BSRN基準(zhǔn)輻射站應(yīng)用案例

基準(zhǔn)輻射網(wǎng)絡(luò)（BSRN）的背景

太陽(yáng)輻射驅(qū)動(dòng)著地球變化的每一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，從洋流循環(huán)到氣候變化。準(zhǔn)確測(cè)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(chǔ)。

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(guān)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(yáng)輻射在全球分布極不均勻。地球表面輻射的微小變化，也會(huì)導(dǎo)致生態(tài)氣候發(fā)生巨大的改變。但現(xiàn)有的輻射觀測(cè)無(wú)法達(dá)到氣候研究所需的精度。并且我們目前對(duì)輻射分布的理解仍然不足。

為了解決這些問(wèn)題，由世界氣象組織（WMO）和國(guó)際科學(xué)聯(lián)盟理事會(huì)（ICSU）聯(lián)合發(fā)起了世界氣候研究計(jì)劃（WCRP）并組織成立了地表基準(zhǔn)輻射網(wǎng)絡(luò)站（BSRN）。

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

基準(zhǔn)輻射網(wǎng)絡(luò)（BSRN）的目標(biāo)

BSRN 的目標(biāo)是以高采樣率長(zhǎng)期對(duì)短波和長(zhǎng)波輻射進(jìn)行高質(zhì)量觀測(cè)。整個(gè) BSRN 網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)用于：

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

2. 驗(yàn)證和評(píng)估基于衛(wèi)星的地表輻射通量

3. 校準(zhǔn)基于衛(wèi)星的地面輻射預(yù)算

4. 監(jiān)測(cè)地球表面輻射通量的區(qū)域趨勢(shì)

基準(zhǔn)輻射網(wǎng)絡(luò)（BSRN）的測(cè)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(guó)氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所新疆阿克達(dá)拉國(guó)家大氣本底站提供太陽(yáng)輻射表和自動(dòng)太陽(yáng)跟蹤器，國(guó)內(nèi)大多數(shù) BSRN 站都在使用Kipp & Zonen的設(shè)備進(jìn)行測(cè)量。與此同時(shí)，Kipp & Zonen 也會(huì)定期參加BSRN 科學(xué)家們的會(huì)議討論，以了解他們的需求，并改進(jìn)產(chǎn)品來(lái)滿足他們嚴(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn)

以下是適用于BSRN基準(zhǔn)輻射站的Kipp & Zonen產(chǎn)品基本信息：測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)與測(cè)定優(yōu)勢(shì)

儀器的詳細(xì)信息

1.太陽(yáng)跟蹤器

1.1 SOLYS 2太陽(yáng)跟蹤器

SOLYS 2太陽(yáng)跟蹤器是全球太陽(yáng)能和氣象應(yīng)用中使用很廣泛的太陽(yáng)跟蹤器，其標(biāo)準(zhǔn)符合BSRN的觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和要求，廣泛用于世界各地的測(cè)量項(xiàng)目

SOLYS 2太陽(yáng)跟蹤器

1.2 2AP太陽(yáng)跟蹤器

為滿足在極端天氣條件下的監(jiān)測(cè)，Kipp & Zonen 研究出2AP太陽(yáng)跟蹤器，該跟蹤器在滿足BSNR的要求基礎(chǔ)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(yáng)跟蹤器

2.輻射表

Kipp & Zonen的輻射表可測(cè)定太陽(yáng)直接輻射、散射輻射以及太陽(yáng)和地面的長(zhǎng)短波輻射，測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)符合BSRN的極高精度要求

CHP1太陽(yáng)直接輻射表

CMP21/CMP22太陽(yáng)總輻射表

CGR4長(zhǎng)波輻射表

新疆阿克達(dá)拉國(guó)家大氣本底站BSRN基準(zhǔn)輻射站建設(shè)

2021年5月，北京華益瑞科技有限公司參與了新疆阿克達(dá)拉國(guó)家大氣本底站的BRSN設(shè)備建設(shè)。

站點(diǎn)位于新疆阿勒泰地區(qū)福?？h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?yàn)榈湫偷拇箨懶詼貛Ц珊怠敫珊禋夂颉?/span>

觀測(cè)要素包括太陽(yáng)直接輻射、太陽(yáng)總輻射、太陽(yáng)散射輻射、反射輻射、大氣長(zhǎng)波輻射、地面長(zhǎng)波輻射、太陽(yáng)紫輻射、日照時(shí)數(shù)（用直接輻照度計(jì)算獲得）和凈輻照度（由總、反、大氣和地面輻照度計(jì)算獲得）

下圖分別為觀測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成（BSRN系統(tǒng)框架圖）和安裝現(xiàn)場(chǎng)圖片：

BSRN系統(tǒng)框架圖

現(xiàn)場(chǎng)照片（1）

現(xiàn)場(chǎng)照片（2）

現(xiàn)場(chǎng)照片（3）

現(xiàn)場(chǎng)照片（4）

新疆阿克達(dá)拉國(guó)家大氣本底站BSRN基準(zhǔn)輻射站運(yùn)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(dá)拉國(guó)家大氣本底站太陽(yáng)輻射（圖1）、向下短波輻射和向上短波輻射（圖2）、太陽(yáng)向下長(zhǎng)波輻射和向上長(zhǎng)波輻射（圖3）和紫外輻射（圖4）的變化。

圖1可以看出，太陽(yáng)直接輻射日變化隨著時(shí)間呈現(xiàn)鐘型變化趨勢(shì)，7:00-10:00為快速增加時(shí)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(yáng)直接輻射變化范圍為0~858.6764W/m²。

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

圖2給出了向下和向上的短波輻射的變化趨勢(shì)，從圖中可以看出，向下的短波輻射呈現(xiàn)單峰的變化趨勢(shì)，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(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，其變化范圍為0~280.869W/m²。

圖3給出了向下的長(zhǎng)波輻射和向上長(zhǎng)波輻射的日動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)圖，從圖中可以看出，向上的長(zhǎng)波輻射變化呈單峰變化趨勢(shì)，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(zhǎng)波輻射也呈現(xiàn)出一定的變化趨勢(shì)，但其變化比較平穩(wěn)，變化趨勢(shì)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(yuǎn)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(dá)拉國(guó)家大氣本底站BSRN基準(zhǔn)輻射站現(xiàn)場(chǎng)整體效果展示