西藏羊八井輻射觀測(cè)初步分析

單增羅布，朱振嶺，次仁尼瑪，格桑卓瑪

(西藏大學(xué)理學(xué)院物理系，西藏拉薩850000)

西藏羊八井輻射觀測(cè)初步分析

單增羅布，朱振嶺，次仁尼瑪，格桑卓瑪

(西藏大學(xué)理學(xué)院物理系，西藏拉薩850000)

利用西藏羊八井2009年5月至2010年4月的輻射觀測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)了總輻射、紫外輻射、長(zhǎng)波輻射、凈輻射的日變化、月變化和季節(jié)變化，并分析了地表輻射超過(guò)太陽(yáng)常數(shù)的發(fā)生頻率及原因。結(jié)果表明，羊八井地區(qū)總輻射、紫外輻射、長(zhǎng)波輻射、凈輻射均表現(xiàn)出明顯的日變化、月變化和季節(jié)變化特征;總輻射與地表短波反射輻射、總輻射與紫外輻射均表現(xiàn)出明顯的正相關(guān)關(guān)系;大氣逆輻射和地表長(zhǎng)波輻射之間呈現(xiàn)出一定的的正相關(guān)關(guān)系。

羊八井;輻射;日變化;月變化;季節(jié)變化

Abstract:Based on the radiation data from May of 2009 to April of 2010 at Yangbajing in Tibet，the daily，monthly and seasonal variations of total radiation，ultraviolet radiation，long-wave radiation and net radiation were discussed and the frequency and reasons why the radiation exceeds the solar constant were analyzed．The results show that the total radiation，ultraviolet radiation，long-wave radiation and net radiation in Yangbajing area present obvious daily，monthly and seasonal variation characteristics．There is a positive correlation between the total radiation and ultraviolet radiation，between the total radiation and short-wave reflected radiation over earth surface and between the downward atmospheric radiation and long-wave reflected radiation over earth surface．

Key words:Yangbajing;radiation;diurnal variation;monthly variation;seasonal variation

0 引言

青藏高原作為地球“第三極”，對(duì)其的研究已成為各國(guó)科學(xué)家競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。從太陽(yáng)輻射到達(dá)地表的條件來(lái)看，青藏高原具有很多有利的條件，如低緯度、高海拔、大氣透明度高(季國(guó)良，1985，1999)等特點(diǎn)。已有研究表明，每年6—9月在青藏高原上空也存在著大氣臭氧總量相對(duì)低的情況(周秀驥等，2006)，這直接導(dǎo)致到達(dá)青藏高原地表的紫外線輻射強(qiáng)度高于同緯度的其他地區(qū)。青藏高原高聳的地形特征和高原地面所吸收的太陽(yáng)輻射能，使得該地區(qū)的能量與水分循環(huán)過(guò)程對(duì)亞洲季風(fēng)、東亞大氣環(huán)流及全球氣候變化都有極大的影響(武榮盛和馬耀明，2010)。國(guó)內(nèi)學(xué)者(季國(guó)良等，1987，1995;李超等，2000;馬偉強(qiáng)等，2004)為了研究青藏高原的特殊作用，進(jìn)行了大量的有關(guān)高原加熱和輻射的研究。由于青藏高原自然條件惡劣、地形復(fù)雜，野外觀測(cè)臺(tái)站較少，目前對(duì)太陽(yáng)輻射的研究大多基于短期觀測(cè)或局部觀測(cè)(Ren et al．，1997;呂達(dá)仁，2004;馬偉強(qiáng)等，2004;Dahlback et al．，2007)。

太陽(yáng)輻射的能量經(jīng)大氣的吸收和散射，衰減后剩余的能量才能到達(dá)地面。由布格—朗伯定律可知，太陽(yáng)輻射進(jìn)入大氣后，其總的衰減系數(shù)由散射系數(shù)(氣體分子和氣溶膠分子散射引起的衰減)和吸收系數(shù)(氣體分子吸收引起的衰減)兩方面共同決定，顯然大氣的質(zhì)量密度越小產(chǎn)生的削弱系數(shù)就越小。在海拔越高的地方大氣的質(zhì)量密度和大氣光學(xué)厚度越小，太陽(yáng)輻射能量也就越容易到達(dá)地面，觀測(cè)到的輻射數(shù)據(jù)更有價(jià)值。羊八井正好具備了以上的觀測(cè)條件，它位于拉薩以北約90 km(90°53'E，30°13'N)，海拔4 300 m。

