太阳辐射是地球大气中各种天气现象和一切物理过程的基本原动力，近地面的辐射平衡对天气和气候有非常重要的影响，是天气、气候形成的重要驱动因子(蒋友严等，2007)。南极地区由于其冰雪覆盖的特殊地表特征、较低的太阳高度角以及极昼、极夜转换，导致其辐射平衡非常极端，即使是在夏季，雪表面也仅吸收5%—25%的向下短波辐射，另外，南极冰盖表面长波发射率高(ε≈0.98)，因此长波辐射导致的热散失十分强烈(Wiscombe et al，1980)。加之南极高原干冷稀薄的大气和较少的天空云量，大气向下的长波辐射很弱，导致南极冬季地表出现很强的辐射赤字。大气不断地通过感热和潜热的方式向地表输送热量，使南极成为地球大气主要的热汇区(Dutton et al，1991; Stanhill et al，1997; Van den Broeke et al，2004)。因此，需要实测资料分析辐射平衡的基本特征来研究南极在全球气候变化中的作用。由于南极高原自然条件十分恶劣，观测资料难以获取，关于辐射平衡和能量平衡方面的观测研究工作较少。陆龙骅等(1992)分析了南极中山站极昼和极夜的辐射平衡特征，发现净辐射与温度变化特点相同，具有“短暂夏季”和平缓“无心冬季”的特点。King(1996)利用4个气象站的数据研究了南极冰盖表面向下长波辐射的季节和空间变化，并提出向下长波辐射的参数化方案。卞林根等(1991，1998)分析了南极长城站和中山站的辐射平衡特征，揭示了两站净总辐射、吸收辐射、反射辐射的季节变化特点。Van den Broeke等(2004)利用南极毛德皇后地区的资料研究了辐射平衡的特征，并评估了不同气候区下降风在辐射平衡中的作用。这些研究主要在南极沿岸地区，对南极内陆辐射平衡的研究很少(Carroll et al，1981; Carroll，1982;Van As et al，2005)。本研究利用南极中山站到Dome A 考察断面上熊猫-1 气象站观测的2011年2月1日至2012年1月29日辐射资料和相关气象资料，对总辐射、大气逆辐射、反射辐射、净辐射等的年变化特征及平均日变化特征进行了分析，旨在了解南极高原辐射平衡的基本特征，为进一步研究东南极地区气候变化和冰盖对气候变化的响应奠定基础。2 自动气象站观测资料简介

熊猫-1自动气象站安装在中山站至Dome A考察断面上(图 1)，位于南极高原缓坡区，即Lambert冰川流域的东侧(77°00′15″S，74°39′14″E，海拔2737 m)，坡度为4.08 m/km，下垫面为平坦的雪面。熊猫-1站采用了国际上先进的传感器和采集器及超低温电源供电系统，由气象塔、传感器、采集和电源系统组成。塔顶部安装了卫星发射天线，在2、4 m高度分别安装了风向、风速、温度、湿度、气压传感器。温度(HMP45D)测量范围为-80—＋40℃，分辨率0.1℃，响应时间<2 s；湿度测量范围为0%—100%，分辨率0.1%。4分量辐射传感器(CNR1)是荷兰Kipp&Zonen公司生产，测量范围为0—2000 W/m²，分辨率0.1 W/m²。辐射分量包括向上、向下短波辐射和向上、向下长波辐射。由软件控制自动发射到ARGOS卫星通信平台。

图 1 中山站至Dome A考察断面上熊猫-1自动气象站位置及地形以及南极其他自动气象站分布(左上角小图)(黑色实线为200 m间隔的等高线) Fig. 1 Topography and P and a-1 AWS locations along the CHINARE traverse route from Zhongshan station to Dome A and the other AWS locations(inserted map)in Antarctica(black solid lines for the contour in the interval of 200 m)

