短波輻射

電磁波(5張)

電磁波是由不同波長的波組成的合成波。它的波長範圍從10E-10微米(1微米=10E-4釐米)的宇宙線到波長達幾公里的無線電波。Υ射線、X射線、紫外線、可見光、紅外線，超短波和長波無線電波都屬於電磁波的範圍。肉眼看得見的是電磁波中很短的一段，從0.4-0.76微米這部分稱為可見光。可見光經三稜鏡分光後，成為一條由紅、橙、黃、綠、青、藍、紫七種顏色組成的光帶，這光帶稱為光譜。其中紅光波長最長，紫光波長最短，其它各色光的波長則依次介於其間。波長長於紅光的(>0.76微米)有紅外線有無線電波；波長短於紫色光的(<0.4微米)有紫外線，Υ射線、X射線等。這些輻射雖然肉眼看不見，但可用儀器測出。

太陽輻射波長主要為0.15-4微米，其中最大輻射波長平均為0.5微米；地面和大氣輻射波長主要為3-120微米，其中最大輻射波長平均為10微米。習慣上稱前者為短波輻射，後者為長波輻射。

太陽輻射能在可見光線（0.4～0.76μm）、紅外線（>0.76μm）和紫外線（<0.4μm）分別佔50%、43%和7%，即集中於短波波段，故將太陽輻射稱為短波輻射。

太陽輻射是地表生物、物理和化學過程（融雪、光合作用、蒸散和作物生長）的最主要的能量來源，也是地球大氣中各種現象和一切物理過程的基本動力。地表短波輻射作為太陽輻射的一個重要分支，在地表能量平衡中起着重要作用。探討太陽輻射變量的變化情況是研究地面水熱狀況、各種自然地理過程、太陽能利用的必要條件。同時，進行太陽輻射測量，對於研究太陽輻射對地球生物的影響和合理有效利用太陽能具有十分重要的意義。研究到達地面的太陽輻射的中長期變化，不僅具有直接的氣候意義，如地面（輻射）能量平衡等研究，而且有助於瞭解某一區域大氣組成的變化，並進而探討造成這種變化的自然或人為原因；研究晴空太陽短波輻射的變化，反演該區域的大氣氣溶膠的變化，瞭解顆粒物污染等大氣環境的狀況，則能對地面上可利用的太陽能資源進行有效的評估。

國內外科學工作者對太陽短波輻射進行了大量的研究。自1980 年開始，新西蘭、英國、日本、美國相繼監測總輻射紫外UV-B 輻射的變化以及兩者之間的關係。在太陽輻射的變化方面，在1990 年前後有一個由全球太陽輻射變化導致的從暗變亮的轉折。分析1990—1995 年商船觀測的西太平洋的海表太陽總輻射得到結論：海表太陽總輻射在15°N 以北和15°S 以南的海區都有明顯的季節變化。正午時刻的太陽總輻射最大值從3 月的10°～15°N 海區逐漸移到6 月的25°N 海區。在北半球觀測區，日平均太陽總輻射最大值的範圍為270～280 W·m^-2，在南半球觀測區，最大值大約為290 W·m^-2。

國內學者利用PICC AR4 全球氣候模式輸出結果，重點分析模式對東亞地區地表短波輻射的氣候平均、季節變化及年際變化特徵。並且利用ERBE 和ISCCP 衞星輻射及總雲量資料，研究了青藏高原地表短波吸收輻射和總輻射的氣候反演方法，並揭示了二者的基本特徵；利用綠洲、戈壁和沙漠的輻射資料分析了不同下墊面的太陽輻射特徵；利用彩南、古爾班通古特沙漠中的沙漠一站、烏魯木齊實測輻射資料分析了典型天氣的輻射特徵，指出總輻射和反射輻射日總量晴天最大，陰天次之，雨天最小，沙漠反照率高於綠洲。國內學者陳霞等 ^[1]  分析了塔中沙塵氣溶膠對短波輻射的影響。李紅軍等 ^[2]  利用肖塘野外加密觀測資料分析了沙塵暴期間太陽輻射的變化。何清等[9]利用塔克拉瑪干沙漠大氣環境觀測站（塔中站）直接探測的總輻射資料，對流動沙漠區近地層總輻射的變化特徵及影響因子進行了分析。

