东海海面辐射特征及影响因子分析*

王 丹,盛立芳

(中国海洋大学1.海洋气象学系;2.海洋-大气相互作用气候实验室;3.物理海洋教育部重点实验室,山东青岛266100)

东海海面辐射特征及影响因子分析*

王 丹1,盛立芳2,3**

(中国海洋大学1.海洋气象学系;2.海洋-大气相互作用气候实验室;3.物理海洋教育部重点实验室,山东青岛266100)

利用2006—2007年东海海区(120°E～128°E,26°N～31°N)的太阳辐射、常规气象和皮温等观测资料,分析太阳辐射季节变化特征,并讨论其与相关因子的关系;分析大气透过率与太阳高度角、总云量和相对湿度的关系,并进一步讨论海面反照率与太阳高度角、大气透过率和风的相关性。结果表明:东海海区辐射分量除向上短波辐射外,都表现出夏季最大,冬季最小的季节变化特征;大气透过率秋季最大,夏季最小;海面反照率秋季最大,春季最小。向下(上)短波辐射主要受太阳高度角和云量影响,向下长波辐射与气温、相对湿度的相关性较好,向上长波辐射与皮温的关系非常密切;大气透过率在少云时主要受太阳高度角影响,多云时主要受总云量影响,空气湿度的影响较弱;大气透过率变大时海面反照率减小;太阳高度角是影响海面反照率最主要的因素,且影响作用随着大气透过率的变大而增强,太阳高度角越大,海面反照率越小;风引起的海面粗糙度影响最弱,在太阳高度角较高、大气透过率较大时,风增大海面反照率的作用增强。

东海海区;太阳辐射;大气透过率;海面反照率

太阳辐射是各种天气系统产生和运动的根本动力,是空气和海水增温的主要能源,因而是海洋气候形成的基本因子。太阳辐射对海面的加热是以发生在海-气界面上辐射交换过程来完成的,既包括太阳短波辐射交换,也包括海面与大气的长波辐射交换[1]。

长期以来,由于海面上的辐射资料极为缺乏,限制了人们对海洋物理状况的进一步了解,不少科学家通过直接观测或其他气象资料计算得到辐射状况[2]。国内外很多学者对太阳辐射进行了详细的分析和研究,提出了多种计算太阳辐射的经验估计方法[3-4]。辐射观测不属于常规观测,而国内辐射观测站又较少,加上海洋观测较为困难,海上太阳辐射资料更是缺乏[5],而辐射通量的经验估计方法通常只需要使用一些常规观测资料,因而应用较为广泛。由于所选区域及资料的年限等原因,目前,大多数太阳辐射计算方法在我国使用会受到时间和空间的限制[6]。近年来,我国近海海域的辐射特征和计算模式研究也得到了一定发展,如南海[5]、黄海[7]、渤海[8]、台湾海峡[9],但东海海面的辐射特征研究目前还是空白。

太阳辐射是太阳高度角的函数,其时空分布与日照时数、云量、空气湿度、能见度等气象因子以及地形状况都有关,这也是大多数辐射计算模式要考虑的因子[2,6,9-13]。云是影响海面辐射收支的一个关键因子,它和太阳高度角是决定到达海面的太阳总辐射进而影响海面净辐射的主要因子,海温和气温的高低也与净辐射有关。日均太阳辐射与日照时间对应关系很好,包括日照时间的辐射经验公式远优于单纯考虑云量的计算公式。影响太阳辐射的因子还有水汽和气溶胶,此外,计算地表太阳净辐射时,还需考虑地形复杂性。

太阳辐射在传输过程中受到大气的吸收、散射、反射等作用而不断削弱,到达地面的太阳辐射多少决定于大气透过率的大小。大气透过率是光学质量的函数,随着光学质量的增大而增大。William s[14]利用光学质量较好地计算了一定下垫面下的逐时和逐日大气透过率。大气透过率反映了云对太阳辐射的散射、反射和吸收作用,层云液态水含量的多少直接影响层云的透过率[15]。此外,太阳高度角和空气湿度也是影响大气透过率的气象因子,陈莉等[16]通过分析大气透过率与总云量、相对湿度的关系,建立了北部湾海区逐时太阳入射辐射的估算模型。大气透过率还是影响地面反照率的重要因子。

