短波輻射

到達(dá)地球表面的太陽輻射，除了受太陽常數(shù)以及平均日地距離等天文因子影響外，還受到地球大氣的強(qiáng)烈影響，其中包括：太陽高度角、大氣透明度、云、地形、大氣氣溶膠、海冰、緯度、水汽等。

短波輻射地形的影響

受地形因素影響的太陽輻射研究始于20 世紀(jì)50 年代。對(duì)于任意地形條件下太陽輻射，其計(jì)算坡地臨界時(shí)角公式和日照時(shí)段判斷方法簡(jiǎn)化了山區(qū)太陽輻射計(jì)算，使得數(shù)值積分可以改用解析公式計(jì)算。李懷瑾等 則提出了一種圖解方法確定坡面上輻射總量的方法。關(guān)于坡地太陽輻射的理論研究和區(qū)域性實(shí)驗(yàn)，為坡地太陽輻射計(jì)算奠定了理論基礎(chǔ)。李占清等 采用從地形圖中直接讀取100 m×100 m 分辨率網(wǎng)格點(diǎn)高程的方法，描繪了3 km×3．5 km 范圍內(nèi)山區(qū)太陽總輻射的分布，嘗試解決地形對(duì)輻射的遮蔽影響問題；通過兩個(gè)有多年太陽總輻射數(shù)據(jù)的站點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，模擬結(jié)果良好：各月太陽總輻射平均誤差率均小于10%，平均為3．69%；同時(shí)，也提供了一個(gè)可以借鑒到其它山地丘陵區(qū)的太陽總輻射空間化模式；運(yùn)用坡地坡向短波輻射效應(yīng)（SLOPE）的非靜力中尺度模式GRAPES（全球/區(qū)域同化和預(yù)報(bào)系統(tǒng)），模擬和討論坡地坡向的短波輻射效應(yīng)。

短波輻射云的影響

在地氣系統(tǒng)熱量平衡的概念模型中，傳統(tǒng)上一般認(rèn)為云只吸收3%～4%的太陽短波輻射，這一結(jié)論一直用于氣候模式的模擬中。然而近兩年來，以Cess、Ramanathan 及Pileskie 等 為代表，認(rèn)為云對(duì)太陽輻射的吸收遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過3%～4%，可能達(dá)到百分之十幾甚至二十。來自于GFDL 實(shí)驗(yàn)室的Eta Geophysical FluidDvnamies Laboratory（GFDL）短波輻射方案考慮了大氣水汽、臭氧和二氧化碳效應(yīng)，云層是隨機(jī)覆蓋的。

短波輻射的計(jì)算是由白天平均余弦太陽高度角計(jì)算得出。來自于MM5 的短波輻射方案，對(duì)太陽輻射通量進(jìn)行向下積分，考慮晴空散射，水汽吸收及云的反照率和吸收作用，采用stephens 的云表?；贑houand Suarez 而提出的Goddard 方案，一個(gè)包含有大氣、氣溶膠、云的復(fù)雜的短波輻射效應(yīng)譜方案，該方案包括由云、氣溶膠、臭氧、二氧化碳、水汽、氧氣的吸收，還包括云、氣溶膠以及各種氣體散射產(chǎn)生的輻射通量。

電磁波是由不同波長(zhǎng)的波組成的合成波。它的波長(zhǎng)范圍從10E-10微米(1微米=10E-4厘米)的宇宙線到波長(zhǎng)達(dá)幾公里的無線電波。Υ射線、X射線、紫外線、可見光、紅外線，超短波和長(zhǎng)波無線電波都屬于電磁波的范圍。肉眼看得見的是電磁波中很短的一段，從0.4-0.76微米這部分稱為可見光?？梢姽饨?jīng)三棱鏡分光后，成為一條由紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫七種顏色組成的光帶，這光帶稱為光譜。其中紅光波長(zhǎng)最長(zhǎng)，紫光波長(zhǎng)最短，其它各色光的波長(zhǎng)則依次介于其間。波長(zhǎng)長(zhǎng)于紅光的(>0.76微米)有紅外線有無線電波；波長(zhǎng)短于紫色光的(<0.4微米)有紫外線，Υ射線、X射線等。這些輻射雖然肉眼看不見，但可用儀器測(cè)出。

