太阳常数的研究沿革和进展（下）

中国气象局 ■ 王炳忠申彦波

太阳常数的研究沿革和进展（下）

中国气象局 ■ 王炳忠*申彦波

该委员会主席Thekaekara于1970年和1973年先后两次报告结果。起初，未将Willson［8］的测定结果包括进去，但无论包括与否，按当时的处理办法，结果是一样的，这就是著名的1353 W/m2数值的由来。它曾长期被我国的航天部门所采用。但有一点不容忽视，即这一TSI是以IPS-1956太阳辐射标尺为准，鉴于该标尺已于1981年被废止，而代之以新标尺——WRR，因此，即使仍按习惯采用1353 W/m2作为TSI，也应进行标尺转换。在WRR下的1353 W/m2，实际应为1353×1.022=1383 W/m2。

1.420世纪70年代以来的工作

20世纪70年代是科学技术迅猛发展的年代，高准确度自校准腔体式绝对辐射计正在欧美数家研究机构研制中，诸如美国NASA的喷气推进实验室（JPL）、美国国家标准技术研究所（NIST）、瑞士达沃斯物理气象观象台（PMOD）、比利时皇家气象研究所等。世界辐射测量基准（WRR）就是在此基础上建立的，其综合不确定度为±0.3％。80年代初，英国国家物理实验室（NPL）研制出一种极具前景的新技术——深冷绝对辐射计，即工作在液氮温度下的绝对辐射计，其不确定度已达到±0.01％，这项技术后来发展成国际标准制（SI）的辐射度计量标准。1991年PMOD的Fröhlich与NPL的Fox等一起，将代表WRR的仪器与NPL的辐射基准通过间接的方法对同一激光光源进行了对比测试（因两者测量辐射的数量级不同），结果表明两者的一致性为0.3％。

70年代以来，在TSI测定方面有以下两个明显的特点：1）为了避免大气的干扰，测定工作均在卫星上进行；2）由于相对辐射仪器的测量不确定度过高，可能会超过TSI本身的变化幅度，所以不再使用其进行测量。

70年代中期～80年代中期所发射的卫星有：Nimbus-6气象卫星（1975年7月升空）、Nimbus-7气象卫星（1978年11月）、SMM太阳峰年号（1980年2月）、SL空间实验室（1983年11月）、ERBS地球辐射收支卫星（1984年10月）、NOAA气象卫星（1984年12月）、NOAA气象卫星 （1986年9月）等。

在这些卫星中，只有SMM备有连续监测太阳辐照度变化而设计的仪器，即ACRIM-I，它可实现仅间隔数分钟的对太阳的连续监测，至于其他卫星，由于气象卫星的主要目标是获得其他各个方面的气象信息，辐射监测仅是观测任务中的一部分，除Nimbus卫星还能提供不连续的日平均值外，后3种卫星对太阳的观测只进行双周一次的测量。至于空间实验室，其任务就仅仅是为期10多日的短期考察，而其中只有17 h供检测TSI，并且分4段分布在12月5-8日之间。由于各个卫星的测量仪器不一，时间不一，为数据比较带来困难。

由于不同卫星上的辐射仪器是不同的，为了校准这些仪器，美国NASA计划了一系列火箭试验，每次火箭试验均载有多种腔体式辐射仪器，具体品种依据当时在卫星上运行的仪器而有所调整，这样的试验前后共进行了6次。具体发射日期及被校准对象为：1976年 6月29日 Nimbus-6；1978年11月16 日 Nimbus-6、Nimbus-7；1980年5月22日

2　TSI数据库

其实，在前述各种测量TSI的卫星之后，仍不断有新的卫星升空开展TSI测量。遗憾的是，没有一个卫星能够做到测量持续不断，因为卫星是有寿命的。即使有同系列的后续卫星被发射，中间亦难免存在数据间断，因此就有了如图1所示的各种卫星数据的汇总。这项工作最初由瑞士达沃斯物理气象观象台（PMOD）完成，公布在其Nimbus-6、Nimbus-7和SMM；1983年12月7 日 Nimbus-7、SMM；据文献报道，火箭试验此后分别在1984年末和1985年6月又进行过两次，之后的校准就由航天飞机承担了。

第一次试验证明了Nimbus-6上的相对仪器测量结果系统偏高，自此，彻底否定了相对仪器，以后再也未用过。第二次试验时，研究者发现了系统性偏差，以后的分析发现，这是火箭着陆时仪器舱的真空度被破坏所致。结果需要进行气压订正。

安装在SMM卫星上的ACRIM，设计时就有3个通道，每个通道就是一台绝对辐射计。其中A通道为工作通道，B、C为监察通道。为防止受宇宙条件的影响而变性，它们的测量次数比A要少得多。对3条通道的不同组合，可周期性地两两成对地自行比较，借以达到±0.1％的测量精密度要求。这种方式，后来也被其他卫星所采用。

