氣象輻射站與基準(zhǔn)輻射站觀測(cè)資料的差異評(píng)估

霍慶+任芝花+劉娜+孫超+李湘

摘要：選取2013年3個(gè)站址相同的氣象輻射站和基準(zhǔn)輻射站的觀測(cè)資料，對(duì)比分析國(guó)產(chǎn)輻射觀測(cè)儀器與世界先進(jìn)儀器兩類儀器的觀測(cè)差異，同時(shí)對(duì)影響觀測(cè)的氣象因子進(jìn)行分析。結(jié)果表明，漠河站和溫江站的總輻射、直接輻射、散射輻射與基準(zhǔn)輻射站的平均相對(duì)差值均在±3%的范圍之內(nèi)，觀測(cè)質(zhì)量較好，但反射輻射和凈輻射的平均相對(duì)差值接近或大于±10%；而焉耆氣象輻射站與基準(zhǔn)輻射站觀測(cè)存在一定的系統(tǒng)偏差。氣象輻射站與基準(zhǔn)輻射站的觀測(cè)差異具有明顯的日變化特征，差值與相對(duì)差值表現(xiàn)出相反的日變化特征，分別在日出以后隨著太陽(yáng)輻射的增強(qiáng)而逐漸增大（減?。?，并在中午時(shí)刻達(dá)到最大值（最小值），此后，逐漸減?。ㄔ龃螅谝归g達(dá)到最小值（最大值）；氣溫、相對(duì)濕度和大氣能見度對(duì)輻射觀測(cè)質(zhì)量有明顯影響，當(dāng)出現(xiàn)較高或較低的氣溫、較高的相對(duì)濕度或較低的大氣能見度時(shí)，氣象輻射站和基準(zhǔn)輻射站的觀測(cè)差異均較大。

關(guān)鍵詞：氣象輻射站；基準(zhǔn)輻射站；觀測(cè)差異；氣象因子

中圖分類號(hào)：P412.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2017）21-4056-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.21.015

Comparative Evaluation of Observations from the Meteorological Radiation Station and the Baseline Surface Radiation Station

HUO Qing，REN Zhi-hua，LIU Na，SUN Chao，LI Xiang

（National Meteorological Information Center， Beijing 100081，China）

Abstract： This paper discusses the differences between the observations of the meteorological radiation station and the baseline surface radiation network （BSRN） using data from 3 pairs of paralleling instruments in 2013. The influences of the meteorological factors on differences of these two instruments were also analyzed. The results show that， for the station of Mohe and Wenjiang， the relative differences of global， direct and diffuse radiation compared with BSRN are within ±3%， showing a perfect observation quality， but the relative differences of reflective and net radiation are nearly or more than ±10%. Systematic deviations exist at Yanqi station. The differences between the meteorological radiation station and BSRN present an obverse diurnal variation. The relative differences decrease with the sunrise and reach a minimum at noon. And the maximum appears at night. But the diurnal variation of the absolute differences shows an adverse tendency. The air temperature， relative humidity and the atmospheric visibility have significant effects on the radiation measurement. In the condition of high or low air temperature， high humidity or low atmospheric visibility， the differences between the observations of the meteorological radiation station and BSRN are all large.

Key words： meteorological radiation station； baseline surface radiation network（BSRN）； observation difference； meteorological factor

