單增羅布，朱振嶺，次仁尼瑪，格桑卓瑪

(西藏大學理學院物理系，西藏拉薩850000)

西藏羊八井輻射觀測初步分析

單增羅布，朱振嶺，次仁尼瑪，格桑卓瑪

(西藏大學理學院物理系，西藏拉薩850000)

利用西藏羊八井2009年5月至2010年4月的輻射觀測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計了總輻射、紫外輻射、長波輻射、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太陽常數(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”，對其的研究已成為各國科學家競爭的焦點。從太陽輻射到達地表的條件來看，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(季國良，1985，1999)等特點。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低的情況(周秀驥等，2006)，這直接導(dǎo)致到達青藏高原地表的紫外線輻射強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輻射能，使得該地區(qū)的能量與水分循環(huán)過程對亞洲季風、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)。國內(nèi)學者(季國良等，1987，1995;李超等，2000;馬偉強等，2004)為了研究青藏高原的特殊作用，進行了大量的有關(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，野外觀測臺站較少，目前對太陽輻射的研究大多基于短期觀測或局部觀測(Ren et al．，1997;呂達仁，2004;馬偉強等，2004;Dahlback et al．，2007)。

太陽輻射的能量經(jīng)大氣的吸收和散射，衰減后剩余的能量才能到達地面。由布格—朗伯定律可知，太陽輻射進入大氣后，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)量密度和大氣光學厚度越小，太陽輻射能量也就越容易到達地面，觀測到的輻射數(shù)據(jù)更有價值。羊八井正好具備了以上的觀測條件，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聯(lián)合在西藏羊八井鎮(zhèn)安裝了CR1000采集器和全套監(jiān)測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

本文對羊八井2009年5月—2010年4月觀測的輻射數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析，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太陽常數(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，同時選取具有代表性的8 d(云量不同，每個季節(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(早無云，晚多云)、2010年1月1日(全天無云)、3月1日(全天少云)、4月1日(全天多云)，作為實例輔助分析。上述云量情況均由中科院大氣所自主研制的可見光探測器測得，該儀器安裝在羊八井，距CR1000采集器100 m，只在白天運行，每隔3 min對全天空進行一次拍照。

2.1 總輻射

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

由圖1、2可見，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)開始逐漸增大，到6月達到峰值，后逐漸減小，即輻射值在夏季最強，春秋季次之，冬季最弱，且兩季間節(jié)輻射值相差較大。主要是因為總輻射的大小主要由太陽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，其中太陽高度角是主要影響因素(馬偉強等，2004)，而羊八井夏季太陽高度角最大，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度主要取決于太陽高度角，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刻出現(xiàn)了云的影響，云過后立刻恢復(fù)為原來的輻射狀態(tài)。

2.2 長波輻射

儀表LW1測得的長波輻射是指大氣向下長波輻射，即大氣逆輻射;儀表LW2測得的長波輻射是指地表發(fā)射長波輻射，地球表面以長波形式向上發(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%的地表長波輻射，所以有、無云以及大氣的干濕情況對長波輻射的影響尤為顯著。由圖4可見，大氣逆輻射和地面長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)計算的大氣逆輻射和地表長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，大氣逆輻射和地表長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波輻射月平均值均從1月開始逐漸增大，而前者在6月達到峰值、后者則為7月。輻射值夏季最高，冬季最低，主要是因為夏季溫度高于冬季。無云情況下，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，無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)，且大氣逆輻射較無云情況下更強一些。

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

地表長波輻射(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，地面長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)的長波輻射日變化規(guī)律不明顯，而由圖6可見，羊八井長波輻射表現(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

太陽紫外線輻射是電磁波譜中波長100～400 nm輻射的總稱，按波長長短可分為短波紫外線UVC(ultraviolet C，100～290 nm)，到達地表之前幾乎全部的UVC被臭氧吸收，故地表測不到它的數(shù)據(jù)，本文不做研究;中波紫外線UVB(ultraviolet B，290～320 nm)，到達地表之前大部分的UVB被臭氧吸收，到達地面的能量極少，但它的強度變化會引起較強烈的環(huán)境和生物效應(yīng)，從而受到人們廣泛關(guān)注;長波紫外線UVA(ultraviolet A，320～400 nm)。由圖7、8可見，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。因為地面接收到的紫外輻射的多少主要受太陽高度角影響，不同季節(jié)太陽高度角不同，夏季UVAB和UVB輻射明顯高于其他季節(jié)，因為夏季太陽高度角較大。

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、大氣長波輻射、地表輻射的因素都會對凈輻射產(chǎn)生影響，包括:太陽高度角、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，凈輻射與長波輻射季節(jié)變化一致，與羊八井地區(qū)的氣溫變化一致(圖略)，說明可以根據(jù)溫度估測凈輻射。

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，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，即地表得到的能量少于失去的能量，地表開始降溫;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，地表開始升溫。日出后凈輻射逐漸增大，14:00(北京時間，下同)左右達到極大值，然后逐漸減少，表現(xiàn)出明顯的日變化規(guī)律。

2.5 太陽總輻射超太陽常數(shù)

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

通過對比總輻射數(shù)據(jù)和可見光探測器記錄的圖像，發(fā)現(xiàn)超過太陽常數(shù)的情況主要出現(xiàn)在天空有碎云且云沒有遮擋太陽的情況下。此時，太陽直接輻射直接照到地表，而云間的多次散射輻射導(dǎo)致到達地表散射輻射增加，兩者之和使得觀測的地表太陽輻射超過太陽常數(shù)。

除了上述解釋，其他的解釋是太陽耀斑的爆發(fā)導(dǎo)致羊八井超太陽常數(shù)情況發(fā)生。因為太陽輻射按性質(zhì)和來源可分為兩部分:熱輻射和非熱輻射。受非熱輻射的影響，太陽輻射功率不很穩(wěn)定，在太陽耀斑爆發(fā)時，太陽功率會有顯著的增加，有可能導(dǎo)致超太陽常數(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，太陽輻射很強，熱力學平衡條件不再適用，考慮到發(fā)射輻射的強弱與溫度密切相關(guān)，高空處的某些化學反應(yīng)又為放熱反應(yīng)，致使輻射加強，到達地面的總輻射出現(xiàn)大于太陽常數(shù)(李超等，2000)。

表2 地面總輻射超出太陽常數(shù)(1 367 W·m－2)的次數(shù)統(tǒng)計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，地表總輻射超過太陽常數(shù)的情況絕大多數(shù)發(fā)生在夏季。早晚輻射較弱，中午時間段輻射強烈，14:00左右達到最大值。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。前者是因為地表反射的短波輻射來自總輻射;后者是因為總輻射和紫外輻射都主要受太陽高度角的影響。羊八井地區(qū)大氣逆輻射和地表長波輻射之間呈現(xiàn)出一定的正相關(guān)關(guān)系，主要是因為二者均與地表溫度有關(guān)。

本文僅對2009年5月—2010年4月羊八井地區(qū)輻射觀測數(shù)據(jù)進行了初步的統(tǒng)計，只是一個非常初步的結(jié)果，隨著數(shù)據(jù)量的增加，將在以后進一步開展大氣對地表能量平衡影響的研究。

致謝:觀測資料由中國科學院大氣物理研究所羊八井大氣多要素觀測系統(tǒng)提供。謹致謝忱!

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(責任編輯: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

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2011-06-29;改回日期:2011-11-10

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

單增羅布(1966—)，男，西藏山南人，副教授，研究方向為大氣物理，danzengluobu@ihep．a(chǎn)c．cn．