1 引言

太阳是地球表层最终的能量来源，太阳辐射在到达地球表面的过程中，会由于大气层的削弱作用而发生变化，这种变化对地表和大气温度、蒸发和水循环以及人类的生活环境和地球生态系统等带来多方面的影响，产生较为深远的综合效应^[1].

近年来，已有许多研究者借助地面辐射观测资料对本国及所处地区乃至全球的地面辐射变化情况及其可能的原因进行了深入的分析和探讨^[2~5].结果表明，近几十年来，全球大部分地区(包括中国)的地面太阳辐射发生了较大的变化，即地面接收的太阳辐射大约在1980 年代中后期以前有减少的趋势(地球“变暗")，其后这种“变暗"的趋势不再持续，甚至有增加的趋势(地球“变亮").引起这种变化的原因复杂多样，总云量的变化无法对其做出完全合理的解释^[6]，而气溶胶的变化则有可能在某些地区(包括中国)是重要的^[7]，水汽含量的变化对地面太阳辐射有一定影响，但并非根本性的^[8].

根据地气系统的能量平衡原理^[9]，到达地面太阳辐射的减少或增加会引起地表和大气温度发生相应的变化，而地表和大气温度又与蒸发和水循环以及人类的生活环境和地球生态系统等密切相关，因此，地面太阳辐射的变化有可能会产生多方面的气候效应.关于地面太阳辐射与温度之间的研究由来已久^[10~12]，Wild等^[13]的研究表明，地球的“变暗"过程对温室气体的增暖效应有较大的遮蔽作用，而地球的“变亮"过程对于20世纪80年代中期以来全球的快速增温过程起着重要作用.中国的研究者曾对1951~1999年期间极端气温出现的天数进行了统计分析^[14]，结果表明，气温较高的白天和夜晚出现的天数从1980年代后期开始均有明显的增加，而最低气温在0 ℃以下的天数则有明显的下降，这有可能与该时期我国的太阳辐射发生了从减少到增加的变化有关.

本文利用中国东南地区部分气象台站总辐射和气温的同步观测资料，分析二者可能存在的内在联系，试图揭示该地区过去50年内总辐射的变化在气温变化的过程中所起的作用，从而为分析该地区以及中国的气候变化提供参考.

2 数据资料与方法

为了研究中国东南地区地面太阳辐射变化与气温变化的关系，本文首先选择该地区既有气温观测又有总辐射观测的气象台站，同时为了分析两种要素近50年来的变化趋势，再从中选取1961~2008年期间有45年以上观测资料的气象台站，一共14个，其空间分布如图 1 所示.本文所用14 个台站的数据资料包括1961~2008年期间的总辐射(以下用Q表示)月总量和年总量，月平均和年平均的气温(以下用T_m 表示)、最高气温(以下用T_max表示)、最低气温(以下用T_min表示)和气温日较差(以下用DTR 表示)，所有数据均来源于中国气象局国家气象信息中心.此外，为了表述的方便，下文中还用到了“地面太阳辐射"和“向下短波辐射"，二者均指的是这里的总辐射.

中国气象局的地面辐射观测站在1990~1992年期间陆续进行了仪器换型，由于本文并不确定仪器换型前后总辐射观测数据的差异，为了使这种不确定性不影响本文的结果，同时考虑到已有研究关于中国地面太阳辐射在1990 年前后存在着先减少后增加趋势的结论^[3]，因此在本文进行总辐射和气温变化趋势的分析时，将时间段分为1961~1989年和1993~2008年两个阶段.

3 地面太阳辐射变化对气温变化的影响

地面太阳辐射通常在中午最强而在夜间为零，因此，地面太阳辐射的变化对一天的最高气温影响较大，而对最低气温则没有直接关系，气温日较差由于反映最高气温与最低气温之差，因此也会受到地面太阳辐射变化的影响.以下从区域平均、单站平均和季节平均三个方面分析中国东南地区地面太阳辐射的变化对最高气温、最低气温、气温日较差和平均气温变化的影响.

3.1 区域年平均值分析

图 2是1961~2008年中国东南地区总辐射年总量、年平均气温、年平均最低和最高气温、年平均气温日较差随时间的变化曲线，表 1给出了1961~1989年和1993~2008年两个时间段各要素的变化趋势以及相对变化量.

1961~1989年期间，中国东南地区的地面太阳辐射呈明显的波动减少趋势，幅度为-8.45%/decade；1993~2008 年期间，该地区地面太阳辐射的减少趋势不再持续，反之，则是略有增加，其幅度为1.54%/decade.这种变化趋势与已有研究^[4]基本一致，只是由于计算的台站数量和时间长度不同而在数值上有一定差异.