在太陽短波輻射的時空變化方面，有關研究表明，從國際地球物理年（1957 年）建立地面太陽輻射觀測網，到20 世紀80 年代末，全球範圍內觀測到的到達地面的太陽輻射普遍呈現出下降的趨勢 ^[3]  。

近50 年，中國大部分地區的太陽總輻射和直接輻射均呈減少趨勢，大氣中懸浮粒子濃度的增加可能是造成這種減少趨勢的主要原因之一。20 世紀90年代與40 年代相比，西北地區和東北地區輻射減少幅度小於西南、華南、華北和華東，其中華東減少幅度最大，平均約為6%。許瀟鋒 ^[4]  對我國50 多個台站的近40 a 的太陽輻射觀測資料進行了統計分析，結果表明，1961-1990 年全國平均總輻射、直接輻射年總量呈顯著下降趨勢，年下降值分別為24．81 MJ·m^-2、21．67 MJ·m^-2；散射輻射總體變化趨勢不明顯。總輻射和直接輻射在東部下降較西部明顯，東北和西南地區下降不明顯；而散射輻射在東部站點呈增加趨勢的多，西部站點呈下降趨勢的偏多。1990 年以來，總輻射年總量又有增加的趨勢，全國平均增加105．6 MJ·m^-2。

到達地球表面的太陽輻射，除了受太陽常數以及平均日地距離等天文因子影響外，還受到地球大氣的強烈影響，其中包括：太陽高度角、大氣透明度、雲、地形、大氣氣溶膠、海冰、緯度、水汽等。

受地形因素影響的太陽輻射研究始於20 世紀50 年代。對於任意地形條件下太陽輻射，其計算坡地臨界時角公式和日照時段判斷方法簡化了山區太陽輻射計算，使得數值積分可以改用解析公式計算。李懷瑾等 ^[5]  則提出了一種圖解方法確定坡面上輻射總量的方法。關於坡地太陽輻射的理論研究和區域性實驗，為坡地太陽輻射計算奠定了理論基礎。李佔清等 ^[6]  採用從地形圖中直接讀取100 m×100 m 分辨率網格點高程的方法，描繪了3 km×3．5 km 範圍內山區太陽總輻射的分佈，嘗試解決地形對輻射的遮蔽影響問題；通過兩個有多年太陽總輻射數據的站點實測數據檢驗，模擬結果良好：各月太陽總輻射平均誤差率均小於10%，平均為3．69%；同時，也提供了一個可以借鑑到其它山地丘陵區的太陽總輻射空間化模式；運用坡地坡向短波輻射效應（SLOPE）的非靜力中尺度模式GRAPES（全球/區域同化和預報系統），模擬和討論坡地坡向的短波輻射效應。

在地氣系統熱量平衡的概念模型中，傳統上一般認為雲只吸收3%～4%的太陽短波輻射，這一結論一直用於氣候模式的模擬中。然而近兩年來，以Cess、Ramanathan 及Pileskie 等 ^[7]  為代表，認為雲對太陽輻射的吸收遠遠超過3%～4%，可能達到百分之十幾甚至二十。來自於GFDL 實驗室的Eta Geophysical FluidDvnamies Laboratory（GFDL）短波輻射方案考慮了大氣水汽、臭氧和二氧化碳效應，雲層是隨機覆蓋的。

短波輻射的計算是由白天平均餘弦太陽高度角計算得出。來自於MM5 的短波輻射方案，對太陽輻射通量進行向下積分，考慮晴空散射，水汽吸收及雲的反照率和吸收作用，採用stephens 的雲表。基於Chouand Suarez 而提出的Goddard 方案，一個包含有大氣、氣溶膠、雲的複雜的短波輻射效應譜方案，該方案包括由雲、氣溶膠、臭氧、二氧化碳、水汽、氧氣的吸收，還包括雲、氣溶膠以及各種氣體散射產生的輻射通量。

