朱金菊,秦 平,陳亞丹,黃 萍

(1.湖南省張家界市氣象局,湖南 張家界 427000;2.湖南省石門縣氣象局,湖南 石門 415300)

2009年7月22日日全食期間石門的氣象要素變化解析

朱金菊1,秦 平1,陳亞丹2,黃 萍1

(1.湖南省張家界市氣象局,湖南 張家界 427000;2.湖南省石門縣氣象局,湖南 石門 415300)

根據(jù)石門日全食各階段的具體時(shí)間,利用石門自動(dòng)氣象站的分鐘數(shù)據(jù),具體分析了 2009年7月22日日全食期間石門觀測(cè)點(diǎn)的氣溫、地溫、相對(duì)濕度、氣壓和風(fēng)的變化規(guī)律,并與天氣形勢(shì)相似的 21日進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明,日食期間氣溫和地溫均為先升后降再升,呈峰谷變化,但是氣溫的變化有約 1h的滯后;相對(duì)濕度和風(fēng)速隨氣溫降低而增大,滯后性基本與氣溫同步,風(fēng)向沒有太大變化;氣壓小幅升高。與前一日相比,所有要素變化劇烈程度均大得多。最主要影響因子是日全食期間太陽輻射的波動(dòng)性變化。

日全食;石門;氣象要素;變化;解析

1 引言

我國是世界上最早記錄日食的國家,早在商代甲骨文中,已有日食的記錄[1]。朱文鑫[2]對(duì)以正史為主的典籍中的各代日食都作了盡可能詳盡的統(tǒng)計(jì),得到從“書經(jīng)日食”、“詩經(jīng)日食”直到清末的日食記錄共 916次,這些記錄以描述天象變化或者生物反應(yīng)為主[3],也用于校驗(yàn)古代歷法精度[4]。此后對(duì)日食的記錄越來越具體,隨著現(xiàn)代天文學(xué)的發(fā)展,學(xué)者們利用日食事件研究太陽系運(yùn)動(dòng)、引力理論、太陽本身和日地間物理變化等等[5-7]。對(duì)日食現(xiàn)象所產(chǎn)生影響的研究也日益深入和廣泛,日食在可見光云圖上產(chǎn)生陰影[8],日食期間太陽分光輻射發(fā)生變化[9],日全食時(shí)期的低溫寡照對(duì)處于敏感期的雜交水稻制種會(huì)產(chǎn)生不可估量的影響[10]。日食事件與氣候變化的關(guān)系也得到關(guān)注,趙佩章[11-13]等對(duì)日食與厄爾尼諾、拉尼娜的關(guān)系進(jìn)行了研究,并揭示了日食事件與中國旱澇現(xiàn)象之間的機(jī)制。然而對(duì)日食發(fā)生期間具體的氣象要素變化反而關(guān)注較少,文獻(xiàn)[14]粗略地記載了 1941年9月21日甘肅臨洮日全食期間的氣溫變幅,王圣坤[15]對(duì) 20世紀(jì)末漠河日全食的太陽輻射和氣溫變化進(jìn)行了觀測(cè)和分析,據(jù)中國日全食網(wǎng)記載,2008年8月1日的日全食,新疆伊吾觀測(cè)點(diǎn)的氣溫下降了 8℃左右。實(shí)際上日食期間氣象要素的變化根據(jù)日食發(fā)生時(shí)間、發(fā)生位置、當(dāng)?shù)靥炜諣顩r和下墊面等而各不相同,本文對(duì) 2009年7月22日長(zhǎng)江日全食期間石門的氣象要素變化進(jìn)行了較細(xì)致的分析和對(duì)比。

2 日全食原理和過程

2.1 日全食基本原理

地球繞著太陽運(yùn)行,月球繞著地球運(yùn)行,若地球運(yùn)行的軌道平面和月球的軌道平面重合,那么月球每繞地球一周就會(huì)有一次出現(xiàn)在日地連線上,即三個(gè)天體連成一線,月球擋住了射到地球上去的太陽光,月球身后的黑影正好落到地球上,地面上在月影里的人就能觀察到太陽被月球遮擋的現(xiàn)象,這就是日食,當(dāng)太陽被月亮全部遮住的時(shí)候,就是日全食。通俗地說,日食就是站在月亮的影子里看太陽。如圖 1,地球上處于月球半影區(qū)的人看到的是日偏食,本影區(qū)的人看到的是日全食。

