（大气物理学与大气环境专业论文）香河大气综合观测站太阳辐射观测研究.pdf

学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以。求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名： 日期： 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版；有权将学位论文用予非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 a0 作者签名：2 氇二 日 期： 香河大气综合观测站太阳辐射观测研究 摘要 本文主要由5 章组成。 第一章介绍了太阳辐射、光合有效辐射、紫外辐射等方面的一些基本概念，筒要说明 了本文的研究目的与研究内容。 第二章就晴空下太阳辐射观测与模式比较展开讨论。利用中国科学院大气物理研究所 香河大气综合观测站1 2 天晴空条件下地表太阳直接和散射辐射观测资料、太阳光度计观测 资料反演获得的气溶胶特性参数和水汽柱含量，以及d o b s o n 仪观测的臭氧柱总量资料，运 用三个辐射传输模式( m o d t r a n 、6 s 、s b d a r t ) ，对地表太阳直接和散射辐射观测和模 拟进行了对比分析。结果表明，直接辐射观测和模拟能较好吻合，但散射辐射的观测和模 拟之差相对较大，模拟与观测的平均偏差为3 5 ，且8 0 9 0 的模拟值高于观测量。与 文献结果不同的是我们的模拟偏高量相对较低，而且有1 0 2 0 的模拟低于观测。提高气 溶胶特性以及其他输入参数估计精度将提高散射辐射观铡和模拟吻合程度。此外，本章还 对太阳辐射观测仪器及其性能与标定方法，辐射观测资料的质量控制，晴空检测方法等， 做了简要介绍。 第三章为光合有效辐射分析。太阳光合有效辐射是植物光合作用的主要能薰来源。利 用中国科学院大气物理研究所香河大气综合观测站，2 0 0 4 年1 0 月至2 0 0 5 年1 2 月共1 5 个 月的太阳辐射观测资料，首先分析了该地区光合有效辐射与太阳总辐射比值( p a r r s ) 的 日变化特征，并用最小二乘法拟合了各个月的p a r 与r s 值，得出p a r r s 变化范围在 1 8 0 8 2 0 4 8 止j - 1 以内，年均值约为1 9 4 80 - ej - 1 ，最大值出现在夏季，最小值出现在冬季。 晴天条件下p a r r s 值的变化范围在1 8 9 3 - 2 0 4 8 旺j 1 之间，云天下变化范围在2 0 0 3 - 2 3 8 5 u ej 。之间。提出了一个利用总辐射观测值计算光合有效辐射瞬时值的参数化方法，该方 法与传统的仅按照p a r r s 年均值，从总辐射观测值来计算p a r 的方法相比有更高的精度a 最后比较了香河地区与太湖和额济纳地区，光合有效辐射瞬时最大值、时累积最大值及日 累积最大值的差异。 第四章就太阳紫外辐射展开分析。基于2 0 0 4 年1 0 月至2 0 0 5 年1 2 月的太阳辐射观测 1 南京信息工程大学硕士论文 资料，给出了紫外辐射和总辐射比值( u w r s ) 的日变化，分析了u v r s 值在不同月、季 节以及阴天和晴天时的差异，得出l r w r s 值月变化范围在3 3 4 3 之间，晴天时该值在 3 8 ，4 5 之闻，云天下变化范围在3 4 5 9 之间，讨论了u v 与大气相对光学质量的 关系。就u v 小时累积值与总辐射和散射辐射等的关系展开了一些分析，得出u v 小时累 积值和散射辐射的比值与散射辐射和总辐射的比值之间有很好的指数关系，最后比较了香 河地区u v 瞬时最大值、时累积最大值和日累积最大值与太湖地区的差异。 第五章给出了本文研究中得到的一些结论。指出了不足之处和有待进一步研究的地方。 关键词：辐射传输模式：光合有效辐射；紫外辐射 2 香河大气综台观测站太阳辐射观测研究 a b s t r a c t t h et h e s i si sc o m p o s e do f f i v ec h a p t e r s t h ec o n c e p t so fs o l a rr a d i a t i o n , p h o t o s y n t h e t i c a l l ya c t i v er a d i a t i o n ( p a r ) a n du l t r a v i o l e t r a d i a t i o na r eg i v e ni nc h a p t e r1 t h ep u r p o s e sa n ds t r u c t u r e so f t h i sr e s e a r c ha r ea l s oi n c l u d e di n t h i sc h a p t e r ac o m p a r i s o nb e t w e e nm e a s u r e da n dm o d e l e dc l e a r - s k ys u r f a