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自动气象站观测时间为2010年10月24日—2012年1月29日。在对资料的质量控制和处理中，将每个要素采样间隔为10 min的数据处理成每小时平均，剔除数据中的奇异值，剔除数据占样本总数的0.5%，通过内插填补，内插值是用前后时段的数据并参考同时的其他要素确定。参考王炳忠等(1991)介绍的常用天文参数的计算方法，以1985年为标准，用观测点地理纬度和赤纬角计算了全年每个时刻的太阳高度角等参数。3 结果分析3.1 气候背景

熊猫-1站位于南极内陆高原缓坡区，温度的季节变化如陆龙骅等(1992)所述具有“无心冬季”和“短暂夏季”的特征。从该站2011年2月至2012年1月2 m气温、气压、相对湿度和绝对湿度的月平均和年平均值(表 1)可见，年平均温度为-36.5℃，1—2月降温幅度最大，10—11月升温幅度最大，月平均温度均在-20℃以下，最暖月为1月，平均温度为-22.8℃，最冷月出现在6月，平均温度为-46.9℃。年平均气压为691.3 hPa，气压年变化幅度为15 hPa，10月气压最低为683.3 hPa，11月气压最高为698.7 hPa。相对湿度没有明显的年变化，年平均相对湿度为65%。绝对湿度年变化与温度变化一致，最大值出现在1月，最小值出现在6月，年平均值为0.2 g/kg。在南半球，气候学通常以9—11月为春季，12—2月为夏季，3—5月为秋季，6—8月为冬季(潘守文，1994)。

太阳辐射是地球大气中各种天气现象和物理过程的最基本的驱动源(张东启等，2002)。辐射通量向下为正，R_net表示地面吸收或放出的净辐射，SW_net为短波净辐射，LW_net为长波净辐射。

熊猫-1地区向下短波辐射(SW↓)、向上短波辐射(SW↑)及净短波辐射年平均通量分别为152.3、121和30.5 W/m²。太阳辐射的强度主要由太阳高度角、水汽和云量共同作用。从表 2中可以看出，极夜期间太阳短波辐射为0，其后太阳高度角逐渐增大，并进入极昼期，12月太阳高度角最大，太阳辐射也最强，为444.5 W/m²。夏季(12—2月)平均辐射强度为365.0 W/m²，总量达到2752.1 MJ/m²，占全年总辐射量(4779.7 MJ/m²)的58%。可见，熊猫-1地区接收太阳辐射能主要集中在夏季，其他季节相对较少。向上短波辐射与向下短波辐射的年变化特征基本一致。极夜期间为0，其后随着太阳辐射的增强而增大，月平均最大值也出现在12月，为363.7 W/m²，年平均为123.3 W/m²。

南极内陆高原空气稀薄、以晴空天气为主，大气对总辐射的削弱较小，有更多的太阳短波辐射透过大气层到达地表。大气顶水平辐射可以表示为S₀cosθ(r₀/r)²，其中S₀(=1367 W/m²)为太阳常数，θ为太阳天顶角，r₀为日地平均距离，r为该时刻日地距离(次仁尼玛等，2013)。从熊猫-1站各季节总辐射瞬时值与太阳天顶角的关系(图 2)可以看出，各个季节都出现总的辐射瞬时值高于大气顶的水平辐射的情况，但各季节发生的几率差异很大，全年共发生519次，其中春季发生次数最多，为306次，其次为夏季162次，秋季和冬季分别出现38次和13次。地面测量的短波辐射是太阳直接辐射与天空散射之和。陆龙骅等(1995)和卞林根等(2001)研究指出，出现短波辐射大于太阳常数的原因是高原地区大气透明度高及日面无云遮蔽时太阳直接辐射和云散射辐射的共同作用。从熊猫-1站各月总辐射瞬时值超过大气顶水平太阳辐射的频率(图 3)可以看出，春季(9—11月)发生的频率明显高于其他月份，主要原因可能是冬季到夏季的转换过程中，气旋系统频繁入侵，降雪事件频繁发生，云量也比较多，积云对短波的散射能力比较强的结果。

