氣象輻射站與基準輻射站觀測資料的差異評估

霍慶+任芝花+劉娜+孫超+李湘

摘要：選取2013年3個站址相同的氣象輻射站和基準輻射站的觀測資料，對比分析國產輻射觀測儀器與世界先進儀器兩類儀器的觀測差異，同時對影響觀測的氣象因子進行分析。結果表明，漠河站和溫江站的總輻射、直接輻射、散射輻射與基準輻射站的平均相對差值均在±3%的范圍之內，觀測質量較好，但反射輻射和凈輻射的平均相對差值接近或大于±10%；而焉耆氣象輻射站與基準輻射站觀測存在一定的系統偏差。氣象輻射站與基準輻射站的觀測差異具有明顯的日變化特征，差值與相對差值表現出相反的日變化特征，分別在日出以后隨著太陽輻射的增強而逐漸增大（減?。?，并在中午時刻達到最大值（最小值），此后，逐漸減?。ㄔ龃螅?，在夜間達到最小值（最大值）；氣溫、相對濕度和大氣能見度對輻射觀測質量有明顯影響，當出現較高或較低的氣溫、較高的相對濕度或較低的大氣能見度時，氣象輻射站和基準輻射站的觀測差異均較大。

關鍵詞：氣象輻射站；基準輻射站；觀測差異；氣象因子

中圖分類號：P412.1 文獻標識碼：A 文章編號：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

太陽輻射是地球表層和大氣圈層的主要能量來源，對氣象、環境、農業、能源等領域具有重要的意義[1-3]。對太陽輻射進行準確的觀測是研究地球-大氣系統能量收支的重要手段，也是進行氣候變化研究的基礎[4-6]。中國氣象局建設的氣象輻射站作為中國主要的太陽輻射觀測平臺，目前在業務運行的約有100個觀測站。其中，一級站的觀測項目包括總輻射、直接輻射、散射、反射和凈輻射，二級站對總輻射和凈輻射進行觀測，三級站只觀測總輻射。氣象輻射站的輻射觀測儀器統一為國產的熱電型輻射傳感器[7]。中國的氣象輻射站觀測資料經過質量控制后，提供氣象業務單位和相關科研單位使用，資料質量得到了國內學者的認可[8-10]。除以上氣象輻射站之外，隨著中國加入國際基準輻射觀測網（BSRN），現階段已建成7個基準輻射站，分別位于黑龍江漠河、新疆焉耆、內蒙古錫林浩特、河南許昌、四川溫江、云南大理和北京上甸子?；鶞瘦椛湔镜挠^測項目較齊全，包括總輻射、直接輻射、散射輻射、反射輻射、大氣長波輻射、地球長波輻射、紫外輻射、光合有效輻射等。基準輻射站不僅觀測儀器先進，且日常觀測規范，輻射觀測質量較高[2，11]。觀測儀器的性能是影響輻射觀測質量的重要因素。雖然中國氣象局每兩年對中國的輻射站網進行一次檢定[12]，但在實際觀測環境中，中國的輻射觀測儀器與國際先進儀器之間有多大差異，并沒有全面的評估。本研究利用質量較好的基準輻射站的觀測資料，對比分析氣象輻射站與基準輻射站的觀測差異，同時對影響觀測的氣象因素進行了分析，旨在從實際觀測的角度評估中國輻射觀測資料的質量狀況。endprint

1 資料與方法

選取氣象輻射站和基準輻射站站址相同的3個站點，分別為黑龍江漠河站、新疆焉耆站和四川溫江站。用于對比分析的觀測數據是2013年的兩類觀測站的平行觀測資料（小時輻射曝輻量）。其中，漠河站由于儀器故障，基準輻射只有9-12月的觀測資料，其他站點的資料較齊全。作為一級氣象輻射站的漠河站和溫江站，本研究對比分析的輻射觀測要素為總輻射、直接輻射、散射、反射和凈輻射；焉耆站為三級站，只做總輻射的對比分析。由于基準輻射站沒有對凈輻射進行直接觀測，因此，基準輻射站的凈輻射采用下式計算得到[12]：

Rn=（D1+L1）-（D2+L2） （1）

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

為保證氣象輻射站和基準輻射站的資料的可對比性，首先對兩種資料進行了基本的質量控制，包括物理閾值檢查、時間一致性檢查等。再次，由于降水對輻射觀測影響較大，本研究剔除了降水時刻的觀測數據。同時，在本次分析中，兩種儀器的觀測值至少有一個缺測的，不參與對比分析。經過以上處理，各站點用于對比分析的有效數據個數見表1。

