中国太阳辐射资料重建及其年代际变化特征和成因分析

Comprehensive studies pointed out that the surface solar radiation (SSR) over China declined remarkably during the 1960s to the 1990s (dimming) and a sudden reversal (brightening) followed in the early of 1990s. Due to a number of issues related to dimming/brightening, such as the observational environment change, instrument update, the facility and the causes of these results are still under debate. The main objective of this study is to assess the quantitative influence of the changes in observation system on the SSR records, verify the facility of the sudden change of SSR trend and find the real causes. A new homogenized SSR data would be generated as the bias caused by non-climatic factors are removed. Based on it, the temporal and spatial characteristics of SSR over China would be reanalyzed. The SSR data would be classified to clear sky and all sky type to assess the role of cloud and aerosol in the last six decades. A radiation transfer model (MODTRAN) would be used to verify the results The historic visibility data would be treated as the proxy data of aerosol and the input of MODTRAN. The new SSR data would also be treated as the reference of the evaluation of global climate model (GCM). The difference between the performance of SSR calculated by GCM in the wet and arid region would be used to assess the performance of the convection simulation in GCM.

20世纪90年代，我国地面太阳辐射（SSR）变化趋势突然反转。此时正值我国太阳辐射观测站网调整。本项目旨在从资料本身入手，通过日照时数构建可信参照系，结合观测历史，定量评估太阳辐射观测端调整对辐射趋势的影响，验证趋势反转是真实的气候突变或只是资料被污染的结果；通过消除观测端调整引起的偏差，重建中国太阳辐射历史资料，重新分析近60年中国SSR气候特征；根据云量信息，划分晴空与全天空条件，评估云、气溶胶在不同阶段的作用；使用辐射传输模式（Modtran 6）分别计算有、无气溶胶条件下的晴空SSR，并与器测结果对比，尝试解释1990年后我国气溶胶光学厚度始终维持在90年代初水平现象而晴空辐射却缓慢上升的原因；应用重建（订正）的辐射数据于全球气候模式（CMIP5）在中国区域模拟能力的评估，通过气候分区，重点关注夏季强降水频发地区与干旱地区的太阳辐射模拟能力，以评估全球气候模式对强对流现象的模拟效果

在过去的近60年，中国地面太阳辐射观测历经多次重大调整，太阳辐射历史资料中受系统性非均一问题“污染”的风险很高，由原始观测数据获得的关于中国地面能量收支的研究结论长期备受争议。本项目研制了一套集合数学检验和中国气象观测历史沿革的历史数据系统偏差检验与订正方法，定量评估并消除了观测端调整对地面太阳辐射资料的影响，重建的中国地面太阳辐射历史数据吻合气象要素间内部一致的物理约束，所研制的中国地面均一化太阳辐射数据集通过国家气象科学数据中心提供科研和业务应用；所改进的太阳辐射统计方案形成中国气象行业标准一项，已正式发布实施。基于本数据集的研究表明，中国地面太阳辐射在过去60年间由持续下降（“变暗”）转为上升（“变亮”），发生转变的时间大约在21世纪初。结合中国区域云量、水汽、卫星辐射通量的观测数据以及辐射传输模型，发现中国区域水汽的变化不足以引起中国地面太阳辐射年代际的变化特征，而气溶胶含量的变化与“变暗”向“变亮”转变高度契合，意味着气溶胶是无云条件下引起地面太阳辐射变化的重要驱动因子。有云（全天空）和无云条件（晴空）下的地面太阳辐射之间的差异（“变亮”时期）以及“变暗”时期云量收缩、光学厚度“变薄”；“变亮”时期则反转的发现表明云的辐射效应在“变亮”时期显现；过去60年间，中国区域气溶胶对云表现出正负两种反馈机制：在水汽充沛大气清洁条件下（“变暗”早期以及“变亮”时期），气溶胶含量的增长促进云的形成，是一种正反馈，当气溶胶浓度达到一定阈值（“变暗”后期），气溶胶开始抑制云的形成，是一种负反馈。除了气溶胶和云，大气吸收也是影响中国区域能量收支变化的重要因子。通过对比CIMIP6与观测太阳辐射的长期变化结果，发现当前模式仍无法很好的重现“变暗”到“变亮”的转变，气溶胶参数设定可能是制约模式模拟效果的重要因素。