太陽常數(shù)的研究沿革和進展（下）

中國氣象局 ■ 王炳忠申彥波

太陽常數(shù)的研究沿革和進展（下）

中國氣象局 ■ 王炳忠*申彥波

該委員會主席Thekaekara于1970年和1973年先后兩次報告結(jié)果。起初，未將Willson［8］的測定結(jié)果包括進去，但無論包括與否，按當(dāng)時的處理辦法，結(jié)果是一樣的，這就是著名的1353 W/m2數(shù)值的由來。它曾長期被我國的航天部門所采用。但有一點不容忽視，即這一TSI是以IPS-1956太陽輻射標(biāo)尺為準(zhǔn)，鑒于該標(biāo)尺已于1981年被廢止，而代之以新標(biāo)尺——WRR，因此，即使仍按習(xí)慣采用1353 W/m2作為TSI，也應(yīng)進行標(biāo)尺轉(zhuǎn)換。在WRR下的1353 W/m2，實際應(yīng)為1353×1.022=1383 W/m2。

1.420世紀70年代以來的工作

20世紀70年代是科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展的年代，高準(zhǔn)確度自校準(zhǔn)腔體式絕對輻射計正在歐美數(shù)家研究機構(gòu)研制中，諸如美國NASA的噴氣推進實驗室（JPL）、美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（NIST）、瑞士達沃斯物理氣象觀象臺（PMOD）、比利時皇家氣象研究所等。世界輻射測量基準(zhǔn)（WRR）就是在此基礎(chǔ)上建立的，其綜合不確定度為±0.3％。80年代初，英國國家物理實驗室（NPL）研制出一種極具前景的新技術(shù)——深冷絕對輻射計，即工作在液氮溫度下的絕對輻射計，其不確定度已達到±0.01％，這項技術(shù)后來發(fā)展成國際標(biāo)準(zhǔn)制（SI）的輻射度計量標(biāo)準(zhǔn)。1991年P(guān)MOD的Fr?hlich與NPL的Fox等一起，將代表WRR的儀器與NPL的輻射基準(zhǔn)通過間接的方法對同一激光光源進行了對比測試（因兩者測量輻射的數(shù)量級不同），結(jié)果表明兩者的一致性為0.3％。

70年代以來，在TSI測定方面有以下兩個明顯的特點：1）為了避免大氣的干擾，測定工作均在衛(wèi)星上進行；2）由于相對輻射儀器的測量不確定度過高，可能會超過TSI本身的變化幅度，所以不再使用其進行測量。

70年代中期～80年代中期所發(fā)射的衛(wèi)星有：Nimbus-6氣象衛(wèi)星（1975年7月升空）、Nimbus-7氣象衛(wèi)星（1978年11月）、SMM太陽峰年號（1980年2月）、SL空間實驗室（1983年11月）、ERBS地球輻射收支衛(wèi)星（1984年10月）、NOAA氣象衛(wèi)星（1984年12月）、NOAA氣象衛(wèi)星 （1986年9月）等。

在這些衛(wèi)星中，只有SMM備有連續(xù)監(jiān)測太陽輻照度變化而設(shè)計的儀器，即ACRIM-I，它可實現(xiàn)僅間隔數(shù)分鐘的對太陽的連續(xù)監(jiān)測，至于其他衛(wèi)星，由于氣象衛(wèi)星的主要目標(biāo)是獲得其他各個方面的氣象信息，輻射監(jiān)測僅是觀測任務(wù)中的一部分，除Nimbus衛(wèi)星還能提供不連續(xù)的日平均值外，后3種衛(wèi)星對太陽的觀測只進行雙周一次的測量。至于空間實驗室，其任務(wù)就僅僅是為期10多日的短期考察，而其中只有17 h供檢測TSI，并且分4段分布在12月5-8日之間。由于各個衛(wèi)星的測量儀器不一，時間不一，為數(shù)據(jù)比較帶來困難。

由于不同衛(wèi)星上的輻射儀器是不同的，為了校準(zhǔn)這些儀器，美國NASA計劃了一系列火箭試驗，每次火箭試驗均載有多種腔體式輻射儀器，具體品種依據(jù)當(dāng)時在衛(wèi)星上運行的儀器而有所調(diào)整，這樣的試驗前后共進行了6次。具體發(fā)射日期及被校準(zhǔn)對象為：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數(shù)據(jù)庫

其實，在前述各種測量TSI的衛(wèi)星之后，仍不斷有新的衛(wèi)星升空開展TSI測量。遺憾的是，沒有一個衛(wèi)星能夠做到測量持續(xù)不斷，因為衛(wèi)星是有壽命的。即使有同系列的后續(xù)衛(wèi)星被發(fā)射，中間亦難免存在數(shù)據(jù)間斷，因此就有了如圖1所示的各種衛(wèi)星數(shù)據(jù)的匯總。這項工作最初由瑞士達沃斯物理氣象觀象臺（PMOD）完成，公布在其Nimbus-6、Nimbus-7和SMM；1983年12月7 日 Nimbus-7、SMM；據(jù)文獻報道，火箭試驗此后分別在1984年末和1985年6月又進行過兩次，之后的校準(zhǔn)就由航天飛機承擔(dān)了。

第一次試驗證明了Nimbus-6上的相對儀器測量結(jié)果系統(tǒng)偏高，自此，徹底否定了相對儀器，以后再也未用過。第二次試驗時，研究者發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)性偏差，以后的分析發(fā)現(xiàn)，這是火箭著陸時儀器艙的真空度被破壞所致。結(jié)果需要進行氣壓訂正。

