成都东北部地区太阳辐射特征分析

刘雨轩，赵 欢，安 峡，赵清扬，巫俊威，彭 滨

(1.成都市气象局，四川 成都 610000；2.四川省气象服务中心，成都 四川 610072)

0 引言

太阳辐射是气候系统中各种物理过程和生命活动的能量之源[1-2]。除地球自转和公转因素，云、大气成分、地面等介质也会影响太阳辐射，使其发生散射、反射、吸收，在地表辐射平衡和热量平衡的作用下，对气候的形成和变化产生重要影响[3-9]。多年来国内相关专家对太阳辐射进行多方位的研究和探讨，刘梦琪等[10]分析了夏季西藏4个站点大气向下长波辐射；张乐乐等[11]分析了青海湖流域瓦颜山湿地辐射平衡和地表反照率变化特征；陈世强等[12]对比了甘肃金塔绿洲不同下垫面辐射特征，但这些研究区域主要集中在青藏高原、黄土高原地区，对四川盆地、成都平原地区的研究较少。本文利用2018年1—12月成都东北部地区的太阳辐射观测资料，对辐射能量的收支状况和特征进行分析，认识该地区的能量分配规律以及与天气之间的联系。

1 数据来源和处理方法

本文所使用的气象观测数据均来自金堂国家一般气象站，太阳辐射观测数据来自2017年建设于该气象站旁的ASP30-S太阳总辐射仪。金堂国家一般气象站地理位置位于104°25′E，30°48′N，海拔490 m，周围地形开阔、地势略高于周边[13]。

本文选取2018年1月1日—12月31日逐小时观测资料进行分析。四季划分规则为：春季3—5月，夏季6—8月，秋季9—11月，冬季12—次年2月。

太阳辐射数据质控处理的规则为：一天中有5 h或5 h以上缺测视为该日数据异常进行剔除。质控后，本次研究分析一共获得341 d有效数据，包括太阳短波辐射UR、短波反射辐射DR、地面长波辐射DLR、大气长波辐射ULR。地表反照率α、近地面长波有效辐射ELR、净全辐射Rn可由以上4个辐射分量计算得到。

地表反照率α的计算公式为：

α=DR/UR

(1)

净长波辐射ELR的辐照度计算公式为：

ELR=DLR-ULR

(2)

净全辐射Rn的辐照度计算公式为：

Rn=UR+ULR-DR-DLR

(3)

2 结果与分析

2.1 太阳短波辐射

太阳短波辐射是指到达地表的太阳总辐射。从图1a中可见太阳短波辐射有显著月变化特征。受太阳高度角的影响夏季最强，冬季最弱。春、夏、秋、冬季日均太阳短波辐射曝辐量分别为8.37 MJ/m2、9.85 MJ/m2、5.39 MJ/m2、4.38 MJ/m2。全年日均曝辐量为7.02 MJ/m2， 8月总曝辐量最大，达328.82 MJ/m2，12月总曝辐量最小，为87.27 MJ/m2。

图1 2018年1月1日—2018年12月31日气象要素月变化特征(a:各辐射分量；b:气温、相对湿度；c:土壤温度；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)

太阳短波辐射主要受太阳高度角和大气透明度的影响，太阳高度角越大大气透明度越高辐射越强[14]。将全年逐日最大太阳高度角与太阳短波辐射曝辐量进行相关性分析，相关系数r为0.56，通过95%显著性检验。与4月、5月相比6月、7月太阳短波辐射较小，这可能与6月、7月的多降雨天气有关。从观测资料获知，6月、7月有降水的天数分别为16 d、22 d，累计降水分别达174.4 mm、648.9 mm，日均空气相对湿度分别为81.48%、91.38%，受降雨天气影响太阳短波辐射略减弱。

每日清晨太阳短波辐射随日出陡然增加，在中午达到当天最大值，之后又迅速降低，在傍晚随日落降至0。相比其他月份7月、8月波峰(图2b)略显不平滑，这是由于夏季午后气温较高容易形成对流云带来降雨。从观测资料获知，7月、8月10—14时有降水的天数分别为14 d、8 d，累计降水分别为97.7 mm、103.5 mm，远高于其他月份。

