成都東北部地區太陽輻射特征分析

劉雨軒，趙 歡，安 峽，趙清揚，巫俊威，彭 濱

(1.成都市氣象局，四川 成都 610000；2.四川省氣象服務中心，成都 四川 610072)

0 引言

太陽輻射是氣候系統中各種物理過程和生命活動的能量之源[1-2]。除地球自轉和公轉因素，云、大氣成分、地面等介質也會影響太陽輻射，使其發生散射、反射、吸收，在地表輻射平衡和熱量平衡的作用下，對氣候的形成和變化產生重要影響[3-9]。多年來國內相關專家對太陽輻射進行多方位的研究和探討，劉夢琪等[10]分析了夏季西藏4個站點大氣向下長波輻射；張樂樂等[11]分析了青海湖流域瓦顏山濕地輻射平衡和地表反照率變化特征；陳世強等[12]對比了甘肅金塔綠洲不同下墊面輻射特征，但這些研究區域主要集中在青藏高原、黃土高原地區，對四川盆地、成都平原地區的研究較少。本文利用2018年1—12月成都東北部地區的太陽輻射觀測資料，對輻射能量的收支狀況和特征進行分析，認識該地區的能量分配規律以及與天氣之間的聯系。

1 數據來源和處理方法

本文所使用的氣象觀測數據均來自金堂國家一般氣象站，太陽輻射觀測數據來自2017年建設于該氣象站旁的ASP30-S太陽總輻射儀。金堂國家一般氣象站地理位置位于104°25′E，30°48′N，海拔490 m，周圍地形開闊、地勢略高于周邊[13]。

本文選取2018年1月1日—12月31日逐小時觀測資料進行分析。四季劃分規則為：春季3—5月，夏季6—8月，秋季9—11月，冬季12—次年2月。

太陽輻射數據質控處理的規則為：一天中有5 h或5 h以上缺測視為該日數據異常進行剔除。質控后，本次研究分析一共獲得341 d有效數據，包括太陽短波輻射UR、短波反射輻射DR、地面長波輻射DLR、大氣長波輻射ULR。地表反照率α、近地面長波有效輻射ELR、凈全輻射Rn可由以上4個輻射分量計算得到。

地表反照率α的計算公式為：

α=DR/UR

(1)

凈長波輻射ELR的輻照度計算公式為：

ELR=DLR-ULR

(2)

凈全輻射Rn的輻照度計算公式為：

Rn=UR+ULR-DR-DLR

(3)

2 結果與分析

2.1 太陽短波輻射

太陽短波輻射是指到達地表的太陽總輻射。從圖1a中可見太陽短波輻射有顯著月變化特征。受太陽高度角的影響夏季最強，冬季最弱。春、夏、秋、冬季日均太陽短波輻射曝輻量分別為8.37 MJ/m2、9.85 MJ/m2、5.39 MJ/m2、4.38 MJ/m2。全年日均曝輻量為7.02 MJ/m2， 8月總曝輻量最大，達328.82 MJ/m2，12月總曝輻量最小，為87.27 MJ/m2。

圖1 2018年1月1日—2018年12月31日氣象要素月變化特征(a:各輻射分量；b:氣溫、相對濕度；c:土壤溫度；d:降水量)Fig.1 The Characteristics of Monthly Changes in Meteorological Elements from January 1, 2018 to December 31, 2018 (a: Radiation Components; b: Temperature and Relative Humidity; c: Soil Temperature; d: Precipitation)

太陽短波輻射主要受太陽高度角和大氣透明度的影響，太陽高度角越大大氣透明度越高輻射越強[14]。將全年逐日最大太陽高度角與太陽短波輻射曝輻量進行相關性分析，相關系數r為0.56，通過95%顯著性檢驗。與4月、5月相比6月、7月太陽短波輻射較小，這可能與6月、7月的多降雨天氣有關。從觀測資料獲知，6月、7月有降水的天數分別為16 d、22 d，累計降水分別達174.4 mm、648.9 mm，日均空氣相對濕度分別為81.48%、91.38%，受降雨天氣影響太陽短波輻射略減弱。