2.2 日全食的 5個(gè)階段

日全食的整個(gè)過程分為 5個(gè)階段,即初虧、食既、食甚、生光和復(fù)圓。

初虧:月球剛將太陽遮擋時(shí),是日全食的前奏曲;

食既:月球剛將太陽完全遮擋時(shí),是全食精彩的開始;食甚:觀測(cè)地點(diǎn)進(jìn)入了月球影子的最深處;生光:太陽剛開始“露臉”,是全食的結(jié)束;復(fù)圓:太陽剛開始露出“圓臉”。

圖 1 日食形成原理

圖 2 日全食的五個(gè)階段

3 2009年7月22日日全食概況

3.1 概況

根據(jù)中科院紫金山天文臺(tái)的預(yù)報(bào),2009年7月22日的日全食來臨時(shí),太陽位于遠(yuǎn)地點(diǎn)附近,月球則剛通過近地點(diǎn),月球陰影在地球上掃過的區(qū)域也較寬,主要觀測(cè)點(diǎn)的全食時(shí)間長(zhǎng)達(dá) 6分 39秒 (在我國境內(nèi)最長(zhǎng) 5分 55秒),我國長(zhǎng)江流域能看到日全食的地帶寬約 250Km,其他大部地區(qū)可見程度不等的日偏食。

因此此次日全食呈現(xiàn) 3大特點(diǎn):第一,全食持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)。在中國境內(nèi)是從 1814—2309年持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的一次日全食,“五百年一遇”名符其實(shí),就全世界范圍來說,也將是從 1991—2132年的 141a間持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的一次日全食;第二,整條日全食帶掃過區(qū)域大。整條日全食帶東西長(zhǎng) 3 000K m,南北寬最窄處226K m,最寬處 251Km。全食帶首先從不丹國西邊進(jìn)入中國西藏南部和云南西北部,隨后掃向四川大部、重慶、湖南北部、湖北和安徽中南部,進(jìn)入江蘇南部和上海,最后從浙江的舟山群島入海而東去。第三,這次日全食發(fā)生在人口十分密集的長(zhǎng)江流域,是世界歷史上覆蓋人口最多的一次日全食,公眾影響力之大,創(chuàng)歷史記錄。

3.2 石門觀測(cè)點(diǎn)日全食過程

石門觀測(cè)點(diǎn)地處 29.58°N,111.38°E,位于我國全食帶南側(cè),北京時(shí)間 8時(shí) 11分初虧,9時(shí) 21分 18秒食既,從食既到 9時(shí) 22分 34秒開始生光,全食持續(xù)時(shí)間 76s,10時(shí) 40分復(fù)圓,整個(gè)日全食過程從初虧到復(fù)圓歷時(shí) 149min。

圖 3 石門日全食各階段持續(xù)時(shí)間

4 2009年7月22日日全食期間石門觀測(cè)點(diǎn)的氣象要素變化

4.1 氣溫變化

石門氣溫分鐘變化曲線顯示 (圖 4),日全食期間氣溫呈峰谷變化,最大降溫幅度 1.3℃,與前 1d同時(shí)刻相比,最大降溫幅度 2.7℃。兩個(gè)多小時(shí)日食過程,氣溫先升后降然后再升,呈弧形峰谷變化,但是峰谷點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置相對(duì)日全食從初虧到食甚、生光到復(fù)圓有時(shí)間上的延遲現(xiàn)象。

