地面辐射观测资料的研究近状

张争

摘 要：对我国及国外的对地面辐射观测资料的研究现状进行了概述，并对辐射的基本定义进行阐述。研究结果表明：（1）总辐射，短波反射辐射与净辐射在各个季节都有着明显的单峰型日变化特征，而反照率的日变化则呈U型。（2）太阳辐射有着明显的季节变化特征。（3）反射辐射与总辐射的变化趋势基本相同，都随总云量的增多而减小。净辐射的逐日变化曲线对天气现象有不同程度的反映。

关键词：总辐射；反射辐射；净辐射.

太阳辐射是地球表面获得热量的主要来源，它驱动着植物的光合作用、蒸腾作用和土壤蒸发等陆面过程；同时它也是驱动地-气系统物质与能量循环过程的动力来源，它的时空分布与变化是引起天气现象和气候变化的最主要根源。地球大气系统入射和出射的辐射能量，反映着地球上各种天气过程的产生、发展和消亡过程。地表能量的交换过程是地球-大气系统间相互作用的主要内容，在地-气系统对太阳辐射的吸收中，大气对太阳的短波辐射吸收较少。研究表明，对太阳辐射的吸收中，由于云和大气成分对其的吸收与散射，仅有约50%的太阳辐射能量可以到达地球表面。到达地面的50%的太阳辐射能量，一部分被地表吸收，另一部分则会被反射回大气。以地表热量平衡和辐射平衡为主的地表能量交换过程是地球-大气系统之间相互作用的主要内容，自然与人为因素对气候变化的影响都是通过这两个过程来传递与表现的，因此地-气系统的辐射收支目前是气候研究中非常重要的课题。在地面建立辐射观测系统，获取地面辐射资料，对气象的研究工作有重要科学意义。本文将对地面辐射观测资料的研究概状与其基本定义进行阐述。

一、地面辐射资料研究概况

基于辐射台站观测资料开展的太阳辐射研究工作已有很多。例如Shi et al.对1957-2000年中国太阳辐射观测站网的逐日太阳辐射数据集资料进行了分析。结果表明：从年平均值结果来看，太阳总辐射在1961-1989年下降趋势明显，而从1990年代开始呈上升趋势，初步认为大气气溶胶含量的变化是地面太阳辐射变化的主要原因。马金玉等（2012）基于1961 -2009年全国58个辐射台站的地面太阳总辐射观测资料，对中国地区总辐射的年际、季节长期变化趋势进行分析；从季节的长期变化趋势来看，除冬季以下降趋势显外，其他月份均以变化不明显为主。研究推测大气浑浊度的增加很可能是引起总辐射变化的主要因素。

地表反照率反映着下垫面的情况，对下垫面的研究有着重要意义，表层土壤湿度对反照率的影响非常显著，降水引起表层土壤湿度增加，导致反照率出现短时明显降低。不同的降雨量对反照率的影响也不同。根据年平均反照率得出各种下垫面反照率的相对关系为高寒草甸 > 荒漠 > 牧草 > 农田 > 稀疏草地 > 森林：Manabe采用水桶模式模拟陆面过程时，就考虑了地表反照率、土壤湿度和地表粗糙度等对大气环流的影响；Chamey研究了撒哈拉地区地表反照率的改变对大气环流的反馈作用；Idso et al.对地面反射率与土壤湿度比的关系进行研究；Holloway和Manabe研究了地面反射率与积雪深度的关系；Cannon研究给出地面反射率与太阳高度角的关系等等。我国众多学者对净辐射各分量的气候学计算、估算拟合、分布特征、遥感监测、影响因子、环境影响和气候效应及从不同地理角度对净辐射的变化进行了分析。王超等（2012）利用敦煌双墩子戈壁试验站2008-2009年的塔站观测资料，分析该地区净辐射的概率分布、日变化、年变化和典型天气下的变化特征，结果表明净辐射有的单峰型的日变化规律，不同天气条件下，净辐射变化特征差别较大，变化规律、极值大小和到达极值时间均不相同。

二、辐射基本量

气象站的辐射观测，包括太阳辐射和地球辐射两部分。

太阳以电磁波的形式向外传递能量，称太阳辐射。地球表面获得热量的主要来源是太阳辐射，太阳辐射出的99.9%能量集中在0.2-10微米（μm）的波段，紫外辐射的波长小于0.4μm，0.4-0.76μm间的辐射为可见光辐射，而长于0.76μm的称为红外辐射。目前气象站主要观测的是短波辐射，波长在0.29-3.0μm间。地球辐射是地球表面、云层、大气以及大气中气溶胶粒子所发射的长波辐射，又称为长波辐射和热红外辐射，波长为3-100μm。地面长波辐射大部分被云与大气吸收，一小部分透过大气层直射太空；大气与云同时也向太空放出长波辐射，这两者之和组成由地气系统进入宇宙空间的热辐射就统称为地球辐射。在地球辐射中，由地面向上发射的长波辐射称为地面辐射，大气发射的长波辐射称为大气辐射，大气向下发射的长波辐射称为大气逆辐射。

太阳总辐射为水平面上的直接辐射与散射辐射之和，它是辐射观测的最基本项目。

其中为直接辐射，为散射辐射。直接辐射是太阳辐射中以平行光线的形式直接穿过大气层投射到地球表面的那部分辐射；而经过大气散射或云的反射，从天空2π立体角以短波形式向下，到达地面的那部分太阳辐射称为散射辐射。太阳总辐射为水平面上的直接辐射与散射辐射之和。太阳总辐射是地表能量交换中的收入部分，观测场观测到的太阳总辐射主要取决于太阳高度角、大气透明度、天空中的云量等因子。而太阳总辐射的日变化与月变化主要还是取决于太阳高度角的变化。

到达地面的总辐射被下垫面向上反射回大气的那部分短波辐射，称为地面反射辐射，可用总辐射表感应面朝下测量。下垫面反射能力的大小则通过向上的反射辐射通量与总辐射通量的比值来表示，即地表反照率，

公式中为地面反射辐射，為太阳总辐射。地表反照率体现着地面能量交换状况，是研究地面能量收支中极其重要的部分。

短波辐射与长波辐射之和称为全辐射，波长范围为0.29～100μm。净辐射是太阳与大气向下发射的全辐射和地面向上发射的全辐射之差值。净辐射对于地球热量收支状况的研究有着重要意义。太阳净辐射表征着地表辐射交换的特征量，其定义为地表所吸收的短波辐射和地面放出的有效辐射之差，也就是地面收入与支出的辐射能差值，它是气候变化乃至全球变化的重要驱动力。净辐射公式：

公式中的地表反射辐射；总辐射；大气逆辐射；地面长波辐射。

三、展望

本文仅对辐射的研究现状与基本定义进行阐述，后续将基于地面辐射资料进行分析，以揭示南京区域太阳辐射的变化特征，为南京地区的能量收支、气候变化及生态效应等研究提供科学的依据。

参考文献：

[1]宋建洋.本底站辐射数据质量评估与特征分析. 中国气象科学研究院硕士学位论文， 2013.

[2]盛裴轩.大气物理学[M].北京：北京人学出版社， 2003： 90-92.

[3]张强，曹晓彦.敦煌地区荒漠戈壁地表热量和辐射平衡特征的研究[J].大气科学， 2003， 27（2）：245-254.