太阳常数的研究沿革和进展（上）

■ 王炳忠申彦波

中国气象局

太阳常数的研究沿革和进展（上）

■ 王炳忠*申彦波

中国气象局

太阳全辐照度（TSI）过去常被称为太阳常数。由于所谓的太阳常数从来就不是一个恒定的数值，所以目前国际上普遍改称为太阳全辐照度（TSI）。文中介绍了其测量的发展历史，从在高山顶部的观测开始，随着科学技术的不断进步，随后用上了高空气球、飞机、火箭等工具。特别是航天技术的成就，提供了在太空中直接测量的可能，这样就可以避免大气层这个极为不确定因素的干扰，从而极大地推进了这项实测性研究工作的进展。辐射标尺也是影响TSI具体数值的重要因素，在20世纪内辐射标尺就变更了3次，迄今并未终结。限于篇幅另拟文介绍。

太阳常数；太阳全辐照度

对太阳常数的研究已有近百年的历史，之所以迄今尚无定论，一方面在卫星观测成为现实之前，一直无法摆脱大气层的干扰；另一方面，在卫星观测实现之后，又遇到了测量仪器的结构及测量标准的问题。尽管具体数值上一直未有定论，但有一点是可以肯定的，那就是无论在任何时间尺度上，“太阳常数”根本就不是常数。所以，目前国际上早已不使用“太阳常数”这一术语，而是称之为太阳全辐照度（Total Solar Irradiance，TSI）。这里Total之所以译为全，系指长、短波一并考虑之意，具体释意可参阅文献［1］。

1　历史沿革简述

1.120世纪前半叶

19世纪的相关工作由于当时甚至连辐射标准尚未建立，除具有历史意义外，并无实际价值，所以不拟详述。

20世纪以来，以美国Smithson研究所天体物理观象台的工作最为引人注目，它除了长期坚持“太阳常数”的测定外，最主要的是创立了早期两个日射标尺之一的SS-1913，设计了水流式和搅水式绝对直接日射表及供传递标准使用的银盘直接辐射表。Langley、Abbot和Aldrich等是其著名的代表。Abbot及其工作团队除了在美国本土，还在非洲、南美洲等地的高山上进行了测定；即使在第二次世界大战期间，男性前赴战场，他们的夫人继续了观测工作，从而积累了丰富的数据资料。一些学者使用这些数据揭示了太阳的输出存在长期缓慢的且具有周期性的变化，而另一些研究者用同样的数据却得出了太阳的输出是不变的结论。这使得美国学者Hoyt［2］认为有必要对所有数据重新作一次审查和检验。经过仔细地分析后，他指出，Smithson研究所进行的TSI测量工作，在其内部一致性上存在着严重问题，这种内部的不一致性，既存在于各个观测站之间，也存在于所采用的“冗长法”和“简洁法”之间；而在源数据的订正方法中又未能将大气衰减的所有方面考虑周全；此外，辐射标尺的不适当订正也有一定的影响。如果从全部数据看，没有任何证据可以证明TSI存在着大于千分之几的变化周期性。1923～1954年间4个主要测站的测定结果见表1。假如Smithson研究所所作的测定结果是符合实际的话，似乎可以这样推论：至少在数十年的时间尺度内，TSI的变化可能不是气候变化的主因。尽管如此，太阳仍可能是引起长期气候变化的因素之一，所以科学家们仍然认为应当继续监测TSI。

表1　1923年8月～1954年12月Smithson研究所在各地测定TSI的次数统计结果（W/m2）

1.220世纪50年代的其他工作

这一时期的测定工作并未再进行TSI的直接测定工作，而是利用当时所能得到的利用火箭探测地面上测不到的光谱波段对紫外和红外部分进行修订。

在这方面从事研究的有Allen［3］、Nicolet［4］、Johnson［5］等。由于每位研究者所依据的数据材料不同，所用的方法在细节上也存在差异，所以结果也不同：Allen的TSI值为1375 W/m2，Nicolet的TSI值为1382 W/m2，Johnson的TSI值为1397 W/m2。

应当指出，在50年代，Nicolet的TSI得到了广泛的应用，1957年举行的国际辐射会议上，曾通过将Nicolet的TSI光谱数据作为整理国际地球物理年辐射数据必要参数的建议；同时确定TSI值为1.98 cal/（cm2·min）（相当于1381.64 W/m2）。

1.320世纪60年代的工作

正如前面已经提到的，随着太空时代的到来，对TSI感兴趣的学科领域不断扩展。特别是航天部门的参与，为尽快提高TSI乃至辐射测量标准的整体水平具有巨大的促进作用。在此期间，观测地点已从地面到外层空间，运载工具包括高空气球、飞机、火箭，甚至卫星。

表2　CSER 1970年和1973年确定的TSI

1969年美国国家航空航天局出于宇航方面工程设计标准的需要，专门成立了一个太阳电磁辐射委员会（CSER），从事对当时新获得的TSI测量结果的评审工作［6，7］。该委员会的评审对象列于表2。它首先排除了所有从地面进行的测量结果，主要集中审定和分析研究从高空及其以上获得的数据，并讨论了各种误差源；主要可以区

分以下4种误差源：1）辐射标尺的差异；2）大气底层的水汽成分变化剧烈，因此，红外段的公差是不确定的；3）太阳光谱的最外两端，在大气中是测不到的；4）在有大气存在的情况下，所有外推至零大气的方法均存在问题。

［1］GB/T 12936-2007， 太阳能热利用术语［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.

（待续）

2015-08-18

王炳忠（1937—），男，研究员，主要从事太阳辐射计量和太阳能资源评估方面的研究。wangbz@camscma.cn