初虧開始,太陽雖然一點(diǎn)點(diǎn)被月球“咬”掉,但這時(shí)太陽輸送的熱量仍大于近地層散失的熱量,所以氣溫繼續(xù)上升,9時(shí) 43分達(dá)到最高值 31.6℃。隨著太陽大部分被遮擋,太陽輸送的熱量小于近地層散失的熱量,氣溫開始下降。食甚時(shí)刻,到達(dá)地面的太陽輻射為零,氣溫繼續(xù)下降。生光階段開始,太陽慢慢從月亮背后出來,但太陽輸送的熱量還沒趕上近地層散失的熱量,氣溫還要繼續(xù)下降一段時(shí)間,10時(shí) 37分下降到最低值 30.3℃。當(dāng)太陽輸送的熱量相當(dāng)并開始超過近地層散失的熱量,氣溫才開始回升,直到復(fù)圓以后一段時(shí)間,升到原來水平并繼續(xù)升高。由于氣層吸收輻射增溫和發(fā)出長(zhǎng)波輻射降溫的滯后效應(yīng),以及食既到生光持續(xù)僅一分多鐘,所以這一過程與日食對(duì)應(yīng)階段相比延遲了一個(gè)小時(shí)左右,而且降溫持續(xù)時(shí)間比升溫持續(xù)時(shí)間明顯要短。

圖 4 石門站日全食期間氣溫變化對(duì)照?qǐng)D

可以看到,日全食期間氣溫變化幅度并不大。主要原因是本次日全食發(fā)生在盛夏 7月的上午升溫階段,如果發(fā)生在下午 4點(diǎn)以后或者晝夜溫差很大的沙漠地區(qū),氣溫下降幅度會(huì)更明顯。其次是全食時(shí)間持續(xù)太短,也影響了氣溫下降的幅度。據(jù)浙江新聞網(wǎng)報(bào)道,食甚時(shí)間持續(xù) 5分 29秒的杭州,氣溫就下降了 4℃,與 7月21日相比,則下降了 7℃。另外,日全食發(fā)生期間如果天空多云或者下雨,太陽的直接輻射被阻擋,雨水本身有降溫作用,日全食與降溫的關(guān)系是較難驗(yàn)證的。

4.2 地溫變化

如圖 5所示,日全食期間地面氣溫同樣呈峰谷變化,最大降溫幅度 8.9℃,與前一天同時(shí)刻相比,最大降溫幅度 15.3℃?？梢钥闯龅販刈兓缺葰鉁匾蟮枚?而時(shí)間滯后現(xiàn)象則幾乎不存在。08時(shí) 35—36分的峰值 (39.4℃)出現(xiàn)時(shí)間恰好在初虧開始到食既時(shí)刻的中間,而 09時(shí) 27—32分的谷值(30.5℃)出現(xiàn)時(shí)間也在生光開始到復(fù)圓時(shí)刻的中間,幾乎沒有滯后現(xiàn)象。

上述地溫短時(shí)間內(nèi)的劇烈變化現(xiàn)象是由于地面直接吸收太陽輻射增溫,地溫對(duì)太陽輻射的敏感性所造成的。初虧開始以后,當(dāng)太陽圓面的一半以上被月亮遮蔽,太陽輸送的熱量小于近地層散失的熱量,地表開始降溫。食甚時(shí)間,繼續(xù)降溫,生光階段,當(dāng)太陽露出一半“臉面”,地面吸收太陽輻射的增溫效果大于發(fā)射長(zhǎng)波輻射的降溫效果,地面氣溫開始升高。到 10時(shí) 40分復(fù)圓時(shí)刻,地溫已高于前一峰值,與 21日相比僅偏低 3.8℃。這是由于整個(gè)日食期間到達(dá)地面的太陽總輻射比前一天要少,影響了后續(xù)的地面升溫,但到達(dá)地面凈輻射仍為正值,所以此時(shí)地溫仍高于日食開始時(shí)的最高值。

圖 5 石門站日全食期間地溫變化對(duì)照?qǐng)D

4.3 相對(duì)濕度變化

日全食期間,相對(duì)濕度的變化是先降后升,食甚以后最大升幅 4%,相似天氣形勢(shì)下,較前一日升高了 8%。相對(duì)濕度變化的時(shí)間滯后性與氣溫的滯后基本是同步的。

