太阳辐射减弱研究进展

我国太阳辐射减弱研究进展摘要：本文综述了近40年我国太阳辐射变化，主要是减弱变化的研究结论。研究表明，虽然多年间太阳辐射值有所波动，但总体呈现下降趋势。太阳辐射的减弱主要由于云、臭氧以及大气气溶胶等的作用。排除云层厚度等的影响，近30年来中国的大部分地区的太阳直接辐射和总辐射能减弱，青海、贵州、四川、甘肃和长江中游地区最为明显。大气气溶胶含量增加，使得散射辐射比例增强，太阳总辐射持续下降，这将对农业生产产生重要影响。关键词：太阳辐射；遮荫；云量；气溶胶；农作物生产1引言当前，太阳辐射减弱所引起环境效应受到了人们的广泛关注。近年来，中国地区大气气溶胶的浓度、大气浑浊度及灰霆日数增加导致到达地表的太阳辐射呈现降低趋势，其中长江三角洲地区的降低较为明显。到达地表的太阳辐射是地球生命的能量来源，是决定气候形成和环境变化的重要因子[21]。近年来，我国工业化进程加快，大气污染物排放显著增加，导致大气气溶胶浓度及雾霆日数与日俱增，最终将导致这些地区到达地表的太阳辐射呈减少趋势[23]。2961一1990年间，全球到达地表的太阳辐射每年减少2.3%[22]。从20世纪50年代到90年代，我国日光强度每10年就会下降3%一4%，这种趋势在70年代以后愈发明显[22]。其中[1]华东地区在1961一2008年间，每十年下降2.05w/m2。不断降低的太阳辐射将会显著影响我国的生态平衡和农业发展，成为气象环境中新的研究热点问题。2太阳辐射的变化研究太阳辐射是地球生态系统的最终能量来源，是决定气候形成及生命活动的重要因子。因此,一直以来有关太阳辐射变化及其影响因素的相互关系是人们关注的热点问题之一[27]。目前普遍认为，1960年代以来全球太阳辐射经历了“变暗”至“变亮”的过程，其中1990年代以前为减弱期，辐射强度平均下降了大约10%[45]；1990年代以后全球太阳辐射上升，出现“全球变亮”趋势，对气候变化产生了重要的影响[23]。2.1我国太阳辐射的测定我国近20年煤、石油和天然气等常规能源将在一二百年内面临枯竭，按目前开采速度,世界原油将在年后全部耗尽，天然气将在年后耗尽，而煤在年后也将耗尽仁门，一些发达国家未雨绸缪，已开始制定应对传统能源危机的可持续发展战略，研发太阳能、风能等新能源。按年的能源消费总量计算，我国常规能源仅够满足年使用，急需开发太阳能等新能源,以应对国民经济发展迫切的能源需求，并减缓二氧化碳、甲烷等温室气体排放。为广泛有效利用太阳能,科学评估我国各地区太阳能资源可利用量,必须了解我国太阳辐射精细分布状况。目前，研究太阳辐射的方法主要有地面台站观测、卫星遥感和数值模拟研究[24]。地面台站观测具有时间连续的优点，但台站空间分布离散,一般采用地理空间插值的方法弥补，带有较大的插值误差，尤其是站点稀疏地区。19世纪50年代，研究利用辐射台站资料获得我国太阳辐射分布基本特征，结果表明我国太阳辐射总体特征西高东低，青藏高原是我国太阳辐射最强区域，但其研究空间分布精度较低。近年来，研究以模式为基础结合辐射、气象站点信息，采用参数化、地学空间插值方法获得我国太阳总辐射空间分布状况，空间分辨率有所提高。李晓文等[30]利用台站资料研究表明，我国太阳总辐射和直接辐射呈减小趋势，认为大气中悬浮颗粒浓度增加是引起部分地区直接辐射量下降的可能原因。在卫星遥感辐射方面，利用我国东南沿海地区探空站的资料，建立晴空状况下卫星测值与大气中各高度太阳直接辐射和散射辐射的统计模式。卫星遥感资料空间分布连续，但时间分布是间断的另外，数据质量易受天气条件影响，当前技术对地面太阳辐射状况的反演还存在一定困难。2.2太阳总辐射太阳辐射是自然界中各种物理和生理过程的主要能量来源，是驱动天气、气候形成和发展的基本动力［2，3］，是地面各类生态系统的能量主要来源。太阳辐射在经过大气层时，由于受到云［4］、水汽、大气中的CO2和臭氧[5］等气体以及气溶胶粒子［6］等的吸收、反射和散射作用，使到达地面的太阳辐射减弱。