1 數(shù)據(jù)資料

2009年3月中科院大氣物理研究所與西藏大學(xué)聯(lián)合在西藏羊八井鎮(zhèn)安裝了CR1000采集器和全套監(jiān)測(cè)地表輻射平衡的輻射儀器，表1給出了本文中所使用儀表的相關(guān)信息。所有輻射表觀測(cè)頻率為15 Hz，數(shù)據(jù)每分鐘記錄一次，包括平均值、最大值和最小值。

表1 輻射儀表參數(shù)Table 1The parameters of radiometers

本文對(duì)羊八井2009年5月—2010年4月觀測(cè)的輻射數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，初步討論了羊八井地區(qū)總輻射(total radiation)、紫外線輻射(ultraviolet radiation)、長(zhǎng)波輻射(long wave radiation)、凈輻射(net radiation)的日變化、月變化和季節(jié)變化，以及地表總輻射超過(guò)太陽(yáng)常數(shù)的發(fā)生頻率及原因。

2 結(jié)果分析

利用2009年5月—2010年4月的輻射數(shù)據(jù)，初步分析了各輻射分量的日、月以及季節(jié)變化規(guī)律和成因，同時(shí)選取具有代表性的8 d(云量不同，每個(gè)季節(jié)2 d)，分別為2009年6月1日(早多云，晚少云)、 7月1日(全天積雨云，有降雨)、9月1日(早晚少云，中午多云)、10月1日(全天云量適中)、12月1日(早無(wú)云，晚多云)、2010年1月1日(全天無(wú)云)、3月1日(全天少云)、4月1日(全天多云)，作為實(shí)例輔助分析。上述云量情況均由中科院大氣所自主研制的可見(jiàn)光探測(cè)器測(cè)得，該儀器安裝在羊八井，距CR1000采集器100 m，只在白天運(yùn)行，每隔3 min對(duì)全天空進(jìn)行一次拍照。

2.1 總輻射

ALLW1測(cè)得的總輻射是指由太陽(yáng)投到地球表面的短波輻射，包括太陽(yáng)的直接輻射和散射輻射; ALLW2測(cè)得的輻射是指地表短波反射輻射。

由圖1、2可見(jiàn)，總輻射和地表短波反射輻射均呈現(xiàn)出明顯的月變化特征，月平均值的變化范圍分別為150～300 W·m－2、40～50 W·m－2，從12月(最小)開(kāi)始逐漸增大，到6月達(dá)到峰值，后逐漸減小，即輻射值在夏季最強(qiáng)，春秋季次之，冬季最弱，且兩季間節(jié)輻射值相差較大。主要是因?yàn)榭傒椛涞拇笮≈饕商?yáng)高度角和大氣透明系數(shù)(主要取決于水汽和云量)共同決定，其中太陽(yáng)高度角是主要影響因素(馬偉強(qiáng)等，2004)，而羊八井夏季太陽(yáng)高度角最大，冬季最小。

圖1 總輻射和地表短波反射輻射月變化Fig．1Monthly variation of total radiation and short-wave reflected radiation over earth surface

圖2總輻射和地表短波反射輻射季節(jié)變化Fig．2Seasonal variation of total radiation and short-wave reflected radiation over earth surface

圖3 給出了不同云量條件下輻射的日變化情況，可見(jiàn)即使在不同的云量條件下，每天的總輻射和地表短波反射輻射最高值總是出現(xiàn)在中午12:00—16:00，這是由于二者輻射強(qiáng)度主要取決于太陽(yáng)高度角，與月變化和季節(jié)變化規(guī)律的原因相同。圖3中不光滑曲線是由于該時(shí)刻出現(xiàn)了云的影響，云過(guò)后立刻恢復(fù)為原來(lái)的輻射狀態(tài)。

2.2 長(zhǎng)波輻射

儀表LW1測(cè)得的長(zhǎng)波輻射是指大氣向下長(zhǎng)波輻射，即大氣逆輻射;儀表LW2測(cè)得的長(zhǎng)波輻射是指地表發(fā)射長(zhǎng)波輻射，地球表面以長(zhǎng)波形式向上發(fā)射的輻射，與地面溫度密切相關(guān)。大氣中的云、二氧化碳、水汽、氣溶膠等能吸收75%～95%的地表長(zhǎng)波輻射，所以有、無(wú)云以及大氣的干濕情況對(duì)長(zhǎng)波輻射的影響尤為顯著。由圖4可見(jiàn)，大氣逆輻射和地面長(zhǎng)波輻射的月平均值分別為200～350 W·m－2和290～410 W·m－2，根據(jù)全年數(shù)據(jù)計(jì)算的大氣逆輻射和地表長(zhǎng)波輻射的日平均輻射通量密度分別為277.22 W·m－2和352.01 W·m－2。