太陽(yáng)輻射是地球表層和大氣圈層的主要能量來(lái)源，對(duì)氣象、環(huán)境、農(nóng)業(yè)、能源等領(lǐng)域具有重要的意義[1-3]。對(duì)太陽(yáng)輻射進(jìn)行準(zhǔn)確的觀測(cè)是研究地球-大氣系統(tǒng)能量收支的重要手段，也是進(jìn)行氣候變化研究的基礎(chǔ)[4-6]。中國(guó)氣象局建設(shè)的氣象輻射站作為中國(guó)主要的太陽(yáng)輻射觀測(cè)平臺(tái)，目前在業(yè)務(wù)運(yùn)行的約有100個(gè)觀測(cè)站。其中，一級(jí)站的觀測(cè)項(xiàng)目包括總輻射、直接輻射、散射、反射和凈輻射，二級(jí)站對(duì)總輻射和凈輻射進(jìn)行觀測(cè)，三級(jí)站只觀測(cè)總輻射。氣象輻射站的輻射觀測(cè)儀器統(tǒng)一為國(guó)產(chǎn)的熱電型輻射傳感器[7]。中國(guó)的氣象輻射站觀測(cè)資料經(jīng)過(guò)質(zhì)量控制后，提供氣象業(yè)務(wù)單位和相關(guān)科研單位使用，資料質(zhì)量得到了國(guó)內(nèi)學(xué)者的認(rèn)可[8-10]。除以上氣象輻射站之外，隨著中國(guó)加入國(guó)際基準(zhǔn)輻射觀測(cè)網(wǎng)（BSRN），現(xiàn)階段已建成7個(gè)基準(zhǔn)輻射站，分別位于黑龍江漠河、新疆焉耆、內(nèi)蒙古錫林浩特、河南許昌、四川溫江、云南大理和北京上甸子?；鶞?zhǔn)輻射站的觀測(cè)項(xiàng)目較齊全，包括總輻射、直接輻射、散射輻射、反射輻射、大氣長(zhǎng)波輻射、地球長(zhǎng)波輻射、紫外輻射、光合有效輻射等。基準(zhǔn)輻射站不僅觀測(cè)儀器先進(jìn)，且日常觀測(cè)規(guī)范，輻射觀測(cè)質(zhì)量較高[2，11]。觀測(cè)儀器的性能是影響輻射觀測(cè)質(zhì)量的重要因素。雖然中國(guó)氣象局每?jī)赡陮?duì)中國(guó)的輻射站網(wǎng)進(jìn)行一次檢定[12]，但在實(shí)際觀測(cè)環(huán)境中，中國(guó)的輻射觀測(cè)儀器與國(guó)際先進(jìn)儀器之間有多大差異，并沒(méi)有全面的評(píng)估。本研究利用質(zhì)量較好的基準(zhǔn)輻射站的觀測(cè)資料，對(duì)比分析氣象輻射站與基準(zhǔn)輻射站的觀測(cè)差異，同時(shí)對(duì)影響觀測(cè)的氣象因素進(jìn)行了分析，旨在從實(shí)際觀測(cè)的角度評(píng)估中國(guó)輻射觀測(cè)資料的質(zhì)量狀況。endprint

1 資料與方法

選取氣象輻射站和基準(zhǔn)輻射站站址相同的3個(gè)站點(diǎn)，分別為黑龍江漠河站、新疆焉耆站和四川溫江站。用于對(duì)比分析的觀測(cè)數(shù)據(jù)是2013年的兩類觀測(cè)站的平行觀測(cè)資料（小時(shí)輻射曝輻量）。其中，漠河站由于儀器故障，基準(zhǔn)輻射只有9-12月的觀測(cè)資料，其他站點(diǎn)的資料較齊全。作為一級(jí)氣象輻射站的漠河站和溫江站，本研究對(duì)比分析的輻射觀測(cè)要素為總輻射、直接輻射、散射、反射和凈輻射；焉耆站為三級(jí)站，只做總輻射的對(duì)比分析。由于基準(zhǔn)輻射站沒(méi)有對(duì)凈輻射進(jìn)行直接觀測(cè)，因此，基準(zhǔn)輻射站的凈輻射采用下式計(jì)算得到[12]：

Rn=（D1+L1）-（D2+L2） （1）

式中，Rn代表凈輻射，D1和L1分別代表太陽(yáng)直接輻射和大氣向下長(zhǎng)波輻射，D2和L2分別代表地面反射輻射和向上長(zhǎng)波輻射。

為保證氣象輻射站和基準(zhǔn)輻射站的資料的可對(duì)比性，首先對(duì)兩種資料進(jìn)行了基本的質(zhì)量控制，包括物理閾值檢查、時(shí)間一致性檢查等。再次，由于降水對(duì)輻射觀測(cè)影響較大，本研究剔除了降水時(shí)刻的觀測(cè)數(shù)據(jù)。同時(shí)，在本次分析中，兩種儀器的觀測(cè)值至少有一個(gè)缺測(cè)的，不參與對(duì)比分析。經(jīng)過(guò)以上處理，各站點(diǎn)用于對(duì)比分析的有效數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)見表1。

以差值和相對(duì)差值作為評(píng)估指標(biāo)，用來(lái)分析氣象輻射站和基準(zhǔn)輻射站的觀測(cè)差異。評(píng)估中涉及到的公式如下：

Xai=Ui-Ai （2）

Xri=×100% （3）

式中，Xai為第i次輻射觀測(cè)的差值（10-2 MJ/m2），Ui和Ai分別為氣象輻射站和基準(zhǔn)輻射站輻射觀測(cè)值（10-2 MJ/m2），Xri為第i次輻射觀測(cè)的相對(duì)差值（%）；僅當(dāng)Ai大于2時(shí)，計(jì)算Xri。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣象輻射站與基準(zhǔn)輻射站的觀測(cè)差異