全年有44 d共计71 h太阳短波辐射瞬时值超过太阳常数最大值即1 374 W/m2的情况[13]，出现在4—9月,其中5—8月分别占9 d、10 d、8 d、11 d，出现的时间主要集中在13—15时分别占16 h、30 h、16 h。观测资料显示，这71 h气温在23～34 ℃，平均气温29 ℃，湿度在18%～86%，平均相对湿度58%，降水为0。已有研究结论表明，太阳短波辐射与天空云系分配有关。当天空有一定的中高云存在，且云未遮蔽太阳时，辐射仪不仅接受太阳的直接照射，也接受较高的云的散射照射，导致太阳短波辐射出现超过太阳常数的值[15-16]。全年瞬时值最大出现在5月22日13—14时，为1 616.69 W/m2，比太阳常数大249.69 W/m2。从观测资料获知，5月22日01—07时出现大风，以北风为主。07—12时风向以南风为主，风力从1.8 m/s逐渐增大至6.3 m/s，相对湿度从43%升至56%，期间最高达72%。22日大风过后大气透明度较高，风向由北转南，可能带来暖湿气流，使天空中形成一定高云，增强太阳短波辐射，出现瞬时值超过太阳常数的情况。

太阳短波辐射的能量大部分被地面吸收，使地面温度升高。太阳短波辐射的波峰出现在12—13时，地面温度波峰出现在13—14时，比太阳短波辐射略晚1 h。将全年逐日太阳短波辐射与0 cm土壤温度、10 cm土壤温度进行相关性分析，相关系数分别为0.70、0.59，均通过95%显著性检验。可见太阳短波辐射是影响地面温度的主要因子。图2中，各月逐小时地表土壤温度与太阳短波辐射较统一的变化规律也体现了这种相关性。

6月的太阳短波辐射(图2b)日变化曲线峰值略大于3月(图2a)，但3月0 cm土壤温度日较差(23.14 ℃)远大于6月(14.09 ℃)，最高温度仅比6月小0.45 ℃。这主要是受土壤湿度影响，土壤含水量越大体积热容量越高[17]，吸收相同能量时，体积热容量越高升温越慢，从观测资料获知，3月、6月10 cm土壤湿度分别为16.22%、49.27%，这导致3月地面升温速度较快。

2.2 短波反射辐射

太阳短波辐射大部分被地面吸收，小部分被地面反射回大气，返回的这部分叫短波反射辐射DR[14]。从图1a中可见，短波反射辐射的月变化趋势与太阳短波辐射几乎一致，夏季最强，冬季最弱，但振幅和强度都比太阳短波辐射小很多。春、夏、秋、冬季日均短波反射辐射曝辐量分别为0.82 MJ/m2、 1.01 MJ/m2、0.56 MJ/m2、0.45 MJ/m2。全年日均曝辐量为0.71 MJ/m2，月最大曝辐量在8月为35.53 MJ/m2，月最小曝辐量在12月为7.78 MJ/m2。

短波反射辐射日变化趋势跟随太阳短波辐射，甚至在7月、8月午时出现与太阳短波辐射同时段相对应的不平滑状态(图2b)。每日清晨随太阳短波辐射从0开始升高，中午达到峰值，傍晚后随太阳短波辐射回归0，每天以此反复。

短波反射辐射与太阳短波辐射之比叫地表反照率，表征地面对太阳短波辐射的反射能力，地表反射率主要受地表的性质和状态影响[12]。将全年逐日太阳短波辐射与短波反射辐射进行相关性分析，相关系数达0.99，拟合方程为y=0.107 05x-0.947 2，通过95%显著性检验，即年均地表反照率为10.71%，比全球平均值13% 略低[16]。图3为各季节地表反照率日变化情况，早上随太阳高度角的增大，地表反照率迅速下降，10时以后变化相对平缓。全年日平均地面反射率在9.16%～13.89%之间。大部分学者在研究地表反照率时会着先将数据按云天状况进行分组[11、14、19 ]。这是由于云会增强空气分子在云层和地面之间的散射，然而散射辐射是来自各个方向，干扰地表反照率的大小[14、20、21]。金堂已于2013年取消云天观测，无云量数据作为参考，在此未对地表反照率做深入分析。

2.3 地面长波辐射

太阳短波辐射带来的大部分能量被地表获取，再通过长波辐射返回大气，返回的长波辐射就叫地面长波辐射DLR[14]。地面长波辐射的月变化波形(图1a)相比前两种短波辐射较为平缓光滑，夏季最高，冬季最低。春、夏、秋、冬季日均地面长波辐射曝辐量分别为15.58 MJ/m2、18.46 MJ/m2、17.00 MJ/m2、15.41 MJ/m2，全年日均曝辐量为16.62 MJ/m2。由此可见，长波辐射在辐射平衡中的贡献大于短波辐射。根据斯蒂芬玻尔兹曼定律，地面温度越高，地面长波辐射就越强。将全年逐日0 cm、10 cm土壤温度与地面长波辐射进行相关分析，相关系数分别达0.99、0.99，通过95%显著性检验。