地表反照率是影响地表辐射平衡的又一重要物理量,由于海洋占地球表面的2/3,精确确定海面反照率,进而计算不同海域的能量平衡就显得特别重要[17]。海面反照率与太阳高度角、大气透过率、风引起的海面粗糙度是非线性相关的。Payne[18]和Simp son[19]研究证明反照率是太阳高度角和大气透过率的函数,当大气透过率较小(全天被云覆盖)时,反照率和太阳高度角的关系可忽略;当大气透过率较大(晴空)时,反照率随着太阳高度角的增大而减小。Hummel[20]进一步研究了各个纬度、不同季节、不同大气状况以及不同海面粗糙度下的海面反照率特征。

近年来随着海洋生态系统动力学研究以及海洋环境管理、防减赤潮灾害等研究的深入发展,对深入研究我国沿海海域太阳辐射分布及变化提出了迫切要求[8]。国内外太阳辐射计算模式的发展,推动了我国近海太阳辐射特征的分析与研究。但是各个辐射计算模式都存在一定的局限和误差,需要不断改进,海上太阳辐射实测资料无疑将促进海面辐射特征研究工作的发展。2006—2007年“中国近海海洋综合调查与评价”项目(简称“908”专项)的海洋水文气象调查,为研究者提供了宝贵的海上太阳辐射和气象实测资料。目前,已有学者利用这些资料进行了中国近海辐射特征分析[16]和计算模式[7]的研究工作,本文利用东海海域的辐射和气象资料,分析太阳辐射季节变化特征,并讨论其与相关影响因子的关系;同时利用总云量和相对湿度建立估计大气透过率的经验方法,并讨论东海海面反照率与太阳高度角、大气透过率和风的关系。

1 数据资料介绍

本文所用辐射和气象数据资料来自2006—2007年“908”专项水文气象调查中东海海区(120°E～128°E,26°N～31°N)4季航次的太阳辐射、常规气象和皮温等观测资料(见表1),其中长(短)波辐射数据为直接辐射观测资料。太阳辐射、常规气象和皮温的4季航次调查日期基本一致,各观测项目在各季节航次的数据量相差不大。4季航次中太阳辐射和皮温观测的站点数一致,连续观测站的数据记录时间间隔是10 min。常规气象观测的站点数较多,连续观测站的记录时间间隔为1 h。本文短波辐射研究采用日出后到日落前的数据;长波辐射采用全天的有效观测资料。文中辐射特征物理量与影响因子的相关性研究选用相关要素同时刻的观测资料,以保证研究结果的可信性。

表1 水文气象数据观测概况Table 1 The list of hydro-meteorological observational data

2 海面辐射特征及其影响因子

2.1 辐射分量及其影响因子概况

908调查期间,东海海面各辐射分量表现出明显的季节变化特征。表2给出了本次调查期间春、夏、秋、冬4季航次各辐射分量的平均值,较好的体现了调查期间的辐射概况。净辐射季节平均值在181.42～296.34 W/m2之间,夏季最大,冬季最小。向下短波辐射季节平均值在270.12～361.61 W/m2之间,夏季最大,冬季最小,与净辐射的季节变化一致。海面反射的短波辐射远小于入射的短波辐射,季节平均值在13.30～19.00 W/m2之间,秋季最大,春季最小。到达海面的长波辐射季节平均值在327.51～421.58 W/m2之间,夏季最大,冬季最小。海面的向上长波辐射略大于向下长波辐射,季节平均值在386.88～460.48 W/m2之间,夏季最大,冬季最小。

一般情况下,影响海面辐射特征的地理因素有纬度、太阳高度角,气象因素主要是云量、空气湿度、风速、气温、皮温等。利用太阳辐射和气象实测资料,表3统计了辐射相关量的影响因子,表4计算了这些影响因子4季航次的平均值。太阳高度角季节平均值在25.13(°)～38.45(°)之间,夏季最大,秋季最小。云量的季节平均值在5～8成之间,春、冬季云量较多,夏、秋季较少,其中秋、冬季以低云为主,春、夏季以高云为主。相对湿度是表征空气湿度的重要物理量,季节平均值在66.69%～87.78%之间,夏季最大,秋季最小。风速是通过影响海面粗糙度来影响海面反照率的气象因子,季节平均值在5.01～8.12 m/s之间,秋季最大,夏季最小。气温与大气向下长波辐射密切相关,季节平均值在12.83～28.55℃之间,夏季最大,冬季最小。皮温是影响向上长波辐射的重要物理量,季节平均值在15.96～28.71℃之间,夏季最大,冬季最小。

表2 净辐射和各辐射分量相关性统计表Table 2 Statistics of correlation between the net radiation and other solar radiation components

表3 辐射相关量与其影响因子统计表Table 3 Statistics of relationship between the correlation factors of radiation and their impact factors

表4 辐射各影响因子的季节平均值Table 4 Seasonal average of impact facto rs of solar radiation components