c es o l a ri r r a d i a n c ed a t ai s d i s c u s s e di nc h a p t e r2 b a s e d0 1 it h es u r f a c em e a s u r e dd i r e c t - n o r m a la n dd i f f u s ei r r a d i a n c ed a t a u n d e rc l e a rs k yi n1 2d a y s ，t h eo p t i c a lp r o p e r t i e so f a e r o s o l sa n dc o l u m n a rw a t e rv a p o rr e t r i e v e d f r o mc i m e l ，a n dc o l u m n a ro z o n eo b s e r v e db yd o b s o ni ni a po b s e r v i n gs t a t i o n , x i a n g h e ，t h r e e r a d i a t i v et r a n s f e rm o d e l s0 v i o d t r a n ，6 s ，s b d a r t ) a r eu s e dt oc a l c u l a t et h ed i r e c t n o r m a la n d d i f f u s es u r f a c es o l a ri r r a d i a n c e t h e nc o m p a r i s o n sb e t w e e nm e a s u r e da n dm o d e l e di r r a d i e n c e8 r e m a d e i ti ss h o w nt h a tm o d e l e da n dm e a s u r e dd i r e c t - n o r m a lh - r a d i a n c ea r ei ng o o da g r e e m e n t w h i l et h em o d e l e dm e a nd i f f u s ei r r a d i a u c ei sl a r g e rt h a nt h em e a s u r e m e n tb y3 5 a n d a b o u t8 0 t o9 0 m o d e le s t i m a t e sa r eh i g h e rt h a nt h ec o r r e s p o n d i n gm e a s u r e m e n t s t h e d i f f e r e n c eb e t w e e no u rr e s u l 协w i t hr e p o r t si nl i t e r a t u r e si st h a to u rm o d e lo v e r e s t i m a t e sa r el o w e r t h a nt h e i rr e p o r t sa n do u rm o d e le s t i m a t e sa r el e s st h a nt h em e a s u r e m e n t si ns o m ec a s e s ( a b o u t 1 0 2 0 t h e r es h o u l db es o m es p a c et oi m p r o v et h ea g r e e m e n to fm o d e l e da n dm e a s u r e d d i f f u s ei r r a d i a n c ei ft h ee s t i m a t e so fa e r o s o lo p t i c a lp r o p e r t i e sa n do t h e rm o d e li n p u t sa r e i m p r o v e dt h ei n s t r u m e n t su s e dt om e a s u r e ds o l a ri r r a d i a n c e ，t h e i rp e r f o r m a n c e sa n dc a l i b r a t i o n m e t h o d s ，q u a l i t yc o n t r o l so fo b s e r v i n gd a t a , c l o u ds c r e e nm e t h o d sa n ds oo na r ea l s oi n t r o d u c e d b r i e f l yi nt h i ss e c t i o n p h o t o s y n t h e t i c a l l ya c t i v er a d i a t i o n ( p a r ) i sa ni m p o r t a n te