太陽常數的研究沿革和進展（上）

■ 王炳忠申彥波

中國氣象局

太陽常數的研究沿革和進展（上）

■ 王炳忠*申彥波

中國氣象局

太陽全輻照度（TSI）過去常被稱為太陽常數。由于所謂的太陽常數從來就不是一個恒定的數值，所以目前國際上普遍改稱為太陽全輻照度（TSI）。文中介紹了其測量的發展歷史，從在高山頂部的觀測開始，隨著科學技術的不斷進步，隨后用上了高空氣球、飛機、火箭等工具。特別是航天技術的成就，提供了在太空中直接測量的可能，這樣就可以避免大氣層這個極為不確定因素的干擾，從而極大地推進了這項實測性研究工作的進展。輻射標尺也是影響TSI具體數值的重要因素，在20世紀內輻射標尺就變更了3次，迄今并未終結。限于篇幅另擬文介紹。

太陽常數；太陽全輻照度

對太陽常數的研究已有近百年的歷史，之所以迄今尚無定論，一方面在衛星觀測成為現實之前，一直無法擺脫大氣層的干擾；另一方面，在衛星觀測實現之后，又遇到了測量儀器的結構及測量標準的問題。盡管具體數值上一直未有定論，但有一點是可以肯定的，那就是無論在任何時間尺度上，“太陽常數”根本就不是常數。所以，目前國際上早已不使用“太陽常數”這一術語，而是稱之為太陽全輻照度（Total Solar Irradiance，TSI）。這里Total之所以譯為全，系指長、短波一并考慮之意，具體釋意可參閱文獻［1］。

1　歷史沿革簡述

1.120世紀前半葉

19世紀的相關工作由于當時甚至連輻射標準尚未建立，除具有歷史意義外，并無實際價值，所以不擬詳述。

20世紀以來，以美國Smithson研究所天體物理觀象臺的工作最為引人注目，它除了長期堅持“太陽常數”的測定外，最主要的是創立了早期兩個日射標尺之一的SS-1913，設計了水流式和攪水式絕對直接日射表及供傳遞標準使用的銀盤直接輻射表。Langley、Abbot和Aldrich等是其著名的代表。Abbot及其工作團隊除了在美國本土，還在非洲、南美洲等地的高山上進行了測定；即使在第二次世界大戰期間，男性前赴戰場，他們的夫人繼續了觀測工作，從而積累了豐富的數據資料。一些學者使用這些數據揭示了太陽的輸出存在長期緩慢的且具有周期性的變化，而另一些研究者用同樣的數據卻得出了太陽的輸出是不變的結論。這使得美國學者Hoyt［2］認為有必要對所有數據重新作一次審查和檢驗。經過仔細地分析后，他指出，Smithson研究所進行的TSI測量工作，在其內部一致性上存在著嚴重問題，這種內部的不一致性，既存在于各個觀測站之間，也存在于所采用的“冗長法”和“簡潔法”之間；而在源數據的訂正方法中又未能將大氣衰減的所有方面考慮周全；此外，輻射標尺的不適當訂正也有一定的影響。如果從全部數據看，沒有任何證據可以證明TSI存在著大于千分之幾的變化周期性。1923～1954年間4個主要測站的測定結果見表1。假如Smithson研究所所作的測定結果是符合實際的話，似乎可以這樣推論：至少在數十年的時間尺度內，TSI的變化可能不是氣候變化的主因。盡管如此，太陽仍可能是引起長期氣候變化的因素之一，所以科學家們仍然認為應當繼續監測TSI。

表1　1923年8月～1954年12月Smithson研究所在各地測定TSI的次數統計結果（W/m2）

1.220世紀50年代的其他工作

這一時期的測定工作并未再進行TSI的直接測定工作，而是利用當時所能得到的利用火箭探測地面上測不到的光譜波段對紫外和紅外部分進行修訂。

在這方面從事研究的有Allen［3］、Nicolet［4］、Johnson［5］等。由于每位研究者所依據的數據材料不同，所用的方法在細節上也存在差異，所以結果也不同：Allen的TSI值為1375 W/m2，Nicolet的TSI值為1382 W/m2，Johnson的TSI值為1397 W/m2。

應當指出，在50年代，Nicolet的TSI得到了廣泛的應用，1957年舉行的國際輻射會議上，曾通過將Nicolet的TSI光譜數據作為整理國際地球物理年輻射數據必要參數的建議；同時確定TSI值為1.98 cal/（cm2·min）（相當于1381.64 W/m2）。

1.320世紀60年代的工作

正如前面已經提到的，隨著太空時代的到來，對TSI感興趣的學科領域不斷擴展。特別是航天部門的參與，為盡快提高TSI乃至輻射測量標準的整體水平具有巨大的促進作用。在此期間，觀測地點已從地面到外層空間，運載工具包括高空氣球、飛機、火箭，甚至衛星。

表2　CSER 1970年和1973年確定的TSI

1969年美國國家航空航天局出于宇航方面工程設計標準的需要，專門成立了一個太陽電磁輻射委員會（CSER），從事對當時新獲得的TSI測量結果的評審工作［6，7］。該委員會的評審對象列于表2。它首先排除了所有從地面進行的測量結果，主要集中審定和分析研究從高空及其以上獲得的數據，并討論了各種誤差源；主要可以區

分以下4種誤差源：1）輻射標尺的差異；2）大氣底層的水汽成分變化劇烈，因此，紅外段的公差是不確定的；3）太陽光譜的最外兩端，在大氣中是測不到的；4）在有大氣存在的情況下，所有外推至零大氣的方法均存在問題。

［1］GB/T 12936-2007， 太陽能熱利用術語［S］.

［2］Hoyt D V. The smithsonian astrophysical observatory solar constant program［J］. Reviews of Geophysics and Space Physics， 1979， 17: 427-458.

［3］Allen C W. Solar radiation［J］. Quarterly Journal of The Royal Meteorological Society， 1958， 84: 307.

［4］Nicolet M. Sur le probleme de la constante solaire［J］. Ann. Astrophys.， 1949， 14: 249.

［5］Johnson E S. The Solar Constant［J］. Journal of the Meteorological Society of Japan， 1954， 11: 431.

［6］Thekaekara M P. Solar energy outside the Earth’s atmosphere［J］. Solar Energy， 1973， 2（14）:109-127.

［7］Thekaekara M P， Drummond A J. Standard values for the solar constant and its spectral components［J］. Nat. Phys. Sciences， 1971，229: 6.

（待續）

2015-08-18

王炳忠（1937—），男，研究員，主要從事太陽輻射計量和太陽能資源評估方面的研究。wangbz@camscma.cn