图2 2018年1月1日—12月31日各辐射分量、气象要素逐月日变化情况(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)

图3 2018年1月1日—2018年12月31日各季节地表反射率日变化情况Fig.3 Diurnal Variation of Surface Reflectance in all Seasons from January 1, 2018 to December 31, 2018

从图2中可知，地面长波辐射的日变化趋势与地表温度变化一致，相比太阳短波辐射，地面长波辐射振幅很小。白天太阳短波辐射逐渐增大，地表温度和地面长波辐射随之升高，在中午达到极大值，之后再随太阳短波辐射逐渐降低；夜间太阳短波辐射为0，地面温度随地面长波辐射能量释放逐步下降，地表温度、地面长波辐射的最小值均在每日清晨，但并不为0。地面温度升高使地面长波辐射增强，地面长波辐射越强从地面带走的能量越多，地面温度下降得越快。

地面长波辐射返回大气时，部分被大气吸收，使气温升高。气温随太阳短波辐射、地面长波辐射产生月变化(图1)和日变化(图2)。全年最高气温在8月，比全年太阳最大高度角出现的日期晚2个月左右。日最高气温在14时，滞后于每日太阳最大高度角出现的时间2 h左右。逐日地面长波辐射与气温的相关系数为0.99，通过95%显著性检验。

2.4 大气长波辐射

大气向地面进行的长波辐射叫大气长波辐射[14]。大气长波辐射主要受空气温度和相对湿度影响。从图1中可见，大气长波辐射与地面长波辐射月变化趋势相似，全年日均曝辐量为15.01 MJ/m2，春、夏、秋、冬季日均地面长波辐射曝辐量分别为13.75 MJ/m2、17.08 MJ/m2、15.58 MJ/m2、13.59 MJ/m2。大气长波辐射与气温、相对湿度、地面长波辐射相关系数分别为0.89、0.43、0.87。

大气长波辐射日变化趋势与地面长波辐射相似(图2)，但振幅很小，波形一直处于地面长波辐射下方。将各月气象要素日变化振幅进行比较分析，10—12月太阳短波辐射振幅大幅减小，地温、气温、地面长波辐射振幅均呈减小趋势，大气长波辐射振幅接近0，难以分辨昼夜变化。分析10—12月逐小时大气长波辐射后得出：10—12月共有24 d大气长波辐射在07—13时呈下降趋势，其中有8 d下降超过20 W/m2。这是由于夜间空气中的水汽含量较高时，大气长波辐射不会因太阳短波辐射的归零而下降得过快，日出后太阳短波辐射增长的速度远不如春夏季节，大气长波辐射因太阳短波辐射增加的量不足以弥补因水汽含量降低减少的量，而出现大气长波辐射昼夜变化不明显，个别日期夜间辐照度大于白天的情况。观测资料中的这24 d的相对湿度数据也证明了这一推断，夜间空气中的水汽含量基本达饱和状态，白天逐渐降至40%～60%。

2.5 净长波辐射

净长波辐射是地面长波辐射和大气长波辐射的差值，表征地面净损失的长波辐射[14]。净长波辐射月变化走势与其余辐射明显不同，有3个波峰，分别在3月(全年最大峰值)、8月、11月。春、夏、秋、冬季日均净长波辐射分别为2.16 MJ/m2、1.48 MJ/m2、1.47 MJ/m2、1.84 MJ/m2，春季最强，秋季最弱，全年日均值为1.73 MJ/m2。全年逐日净长波辐射与空气相对湿度、气温、0 cm土壤温度、10 cm土壤湿度相关系数分别为-0.76、0.00、0.08、-0.33。在数据分析实验中发现，净长波辐射与气温日较差相关系数高达0.86。这是由于气温日较差和净长波辐射分别为两个气象要素差值，而地面长波辐射与日最高气温的相关系数(r=0.99)、大气长波辐射与最低气温相关系数(r=0.95)均较高，使得净长波辐射和气温日较差呈现很高的相关性。

从图2中可见，净长波辐射也随昼夜变化，日最大出现在13时左右，最小值出现在03时左右。1—5月空气中的水汽含量相对较低，导致白天地面长波辐射升高较快，大气长波辐射升高较慢，夜间地面长波辐射下降较快，大气长波辐射下降较慢，因此，1—5月净长波辐射振幅较大，夜间地面温度低于大气温度。

