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短波辐射

短波辐射(shortwave radiation)是波长短于3μm的电磁辐射。短波辐射作为太阳辐射的一个重要分支,在地表能量平衡中起着重要作用。探讨太阳辐射变量的变化情况是研究地面水热状况、各种自然地理过程、太阳能利用的必要条件。同时,进行太阳辐射测量,对于研究太阳辐射对地球生物的影响和合理有效利用太阳能具有十分重要的意义。研究到达地面的太阳辐射的中长期变化,不仅具有直接的气候意义,如地面(辐射)能量平衡等研究,而且有助于了解某一区域大气组成的变化,并进而探讨造成这种变化的自然或人为原因;研究晴空太阳短波辐射的变化,反演该区域的大气气溶胶的变化,了解颗粒物污染等大气环境的状况,则能对地面上可利用的太阳能资源进行有效的评估。

电磁波是由不同波长的波组成的合成波。它的波长范围从10E-10微米(1微米=10E-4厘米)的宇宙线到波长达几公里的无线电波。Υ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线,超短波和长波无线电波都属于电磁波的范围。肉眼看得见的是电磁波中很短的一段,从0.4-0.76微米这部分称为可见光。可见光经三棱镜分光后,成为一条由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色组成的光带,这光带称为光谱。其中红光波长最长,紫光波长最短,其它各色光的波长则依次介于其间。波长长于红光的(>0.76微米)有红外线有无线电波;波长短于紫色光的(<0.4微米)有紫外线,Υ射线、X射线等。这些辐射虽然肉眼看不见,但可用仪器测出。

太阳辐射波长主要为0.15-4微米,其中最大辐射波长平均为0.5微米;地面和大气辐射波长主要为3-120微米,其中最大辐射波长平均为10微米。习惯上称前者为短波辐射,后者为长波辐射。

太阳辐射能在可见光线(0.4~0.76μm)、红外线(>0.76μm)和紫外线(<0.4μm)分别占50%、43%和7%,即集中于短波波段,故将太阳辐射称为短波辐射。

太阳辐射是地表生物、物理和化学过程(融雪、光合作用、蒸散和作物生长)的最主要的能量来源,也是地球大气中各种现象和一切物理过程的基本动力。地表短波辐射作为太阳辐射的一个重要分支,在地表能量平衡中起着重要作用。探讨太阳辐射变量的变化情况是研究地面水热状况、各种自然地理过程、太阳能利用的必要条件。同时,进行太阳辐射测量,对于研究太阳辐射对地球生物的影响和合理有效利用太阳能具有十分重要的意义。研究到达地面的太阳辐射的中长期变化,不仅具有直接的气候意义,如地面(辐射)能量平衡等研究,而且有助于了解某一区域大气组成的变化,并进而探讨造成这种变化的自然或人为原因;研究晴空太阳短波辐射的变化,反演该区域的大气气溶胶的变化,了解颗粒物污染等大气环境的状况,则能对地面上可利用的太阳能资源进行有效的评估。

国内外科学工作者对太阳短波辐射进行了大量的研究。自1980 年开始,新西兰、英国、日本、美国相继监测总辐射紫外UV-B 辐射的变化以及两者之间的关系。在太阳辐射的变化方面,在1990 年前后有一个由全球太阳辐射变化导致的从暗变亮的转折。分析1990—1995 年商船观测的西太平洋的海表太阳总辐射得到结论:海表太阳总辐射在15°N 以北和15°S 以南的海区都有明显的季节变化。正午时刻的太阳总辐射最大值从3 月的10°~15°N 海区逐渐移到6 月的25°N 海区。在北半球观测区,日平均太阳总辐射最大值的范围为270~280 W·m,在南半球观测区,最大值大约为290 W·m。