以差值和相對差值作為評估指標，用來分析氣象輻射站和基準輻射站的觀測差異。評估中涉及到的公式如下：

Xai=Ui-Ai （2）

Xri=×100% （3）

式中，Xai為第i次輻射觀測的差值（10-2 MJ/m2），Ui和Ai分別為氣象輻射站和基準輻射站輻射觀測值（10-2 MJ/m2），Xri為第i次輻射觀測的相對差值（%）；僅當Ai大于2時，計算Xri。

2 結果與分析

2.1 氣象輻射站與基準輻射站的觀測差異

表2給出了氣象輻射站和基準輻射站觀測的平均差值和平均相對差值。總體來看，對于漠河站和溫江站，總輻射、直接輻射和散射輻射的觀測差異均較?。ㄆ骄鄬Σ钪翟凇?%的范圍之內），而反射輻射和凈輻射的觀測差異較大（接近或大于±10%）。反射輻射和凈輻射觀測差異較大的原因可能與觀測儀器所在的下墊面特性的差異有關，下墊面植被的稀疏程度和生長狀況都對反射輻射和凈輻射的觀測有較大影響。而焉耆站，總輻射的觀測差異較大，平均相對差值達到了-10.00%，且標準差較大。進一步對比發現，焉耆站的總輻射觀測存在一定的系統性偏差（圖1）。

同時，對氣象輻射站和基準輻射站觀測的相對差值的頻率分布進行了分析（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差異在±5%之內的時次占總數據量的比例分別為56.7%、50.0%、61.9%、17.0%和20.1%，觀測差異在 ±10%之內的數據量分別為72.4%、69.8%、83.7%、36.0%和34.3%。

2.2 觀測差異的日變化特征

圖3以溫江站為例，給出了氣象輻射站與基準輻射站觀測差異的日變化特征，其他站點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差異的日變化相近。從觀測差值來看，日出以后隨著太陽輻射的增強，觀測差值逐漸增大，并在中午時刻達到最大，此后，隨著太陽輻射的逐漸減弱，觀測差值也隨之減小。但相對差值表現出不同的日變化特征，在日出之前和日落之后，由于太陽輻射較弱，相對差值均較大，而在太陽輻射較強的白天（10：00～15：00），相對差值均維持較小值。

2.3 氣象因子對輻射觀測的影響

相關研究指出，氣溫、相對濕度、大氣能見度和總云量等對輻射有較大影響[13-15]，因此本研究主要分析這4個氣象要素對氣象輻射站和基準輻射站的觀測影響。

2.3.1 氣溫 雖然氣象輻射站和基準輻射站的觀測儀器均為熱電型，但由于基準輻射站的儀器性能標準高于氣象輻射站，因此兩種儀器對溫度的響應存在一定差異。圖4給出了氣象輻射站和基準輻射站的觀測差值和相對差值隨氣溫的變化特征，圖中虛線代表相對差值為±5%的界限范圍。由圖4可見，氣溫對輻射觀測有顯著影響，同時可以看到，氣溫對總輻射、直接輻射、散射輻射、反射輻射和凈輻射的影響規律相似。當氣溫較低時，氣象輻射站與基準輻射站的觀測差異較大，其中兩者的相對差值的大部分點位在界限范圍之外。隨著氣溫的升高，除了反射輻射以外，其他輻射觀測的差異均呈現明顯的減小趨勢，相對差值漸趨向于界限范圍之內（但此時凈輻射的觀測仍有約±20%的觀測差異）。此后，隨著氣溫的進一步升高，輻射觀測的差異又呈現出上升的趨勢，當氣溫升高至一定程度時，相對差值的部分點位已經超出±5%的界限范圍。由以上的分析可知，當氣溫適中時，氣象輻射站和基準輻射站的觀測差異較小，較低或者較高的氣溫均會對輻射觀測有較大影響，導致兩者的觀測差異增大。