表2給出了氣象輻射站和基準(zhǔn)輻射站觀測(cè)的平均差值和平均相對(duì)差值?？傮w來(lái)看，對(duì)于漠河站和溫江站，總輻射、直接輻射和散射輻射的觀測(cè)差異均較?。ㄆ骄鄬?duì)差值在±3%的范圍之內(nèi)），而反射輻射和凈輻射的觀測(cè)差異較大（接近或大于±10%）。反射輻射和凈輻射觀測(cè)差異較大的原因可能與觀測(cè)儀器所在的下墊面特性的差異有關(guān)，下墊面植被的稀疏程度和生長(zhǎng)狀況都對(duì)反射輻射和凈輻射的觀測(cè)有較大影響。而焉耆站，總輻射的觀測(cè)差異較大，平均相對(duì)差值達(dá)到了-10.00%，且標(biāo)準(zhǔn)差較大。進(jìn)一步對(duì)比發(fā)現(xiàn)，焉耆站的總輻射觀測(cè)存在一定的系統(tǒng)性偏差（圖1）。

同時(shí)，對(duì)氣象輻射站和基準(zhǔn)輻射站觀測(cè)的相對(duì)差值的頻率分布進(jìn)行了分析（圖2）。其中總輻射、直接輻射、散射輻射、反射輻射和凈輻射的觀測(cè)差異在±5%之內(nèi)的時(shí)次占總數(shù)據(jù)量的比例分別為56.7%、50.0%、61.9%、17.0%和20.1%，觀測(cè)差異在 ±10%之內(nèi)的數(shù)據(jù)量分別為72.4%、69.8%、83.7%、36.0%和34.3%。

2.2 觀測(cè)差異的日變化特征

圖3以溫江站為例，給出了氣象輻射站與基準(zhǔn)輻射站觀測(cè)差異的日變化特征，其他站點(diǎn)的日變化特征與此相似。由圖3可見，總輻射、直接輻射、散射輻射、反射輻射和凈輻射的觀測(cè)差異的日變化相近。從觀測(cè)差值來(lái)看，日出以后隨著太陽(yáng)輻射的增強(qiáng)，觀測(cè)差值逐漸增大，并在中午時(shí)刻達(dá)到最大，此后，隨著太陽(yáng)輻射的逐漸減弱，觀測(cè)差值也隨之減小。但相對(duì)差值表現(xiàn)出不同的日變化特征，在日出之前和日落之后，由于太陽(yáng)輻射較弱，相對(duì)差值均較大，而在太陽(yáng)輻射較強(qiáng)的白天（10：00～15：00），相對(duì)差值均維持較小值。

2.3 氣象因子對(duì)輻射觀測(cè)的影響

相關(guān)研究指出，氣溫、相對(duì)濕度、大氣能見度和總云量等對(duì)輻射有較大影響[13-15]，因此本研究主要分析這4個(gè)氣象要素對(duì)氣象輻射站和基準(zhǔn)輻射站的觀測(cè)影響。

2.3.1 氣溫 雖然氣象輻射站和基準(zhǔn)輻射站的觀測(cè)儀器均為熱電型，但由于基準(zhǔn)輻射站的儀器性能標(biāo)準(zhǔn)高于氣象輻射站，因此兩種儀器對(duì)溫度的響應(yīng)存在一定差異。圖4給出了氣象輻射站和基準(zhǔn)輻射站的觀測(cè)差值和相對(duì)差值隨氣溫的變化特征，圖中虛線代表相對(duì)差值為±5%的界限范圍。由圖4可見，氣溫對(duì)輻射觀測(cè)有顯著影響，同時(shí)可以看到，氣溫對(duì)總輻射、直接輻射、散射輻射、反射輻射和凈輻射的影響規(guī)律相似。當(dāng)氣溫較低時(shí)，氣象輻射站與基準(zhǔn)輻射站的觀測(cè)差異較大，其中兩者的相對(duì)差值的大部分點(diǎn)位在界限范圍之外。隨著氣溫的升高，除了反射輻射以外，其他輻射觀測(cè)的差異均呈現(xiàn)明顯的減小趨勢(shì)，相對(duì)差值漸趨向于界限范圍之內(nèi)（但此時(shí)凈輻射的觀測(cè)仍有約±20%的觀測(cè)差異）。此后，隨著氣溫的進(jìn)一步升高，輻射觀測(cè)的差異又呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，當(dāng)氣溫升高至一定程度時(shí)，相對(duì)差值的部分點(diǎn)位已經(jīng)超出±5%的界限范圍。由以上的分析可知，當(dāng)氣溫適中時(shí)，氣象輻射站和基準(zhǔn)輻射站的觀測(cè)差異較小，較低或者較高的氣溫均會(huì)對(duì)輻射觀測(cè)有較大影響，導(dǎo)致兩者的觀測(cè)差異增大。