n e r g ys o u r c eo fp h o t o s y n t h e s i s f o rg r e e np l a n t s i nc h a p t e r3 ，b a s e do nt h e1 5m o n t h ss o l a rr a d i a t i o nd a t af r o mo c t 2 0 0 4t od e c 2 0 0 5i ni a po b s e r v i n gs t a t i o n ，x i a n g h e ，t h ed i u r n a lv a r i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f t h er a t i oo f p a r t og l o b a lr a d i a t i o n ( p a r r s ) i nd i f f e r e n ts e a s o n sa r es h o w n al e a s ts q u a r er e g r e s s i o nf i t i su s e d 3 南京信息工程大学硕士论文 t oc a l c u l a t et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np a ra n dr si nd i f f e r e n tm o n t h s ，a n dt h er a t i or a n g e sf r o m 1 8 0 8t o2 , 0 4 8 嵋j _ 1 ，w i t ha na n n u a lm e a nv a l u eo f1 9 4 8 庳rt h er a t i od e c r e a s e sf r o mt h e l a r g e s tt ot h es m a l l e s ta ss e a s o nc h a n g a sf r o ms u m m e r t ow i n t e r t h er a t i oi sb e t w e e n1 8 9 3a n d 2 0 4 8 嶂j 1a n dc h a n g e sf r o m2 0 0 3t o2 , 3 8 5 皿j u n d e rc l e a ra n do v e r c a s ts k yr e s p e c t i v e l y a n e wp a r a m e t e r i z e dm e t h o df o rc a l c u l a t i n gt h ei n s t a n t a n e o u sp a ri sg l wa n di ts h o w sh i g h e r a c c u r a c yi np a rm o d e l i n gt h a nt r a d i t i o n a lm e t h o d ，w h i c hc a l c u l a t i n gp a rf r o mg l o b a lr a d i a t i o n b a s e d0 1 1f i x e da n n u a lm e a np a r r sv a l u e a tl a s t ，t h er e g i o n a ld i f f e r e n c e sa m o n gx i a n g h e ， t a l h ua n de j i n ar e g i o n so np a rd a l l yg r o s s ，h o u r l yg r o s sa n di n s t a n t a n e o u s l ye x t r e m eh i g h v a l u e sa r ea n a l y z e d ad i s c u s s i o n o fu l t r a v i o l e tr a d i a t i o ni st h em a i nc o n t e n to fc h a p t e r4 b a s e do nt h e m e a s u r e dr a d i a t i o nd a t af r o mo c t 2 0 0 4t od e c 2 0 0 5 ，t h ed i u r n a lv a r i a t i o no f t h er a t i o ( u v r s ) a r es h o w na n dt h ed i f f e r e n c e so ft h er a t i o i nd i f f e r e n tm o n t h s ，s e a s o n sa n du n d e rc l e a ra n d o v e r c a s ts k ya r ea n a l y z e di ts h o w st h a tt h em o n t h l yv a r i a t i o no f t h er a t i