2.2 海面辐射特征影响因子分析

影响海面辐射特征的因子有天文因子和气象因子,天文因子主要是太阳高度角,气象因子包括云量、相对湿度、风速、皮温、气温等(见表3)。东海海面各辐射分量与其影响因子的相关系数(见表5)表明:向下短波辐射主要受太阳高度角和低云量影响;向上短波辐射变化与太阳高度角和总云量关系较密切;向下长波辐射与气温、相对湿度的相关性较好;向上长波辐射与皮温的关系非常密切。根据表5的统计结果,对影响东海海面辐射特征的因子进一步筛选,绘制相关性较好的辐射分量与其影响因子的散点图(见图1)。

图1 辐射分量及其影响因子的散点图Fig.1 Scatter diagram of solar radiation components and their impact facto rs

表5 辐射分量及其影响因子的相关性统计表Table 5 Statistics of correlation between solar radiation components and their impact facto rs

到达海面的向下短波辐射主要是由太阳高度角和大气透过率决定。太阳高度角越大,到达海面的太阳短波辐射越多(见图1b)。大气透过率主要决定于水汽和云量,东海海面向下短波辐射主要受低云量影响,低云越多,向下短波辐射越少(见图1a)。海面反射的向上短波辐射与海面反照率有直接关系,影响反照率的大气透过率、太阳高度角和海面粗糙度等因子也是影响向上短波辐射的重要因子。东海海面向上短波辐射与各影响因子间有较复杂的非线性关系,其特征体现在本文对海面反照率与其影响因子关系的分析中。入射到海面的向下长波辐射来自整层大气,俗称大气逆辐射。它取决于大气层的温度、湿度以及云的状况。东海海面的向下长波辐射主要决定于大气温度,气温越高,向下长波辐射越大(见图1c);其次是相对湿度,相对湿度越大,向下长波辐射越大(见图1d)。海面向上长波辐射包括海面发射的长波辐射和海面反射的部分向下长波辐射。海面向上长波辐射主要决定于皮温,皮温越高,海面向上的长波辐射越大(见图1e)。

把海面辐射近似看做黑体辐射,根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律,海面辐射通量密度FT为[21]

式中,σ=5.6696×10-8(W·m-2·K-4),A=0.96,T为皮温。

此外,海面长波辐射还必须考虑海面反射的部分大气向下长波辐射(QSW↓),在给定海面的比辐射率(吸收率)和海面温度以后,海面向上长波辐射(QSW↑)的的计算公式为

应用式(2)计算海面向上长波辐射,计算值与观测值的比较见图2,春、夏、秋、冬四季的平均相对误差分别为1%,2%,0.7%,1.8%。夏季(见图2b),向上长波辐射观测值在7月20日和8月28日附近有2处异常突变,这可能是由于测量期间的观测误差所致,此处计算值的大小较好地反应了向上长波辐射的实际大小范围。

图2 向上长波辐射计算值与观测值的比较Fig.2 Comparison of the calculated and the observed values of upward long wave radiation

3 大气透过率的分析

到达地面上的太阳辐射受到大气的吸收、散射、反射等作用而不断削弱。辐射计算的核心问题是大气透过率的计算,海洋船测辐射资料较为贫乏,准确估算大气透过率(Γ),从而得到可靠的海面向下短波辐射资料是十分有意义的。局地大气上界太阳辐射可以根据地理纬度、太阳赤纬、太阳高度角、时角、日地距离、太阳常数求得,海面向下短波辐射(S↑)与计算得到大气上界太阳辐射(St)之比,即为实际大气透过率。

任一时间、地点大气上界的太阳直接辐射为[21]

式中,S0为太阳常数(S0=(1367±7)W/m2),r为日地相对距离,φ为当地纬度,δ为太阳赤纬,ω为时角。r,δ参照我国气象局行业标准《太阳能资源评估方法》求得。

海面向下短波辐射为东海海区调查资料,大气层顶太阳辐射由式(3)计算求得,即可得到东海海面实际大气透过率。

如果只考虑太阳高度角对大气透过率的影响,采用Seckel[16]计算模式

式中h为太阳高度角,即可得到晴空大气透过率。

4季航次的晴空透过率季节变化不明显,季节平均值在0.7左右(见表5)。受云量、空气湿度等因子的影响,实际透过率远小于晴空透过率。实际大气透过率季节平均值在0.30～0.45之间,秋季最大,夏季最小。要准确估算实际大气透过率,必须在Seckel模式计算中引入云量和空气湿度的修正。陈莉等[16]研究北部湾夏季大气透过率时,将大气透过率作为晴空透过率和云量(Ct)的函数:

