论文总字数：13695字

目 录

1引言 1

1.1研究的目的和意义 1

1.2国内外研究进展 1

2资料与方法 3

2.1资料与来源 3

2.2方法 3

2.2.1天文辐射的计算 3

2.2.2线性回归 4

2.2.3曼−肯德尔（Mann-Kendall）突变检验法 4

2.2.4小波分析 5

3结果与分析 5

3.1散射辐射的年变化 5

3.1.1散射辐射的年际变化 5

3.1.2散射辐射的年内月变化 6

3.2散射辐射的季节变化 7

3.3散射辐射突变年的检验 9

3.4散射辐射的小波变化 9

3.5散射辐射占总辐射的比例变化 11

4小结 11

参考文献 12

致谢 14

北京市1961-2009年散射辐射的变化特征

张寓

, China

Abstract: According to solar radiation data from 1961 to 2009 in Beijing, by using Linear regression, Mann Kendall mutation test method and wavelet analysis method, analysis of the relationship between the change of radiation characteristics and scattering radiation and clearness index and scattering form 1961-2009 in Beijing. Results show that: The annual average value of the scattered radiation in Beijing in the last 49 years is 2823MJ/m², the overall decline in the trend, there are change period of 43 years. In 1976 there was a mutation, decrease significantly after 1988. Clearness index is less than 0.3, the scattered radiation is basically equal to the total solar radiation; clearness index is greater than 0.3, the ratio of scattering radiation and total radiation decreases with the increase of clearness index is linearly decreasing; clearness index reached 0.45, the ratio of scattering radiation and astronomical radiation maximum.

Key words: solar radiation; scattered radiation; clearness index; change trend

1引言

1.1研究的目的和意义

地球-大气系统的辐射收支塑造了地球气候的主要特征，在大气和海洋的热力及环流中起了决定性的作用。太阳辐射是地球表面在不同的大气条件下接收到的，这会影响到地面在白天过程中得到的辐射量和质量。大气浑浊度和透明度、空气质量、大气水汽含量以及云盖的层次和厚度等大气条件被认为主要通过吸收、散射和反射太阳辐射来削弱地球表面对太阳辐射的消耗^[1-3]。

气候变化是当今世界面临与国家经济和社会发展相关的一个重要问题，多尺度、全方面、多层次的气候变化正、负面影响共存，其负面的影响更受关注^[4]。2007年2月2日IPCC的第四份全球气候评估报告指出，“全球气候变暖是目前人类最迫切的问题，90%可能是人为造成的”。太阳辐照度数据是描述研究大气现象和大规模的天气分析和预测的关键，因为地球表面接收到的太阳辐射是大多数气象过程的驱动力^[5]。研究地面接收的太阳辐射，不仅具有直接的气候意义，而且有助于对大气成分变化区域的了解，进而探讨造自然或人为原因的变化^[6]。太阳辐射能在地球表面的地理分布和随时间变化的信息不仅在天气和气候的研究中需要用到，而且在农业实践、食品生产水文、生态、能源发展规划和利用中也需要用到^[7]。因此，太阳辐射和散射辐射的变化成为近年的研究热点。

1.2国内外研究进展

太阳辐射是地球表层的主要能量，也是影响气候变化的重要因素之一。到达地面的太阳总辐射由太阳直接辐射强度和太阳散射辐射组成。有研究表明，在1950年到1980年期间，全球大部分地区的地到达面太阳总辐射和直接辐射减少，造成这种现象可能是大气中气溶胶粒子浓度增加^[8-9]。90年以后，全球大部分地区地面接收的总辐射和直接辐射呈增长趋势^[10]。自工业革命以来，大气污染、气溶胶粒子增加等环境问题对人类生存环境的严重危害日益加剧，同时对太阳辐射造成了很大影响，已经引起国内外学者的高度重视^[11]。

近年来的研究表明，在过去的50年里，我国大部分地区地面接收的太阳辐射量总体呈下降的趋势^[12-13]，从1960开始，散射辐射显著减少^[14]，其中60-70年代减少趋势最显著^[15]。有学者的研究结果表明，在国内外许多大城市中太阳辐射随着大气污染的加重而降低^[16-18]。西北地区总辐射和直接辐射都在20世纪80年代中期达到最低值，90年代以后,呈上升趋势，波动的振幅较大，散射辐射在1970年后一直呈缓慢下降趋势；我国西部散射辐射总体呈下降趋势，但又呈阶段性的波动，与西部地区相反，东部地区散射辐射年际变化总体上呈波动缓慢增加趋势，到2000年以后显著增加；东北华北区的总辐射在20世纪80年代中期处于波谷，而直接辐射是一个缓慢下降的过程，散射辐射则缓慢上升；青藏高原地区辐射变化最显著，总辐射和直接辐射都在1971年达到峰值，然后缓慢下降至1991年跌入谷底，散射辐射缓慢下降；四川盆地和云贵高原总辐射和直接辐射从1960年以来一直缓慢下降至1989年，进入90年代后，有缓慢增加的趋势，而散射辐射则相对保持平稳；中国的东南沿海、华中和华南广大地区总辐射和直接辐射有较大幅度的波动，1968年以前直接辐射年总量大于散射辐射，对总辐射的贡献率大于散射辐射，而在1968-1994年间散射辐射对总辐射的贡献率大于直接辐射，总辐射和直接辐射在80年代中期持续出现低值，1991年后缓慢回升^[10]。