就年平均的气温变化而言，1961~1989年期间的波动较大但总体变化趋势很小，只有-0.03 ℃/decade, 其中年平均最低气温有较明显的升高(0.10℃/decade)，而年平均最高气温则有较明显的降低(-0.21 ℃/decade)，由此而引起的年平均气温日较差的下降趋势为-0.29 ℃/decade；1993~2008年期间的年平均气温有明显升高趋势，幅度为0.44℃/decade, 其中年平均最低气温的升高趋势为0.35 ℃/decade, 而年平均最高气温的升高趋势则达到了0.63 ℃/decade, 由此而引起的年平均气温日较差的升高趋势为0.29 ℃/decade.

将地面太阳辐射的变化趋势与平均气温的变化趋势联系起来分析发现，1961~1989 年期间，地面太阳辐射的明显减少可能是引起这一时期最高气温降低的重要原因，而最低气温的变化由于不受太阳辐射变化的直接影响而呈较明显的升高趋势；1993~2008年期间，地面太阳辐射不再减少，相应的最高气温则快速升高，且其变化趋势明显高于最低气温.

根据大气系统的热量平衡理论^[9]，定量分析地面太阳辐射的变化对研究区域最高气温和平均气温变化的影响，其物理方程如下:

(1)

(2)

式中c_p 是空气定压比热，ρ 是空气密度，γ_d 是绝热递减率，γ 是温度递减率，T表示某一高度层的温度，Q₁ 是辐射加热项，Q₂ 是湍流交换加热项，Q₃ 是水汽凝结加热项；F_S￬、F_S￪、F_L￬ 和F_L￪ 分别是向下短波、向上短波、向下长波和向上长波辐射.

根据上述理论作如下假定:(1)最高气温的变化主要由向下短波辐射(即地面太阳辐射)和其他因素(如向上短波辐射，向上、向下长波辐射，湍流加热，水汽凝结加热等)共同引起；(2)最低气温的变化主要由其他因素引起，与向下短波辐射无关；(3)其他因素对最高气温的影响与其对最低气温影响的比值为r.根据这些假定，结合表 1中最高和最低气温的实际变化趋势，在1961~1989年期间，地面太阳辐射的变化使最高气温发生的变化应为-0.21-0.10r，在1993~2008年期间，地面太阳辐射的变化使最高气温发生的变化应为0.63-0.35r.根据两个时期地面太阳辐射的实际变化趋势，可以近似得到(3)式:

(3)

解此方程得到r≈1.61，即其他因素对最高气温的影响是其对最低气温影响的1.61 倍.由此，即可以得到，在1961~1989年期间，由于地面太阳辐射的下降而引起的最高气温的变化趋势约为-0.37 ℃/decade, 而在1993~2008 年期间，由于地面太阳辐射的增加而引起的最高气温的变化趋势约为0.07 ℃/decade.

进一步分析平均气温的变化.在1961~1989年期间，最低气温是增加的，其变化趋势为0.10 ℃/decade, 而根据上述计算得到的由其他因素引起的最高气温也是增加的，其变化趋势为0.16 ℃/decade, 但这一阶段的平均气温却是略微下降的(-0.03 ℃/decade)，究其原因，就在于这一时期由地面太阳辐射所引起的最高气温是显著下降的，它不仅抵消了上述两种升温趋势，并且使平均气温略微下降.因此，可以说，在1961~1989年期间，地面太阳辐射的下降对该时期的增暖现象起到了非常明显的遮蔽作用，这一因素在该时期气温的变化中占主导地位.

1993~2008年期间的平均气温明显增加，其变化趋势为0.44 ℃/decade.相应地，这一时期最低气温的变化趋势为0.35 ℃/decade, 由其他因素引起的最高气温的变化趋势为0.56 ℃/decade, 而由地面太阳辐射所引起的最高气温的变化趋势仅为0.07 ℃/decade.这说明，在1993~2008 年期间，地面太阳辐射的增加对该时期的增暖现象只是起到了一定的叠加作用，它不再是该时期气温变化的主导因素.

3.2 单站年平均值分析

图 3是1961~1989年和1993~2008年期间中国东南地区总辐射年总量、年平均气温、年平均最低和最高气温、年平均气温日较差的平均变化率空间分布，表 2是各气象台站对应的数值.

从图 3和表 2中可以看出，14个台站的总辐射年总量在1961~1989年期间均呈下降趋势，下降速率最快的是武汉，达到-12.19%/decade；1993~2008年期间的变化趋势虽然有正有负，但所有台站的相对变化均是正值，也即出现减少趋势的台站其幅度也小于1961~1989 年期间；14 个台站中相对变化最大的是武汉，达到17.63%/decade.

14个台站的年平均最高气温在1961~1989年期间基本均呈下降趋势(只有汕头除外，但其增加的幅度很小，只有0.01 ℃/decade)，而在1993~2008年期间均呈增加趋势，各台站的相对变化均为正值，与总辐射的变化具有很好的一致性.武汉的相对变化是各台站中最大的之一，达到1.19 ℃/decade, 与该站总辐射的最强变化相对应.