其中,Ct=n/10,全天布满云时n=10。

应用式(5)计算东海海区大气透过率,平均相对误差为0.9%,比Seckel模式有很大改进。陈莉等[16]又进一步引入相对湿度(rh)修正项对(5)式进行修正:

应用(6)式计算东海海区大气透过率,平均相对误差增大到4%,该式是陈莉等研究北部湾夏季大气透过率时得到的。北部湾夏季海面水汽充足,而东海海区纬度偏北,空气湿度比北部湾小,且计算的是4季的大气透过率,所以认为(6)式中水汽项的修正对东海海区不合适。本文利用东海海区的辐射和湿度资料,对相对湿度和辐射关系进行回归分析,得到适用于东海海区的大气透过率计算公式:

该式使得平均相对误差减小到0.6%,由此得到适用于东海海面向下短波辐射的计算公式:

抽取各要素同一时刻的有效数据111个计算大气透过率和总云量、低云量、相对湿度、太阳高度角的相关系数,分别为-0.45,-0.40,-0.17和0.40。可见大气透过率与总云量关系密切,太阳高度角也是决定大气透过率的主要因子,相对湿度的影响较弱。

少云(0≤Ct≤0.2)时(见图3a),0.08<Γ<0.75,并且随着太阳高度角的增大而增大,即太阳高度角越大,太阳辐射在传输中被衰减的越少。大气透过率与太阳高度角、相对湿度的相关系数分别为0.89和0.34,通过了95%的信度检验。少云时大气透过率主要决定于太阳高度角的大小,相对湿度对大气透过率的影响虽然较弱,但二者是正相关关系。多云(0.8≤Ct≤1.0)时(见图3b),大气透过率明显小于少云情况,0.11<Γ<0.36,可见太阳辐射在传输中被云衰减了64%～89%,此时大气透过率与太阳高度角、相对湿度的相关系数分别为0.25和-0.14,前者通过了95%的信度检验。多云时,太阳高度角仍是影响大气透过率的主要因子,但在云量的影响下相关系数减小;相对湿度对大气透过率的影响减弱,且变为负相关关系。

图3 一定云量下大气透过率和太阳高度角、相对湿度的关系Fig.3 Relationships between solar altitude angle,relative humidity and atmospheric transmissivity rate in some cloudiness

从图4看出,太阳高度角一定时,大气透过率都小于0.8,说明至少有20%的太阳辐射可以到达海面。太阳高度角较小(0°≤h≤20°)时,大气透过率和总云量、相对湿度的相关系数分别为-0.21和-0.53,通过了95%的信度检验。总云量和相对湿度都是影响大气透过率的重要因子,其中相对湿度起主要作用,相对湿度越大,大气透过率越小。太阳高度角较大时(50(°)≤h≤75(°))时,大气透过率和总云量、相对湿度的相关系数分别为-0.59和-0.13,前者通过了95%的信度检验。总云量对大气透过率的变化起主要作用,总云量越大,大气透过率越小。

图4 一定太阳高度角下大气透过率和总云量、相对湿度的关系Fig.4 Relationships between total cloudiness,relative humidity and atmospheric transmissivity in some solar altitude angle

4 海面反照率的分析

海面反射的向上短波辐射与到达海面的向下短波辐射之比,即为海面短波反照率[22]。调查期间,东海海面反照率季节平均在0.07～0.15之间(见表6),秋季最大,春季最小。海面反照率与太阳高度角、大气透过率、大风引起的海面粗糙度有关,本文利用“908”调查期间海面反照率及其影响因子同一时刻的有效数据各111个,其中春、夏、秋、冬4季分别占26%,20%,25%和29%,对海面反照率进行如下分析:

大气透过率较小时(0<Γ<0.2),海面反照率与太阳高度角、风速的相关系数分别为-0.57和0.03,前者通过了95%的信度检验。海面反照率的变化与太阳高度角关系密切,受风引起的海面粗糙度影响较弱。太阳高度角越大,海面反照率越小。大气透过率较大时(0.6<Γ<0.8),计算得到海面反照率与太阳高度角、风速的相关系数分别为-0.67和0.11,前者通过了95%的信度检验。太阳高度角依然是影响海面反照率的主要因子,并且大气透过率越大,太阳高度角和风对海面反照率的影响越强。

为了进一步研究大气透过率和风对海面反照率的影响,分析了太阳高度角一定时,海面反照率与大气透过率和风速的关系(见图5)。当h≤30(°),海面反照率随着大气透过率的增大而减小,相关系数为-0.28,通过95%的信度检验;海面反照率与风速的相关性不明显,相关系数仅为0.01;当h≥60(°),大气透过率和风与海面反照率的相关系数都通过了95%的信度检验。大气透过率对海面反照率的作用增强,相关系数为-0.58;受风引起的海面粗糙度会增强海面反照率,相关系数为0.24。

