Study of distinctive regional features of surface solar radiation in North and East China

Solar radiation is an important energy source for plants on the earth and also a major component of the global energy balance. Variations in solar radiation incident at the earth’s surface profoundly affect the human and terrestrial environment, including the climate change. To provide useful information for predicting the future climate change in China, distinctive regional features in spatial and temporal variations of the surface solar radiation (SSR) and corresponding attributions (such as cloud and aer...     

我国南方中东部地区地面太阳总辐射变化规律

为进一步探讨我国地面太阳辐射的变化规律及其原因,选择我国南方中东部地区,利用该区域1961—2007年33个站点的地面太阳总辐射资料,结合云量、大气水汽含量和能见度等观测资料,综合研究该区域地面太阳总辐射的变化规律及其原因。结果表明:1961—1989年,我国南方中东部地区地面太阳总辐射呈下降趋势,之后发生逆转,1995年后其变化趋于缓和,1961—2007年总体呈现变暗—变亮—变缓的趋势。究其原因,该区域云量平均值由峰入谷、云量下降速率由快变慢可能是产生此变化趋势的原因之一;其次,20世纪80年代到21世纪初,气溶胶光学厚度上升趋势减缓,气溶胶地面辐射强迫变化趋于缓和,某些区域甚至出现下降,也导致部分站点地面太阳总辐射由暗变亮。     

Influence of Changes in Solar Radiation on Changes of Surface Temperature in China

The long-term trends of total surface solar radiation(SSR),surface diffuse radiation,and surface air temperature were analyzed in this study based on updated 48-yr data from 55 observational stations in China,and then the correlation between SSR and the diurnal temperature range(DTR) was studied.The effect of total solar radiation on surface air temperature in China was investigated on the basis of the above analyses.A strong correlation between SSR and DTR was found for the period 1961-2008 in China.The highest correlation and steepest regression line slope occurred in winter,indicating that the solar radiation effect on DTR was the largest in this season.Clouds and water vapor have strong influences on both SSR and DTR,and hence on their relationship.The largest correlations between SSR and DTR occurred in wintertime in northern China,regardless of all-day(including clear days and cloudy days) or clear-day cases.Our results also showed that radiation arriving at the surface in China decreased significantly during 1961-1989(dimming period),but began to increase during 1990-2008(brightening period),in agreement with previous global studies.The reduction of total SSR offset partially the greenhouse warming during 1961-1989.However,with the increase of SSR after 1990,this offsetting effect vanished;on the contrary,it even made a contribution to the accelerated warming.Nonetheless,the greenhouse warming still played a controlling role because of the increasing of minimum and mean surface temperatures in the whole study period of 1961-2008.We estimated that the greenhouse gases alone may have caused surface temperatures to rise by 0.31-0.46℃(10 yr) 1 during 1961-2008,which is higher than previously estimated.Analysis of the corresponding changes in total solar radiation,diffuse radiation,and total cloud cover indicated that the dimming and brightening phenomena in China were likely attributable to increases in absorptive and scattering aerosols in the atmosphere,respectively.     

1961～2009年我国地面太阳辐射变化特征及云对其影响的研究

基于我国100个地面站点的地面太阳总辐射、日平均云量资料分析1961～2009年我国地面太阳辐射(Surface Solar Radiation,SSR)变化特征及云在不同时期对SSR的影响。结果显示:1961～2009年我国SSR经历了先下降后上升的变化过程,其中1961～1990年SSR显著下降("变暗"),下降速率为-4.3%/10 a(7.87 W m–2(10 a)–1),各地SSR变化趋势比较一致;1990年后SSR开始上升("变亮"),上升速率为2.8%/10 a(2.4 W m–2(10 a)–1),各地SSR变化趋势不如前一阶段一致,但没有显著的地域分布特征。晴空条件的设置对1961～1990年各站点SSR变化特征影响不大,仍为大范围下降("变暗"),但对1990～2009年的结果影响显著。相比全天空条件的结果,晴空条件下1990～2009年我国SSR变化有明显的南北特征,南方地区以"变亮"为主,而北方地区大多继续"变暗",但"变暗"速度减缓。1961～1990年我国总云量总体呈小幅下降趋势,下降速率很慢,这一时期总云量与全天空SSR没有很好的对应关系;1990～2009年我国总云量总体呈小幅上升趋势,有显著的南北分布差异,北方地区以上升趋势为主,南方地区以下降趋势为主,期间云量与全天空情况下SSR有很好的对应关系。这些结果表明,在"变暗"阶段,云对SSR的作用不显著,而在"变亮"阶段,云的作用变得较为突出。     

