气象辐射站与基准辐射站观测资料的差异评估

霍庆+任芝花+刘娜+孙超+李湘

摘要：选取2013年3个站址相同的气象辐射站和基准辐射站的观测资料，对比分析国产辐射观测仪器与世界先进仪器两类仪器的观测差异，同时对影响观测的气象因子进行分析。结果表明，漠河站和温江站的总辐射、直接辐射、散射辐射与基准辐射站的平均相对差值均在±3%的范围之内，观测质量较好，但反射辐射和净辐射的平均相对差值接近或大于±10%；而焉耆气象辐射站与基准辐射站观测存在一定的系统偏差。气象辐射站与基准辐射站的观测差异具有明显的日变化特征，差值与相对差值表现出相反的日变化特征，分别在日出以后随着太阳辐射的增强而逐渐增大（减小），并在中午时刻达到最大值（最小值），此后，逐渐减小（增大），在夜间达到最小值（最大值）；气温、相对湿度和大气能见度对辐射观测质量有明显影响，当出现较高或较低的气温、较高的相对湿度或较低的大气能见度时，气象辐射站和基准辐射站的观测差异均较大。

关键词：气象辐射站；基准辐射站；观测差异；气象因子

中图分类号：P412.1 文献标识码：A 文章编号：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

太陽辐射是地球表层和大气圈层的主要能量来源，对气象、环境、农业、能源等领域具有重要的意义[1-3]。对太阳辐射进行准确的观测是研究地球-大气系统能量收支的重要手段，也是进行气候变化研究的基础[4-6]。中国气象局建设的气象辐射站作为中国主要的太阳辐射观测平台，目前在业务运行的约有100个观测站。其中，一级站的观测项目包括总辐射、直接辐射、散射、反射和净辐射，二级站对总辐射和净辐射进行观测，三级站只观测总辐射。气象辐射站的辐射观测仪器统一为国产的热电型辐射传感器[7]。中国的气象辐射站观测资料经过质量控制后，提供气象业务单位和相关科研单位使用，资料质量得到了国内学者的认可[8-10]。除以上气象辐射站之外，随着中国加入国际基准辐射观测网（BSRN），现阶段已建成7个基准辐射站，分别位于黑龙江漠河、新疆焉耆、内蒙古锡林浩特、河南许昌、四川温江、云南大理和北京上甸子。基准辐射站的观测项目较齐全，包括总辐射、直接辐射、散射辐射、反射辐射、大气长波辐射、地球长波辐射、紫外辐射、光合有效辐射等。基准辐射站不仅观测仪器先进，且日常观测规范，辐射观测质量较高[2，11]。观测仪器的性能是影响辐射观测质量的重要因素。虽然中国气象局每两年对中国的辐射站网进行一次检定[12]，但在实际观测环境中，中国的辐射观测仪器与国际先进仪器之间有多大差异，并没有全面的评估。本研究利用质量较好的基准辐射站的观测资料，对比分析气象辐射站与基准辐射站的观测差异，同时对影响观测的气象因素进行了分析，旨在从实际观测的角度评估中国辐射观测资料的质量状况。endprint

1 资料与方法

选取气象辐射站和基准辐射站站址相同的3个站点，分别为黑龙江漠河站、新疆焉耆站和四川温江站。用于对比分析的观测数据是2013年的两类观测站的平行观测资料（小时辐射曝辐量）。其中，漠河站由于仪器故障，基准辐射只有9-12月的观测资料，其他站点的资料较齐全。作为一级气象辐射站的漠河站和温江站，本研究对比分析的辐射观测要素为总辐射、直接辐射、散射、反射和净辐射；焉耆站为三级站，只做总辐射的对比分析。由于基准辐射站没有对净辐射进行直接观测，因此，基准辐射站的净辐射采用下式计算得到[12]：