自然狀態(tài)下,日出以后隨著氣溫的升高,相對(duì)濕度是逐步減小的,如圖 6所示 21日相對(duì)濕度變化曲線。然而 22日日食開始一段時(shí)間后 (9時(shí)左右),相對(duì)濕度減小的腳步加快,結(jié)合圖 1可看出這也是氣溫升高速度減慢的時(shí)間點(diǎn),9時(shí) 45分減到最低值后(對(duì)應(yīng)圖 1氣溫最高值),相對(duì)濕度開始逐步升高,10時(shí) 25分升到最高值 61%并維持到 10時(shí) 51分后開始減小,而如 4.1所述,10時(shí) 37分氣溫降到最低值,時(shí)間上兩者大致是同步的。

圖 6 石門站日全食期間相對(duì)溫度變化對(duì)照?qǐng)D

相對(duì)濕度對(duì)于氣溫具有敏感性。氣溫升高,氣體膨脹,單位體積空氣中的水汽含量減少,相對(duì)濕度降低,反之,相對(duì)濕度升高。在氣溫較低的情況下,短時(shí)的降溫會(huì)使得環(huán)境濕度驟增,甚至?xí)姑舾形矬w結(jié)露,空氣濕度達(dá)到飽和。

4.4 氣壓和風(fēng)的變化

本次日全食發(fā)生在盛夏 7月的上午,21—22日湖南北部包括石門高空為副熱帶高壓控制,地面為低壓,晴熱高溫天氣,正常情況下,氣壓應(yīng)隨著氣溫的升高而降低。21日 8—11時(shí)石門觀測(cè)點(diǎn)的本站氣壓降低了 0.6hPa,然而 22日同時(shí)段石門本站氣壓反而升高了 0.2hPa(圖略),即相對(duì)前一日的絕對(duì)變化為 0.8hPa。這是因?yàn)槿杖称陂g,隨著太陽光的逐步減弱消失,到達(dá)地面的太陽輻射減少,大氣的熱平衡遭到破壞,氣溫下降,空氣下沉,在日食區(qū)形成附加的小高壓,所以日食觀測(cè)點(diǎn)觀測(cè)到氣壓升高的現(xiàn)象。

同樣由于日食使氣溫降低,氣壓升高,氣壓和溫度梯度加大,引起空氣對(duì)流加速,即風(fēng)速加大。如圖 7所示,22日 9時(shí)開始,風(fēng)速呈波浪式增大,9時(shí) 54分達(dá)到最大值 5.5m/s,此后仍維持較大值,10時(shí) 36分開始緩慢減小,09—11時(shí)最大值與最小值相差 2.8m/s,而 21日同時(shí)段風(fēng)速波動(dòng)則小得多,僅相差 0.9m/s,正是由于這種溫度高低對(duì)流形成的“日食風(fēng)”,盡管整個(gè)日食過程氣溫變幅不大,仍使人們明顯感到了涼意。從圖 7還可以看出,風(fēng)速增大的滯后性也基本與氣溫的滯后同步。據(jù)觀測(cè),整個(gè)日食期間,風(fēng)向并沒有明顯異常變化。

圖 7 石門站日全食期間風(fēng)速變化對(duì)照?qǐng)D

5 小結(jié)

①日全食是太陽被月亮全部遮住的一種壯觀的天文現(xiàn)象。2009年7月22日的日全食以其持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、全食帶寬和覆蓋人口多而罕見。石門觀測(cè)點(diǎn)日全食過程歷時(shí) 149min,其中全食持續(xù)時(shí)間 76s。

②此次日全食期間,石門的氣溫曲線呈峰谷變化,最大降溫幅度 1.3℃,較前一日最大降溫幅度2.7℃。氣溫升降各時(shí)段相對(duì)日全食各對(duì)應(yīng)階段延遲了 1h左右,且降溫持續(xù)時(shí)間比升溫持續(xù)時(shí)間明顯要短。

③地溫曲線同樣呈峰谷變化,最大降溫幅度8.9℃,與前 1d同時(shí)刻相比,最大降溫幅度 15.3℃。地溫變化沒有滯后現(xiàn)象。

④相對(duì)濕度的變化是先降后升,全食時(shí)間最大升幅 4%,較前 1d升高了 8%。相對(duì)濕度變化的時(shí)間滯后性與氣溫的滯后基本是同步的。