oi sb e t w e e n3 3 a n d 4 3 a n d 廿l er a t i oc h a n g e sf r o m3 8 t o4 5 a n db e t w e e n3 4 a n d5 9 u n d e rc l e a ra n d o v e r c a s ts k yr e s p e c t i v e l y t h em l a t i o n s h i pb e t w e e nu va n dr e l a t i v eo p t i c a lm a s sa n dt h e r e l a t i o n s h i po f h o u r l yu v v e r s u sg l o b a la n dd i f f u s es o l a rr a d i a t i o na r ed i s c u s s e d i ti n d i c a t e st h a t t h er a t i oo f u vt od i f f u s er a d i a t i o na n dt h er a t i oo f d i f f u s er a d i a t i o nt og l o b a lr a d i a t i o nc a nb ef i t v e r yw e l lb ya ne x p o n e n t i a le q u a t i o n a tl a s t ，t h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nx i a n g h ea n d t a l h ur e g i o n s o nu vd a i l yg r o s sh o u r l yg r o s sa n di n s t a n t a n e o u s l ye x l x e m eh i g hv a l u a s 缸ea n a l y z e d as u m m a r yo ft h i sr e s e a r c ha n ds o m ec o n c l u s i o n sa r cg i v e nh ic h a p t e r5 s o m ei s s u e sf o r f t l r t h e rs t u d ya r ei 1 1 d i c a t e d k e yw o r d s ：r a d i a t i v e t r a n s f e r m o d e l ；p h o t o s y n t h e t i c a l l y a c t i v er a d i a t i o n ；u l t r a v i o l e t r a d i a t i o n 4 香河大气综合观测站太阳辐射观测研究 第一章引言 1 1 太阳辐射 太阳辐射即太阳所发出的辐射，由于其9 7 以上的能量集中在3 衄l 以下的波长范围 内，以可见光与近红外为主，故又称作短波辐射。太阳辐射是地球能量的主要来源，它是 大气圈、水圈和陆圈上层中发生的各种物理过程和各种生命活动的基本能源。 太阳是距离地球最近的一颗恒星，日地平均距离约为1 5 0 1 0 8k m ，冬至时日地距离 最近( 1 , 4 7 1 0 8 k m ) ，而夏至时最远( 1 5 3 1 0 8k m ) 。在日地平均距离处通过与太阳光垂 直的单位面积上的辐射能量称作太阳常数s o 。世界气象组织( w m o ) 发布的s o 值为1 3 6 7 + - 0 j w m - 2 ；美国宇航局( n a s a ) 公布的为1 3 5 3 + - - 2 1w m 。这种不一致是由于测量仪 器的精度、标准乃至测量方式、方法各不相同造成的【l 】o 太阳辐射在穿过地球大气时，因大气中的气体吸收，分子、气溶胶和云散射等作用而 衰减。到达地面的太阳辐射又可细分为：1 ) 太阳直接辐射，发自日面及日周6 1 0 。球面 度立体角并入射到与该立体角轴线相垂直平面上的辐射；2 ) 太阳散射辐射，太阳直接辐射 通过大气时为空气分子和其他悬浮粒子所漫射的部分；3 ) 太阳总辐射，水平面从孙球面 度立体角接收到的太阳辐射，它包括直接辐射的垂直分量和散射辐射：4 ) 反射太阳辐射， 即地表反射的太阳辐射。 自从1 8 2 5 年，英国天文学家w h e r s c h e l 发明了黑球日射表，用以测量太阳辐射以来， 太阳辐射的观测经历了不断发展的历史。1 9 5 7 年，国际上开始推行直接辐射标尺；1 9 7 7 年 世界辐射测最标准( w r r ) 建立；1 9 5 9 年世界辐射中。t h , ( w r c ) 进行了直接辐射表的对 比，其后每5 年举行一次，至1 9 9 0 年共进行了七次对比口j 。 