由圖4、5可見(jiàn)，大氣逆輻射和地表長(zhǎng)波輻射之間存在一定的正相關(guān)關(guān)系，受云量影響，二者的變化規(guī)律略有差別。大氣逆輻射和地表長(zhǎng)波輻射月平均值均從1月開(kāi)始逐漸增大，而前者在6月達(dá)到峰值、后者則為7月。輻射值夏季最高，冬季最低，主要是因?yàn)橄募緶囟雀哂诙?。無(wú)云情況下，大氣逆輻射的輻射通量密度(盛裴軒等，2005)可表示為

其中:ε0為晴天的視發(fā)射率;σ為斯蒂芬—玻爾茲曼常數(shù);Tα為百葉箱中觀測(cè)的近地面氣溫。有云情況下

其中:εc為云的比輻射率;Tc為云的溫度，可由云高決定;N為云量;Ac為訂正系數(shù)。可見(jiàn)，無(wú)云情況下大氣逆輻射與地表溫度正相關(guān);有云情況下大氣逆輻射與地表溫度和云溫度密切相關(guān)，且大氣逆輻射較無(wú)云情況下更強(qiáng)一些。

圖4 大氣逆輻射和地表長(zhǎng)波輻射月變化Fig．4Monthly variation of downward atmospheric radiationandlong-wavereflectedradiationover earth surface

地表長(zhǎng)波輻射(盛裴軒等，2005)可以表示為

其中:ε為地表比輻射率;σ為斯蒂芬—玻爾茲曼常數(shù);T表示地表溫度。可見(jiàn)，地面長(zhǎng)波輻射變化與地表溫度變化一致，在地表性質(zhì)大致相似的情況下，T決定L的強(qiáng)弱。

圖3 總輻射和地表短波反射輻射日變化a．2009-06-01;b．2009-07-01;c．2009-09-01;d．2009-10-01;e．2009-12-01; f．2010-01-01;g．2010-03-01;h．2010-04-01Fig．3Daily variation of total radiation and short-wave reflected radiation over earth surfacea．2009-06-01;b．2009-07-01; c．2009-09-01;d．2009-10-01;e．2009-12-01;f．2010-01-01;g．2010-03-01;h．2010-04-01

圖5 大氣逆輻射和地表長(zhǎng)波輻射季節(jié)變化Fig．5Seasonal variation of downward atmospheric radiationandlong-wavereflectedradiationover earth surface

眾所周知，內(nèi)地大多數(shù)地區(qū)的長(zhǎng)波輻射日變化規(guī)律不明顯，而由圖6可見(jiàn)，羊八井長(zhǎng)波輻射表現(xiàn)出明顯的日變化規(guī)律，造成內(nèi)地和高原如此差別的主要原因，是由于內(nèi)地的溫度日變化較高原小的多。

2.3 紫外輻射

太陽(yáng)紫外線輻射是電磁波譜中波長(zhǎng)100～400 nm輻射的總稱，按波長(zhǎng)長(zhǎng)短可分為短波紫外線UVC(ultraviolet C，100～290 nm)，到達(dá)地表之前幾乎全部的UVC被臭氧吸收，故地表測(cè)不到它的數(shù)據(jù)，本文不做研究;中波紫外線UVB(ultraviolet B，290～320 nm)，到達(dá)地表之前大部分的UVB被臭氧吸收，到達(dá)地面的能量極少，但它的強(qiáng)度變化會(huì)引起較強(qiáng)烈的環(huán)境和生物效應(yīng)，從而受到人們廣泛關(guān)注;長(zhǎng)波紫外線UVA(ultraviolet A，320～400 nm)。由圖7、8可見(jiàn)，UVAB(ultraviolet A and ultraviolet B)、UVB月變化和季節(jié)變化特征與總輻射變化一致，具有明顯的月和季節(jié)變化特征。因?yàn)榈孛娼邮盏降淖贤廨椛涞亩嗌僦饕芴?yáng)高度角影響，不同季節(jié)太陽(yáng)高度角不同，夏季UVAB和UVB輻射明顯高于其他季節(jié)，因?yàn)橄募咎?yáng)高度角較大。

