地面輻射觀測(cè)資料的研究近狀

張爭(zhēng)

摘 要：對(duì)我國(guó)及國(guó)外的對(duì)地面輻射觀測(cè)資料的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了概述，并對(duì)輻射的基本定義進(jìn)行闡述。研究結(jié)果表明：（1）總輻射，短波反射輻射與凈輻射在各個(gè)季節(jié)都有著明顯的單峰型日變化特征，而反照率的日變化則呈U型。（2）太陽(yáng)輻射有著明顯的季節(jié)變化特征。（3）反射輻射與總輻射的變化趨勢(shì)基本相同，都隨總云量的增多而減小。凈輻射的逐日變化曲線對(duì)天氣現(xiàn)象有不同程度的反映。

關(guān)鍵詞：總輻射；反射輻射；凈輻射.

太陽(yáng)輻射是地球表面獲得熱量的主要來(lái)源，它驅(qū)動(dòng)著植物的光合作用、蒸騰作用和土壤蒸發(fā)等陸面過(guò)程；同時(shí)它也是驅(qū)動(dòng)地-氣系統(tǒng)物質(zhì)與能量循環(huán)過(guò)程的動(dòng)力來(lái)源，它的時(shí)空分布與變化是引起天氣現(xiàn)象和氣候變化的最主要根源。地球大氣系統(tǒng)入射和出射的輻射能量，反映著地球上各種天氣過(guò)程的產(chǎn)生、發(fā)展和消亡過(guò)程。地表能量的交換過(guò)程是地球-大氣系統(tǒng)間相互作用的主要內(nèi)容，在地-氣系統(tǒng)對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收中，大氣對(duì)太陽(yáng)的短波輻射吸收較少。研究表明，對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收中，由于云和大氣成分對(duì)其的吸收與散射，僅有約50%的太陽(yáng)輻射能量可以到達(dá)地球表面。到達(dá)地面的50%的太陽(yáng)輻射能量，一部分被地表吸收，另一部分則會(huì)被反射回大氣。以地表熱量平衡和輻射平衡為主的地表能量交換過(guò)程是地球-大氣系統(tǒng)之間相互作用的主要內(nèi)容，自然與人為因素對(duì)氣候變化的影響都是通過(guò)這兩個(gè)過(guò)程來(lái)傳遞與表現(xiàn)的，因此地-氣系統(tǒng)的輻射收支目前是氣候研究中非常重要的課題。在地面建立輻射觀測(cè)系統(tǒng)，獲取地面輻射資料，對(duì)氣象的研究工作有重要科學(xué)意義。本文將對(duì)地面輻射觀測(cè)資料的研究概狀與其基本定義進(jìn)行闡述。

一、地面輻射資料研究概況

基于輻射臺(tái)站觀測(cè)資料開(kāi)展的太陽(yáng)輻射研究工作已有很多。例如Shi et al.對(duì)1957-2000年中國(guó)太陽(yáng)輻射觀測(cè)站網(wǎng)的逐日太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)集資料進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：從年平均值結(jié)果來(lái)看，太陽(yáng)總輻射在1961-1989年下降趨勢(shì)明顯，而從1990年代開(kāi)始呈上升趨勢(shì)，初步認(rèn)為大氣氣溶膠含量的變化是地面太陽(yáng)輻射變化的主要原因。馬金玉等（2012）基于1961 -2009年全國(guó)58個(gè)輻射臺(tái)站的地面太陽(yáng)總輻射觀測(cè)資料，對(duì)中國(guó)地區(qū)總輻射的年際、季節(jié)長(zhǎng)期變化趨勢(shì)進(jìn)行分析；從季節(jié)的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)來(lái)看，除冬季以下降趨勢(shì)顯外，其他月份均以變化不明顯為主。研究推測(cè)大氣渾濁度的增加很可能是引起總輻射變化的主要因素。

地表反照率反映著下墊面的情況，對(duì)下墊面的研究有著重要意義，表層土壤濕度對(duì)反照率的影響非常顯著，降水引起表層土壤濕度增加，導(dǎo)致反照率出現(xiàn)短時(shí)明顯降低。不同的降雨量對(duì)反照率的影響也不同。根據(jù)年平均反照率得出各種下墊面反照率的相對(duì)關(guān)系為高寒草甸 > 荒漠 > 牧草 > 農(nóng)田 > 稀疏草地 > 森林：Manabe采用水桶模式模擬陸面過(guò)程時(shí)，就考慮了地表反照率、土壤濕度和地表粗糙度等對(duì)大氣環(huán)流的影響；Chamey研究了撒哈拉地區(qū)地表反照率的改變對(duì)大氣環(huán)流的反饋?zhàn)饔?；Idso et al.對(duì)地面反射率與土壤濕度比的關(guān)系進(jìn)行研究；Holloway和Manabe研究了地面反射率與積雪深度的關(guān)系；Cannon研究給出地面反射率與太陽(yáng)高度角的關(guān)系等等。我國(guó)眾多學(xué)者對(duì)凈輻射各分量的氣候?qū)W計(jì)算、估算擬合、分布特征、遙感監(jiān)測(cè)、影響因子、環(huán)境影響和氣候效應(yīng)及從不同地理角度對(duì)凈輻射的變化進(jìn)行了分析。王超等（2012）利用敦煌雙墩子戈壁試驗(yàn)站2008-2009年的塔站觀測(cè)資料，分析該地區(qū)凈輻射的概率分布、日變化、年變化和典型天氣下的變化特征，結(jié)果表明凈輻射有的單峰型的日變化規(guī)律，不同天氣條件下，凈輻射變化特征差別較大，變化規(guī)律、極值大小和到達(dá)極值時(shí)間均不相同。