Rn=（D1+L1）-（D2+L2） （1）

式中，Rn代表净辐射，D1和L1分别代表太阳直接辐射和大气向下长波辐射，D2和L2分别代表地面反射辐射和向上长波辐射。

为保证气象辐射站和基准辐射站的资料的可对比性，首先对两种资料进行了基本的质量控制，包括物理阈值检查、时间一致性检查等。再次，由于降水对辐射观测影响较大，本研究剔除了降水时刻的观测数据。同时，在本次分析中，两种仪器的观测值至少有一个缺测的，不参与对比分析。经过以上处理，各站点用于对比分析的有效数据个数见表1。

以差值和相對差值作为评估指标，用来分析气象辐射站和基准辐射站的观测差异。评估中涉及到的公式如下：

Xai=Ui-Ai （2）

Xri=×100% （3）

式中，Xai为第i次辐射观测的差值（10-2 MJ/m2），Ui和Ai分别为气象辐射站和基准辐射站辐射观测值（10-2 MJ/m2），Xri为第i次辐射观测的相对差值（%）；仅当Ai大于2时，计算Xri。

2 结果与分析

2.1 气象辐射站与基准辐射站的观测差异

表2给出了气象辐射站和基准辐射站观测的平均差值和平均相对差值。总体来看，对于漠河站和温江站，总辐射、直接辐射和散射辐射的观测差异均较小（平均相对差值在±3%的范围之内），而反射辐射和净辐射的观测差异较大（接近或大于±10%）。反射辐射和净辐射观测差异较大的原因可能与观测仪器所在的下垫面特性的差异有关，下垫面植被的稀疏程度和生长状况都对反射辐射和净辐射的观测有较大影响。而焉耆站，总辐射的观测差异较大，平均相对差值达到了-10.00%，且标准差较大。进一步对比发现，焉耆站的总辐射观测存在一定的系统性偏差（图1）。

同时，对气象辐射站和基准辐射站观测的相对差值的频率分布进行了分析（图2）。其中总辐射、直接辐射、散射辐射、反射辐射和净辐射的观测差异在±5%之内的时次占总数据量的比例分别为56.7%、50.0%、61.9%、17.0%和20.1%，观测差异在 ±10%之内的数据量分别为72.4%、69.8%、83.7%、36.0%和34.3%。

2.2 观测差异的日变化特征

图3以温江站为例，给出了气象辐射站与基准辐射站观测差异的日变化特征，其他站点的日变化特征与此相似。由图3可见，总辐射、直接辐射、散射辐射、反射辐射和净辐射的观测差异的日变化相近。从观测差值来看，日出以后随着太阳辐射的增强，观测差值逐渐增大，并在中午时刻达到最大，此后，随着太阳辐射的逐渐减弱，观测差值也随之减小。但相对差值表现出不同的日变化特征，在日出之前和日落之后，由于太阳辐射较弱，相对差值均较大，而在太阳辐射较强的白天（10：00～15：00），相对差值均维持较小值。

2.3 气象因子对辐射观测的影响

相关研究指出，气温、相对湿度、大气能见度和总云量等对辐射有较大影响[13-15]，因此本研究主要分析这4个气象要素对气象辐射站和基准辐射站的观测影响。

2.3.1 气温 虽然气象辐射站和基准辐射站的观测仪器均为热电型，但由于基准辐射站的仪器性能标准高于气象辐射站，因此两种仪器对温度的响应存在一定差异。图4给出了气象辐射站和基准辐射站的观测差值和相对差值随气温的变化特征，图中虚线代表相对差值为±5%的界限范围。由图4可见，气温对辐射观测有显著影响，同时可以看到，气温对总辐射、直接辐射、散射辐射、反射辐射和净辐射的影响规律相似。当气温较低时，气象辐射站与基准辐射站的观测差异较大，其中两者的相对差值的大部分点位在界限范围之外。随着气温的升高，除了反射辐射以外，其他辐射观测的差异均呈现明显的减小趋势，相对差值渐趋向于界限范围之内（但此时净辐射的观测仍有约±20%的观测差异）。此后，随着气温的进一步升高，辐射观测的差异又呈现出上升的趋势，当气温升高至一定程度时，相对差值的部分点位已经超出±5%的界限范围。由以上的分析可知，当气温适中时，气象辐射站和基准辐射站的观测差异较小，较低或者较高的气温均会对辐射观测有较大影响，导致两者的观测差异增大。