圖7 紫外輻射月變化Fig．7Monthly variation of UV radiation

根據(jù)全年數(shù)據(jù)，總輻射、地表短波輻射、UVAB輻射、UVB輻射的輻射通量密度日平均值分別為223.41 W·m－2、52.544 W·m－2、15.151 W·m－2、0.27 W·m－2，相比之下UVAB和UVB輻射值較小，其中UVB輻射量約占UVAB的1.79%。聯(lián)系UVAB和UVB輻射日變化曲線(圖9)以及云量情況，UVAB和UVB輻射受云量和水汽等的影響也很大。

圖6 大氣逆輻射和地表長(zhǎng)波輻射日變化a．2009-06-01;b．2009-07-01;c．2009-09-01;d．2009-10-01;e．2009-12-01; f．2010-01-01;g．2010-03-01;h．2010-04-01Fig．6Daily variation of downward atmospheric radiation and long-wave reflected radiation over earth surfacea．2009-06-01;b．2009-07-01;c．2009-09-01;d．2009-10-01;e．2009-12-01;f．2010-01-01;g．2010-03-01;h．2010-04-01

圖8 紫外輻射季節(jié)變化Fig．8Seasonal variation of UV radiation

2.4 凈輻射

由凈輻射計(jì)算公式(盛裴軒等，2005)可知，凈輻射等于總輻射加上大氣逆輻射減去地表短波反射輻射再減去地表長(zhǎng)波反射輻射。由凈輻射的月變化曲線(圖10)可以看出，12月凈輻射最小(36 W·m－2)，然后逐漸增大，6月達(dá)到最大值(150 W·m－2)后逐月減小，全年凈輻射通量密度月平均值為96.065 W·m－2。從凈輻射的季節(jié)變化(圖11)來(lái)看，羊八井夏季凈輻射最大(145 W·m－2)，春秋季次之，冬季凈輻射最低(45 W·m－2)。影響凈輻射的因素比較多，只要能影響總輻射、大氣長(zhǎng)波輻射、地表輻射的因素都會(huì)對(duì)凈輻射產(chǎn)生影響，包括:太陽(yáng)高度角、溫度(地表溫度、云溫度、地表附近大氣溫度)、云量和水汽等。結(jié)合圖4、5可見(jiàn)，凈輻射與長(zhǎng)波輻射季節(jié)變化一致，與羊八井地區(qū)的氣溫變化一致(圖略)，說(shuō)明可以根據(jù)溫度估測(cè)凈輻射。

圖10 凈輻射月變化曲線Fig．10Monthly variation curve of net radiation

圖11 凈輻射季節(jié)變化曲線Fig．11Seasonal variation curve of net radiation

圖9UVAB和UVB輻射日變化曲線a．2009-06-01;b．2009-07-01;c．2009-09-01;d．2009-10-01;e．2009-12-01;f．2010-01-01;g．2010-03-01;h．2010-04-01Fig．9Daily variation of UVAB and UVB radiationa．2009-06-01;b．2009-07-01;c．2009-09-01;d．2009-10-01;e．2009-12-01;f．2010-01-01;g．2010-03-01;h．2010-04-01

圖12 凈輻射日變化曲線a．2009-06-01;b．2009-07-01;c．2009-09-01;d．2009-10-01;e．2009-12-01;f．2010-01-01; g．2010-03-01;h．2010-04-01Fig．12Daily variation curve of net radiationa．2009-06-01;b．2009-07-01;c．2009-09-01;d．2009-10-01;e．2009-12-01; f．2010-01-01;g．2010-03-01;h．2010-04-01

由圖12可見(jiàn)，凈輻射日平均值的變化范圍為0～1 200 W·m－2，日出前及日落后凈輻射為負(fù)，即地表得到的能量少于失去的能量，地表開(kāi)始降溫;日出后和日落前凈輻射為正，即地表得到的能量多于失去的能量，地表開(kāi)始升溫。日出后凈輻射逐漸增大，14:00(北京時(shí)間，下同)左右達(dá)到極大值，然后逐漸減少，表現(xiàn)出明顯的日變化規(guī)律。

2.5 太陽(yáng)總輻射超太陽(yáng)常數(shù)

文獻(xiàn)報(bào)道青藏高原地區(qū)向下短波輻射因云的多次散射，使得地表觀測(cè)值高于太陽(yáng)常數(shù)(卞林根等，2001;孫維君等，2011)。利用羊八井地表觀測(cè)數(shù)據(jù)分析了總輻射大于太陽(yáng)常數(shù)1 367±7 W·m－2(盛裴軒等，2005)的情況(表2)，發(fā)現(xiàn)超太陽(yáng)常數(shù)的情況基本上只發(fā)生在夏季。

