料分析過去近50年我國地面太陽輻射（SSR）變化特征及云在不同時期的影響，主要結(jié)論如下：

（1）過去近 50年，我國 SSR表現(xiàn)出先下降后上升的變化趨勢。1961～1990年呈顯著下降趨勢，下降速率為－4.3%/10 a (7.87W m–2(10 a)–1)；1990年后SSR開始上升，上升速率為2.8%/10 a (2.4 W m–2(10 a)–1)。

（2）對比晴空與全天空情況下SSR變化特征發(fā)現(xiàn)：1961～1990年，晴空條件和全天空條件下的地面輻射變化趨勢非常相似，變化速率也比較接近；1990～2009年，晴空的地面輻射相對全天空的波動更大，但總的為上升趨勢。

（3）晴空條件設(shè)置對 1961～1990年各站點SSR變化趨勢的影響較小，各站點SSR變化較一致（大范圍“變暗”）；1990年后我國SSR不再繼續(xù)“變暗”，部分站點開始逐漸“變亮”。長江以南地區(qū)呈“變亮”特征的站點比例較高，而北方地區(qū)站點大多以“變暗”趨勢為主，但“變暗”的速率明顯較前一時段（1961～1990）放緩。

（4）我國云量總體變化大致可以分為兩個時段：1961～1990年我國云量總體呈下降趨勢，下降速率為－0.49/10 a (－0.8% (10 a)–1)。20 世紀 90 年代開始云量呈上升趨勢，上升速率為 0.47/10 a(0.8% (10 a)–1)。就各站點的變化而言，1961～1990年云量變化的顯著性不強，且幅度較??；1990～2009年云量變化呈明顯南北差異，我國北方地區(qū)云量增長的趨勢非常明顯，而南方地區(qū)主要表現(xiàn)為下降趨勢。

（5）對比全天空條件下 SSR與云量的變化特征，發(fā)現(xiàn) 1961～1990年間，地面輻射受云的影響不明顯，而從20世紀90年代開始云與地面輻射有很好的對應(yīng)關(guān)系。結(jié)合晴空與全天空SSR變化特征對比的結(jié)果可以認為，在“變暗”時期（1961～1990年），云對SSR年代際變化的貢獻不明顯，而在“變亮”時期（1990～2009年）云成為眾多影響因子中較為突出的一項，起到減少SSR的作用。

（6）晴空與全天空條件下SSR出現(xiàn)拐點的時間分別在1980年和1990年前后，這表明云可能成為1980～1990年期間 SSR繼續(xù)下降的主要因素。下一步工作，將會著重討論 1980年后云量的變化特征及與SSR之間的聯(lián)系。

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