每日清晨太陽短波輻射隨日出陡然增加，在中午達到當天最大值，之后又迅速降低，在傍晚隨日落降至0。相比其他月份7月、8月波峰(圖2b)略顯不平滑，這是由于夏季午后氣溫較高容易形成對流云帶來降雨。從觀測資料獲知，7月、8月10—14時有降水的天數分別為14 d、8 d，累計降水分別為97.7 mm、103.5 mm，遠高于其他月份。

全年有44 d共計71 h太陽短波輻射瞬時值超過太陽常數最大值即1 374 W/m2的情況[13]，出現在4—9月,其中5—8月分別占9 d、10 d、8 d、11 d，出現的時間主要集中在13—15時分別占16 h、30 h、16 h。觀測資料顯示，這71 h氣溫在23～34 ℃，平均氣溫29 ℃，濕度在18%～86%，平均相對濕度58%，降水為0。已有研究結論表明，太陽短波輻射與天空云系分配有關。當天空有一定的中高云存在，且云未遮蔽太陽時，輻射儀不僅接受太陽的直接照射，也接受較高的云的散射照射，導致太陽短波輻射出現超過太陽常數的值[15-16]。全年瞬時值最大出現在5月22日13—14時，為1 616.69 W/m2，比太陽常數大249.69 W/m2。從觀測資料獲知，5月22日01—07時出現大風，以北風為主。07—12時風向以南風為主，風力從1.8 m/s逐漸增大至6.3 m/s，相對濕度從43%升至56%，期間最高達72%。22日大風過后大氣透明度較高，風向由北轉南，可能帶來暖濕氣流，使天空中形成一定高云，增強太陽短波輻射，出現瞬時值超過太陽常數的情況。

太陽短波輻射的能量大部分被地面吸收，使地面溫度升高。太陽短波輻射的波峰出現在12—13時，地面溫度波峰出現在13—14時，比太陽短波輻射略晚1 h。將全年逐日太陽短波輻射與0 cm土壤溫度、10 cm土壤溫度進行相關性分析，相關系數分別為0.70、0.59，均通過95%顯著性檢驗。可見太陽短波輻射是影響地面溫度的主要因子。圖2中，各月逐小時地表土壤溫度與太陽短波輻射較統一的變化規律也體現了這種相關性。

6月的太陽短波輻射(圖2b)日變化曲線峰值略大于3月(圖2a)，但3月0 cm土壤溫度日較差(23.14 ℃)遠大于6月(14.09 ℃)，最高溫度僅比6月小0.45 ℃。這主要是受土壤濕度影響，土壤含水量越大體積熱容量越高[17]，吸收相同能量時，體積熱容量越高升溫越慢，從觀測資料獲知，3月、6月10 cm土壤濕度分別為16.22%、49.27%，這導致3月地面升溫速度較快。

2.2 短波反射輻射

太陽短波輻射大部分被地面吸收，小部分被地面反射回大氣，返回的這部分叫短波反射輻射DR[14]。從圖1a中可見，短波反射輻射的月變化趨勢與太陽短波輻射幾乎一致，夏季最強，冬季最弱，但振幅和強度都比太陽短波輻射小很多。春、夏、秋、冬季日均短波反射輻射曝輻量分別為0.82 MJ/m2、 1.01 MJ/m2、0.56 MJ/m2、0.45 MJ/m2。全年日均曝輻量為0.71 MJ/m2，月最大曝輻量在8月為35.53 MJ/m2，月最小曝輻量在12月為7.78 MJ/m2。

短波反射輻射日變化趨勢跟隨太陽短波輻射，甚至在7月、8月午時出現與太陽短波輻射同時段相對應的不平滑狀態(圖2b)。每日清晨隨太陽短波輻射從0開始升高，中午達到峰值，傍晚后隨太陽短波輻射回歸0，每天以此反復。