短波輻射短波輻射的特征

國內(nèi)外科學(xué)工作者對(duì)太陽短波輻射進(jìn)行了大量的研究。自1980 年開始，新西蘭、英國、日本、美國相繼監(jiān)測(cè)總輻射紫外UV-B 輻射的變化以及兩者之間的關(guān)系。在太陽輻射的變化方面，在1990 年前后有一個(gè)由全球太陽輻射變化導(dǎo)致的從暗變亮的轉(zhuǎn)折。分析1990—1995 年商船觀測(cè)的西太平洋的海表太陽總輻射得到結(jié)論：海表太陽總輻射在15°N 以北和15°S 以南的海區(qū)都有明顯的季節(jié)變化。正午時(shí)刻的太陽總輻射最大值從3 月的10°～15°N 海區(qū)逐漸移到6 月的25°N 海區(qū)。在北半球觀測(cè)區(qū)，日平均太陽總輻射最大值的范圍為270～280 W·m^-2，在南半球觀測(cè)區(qū)，最大值大約為290 W·m^-2。

國內(nèi)學(xué)者利用PICC AR4 全球氣候模式輸出結(jié)果，重點(diǎn)分析模式對(duì)東亞地區(qū)地表短波輻射的氣候平均、季節(jié)變化及年際變化特征。并且利用ERBE 和ISCCP 衛(wèi)星輻射及總云量資料，研究了青藏高原地表短波吸收輻射和總輻射的氣候反演方法，并揭示了二者的基本特征；利用綠洲、戈壁和沙漠的輻射資料分析了不同下墊面的太陽輻射特征；利用彩南、古爾班通古特沙漠中的沙漠一站、烏魯木齊實(shí)測(cè)輻射資料分析了典型天氣的輻射特征，指出總輻射和反射輻射日總量晴天最大，陰天次之，雨天最小，沙漠反照率高于綠洲。國內(nèi)學(xué)者陳霞等 分析了塔中沙塵氣溶膠對(duì)短波輻射的影響。李紅軍等 利用肖塘野外加密觀測(cè)資料分析了沙塵暴期間太陽輻射的變化。何清等[9]利用塔克拉瑪干沙漠大氣環(huán)境觀測(cè)站（塔中站）直接探測(cè)的總輻射資料，對(duì)流動(dòng)沙漠區(qū)近地層總輻射的變化特征及影響因子進(jìn)行了分析。

短波輻射波輻射的時(shí)空變化

在太陽短波輻射的時(shí)空變化方面，有關(guān)研究表明，從國際地球物理年（1957 年）建立地面太陽輻射觀測(cè)網(wǎng)，到20 世紀(jì)80 年代末，全球范圍內(nèi)觀測(cè)到的到達(dá)地面的太陽輻射普遍呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì) 。

近50 年，中國大部分地區(qū)的太陽總輻射和直接輻射均呈減少趨勢(shì)，大氣中懸浮粒子濃度的增加可能是造成這種減少趨勢(shì)的主要原因之一。20 世紀(jì)90年代與40 年代相比，西北地區(qū)和東北地區(qū)輻射減少幅度小于西南、華南、華北和華東，其中華東減少幅度最大，平均約為6%。許瀟鋒 對(duì)我國50 多個(gè)臺(tái)站的近40 a 的太陽輻射觀測(cè)資料進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明，1961-1990 年全國平均總輻射、直接輻射年總量呈顯著下降趨勢(shì)，年下降值分別為24．81 MJ·m^-2、21．67 MJ·m^-2；散射輻射總體變化趨勢(shì)不明顯?？傒椛浜椭苯虞椛湓跂|部下降較西部明顯，東北和西南地區(qū)下降不明顯；而散射輻射在東部站點(diǎn)呈增加趨勢(shì)的多，西部站點(diǎn)呈下降趨勢(shì)的偏多。1990 年以來，總輻射年總量又有增加的趨勢(shì)，全國平均增加105．6 MJ·m^-2。

