国内外日照时数观测数据对比分析—以郑州气象站为例

利用1998年6月1日至2006年12月31日郑州国家基本气象站国产直接辐射表、芬兰Milos500双金属片日照传感器与国产人工暗筒式日照计观测的日照时数资料,采用统计分析方法,对两套仪器观测的日照时数与人工暗筒式日照计观测的日照时数分别进行对比分析,并对差异的可能原因进行探讨。结果表明:人工暗筒式日照时数与Milos500双金属片日照时数日差值的平均值为1.6h,国产直接辐射表与Milos500双金属片日照时数日差值的平均值为2.1h,Milos500双金属片日照传感器观测数据明显小于人工暗筒式和国产直接辐射表的数据,其差值通过95%的T检验,差异显著;人工暗筒式日照计与国产直接辐射表观测的日照时数日差值的平均值为0.2h,两套仪器观测数据差异不显著,相关性最好。     

总辐射表两种现场校准方法的比较

分析一次在北京上甸子区域大气本底站的总辐射表的两种校准方法的比较。结果表明:以工作级标准的CM22总辐射表所确定的各类总辐射表灵敏度系数接近以H-F腔体直接辐射表的校准结果,两者之间的差别没有超过±0.1μV·W~(-1)·m~2,辐照度值的差别基本上在±5 W·m~(-2)以内。携带和操作比较方便的CM22表用于校准大气本底站的总辐射表,测量精度达到现有BSRN站对辐射表的要求。     

国产光学型大孔径闪烁仪的技术性能分析

利用2009—2012年在北京密云、青海阿柔、河南济源、甘肃张掖、河北馆陶和沽源的野外对比试验数据,分析了国产光学型大孔径闪烁仪的观测精度、稳定性和一致性,为国产光学型大孔径闪烁仪的后续生产和改进提供科学依据。分析结果表明:(1)以德国BLS900闪烁仪观测值作为参考值,张掖巴吉滩3套和沽源站5套国产大孔径闪烁仪样机感热通量观测值的平均均方根误差分别为19.91 W·m~(-2)和9.81 W·m~(-2);样机感热通量观测值均值与涡动相关仪观测值比较,均方根误差分别为21.08 W·m~(-2)和12.87 W·m~(-2),表明国产大孔径闪烁仪具有较好的观测精度;(2)国产大孔径闪烁仪在高温、低温、高湿或低湿的恶劣天气条件下以及长时间序列的观测均具有较好的稳定性;(3)样机观测感热通量之间的回归斜率差异较大,为6%,相关系数大于0.98,表明国产大孔径闪烁仪的一致性较好。综上所述,国产光学型大孔径闪烁仪基本达到了国外同类仪器的性能水平。     

总辐射表夜间零点偏移试验与分析

总辐射表夜间零点偏移试验在夜间晴天条件下,采用室外平行对比法对不同型号的总辐射表的零点进行测试。通过数据分析,分别比较了黑白型和全黑型总辐射表、国产与进口总辐射表夜间零点偏移的大小,并分析了形成零点偏移的原因。试验结果表明,在夜间晴天条件下国产总辐射表的零点偏移小于10 W·m~(-2)通过总辐射表感应面向下水平安装和加盖试验也验证了零点偏移确实是由"冷天空"所致。     

梅县区太阳能资源的分析与评估

基于梅县区附近汕头气象站1986—2015年历年各月太阳总辐射和日照时数观测资料,采用最小二乘法建立了梅县站各月太阳总辐射与日照时数的关系方程。用梅县区日照时数观测资料,计算出梅县区1986—2015年太阳总辐射。采用线性趋势法和资源丰富程度、稳定程度等指标,对梅县区近30年的太阳能资源进行了分析和评估。结果表明,梅县区属太阳能资源丰富区,平均年太阳总辐射为4 467.08 MJ/m~2,年最小值为4 159.74 MJ/m~2,年最大值为4 834.0 MJ/m~2,总体呈增加趋势,增加速率为每年1.32 MJ/m~2。夏季辐射丰富,冬季偏少,夏季总辐射量是冬季的1.87倍,月平均总辐射7月最多(502 MJ/m~2),2月最少(268 MJ/m~2)。太阳能资源较稳定,月最大日照时数(7月)大于6 h的天数为21 d,是月最小(3月)日照时数的3倍,2—4月不利于太阳能利用。     