到达地面的总辐射等于散射辐射和直接辐射之和。当白天太阳被云完全遮蔽时，总辐射等于散射辐射。散射辐射和直接辐射、直接辐射和总辐射、散射辐射和总辐射的比例变化一定程度上反映该地区云和大气成分的变化，也说明该地区总辐射构成变化，是描述一个地区太阳辐射特征的重要参数。研究表明[7]，，在1960~2010年间，照射到地球表面的太阳光已经显著下降。全球平均每年下降0.51±0.05W/m2,相当于每10a下降2.7%,而主要的下降区域分布在30°-40°N,最大的下降速率达到每年1.7W/m2或1.2%。过去的数十年里中国地区的太阳辐射量也成显著下降趋势，在1961-1995年，年日照时数的距平值呈直线下降趋势，平均每年下降5h。长江中下游地区，总辐射的变化以1980年为节点，呈现不同趋势的变化[8]。1980s为谷值，谷值前有明显的下降趋势，后期总辐射变化趋势发生逆转，下降趋势停止，甚至有少许上升趋势。太阳总辐射的变化是由多种因素共同作用的结果，气溶胶、日照时长、云量、水汽、能见度都可以在一定程度上影响太阳总辐射，其中气溶胶的增加被部分学者认为是引起总辐射下降的重要原因[9,10,11]。对于其他因子，有研究表明[8]，随着日照时数的增加，地表太阳总辐射增加；云量对太阳辐射具有反射和吸收作用，其对太阳辐射的削弱约占天文辐射的35%[12]；水汽对短波太阳辐射在大气中传播有很大影响，虽然目前研究显示在部分地区，水汽对短波太阳辐射的吸收仅相当于气溶胶对太阳直接辐射削弱的50%左右[13,14]，但水汽仍然是影响太阳辐射大气传输的一个重要因子；而能见度与总辐射之间呈正相关[8]。2.3太阳直接辐射太阳直接辐射是总辐射的重要组成部分，在大部分天气条件下，直接辐射在总辐射中占有很大比例。诸多研究表明[15,1617]，到达地面的太阳直接辐射是持续变化的。20世纪50~80年代，包括中国在内的全球大部分地区直接辐射是持续下降的，而自90年代起部分地区又有所回升，直接辐射的减弱在一定程度上可以说是太阳直接辐射减弱的主要原因。在我国，直接辐射总体趋势是下降的，但各区域的变化并不一致[18]。我国直接辐射的减少主要发生在东部和南部地区，其中，长江中下游地区和华南大部分地区下降尤为明显，黄河下游地区、东北平原降幅也比较明显；而西部地区的直接辐射并没有明显变化，部分地区甚至有所上升。2.4太阳散射辐射太阳散射辐射是太阳辐射通过大气时，受到大气中气体、尘埃、气溶胶等的散射作用，从天空的各个角度到达地表的一部分太阳辐射，又称天空散射辐射。散射辐射可以提高作物冠层光能利用率，增强冠层碳吸收[18]，所以散射辐射的研究也显得十分重要。研究表明[19]，我国散射辐射总体呈东北部低，南部、西部高的特点。另一方面，在1981-2010年，我国散射辐射总体上呈上升趋势，在华南地区和长江中下游地区上升明显，其中大城市（如广州、上海、南京等）的上升趋势最为明显，这可能与城市化发展和气溶胶粒子较多有关[20]。4太阳辐射减弱原因大气层中水汽、云、气溶胶及火山灰等物质对太阳辐射的吸收、反射以及散射作用，被认为是造成太阳辐射发生变化的主要原因。上世纪50年代以来我国开始对太阳辐射变化及其影响因素进行研究[31,32]，发现1960一2000年间中国地区总辐射和直射辐射在1990年前后发生了由减少至增加的转折[25,26]。近年来，一些学者探讨了中国地区各区域的太阳辐射变化状况，得到了相似的结果[27,28]。有研究发现，近年来大气混浊度和大气中悬浮粒子浓度的增加是引起中国某些地区直接辐射量下降的可能原因之一[30]。有研究表明[29]，云量变化不是导致中国地区太阳辐射减弱的主要原因，显著上升的气溶胶浓度才是辐射变化的根本原因。最近的研究表明，气溶胶、云和水汽对华东地区地面太阳总辐射的长期变化都有一定的影响，但在不同的时段影响程度不同，在1981一1989年总辐射的减少主要归因为气溶胶的增加；而在1990一1999年和2000一2008年则以云量的影响为主，而且低云量对地面总辐射的影响要大于总云量的影响[1]。