现代工业和生活中普遍使用的石油和煤炭，是经过生物化学过程储存在地下的太阳能； 驱动大气和海洋运动的主要能量，直接和间接地来自于太阳辐射：地球上气候的不同，其 原因归根结底是太阳辐射能的不均匀分布，地球大气系统接收的太阳能与以红外辐射放出 能量之间的平衡关系，对局地和全球气候( 变化) 及其特征起到了决定性的作用；太阳辐 射的作用既表现在地面和大气的升温上，又借助大气环流而表现出来，辐射过程和环流过 5 南京信息工程大学硕士论文 程的组合会造成各种各样的天气和气候状况；下垫面蒸发所消耗的热量和空气中水汽凝结 所释放的潜热，也是太阳辐射能转换的一种形式，这种垂直热量转换和水分交换过程又是 紧密相联的；太阳辐射是研究地球地带性规律的基础，它对自然区划和自然地域综合体类 型的划分有着重要的意义；植物在光合作用过程中，利用空气中的二氧化碳与水分形成碳 水化合物，将太阳能转变为比较稳定的化学能，而植物群落的可能最高产量又决定于太阳 光能投入的多少以及光能的转化效率。鉴于太阳辐射能的传递与转换在气象学、地理学、 生物学和海洋学等自然科学的研究中有着重要的作用，也和工农业生产和人民生活密切相 关，因此对太阳辐射进行监测和展开深入细致的研究有着重要的意义f 1 】口】【3 】【4 】。 1 2 太阳光合有效辐射和紫外辐射 太阳辐射的光谱范围很宽，从宇宙射线直至无线电波，但其能量主要集中在可见光区、 红外区以及紫外区。近年来国内外对太阳光合有效辐射和紫外辐射的研究也日趋深入。 光合有效辐射( p h o t o s y n t h e t i c a l l ya c t i v er a d i a t i o n ，p a r ) 是太阳辐射能中可以被绿色植 物用来进行光合作用的能量，波长范围在4 0 0 - 7 0 0n m 之间，简称为p a r 。p a r 既有光粒子 性，也具有能量特性。光合作用的光粒子流浓度单位可以表示为：1u t o o lp h o t o n sm 。s = 6 0 2 2 x 1 0 1 7p h o t o n s m 。s 。1 = 1 “e m 。2s ，即单位时间单位面积上入射的波长在4 0 0 7 0 0n i n 间的光子数”j 。p a r 是影响植物光合作用的几个主要环境因子( 气温、相对湿度、p a r 及 c 0 2 浓度等) 之一，它与植物的光合速率有着显著的相关关系，是檀物生长所需的基本能 源，并且是影响海洋的初级生产力的一个重要因子 6 】 7 i 。 太阳紫外辐射可分为三个波段，紫外c 波段( u v c ，1 0 0 2 8 0r i m ) ，通常被平流层中 的臭氧全部吸收：紫外b 波段( u v - b ，2 8 0 - 3 1 5n m ) ，在通过大气传输过程中只被部分吸 收和散射；紫外a 波段( u v a ，3 1 5 4 0 0r i m ) ，是到达地面的太阳紫外辐射的主要组成部 分。如果考虑到达大气顶的太阳辐射，那么a 波段和b 波段辐射量的和，仅占总辐射量的 约7 4 5 吼因为太阳紫外辐射在生物、生态、以及物理学上的影响，近年来受到了国内外 学者的广泛关注。 1 3 本文的研究目的和研究内容 上世纪9 0 年代基于大气辐射观测计划( a t m o s 曲e r i cr a d i a t i o nm e a s u r e m e n t , a r m ) 的 6 香河大气综台观测站太阳辐射观测研究 观测资料，引发了新一轮对云异常吸收的争论。1 9 9 5 年8 月的自然杂志纠上发表了当 时辐射研究的相关进展，c e s s 等 ”1 、r a m a n a t h a n 等【1 1 】、p i l e w s k i 和v a i e r o 【1 2 1 均发现，观测 得到的大气太阳辐射吸收值，从全球来看超出了大气模式计算值约2 5w m 。而“等【1 3 】发 现增强吸收只出现在暖季一主要在赤道和中纬度夏季，在其他时间段，l i 发现大气模式 预测的大气吸收低于观测结果，但置值明显少于c e s s 的观测结果。关于云异常吸收争论的 来龙去脉，s t e p h e n s 和t s a y l l ”、陈洪滨1 5 】作了综述。 伴随这一争论的是部分学者发现在晴空条件下，尽管大气辐射传输模式可以很好的描 述大气消光特性，但可能低估了晴空下大气吸收。自1 9 9 7 年k e t o 等 1 6 1 提出在晴空条件下， 散射辐射观测和模拟之间存在系统偏差，到2 0 0 4 年h e n z m g 等l l ”的研究结果表明关于这个 问题的争论依然存在，解决这些问题就需要我们多进行对比研究。 介于国内辐射模拟与观测的定量比对研究不多，本文在第二章中将以c i m n 太阳光度 计观测资料反演的气溶胶特性参数和水汽柱含量，以及d o b s o n 仪观测的臭氧柱含量日平均 值，作为模式的输入参量，分别用m o d t r a n 4 1 、6 s 和s b d a r t 分别计算出直接辐射和 散射辐射值，与大气物理所番河综合观测站的晴空辐射观测资料作对比，检验两者之间的 一致性。初步分析存在差异的原因。并且间接评估辐射资料观测精度，这也将为今后进一 步开展气溶胶直接辐射强迫分析研究提供基础。此外，在本文第二章中，将对太阳辐射观 测仪器及其性能与标定方法，辐射观测资料的质量控制，晴空检测方法等，做简要的介绍。 