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。     

1961-2007年云南太阳总辐射时空变化特征

根据云南省7个辐射站太阳总辐射资料和113个台站日照百分率资料,建立了1961-2007年全省太阳总辐射时间序列,运用旋转主分量方法将全省分为4个区,并在此基础上研究云南太阳总辐射的时空分布和变化特征。结果表明：云南太阳总辐射呈中部多,西南部次之,东部及西北部少的分布特征。1961-2007年呈波段减少的变化趋势,线性倾向率为-0.64%/10a,其中中部及东部显著减少,西南部略有增加。其间出现两次突变,一次是1986年的显著减少,另一次是1993年以后的回升。分析表明,相对湿度和云量是影响太阳总辐射变化的主要气象因子。     

中国不同时间尺度地表太阳总辐射估算研究

利用全国95个气象站点逐日地表太阳总辐射和日照时数资料,通过最小二乘法拟合回归建立地表太阳总辐射气候学计算模型。通过对比分析以日值和月值为起点的地表太阳总辐射计算模型的精度,确定了全国不同省份和区域的不同时间尺度（月、季节、生长季和年）地表太阳总辐射计算模型,并探讨了经验系数a、b值的分布及变化特征。结果表明,以日值和月值为起点建立的月、四季、生长季和年地表太阳总辐射计算模型精度无显著性差异,相对误差均低于8.5%,但以日值为起点的计算模型a、b值变异性更小。在以日值为起点建立计算模型的前提下,全国各地a、b值自西北部向南部减小,且从四季到生长季再到年尺度,随着时间尺度增大,a、b值振幅减小。根据不同省份年地表太阳总辐射计算模型经验系数a、b值,全国可划分为新甘蒙地区、青藏高原地区和中东部地区3个区域,分别确定了每个区域四季、生长季和年尺度下地表太阳总辐射计算模型。各区域不同时间尺度地表太阳总辐射计算模型均通过了显著性检验（p<0.01）,其中青藏高原地区和新甘蒙地区模型相对误差低于8.0%,模拟精度较高。     

1961-2010年杭州太阳总辐射及日照时数气候变化

利用1961-2010年杭州站太阳总辐射、日照、降水、云量、水汽压和视程障碍日数资料,采用气候倾向率、突变检测和相关分析等方法,研究了近50 a太阳总辐射和日照时数的变化特征及其成因.结果表明,近50 a杭州年太阳总辐射和日照时数均呈减少趋势,以日照时数下降更明显,其突变年份分别发生在1975和1971年;年太阳总辐射下降主要出现在1961-1992年,1993-2010年呈波动变化,1993年以后未出现明显“变亮期”,而年日照时数在上述两个时段都表现为显著下降趋势,至21世纪00年代降到最低.夏、秋、冬3季太阳总辐射和日照时数趋势变化与年变化基本一致,春季两者在1961-1992年均呈下降趋势,1993年后存在较明显的“变亮期”.降水量、低云量和轻雾日的增加是造成杭州年及夏、秋、冬3季太阳总辐射和日照时数减少的主要原因,春季太阳总辐射的增加则主要与降水量、雨日、总云量和低云量减少关系密切,此外,霾日数变化对日照时数的影响也非常重要.     

1979～1996年期间北京地区太阳紫外总辐射的变化趋势

对实际天气条件下北京地区1990年1月至1992年8月太阳辐射观测资料进行了详细的分析,得到了实际天气条件下到达地面的太阳紫外总辐射的计算公式。结果表明,计算值与观测值吻合得比较好。最后,利用此公式计算了北京地区1979年1月～1996年6月的太阳紫外总辐射,并讨论了1979～1996年北京地区太阳紫外总辐射的变化趋势。     

南海中部的太阳总辐射特征研究

通过对南海中部的永兴岛的太阳总辐射观测资料进行分析，得出了关于南海中部的太阳总辐射特点的一些基本结论：大气的晴空透射率约为0．75；1990年代末期，3年平均云影响了约28％的最大可能总辐射能量；总辐射年平均值约为6763．7MJ／m^2a；3—8月月平均总辐射量维持在650MJ／m^2m左右，8～12月为下降阶段，1—3月为上升阶段。     