1961～2007年西北地区地面太阳辐射长期变化特征研究

利用西北地区16个甲级辐射站1961～2007年的总辐射资料,和1961～1992年的直接辐射、散射辐射资料,研究该地区地面太阳辐射的长期变化特征。发现,从1961～2007年总辐射的长期变化经历了"维持"、"变暗"、"变亮"和"回落"4个阶段。其中从70年代至80年代中期总辐射持续"变暗",之后开始转折"变亮"。"变亮"过程持续到90年代中期基本停止,之后振荡"回落"。各个季节总辐射的长期变化都表现出"变暗"和"变亮"这两个明显特征,其中冬季的"变暗"过程持续时间最长,"变亮"过程持续时间最短。从1961～1992年,直接辐射的变化过程为先下降后回升,散射辐射则是先上升后下降,两者的变化趋势和相对幅度决定了总辐射在不同阶段的变化趋势。60年代至80年代中期是西北地区直接辐射下降的主要时期,直接辐射和日照时数的下降过程具有地域性和季节性差异,表现为省会城市和冬季的下降百分率最显著。这种特征表明气溶胶排放的增加或许是影响该地区直接辐射和日照时数减小的因子之一。     

1993—2013年中国地面太阳辐射的变化特征

根据1993—2013年中国15个省份16个站点的辐射观测数据,采用线性倾向估计分析了近20年来中国不同地区的地面太阳辐射的变化特征,并分析了散射系数（散射辐射和直接辐射之比）的变化情况。结果表明：1993—2013年间地面太阳总辐射在西部和东北地区呈上升趋势,在中部和东部地区呈下降趋势。直接辐射在中部地区呈上升趋势,在其他地区表现为下降趋势。散射辐射和散射系数除了新疆的乌鲁木齐和甘肃的兰州减小外,在所有地区几乎都呈上升趋势。散射辐射最大在东南沿海地区,最小在西北（新疆的乌鲁木齐）,但是散射系数在中东部地区相对较大。     

Interannual and Decadal Variations of Surface Solar Radiation over East China in the First Half of the 20th Century

Variability and long-term trends of sunshine duration(SSD) and total cloud cover(TCC) were studied based on surface observations from 10 meteorological stations over East China in the first half of the 20 th century. The correlation coefficients between SSD and diurnal temperature range(DTR), as well as TCC, were analyzed. SSD experienced a significant increasing trend(0.16 h d-1 per decade) from 1908 to 1936, and the maximum brightening was in autumn(0.33 h d-1 per decade). The good agreement between the variability of SSD and DTR, supported by the correlation coefficient between them of 0.72, implies that the SSD measurements were reliable. TCC showed a decreasing trend(-0.93% per decade) and was significantly inversely related to SSD(-0.74), indicating the variation of SSD was attributable to changes in cloud cover. The result was obviously different to that since the 1960 s, when clouds could not account for the decadal trend of surface solar radiation in China.     