通過(guò)對(duì)比總輻射數(shù)據(jù)和可見(jiàn)光探測(cè)器記錄的圖像，發(fā)現(xiàn)超過(guò)太陽(yáng)常數(shù)的情況主要出現(xiàn)在天空有碎云且云沒(méi)有遮擋太陽(yáng)的情況下。此時(shí)，太陽(yáng)直接輻射直接照到地表，而云間的多次散射輻射導(dǎo)致到達(dá)地表散射輻射增加，兩者之和使得觀測(cè)的地表太陽(yáng)輻射超過(guò)太陽(yáng)常數(shù)。

除了上述解釋，其他的解釋是太陽(yáng)耀斑的爆發(fā)導(dǎo)致羊八井超太陽(yáng)常數(shù)情況發(fā)生。因?yàn)樘?yáng)輻射按性質(zhì)和來(lái)源可分為兩部分:熱輻射和非熱輻射。受非熱輻射的影響，太陽(yáng)輻射功率不很穩(wěn)定，在太陽(yáng)耀斑爆發(fā)時(shí)，太陽(yáng)功率會(huì)有顯著的增加，有可能導(dǎo)致超太陽(yáng)常數(shù)情況的出現(xiàn)。還有一種解釋是，羊八井海拔較高，夏季正午前后，溫度較高，太陽(yáng)輻射很強(qiáng)，熱力學(xué)平衡條件不再適用，考慮到發(fā)射輻射的強(qiáng)弱與溫度密切相關(guān)，高空處的某些化學(xué)反應(yīng)又為放熱反應(yīng)，致使輻射加強(qiáng)，到達(dá)地面的總輻射出現(xiàn)大于太陽(yáng)常數(shù)(李超等，2000)。

表2 地面總輻射超出太陽(yáng)常數(shù)(1 367 W·m－2)的次數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 2Frequency of downward shortwave irradiance larger than 1 367 W/m2

3 結(jié)論

羊八井地區(qū)總輻射、長(zhǎng)波輻射、紫外線輻射、凈輻射均表現(xiàn)出明顯的日變化、月變化和季節(jié)變化特征，地表總輻射超過(guò)太陽(yáng)常數(shù)的情況絕大多數(shù)發(fā)生在夏季。早晚輻射較弱，中午時(shí)間段輻射強(qiáng)烈，14:00左右達(dá)到最大值。羊八井地區(qū)總輻射與地表反射輻射之間、總輻射與紫外線輻射之間均表現(xiàn)出明顯的正相關(guān)關(guān)系。前者是因?yàn)榈乇矸瓷涞亩滩ㄝ椛鋪?lái)自總輻射;后者是因?yàn)榭傒椛浜妥贤廨椛涠贾饕芴?yáng)高度角的影響。羊八井地區(qū)大氣逆輻射和地表長(zhǎng)波輻射之間呈現(xiàn)出一定的正相關(guān)關(guān)系，主要是因?yàn)槎呔c地表溫度有關(guān)。

本文僅對(duì)2009年5月—2010年4月羊八井地區(qū)輻射觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了初步的統(tǒng)計(jì)，只是一個(gè)非常初步的結(jié)果，隨著數(shù)據(jù)量的增加，將在以后進(jìn)一步開(kāi)展大氣對(duì)地表能量平衡影響的研究。

致謝:觀測(cè)資料由中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所羊八井大氣多要素觀測(cè)系統(tǒng)提供。謹(jǐn)致謝忱!

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(責(zé)任編輯:劉菲)

Preliminary analyses on radiation in Yangbajing of Tibet

Danzengluobu，ZHU Zhen-ling，Cirennima，Gesangzhuoma
(Department of Physics，Science School，Tibet University，Lhasa 850000，China)

P422

A

1674-7097(2012)04-0495-07

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2011-06-29;改回日期:2011-11-10

西藏自治區(qū)中青年自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(藏科發(fā)［2008］141號(hào));人力與社會(huì)資源保障部留學(xué)人員科技活動(dòng)擇優(yōu)資助項(xiàng)目(人社廳函［2010］412號(hào))

單增羅布(1966—)，男，西藏山南人，副教授，研究方向?yàn)榇髿馕锢?，danzengluobu@ihep．a(chǎn)c．cn．