短波反射輻射與太陽短波輻射之比叫地表反照率，表征地面對太陽短波輻射的反射能力，地表反射率主要受地表的性質和狀態影響[12]。將全年逐日太陽短波輻射與短波反射輻射進行相關性分析，相關系數達0.99，擬合方程為y=0.107 05x-0.947 2，通過95%顯著性檢驗，即年均地表反照率為10.71%，比全球平均值13% 略低[16]。圖3為各季節地表反照率日變化情況，早上隨太陽高度角的增大，地表反照率迅速下降，10時以后變化相對平緩。全年日平均地面反射率在9.16%～13.89%之間。大部分學者在研究地表反照率時會著先將數據按云天狀況進行分組[11、14、19 ]。這是由于云會增強空氣分子在云層和地面之間的散射，然而散射輻射是來自各個方向，干擾地表反照率的大小[14、20、21]。金堂已于2013年取消云天觀測，無云量數據作為參考，在此未對地表反照率做深入分析。

2.3 地面長波輻射

太陽短波輻射帶來的大部分能量被地表獲取，再通過長波輻射返回大氣，返回的長波輻射就叫地面長波輻射DLR[14]。地面長波輻射的月變化波形(圖1a)相比前兩種短波輻射較為平緩光滑，夏季最高，冬季最低。春、夏、秋、冬季日均地面長波輻射曝輻量分別為15.58 MJ/m2、18.46 MJ/m2、17.00 MJ/m2、15.41 MJ/m2，全年日均曝輻量為16.62 MJ/m2。由此可見，長波輻射在輻射平衡中的貢獻大于短波輻射。根據斯蒂芬玻爾茲曼定律，地面溫度越高，地面長波輻射就越強。將全年逐日0 cm、10 cm土壤溫度與地面長波輻射進行相關分析，相關系數分別達0.99、0.99，通過95%顯著性檢驗。

圖2 2018年1月1日—12月31日各輻射分量、氣象要素逐月日變化情況(a:春季；b:夏季；c:秋季；d:冬季)Fig.2 The Changes in solar radiation and meteorological elements from January 1, 2018 to December 31, 2018 (a: Spring; b: Summer; c: Autumn; d: Winter)

圖3 2018年1月1日—2018年12月31日各季節地表反射率日變化情況Fig.3 Diurnal Variation of Surface Reflectance in all Seasons from January 1, 2018 to December 31, 2018

從圖2中可知，地面長波輻射的日變化趨勢與地表溫度變化一致，相比太陽短波輻射，地面長波輻射振幅很小。白天太陽短波輻射逐漸增大，地表溫度和地面長波輻射隨之升高，在中午達到極大值，之后再隨太陽短波輻射逐漸降低；夜間太陽短波輻射為0，地面溫度隨地面長波輻射能量釋放逐步下降，地表溫度、地面長波輻射的最小值均在每日清晨，但并不為0。地面溫度升高使地面長波輻射增強，地面長波輻射越強從地面帶走的能量越多，地面溫度下降得越快。

地面長波輻射返回大氣時，部分被大氣吸收，使氣溫升高。氣溫隨太陽短波輻射、地面長波輻射產生月變化(圖1)和日變化(圖2)。全年最高氣溫在8月，比全年太陽最大高度角出現的日期晚2個月左右。日最高氣溫在14時，滯后于每日太陽最大高度角出現的時間2 h左右。逐日地面長波輻射與氣溫的相關系數為0.99，通過95%顯著性檢驗。

2.4 大氣長波輻射

大氣向地面進行的長波輻射叫大氣長波輻射[14]。大氣長波輻射主要受空氣溫度和相對濕度影響。從圖1中可見，大氣長波輻射與地面長波輻射月變化趨勢相似，全年日均曝輻量為15.01 MJ/m2，春、夏、秋、冬季日均地面長波輻射曝輻量分別為13.75 MJ/m2、17.08 MJ/m2、15.58 MJ/m2、13.59 MJ/m2。大氣長波輻射與氣溫、相對濕度、地面長波輻射相關系數分別為0.89、0.43、0.87。