华东三市能见度、气溶胶和太阳辐射变化特征

利用南京、杭州和合肥3个台站1961-2001年能见度和水汽压资料,反演3个城市0.55 μm气溶胶光学厚度(AOD),并据此分析了这3个城市的能见度和气溶胶光学厚度的变化特征;利用太阳辐射资料分析太阳辐射变化特征,并与气溶胶光学厚度变化特征作对比.结果表明,在1961-2001年间,这3个城市的能见度呈现明显下降的趋势,南京和杭州下降最快,合肥下降较慢,并且具有明显的季节性差异,夏季最大,冬季最小.气溶胶光学厚度则呈现上升趋势,增加最快的是南京,最慢的是合肥.按季节划分来看,春夏较高,秋冬较低.1990年之前,这3个地区的总辐射和直接辐射都呈现明显的下降趋势,散射辐射的变化趋势不显著,而1990年后,南京与合肥的总辐射略有回升.辐射季节总量按由多到少依次是夏季、春季、秋季和冬季.气溶胶光学厚度与直接辐射间有较好的负相关性.     

Value-Added Products Derived from 15 Years of High-Quality Surface Solar Radiation Measurements at Xianghe,a Suburban Site in the North China Plain

Surface solar radiation(SSR) is a key component of the energy budget of the Earth’s surface, and it varies at different spatial and temporal scales. Considerable knowledge of how and why SSR varies is crucial to a better understanding of climate change, which surely requires long-term measurements of high quality. The objective of this study is to introduce a value-added SSR dataset from Oct 2004 to Oct 2019 based on measurements taken at Xianghe, a suburban site in the North China Plain; two va...     

南宁太阳总辐射长期变化特征

利用南宁气象站1961-2009年太阳辐射观测资料,运用线性倾向估计、M-K突变检验等方法对近49年来太阳辐射变化的主要特征进行了分析。结果表明,近49年来年太阳总辐射呈弱下降趋势,下降突变点为1964年,线性下降速率为28.9 (MJ/m²) /10a,其中下降主要发生在1961-1992年,1993年后显著增加;春、秋和冬季太阳总辐射变化趋势和全年相似,夏季则呈弱增加趋势。分析表明,总云量和表征气溶胶多少的能见度是影响太阳总辐射变化的主要气象因子。     

我国散射辐射的气候计算方法及其分布特征

使用全国６４个日射站的散射辐射资料，首先计算与建立了各地１月、４月、７月和１０月的月散射辐射值与总云量、日照百分率之间的相关系数与经验关系式，并对经验关系式进行了方差检验。该经验关系式为：Ｄ＝Ｑ０（ｓ１＋０．０１）（ａ＋ｂＮ）。应用该经验关系式和２００多个地面气象站的资料，计算了各地的１月、４月、７月和１０月的散射辐射值。最后对我国四季散射辐射的分布及其年变化作简要的分析。     

中国地表太阳辐射再分析数据与观测的比较

利用我国地表太阳辐射台站资料和海上观测资料与同期的NCEP/NCAR, NCEP/CFSR再分析资料进行比较,检验再分析资料是否能够反映中国地区的太阳辐射特征。结果表明:1979年之前NCEP/NCAR太阳辐射资料的可信度较低,存在虚假的明显上升趋势,1979年之后两套再分析资料的可信度均较高,在我国东部和低纬度地区的可信度好于西部和高纬度地区;由逐6 h再分析数据直接计算得到的逐日太阳辐射比实际观测偏低,剔除太阳辐射为零的情况计算逐日资料更合理。在大陆地区,NCEP/NCAR,NCEP/CFSR再分析资料与台站太阳辐射资料的1979—2009年共31年平均误差分别为10.37 W·m-2和-42.68 W·m-2,误差的标准差分别为12.31 W·m-2和4.19 W·m-2;在海洋区域,NCEP/NCAR,NCEP/CFSR再分析资料与海上观测太阳辐射资料的平均误差分别为-161.19 W·m-2和-179.66 W·m-2,误差的标准差分别为37.07 W·m-2和35.36 W·m-2。与大陆台站资料相比,海上观测与再分析资料的误差偏大,这可能与海上观测资料较少,限制了NCEP模式的评估和改进有关。     