目前，我國臺(tái)站相繼開展了對(duì)太陽短波輻射的研究，進(jìn)展很快，并取得了一定的成效。但由于不同研究者在觀測(cè)和計(jì)算中使用的監(jiān)測(cè)方法、儀器和研究尺度不同，致使結(jié)果相差較大。在以后的研究中應(yīng)完善監(jiān)測(cè)方法，提高觀測(cè)儀器和預(yù)測(cè)技術(shù)的準(zhǔn)確性，加強(qiáng)使用于各類天氣條件和影響短波輻射所有因子的模式研究，尤其是適用于沙塵天氣的模式研究，以彌補(bǔ)觀測(cè)上的缺陷。加強(qiáng)各影響因子機(jī)制的研究，特別是加強(qiáng)濕度、氣溫、地面凈紅外輻射、反射輻射、凈輻射、相對(duì)濕度、地溫等因子對(duì)其影響的研究。注重整合近年各氣象臺(tái)的太陽短波輻射觀測(cè)資料，加強(qiáng)空間化研究和數(shù)值模擬的研究 。

太陽輻射是太陽能中最能夠?yàn)槿祟愔苯永玫男问?，在?dāng)今世界能源被過度開采造成能源緊張，以及由于溫室氣體的過量排放加劇了氣候變暖的形勢(shì)下，太陽能作為一種清潔能源越來越受到廣泛重視。我國有些地區(qū)太陽能資源非常豐富，由于觀測(cè)資料的限制，對(duì)太陽能資源的區(qū)域分布和季節(jié)變化的認(rèn)識(shí)還不夠，因此進(jìn)一步分析這些地區(qū)的地表輻射特征，有利于提高對(duì)太陽能資源的認(rèn)識(shí)。在向?qū)嶋H應(yīng)用轉(zhuǎn)化和推廣過程中，對(duì)于將計(jì)算的太陽輻射量轉(zhuǎn)換為太陽能資源實(shí)際應(yīng)用量值的方法、資源評(píng)估及應(yīng)用服務(wù)等值得深入研究，以滿足太陽能資源大規(guī)模開發(fā)利用的需求。2100433B

從80 年代開始，輻射傳輸模式研究進(jìn)展迅速，著名的LOWTRAN 6 和7 就是這個(gè)時(shí)期發(fā)展起來的，由Chandrasekhar 提出的離散坐標(biāo)方法經(jīng)過Liou的發(fā)展，又經(jīng)過Stamrles 等的發(fā)展，已經(jīng)趨于成熟。現(xiàn)在Stamnes 等發(fā)展的DISORT 程序廣泛流傳。汪方等 對(duì)利用IPCC AR4 全球氣候模式輸出結(jié)果的研究，揭示模擬中存在的主要問題，為進(jìn)一步改進(jìn)氣候模式在東亞地區(qū)的模擬提供科學(xué)支持。

總體而言，地表太陽輻射模擬可以分為3 種方法：

①復(fù)雜的輻射傳輸模型，將垂直大氣視為非勻質(zhì)的多層組成，并分別計(jì)算每層大氣對(duì)太陽輻射的散射和吸收效應(yīng)， 這類模型以LOWTRANMODTRAN為代表，由于實(shí)際大氣參數(shù)數(shù)據(jù)難以獲得以及需要較多的機(jī)時(shí)，因而該方法在實(shí)際應(yīng)用中受到限制；

②經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，利用日照時(shí)數(shù)、氣溫、降水、相對(duì)濕度以及總云量等氣象數(shù)據(jù)與太陽輻射實(shí)測(cè)值之間建立回歸關(guān)系式，由于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿Q于當(dāng)?shù)氐臍夂蚝偷匦螤顩r，因而難以推廣應(yīng)用到大的區(qū)域和全球尺度；

③參數(shù)模型由于基于光譜傳輸?shù)奈锢碓聿?duì)大氣透過率函數(shù)及其關(guān)鍵影響因子進(jìn)行了參數(shù)化，且獨(dú)立于特定的氣候條件，因而能獲得較高的模擬精度，易于推廣應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)區(qū)域或大范圍太陽輻射制圖。目前，利用常規(guī)氣象資料與衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)模擬成為獲取地表太陽輻射的有效方法。