支持向量机方法在南京太阳总辐射推算中的应用

利用1981、1996和2001年逐日南京站太阳总辐射和日照时数观测资料,建立了基于支持向量机(support vector machine,SVM)方法的太阳总辐射推算模型,预测了1982、1997和2002年的太阳总辐射,并把推算结果和采用线性的气候学方法所得到的推算结果分别与实测值进行对比。采用线性方法得到的1982、1997和2002年的太阳总辐射预测值与实测值间基于1:1线的决定系数(R~2)分别为0.800、0.859和0.838,均方根误差(RMSE)分别为3.250、2.649和2.925 MJ·m~(-2)·d~(-1)。采用SVM方法得到的1982、1997和2002年的R~2分别为0.894、0.938和0.936,RMSE分别为2.353、1.726和1.804 MJ·m~(-2)·d~(-1)。SVM方法得到的太阳总辐射预测值与实测值之间的误差较小,预测精度高于线性方法,更适用于实际太阳总辐射的计算。     

改进的FY-3B/VIRR OLR反演模式及其应用效果

FY-3B卫星VIRR仪器的向外长波辐射(outgoing long-wave radiation,OLR)产品处理采用与NOAA/AVHRR相同的算法模型,即用窗区通道亮温-通量等效亮度温度的回归关系式计算OLR,但两星的OLR业务产品与目前国际质量最好的云和地球辐射能量系统(cloud and earth’s radiant energy system,CERES)仪器观测OLR产品相比,存在约10 W·m~(-2)的系统负偏差。FY-3B的原因在于OLR反演模式建立过程中红外辐射传输计算软件的精度不够。鉴于此,本文采用美国21世纪开发的逐线辐射传输模型计算软件(LBLRTM),模拟计算了全球2521条大气廓线的大气顶辐射率光谱,在此基础上计算了每条廓线的OLR和FY-3B/VIRR窗区通道亮温,应用最小二乘法统计回归模拟数据,重新建立了由FY-3B/VIRR窗区通道亮温计算OLR的回归关系式及系数。模式应用于FY-3BL1级数据,处理2016年1,3,7和10月的FY-3B逐日全球OLR资料,该资料与AQUA-TERRA卫星的CERES仪器OLR观测产品相比,得到日平均OLR:RMSE=9~15 W·m~(-2),R=0.9834,Bias=-0.3W·m~(-2);月平均OLR:RMSE=4~7W·m~(-2),R=0.9915,Bias=-0.3W·m~(-2),表明改进的模式能处理出无系统偏差的、精度基本与CERES观测相当的OLR产品,尽管单通道反演算法有着固有的模式回归误差。     

植被对黄河源区水热交换影响的研究

利用2013—2014年6—8月黄河源区近地面的观测数据进行CLM4.5单点模拟植被变化对近地面水热交换影响和能量平衡的研究。结果表明:(1)100%植被覆盖与控制试验(植被覆盖度为50%)向上短波的模拟差值为-6.76 W·m~(-2),裸地(植被覆盖度为0%)与控制试验的差值为7.76 W·m~(-2)。(2)植被覆盖度降低对向上长波辐射的模拟影响较大,其中裸地与控制试验的向上长波辐射模拟差值为5.34 W·m~(-2),而100%植被覆盖与控制试验的向上长波模拟差值仅为-0.62 W·m~(-2)。(3)叶面积指数减少会使地表反照率增大,但辐射通量整体变化幅度不大。其中向上短波平均增加1.35 W·m~(-2),潜热平均减小8.43 W·m~(-2)。(4)叶面积指数增加会使向上长、短波减少,同时潜热通量输送增大,且叶面积指数增加后,向上长波辐射、感热的变化范围略大于叶面积指数减少时。(5)净辐射受到云的影响较大,其变化范围为200~461 W·m~(-2)。6—7月的土壤热通量在2013年不同深度均达到峰值,其中5 cm深处土壤热通量在6—7月的平均值为6.25 W·m~(-2),最大值为30.34 W·m~(-2)。     