2.3.2 相對濕度 圖5給出了氣象輻射站和基準輻射站的觀測差值和相對差值隨相對濕度的變化特征。由圖5可見，在一定的濕度范圍內（<85%），氣象輻射站和基準輻射站的觀測差異相對較小，其中總輻射、直接輻射和散射輻射的相對差值絕大部分在±5%的界限范圍內。而當相對濕度較高時（>85%），觀測差異會有明顯地增加。雖然反射輻射和凈輻射的觀測存在一定的系統偏差，但其觀測差值隨相對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地球表面接收的太陽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氣象輻射站和基準輻射站的觀測差值和相對差值的影響。由圖6可見，大氣能見度對輻射觀測的質量有一定的影響，當能見度較低時（小于2 000 m），氣象輻射站和基準輻射站的觀測差異隨能見度的變化較大，且兩者的相對差值基本都在±5%的界限范圍之外；隨著大氣能見度的增加，輻射觀測差異減小，并在±5%的范圍內波動。由此可見，大氣能見度對輻射觀測質量的影響主要集中在能見度較小的時刻，當霧、霾、沙塵等導致能見度降低的天氣現象出現時，都會對輻射觀測質量有一定的影響。由圖7可見，雖然氣象輻射站和基準輻射站的觀測差異隨總云量有一定的變化，但總體來看，觀測差異都在±5%的范圍之內，由此可知，云量對輻射觀測質量的影響較小。endprint

3 結論

利用漠河站、焉耆站和溫江站2013年氣象輻射和基準輻射的平行觀測資料，對比分析了兩套觀測儀器之間的差異，同時對影響輻射觀測的氣象因素進行了分析，主要結論如下。

1）總輻射、直接輻射、散射輻射與基準輻射站的觀測差異在±5%之內的時次占總數據量的比例分別為56.7%、50.0%、61.9%，觀測差異在±10%之內的數據量分別為72.4%、69.8%、83.7%。其中漠河站和溫江站，氣象輻射與基準輻射的平均觀測差異在±3%之內，觀測質量較高。而焉耆站的氣象輻射與基準輻射觀測存在一定的系統偏差。反射輻射和凈輻射的觀測差異較大，可能與站點局地的下墊面狀態有關。其中反射輻射的平均相對差值在±10%左右，而凈輻射的平均相對差值大于±10%。

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

3）氣溫、相對濕度和大氣能見度對輻射觀測質量有明顯影響，云量對輻射觀測質量的影響較小。當氣溫適中時（約0～30 ℃），氣象輻射站和基準輻射站的觀測差異較小，相對差值基本在±5%的界限范圍之內；較低或者較高的氣溫均會對輻射觀測有較大影響，導致兩者的輻射觀測差異增大。當相對濕度小于85%時，氣象輻射站和基準輻射站的觀測差異相對較小，此后隨著相對濕度的增加，觀測差異有明顯的增加趨勢。大氣能見度對輻射觀測的影響主要集中在能見度較小的時刻（能見度小于2 000 m），隨著大氣能見度的增加，輻射觀測差異減小，并在 ±5%的范圍內波動。

參考文獻：

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

[2] 李 峰，季承荔，莫月琴，等.我國地面輻射基準站觀測數據完整性和合理性檢查評價[J].高原氣象，2013，32（4）：1203-1213.

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

[4] 李曉文，李維亮，周秀驥.中國近30年太陽輻射狀況研究[J].應用氣象學報，1998，9（1）：24-31.

[5] 李正泉，于貴瑞，溫學發，等.中國通量觀測網絡能量平衡閉合狀況的評價[J].中國科學（D輯），2004，34（增刊）：46-56.

[6] 汪 凱，葉 紅，陳 鋒，等.中國東南部太陽輻射變化特征、影響因素及其對區域氣候的影響[J].生態環境學報，2010，19（5）：1119-1124.

[7] 中國氣象局.地面氣象觀測規范[M].北京：氣象出版社，2003.68-80.

[8] 陳志華.1957-2000年中國地面太陽輻射狀況的研究[D].北京：中國科學院大氣物理研究所，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] 權維俊，陳洪濱，高燕虎，等.上甸子大氣本底站太陽輻射觀測數據的質量評價[J].高原氣象，2009，28（1）：136-142.

[11] 中國氣象局.基準輻射觀測業務規范（試行）[M].北京：中國氣象局，2007.

[12] 中國氣象局.氣象輻射觀測方法[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觀測日照時數的差異評估[J].氣象，2015，41（1）：68-75.

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

[15] 王麗娟，陳正洪，成 馳，等.武漢與宜昌太陽總輻射與氣象要素的關系對比研究[J].湖北農業科學，2015，54（1）：73-77.endprint