一年中，散射辐射的峰值在夏季，低值在冬季。散射辐射从1月开始增多，4到8月较高，之后散射辐射逐渐降低，最低值在12月^[19]。买买提艾力等^[13]给出的塔克拉玛干沙漠的散射辐射最高值出现在8月,夏季湍流运动强烈，午后温度升高快，容易把沙尘带入空气，空气中气溶胶粒子增多，散射辐射增强，而乔艳丽等^[20]给出的青藏高原散射辐射最高值在4月，张占峰等^[14]得出的格尔木地区散射辐射最大值在5月。青藏高原的4月、格尔木地区5月降水量少，土壤水分低，辐射较强，空气干燥，风速较大，并且地面植被尚未反青,地面的浮尘易被带入到空气中，使空气中的气溶胶粒子量增加，青藏高原5月份降水量增加，土壤含水量增加^[21]，植被开始反青，6月太阳辐射最强，但是降水主要集中在5-9月，植被的覆盖率迅速增加，散射辐射都低于4月。格尔木地区6-8月太阳辐射最强，6月植被开始迅速增加^[22]，6-9月降水集中，空气相对湿度增大，对大气中气溶胶粒子有较好的清除作用^[23]，散射辐射低于5月。冬季散射辐射除了四川盆地及云贵高原为一低值中心，塔里木盆地为高值区外，散射辐射随纬度的增加而减少；春节散射辐射由东南向西北逐渐增加，华南为我国的春季散射辐射的低值区，春季大风的增加使大气中气溶胶粒子增加，散射辐射有明显的增大；夏季的太阳高度最大，受海洋季风的影响，我国大部分地区大气湿度明显增加，因此夏季为散射辐射出现最高值的季节，夏季散射辐射呈西到东低、北高南低的形势，高值中心分别在塔里木盆地、柴达木盆地以及西藏高原^[24]。

晴空指数是一个反映地面辐照度、太阳辐射穿越大气和太阳辐射受到影响的一个综合参数^[25]。Zeroual^[26]指出晴空指数能够更便捷的分离季节对气候的影响，Stanhill和Cohen认为近年来全球太阳辐射下降与云量有关^[27]。一般情况下，到达地面的太阳辐射随云量的减少而增加，反之，增加。太阳直接辐射经过大气层时，太阳辐射被云层吸收和散射，大气透射率降低，从而造成太阳辐射减少^[15]。总之晴天时，晴空指数大，散射辐射较弱，反之，当阴天或多云时，晴空指数降低，散射辐射增强。晴空指数大于0.7时，散射辐射占总辐射的比例较低，无论晴天还是多云天气，相对于夏季来说冬季的散射辐射占总辐射的比例较高；阴天时，夏季阴雨天居多，总辐射有明显的降低，散射辐射占总辐射比例增大^[14]。散射辐射与总辐射的比例随天空云量的增加而增大^[28]。祝昌汉根据我国70个日射站24年资料统计，得出散射辐射年总量占总辐射年总量的比值,全国平均为46%，东部地区平均为49%，其中川黔地区更高达59%^[24]。

一天中，太阳总辐射和散射辐射随太阳高度角的增加而增大。在相同太阳高度角下，多云天的散射辐射较高，晴空指数在0.45左右时散射辐射最大，晴天或阴天时的散射辐射较低^[24]随着太阳高度的升高，散射辐射对晴空指数的变化敏感^[20]。不同的晴空指数下，散射辐射随太阳高度角变化对散射辐射的变化速率影响存在差异，多云天的散射辐射变化速率最大^[19]。到达地表的太阳辐射是经过大气吸收和散射后接收的，在晴天条件下，太阳高度角和大气透明度等因子决定了地面接收的太阳辐射^[15]。日出日落时刻的晴空指数较低，散射辐射比例有较高的比值，日出日落时刻地表接收的太阳辐射主要是散射辐射。这与太阳高度和大气混浊度，空气质量，大气中的水蒸气含量和云盖层分布达到地面的太阳散射辐射有关。在接近日落或日出的时间，入射的太阳光束和接收表面之间的角度是相当大的。正午时刻，晴空指数最大而散射辐射比例达到最低值，这是因为太阳光线通过一个单一的或相对稀薄的大气厚度，遇到相对较少的大气成分，经过较少的散射和反射，从而导致太阳辐射的散射辐射比例较低^[7]。

散射辐射不仅受太阳高度角的影响，还受空气中的气溶胶粒子、湿度、晴空指数等因子的影响。

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