黄淮地区辐射模型适用性评价及参数优化

利用1961—2015年黄淮地区8个辐射站太阳辐射和日照时数等常规气象资料,分别评价6种常用的太阳总辐射和有效辐射估算模型在黄淮地区的适用性,同时采用多元回归分析和迭代等方法,对辐射参数进行优化调整,建立了适合本地区的辐射最优化估算模型。结果表明:童宏良公式和邓根云公式分别在估算太阳总辐射和地面有效辐射时的误差最小,相比其余的辐射估算模型,两者在黄淮地区适用性最好。另外太阳总辐射本地化修正模型的相对误差绝对值(value of Absolute Relative Error, ARE)和均方根误差(Root Mean Squared Error, RMSE)分别为16.28%和1.730 MJ·m~(-2)·d~(-1),优于童宏良公式等常用太阳辐射估算模型;有效辐射本地化修正模型的ARE和RMSE分别为23.19%和1.404 MJ·m~(-2)·d~(-1),优于邓根云公式等常用有效辐射估算模型;因此黄淮地区本地化辐射修正模型适用于当地地表净辐射估算,且具有较好的估算精度。     

青藏高原多源气象辐射数据整合与评估

基于中国气象局气象业务观测站、青藏高原大气科学试验站及中国科学院野外试验站多源辐射观测数据,经过质量控制和拼接整合,形成1993年以来青藏高原多源气象辐射基本要素逐小时曝辐量整合数据集(Integrated of Multi-source Radiation Data over Qinghai-Tibet Plateau,IRDQTP)。各辐射要素实有率均超过99.4%,光合有效辐射正确率低于76%,其他辐射要素正确率超过96.7%。相同或相近观测站址的大气科学或野外试验站(试验站)与气象业务观测站(业务站)向下短波辐射R>0.88,阿里相同站址两种来源数据对比Mbias(RMSE)为-0.006(0.141)MJ·m^-2·h^-1,99.8%的偏差分布在±1.0 MJ·m^-2·h^-1,那曲相近站址两种来源数据对比Mbias(RMSE)为-0.028(0.615)MJ·m^-2·h^-1,84.6%的偏差分布在±1.0 MJ·m^-2·...     

青藏高原东部地区辐射平衡及各分量变化特征

利用2009年11月-2010年10月青藏高原玛多自动气象站辐射平衡观测资料,分析了高原两种不同下垫面辐射平衡各分量的季节平均日变化和年变化特征.结果表明,各季节的平均总辐射日变化和年变化在两种下垫面的趋势基本一致,夏季总辐射为非零值的时间在早上要比冬季早2h左右,而在傍晚出现零值的时间要比冬季晚2h左右.夏季总辐射最强、冬季最弱,年变化最小值为0.544 MJ·m-2,出现在1月;最大值为1.001MJ ·m-2,出现在7月.在11:00-16:00(北京时)之间反射辐射冬季最强、夏季最弱.这种现象与总辐射日变化趋势恰好相反,反射辐射的年变化最小值出现在2月,平均最小值为0.157MJ· m-2;最大值出现在11月,平均最大值为0.326 MJ· m-2.1号点和2号点反射辐射差值冬季最大,达到0.06 MJ·m-2;春季最小,为0.03 MJ·m-2.净辐射年变化最小值为-0.025 MJ·m-2,出现在12月;最大值为0.477 MJ·m-2,出现在7月.地表反射率2个观测点的变化趋势大致相同,各季节地表反射率最大值、最小值和平均值都是2号点大于1号点,平均偏大8％.     

1961～2005年云贵高原太阳辐射变化特征及其影响因子

利用云贵高原1961～2005年9个日射站辐射和气候观测资料以及能见度观测资料等,采用数理统计方法,研究了该区域到达地表太阳总辐射量(以下简称总辐射)变化特征及其影响因子.结果表明:该区年总辐射的空间分布特点是西部高于东部,丽江站最高(6207MJ·m-2·a-1),遵义站最低(3340MJ·m-2·a-1).1961...     