从上述情况可知，为了监测TSI真是费尽了周折，不过这仅仅是问题的开始。欲达到真正系统地监测TSI，还有一系列需要解决的问题。

1.5WMO CIMO确定的TSI

世界气象组织下设的气象仪器和观测方法委员会（CIMO）于1981年在墨西哥召开的第8届会议上，根据世界各地不同专家当时最新的研究结果，同意采取1367±7 W/m2为TSI的值，并在会议文件中公布了其分光谱数值［9］。这就是迄今一直在使用的正式公布的TSI值。官网上，并且每年不断添加。由于各种卫星所用的测量仪器不同，年代不一，所以测量结果出现差异，不足为奇。尽管Nimbus系列卫星测量数据的结果偏离其他卫星的较远，但由于其起始年代最早，在图1中仍可见其身影。为避免重复，我们所展示的图1并非取自PMOD网站，而是来自美国［10］。这样的数据就被称为TSI数据库，为研究TSI的数值变化规律提供了基础。在图1的最下方，还辅以太阳黑子数的年变程，不难看出，其与TSI变化的同步性。

图1　1978～2014年各种卫星对TSI的监测结果［10］

图2　PMOD与ACRIM和RMIB对TSI复合数据的比较［11］

从图1可明显看出，年代越早，数值越高；更直接的结果，可从表1看到。在这些数据的基础上，可利用一些数学插补方法将数据串联起来。不过，由于每位学者对所用的数据取舍不同，所用方法也不尽相同，因此不同学者所得出的TSI的整体数据系列就会稍有不同。但大体趋势相同，这从图2中可以看到。在1997年以前，各个机构的原始数据大体相同，但在其后则有所不同。PMOD采用的是VIRGO卫星的数据；ACRIM则采用的是ACRIMIII的数据；而RMIB（比利时皇家气象研究所，原文IRMB系按法文排列）采用的是DIARAD的数据。PMOD和RMIB的均值在1366 W/m2上下，而ACRIM的则在1361 W/m2附近。分别统计各种卫星各自的测量均值，由表3可知，TSI均值似乎有随年代逐步下降的趋势。

表3　不同年代卫星测量的TSI均值

3　TSI均值变化的原因

在表3中所展现的这种TSI均值随年代的下降变化，显然并非真与年代有关，其实是与科技进步有关。

首先，过去在卫星上测量TSI的仪器与地面所使用的并无差异。这似乎也没有可奇怪的，因为所测量的对象并未改变。其实，尽管测量对象未变，但是在地面测量时，是有大气存在的，而在太空中测量，则是在真空中。正因为地面有大气存在，测量太阳直射时就要考虑日周华盖（aureole）的存在，也就是日面周围特别光亮的圆环部分。因此，仪器的入射孔径就设计成前大后小的一个腔体，其张角的大小按照WMO CIMO观测规范的规定约为5°。

但到了太空中，由于没有空气，也就不存在华盖，太阳自身相对仪器的张角还不到1°，如果此时仍延用地面的仪器，就会引起仪器内部“大量的”散射和衍射，从而造成TSI值偏大。此现象为Kopp所发现，所以他所设计的仪器就减少了仪器的入射孔径，因而不存在上述问题，这也就是TIM仪器测量值偏低的原因之一。

最后还应指出，由于过去使用的仪器大多在发射前同WRR比对而校准，可是WRR自身相对国际单位制SI的辐射度标准偏高，而后来有的仪器直接溯源于SI，因此也会导致数值有所降低。

4　结论

虽然目前对TSI国际上尚无一致公认的数值，但1361 W/m2这一数值已逐渐得到认可。例如，2015年PMOD网上发布的新的TSI逐年变化值已经设置了左、右两个标尺（图3）。左标尺为原来的标尺，其平均值偏高，而右标尺为新标尺，TSI均值在1361 W/m2附近。

不过，最近美国所发射的卫星上也载有测量太阳光谱的仪器，相信通过一些时间的观测，会得到更为可靠的光谱数据及其积分值——TSI。

［8］Willson R C. Active cavity radiometric scale， internation pyrheliometri scale， and solar constant［J］. Journal of Geophysical Research， 1971， 76: 4324.

［9］WMO CIMO 1981， Abridged Final Report of the Eight Session［R］， Mexico， WMO No. 590.

［10］Kopp G. PICARD contributions to the 35-year Total Solar Irradiance record［R］. 3rdPICARO work shop CNFS， 2013.

［11］Physikalisch-Meteorogisches Observatorium Davos World Radiation Center， Construction of a Composite Total Solar Irradiance （TSI） Time Series from 1978 to present［EB/OL］. http:// www.pmodwrc.ch/pmod.php？topic=tsi/composite/SolarConstant.