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由暗变亮：太阳辐射在地球表面的年代际变化

Martin Wild,1* Hans Gilgen,1 Andreas Roesch,1 Atsumu Ohmura,1 Charles N. Long,2 Ellsworth G. Dutton,3 Bruce Forgan,4 Ain Kallis,5 Viivi Russak,6 Anatoly Tsvetkov7

摘要：地球表面太阳辐射的变化深刻地影响人类和地球环境。地球表明太阳辐射呈现出下降趋势，在许多观测记录中，这一持续变暗的现象持续到1990年，这种现象叫做全球变暗。从1990到现在，主要来自北半球的新可用的表面观测表明，全球变暗并没有持续到上世纪90年代。相反，自上世纪80年代以来一个普遍的变亮现象已被观察到，这种逆转是与云量和大气传输的变化有关，可能会大幅影响地表气候、水文循环、冰川和生态系统。

关键字：地表太阳辐射；由暗变亮；变化特征

From Dimming to Brightening:

Decadal Changes in Solar Radiation at Earthrsquo;s Surface

Martin Wild,1* Hans Gilgen,1 Andreas Roesch,1 Atsumu Ohmura,1 Charles N. Long,2 Ellsworth G. Dutton,3 Bruce Forgan,4 Ain Kallis,5 Viivi Russak,6 Anatoly Tsvetkov7

Abstract:Variations in solar radiation incident at Earthrsquo;s surface profoundly affect the human and terrestrial environment. A decline in solar radiation at land sur- faces has become apparent in many observational records up to 1990, a phenom- enon known as global dimming. Newly available surface observations from 1990 to the present, primarily from the Northern Hemisphere, show that the dimming did not persist into the 1990s. Instead, a widespread brightening has been observed since the late 1980s. This reversal is reconcilable with changes in cloudiness and atmospheric transmission and may substantially affect sur- face climate, the hydrological cycle, glaciers, and ecosystems.

Key words: surface solar radiation; dark brightness; variation characteristics

地表太阳辐射（也被称为全球辐射或日照辐射）是我们这个星球上生命的主要能量来源。辐射测量值的普遍提高是从19世纪50年代末开始的。太阳辐射的观测记录在全世界的分布趋势不同的现象在各种研究中已提出^（1–5）。这些研究报告指出地表太阳总辐射自1960年起到1990年呈减少趋势，一般按照次序减少6到9W.m^-2 相对应的4%到6%的跌幅超过30年。这种减少可能对表面温度、蒸发量、水文循环和生态系统带来深刻影响^（6–10)。到目前为止，还没有研究已经解决了从1990年开始的太阳辐射的演变，因为有了广泛的观测数据后，1990年以后的不容易访问。在1990前的数据的主要来源^（1–5）是全球能量平衡的档案（GEBA）^（11）我们在本世纪的工作中从在俄罗斯的圣彼得堡世界辐射数据中心（WRDC）的支持下，已经更新到90年代。我们也同样使用了从基准辐射网络（bsrn）的世界气候研究计划（WCRP）中获取的自1992年^（12）起的地表辐射观测数据。. 这一全球性的网络测量的表面辐射通量，在主要气候区的选定地点与校准的国家的最先进的仪器一样，可以达到最高可能的精度。 从GEBA和BSRN 而来的数据经过的严格的回归分析的先决条件的检查，如^{（11，12）}所述，以保证数据的高精度和均匀性。在这里，我们评估新可用的表面观测，以调查在最近几年的太阳辐射的变化。

表一 欧洲地表太阳辐射变化

在欧洲用三百站点合并成32 ISCCP^（21）等面积网格。结果，得到了拟合线性模型与测站的影响^（2），在每个网格内的每个观测点的表面太阳辐射的年度平均（通过了5%的显著性检验）。在早期的研究中，在1950至1990^{（1 - 5）}这段时间内，地表太阳辐射主要呈现减少的趋势。而在1985年至2000年这段时间内，地表太阳辐射主要呈现出增加的趋势。数据来源：GEBA/WRDC ⁽¹¹⁾。