太陽輻射波長(zhǎng)主要為0.15-4微米，其中最大輻射波長(zhǎng)平均為0.5微米；地面和大氣輻射波長(zhǎng)主要為3-120微米，其中最大輻射波長(zhǎng)平均為10微米。習(xí)慣上稱前者為短波輻射，后者為長(zhǎng)波輻射。

太陽輻射能在可見光線（0.4～0.76μm）、紅外線（>0.76μm）和紫外線（<0.4μm）分別占50%、43%和7%，即集中于短波波段，故將太陽輻射稱為短波輻射。

太陽輻射是地表生物、物理和化學(xué)過程（融雪、光合作用、蒸散和作物生長(zhǎng)）的最主要的能量來源，也是地球大氣中各種現(xiàn)象和一切物理過程的基本動(dòng)力。地表短波輻射作為太陽輻射的一個(gè)重要分支，在地表能量平衡中起著重要作用。探討太陽輻射變量的變化情況是研究地面水熱狀況、各種自然地理過程、太陽能利用的必要條件。同時(shí)，進(jìn)行太陽輻射測(cè)量，對(duì)于研究太陽輻射對(duì)地球生物的影響和合理有效利用太陽能具有十分重要的意義。研究到達(dá)地面的太陽輻射的中長(zhǎng)期變化，不僅具有直接的氣候意義，如地面（輻射）能量平衡等研究，而且有助于了解某一區(qū)域大氣組成的變化，并進(jìn)而探討造成這種變化的自然或人為原因；研究晴空太陽短波輻射的變化，反演該區(qū)域的大氣氣溶膠的變化，了解顆粒物污染等大氣環(huán)境的狀況，則能對(duì)地面上可利用的太陽能資源進(jìn)行有效的評(píng)估。

目前對(duì)短波輻射的估算采用較多的是經(jīng)驗(yàn)公式和定量及數(shù)值模擬研究，近年來晴空條件下的寬帶短波輻射模擬也受到了相當(dāng)?shù)闹匾暋?

估算地表輻射已經(jīng)有許多模擬方法，這些方法大致可以分為基于云、基于日照和基于溫度的模擬。一個(gè)精確標(biāo)校過的基于日照的模擬方法比基于云或者基于溫度的方法能提供更準(zhǔn)確的太陽輻射估算。也可以部署一個(gè)阻尼譜，計(jì)算出晴空中的地表太陽輻射。他們的模型考慮物理過程的細(xì)節(jié)，因此緯度、海拔和其他因素的影響都自動(dòng)納入。ANN 估算海拔在1 000～1 700 m 之間山區(qū)平均每日的向下短波輻射。

我國學(xué)者也對(duì)短波輻射進(jìn)行了許多估算研究。K．Yang 等 研發(fā)了一種用日照時(shí)數(shù)來估算太陽輻射的Artificial neural networks（ANNs）模型，這個(gè)模型能清楚地解釋輻射在大氣中消失的過程。W．Tang等 利用中國氣象局維護(hù)的97 個(gè)輻射站資料，針對(duì)已經(jīng)質(zhì)量控制過的太陽輻射測(cè)量值，評(píng)估了混合模型。

短波段非常廣闊，電臺(tái)的訊號(hào)也星羅棋布，接受需要一定的技術(shù)。

1，需要比較良好的接受環(huán)境還有靈敏的收音機(jī)。良好的接受環(huán)境可以是開闊地，高樓頂?shù)鹊葲]有遮攔的地方。房間里面，尤其是鋼筋水泥樓房里面由于屏蔽作用接受效果極差，還有諸多干擾。另外收音機(jī)在接受短波的時(shí)候需要把天線全部拉出。如果有單獨(dú)架設(shè)的室外天線那當(dāng)然更好。