2.3.2 相對(duì)濕度 圖5給出了氣象輻射站和基準(zhǔn)輻射站的觀測(cè)差值和相對(duì)差值隨相對(duì)濕度的變化特征。由圖5可見，在一定的濕度范圍內(nèi)（<85%），氣象輻射站和基準(zhǔn)輻射站的觀測(cè)差異相對(duì)較小，其中總輻射、直接輻射和散射輻射的相對(duì)差值絕大部分在±5%的界限范圍內(nèi)。而當(dāng)相對(duì)濕度較高時(shí)（>85%），觀測(cè)差異會(huì)有明顯地增加。雖然反射輻射和凈輻射的觀測(cè)存在一定的系統(tǒng)偏差，但其觀測(cè)差值隨相對(duì)濕度的變化特征與總輻射等相似（圖5）。

2.3.3 大氣能見度和總云量 大氣能見度和云量都對(duì)地球表面接收的太陽(yáng)輻射的大小有直接的影響。圖6和圖7分別分析了能見度和總云量對(duì)氣象輻射站和基準(zhǔn)輻射站的觀測(cè)差值和相對(duì)差值的影響。由圖6可見，大氣能見度對(duì)輻射觀測(cè)的質(zhì)量有一定的影響，當(dāng)能見度較低時(shí)（小于2 000 m），氣象輻射站和基準(zhǔn)輻射站的觀測(cè)差異隨能見度的變化較大，且兩者的相對(duì)差值基本都在±5%的界限范圍之外；隨著大氣能見度的增加，輻射觀測(cè)差異減小，并在±5%的范圍內(nèi)波動(dòng)。由此可見，大氣能見度對(duì)輻射觀測(cè)質(zhì)量的影響主要集中在能見度較小的時(shí)刻，當(dāng)霧、霾、沙塵等導(dǎo)致能見度降低的天氣現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)，都會(huì)對(duì)輻射觀測(cè)質(zhì)量有一定的影響。由圖7可見，雖然氣象輻射站和基準(zhǔn)輻射站的觀測(cè)差異隨總云量有一定的變化，但總體來(lái)看，觀測(cè)差異都在±5%的范圍之內(nèi)，由此可知，云量對(duì)輻射觀測(cè)質(zhì)量的影響較小。endprint

3 結(jié)論

利用漠河站、焉耆站和溫江站2013年氣象輻射和基準(zhǔn)輻射的平行觀測(cè)資料，對(duì)比分析了兩套觀測(cè)儀器之間的差異，同時(shí)對(duì)影響輻射觀測(cè)的氣象因素進(jìn)行了分析，主要結(jié)論如下。

1）總輻射、直接輻射、散射輻射與基準(zhǔn)輻射站的觀測(cè)差異在±5%之內(nèi)的時(shí)次占總數(shù)據(jù)量的比例分別為56.7%、50.0%、61.9%，觀測(cè)差異在±10%之內(nèi)的數(shù)據(jù)量分別為72.4%、69.8%、83.7%。其中漠河站和溫江站，氣象輻射與基準(zhǔn)輻射的平均觀測(cè)差異在±3%之內(nèi)，觀測(cè)質(zhì)量較高。而焉耆站的氣象輻射與基準(zhǔn)輻射觀測(cè)存在一定的系統(tǒng)偏差。反射輻射和凈輻射的觀測(cè)差異較大，可能與站點(diǎn)局地的下墊面狀態(tài)有關(guān)。其中反射輻射的平均相對(duì)差值在±10%左右，而凈輻射的平均相對(duì)差值大于±10%。