图一 在这项研究中使用的表面观测点的全球分布

图中用黄色标记的观测点，表示该站点的观测值自1990年起，地表的太阳辐射呈现出增加的趋势。而图中用红色标注的站点，表示表示该站点的观测值自1990年起，地表的太阳辐射呈现出减少的趋势。高质量的观测点，满足bsrn的标准^（12）被显示为三角形，其他的来自于GEBA的站点显示为叉。将欧洲的300个站点和日本的45个站点以聚集区域的方法来显示 大多数站点的地表太阳辐射值自1990年开始呈现出增加的趋势。

上世纪90年代欧洲地区的数据是最为全面而且是可以利用的。300个站点的每年的测量值有7000个经过GEBA/WRDC的分析，在网格分辨率为2.5的网格下占有32个网格。表1中的结果，得到了通过估计的在每个网格中的线性模型，包括测站的影响，如⁽²⁾。由于24个网格下的从1950年到1990年的数据在早期的研究中考虑^（1-5），有了系统性的减少。而在1985年到2000年的数据中，只有6个网格的数据呈现出减少的状态，这样的数据是都没有统计学意义的。从表1可以推断，欧洲地区在1985年以后太阳辐射呈减弱状态，并且发现了一种由暗变亮的反转的状态。平均而言，这种趋势变化，即他们的符号从负到正的状态始于1985年，即在14个网格下中的二阶线性模型的最小值。这种由暗变亮的状态在中欧和东欧的各种网格站点中均有体现，这种反转的状态在插图图S1到S3中得以体现。

太阳辐射从减少到增加的转变的模式，与日射强度计测量确定无云大气透明度相类似。这显示了上世纪80年代初普遍减少的趋势，到此后逐渐恢复的大气传输的普遍趋势（图S4）。这可能是由于出台了更有效的清洁空气法规，以及东部欧洲国家在上世纪80年代末政治转型中的经济衰退，减少了气溶胶的负担，为了体现这一点，例如，由于减少气溶胶负荷和在这些地区云的影响局部行星反照率较低^（14）。大气传输，太阳辐射和云的相关变化爱沙尼亚的Tartu-Toravere有长期记录(图S3 和 S4) ⁽¹⁵⁾。

除了这些欧洲的观测，我们发现世界各地由暗变亮数十年的观测记录有类似的逆转(图 1 和 图S5 到 S11)。这些包括仔细校准和维护过得数据，如北美（博尔德，科罗拉多，和手推车，阿拉斯加），北太平洋和南太平洋（蒙那罗，哈-壁，和萨摩亚），和南极洲（南极）气候监测与诊断实验室（CMDL）（16）网站的维护。CMDL网站显示上世纪80年代中期以前向下的趋势已恢复(图1 和图 S5)。

图二 全球范围内的BSRN分布式站点实际观测的，平均地表太阳辐射的时间序列图

图中显示的是从1992年到2002年的BSRN数据，并且是以8年为时间尺度的。图A是在正常天空条件下，B是在晴朗天空条件下⁽²⁴⁾。 在这一时期，正常的天空条件下和晴朗的天空条件下，太阳辐射值均增加。单位：W.m^-2。

澳大利亚1993年建立了高质量的辐射网络。直到2003年的数据都是可利用的并且都是不支持持续变暗的。因为大多数的站点显示出最近几年的太阳辐射值有增加的趋势到20世纪90年代的一个显着的持续变暗的迹象（图1和图S11）。

这种迹象是印度基于有限的数据，通过质量检查而得出的（图12），可能与大气棕色云团的持续流行有关。（ABCs）^（19）。此外，在非洲大陆，津巴布韦市2个地点的地表太阳辐射下降，并且无恢复趋势，而埃及的太阳辐射水平的下降也是在20世纪90年代（图1，图S13和S14）

