地面輻射觀測資料的研究近狀

張爭

摘 要：對我國及國外的對地面輻射觀測資料的研究現狀進行了概述，并對輻射的基本定義進行闡述。研究結果表明：（1）總輻射，短波反射輻射與凈輻射在各個季節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）太陽輻射有著明顯的季節變化特征。（3）反射輻射與總輻射的變化趨勢基本相同，都隨總云量的增多而減小。凈輻射的逐日變化曲線對天氣現象有不同程度的反映。

關鍵詞：總輻射；反射輻射；凈輻射.

太陽輻射是地球表面獲得熱量的主要來源，它驅動著植物的光合作用、蒸騰作用和土壤蒸發等陸面過程；同時它也是驅動地-氣系統物質與能量循環過程的動力來源，它的時空分布與變化是引起天氣現象和氣候變化的最主要根源。地球大氣系統入射和出射的輻射能量，反映著地球上各種天氣過程的產生、發展和消亡過程。地表能量的交換過程是地球-大氣系統間相互作用的主要內容，在地-氣系統對太陽輻射的吸收中，大氣對太陽的短波輻射吸收較少。研究表明，對太陽輻射的吸收中，由于云和大氣成分對其的吸收與散射，僅有約50%的太陽輻射能量可以到達地球表面。到達地面的50%的太陽輻射能量，一部分被地表吸收，另一部分則會被反射回大氣。以地表熱量平衡和輻射平衡為主的地表能量交換過程是地球-大氣系統之間相互作用的主要內容，自然與人為因素對氣候變化的影響都是通過這兩個過程來傳遞與表現的，因此地-氣系統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系統，獲取地面輻射資料，對氣象的研究工作有重要科學意義。本文將對地面輻射觀測資料的研究概狀與其基本定義進行闡述。

一、地面輻射資料研究概況

基于輻射臺站觀測資料開展的太陽輻射研究工作已有很多。例如Shi et al.對1957-2000年中國太陽輻射觀測站網的逐日太陽輻射數據集資料進行了分析。結果表明：從年平均值結果來看，太陽總輻射在1961-1989年下降趨勢明顯，而從1990年代開始呈上升趨勢，初步認為大氣氣溶膠含量的變化是地面太陽輻射變化的主要原因。馬金玉等（2012）基于1961 -2009年全國58個輻射臺站的地面太陽總輻射觀測資料，對中國地區總輻射的年際、季節長期變化趨勢進行分析；從季節的長期變化趨勢來看，除冬季以下降趨勢顯外，其他月份均以變化不明顯為主。研究推測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，對下墊面的研究有著重要意義，表層土壤濕度對反照率的影響非常顯著，降水引起表層土壤濕度增加，導致反照率出現短時明顯降低。不同的降雨量對反照率的影響也不同。根據年平均反照率得出各種下墊面反照率的相對關系為高寒草甸 > 荒漠 > 牧草 > 農田 > 稀疏草地 > 森林：Manabe采用水桶模式模擬陸面過程時，就考慮了地表反照率、土壤濕度和地表粗糙度等對大氣環流的影響；Chamey研究了撒哈拉地區地表反照率的改變對大氣環流的反饋作用；Idso et al.對地面反射率與土壤濕度比的關系進行研究；Holloway和Manabe研究了地面反射率與積雪深度的關系；Cannon研究給出地面反射率與太陽高度角的關系等等。我國眾多學者對凈輻射各分量的氣候學計算、估算擬合、分布特征、遙感監測、影響因子、環境影響和氣候效應及從不同地理角度對凈輻射的變化進行了分析。王超等（2012）利用敦煌雙墩子戈壁試驗站2008-2009年的塔站觀測資料，分析該地區凈輻射的概率分布、日變化、年變化和典型天氣下的變化特征，結果表明凈輻射有的單峰型的日變化規律，不同天氣條件下，凈輻射變化特征差別較大，變化規律、極值大小和到達極值時間均不相同。

二、輻射基本量

氣象站的輻射觀測，包括太陽輻射和地球輻射兩部分。

太陽以電磁波的形式向外傳遞能量，稱太陽輻射。地球表面獲得熱量的主要來源是太陽輻射，太陽輻射出的99.9%能量集中在0.2-10微米（μm）的波段，紫外輻射的波長小于0.4μm，0.4-0.76μm間的輻射為可見光輻射，而長于0.76μm的稱為紅外輻射。目前氣象站主要觀測的是短波輻射，波長在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射的長波輻射，又稱為長波輻射和熱紅外輻射，波長為3-100μm。地面長波輻射大部分被云與大氣吸收，一小部分透過大氣層直射太空；大氣與云同時也向太空放出長波輻射，這兩者之和組成由地氣系統進入宇宙空間的熱輻射就統稱為地球輻射。在地球輻射中，由地面向上發射的長波輻射稱為地面輻射，大氣發射的長波輻射稱為大氣輻射，大氣向下發射的長波輻射稱為大氣逆輻射。

太陽總輻射為水平面上的直接輻射與散射輻射之和，它是輻射觀測的最基本項目。

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

到達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，可用總輻射表感應面朝下測量。下墊面反射能力的大小則通過向上的反射輻射通量與總輻射通量的比值來表示，即地表反照率，

公式中為地面反射輻射，為太陽總輻射。地表反照率體現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。

短波輻射與長波輻射之和稱為全輻射，波長范圍為0.29～100μm。凈輻射是太陽與大氣向下發射的全輻射和地面向上發射的全輻射之差值。凈輻射對于地球熱量收支狀況的研究有著重要意義。太陽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動力。凈輻射公式：

公式中的地表反射輻射；總輻射；大氣逆輻射；地面長波輻射。

三、展望

本文僅對輻射的研究現狀與基本定義進行闡述，后續將基于地面輻射資料進行分析，以揭示南京區域太陽輻射的變化特征，為南京地區的能量收支、氣候變化及生態效應等研究提供科學的依據。

參考文獻：

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