安裝在SMM衛(wèi)星上的ACRIM，設(shè)計時就有3個通道，每個通道就是一臺絕對輻射計。其中A通道為工作通道，B、C為監(jiān)察通道。為防止受宇宙條件的影響而變性，它們的測量次數(shù)比A要少得多。對3條通道的不同組合，可周期性地兩兩成對地自行比較，借以達到±0.1％的測量精密度要求。這種方式，后來也被其他衛(wèi)星所采用。

從上述情況可知，為了監(jiān)測TSI真是費盡了周折，不過這僅僅是問題的開始。欲達到真正系統(tǒng)地監(jiān)測TSI，還有一系列需要解決的問題。

1.5WMO CIMO確定的TSI

世界氣象組織下設(shè)的氣象儀器和觀測方法委員會（CIMO）于1981年在墨西哥召開的第8屆會議上，根據(jù)世界各地不同專家當(dāng)時最新的研究結(jié)果，同意采取1367±7 W/m2為TSI的值，并在會議文件中公布了其分光譜數(shù)值［9］。這就是迄今一直在使用的正式公布的TSI值。官網(wǎng)上，并且每年不斷添加。由于各種衛(wèi)星所用的測量儀器不同，年代不一，所以測量結(jié)果出現(xiàn)差異，不足為奇。盡管Nimbus系列衛(wèi)星測量數(shù)據(jù)的結(jié)果偏離其他衛(wèi)星的較遠，但由于其起始年代最早，在圖1中仍可見其身影。為避免重復(fù)，我們所展示的圖1并非取自PMOD網(wǎng)站，而是來自美國［10］。這樣的數(shù)據(jù)就被稱為TSI數(shù)據(jù)庫，為研究TSI的數(shù)值變化規(guī)律提供了基礎(chǔ)。在圖1的最下方，還輔以太陽黑子數(shù)的年變程，不難看出，其與TSI變化的同步性。

圖1　1978～2014年各種衛(wèi)星對TSI的監(jiān)測結(jié)果［10］

圖2　PMOD與ACRIM和RMIB對TSI復(fù)合數(shù)據(jù)的比較［11］

從圖1可明顯看出，年代越早，數(shù)值越高；更直接的結(jié)果，可從表1看到。在這些數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，可利用一些數(shù)學(xué)插補方法將數(shù)據(jù)串聯(lián)起來。不過，由于每位學(xué)者對所用的數(shù)據(jù)取舍不同，所用方法也不盡相同，因此不同學(xué)者所得出的TSI的整體數(shù)據(jù)系列就會稍有不同。但大體趨勢相同，這從圖2中可以看到。在1997年以前，各個機構(gòu)的原始數(shù)據(jù)大體相同，但在其后則有所不同。PMOD采用的是VIRGO衛(wèi)星的數(shù)據(jù)；ACRIM則采用的是ACRIMIII的數(shù)據(jù)；而RMIB（比利時皇家氣象研究所，原文IRMB系按法文排列）采用的是DIARAD的數(shù)據(jù)。PMOD和RMIB的均值在1366 W/m2上下，而ACRIM的則在1361 W/m2附近。分別統(tǒng)計各種衛(wèi)星各自的測量均值，由表3可知，TSI均值似乎有隨年代逐步下降的趨勢。

表3　不同年代衛(wèi)星測量的TSI均值

3　TSI均值變化的原因

在表3中所展現(xiàn)的這種TSI均值隨年代的下降變化，顯然并非真與年代有關(guān)，其實是與科技進步有關(guān)。

首先，過去在衛(wèi)星上測量TSI的儀器與地面所使用的并無差異。這似乎也沒有可奇怪的，因為所測量的對象并未改變。其實，盡管測量對象未變，但是在地面測量時，是有大氣存在的，而在太空中測量，則是在真空中。正因為地面有大氣存在，測量太陽直射時就要考慮日周華蓋（aureole）的存在，也就是日面周圍特別光亮的圓環(huán)部分。因此，儀器的入射孔徑就設(shè)計成前大后小的一個腔體，其張角的大小按照WMO CIMO觀測規(guī)范的規(guī)定約為5°。

但到了太空中，由于沒有空氣，也就不存在華蓋，太陽自身相對儀器的張角還不到1°，如果此時仍延用地面的儀器，就會引起儀器內(nèi)部“大量的”散射和衍射，從而造成TSI值偏大。此現(xiàn)象為Kopp所發(fā)現(xiàn)，所以他所設(shè)計的儀器就減少了儀器的入射孔徑，因而不存在上述問題，這也就是TIM儀器測量值偏低的原因之一。

最后還應(yīng)指出，由于過去使用的儀器大多在發(fā)射前同WRR比對而校準(zhǔn)，可是WRR自身相對國際單位制SI的輻射度標(biāo)準(zhǔn)偏高，而后來有的儀器直接溯源于SI，因此也會導(dǎo)致數(shù)值有所降低。

4　結(jié)論

雖然目前對TSI國際上尚無一致公認的數(shù)值，但1361 W/m2這一數(shù)值已逐漸得到認可。例如，2015年P(guān)MOD網(wǎng)上發(fā)布的新的TSI逐年變化值已經(jīng)設(shè)置了左、右兩個標(biāo)尺（圖3）。左標(biāo)尺為原來的標(biāo)尺，其平均值偏高，而右標(biāo)尺為新標(biāo)尺，TSI均值在1361 W/m2附近。

不過，最近美國所發(fā)射的衛(wèi)星上也載有測量太陽光譜的儀器，相信通過一些時間的觀測，會得到更為可靠的光譜數(shù)據(jù)及其積分值——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.