SACOL站地面短波輻射資料質(zhì)量控制研究

季永平，王麗瓊，馬媛媛，劉鑫

（1.解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院，211101；2.蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，蘭州730000 3.95746部隊(duì)氣象臺(tái)）

SACOL站地面短波輻射資料質(zhì)量控制研究

季永平1，王麗瓊1，馬媛媛2，劉鑫3

（1.解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院，211101；2.蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，蘭州730000 3.95746部隊(duì)氣象臺(tái)）

0　引言

太陽(yáng)輻射是地-氣系統(tǒng)能量的主要來(lái)源，對(duì)天氣變化和氣候演變有著重要影響。太陽(yáng)輻射到達(dá)地球表面，除受天文因子影響外，還受到諸如云、水汽、臭氧和氣溶膠顆粒等的強(qiáng)烈影響。不少專(zhuān)家學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究。查良松［1］和李曉文［2］等分析了中國(guó)地區(qū) 1957－1992，1960－1990年間地面總輻射、直接輻射和散射輻射的年平均變化和季節(jié)變化，發(fā)現(xiàn)中國(guó)大部分地區(qū)的太陽(yáng)總輻射和直接輻射呈減少趨勢(shì)，并推測(cè)出大氣中懸浮粒子濃度的增加可能是造成這種趨勢(shì)的主要原因之一。

蘭州大學(xué)半干旱氣候與環(huán)境觀測(cè)站（SACOL站）位于海拔1961米的萃英山頂（35.94o6N，104.137oE）。站上的輻射數(shù)據(jù)可以定量表征黃土高原下墊面的輻射特征。不少研究人員利用SACOL站的地表輻射資料進(jìn)行了研究。張武［3］等利用該站觀測(cè)資料結(jié)合常規(guī)氣象資料對(duì)我國(guó)半干旱地區(qū)的黑碳?xì)馊苣z濃度進(jìn)行了研究。閉建榮［4］等分析了黃土高原半干旱地表輻射的變化規(guī)律，并對(duì)地表輻射特征、地表反照率的年季變化及其影響機(jī)制進(jìn)行了研究。本文對(duì)SACOL站輻射資料進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，探討不同天氣現(xiàn)象下輻射資料的日分布情況。

1　資料介紹

本文采用蘭州大學(xué)半干旱與環(huán)境監(jiān)測(cè)站（SACOL站）的輻射觀測(cè)數(shù)據(jù)，獲得了2007年5-8月、2008年3-4月的SACOL站地面短波輻射數(shù)據(jù)，均為各輻射量的每分鐘平均值。考慮數(shù)據(jù)的代表性、比較性，并結(jié)合數(shù)據(jù)的缺失情況，最終選取CMP21測(cè)總輻射（不帶通風(fēng)罩）、CH1_Dir_Avg測(cè)太陽(yáng)直接輻射、CMP21測(cè)散射輻射（帶有通風(fēng)罩）作為資料分析和數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的對(duì)象。SACOL站工作人員定期會(huì)對(duì)儀器進(jìn)行清理維護(hù)，該數(shù)據(jù)具有較高質(zhì)量。

2　SACOL站的地表輻射資料分析

本文采用SACAL站2007年5-8月和2008年3-4月的地面短波輻射數(shù)據(jù)，結(jié)合蘭州市氣象條件，對(duì)其進(jìn)行日變化分析，得到不同云量、大氣氣溶膠和天氣現(xiàn)象條件下，SACAL站的地面短波輻射數(shù)據(jù)的結(jié)果，具體如下：

圖1給出了各輻射量隨時(shí)間的變化圖，圖1（a）為晴空條件下的變化，表明總輻射、直接輻射和散射輻射在晴空條件下，分布比較平滑，觀測(cè)值隨時(shí)間變化顯著。日出前和日落后兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)，總輻射、直接輻射和散射輻射的觀測(cè)值在零點(diǎn)左右，觀測(cè)值較小，主要因?yàn)樵摃r(shí)間段內(nèi)無(wú)太陽(yáng)照射。日出后，隨著太陽(yáng)高度角的增大，總輻射、直接輻射和散射輻射逐步增大，正午時(shí)分達(dá)到最大值。地面所接收到的散射輻射主要是云散射、空氣散射和大氣氣溶膠散射等，所以無(wú)云條件下比有云條件下的散射輻射要小。全陰天的情況下（圖1b），地面接收到的直接輻射可能接近零，影響直接輻射的因素很多，有大氣透明度、云量等。一般認(rèn)為，云量多，能吸收和散射較多的太陽(yáng)輻射，使直接輻射和總輻射減少。