净长波辐射与太阳辐射的比值L的年均值为0.293 6，这表明该地区全年接收的太阳短波辐射有29.36%被地表以长波辐射的方式释放到大气，比全球平均值26%[16]稍高。春、夏、秋、冬季节分别为24.48%、14.56%、30.21%、46.53%。

2.6 净全辐射

净全辐射即地面收到的太阳短波辐射和大气长波辐射与从地面返回的短波反射辐射和地面长波辐射的差额，表征地表收到的辐射盈余[14]。虽然净全辐射受以上4个分量影响，但从图3中获知，净全辐射与太阳短波辐射月变化、日变化趋势跟随性很强，相关系数为0.98。春、夏、秋、冬四季日均曝辐量分别为6.74 MJ/m2、7.98 MJ/m2、3.53 MJ/m2、2.13 MJ/m2。全年日均曝辐量5.02 MJ/m2，小时净全辐射在-89.59～128 9.1 W/m2之间，日最大值在6月10日为325.150 4 W/m2，日最小值在1月3日为-3.829 6 W/m2。净全辐射与0 cm土壤温度、气温、气温日较差相关系数分别为0.78、0.71、0.72，通过95%显著性检验。

净全辐射白天为正值，晚上为负值，表示白天地面净得到热量，夜间地面净损失热量。夏季净得热时间长达12 h左右，冬季净得热时间仅有8 h左右。由于夜间无短波辐射,夜间的净全辐射值(绝对值)即为净长波辐射值。一天中，净全辐射两次经过零点，经过的时间在近地层热量收支中是一个重要的物理量，它与近地面出现霜冻等物理现象密切相关，在气候和农业气象等方面具有指示意义[14]。

净全辐射与太阳短波辐射的比值η体现了太阳短波辐射对地气系统能量收支的贡献。该地区年均值为61.18%，与全球均值61%[16]相当。春夏秋冬季节分别为65.85%、75.52%、60.21%、48.36%。

表1 2018年1月1日—12月31日各辐射分量与气象要素相关系数(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为净长波辐射与太阳短波辐射之比；η为净全辐射与太阳短波辐射之比。

3 结论与讨论

①太阳短波辐射受太阳高度角影响，夏季最强，冬季最弱，也受大气透明度影响，云雨较多水汽较高时会明显削弱辐射强度。日最大高度角较大、空气透明度较高时，高云能对太阳辐射进行再分配，使其增强，导致全年有44 d的太阳短波辐射瞬时值超过太阳常数。太阳短波辐射使土壤温度升高，土壤含水量越大，体积热容量越高，地面升温越慢，所以3月地面升温速度比6月快。虽然短波反射辐射振幅小，但月变化、日变化趋势与太阳短波辐射几乎一致。成都东北部地区全年有10.7%太阳短波辐射被地表反射，与全球平均值13%相比略低。

②与太阳短波辐射相比，地面长波辐射和大气长波辐射月变化、日变化振幅很小。夜间长波辐射并不为零，依然保持较高的强度，导致地面长波辐射和大气长波辐射的日均曝辐量均高于太阳短波辐射。10—12月大气长波辐射振幅几乎为零，这是由于夜间空气中的水汽含量较高时，大气长波辐射不会因太阳短波辐射的归零而下降得过快，日出后太阳短波辐射增长的速度远不如春夏季节，大气长波辐射因太阳短波辐射增加的量不足以弥补因水汽含量降低减少的量，而出现辐射强度昼夜变化小，个别日期夜间辐照度大于白天的情况。

③净长波辐射春季最强，秋季最弱。全年逐日净长波辐射与空气相对湿度成负相关(r=-0.76)，与气温日较差成正相关(r=0.86)。1—5月空气中的水汽含量相对较低，导致白天地面长波辐射升高较快，大气长波辐射升高较慢，夜间地面长波辐射下降较快，大气长波辐射下降较慢，因此，1—5月净长波辐射振幅较大，夜间地面温度低于大气温度。成都东北部地区全年接收的太阳短波辐射有29.36%被地表以长波辐射的方式释放到大气，与全球平均值26%[16]相比稍高。

④净全辐射与太阳短波辐射月变化、日变化趋势跟随性很强，相关系数为0.98。净全辐射白天为正值，晚上为负值，全年小时值在-89.59～1 289.1 W/m2之间。净全辐射与温度、气温、气温日较差相关性较高，分别为0.78、0.71、0.72。净全辐射每日两次通过零点的时间可得，夏季地面净得热时间长达12 h左右，冬季仅有8 h左右。净全辐射与太阳短波辐射的比值η体现了太阳短波辐射对地气系统能量收支的贡献。成都东北部地区η年均值为61.18%，与全球均值61%[16]相当。