2.3.2 相对湿度 图5给出了气象辐射站和基准辐射站的观测差值和相对差值随相对湿度的变化特征。由图5可见，在一定的湿度范围内（<85%），气象辐射站和基准辐射站的观测差异相对较小，其中总辐射、直接辐射和散射辐射的相对差值绝大部分在±5%的界限范围内。而当相对湿度较高时（>85%），观测差异会有明显地增加。虽然反射辐射和净辐射的观测存在一定的系统偏差，但其观测差值随相对湿度的变化特征与总辐射等相似（图5）。

2.3.3 大气能见度和总云量 大气能见度和云量都对地球表面接收的太阳辐射的大小有直接的影响。图6和图7分别分析了能见度和总云量对气象辐射站和基准辐射站的观测差值和相对差值的影响。由图6可见，大气能见度对辐射观测的质量有一定的影响，当能见度较低时（小于2 000 m），气象辐射站和基准辐射站的观测差异随能见度的变化较大，且两者的相对差值基本都在±5%的界限范围之外；随着大气能见度的增加，辐射观测差异减小，并在±5%的范围内波动。由此可见，大气能见度对辐射观测质量的影响主要集中在能见度较小的时刻，当雾、霾、沙尘等导致能见度降低的天气现象出现时，都会对辐射观测质量有一定的影响。由图7可见，虽然气象辐射站和基准辐射站的观测差异随总云量有一定的变化，但总体来看，观测差异都在±5%的范围之内，由此可知，云量对辐射观测质量的影响较小。endprint

3 结论

利用漠河站、焉耆站和温江站2013年气象辐射和基准辐射的平行观测资料，对比分析了两套观测仪器之间的差异，同时对影响辐射观测的气象因素进行了分析，主要结论如下。

1）总辐射、直接辐射、散射辐射与基准辐射站的观测差异在±5%之内的时次占总数据量的比例分别为56.7%、50.0%、61.9%，观测差异在±10%之内的数据量分别为72.4%、69.8%、83.7%。其中漠河站和温江站，气象辐射与基准辐射的平均观测差异在±3%之内，观测质量较高。而焉耆站的气象辐射与基准辐射观测存在一定的系统偏差。反射辐射和净辐射的观测差异较大，可能与站点局地的下垫面状态有关。其中反射辐射的平均相对差值在±10%左右，而净辐射的平均相对差值大于±10%。

2）气象辐射站与基准辐射站的观测差异具有明显的日变化特征。总辐射、直接辐射、散射辐射、反射辐射和净辐射的观测差异的日变化规律相近。觀测差值在日出以后随着太阳辐射的增强而逐渐增大，并在中午时刻达到最大值，此后，逐渐减小，在夜间达到最小值。相对差值表现出相反日变化特征，在日出之前和日落之后，由于太阳辐射较弱，相对差值较大，而在太阳辐射较强的白天（10：00～15：00），相对差值均维持较小值。

3）气温、相对湿度和大气能见度对辐射观测质量有明显影响，云量对辐射观测质量的影响较小。当气温适中时（约0～30 ℃），气象辐射站和基准辐射站的观测差异较小，相对差值基本在±5%的界限范围之内；较低或者较高的气温均会对辐射观测有较大影响，导致两者的辐射观测差异增大。当相对湿度小于85%时，气象辐射站和基准辐射站的观测差异相对较小，此后随着相对湿度的增加，观测差异有明显的增加趋势。大气能见度对辐射观测的影响主要集中在能见度较小的时刻（能见度小于2 000 m），随着大气能见度的增加，辐射观测差异减小，并在 ±5%的范围内波动。

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