圖1　各輻射量隨時(shí)間變化

圖2（a），（b），（c）分別為2008年3月11、29、30日SACAL站地面短波輻射觀測(cè)量的日分布圖。這三天分別在不同的時(shí)間出現(xiàn)了沙塵和大風(fēng)，即有沙塵天氣過(guò)境。從圖中可以看出出現(xiàn)沙塵大風(fēng)的時(shí)間前后，散射輻射比直接輻射大，有明顯的改變。雖然總輻射、直接輻射、散射輻射的分布沒(méi)有規(guī)律可言，但是沙塵暴過(guò)境之后，發(fā)現(xiàn)總輻射量有所增加，可能因?yàn)樯⑸漭椛浔容^強(qiáng)。胡列群［5］研究指出在沙漠干旱區(qū)造成散射輻射比較高的原因是沙塵不是云量，特別是春季沙塵頻發(fā)時(shí)，沙塵粒子的散射效應(yīng)有很好的體現(xiàn)。這說(shuō)明沙塵對(duì)地面短波輻射數(shù)據(jù)有顯著影響。

圖2（d）為2008年3月5日的SACAL站地面短波輻射觀測(cè)量的日分布圖。該天出現(xiàn)了霧和霾的天氣現(xiàn)象，這天直接輻射觀測(cè)值幾乎為0，散射輻射與總輻射有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這說(shuō)明不同的天氣現(xiàn)象對(duì)地面短波輻射有很大的影響。氣溶膠對(duì)太陽(yáng)輻射有著重要且復(fù)雜的影響，它既可以直接反射、散射或吸收太陽(yáng)輻射，又可以通過(guò)改變?cè)频奈⑽锢硇再|(zhì)而產(chǎn)生間接效應(yīng)，同時(shí)不同氣溶膠之間對(duì)太陽(yáng)輻射的影響也有很大的差異。但總體而言，氣溶膠的增加（減少）通常會(huì)使到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射減少（增加）［6］。

圖2　各輻射量隨時(shí)間變化

由于輻射儀器，儀器標(biāo)定方法、標(biāo)定時(shí)間間隔以及儀器維護(hù)等方面存在差異，輻射觀測(cè)值與真實(shí)值存在差異，并且，數(shù)據(jù)記錄和傳輸過(guò)程中也可能出現(xiàn)錯(cuò)誤，因而在使用這些數(shù)據(jù)前進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制是十分必要的。由于資料和能力有限，本文主要對(duì)2007年5-8月、2008年3-4月的SACOL站地面短波輻射數(shù)據(jù)進(jìn)行物理閾值檢驗(yàn)、氣候極值檢驗(yàn)、測(cè)值橫向比較，對(duì)數(shù)據(jù)做了初步的質(zhì)量控制。

物理閾值檢驗(yàn)?zāi)康氖菣z驗(yàn)可能存在的觀測(cè)誤差極值和隨機(jī)性誤差。本文中各輻射量的最大值和最小值范圍具體為［7］：直接輻射：-4Wm-2～S0；散射輻射：-4～S0× 0.95×μ1.2+50Wm-2；總輻射：-4～S0×1.5×μ1.2+100Wm-2。

本文對(duì)未通過(guò)物理閾值檢驗(yàn)的總輻射、直接輻射、散射輻射進(jìn)行出錯(cuò)率分析，結(jié)果如表1，2007年6月的輻射數(shù)據(jù)出錯(cuò)較小，2008年3月的輻射數(shù)據(jù)出錯(cuò)較大。各月未通過(guò)物理閾值檢驗(yàn)的總輻射、直接輻射、散射輻射的概率沒(méi)有很大的差異，而且總輻射出錯(cuò)率最大，散射輻射次之，直接輻射最小，三個(gè)輻射量的出錯(cuò)率有很好的一致性。

表1　未通過(guò)物理閾值檢驗(yàn)的輻射值概率

氣候極值檢驗(yàn)用于檢驗(yàn)觀測(cè)值是否在以前同期觀測(cè)值范圍內(nèi)，該步驟檢驗(yàn)的上下限范圍應(yīng)該依據(jù)各測(cè)站實(shí)際情況而定，可由歷年觀測(cè)數(shù)據(jù)獲得。由于資料有限，本文中檢驗(yàn)的上下限具體為［7］：直接輻射：-2～S0×0.77× μ1.2+10Wm-2；散射輻射：-2～S0×0.48×μ1.2+30Wm-2；總輻射：-2～S0×0.85×μ1.2+50Wm-2。

未通過(guò)氣候極值檢驗(yàn)的總輻射、直接輻射、散射輻射出錯(cuò)率分析結(jié)果如表2，各月未通過(guò)氣候極值檢驗(yàn)的總輻射、直接輻射、散射輻射的概率沒(méi)有很大的差異，其中散射輻射出錯(cuò)率最大，總輻射次之，直接輻射最小，三個(gè)輻射量的出錯(cuò)率有很好的一致性。

表2　未通過(guò)氣候極值檢驗(yàn)的輻射值概率

4　結(jié)語(yǔ)