图 2 熊猫-1站各季节总辐射瞬时值与太阳天顶角的散点分布(黑点为实测值，实线为大气顶水平辐射值S0cosθ(r0/r)2； a. 春季，b. 夏季，c. 秋季，d. 冬季) Fig. 2 Scatter diagram of the downward shortwave radiation and solar angle at the P and a-1 station for the different seasons of(a)spring，(b)summer，(c)autumn and (d)winter(dot for ground measured data，solid line for S0cosθ(r0/r)2)

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图 3 熊猫-1站各月总辐射超出S0cos(θ)(r0/r)2的频率(柱状)和年平均频率(虚线) Fig. 3 Month mean(bar) and annual mean(dashed line)frequencies of the downward shortwave radiation greater than S0cosθ(r0/r)2

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南极地区气候干燥，雪的热容量相对大气而言很小，表面温度会随着表面辐射平衡的变化而迅速改变。因此，反射率(α)对南极夏季地表能量平衡起着十分重要的作用。影响冰盖表面反射率(α)的主要因素是云、雪粒大小(雪龄)和太阳高度角(Wiscombe et al，1980)。云能够影响到达地面的辐射发散，并在太阳高度角大于50°时减小反射率(α)。云也能增加可见光波段向下的短波辐射，使反射率(α)增大。Van den Broeke等(2004)研究认为在南极后者起主要作用。南极地区干冷的气候使雪的变质过程十分缓慢，雪粒直径一般约为0.1 mm(Gay et al，2002)，雪面洁净，这种状况导致了南极冰盖具有较高的反射率。太阳高度角的变化会导致反射率的季节变化。熊猫-1气象站位于南极内陆地区，以晴空天气为主，反射率的变化主要受到太阳高度角的影响。从熊猫-1站反射率的时间序列(图 4)可以看出，熊猫-1站在夏初和夏末反射率最高，超过0.9。盛夏期间(12—2月)反射率变化很小，维持在0.8左右。从图 4可见，反射率的日变化存在明显波动，特别是在夏初和夏末波动较大，变化幅度超过0.3。反射率的变化是极地气旋和东风带波动导致的暴风雪天气所致(卞林根等，1991)。

图 4 日平均反射率(细线)及其5日滑动平均(粗线)的时间系列 Fig. 4 Time series of the daily mean(thin line) and five day moving averaged albedo(thick line)

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长波辐射包括地面向上长波辐射(LW↑)和向下长波辐射(LW↓)。向下长波辐射与大气温度和水汽含量密切相关，气温和大气中水汽含量是大气长波辐射的主要影响因子(孙维君等，2011)。观测期间，日平均向下长波辐射与气温和比湿的相关系数分别达到0.35和0.38，都通过了0.01的显著性检验。向下长波辐射的年平均值为134.6 W/m²，年变化幅度为40 W/m²。向下长波辐射的最小值出现在10月，为112.6 W/m²，最大值出现在7月，其原因主要是冬季气旋系统入侵频繁，云层较厚，增强了大气向下的长波辐射强度。

地面向上的长波辐射主要受地表温度和地表特性决定，同一地面向上的长波辐射仅由温度决定(范丽军等，2002)。日平均地表温度(T_s)和地面反射辐射(LW↑)的相关系数达到0.99，超过0.001的显著性水平(图 5)。向上长波辐射与温度的年变化特征相似，表现出短暂夏天和无心冬季的特点。年平均地面反射辐射为174.2 W/m²，1月最大为217 W/m²，最小值出现在6月，为146.5 W/m²。

图 5 地表温度与向上长波辐射的相关分析 Fig. 5 Correlation plots of the daily mean surface temperature and upward longwave radiation