2，弄清短波電臺(tái)的發(fā)射時(shí)間還有頻率。這些可以從網(wǎng)絡(luò)上獲得，可以到廣播論壇，里面的BCL區(qū)有短波頻率表。一般19米，41米等波段廣播比較集中?；蛘咴谶@幾個(gè)波段隨意收聽一下，能夠聽到很強(qiáng)民樂聲的位置就是BBC VOA的頻率。

3，短波的調(diào)諧。一定要慢而耐心！中波波段從535到1605千赫茲，而短波段是2700到18000千赫茲，每9千赫茲一個(gè)電臺(tái)（盡管實(shí)際不是這樣，這個(gè)只是理論上的規(guī)定而已），從覆蓋情況來看就很容易知道短波段每個(gè)電臺(tái)在度盤上占據(jù)的位置都很小，盡管收音機(jī)把短波段分成了很多區(qū)域（1234567890）以方便調(diào)諧，還是要細(xì)心又細(xì)心，慢慢旋轉(zhuǎn)調(diào)諧手輪，在電臺(tái)頻率附件的時(shí)候注意聽，如果聽到類似播音的聲音的時(shí)候小心的左右旋轉(zhuǎn)一下調(diào)諧手輪，仔細(xì)聽廣播聲以獲得正確的調(diào)諧。

4，要有心理準(zhǔn)備。對(duì)于一般的收音機(jī)，短波段接受到的廣播音質(zhì)是不能和調(diào)頻，甚至不能和中波相比。并且短波段的傳播由于電離層變動(dòng)的原因，遠(yuǎn)不如中波穩(wěn)定，會(huì)出現(xiàn)是強(qiáng)時(shí)弱的衰落現(xiàn)象，雖然收音機(jī)有自動(dòng)增益控制，還是不能完全免除。

射頻頻譜的高頻部分，頻率為3～30MHz，有時(shí)稱為短波波段。根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，這是一種誤稱，因?yàn)樗牟ㄩL(zhǎng)比特高頻、微波和紅外都要長(zhǎng)，而它們也常用于無線設(shè)備中。在自由空間，頻率為3MHz對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為100m；30MHz對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為10m。短波在無線電技術(shù)早期得名，當(dāng)時(shí)3～30MHz頻率的無線電波長(zhǎng)，比大多數(shù)廣播和通信信號(hào)的波長(zhǎng)(千米量級(jí))都要短。

任何人都可以搭建或購買短波或普通波段的收音機(jī)，然后安裝一般的室外天線，從而收聽來自全世界的信號(hào)。這種愛好活動(dòng)稱為短波收聽(SWL)。在美國，計(jì)算機(jī)和在線通信的繁榮在一定程度上已超過了短波收聽，很多長(zhǎng)大的年輕人都對(duì)這個(gè)廣播和通信領(lǐng)域一無所知，但在世界上的很多地方，它還是主要的通信方式。不過，有些人還是對(duì)它很著迷，因?yàn)槿藗兛梢詢H使用無線設(shè)備就可以互相溝通。除了需要兩根天線(分別位于通信雙方)外，不需要其他任何人造設(shè)施。電離層可將短波信號(hào)返回到地表，通過這種特性可提供全球范圍的廣播和通信，這和20世紀(jì)早期(無線通信誕生時(shí))的情形是一樣的。

短波的基本傳播途徑有兩個(gè)：一個(gè)是地波，一個(gè)是天波。

短波信號(hào)主要靠電離層反射(天波)傳播，也可以和長(zhǎng)、中波一樣靠地波進(jìn)行短距離傳播。超短波通信主要靠地波傳播和空間波視距傳播。當(dāng)通信距離較近時(shí)，通常使用鞭狀天線，利用地波傳播；當(dāng)通信距離較遠(yuǎn)時(shí)，應(yīng)用高架天線或?qū)㈦娕_(tái)設(shè)在較高的地方，利用空間波傳播；需要超視距通信時(shí)，可采用接力的方式或使用散射通信和衛(wèi)星通信。

每一種傳播形式都具有各自的頻率范圍和傳播距離，利用適當(dāng)?shù)耐ㄐ旁O(shè)備，都可以獲得滿意的信息傳輸。