1961~2003年中国大陆地表太阳总辐射变化趋势

利用中国大陆30个气象站1961～2003年地表太阳总辐射观测数据,研究了辐射年总量和季节总量的变化趋势及其空间分布特征,并探讨了其原因。结果表明:1961～1989年中国大陆地表太阳总辐射总体呈减少趋势,减少约11%;1990～2003年间略有回升,但其均值仍比1961～1965年的均值低8.2%。大部分地区春夏两季减少明显,约占年减少量的55%～85%。对各站点观测数据的趋势分析表明,地表太阳总辐射随时间的变化大致可分为4种类型,其特征分别为:1961～2003年间持续减少(占总站点数20%);20世纪60年代初到80年代中期呈显著减少趋势,其后线性趋势不明显(占总站点数40%)或呈逐步增加趋势(占总站点数16.7%);1961～2003年间无显著变化(占总站点数23.3%)。这4种类型在空间分布上无明显的区域特征。日照时数减少是总辐射减少的主要原因,可以解释地表太阳辐射年总量变化的72%,日照时数随风速的增大而增加。     

基于卫星遥感的新疆地表太阳总辐射估算

为了实现地表太阳总辐射合理的精细化模拟,本文尝试将天文辐射分布式理论模型和总辐射气候学经验模型相结合,引入重采样后的FY-2G卫星遥感总云量资料,建立了基于卫星遥感数据的地表太阳总辐射估算模型,并以气象站点稀疏的新疆为例,完成年、季地表太阳总辐射的精细化空间模拟,同时对模拟结果进行分析和检验。结果表明:(1)新疆区域年天文辐射量由南向北递减,大致以天山为界,天山以南区域的年天文辐射量高于10 000 MJ·m^-2,天山以北低于9750 MJ·m^-2,三大山脉对天文辐射的影响非常明显;(2)基于条带状重采样后的FY-2G总云量建立的日照百分率模型,其模拟的新疆区域平均绝对误差14.4%,且空间分布更加客观;(3)新疆"单站单月式"地表太阳总辐射气候学估算模型中,相关系数在夏半年较高,冬半年略有下降,且a、b系数的互补关系较为稳定;(4)从地表太阳总辐射检验结果来看,全区地表太阳总辐射的均方根误差年平均3.08 MJ·m^-2,模拟结果夏半年好于冬半年,南疆好于北疆,其中乌鲁木齐误差最大;(5)新疆年地表太阳总辐射整体表现为由西北向东南逐渐增加的空间分布,南疆盆地的总辐射量高于北疆盆地,天山山区西部为低值中心,而春、夏季总辐射由西向东呈经向分布,秋、冬季则呈纬向分布。     

太阳紫外辐射在大气中衰减的探讨

在对北京紫外辐射观测资料分析的基础上,提出了参与光化学反应的物质对太阳紫外辐射能量的吸收作用.计算表明北京地区1990年云天比晴天紫外辐射减少约为21W m-2,此值与CeSS等人的观测结果比较接近.这表明了大气中参与光化学反应的物质对光化辐射能量的吸收基本上等于云对太阳短波辐射的"异常吸收"之值.所以,在辐射传输模式、大气化学模式、气候模式中,应该考虑参与光化学反应的物质对光化辐射能量的吸收作用.     