国内学者利用PICC AR4 全球气候模式输出结果,重点分析模式对东亚地区地表短波辐射的气候平均、季节变化及年际变化特征。并且利用ERBE 和ISCCP 卫星辐射及总云量资料,研究了青藏高原地表短波吸收辐射和总辐射的气候反演方法,并揭示了二者的基本特征;利用绿洲、戈壁和沙漠的辐射资料分析了不同下垫面的太阳辐射特征;利用彩南、古尔班通古特沙漠中的沙漠一站、乌鲁木齐实测辐射资料分析了典型天气的辐射特征,指出总辐射和反射辐射日总量晴天最大,阴天次之,雨天最小,沙漠反照率高于绿洲。国内学者陈霞等  分析了塔中沙尘气溶胶对短波辐射的影响。李红军等  利用肖塘野外加密观测资料分析了沙尘暴期间太阳辐射的变化。何清等[9]利用塔克拉玛干沙漠大气环境观测站(塔中站)直接探测的总辐射资料,对流动沙漠区近地层总辐射的变化特征及影响因子进行了分析。

在太阳短波辐射的时空变化方面,有关研究表明,从国际地球物理年(1957 年)建立地面太阳辐射观测网,到20 世纪80 年代末,全球范围内观测到的到达地面的太阳辐射普遍呈现出下降的趋势  。

近50 年,中国大部分地区的太阳总辐射和直接辐射均呈减少趋势,大气中悬浮粒子浓度的增加可能是造成这种减少趋势的主要原因之一。20 世纪90年代与40 年代相比,西北地区和东北地区辐射减少幅度小于西南、华南、华北和华东,其中华东减少幅度最大,平均约为6%。许潇锋  对我国50 多个台站的近40 a 的太阳辐射观测资料进行了统计分析,结果表明,1961-1990 年全国平均总辐射、直接辐射年总量呈显著下降趋势,年下降值分别为24.81 MJ·m、21.67 MJ·m;散射辐射总体变化趋势不明显。总辐射和直接辐射在东部下降较西部明显,东北和西南地区下降不明显;而散射辐射在东部站点呈增加趋势的多,西部站点呈下降趋势的偏多。1990 年以来,总辐射年总量又有增加的趋势,全国平均增加105.6 MJ·m。

到达地球表面的太阳辐射,除了受太阳常数以及平均日地距离等天文因子影响外,还受到地球大气的强烈影响,其中包括:太阳高度角、大气透明度、云、地形、大气气溶胶、海冰、纬度、水汽等。

受地形因素影响的太阳辐射研究始于20 世纪50 年代。对于任意地形条件下太阳辐射,其计算坡地临界时角公式和日照时段判断方法简化了山区太阳辐射计算,使得数值积分可以改用解析公式计算。李怀瑾等  则提出了一种图解方法确定坡面上辐射总量的方法。关于坡地太阳辐射的理论研究和区域性实验,为坡地太阳辐射计算奠定了理论基础。李占清等  采用从地形图中直接读取100 m×100 m 分辨率网格点高程的方法,描绘了3 km×3.5 km 范围内山区太阳总辐射的分布,尝试解决地形对辐射的遮蔽影响问题;通过两个有多年太阳总辐射数据的站点实测数据检验,模拟结果良好:各月太阳总辐射平均误差率均小于10%,平均为3.69%;同时,也提供了一个可以借鉴到其它山地丘陵区的太阳总辐射空间化模式;运用坡地坡向短波辐射效应(SLOPE)的非静力中尺度模式GRAPES(全球/区域同化和预报系统),模拟和讨论坡地坡向的短波辐射效应。

在地气系统热量平衡的概念模型中,传统上一般认为云只吸收3%~4%的太阳短波辐射,这一结论一直用于气候模式的模拟中。然而近两年来,以Cess、Ramanathan 及Pileskie 等  为代表,认为云对太阳辐射的吸收远远超过3%~4%,可能达到百分之十几甚至二十。来自于GFDL 实验室的Eta Geophysical FluidDvnamies Laboratory(GFDL)短波辐射方案考虑了大气水汽、臭氧和二氧化碳效应,云层是随机覆盖的。

短波辐射的计算是由白天平均余弦太阳高度角计算得出。来自于MM5 的短波辐射方案,对太阳辐射通量进行向下积分,考虑晴空散射,水汽吸收及云的反照率和吸收作用,采用stephens 的云表。基于Chouand Suarez 而提出的Goddard 方案,一个包含有大气、气溶胶、云的复杂的短波辐射效应谱方案,该方案包括由云、气溶胶、臭氧、二氧化碳、水汽、氧气的吸收,还包括云、气溶胶以及各种气体散射产生的辐射通量。