本文利用蘭州大學(xué)半干旱氣候與環(huán)境觀測(cè)站的地面短波輻射資料，分析了幾種典型天氣現(xiàn)象下地面短波輻射的日分布，結(jié)果表明：

在晴空條件下，總輻射、直接輻射、散射輻射日分布平滑，隨著天頂角的增大而增大，在正午時(shí)達(dá)到最大值。在全天有云時(shí)，輻射值的日分布與晴空條件下有顯著性差異。有沙塵天氣過(guò)境時(shí)，出現(xiàn)沙塵風(fēng)速的時(shí)間前后，散射輻射比直接輻射大，有明顯的改變。在沙塵暴過(guò)境之后，總輻射量有所增加。在霧和霾的天氣現(xiàn)象下，直接輻射觀測(cè)值幾乎為0，散射輻射與總輻射有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。以上說(shuō)明不同的天氣現(xiàn)象背景下，輻射值的日分布有明顯性差異。未通過(guò)物理閾值檢驗(yàn)和氣候極值檢驗(yàn)的總輻射、直接輻射、散射輻射中，前者總輻射出錯(cuò)率最大，散射輻射次之，直接輻射最小，后者散射輻射出錯(cuò)率最大，總輻射次之，直接輻射最小。

［1］查良松.我國(guó)地面太陽(yáng)輻射量的時(shí)空變化研究［J］.地理科學(xué)，1996，16（3）：232-237.

［2］李曉文.中國(guó)近三十年太陽(yáng)輻射狀況研究［J］.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，1998，9（1）：24-31.

［3］楊溯，張武，史晉森等.半干旱地區(qū)黑碳?xì)馊苣z特征初步分析［J］.氣候與環(huán)境研究，15（6）：756-764．

［4］閉建榮.黃土高原半干旱區(qū)地表輻射特性［J］.蘭州大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，44（3）：34-38.

［5］胡列群.塔克拉瑪干沙漠及其周?chē)貐^(qū)直接太陽(yáng)輻射研究［J］.干旱區(qū)研究，1993.

［6］石廣玉.大氣輻射學(xué).北京：科學(xué)出版社，2007.

［7］C.N.Long，Y.Shi An Automated Quality Assessment and Control Algorithm for Surface Radiation Measurements.The Open Atmospheric Science Journal，2008，2，23-37

Shortwave Radiation；Quality Control

Research on the Quality Control of Ground Shortwave Radiation Data in SACAL Station

JI Yong-ping1，WANG Li-qiong1，MA Yuan-yuan2，LIU Xin3
（1.College of Meteorology and Oceanography，PLA Univ.of Sci.&Tech，211101；2.College of Atmosphere Science，Lanzhon University，730000；3.Unit No.95746 of PLA，611531）

1007-1423（2016）24-0028-04DOI：10.3969/j.issn.1007-1423.2016.24.006

季永平（1990-），男，陜西咸陽(yáng)人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)闅夂驍?shù)值模擬

王麗瓊（1975-），男，云南人，博士研究生，講師，研究方向?yàn)闅夂驍?shù)值模擬

馬媛媛（1991-），女，江西九江人，在讀博士研究生，研究方向?yàn)閿?shù)值模擬

劉鑫（1990-），男，四川西昌人，本科，助理工程師，研究方向?yàn)樘鞖忸A(yù)報(bào)與短期氣候預(yù)測(cè)

2016-05-24

2016-08-16

利用蘭州大學(xué)半干旱氣候與環(huán)境觀測(cè)站的地面短波輻射資料，分析幾種典型天氣現(xiàn)象下地面短波輻射的日分布，結(jié)果表明：不同天氣現(xiàn)象下，地面短波輻射日分布有很大的差異；無(wú)云時(shí)總輻射，直接輻射，散射輻射正午達(dá)到最大；有云比無(wú)云條件下的散射輻射要大，在沙塵暴過(guò)境之后，總輻射量有所增加。未通過(guò)物理閾值檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)中總輻射出錯(cuò)率最大，散射輻射次之，直接輻射最小，而未通過(guò)氣候極值檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)中散射輻射出錯(cuò)率最大，總輻射次之，直接輻射最小。

短波輻射；質(zhì)量控制

Using ground shortwave radiation data in SACAL station in lanzhou university，and analyzed several typical weather phenomenon and distribution of the shortwave radiation，the results indicated that the ground shortwave radiation distribution has a great difference in different weather phenomenon，that total radiation，direct radiation and scatter radiation reached the maximum at noon in less cloud and scattered radiation in cloud is more than in less cloud.The total radiation increased after sandstorm.In the physical examination data which did not pass the threshold，the total radiation error rate is maximum，followed by scatter radiation and direct radiation minimum，but in the data which did not pass the climate extremes test，the maximum error rate is scatter radiation，followed by the total radiation and direct radiation minimum.