大氣長波輻射日變化趨勢與地面長波輻射相似(圖2)，但振幅很小，波形一直處于地面長波輻射下方。將各月氣象要素日變化振幅進行比較分析，10—12月太陽短波輻射振幅大幅減小，地溫、氣溫、地面長波輻射振幅均呈減小趨勢，大氣長波輻射振幅接近0，難以分辨晝夜變化。分析10—12月逐小時大氣長波輻射后得出：10—12月共有24 d大氣長波輻射在07—13時呈下降趨勢，其中有8 d下降超過20 W/m2。這是由于夜間空氣中的水汽含量較高時，大氣長波輻射不會因太陽短波輻射的歸零而下降得過快，日出后太陽短波輻射增長的速度遠不如春夏季節，大氣長波輻射因太陽短波輻射增加的量不足以彌補因水汽含量降低減少的量，而出現大氣長波輻射晝夜變化不明顯，個別日期夜間輻照度大于白天的情況。觀測資料中的這24 d的相對濕度數據也證明了這一推斷，夜間空氣中的水汽含量基本達飽和狀態，白天逐漸降至40%～60%。

2.5 凈長波輻射

凈長波輻射是地面長波輻射和大氣長波輻射的差值，表征地面凈損失的長波輻射[14]。凈長波輻射月變化走勢與其余輻射明顯不同，有3個波峰，分別在3月(全年最大峰值)、8月、11月。春、夏、秋、冬季日均凈長波輻射分別為2.16 MJ/m2、1.48 MJ/m2、1.47 MJ/m2、1.84 MJ/m2，春季最強，秋季最弱，全年日均值為1.73 MJ/m2。全年逐日凈長波輻射與空氣相對濕度、氣溫、0 cm土壤溫度、10 cm土壤濕度相關系數分別為-0.76、0.00、0.08、-0.33。在數據分析實驗中發現，凈長波輻射與氣溫日較差相關系數高達0.86。這是由于氣溫日較差和凈長波輻射分別為兩個氣象要素差值，而地面長波輻射與日最高氣溫的相關系數(r=0.99)、大氣長波輻射與最低氣溫相關系數(r=0.95)均較高，使得凈長波輻射和氣溫日較差呈現很高的相關性。

從圖2中可見，凈長波輻射也隨晝夜變化，日最大出現在13時左右，最小值出現在03時左右。1—5月空氣中的水汽含量相對較低，導致白天地面長波輻射升高較快，大氣長波輻射升高較慢，夜間地面長波輻射下降較快，大氣長波輻射下降較慢，因此，1—5月凈長波輻射振幅較大，夜間地面溫度低于大氣溫度。

凈長波輻射與太陽輻射的比值L的年均值為0.293 6，這表明該地區全年接收的太陽短波輻射有29.36%被地表以長波輻射的方式釋放到大氣，比全球平均值26%[16]稍高。春、夏、秋、冬季節分別為24.48%、14.56%、30.21%、46.53%。

2.6 凈全輻射

凈全輻射即地面收到的太陽短波輻射和大氣長波輻射與從地面返回的短波反射輻射和地面長波輻射的差額，表征地表收到的輻射盈余[14]。雖然凈全輻射受以上4個分量影響，但從圖3中獲知，凈全輻射與太陽短波輻射月變化、日變化趨勢跟隨性很強，相關系數為0.98。春、夏、秋、冬四季日均曝輻量分別為6.74 MJ/m2、7.98 MJ/m2、3.53 MJ/m2、2.13 MJ/m2。全年日均曝輻量5.02 MJ/m2，小時凈全輻射在-89.59～128 9.1 W/m2之間，日最大值在6月10日為325.150 4 W/m2，日最小值在1月3日為-3.829 6 W/m2。凈全輻射與0 cm土壤溫度、氣溫、氣溫日較差相關系數分別為0.78、0.71、0.72，通過95%顯著性檢驗。