二、輻射基本量

氣象站的輻射觀測(cè)，包括太陽(yáng)輻射和地球輻射兩部分。

太陽(yáng)以電磁波的形式向外傳遞能量，稱太陽(yáng)輻射。地球表面獲得熱量的主要來(lái)源是太陽(yáng)輻射，太陽(yáng)輻射出的99.9%能量集中在0.2-10微米（μm）的波段，紫外輻射的波長(zhǎng)小于0.4μm，0.4-0.76μm間的輻射為可見(jiàn)光輻射，而長(zhǎng)于0.76μm的稱為紅外輻射。目前氣象站主要觀測(cè)的是短波輻射，波長(zhǎng)在0.29-3.0μm間。地球輻射是地球表面、云層、大氣以及大氣中氣溶膠粒子所發(fā)射的長(zhǎng)波輻射，又稱為長(zhǎng)波輻射和熱紅外輻射，波長(zhǎng)為3-100μm。地面長(zhǎng)波輻射大部分被云與大氣吸收，一小部分透過(guò)大氣層直射太空；大氣與云同時(shí)也向太空放出長(zhǎng)波輻射，這兩者之和組成由地氣系統(tǒng)進(jìn)入宇宙空間的熱輻射就統(tǒng)稱為地球輻射。在地球輻射中，由地面向上發(fā)射的長(zhǎng)波輻射稱為地面輻射，大氣發(fā)射的長(zhǎng)波輻射稱為大氣輻射，大氣向下發(fā)射的長(zhǎng)波輻射稱為大氣逆輻射。

太陽(yáng)總輻射為水平面上的直接輻射與散射輻射之和，它是輻射觀測(cè)的最基本項(xiàng)目。

其中為直接輻射，為散射輻射。直接輻射是太陽(yáng)輻射中以平行光線的形式直接穿過(guò)大氣層投射到地球表面的那部分輻射；而經(jīng)過(guò)大氣散射或云的反射，從天空2π立體角以短波形式向下，到達(dá)地面的那部分太陽(yáng)輻射稱為散射輻射。太陽(yáng)總輻射為水平面上的直接輻射與散射輻射之和。太陽(yáng)總輻射是地表能量交換中的收入部分，觀測(cè)場(chǎng)觀測(cè)到的太陽(yáng)總輻射主要取決于太陽(yáng)高度角、大氣透明度、天空中的云量等因子。而太陽(yáng)總輻射的日變化與月變化主要還是取決于太陽(yáng)高度角的變化。

到達(dá)地面的總輻射被下墊面向上反射回大氣的那部分短波輻射，稱為地面反射輻射，可用總輻射表感應(yīng)面朝下測(cè)量。下墊面反射能力的大小則通過(guò)向上的反射輻射通量與總輻射通量的比值來(lái)表示，即地表反照率，

公式中為地面反射輻射，為太陽(yáng)總輻射。地表反照率體現(xiàn)著地面能量交換狀況，是研究地面能量收支中極其重要的部分。

短波輻射與長(zhǎng)波輻射之和稱為全輻射，波長(zhǎng)范圍為0.29～100μm。凈輻射是太陽(yáng)與大氣向下發(fā)射的全輻射和地面向上發(fā)射的全輻射之差值。凈輻射對(duì)于地球熱量收支狀況的研究有著重要意義。太陽(yáng)凈輻射表征著地表輻射交換的特征量，其定義為地表所吸收的短波輻射和地面放出的有效輻射之差，也就是地面收入與支出的輻射能差值，它是氣候變化乃至全球變化的重要驅(qū)動(dòng)力。凈輻射公式：

公式中的地表反射輻射；總輻射；大氣逆輻射；地面長(zhǎng)波輻射。

三、展望

本文僅對(duì)輻射的研究現(xiàn)狀與基本定義進(jìn)行闡述，后續(xù)將基于地面輻射資料進(jìn)行分析，以揭示南京區(qū)域太陽(yáng)輻射的變化特征，為南京地區(qū)的能量收支、氣候變化及生態(tài)效應(yīng)等研究提供科學(xué)的依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋建洋.本底站輻射數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估與特征分析. 中國(guó)氣象科學(xué)研究院碩士學(xué)位論文， 2013.

[2]盛裴軒.大氣物理學(xué)[M].北京：北京人學(xué)出版社， 2003： 90-92.

[3]張強(qiáng)，曹曉彥.敦煌地區(qū)荒漠戈壁地表熱量和輻射平衡特征的研究[J].大氣科學(xué)， 2003， 27（2）：245-254.