⑤整個(gè)日全食過程,本站氣壓波動(dòng)不大,僅升高了 0.2hPa,但相對(duì)前 1d的絕對(duì)升高值為 0.8hPa。

⑥風(fēng)速呈波浪式增大,最大值與最小值相差2.8m/s,變幅較前一日增大 1.9m/s。風(fēng)速增大的滯后性也基本與氣溫的滯后同步。風(fēng)向沒有異常變化。

⑦上述變化的主要影響因子是日全食期間太陽輻射的波動(dòng)性變化。由于地面直接吸收太陽輻射增溫,所以地溫的升降變化與太陽輻射的變化是同步的,而氣溫的變化主要靠吸收地面發(fā)射的長(zhǎng)波輻射,地面發(fā)射長(zhǎng)波輻射相對(duì)其吸收太陽輻射有一個(gè)滯后時(shí)間,氣溫的升降又引起相對(duì)濕度、氣壓和風(fēng)等要素的變化,因此它們的滯后也大致同步?？紤]到上午太陽高度角不斷升高,太陽輻射的變化是非勻速的,加上食甚持續(xù)時(shí)間很短,所以氣溫等要素的升降變化時(shí)間點(diǎn)并非在初虧和生光階段的中間點(diǎn),升和降的滯后時(shí)間也并非完全相等。

[1] 林正秋.南宋杭州天文臺(tái)對(duì)日蝕_月蝕的觀察[J].杭州科技,2009,(3):57-59.

[2] 王玉民.鑿幽抉明索隱發(fā)微—朱文鑫對(duì)中國古代天象記錄的整理研究[J].廣西民族學(xué)院學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版),2006,12(4):29-34.

[3] 劉次沅,劉瑞 .崇禎實(shí)錄及長(zhǎng)編中的天文資料[J].陜西天文臺(tái)臺(tái)刊,1998,21(2):76-82.

[4] 邢鋼,石云里 .漢代日食記錄的可靠性分析—兼用日食對(duì)漢代歷法的精度進(jìn)行校驗(yàn)[J].中國科技史雜志,2005,26(2):107 -121.

[5] 劉立波,萬衛(wèi)星,等.1995年10月24日日食電離層效應(yīng)的模式化研究[J].空間科學(xué)學(xué)報(bào),1999,19(3):200-205.

[6] 王德駒,陳斯文,等 .用地磁脈動(dòng)日食效應(yīng)探討甚低緯Pc3—4地磁脈動(dòng)源[J].地球物理學(xué)報(bào),1999,42(4):460-464.

[7] 韓延本.中國古代中心日食記載與地球自轉(zhuǎn)速率的變化[J].地球物理學(xué)報(bào),1999,42(增刊):18-23.

[8] 張樂堅(jiān),王振會(huì),等.衛(wèi)星可見光云圖上日食陰影的動(dòng)態(tài)訂正[J].氣象科學(xué),2006,26(6):633-637.

[9] 白建輝,孔琴心,等.漠河日食期間太陽分光輻射的觀測(cè)及分析[J].太陽能學(xué)報(bào),1998,19(3):327-331.

[10] 王永群 .日全食惹禍:兩系水稻部分種子缺口 30%[J].北京:農(nóng)業(yè),2010,(1):9-11.

[11] 趙佩章,陳健,等 .日食與厄爾尼諾、拉尼娜現(xiàn)象[J].新疆氣象,2001,24(1):1-4.

[12] 陳華,趙文桐,等 .日食影響旱澇的機(jī)制與檢驗(yàn)[J].河南氣象,1996,(3):1-3.

[13] 趙佩章,林振山,等 .我國 500年來大旱大澇與日食的關(guān)系[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2000,15(2):100-105.

[14] 秋帆,方學(xué) .黑白分明兩鏡懸—記民國時(shí)期在甘肅臨洮的一次日全食觀測(cè)情景[J].檔案,2003,(1):42-43.

[15] 王圣坤,李曉峰 .日食發(fā)生時(shí)氣象要素的變化[J].黑龍江氣象,1997,(3):45.

P458

B

2010-09-10

朱金菊 (1970-),女,高工,主要從事短期天氣預(yù)報(bào)和短期氣候預(yù)測(cè)工作。

1003-6598(2010)增刊 -0169-04