从14个台站的DTR 变化来看，1961~1989年期间，由于总辐射的不断减少，最高气温呈下降趋势，而最低气温则呈升高或弱下降趋势，因而该时期的DTR 逐渐缩小，缩小的最大幅度可达-0.50 ℃/decade(武汉)；1993~2008 年期间，由于总辐射变化趋势的相对增加，大部分台站的最高气温呈上升趋势，而最低气温则呈下降或弱升高趋势，因而该时期大部分台站的DTR 逐渐增大，增大的最大幅度达到1.31 ℃/decade(南宁).

3.3 区域季节平均值分析

为了分析地面太阳辐射的变化在不同季节对气温变化的影响，本文利用总辐射月总量、月平均气温、月平均最低和最高气温以及月平均气温日较差得到相应的季节量值，如表 3所示.

春季，1961~1989年期间的总辐射下降幅度最大而1993~2008年期间的增加幅度亦最大，其相对变化达到15.63%/decade；相应地，该季节最高气温的变化趋势受总辐射变化的影响也最大，1961~1989年期间的降低幅度和1993~2008年期间的升高幅度均明显高于其他季节和相应时段的最低气温，其相对变化达到1.57 ℃/decade, 比最低气温高出1.01 ℃/decade.

夏季和秋季的变化趋势基本一致，1961~1989年期间的总辐射下降幅度大约-7%/decade, 在最低气温略有上升的情况下，相应时段的最高气温则有约-0.2 ℃/decade的下降幅度；总辐射在1993~2008年相应于1961~1989 年的相对变化为7%/decade左右，相应时段最高气温的升高幅度均高于最低气温的升高幅度，其相对变化约为0.8 ℃/decade.

冬季，总辐射在1993~2008 年相应于1961~1989年的相对变化为10.82%/decade, 明显高于夏秋两季，但最高气温的相对变化只有0.21 ℃/decade, 明显低于夏秋两季.

总体而言，春季的总辐射和气温变化在四个季节中是最剧烈的，但就气温变化对于总辐射变化的敏感程度而言，春、夏、秋三个季节基本相当，而冬季则是最低的.

4 结论与讨论

通过对近50年中国东南地区14个气象台站地面总辐射和气温变化趋势的同步分析，主要得到以下结论:

(1) 1961~1989 年期间，中国东南地区的地面太阳总辐射以-8.45%/decade的平均速度明显减弱，在一定的假定条件下，这一因素使得该地区的最高气温下降幅度达到-0.37 ℃/decade, 不但抵消了其他因素的增温效应，并且使该地区的平均气温呈现出微弱的下降趋势(-0.03 ℃/decade).地面太阳辐射的减弱是这一时期中国东南地区气温变化的主导因素，它对于全球变暖大背景下温室气体的增暖效应有较强的遮蔽作用.

(2) 1993~2008 年期间，中国东南地区的地面太阳总辐射以1.54%/decade 的平均速度缓慢增强，在同样的假定条件下，这一因素使得该地区的最高气温升高幅度仅为0.07 ℃/decade.地面太阳辐射的增强不再是这一时期中国东南地区气温变化的主导因素，但它叠加在温室气体的增暖效应之上，对平均气温的快速升高(0.44 ℃/decade)起到了一定的加强作用.

(3) 从季节变化来看，春季总辐射和最高气温的变化最剧烈，最高气温的变化受总辐射变化的影响很明显；夏秋两季总辐射和最高气温的变化虽然不如春季剧烈，但最高气温变化对于总辐射变化的敏感程度甚至强于春季；冬季总辐射的变化很剧烈，而最高气温的变化却相对较弱，其对于总辐射变化的敏感程度也是四个季节中最弱的.

上述分析揭示了近50年中国东南地区的气温变化与地面太阳辐射变化之间可能存在着的内在联系，然而由于气候变化问题的复杂性，以下两个问题还需要进一步说明和讨论:

(1) 两个时期总辐射量值及其变化趋势的可比性.对于地面辐射的观测数据，可以从物理上进行质量控制^[3]，但如本文数据资料部分所述，中国的地面辐射观测从1990年开始进行全面的仪器换型，并且各台站更换的时间不同，这种换型所引起的观测数据的误差国内目前尚没有定论，因此仪器换型前后总辐射观测值的差异可能并不完全反映实际到达地面太阳辐射的变化.对于本文而言，所关注的主要是两个时期总辐射变化趋势之间的比较，并不涉及具体量值的对比，在剔除了可能存在仪器换型的3 年观测资料之后，这种比较是合理的.

(2) 地面太阳辐射变化对气温变化影响的定量关系.本文在进行这一定量分析时作了3 个方面的假定，其主要依据是如文中式(2)和式(3)所示的大气系统热量平衡方程.从这一基本理论可知，影响气温变化的因素是非常复杂的，地气系统的人为和自然因素的变化都可能对气温的变化产生直接或间接的影响.本文的定量关系仅仅是基于14个台站平均的、1961~2008年的观测资料而得到的，主要反映所研究区域的辐射和气温在过去50 年的平均变化特征，而对于我国乃至世界上的其他区域，这种定量关系很可能是不同的，甚至是不明确存在的，尚需要更多的观测资料分析，并借助数值模拟的手段进行深入的研究.