2007—2011年塔克拉玛干沙漠腹地太阳辐射观测研究

利用塔克拉玛干沙漠塔中大气环境观测试验站2007年1月至201 1年12月总辐射、散射辐射和直接辐射观测资料,分析了塔克拉玛干沙漠腹地太阳总辐射、散射辐射和水平面直接辐射的主要特征。结果表明:塔克拉玛干沙漠腹地总辐射、散射辐射和水平面直接辐射平均年总量分别为6619.0、3507.8和2203.5 MJ·m~(-2)。典型晴天总辐射日峰值分别为散射辐射的2.4倍和直接辐射的1.5倍。沙尘暴天散射辐射值增加到与总辐射基本一致,而直接辐射衰减最明显。当太阳高度角20°时,散射辐射随总云量的增加而增大,且秋、冬两季增幅明显。     

临安与龙凤山辐射数据质量及初步结果比较

采用国际通用的辐射数据质量评估方法对2005—2011年浙江临安、黑龙江龙凤山两个区域大气本底站辐射观测资料进行质量评估与比较分析。结果表明:两站辐射数据通过物理可能限制检验与极端罕见限制检验的百分比均超过99.5%,但通过相关要素比较限制检验的百分比上,临安与龙凤山站分别降至97.9%与95.9%;双轴定位追踪太阳出现偏差是造成直接辐射与散射辐射数据精度降低的主要原因。CM21表的热偏移在-5 W·m-2以内,而其进行热偏移订正可以显著提高数据的通过率。对应同一太阳天顶角,临安站晴空总辐射与直接辐射均低于龙凤山站,散射辐射则相反,其原因是临安的大气透明系数较低,大气浑浊度较高。2006—2011年,临安站的大气向下长波辐射呈下降趋势,达到了0.01的显著性水平,且其多年平均值 (363.7±59.3 W·m-2) 显著高于龙凤山站 (274.9±77.6 W·m-2);龙凤山站晴空太阳总辐射呈增加趋势,达到了0.1的显著性水平。     

直接辐射表与日照计观测日照时数的差异评估

随着自动化气象资料业务的发展,直接辐射表自动跟踪太阳位置观测日照时数逐渐在业务中使用,那么直接辐射表与传统日照计观测资料的差异如何,需要对两种资料定量评估。文章选取我国15个气象辐射一级站的直接辐射表与日照计平行观测日照时数资料,探讨了两种观测日照时数在不同区域、不同季节、不同时间尺度和不同天气条件下的差异分布特征,结果表明：（1）直接辐射表比日照计观测记录平均偏低0．51 h·d－1（8．30％）,两种资料差异具有明显的季节变化规律和区域变异,在夏季和春季较大,冬季最小,在西北及海南地区较大,东北、黄淮地区及四川盆地最小;（2）日出时段直接辐射表较日照计观测记录低0～0．3 h·h－1,日落时段直接辐射表较日照计观测记录高0～0．3 h·h－1,其他时段直接辐射表与日照计观测差值在±0．2 h·h－1;（3）受观测仪器和天气条件影响,在晴空、多云和阴天条件下,直接辐射表较日照计观测记录分别平均偏低0．17 h·d－1（1．88％）、0．64 h·d－1（9．08％）和0．62 h·d－1（26．73％）;（4）两种观测日照时数的相关系数在0．88以上。     

广州市太阳能资源的分析与评估

根据1961—2011年广州气象站太阳总辐射和日照时数观测资料,采用线性趋势法和资源丰富程度、稳定程度等指标,对广州市近50年的太阳能资源进行了分析和评估。结果表明,广州市属太阳能资源丰富区,平均年太阳总辐射为4 279.58 MJ/m2,年最小值为3 325.50 MJ/m2,年最大值为5 402.49 MJ/m2,总体呈显著减少趋势,减少速率为每年10.3 MJ/m2。夏季辐射丰富,冬季偏少,夏季总辐射量是冬季的1.57倍,月平均总辐射7月最多(475.22 MJ/m2),2月最少(226.67 MJ/m2)。10:00—14:00太阳能资源最为丰富,期间每小时辐射强度均超过1.45 MJ/m2。太阳能资源较稳定,月最大日照时数10月大于6 h的天数为17.5 d,是月最小日照时数4月的3.43倍,2—4月不利于太阳能利用。     