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晴空条件下，向下和向上长波辐射的强度与地表温度有关(Van den Broeke et al，2004; King，1996; Konig et al，1994)。在多云条件下，向下的长波辐射主要受云底温度的影响。观测期间日平均向下与向上长波辐射的相关系数达到0.4，显著性水平P<0.001(图 6)。因此，通过净长波辐射和地表温度的关系，能够分析当地的气候特征。从观测期间地表温度和净长波辐射的关系(图 7)可知，LW_net≈0时，代表了阴天的辐射平衡状况。这种天气条件下雪面与云底之间达到了热力平衡，即雪面的长波辐射等于大气逆辐射。这种情况夏季较少，冬季较为频繁，说明该地区冬季极地气旋活动频繁。图 7中LW_net小于-80 W/m²散点可以代表晴空情况，并主要出现在雪面温度较高的夏季，冬季晴空频率较低。在夏季晴空条件下短波辐射强烈，地表温度快速升高，长波辐射热量散失大，净辐射负值达到最大，冬季与之相反。熊猫-1站地处南极高原缓坡区，下降风小，风切变也很小，向下传输的感热也很小。因此，夏季晴空条件下净长波辐射的绝对值明显大于冬季。

图 6 大气逆辐射与地面长波辐射的相关 Fig. 6 Correlation plots of the upward longwave radiation and downward longwave radiation

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图 7 日平均净长波辐射与地表温度的关系 Fig. 7 Daily mean values of the net longwave radiation as a function of the AWS temperature

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由四个季节向上和向下短波和长波辐射的平均日变化(图 8)可见，除冬季外，向上和向下短波辐射日出后随着太阳高度角的增大而逐渐增强，午间最大，此后随着太阳高度角的减小，而逐渐减弱，日落后达到最小值(图 8a、b)。不同季节的差异仅在于幅度、强度。夏季向下最大辐射强度为700.0 W/m²，平均日振幅为622.7 W/m²。春季最大辐射强度为481.0 W/m²，平均日振幅为464 W/m²。秋季辐射强度明显减弱，最大仅为143.1 W/m²，平均日振幅为143.1 W/m²。冬季大部分时间为极夜期，平均日振幅仅为1.6 W/m²。向上短波辐射与向下短波辐射的平均日变化规律基本相同，夏季最大，冬季最小。夏季最大辐射强度为544.2 W/m²，春季和秋季分别为354.6和106.6 W/m²。

图 8 熊猫-1站各季节向下短波辐射(a)、向上短波辐射(b)、向上长波辐射(c)和向下长波辐射(d)的平均日变化 Fig. 8 Mean diurnal variations of the downward shortwave radiation(a)，upward short wave radiation(b)，upward long wave radiation(c) and downdward long wave radiation(d)in the different seasons at P and a-1

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从图 8c、d可知，夏季雪面向上的长波辐射仅在午后有所增大，日变化振幅较小，最大值出现在16时(当地时东5区)，其他季节日变化振幅均不明显。向上长波辐射主要受地表温度控制，冬季没有短波辐射加热，地表温度没有日变化，因此，向上的长波辐射变化小。夏季和春季向下的长波辐射有明显的日变化特征，最大值出现在午后，日平均振幅分别为14.2和8.2 W/m²，秋季和冬季日变化不明显，维持在160 W/m²左右。3.4 净辐射

净辐射(R_net)又称辐射平衡，为净短波辐射和净长波辐射之和，可表征地表辐射能的收支情况。净辐射是气候形成的主要因子，很大程度上决定着温度的分布，是计算冰川消融、蒸发速率等方面的重要参数(孙维君等，2011)。影响净辐射的因子很多，主要与地理位置、地表特征及气候条件等有关(King et al，1997)。

