BSRN基準輻射站應用案例

基準輻射網(wǎng)絡（BSRN）的背景

太陽輻射驅(qū)動著地球變化的每一個動態(tài)過程，從洋流循環(huán)到氣候變化。準確測定地球表面的輻射收支，是了解地球氣候系統(tǒng)變化的基礎。

地表輻射平衡是地氣間相互作用的重要內(nèi)容，是全球變化和氣候極端事件研究中極受關注的方面。由于受地理位置、大氣成分、云和海拔高度等因素影響，太陽輻射在全球分布極不均勻。地球表面輻射的微小變化，也會導致生態(tài)氣候發(fā)生巨大的改變。但現(xiàn)有的輻射觀測無法達到氣候研究所需的精度。并且我們目前對輻射分布的理解仍然不足。

為了解決這些問題，由世界氣象組織（WMO）和國際科學聯(lián)盟理事會（ICSU）聯(lián)合發(fā)起了世界氣候研究計劃（WCRP）并組織成立了地表基準輻射網(wǎng)絡站（BSRN）。

2021世界BSRN站點分布圖（圖源:bsrn.awi.de/nc/stations/maps/）

基準輻射網(wǎng)絡（BSRN）的目標

BSRN 的目標是以高采樣率長期對短波和長波輻射進行高質(zhì)量觀測。整個 BSRN 網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)用于：

1. 使用目前可用的優(yōu)選方法監(jiān)測短波和長波輻射成分及其變化

2. 驗證和評估基于衛(wèi)星的地表輻射通量

3. 校準基于衛(wèi)星的地面輻射預算

4. 監(jiān)測地球表面輻射通量的區(qū)域趨勢

基準輻射網(wǎng)絡（BSRN）的測定要求

Kipp & Zonen BSRN 系統(tǒng)介紹

我公司根據(jù)用戶需求使用Kipp & Zonen品牌為中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所新疆阿克達拉國家大氣本底站提供太陽輻射表和自動太陽跟蹤器，國內(nèi)大多數(shù) BSRN 站都在使用Kipp & Zonen的設備進行測量。與此同時，Kipp & Zonen 也會定期參加BSRN 科學家們的會議討論，以了解他們的需求，并改進產(chǎn)品來滿足他們嚴苛的標準

以下是適用于BSRN基準輻射站的Kipp & Zonen產(chǎn)品基本信息：測定標準與測定優(yōu)勢

儀器的詳細信息

1.太陽跟蹤器

1.1 SOLYS 2太陽跟蹤器

SOLYS 2太陽跟蹤器是全球太陽能和氣象應用中使用很廣泛的太陽跟蹤器，其標準符合BSRN的觀測標準和要求，廣泛用于世界各地的測量項目

SOLYS 2太陽跟蹤器

1.2 2AP太陽跟蹤器

為滿足在極端天氣條件下的監(jiān)測，Kipp & Zonen 研究出2AP太陽跟蹤器，該跟蹤器在滿足BSNR的要求基礎上，且適用于極端的天氣環(huán)境包括南極研究站。允許在零下50攝氏度的寒冷天氣下工作

2AP太陽跟蹤器

2.輻射表

Kipp & Zonen的輻射表可測定太陽直接輻射、散射輻射以及太陽和地面的長短波輻射，測定標準符合BSRN的極高精度要求

CHP1太陽直接輻射表

CMP21/CMP22太陽總輻射表

CGR4長波輻射表

新疆阿克達拉國家大氣本底站BSRN基準輻射站建設

2021年5月，北京華益瑞科技有限公司參與了新疆阿克達拉國家大氣本底站的BRSN設備建設。

站點位于新疆阿勒泰地區(qū)福海縣境內(nèi)，地理位置是87°58‘00“E，47°06’00”N，海拔高度為562.0米，站址四周50 km內(nèi)為沖積平地和戈壁，所在區(qū)域為典型的大陸性溫帶干旱、半干旱氣候。

觀測要素包括太陽直接輻射、太陽總輻射、太陽散射輻射、反射輻射、大氣長波輻射、地面長波輻射、太陽紫輻射、日照時數(shù)（用直接輻照度計算獲得）和凈輻照度（由總、反、大氣和地面輻照度計算獲得）

下圖分別為觀測系統(tǒng)構成（BSRN系統(tǒng)框架圖）和安裝現(xiàn)場圖片：

BSRN系統(tǒng)框架圖

現(xiàn)場照片（1）

現(xiàn)場照片（2）

現(xiàn)場照片（3）

現(xiàn)場照片（4）

新疆阿克達拉國家大氣本底站BSRN基準輻射站運行數(shù)據(jù)（日尺度）

       （圖1）                    （圖2）  

                   （圖3）                （圖4）  

圖1-4顯示了新疆阿克達拉國家大氣本底站太陽輻射（圖1）、向下短波輻射和向上短波輻射（圖2）、太陽向下長波輻射和向上長波輻射（圖3）和紫外輻射（圖4）的變化。

圖1可以看出，太陽直接輻射日變化隨著時間呈現(xiàn)鐘型變化趨勢，7:00-10:00為快速增加時期，10:00-18:00為峰值區(qū)，其中極大值約出現(xiàn)在14:00左右，19:00-20:00輻射快速下降，太陽直接輻射變化范圍為0~858.6764W/m²。

太陽散射輻射呈現(xiàn)出單峰的變化趨勢，其變化幅度小于太陽直接輻射的變化幅度，與太陽直接輻射有同步的日變化動態(tài)

圖2給出了向下和向上的短波輻射的變化趨勢，從圖中可以看出，向下的短波輻射呈現(xiàn)單峰的變化趨勢，約在14:10出現(xiàn)極高值，變化范圍為0~924.8059W/m²。向上短波輻射也呈現(xiàn)出單峰的日動態(tài)變化趨勢，其變化范圍為0~280.869W/m²。

圖3給出了向下的長波輻射和向上長波輻射的日動態(tài)變化趨勢圖，從圖中可以看出，向上的長波輻射變化呈單峰變化趨勢，極高值約出現(xiàn)在15:40，其變化范圍為296.73~533.82W/m²。向下的長波輻射也呈現(xiàn)出一定的變化趨勢，但其變化比較平穩(wěn)，變化趨勢不明顯，其變化范圍為235.72~280.86W/m²。

圖4呈現(xiàn)出315-400nm(紫外輻射A)和280-315nm(紫外輻射B)的變化。從圖中可以看出，281-315nm的輻射遠低于315-400nm的輻射。315-400nm和280-315nm的紫外輻射變化均呈現(xiàn)出單峰的變化曲線，峰值約出現(xiàn)在14:00左右。

新疆阿克達拉國家大氣本底站BSRN基準輻射站現(xiàn)場整體效果展示