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(zhǔn)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(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(dǎo)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(dá)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(xué)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(zhǔn)輻射網(wǎng)絡(luò)站（BSRN）。

2021世界BSRN站點分布圖（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)是以高采樣率長期對短波和長波輻射進行高質(zhì)量觀測。整個 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(zhǔn)基于衛(wèi)星的地面輻射預(yù)算

4. 監(jiān)測地球表面輻射通量的區(qū)域趨勢

基準(zhǔn)輻射網(wǎng)絡(luò)（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(dá)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(shè)備進行測量。與此同時，Kipp & Zonen 也會定期參加BSRN 科學(xué)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(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：測定標(biāo)準(zhǔn)與測定優(yōu)勢

儀器的詳細(xì)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(yīng)用中使用很廣泛的太陽跟蹤器，其標(biāo)準(zhǔn)符合BSRN的觀測標(biāo)準(zhǔn)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(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(biāo)準(zhǔn)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(dá)拉國家大氣本底站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)拉國家大氣本底站的BRSN設(shè)備建設(shè)。

站點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(gòu)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(dá)拉國家大氣本底站BSRN基準(zhǔn)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(dá)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(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)拉國家大氣本底站BSRN基準(zhǔn)輻射站現(xiàn)場整體效果展示