凈全輻射白天為正值，晚上為負值，表示白天地面凈得到熱量，夜間地面凈損失熱量。夏季凈得熱時間長達12 h左右，冬季凈得熱時間僅有8 h左右。由于夜間無短波輻射,夜間的凈全輻射值(絕對值)即為凈長波輻射值。一天中，凈全輻射兩次經過零點，經過的時間在近地層熱量收支中是一個重要的物理量，它與近地面出現霜凍等物理現象密切相關，在氣候和農業氣象等方面具有指示意義[14]。

凈全輻射與太陽短波輻射的比值η體現了太陽短波輻射對地氣系統能量收支的貢獻。該地區年均值為61.18%，與全球均值61%[16]相當。春夏秋冬季節分別為65.85%、75.52%、60.21%、48.36%。

表1 2018年1月1日—12月31日各輻射分量與氣象要素相關系數(Pearson's r)Tab.1 The Correlation Coefficient between Solar Radiation and Meteorological Elements from January 1, 2018 to December 31, 2018(Pearson's r)

注：L為凈長波輻射與太陽短波輻射之比；η為凈全輻射與太陽短波輻射之比。

3 結論與討論

①太陽短波輻射受太陽高度角影響，夏季最強，冬季最弱，也受大氣透明度影響，云雨較多水汽較高時會明顯削弱輻射強度。日最大高度角較大、空氣透明度較高時，高云能對太陽輻射進行再分配，使其增強，導致全年有44 d的太陽短波輻射瞬時值超過太陽常數。太陽短波輻射使土壤溫度升高，土壤含水量越大，體積熱容量越高，地面升溫越慢，所以3月地面升溫速度比6月快。雖然短波反射輻射振幅小，但月變化、日變化趨勢與太陽短波輻射幾乎一致。成都東北部地區全年有10.7%太陽短波輻射被地表反射，與全球平均值13%相比略低。

②與太陽短波輻射相比，地面長波輻射和大氣長波輻射月變化、日變化振幅很小。夜間長波輻射并不為零，依然保持較高的強度，導致地面長波輻射和大氣長波輻射的日均曝輻量均高于太陽短波輻射。10—12月大氣長波輻射振幅幾乎為零，這是由于夜間空氣中的水汽含量較高時，大氣長波輻射不會因太陽短波輻射的歸零而下降得過快，日出后太陽短波輻射增長的速度遠不如春夏季節，大氣長波輻射因太陽短波輻射增加的量不足以彌補因水汽含量降低減少的量，而出現輻射強度晝夜變化小，個別日期夜間輻照度大于白天的情況。

③凈長波輻射春季最強，秋季最弱。全年逐日凈長波輻射與空氣相對濕度成負相關(r=-0.76)，與氣溫日較差成正相關(r=0.86)。1—5月空氣中的水汽含量相對較低，導致白天地面長波輻射升高較快，大氣長波輻射升高較慢，夜間地面長波輻射下降較快，大氣長波輻射下降較慢，因此，1—5月凈長波輻射振幅較大，夜間地面溫度低于大氣溫度。成都東北部地區全年接收的太陽短波輻射有29.36%被地表以長波輻射的方式釋放到大氣，與全球平均值26%[16]相比稍高。

④凈全輻射與太陽短波輻射月變化、日變化趨勢跟隨性很強，相關系數為0.98。凈全輻射白天為正值，晚上為負值，全年小時值在-89.59～1 289.1 W/m2之間。凈全輻射與溫度、氣溫、氣溫日較差相關性較高，分別為0.78、0.71、0.72。凈全輻射每日兩次通過零點的時間可得，夏季地面凈得熱時間長達12 h左右，冬季僅有8 h左右。凈全輻射與太陽短波輻射的比值η體現了太陽短波輻射對地氣系統能量收支的貢獻。成都東北部地區η年均值為61.18%，與全球均值61%[16]相當。