气溶胶通过散射和吸收作用直接影响太阳辐射，同时可作为云凝结核(CCN)改变云的光学和微物理特性，如云滴尺度分布、云反照率和云生命周期等，对太阳辐射产生间接的影响。此外，气溶胶还可以通过直接和间接效应对农业有着显著的影响。其直接效应包括:1)削弱了到达地面的太阳总辐射(直接辐射与散射辐射之和),从而降低作物的光合作用,导致做物减产并引起品质变化；2)气溶胶粒子(飞尘、黑炭、沙尘)降落在植株的表面,遮蔽了到达叶面的太阳辐射；3)气溶胶湿沉降引起酸雨污染，从而对作物造成伤害；间接效应包括:1)改变了地表温度，从而影响作物的生长季；2)改变了降水量和地表蒸发量，进而影响植物的生长发育。然而，由于气溶胶的物理、化学与光学特性及其所处的大气环境等因素异常复杂，致使其与太阳辐射的相互关系仍存在很大的不确定性，仍需要进一步深入研究。探讨太阳辐射变化及其与气溶胶辐射特性的相互关系，可为预防气候变化对我国农业生产的可能影响提供理论依据。5太阳辐射减弱对作物的影响我国是一个典型的农业大国。农业对国民经济发展以及人民生活具有非常重要的意义，是我国国民经济的基础。随着作物生产技术提高、生产设施的改善和品种产量水平的提高，气候生态因素尤其是光照条件对作物生产的影响越来越大。因此，研究太阳辐射减弱对农作物的影响具有重要意义。地表太阳辐射减少会对作物造成一系列的伤害，如使作物茎秆变细、植株变高，叶面积指数降低，生长加快、根冠比增加[44]，促进植物对S，cu，Fe，Mg等元素的吸收[41],减少叶绿素含量、降低电子传递能力[43]，降低气孔导度[42]，影响自由基和各种生物酶活性[43]，减少成花数、降低成花率[39],降低作物生物量与产量[38]，干物质积累速率降低、植株N、p、K养分吸收量减少[40]。同时改善作物品质[34,35]。作物响应模型模拟认为，太阳总辐射每下降一个单位水稻或小麦的产量就下降一个单位[33]。根据光能生产潜力计算结果，玉米生育期间太阳总辐射减少1kJ·cm-1，相当于玉米生物产量减少337.5kg·hm-1。有研究指出小麦籽粒灌浆期光照减少，籽粒干重显著降低。在灌浆期光照强度减少1/2时，小麦的结实率、千粒重普遍下降，结实率减少19.3%，千粒重损失27.3%[36]。就整个长三角地区而言,气溶胶增多导致冬小麦和籽粒产量分别减少了12%和9%左右,当气溶胶光学厚度增加一倍(AoD=1.56)时，两种籽粒产量将分别减少9%和8%左右[37]。可见，太阳辐射减弱对于农作物生长发育及产量形成都具有重要影响，因此开展这方面的研究具有重要意义。参考文献[1]尹青,张华,何金海.近48年华东地区地面太阳总辐射变化特征和影响因子分析[J].大气与环境光学学报.2011,6(1):37一46[2左大康、周允华、项月琴、朱志辉、谢贤群.1991地球表层辐射研究[M].北京科学出版社,1991:1-2.[3]石玉林、陈传友、何贤杰、容洞谷、沈长江.资源科学[M],北京高等教育出版社,2006:395—396.[4王秀俊.云对太阳辐射的影响{J].科技风，2012，第7期：96-99.[5]陈丹、周斌、郝楠、陈立民.O4对利用天顶散射光法测量大气组分含量的影响研究[J].物理学报,2006(10):123-127.[6］罗云峰、吕达仁、李维亮、周秀骥.近30年来中国地区大气气溶胶光学厚度的变化特征[J].科学通报,2000（05）:76-81.[7］StanhillG，CohenS．Globaldimming:areviewoftheevidenceforawidespreadandsignificantreductioninglobalradiationwithdiscussionofitsprobablecausesandpossibleagriculturalconsequences,Agriculturaland