云南山地太阳总辐射的分布式模拟

在前人研究的基础上,对太阳总辐射模拟模型进行了改进:利用MODIS的地表反照率产品,取代前人研究中的计算地表反照的经验公式,并且在更短的积分步长内进行计算,进而开发了复杂地形下太阳总辐射的模拟模型。应用1000 m分辨率的数字高程模型(DEM)数据以及常规气象资料和2个辐射站的实测总辐射数据对模型进行验证,结果表明:所建立的分布式太阳辐射模拟模型能准确地模拟云南的太阳总辐射,模拟值与实测值吻合非常好;云南年总辐射变化在3191~5858 J·m-2·s-1之间,四季的辐射差异不大,春季稍高,冬季次之,其次是夏季,秋季稍低,这可能是受夏季降水量以及云量较多的影响。在区域分布上,云南省境内多山,地面起伏较大,对总辐射的区域分布产生了较大的影响,如红河及南盘江两岸等,因遮蔽度较大,总辐射较低。太阳总辐射是陆地生态系统最基本也是最重要的能量来源,在小网格的尺度上进行精细化的太阳总辐射计算可以为多个学科的研究提供重要的基础数据,本研究为此提供了一个计算案例。     

太阳总辐射气候学计算及其特征分析

利用气候学计算方法 ,得到近40a灯塔太阳总辐射资料 ;在此基础上 ,分年、春、夏、秋、冬、生长季 6个时段 ,系统分析了当地太阳总辐射的分布特征。     

甘肃省太阳总辐射气候学计算

利用甘肃省及其邻近省份的７个日射站１９８２－１９８６年资料和Ｑ＝Ｑ＿０（ａ＋ｂ·Ｓ）关系式，起始值Ｑ＿０取理想大气太阳辐射月平均值，得到甘肃省不同气候区太阳总辐射的经验计算公式。并通过计算分析，说明辐射经验公式的计算精度有时间局限性；在经验公式回归时，似乎将年降雨量和降雨时间分布大致相同的）也区放在一起处理比较合适，并讨论了其原因。     

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。     

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.     

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.     

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。     

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。     

43a来我国城市气候和太阳辐射的变化特征

利用1961-2003年气候观测资料和辐射资料,综合分析了我国10个城市43a的云量、日照百分率、相对湿度、气温、降水以及到达地面的太阳辐射等要素的变化趋势。结果表明：（1）43a来10个城市中,多数城市的总云量减少而低云量增加;（2）各城市的日照百分率呈减少趋势;除乌鲁木齐外,其他城市相对湿度呈减小趋势;各地气温都有所升高;降水量变化的地区性差别较大而总体上变化幅度不明显;（3）除昆明外,各地太阳总辐射呈下降趋势,且总辐射减少主要是由直接辐射减少引起的。由此揭示,43a来我国城市正经历着以变暖变干为主的气候变化过程,人类活动特别是工业化和城市化进程,对气候系统产生了重要影响。     

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。     

Interdecadal Variability in Surface Solar Radiation over Northwest China and Its Possible Cause

The present study investigates the interdecadal variability of seasonal mean surface solar radiation over Northwest China using station observations from 1961-2003. Spring and summer surface solar radiation over Northwest China was lower in the late 1970s through 1990s than in the 1960s through the mid-1970s, and fall and winter surface solar radiation displayed similar patterns. These results indicate that the decrease in spring and summer surface solar radiation may be associated with increased low-cloud cover over Northwest China. Rainfall anomalies were closely related to the low-cloud cover over Northwest China and with the Northern Hemisphere circumglobal teleconnection in spring, summer, and winter.     

渭北一次区域性暴雨多普勒速度图分析

利用侯马市1960年～2003年太阳总辐射资料,对其变化趋势和突变特点进行了分析。结果表明,候马市年和四季的太阳总辐射都呈现下降趋势;年太阳总辐射的减少主要是由夏季和冬季太阳总辐射的减少引起的;通过采用M—K方法对年和四季总辐射序列的检测得知,各个序列都存在突变。