太阳光含有效辐射是植物生长的能量来源，近年来受到研究者的重视。p a r 值通常是 用观测的向下太阳总辐射( r s ) 值来估计，在传统的方法中，p a r 视作下行太阳总辐射量 的5 0 。国内外的研究表明，p a r 与r s 的比率并不是一个常量，存在着明显的地区和季 节性差异，在晴天和云天条件下也有差别，p a r 与r s 比率的变化幅度与大气水汽含量、天 空云量、大气浑浊度等诸多因素有关。 本文第三章，就太阳光合有效辐射展开分析。利用香河观测站2 0 0 4 年1 0 月至2 0 0 5 年 1 2 月p a r 、太阳总辐射、直接和散射辐射等观测资料，首先分析了该地区光台有效辐射与 总辐射比值( p a r r s ) 的日变化特征，用最小二乘法拟合了不同月、季节以及在晴天和阴 天状况下的p a r 与r s 值，提出了一个利用总辐射观测值计算光合有效辐射瞬时值的经验 7 南京信息工程大学硕士论文 公式，该方法与传统的仅按照p a r r s 年均值，从总辐射观测值来计算p a r 的方法相比有 更高的精度，最后比较了番河地区与太湖和额济纳地区，光合有效辐射瞬时最大值、时累 积最大值及日累积最大值的差异。 因为紫外辐射在生态、化学和气候研究等领域中有重要的作用，正逐渐成为太阳辐射 研究中的焦点之一。国内外研究者通过观测资料，分析了臭氧、水汽、气溶胶、太阳天顶 角等对紫外辐射的影响，以及云与紫外辐射的相互作用，u v 在总辐射中的比例变化和趋 势，发展出了一些紫外辐射传输模式。 本文在第四章将就太阳紫外辐射展开分析。利用香河观测站2 0 0 4 年1 0 月至2 0 0 5 年 1 2 月u v 、太阳总辐射、直接和数射辐射等观测资料，给出了季节平均的u v ，r s 值日变化 趋势，分析了u v r s 值在不同月、季节以及阴天和晴天时的差异，给出了u v 与大气相对 光学质量的关系，就u v 小时累积值展开了一些讨论，最后比较了香河地区u v 瞬时最大 值、时累积最大值和日累积最大值与太湖地区的差异。 香河大气综合观测站太阳辐射观测研究 第二章晴空下太阳辐射观测与模式比较 2 1 研究背景与现状 多年的观测结果表明，入射到大气顶的太阳辐射量为1 3 6 7 4 - 7w m - 2 ，在辐射传输路径 上，由于大气中的气体吸收，分子、气溶胶和云散射等作用，使得到达地面的太阳辐射量 减少。分析大气吸收和辐射传输需要可靠的观测和与实际相符的理论模式，辐射模式值与 观测值之间是否吻合一直是大气辐射领域讨论和研究的焦点问题之一。 近年来晴空条件下的宽带短波辐射模拟受到了相当的重视，一些实验研究结果表明， 直接太阳辐射的观视4 值与模式值之间，有很好的一致性，没有显著差异1 s - 2 1 。h a l t h o r e 等 用辐射传输模式m o d t r a n3 0 做了晴空条件下直接垂直辐射的模拟比较，他们发现模拟 值与观测值吻合得很好，平均偏差在1 以内。这一吻合程度表明m o d t r a n 模式中对于 气体吸收和气溶胶消光处理得较好。h a l t h o r e 等口3 】研究表明在一些海拔高度较低的地区， 晴空下辐射传输模式( m o d t r a n 3 5 、6 s ) 计算的向下散射辐照度超过观测值达9 - 4 0 ， 即模式计算的大气散射辐射吸收偏低约1 7w m ，但计算的直接垂直太阳辐射与观测值的 差却在允许的偏差范围内，并且在海拔高的地区，没有发现这一异常吸收现象。k a t o 等 利用北美大平原( s g p ) 上的辐射观测数据研究发现，直接辐射的模拟与观测一致，但是 散射辐射的模式计算值高于观测值，平均偏差为3 0w m - 2 左右。h a l t h o r e 和s c h w a r t z r z 4 确 用s g p 站点资料，也得到了与k a t o 等 1 6 1 相同的结果。然而，k a t o 等口”、h a l t h o r e ds c h w a r t z 2 4 分别用夏威夷m a r i n al o a 和南极站点的资料与模式计算相比较，却发现散射辐射的差在偏 差允许范藏内，这两个站点的气溶胶光学厚度非常低，所以可以确信模式中的分子散射部 分计算较精确。对于散射辐射的模拟与观测差异，一些学者认为尽管大气辐射传输模式可 以很好的描述大气消光特性，但可能低估了晴空条件下大气吸收。k a t o 等【l6 】提出大气中可 能存在未知的吸收物质，在辐射传输模式中未加以考虑，从而导致模拟的太阳散射辐射值 系统偏高于观测值。此外，辐射观测误差也可能是导致模拟值系统偏高的主要原因。使用 传统的单黑色探测器太阳辐射表，如果不安装通风和热控装置，辐射表熟结点( h o t c o n j u n c t i o n ) 通过玻璃外罩与外部大气进行热红外交换而损失能量，从而使观测量出现系 9 南京信息工程大学硕士论文 统偏低，即出现“零漂移”。p h i l i p o n a 等0 6 的观测实验结果表明，晴空下太阳总辐射和散 射辐射测值会偏低8 2 0w m 4 。