由各季节净辐射的平均日变化(图 9a)可见，冬季净辐射维持在-10 W/m²左右，日变化不明显，其他季节日变化规律显著。春季和夏季净辐射日振幅分别为134.4和117.7 W/m²，日峰值分别为74.6和64.6 W/m²，白天净辐射为正，夜间为负。秋季净辐射日振幅减弱为36.4 W/m²，日峰值为8.6 W/m²，白天净辐射仅在中午前后4 h为正值。由此可见，熊猫-1站地春季和夏季白天吸收大量的辐射能，夜间辐射冷却现象十分显著。

图 9 净辐射的平均日变化(a)和月变化(b) Fig. 9 Mean diurnal(a) and monthly mean(b)variations of the net radiation

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熊猫-1站区全年净辐射仅在极昼期间的12月和1月为正值(图 9b)，其他时段均为负值，维持在-5—-20 W/m²，其年变化特征决定了该地区主要的气候特点，体现出南极内陆漫长的寒季和暂短的夏季。月平均净辐射最大值在12月，为3.6 W/m²，最小值在4月，为-18.8 W/m²。年平均净辐射为-8.7 W/m²，表明地表相对于大气为冷源。除大气逆辐射和太阳短波辐射之外，还需要以感热和潜热的方式从大气获得热量。3.5 与其他站辐射收支的比较

Van den Broeke(2004)等利用南极毛德皇后地区的辐射观测数据和King等(1997)整编的几个南极站月平均的辐射数据，对不同气候区的辐射特征进行了分析。由于数据的限制，在此只对熊猫-1 地区夏季和冬季及年平均的辐射值与文献中给出的结果进行了比较(表 3)。熊猫-1地区雪面反射率和净短波辐射与其他南极内陆高原站差别不大，反射率都在0.8以上，但比南极沿岸(0.78)大。夏季净辐射比其他内陆高原站小，冬季基本相似。其原因可能与下降风影响有关。熊猫-1地区位于东南极内陆高原强下降风边缘，风速较大，加强了雪面长波辐射的放出(Van den Broeke et al，2005)。表 3中南极内陆高原地区的Southpole和Vostok站地势较为平坦，几乎没有下降风。因此，净辐射明显大于下降风区。

利用东南极高原2011年2月1日至2012年1月29日熊猫-1自动气象站观测的辐射资料，分析了辐射分量的变化特征。由于南极内陆高寒地区的资料难以获取，文中结果可为模式结果的验证提供参考。

(1)夏季是接收太阳辐射的主要时段，平均辐射通量为365.0 W/m²，总量达到2752.1 MJ/m²，占全年总辐射量的57.6%。各个季节均出现总辐射瞬时值大于大气顶的水平辐射量，春季发生的频率明显高于其他月份。此现象表明南极内陆大气透明度极高，还可能与积云对短波的散射较强有关。

(2)总辐射和反射辐射的日变化规律基本相同，具有呈单峰的变化特征。不同季节的差异仅是日较差的幅度。夏季和春季向下长波辐射有明显的日变化特征，最大值出现在午后，日平均振幅分别为14.2和8.2 W/m²，秋季和冬季日变化不明显，维持在160 W/m²左右。

(3)极昼期间净辐射在12月和1月为正值，其他时段均为负值，维持在-5—-20 W/m²，体现出南极内陆漫长的寒季和暂短的夏季。年平均净辐射为-8.7 W/m²，表明地表相对于大气为冷源。除大气逆辐射和太阳短波辐射之外，还需要以感热和潜热的方式从大气获得热量。

(4)反射率和净短波辐射与南极其他内陆高原站差别不大，反射率都在0.8以上，夏季净辐射比其他内陆高原站小，冬季基本相似。其原因可能与下降风影响有关。

由于资料的限制未能对该地区辐射平衡的年际变化进行研究，继续在南极内陆地区开展辐射的观测研究，进一步认识南极辐射平衡及其对气候变化的影响十分必要。

致谢：感谢中国第27次南极科学考察队内陆队协助安装气象站。本文写作中得到了窦挺峰博士、张通博士、马永锋博士等的指导，在此一并表示感谢。