目前對短波輻射的估算採用較多的是經驗公式和定量及數值模擬研究，近年來晴空條件下的寬帶短波輻射模擬也受到了相當的重視。

估算地表輻射已經有許多模擬方法，這些方法大致可以分為基於雲、基於日照和基於温度的模擬。一個精確標校過的基於日照的模擬方法比基於雲或者基於温度的方法能提供更準確的太陽輻射估算。也可以部署一個阻尼譜，計算出晴空中的地表太陽輻射。他們的模型考慮物理過程的細節，因此緯度、海拔和其他因素的影響都自動納入。ANN 估算海拔在1 000～1 700 m 之間山區平均每日的向下短波輻射。

我國學者也對短波輻射進行了許多估算研究。K．Yang 等 ^[7]  研發了一種用日照時數來估算太陽輻射的Artificial neural networks（ANNs）模型，這個模型能清楚地解釋輻射在大氣中消失的過程。W．Tang等 ^[8]  利用中國氣象局維護的97 個輻射站資料，針對已經質量控制過的太陽輻射測量值，評估了混合模型。

從80 年代開始，輻射傳輸模式研究進展迅速，著名的LOWTRAN 6 和7 就是這個時期發展起來的，由Chandrasekhar 提出的離散座標方法經過Liou的發展，又經過Stamrles 等的發展，已經趨於成熟。現在Stamnes 等發展的DISORT 程序廣泛流傳。汪方等 ^[9]  對利用IPCC AR4 全球氣候模式輸出結果的研究，揭示模擬中存在的主要問題，為進一步改進氣候模式在東亞地區的模擬提供科學支持。

總體而言，地表太陽輻射模擬可以分為3 種方法：

①複雜的輻射傳輸模型，將垂直大氣視為非勻質的多層組成，並分別計算每層大氣對太陽輻射的散射和吸收效應， 這類模型以LOWTRANMODTRAN為代表，由於實際大氣參數數據難以獲得以及需要較多的機時，因而該方法在實際應用中受到限制；

②經驗模型，利用日照時數、氣温、降水、相對濕度以及總雲量等氣象數據與太陽輻射實測值之間建立迴歸關係式，由於經驗模型取決於當地的氣候和地形狀況，因而難以推廣應用到大的區域和全球尺度；

③參數模型由於基於光譜傳輸的物理原理並對大氣透過率函數及其關鍵影響因子進行了參數化，且獨立於特定的氣候條件，因而能獲得較高的模擬精度，易於推廣應用，實現區域或大範圍太陽輻射製圖。目前，利用常規氣象資料與衞星遙感數據模擬成為獲取地表太陽輻射的有效方法。

目前，我國台站相繼開展了對太陽短波輻射的研究，進展很快，並取得了一定的成效。但由於不同研究者在觀測和計算中使用的監測方法、儀器和研究尺度不同，致使結果相差較大。在以後的研究中應完善監測方法，提高觀測儀器和預測技術的準確性，加強使用於各類天氣條件和影響短波輻射所有因子的模式研究，尤其是適用於沙塵天氣的模式研究，以彌補觀測上的缺陷。加強各影響因子機制的研究，特別是加強濕度、氣温、地面淨紅外輻射、反射輻射、淨輻射、相對濕度、地温等因子對其影響的研究。注重整合近年各氣象台的太陽短波輻射觀測資料，加強空間化研究和數值模擬的研究 ^[10]  。

太陽輻射是太陽能中最能夠為人類直接利用的形式，在當今世界能源被過度開採造成能源緊張，以及由於温室氣體的過量排放加劇了氣候變暖的形勢下，太陽能作為一種清潔能源越來越受到廣泛重視。我國有些地區太陽能資源非常豐富，由於觀測資料的限制，對太陽能資源的區域分佈和季節變化的認識還不夠，因此進一步分析這些地區的地表輻射特徵，有利於提高對太陽能資源的認識。在向實際應用轉化和推廣過程中，對於將計算的太陽輻射量轉換為太陽能資源實際應用量值的方法、資源評估及應用服務等值得深入研究，以滿足太陽能資源大規模開發利用的需求。