但是，从其他地区获取的数据并不能达到可以分析时间序列的精度水平，这些地方包括南美洲，非洲，和美国的一些地方（在20世纪80年代期间），以及澳大利亚1988年之前的数据。这些地方的数据是经过模式调整的，因此是人为的存在自由的趋势。

这种情况与数据质量并不能达到令人满意的程度。于是在1992年建立了BSRN系统，该系统对新的太阳能辐射测量的质量标准进行了介绍。在BSRN中，我们选择了最长的记录的网站，包括高纬度地区新奥勒松（斯匹次卑尔根，挪威）和在北极的巴罗（阿拉斯加，美国）以及格奥尔冯诺伊迈尔和南极昭和站。中纬度的站点包括博尔德（科罗拉多，美国）和佩耶纳（瑞士），与低纬度的站点百慕大群岛（西-大西洋）和夸贾林环礁（热带西太平洋）。图二显示的是年平均太阳辐射在这些地点的时间序列与他们相关的线性拟合。值得注意的是，没有一个站点的数据显示下降。相反，8个站点中的6个站点数据显示大幅增加。在其他的BSRN站点中也发现了类似的趋势在较短的时间（图1）。因此，在20世纪90年代期间获得的高质量数据，更好的体现出了一个变亮的过程而不是继续变暗的过程。

总的来说，从GEBA/WRDC,BSRN和CMDL的数据记录来看，并没有任何证据可以证明，进入20世纪90年代后，存在广泛的变暗现象。相反,有迹象显示,自1980年代中期以来，在许多地区,主要是北半球，澳大利亚和南极洲地区，出现了额外增加的地表太阳辐射的现象。类似的逆转变亮的现象是在上世纪90年代，通过全球范围内最近的一项研究估计，并且是从卫星上获取的地球表面太阳辐射的数据进而研究发现的这一现象。^（20）这表明，表面测量可能确实存在一个很大规模的信号。卫星源和测量表面的太阳辐射数据二者的变化，也同样在改变着全球云的国际卫星云气候学项目提供业务线（ISCCP）。同时显示出的太阳辐射增加至20世纪80年代末和其后减少，按照约5%的秩序减少，从20世纪80年代一直持续到2002年。

一种基于地球最近的行星反照率和ISCCP云数据的重建方法，也同样显示出了20世纪90年代的太阳辐射呈现下降趋势的现象。在BSRN系统的覆盖期内（1992到2001年期间）地球反射率降低的值相当于 增加了6 W.m^-2通过地球的太阳辐射的吸收量^（22）在BSRN的系统中整体变化的观察，估计在图2a的各站点平均的斜率，约为0.66W.m^-2每年，（6.6 W.m^-2在整个BSRN期）。在（2002）的行星反照率估计在^（22）的显着增加，2003 /外的可用表面测量的时间是有争议的^（23）。

与通常以月或日的形式提供的传统辐射数据相比，BSRN数据的另一个优点是它的高时间分辨率（时间尺度分布）。在一种先进的晴朗天空检测算法的基础上^（24），高频测量允许BSRN数据在多云和晴朗的天空时期存在一个分层。在这晴朗和所有天空状况下不同的气候状况，为不同气候制度扩展记录研究太阳辐射在大气中的传输的可用性提供了一个独特的机会。在图2B中，聚合成年际尺度分布的晴空日照的时间序列在8个BSRN网站上显示出了与它们相关的线性拟合，其斜坡每年从thorn;0.01 W.m^-2到thorn;1.61 W.m^-2。这表明，无云大气可能在上世纪90年代期间变得更加透明，这符合图S4中的大气传输测量。早在上世纪90年代初，大气传输的增加就已经反映了皮纳图博火山气溶胶总量的恢复。此外，空气质量法规和东欧的经济衰退也可能会影响到大尺度的气溶胶浓度^（25）。在图2B中，再次以站点上的斜率

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