2）氣象輻射站與基準(zhǔn)輻射站的觀測(cè)差異具有明顯的日變化特征?？傒椛洹⒅苯虞椛?、散射輻射、反射輻射和凈輻射的觀測(cè)差異的日變化規(guī)律相近。觀測(cè)差值在日出以后隨著太陽(yáng)輻射的增強(qiáng)而逐漸增大，并在中午時(shí)刻達(dá)到最大值，此后，逐漸減小，在夜間達(dá)到最小值。相對(duì)差值表現(xiàn)出相反日變化特征，在日出之前和日落之后，由于太陽(yáng)輻射較弱，相對(duì)差值較大，而在太陽(yáng)輻射較強(qiáng)的白天（10：00～15：00），相對(duì)差值均維持較小值。

3）氣溫、相對(duì)濕度和大氣能見度對(duì)輻射觀測(cè)質(zhì)量有明顯影響，云量對(duì)輻射觀測(cè)質(zhì)量的影響較小。當(dāng)氣溫適中時(shí)（約0～30 ℃），氣象輻射站和基準(zhǔn)輻射站的觀測(cè)差異較小，相對(duì)差值基本在±5%的界限范圍之內(nèi)；較低或者較高的氣溫均會(huì)對(duì)輻射觀測(cè)有較大影響，導(dǎo)致兩者的輻射觀測(cè)差異增大。當(dāng)相對(duì)濕度小于85%時(shí)，氣象輻射站和基準(zhǔn)輻射站的觀測(cè)差異相對(duì)較小，此后隨著相對(duì)濕度的增加，觀測(cè)差異有明顯的增加趨勢(shì)。大氣能見度對(duì)輻射觀測(cè)的影響主要集中在能見度較小的時(shí)刻（能見度小于2 000 m），隨著大氣能見度的增加，輻射觀測(cè)差異減小，并在 ±5%的范圍內(nèi)波動(dòng)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 宿興濤，王漢杰，宋 帥，等.近10年?yáng)|亞沙塵氣溶膠輻射強(qiáng)迫與溫度響應(yīng)[J].高原氣象，2011，30（5）：1300-1307.

[2] 李 峰，季承荔，莫月琴，等.我國(guó)地面輻射基準(zhǔn)站觀測(cè)數(shù)據(jù)完整性和合理性檢查評(píng)價(jià)[J].高原氣象，2013，32（4）：1203-1213.

[3] 王曉梅，張山清，普宗朝，等.近50年烏魯木齊市太陽(yáng)能資源時(shí)空變化分析[J].氣象，2013，39（4）：443-452.

[4] 李曉文，李維亮，周秀驥.中國(guó)近30年太陽(yáng)輻射狀況研究[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，1998，9（1）：24-31.

[5] 李正泉，于貴瑞，溫學(xué)發(fā)，等.中國(guó)通量觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)能量平衡閉合狀況的評(píng)價(jià)[J].中國(guó)科學(xué)（D輯），2004，34（增刊）：46-56.

[6] 汪 凱，葉 紅，陳 鋒，等.中國(guó)東南部太陽(yáng)輻射變化特征、影響因素及其對(duì)區(qū)域氣候的影響[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2010，19（5）：1119-1124.

[7] 中國(guó)氣象局.地面氣象觀測(cè)規(guī)范[M].北京：氣象出版社，2003.68-80.

[8] 陳志華.1957-2000年中國(guó)地面太陽(yáng)輻射狀況的研究[D].北京：中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所，2005.

[9] SHI G Y，HAYASAKA T，OHMURA A，et al. Data quality assessment and the long-term trend of ground solar radiation in China[J].Journal of Applied Meteorology and Climatology，2008， 47（4）：1006-1016.

[10] 權(quán)維俊，陳洪濱，高燕虎，等.上甸子大氣本底站太陽(yáng)輻射觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量評(píng)價(jià)[J].高原氣象，2009，28（1）：136-142.

[11] 中國(guó)氣象局.基準(zhǔn)輻射觀測(cè)業(yè)務(wù)規(guī)范（試行）[M].北京：中國(guó)氣象局，2007.

[12] 中國(guó)氣象局.氣象輻射觀測(cè)方法[M].北京：氣象出版社，1996.2-7.

[13] 劉 娜，任芝花，余 予.直接輻射表與日照計(jì)觀測(cè)日照時(shí)數(shù)的差異評(píng)估[J].氣象，2015，41（1）：68-75.

[14] 申彥波，趙 東，祝昌漢，等.近50年來(lái)鄂爾多斯地面太陽(yáng)輻射的變化及與相關(guān)氣象要素的聯(lián)系[J].高原氣象，2009，28（4）：786-794.

[15] 王麗娟，陳正洪，成 馳，等.武漢與宜昌太陽(yáng)總輻射與氣象要素的關(guān)系對(duì)比研究[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，54（1）：73-77.endprint