洛阳地区太阳能资源分析与评估

根据1981—2010年郑州辐射站太阳辐射和日照资料、洛阳地区9个气象观测站日照资料,采用气候学计算、线性趋势分析等方法和资源丰富程度、利用价值、稳定程度等指标,对洛阳地区太阳能资源进行了计算、分析和评估。结果表明:洛阳地区多年平均总辐射为4842.4MJ·m-2·a-1,总体呈显著减少趋势,减少速率为每年1.4MJ·m-2。夏季辐射丰富,冬季偏少,夏季总辐射量是冬季的2倍;月平均总辐射5月最多(569.7MJ·m-2),12月最少(241.9MJ·m-2);年总辐射孟津最高,为4922.8MJ·m-2·a-1,宜阳最少,为4681.1MJ·m-2·a-1。多年平均日照时数为2064.7h,总体呈显著减少趋势。春季日照时数多,冬季少,春季日照时数比冬季多33.37%;月平均日照时数5月最多(217.3h),2月最少(138.2h);年日照时数孟津最多(2144.9h),宜阳最少(1909.2h)。洛阳各地属太阳能资源丰富区,利用价值较高,各月日照时数6h的天数为9.8~18.1天,全年为162.7~185.3天;太阳能资源也比较稳定,月最大日照时数12月6h的天数为16.9天,是月最小日照时数7月的1.48倍,12月至次年1月不利于太阳能利用。     

黄土高原土壤湿度对地表能量和大气边界层影响的观测研究

利用黄土高原区域甘肃平凉地区陆面过程与灾害天气观测研究站2016—2017年夏季(6—8月)晴好天气下的观测资料,定量分析了平凉地区土壤湿度在干、中、湿三种不同状况下对地表辐射和地表能量分配及大气边界层的影响,并根据总体变化趋势,将土壤湿度进一步分为干、中区间(0. 158～0. 220 m~3·m~(-3))和中、湿区间(0. 179～0. 325 m~3·m~(-3)),与波文比、感热通量、潜热通量进行相关性分析,从而探究土壤湿度通过影响地表能量分配和大气边界层进而影响降水的可能物理机制。结果表明:(1)土壤湿度变化对反照率影响相对较小,对波文比影响显著,主要是影响感热、潜热变化,即影响地表能量分配过程。随着土壤湿度增加,潜热增大,感热减小,波文比显著降低;土壤湿度变化对地表净辐射影响显著,主要影响净长波辐射变化,随着土壤湿度增加,净短波辐射呈现略微增加,净长波辐射显著增加。(2)土壤湿度分区间分析结果显示,土壤湿度在干、中区间(0. 158～0. 220 m~3·m~(-3))对潜热通量以及边界层高度的影响相比土壤湿度在中、湿区间(0. 179～0. 325 m~3·m~(-3))的影响更大,即土壤偏干情况下,地表通量变化和大气边界层发展更显著。此次观测数据定量分析结果与理论机理较为一致,表明该观测数据的可靠性,可为数值模式在黄土高原区域的模拟提供重要的数据基础。     

FS-J1四分量净全辐射表在北极地区的性能评测

在全球变暖的背景下,全球的净全辐射监测越来越受到人们的重视,逐渐成为研究区域天气气候的重要手段。为了研究国产FS-J1型四分量净全辐射表在极地条件下的各项性能,于2017年4月10—23日在美国阿拉斯加巴罗地区(203.5°E,71.4°N)进行了为期2周的地面净全辐射量实时监测,并与极地地区应用较广的CNR4型四分量净全辐射表进行对比测试。结果表明:(1)在表面无结冰/霜条件下,国产仪器FS-J1型四分量净全辐射表在不同晴空和日夜条件下都表现出较好的精度和线性关系,各项参数与CNR4的相对误差和相关系数总体分别在5%以内和0.9以上。(2)受极地条件影响,FS-J1表面结冰/霜后,会对辐射变化的响应出现延迟,对总辐射表和地球辐射表分别能造成最大约25%和7%的相对误差。所以针对极地辐射站加设合适的通风加热装置、发展较为合理的误差订正方案仍是国产仪器以后需要改进的关键点。     

武汉站直接辐射表与日照计观测日照时数差异分析

利用湖北省武汉国家基本气象观测站直接辐射表与暗筒式日照计观测的日照时数资料,分析了两者的差异特性。结果表明:直接辐射表观测日照时数比日照计观测日照时数偏低,日合计值平均偏低0.87h,月合计值平均偏低16.3h,年合计值平均偏低195.6h。两种观测值的月平均差值夏季差异最大,春、秋季次之,冬季最小。春夏季的相对偏差程度和离散程度均大于秋冬季。在晴天、温度0℃、相对湿度50%的条件下,直接辐射表观测值高于日照计,在多云、阴天、温度0℃、相对湿度50%的条件下,直接辐射表观测值低于日照计。两种观测数据线性相关较显著。仪器观测原理、天气条件影响、观测习惯等因素,造成了观测数据有差异。