目前对短波辐射的估算采用较多的是经验公式和定量及数值模拟研究,近年来晴空条件下的宽带短波辐射模拟也受到了相当的重视。

估算地表辐射已经有许多模拟方法,这些方法大致可以分为基于云、基于日照和基于温度的模拟。一个精确标校过的基于日照的模拟方法比基于云或者基于温度的方法能提供更准确的太阳辐射估算。也可以部署一个阻尼谱,计算出晴空中的地表太阳辐射。他们的模型考虑物理过程的细节,因此纬度、海拔和其他因素的影响都自动纳入。ANN 估算海拔在1 000~1 700 m 之间山区平均每日的向下短波辐射。

我国学者也对短波辐射进行了许多估算研究。K.Yang 等  研发了一种用日照时数来估算太阳辐射的Artificial neural networks(ANNs)模型,这个模型能清楚地解释辐射在大气中消失的过程。W.Tang等  利用中国气象局维护的97 个辐射站资料,针对已经质量控制过的太阳辐射测量值,评估了混合模型。

从80 年代开始,辐射传输模式研究进展迅速,著名的LOWTRAN 6 和7 就是这个时期发展起来的,由Chandrasekhar 提出的离散坐标方法经过Liou的发展,又经过Stamrles 等的发展,已经趋于成熟。现在Stamnes 等发展的DISORT 程序广泛流传。汪方等  对利用IPCC AR4 全球气候模式输出结果的研究,揭示模拟中存在的主要问题,为进一步改进气候模式在东亚地区的模拟提供科学支持。

总体而言,地表太阳辐射模拟可以分为3 种方法:

①复杂的辐射传输模型,将垂直大气视为非匀质的多层组成,并分别计算每层大气对太阳辐射的散射和吸收效应, 这类模型以LOWTRANMODTRAN为代表,由于实际大气参数数据难以获得以及需要较多的机时,因而该方法在实际应用中受到限制;

②经验模型,利用日照时数、气温、降水、相对湿度以及总云量等气象数据与太阳辐射实测值之间建立回归关系式,由于经验模型取决于当地的气候和地形状况,因而难以推广应用到大的区域和全球尺度;

③参数模型由于基于光谱传输的物理原理并对大气透过率函数及其关键影响因子进行了参数化,且独立于特定的气候条件,因而能获得较高的模拟精度,易于推广应用,实现区域或大范围太阳辐射制图。目前,利用常规气象资料与卫星遥感数据模拟成为获取地表太阳辐射的有效方法。

目前,我国台站相继开展了对太阳短波辐射的研究,进展很快,并取得了一定的成效。但由于不同研究者在观测和计算中使用的监测方法、仪器和研究尺度不同,致使结果相差较大。在以后的研究中应完善监测方法,提高观测仪器和预测技术的准确性,加强使用于各类天气条件和影响短波辐射所有因子的模式研究,尤其是适用于沙尘天气的模式研究,以弥补观测上的缺陷。加强各影响因子机制的研究,特别是加强湿度、气温、地面净红外辐射、反射辐射、净辐射、相对湿度、地温等因子对其影响的研究。注重整合近年各气象台的太阳短波辐射观测资料,加强空间化研究和数值模拟的研究  。

太阳辐射是太阳能中最能够为人类直接利用的形式,在当今世界能源被过度开采造成能源紧张,以及由于温室气体的过量排放加剧了气候变暖的形势下,太阳能作为一种清洁能源越来越受到广泛重视。我国有些地区太阳能资源非常丰富,由于观测资料的限制,对太阳能资源的区域分布和季节变化的认识还不够,因此进一步分析这些地区的地表辐射特征,有利于提高对太阳能资源的认识。在向实际应用转化和推广过程中,对于将计算的太阳辐射量转换为太阳能资源实际应用量值的方法、资源评估及应用服务等值得深入研究,以满足太阳能资源大规模开发利用的需求。



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