d u t t o n 等 2 1 提出了校正“零漂移”的方法，但是在h a l t h o r e 和s c h w a r t z 口4 】的研究中尽管应用了该方法，散射辐射的显著差异仍然存在。 国内也有一些研究者做了相关工作，王炳忠翻系统总结了太阳辐射的观测方法，各种 探测器的工作原理、性能和应用，给出了具体的观测国际标准：傅炳珊等0 8 悃m o d t r a n 3 计算了晴空下太阳直接和散射辐射，与地面辐射观测做了比较：傅炳珊等 2 9 3 利用t o v s 观测资料作为m o d t r a n3 初始输入，分别计算了晴空和云天下的直接和散射辐射，与用 探空大气温湿扩线作为输入参数计算出的模式值作了比对，发现晴空下两者基本一致，云 天下存在一定差异。 2 2 站点及仪器介绍 我们利用的辐射观测数据均采集自大气物理研究所香河辐射观测实验站( 3 9 。4 5 n ， 1 1 6 。5 7 e ) ，该站点在国家自然基金委和美国马里兰大学气象系以及中国科学院野外台站 网络项目共同支持下，于2 0 0 4 年1 0 月在大气物理所香河综合观测站正式建成。香河辐射 实验站装备了当前国际先进的太阳宽带光谱辐射仪器，以及其他仪器如：太阳跟踪器( s o l a r t r a c k c r ) 、天空成像仪( t o t a ls k yi m a g e ，t s i ) 等，观测项目包括：太阳宽带总、直接和散 射辐射：太阳光合有效辐射；太阳总紫外辐射；大气红外辐射；太阳可见和近红外光谱的 总、直接和散射辐射以及天空亮度辐射；地表反射率。 对于太阳宽带总、直接和散射辐射的观测分别利用c m 2 1 、n i p 和b l a c k w h i t e 等仪器进行。c m 2 1 是一种高性能的总辐射袁，设计用于测量水平面上的辐射通量，即直 接辐射和上半球2 角弧度天空内向下的散射辐射之和，该仪器完全依照国际i s 0 9 0 6 0 第 二仪器标准制定；n i p ( n o r m a li n c i d e n c ep y r h e l i o m e t e r ，垂直入射直接辐射表) ，是w m o 制定的第一类直接辐射表，n i p 需要安装在太阳追踪器上，以保证太阳盘面发出的辐射垂 直入射n i p 孔径内；b l a c k & w h i t e ( 8 - 4 8 黑白型辐射表) ，可用于测量总辐射或散射辐射， 该表的探测器与全黑型( s i n g l e - b l a c kd e t e c t o r ) 不同的是，一半用硫酸钡涂成了白色，这样 设计的目的是，自色部分在可见光区具有与黑色部分截然不同的吸收系数，而在红外区则 几乎具有与黑色部分相同的吸收系数，这样一来可以补偿玻璃罩的红外辐射嘲【3 0 。以上仪 1 0 香河大气综台观糨站太阳辐射观测研究 器的一些参数可见表2 1 。 表2 1 辐射观测仪器简介 此外，在本文中还利用了c i m e l 太阳光崖计和t s i 的观测资料，这里先就仪器作一简 单介绍。c i m e l 太阳光度计是多通道，可自动对准太阳和进行天空扫描的辐射计，可测量 出到达地面的太阳直接辐射和天空散射辐射。通过测出预先设定的可见光和红外光谱离散 波长处的辐射，从而确定大气透过率和散射特性。我们所用的c i m e l 型号为c e - 3 1 8 ，视场 ( f i e l d o f - v i e w ) 为1 2 。，有4 4 9 、6 7 0 、8 7 0 、9 3 6 和1 0 2 0n m ，5 十宽度为1 0 唧的观测 波段。 t s ( 天空成像仪) 的设计包括一个c c d 照相机和一个广角镜头或半球形的凸面镜。 凸面镜将半球天空范围内的光线，反射进入悬至于其上方的数码镜头从而成像。为避免强 烈阳光直射镜头，有一个警带遮挡住太阳。t s i 视场f o v = 1 6 0 。【3 2 】。 2 3 仪器观测误差与标定 不同的辐射观测仪器，具有不同的测量精度，加之仪器标定方法，标定时间间隔以及 仪器维护等方面的差异，使得不同站点的辐射观测值与真宴值间的偏差略有差别。表2 2 中给出了b s i t n ( b a s e l i n e s u r f a c e r a d i a t i o n n e t w o r k ，地表辐射基线站网) 所属台站的辐射 观测误差【4 1 ， 表2 2b s r n 辐射观测误差 对辐射观测仪器作定期的标定是获得准确辐射观测资料的条件之一。直接辐射表的标 定较为简单，通常以太阳作为辐射光源，首先对腔体辐射表( c a v i t yr a d i o m e t e r ) 依据w r c 的w r r 标准进行标定再用标定的腔体表与直射表在晴空条件下同时测量直接太阳辐射， 的w r r 标准进行标定再用标定的腔体表与直射表在晴空条件下同时测量直接太阳辐射， 1 1 南京信息工程大学硕士论文 建立起两表测值间的关系，以此标定直射表o ”。 