晴天地表太阳辐射的参数化

讨论了晴天地表太阳总辐射和地表太阳净辐射瞬时值的参数化方法。首先利用辐射传输模式和中纬度夏季标准大气廓线,分谱带计算晴天各种大气条件下地表反射率取定值时的地表太阳总辐射,并把所得的结果作为标准资料,提出参数化方案。然后将地表反射率的影响作为误差项进行订正,从而得到各种地表反射率条件下的晴天地表太阳净辐射的计算方法。该方法的拟合精度较高,拟合值与辐射模式标准值的平均相对误差在0.3%以下。该参数化公式可以用于大尺度数值模式中地表辐射平衡的计算,以期达到地表辐射平衡计算与模式积分同步进行的目的。     

2011年地面入射太阳辐射变化及其与敏感因子回归分析

太阳辐射是地球上一切生命的源泉,亦是地球天气、气候系统发生发展和演变的能量来源。利用FY2E卫星遥感产品地面入射太阳辐射资料和地面常规观测资料,对2011年鹤壁市地面入射太阳辐射变化特征分析结果表明：鹤壁市2011年地面入射太阳辐射日曝辐量和月累积量的变化有明显的季节性,其年累积量为5721．38MJ·m^-2,日曝辐量3—4月增加迅速,其中3月份环比增长59％。地面入射太阳辐射总体变化趋势可以用一元多项式进行回归拟合,拟合曲线与实测资料的相关系数达0．8。地面最高温度与地面入射太阳辐射存在明显正相关,地面入射太阳辐射增大,地面最高温度就会升高。地面蒸发量对地面入射太阳辐射高度敏感,地面入射太阳辐射增大,地面蒸发量就会增大。通过对地面入射太阳辐射与地面敏感气象要素的多元回归分析发现,地面入射太阳辐射的二元线性回归预测水平高于一元线性回归预测水平。通过地面气象要素的多元线性回归预测,可估算地面入射太阳辐射值,这为相关研究及业务服务等提供了一种获取地面入射太阳辐射的方法。     

利用水平面太阳直接辐射日曝辐量反演大气气溶胶光学厚度的方法研究

本文发展了一个从宽带水平面太阳直接辐射日曝辐量 (总辐射与散射辐射日曝辐量之差) 反演光谱大气气溶胶光学厚度的方法, 包括建立一个 “等效” 的瞬时太阳天顶角模型, 并提出了一个基于气溶胶标高的云影响甄别方法。对该反演方法的数值模拟和误差分析表明: “等效” 瞬时太阳天顶角模型的不稳定性引起的光学厚度反演误差平均为3.66％; 光学厚度日变化对一段较长时间的平均光学厚度的影响不显著; 订正造成的散射辐射误差≤20％时, 光学厚度平均偏差≤4％。通过与AERONET产品的比对验证表明: 本文发展的光学厚度反演方法和云影响甄别方法都是有效的; 晴空反演的0.75 μm光学厚度与AERONET的相关系数超过0.95, 平均误差约0.02; 云甄别方法计算的季节和年平均光学厚度与AERONET具有较好的一致性。     

福建省散射辐射的计算方法及其分布特征

提出了综合考虑日照百分率和总云量来计算散射辐射的公式。将散射辐射Ｄ除以日照百分率Ｓ１，称其为净散射辐射。同时求出各月及年的净散射辐射与当地天文辐射的比值和总云量的相关系数ｒ。各月与年的相关系数均为正值，且ｒ均大于ｒ０．０１。在此基础上建立计算散射辐射的经验公式：Ｄ＝Ｓ１Ｑｏｅ＾ａ＋ｂＮ，式中Ｄ为散射辐射；Ｓ１为日照百分率；Ｑｏ为天文辐射；Ｎ为总云量；ａ和ｂ为经验系数。使用该经验公式求得福建省所有市     

由GMS资料估算我国东部地区夏季地表净辐射

利用1994年6月、7月上海和北京地区08—17时地面观测资料及同期GMS卫星红外、可见光数字云图资料，用统计的方法讨论了地表净辐射与卫星测值之间的关系，建立了用卫星资料计算08—17时各时刻地表净辐射和08—17时总地表净辐射的估算模式，并分别以1994年7月1日14时的云图和济南地区为例作了检验。结果表明用卫星数字云图资料估算地面08—17时各时刻地表净辐射和08—17时总地表净辐射是可行的。