总辐射和散射辐射表的标定方法主要有以下几种口日1 3 ”6 1 ： “交替遮挡无遮挡”标定法( “a l t e r n a t i n gs 州s h a d e ”c a l i b r a t i o nm e t h o d ) ：晴空条件下， 太阳天项角为4 59 时，水平放置的辐射表交替测量总辐射和散射辐射，交替测量的差值( 即 直接辐射值) 与腔体辐射表的观测值相比，得到灵敏度系数。该方法很费时，且需要在晴 空条件完成，因此只用于w r c 散射辐射表的标定。 “组分求和”标定法( c o m p o r t e h i - s u m ”c a l i b r a t i o nm e t h o d ) ：晴空条件下，太阳天顶 角约为4 5 。时，待标定的辐射表测量的总辐射值，与腔体辐射表观测值加上参照的散射辐 射表观测值之和相比，从而得至b 标定系数。该方法可以自动进行，并且是w r c 的标准标 定方法。 辐射表的第三种标定方法：将辐射表安装在与参照直接辐射表相平行的太阳跟踪器上， 并且给待标定辐射表安装一个遮片，使其视场与直射表视场相当，将两表测值相比得到标 定系数。 上述三种标定方法中，“组分求和”法易于自动完成，用于测量太阳直射的直接辐射表 依照世界辐射参考标准标定，存在的问题是参照的散射表没有统一的国际标定标准；“交替 遮挡，无遮挡”法中，辐射表频繁且快速的被遮挡和曝露于日光下，易造成熟漂移发生波动， 且若使用自动系统就需要两个跟踪装置和复杂的算法，而使用手动系统则很费时；第三种 方法就现在所知，未考虑仪器的天顶或方位角响应( z e n i t ho r a z i m u t hr e s p o n s e ) 。 2 4 资料质量控制 对观测资料进行实时的质量评估，将可以有效地发现错误数据并加以修正，从而为今 后开展的分析研究提供高质量的数据。本文中使用的数据经过较严格的质量控制和检验， 采用b s r n 和a r m 推荐的质量控制方法f 4 | 【3 e l i 3 ”，分为五个步骤( 以下出现的符号所代表 的意义：s o ，太阳常数，取值为1 3 6 5w m 2 ；p ，太阳天顶角余弦值；n i p ，b & w ，c m 2 1 分别代表直接、散射和总辐射表测值) ： 1 ) “物理上可能值”范围控制 这是质黄控制的第一步，目的是检验可能存在的观测误差极值和随机性误差。做法是 1 2 香河大气综合观测站太阳辐射观测研究 将辐射表在一分钟内的观测值与现今条件下各辐射量的最大值和最小值相比较。直接辐射 测值范围：4w m 。s o ；散射辐射范围：4 s o x 0 9 5 x 9 12 + 5 0w m 。；总辐射范围4 s o x 1 5 u 12 + 1 0 0 w m - 2 。这一过程较为粗糙，并且可以不依赖于其它辐射通量测量而施用于 任意一个观测值。 2 ) “极端值”范围控制 质量控制第二步较上一步骤严格，用于检验观测值是否在以前同期观测值范围内，该 步骤检验的上下限范围依据各测站实际情况而定，可由历年观测数据获得。直接辐射测值 范围：2 s o x o 7 7 x 12 + 1 0 w m - 2 ：散射辐射范围：2 s o x o 4 8 x p l2 + 3 0 w i n - 2 ；总辐射 范围2 s o 0 8 5 x1 2 + 5 0 w m - 2 。需要说明的是，一些没有通过该步骤检验的数据，不一 定就是错误数据，可能只是出现的概率小，需进一步检查。 3 ) “测值横向比较”控制 各辐射量之间的关系是稳定的，例如：可以用直射表测值与测得的总辐射和散射辐射 之差相比较，在晴天或稳定天气状况下，这两个量的偏差应在仪器测量误差范围内。具体 如下：当太阳天顶角 5 0 w i n 2 时，c m 2 l ( n p + b w ) 7 5 。且n i p + b & w 5 0 w m - 2 时，c m 2 1 ，州斗b w ) 5 0 w i n - 2 时，b & w c m 2 1 0 9 ，则 表示太阳跟踪不准确。 5 ) 瑞利散射检验 当c m 2 5 0 w i n 。且b & w c m 2 0 8 时，如果b & w 观测小于瑞利散射，则表示观 测不准确。 2 5 晴空检测 本章节中所进行的辐射观测和模式计算对比，是基于晴空条件下。对晴空进行检测和 判断的方法比较多，1 9 9 7 年c o n a n t 等“1 曾提出了一个“频率峰值密度”检验的方法，但 1 3 南京信息工程大学硕士论文 在应用中存在一些限制，适用于太阳天顶角小于4 5 。情况下，且对薄卷云无法识别。下面 将简要介绍几种近年来一些广泛采用的新方法。 2 5 1 t s i 晴空检测方法 p f i s t e r 等0 2 嵯于t s i 系统，提出了云天检测方法。t s i 所生成的图像中一个像素的分 辨率约为天空半球中的0 2 8 。通过红一蓝比( 即像素点上红光和蓝光的比值) ，对数码图 像进行分析。用一个事先获得的红一蓝比经验闽值来区分像素点对应天空的阴晴状况。因 为散射过程依赖于光线入射角度，同时太阳天顶角增大，光线穿过的大气路径也会增大， 所以红一蓝比经验阈值并不是全图统一的，而是依据像素点代表的天空与太阳的相对位置 而定。 2 5 2 长波辐射算法 m a r r y 和p h i l i p o n a 3 9 提出用