表6 海面反照率、晴空和实际大气透过率的季节平均值Table 6 Seasonal average of the atmospheric transmissivity in ideal and real atmosphere and the sea-surface albedo

图5 海面反照率与太阳高度角、大气透过率和风速的关系Fig.5 Relationships between solar altitude angle,atmospheric transmissivity,wind speed and sea surface albedo

综上分析,太阳高度角是影响海面反照率最主要的因素,且影响作用随着大气透过率的变大而增强,太阳高度角越大,海面反照率越小;其次是大气透过率的影响,大气透过率变大时海面反照率减小;风引起的海面粗糙度影响最弱,在太阳高度角较高、大气透过率较大时,风对海面反照率的影响较强。东海海面太阳高度角在秋季最小,冬、春、夏季依次增大(见表4),所以海面反照率最大值出现在秋季,但是最小值出现在春季而不是夏季。春季的大气透过率大于夏季(见表6),而太阳高度角仅小于夏季1(°)左右,大气透过率对海面反照率的影响超过了太阳高度角,所以春季的海面反照率最小。

5 结论

本文利用2006—2007年“908”调查期间东海海域的辐射和气象资料,得到以下结论:(1)4季航次调查期间,东海海面的向下短波辐射、向下长波辐射、向上长波辐射、净辐射都表现出夏季最大、冬季最小的变化特征;向上短波辐射为秋季最大、春季最小。

(2)东海海面的向下短波辐射主要由太阳高度角和云量决定的,太阳高度角越大,到达海面的太阳短波辐射越多;低云越多,向下短波辐射越少。向上短波辐射与海面反照率有直接关系,影响反照率的大气透过率、太阳高度角和海面粗糙度等因子也是影响向上短波辐射的重要因子。东海海面的向下长波辐射主要决定于大气温度,气温越高,向下长波辐射越大;其次是相对湿度,相对湿度越大,向下长波辐射越大。海面向上长波辐射主要决定于皮温,皮温越高,海面向上长波辐射越大。

(3)短波辐射的大气透过率主要决定于太阳高度角、总云量和空气湿度。少云时太阳高度角是主要影响因子,多云时总云量是主要影响因子;相对湿度与大气透过率相关性较弱且是非线性相关,少云时增加大气透过率、多云时减小大气透过率。

(4)向下短波辐射和总云量、相对湿度具有较好的二项式关系,在向下短波辐射的晴空计算模式中引入合适的云量和湿度修正因子,可以减小平均相对误差。

(5)东海海面的反照率秋季最大、春季最小。太阳高度角是影响海面反照率最主要的因素,且影响作用随着大气透过率的变大而增强,太阳高度角越大,海面反照率越小;其次是大气透过率的影响,大气透过率变大时海面反照率减小;风引起的海面粗糙度影响最弱,在太阳高度角较高、大气透过率较大时,风对海面反照率的影响增强。

致谢:感谢石广玉老师在本论文修改过程中给予的宝贵建议;感谢国家海洋信息中心提供的东海海区(ST05区块)“908”海洋水文气象调查资料。

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Analysis of Characteristics of Sea-Surface Radiation and Its Impact Factors in East China Sea

WANG Dan1,SHENG Li-Fang2,3
(Ocean University of China,1.Marine Meteorology Department;2.Ocean-A tmosphere Interaction Laboratory;3.The Key Laboratory of Physical Oceanography,M inistry of Education,Qingdao 266100,China)

Based on the data sets,including solar radiation,routine meteorological observations and skin temperature,collected in the"908"project in the East China Sea(120°E～128°E,26°N～31°N)during 2006 and 2007,the paper analyzed seasonal variation characteristics of solar radiation and the relationship between the solar radiation and its impact factors.Further,the paper analyzed the correlation between the solar altitude angle,the total cloud cover,the relative humidity and the atmospheric transmissivity,additionally,and the correlations between the solar altitude angle,the atmospheric transmissivity,the wind and the sea-surface albedo.It is show n that the solar radiation and its various components are the greatest in summer and the smallest in winter except for downward solar radiation.The atmospheric transmissivity is the greatest in autumn and the smallest in summer.The sea surface albedo is the greatest in autumn and the smallest in sp ring.The solar altitude angle and the cloudy cover are the main impact factors of the downward and the upward solar radiation.The correlation between the air temperature,the relative humidity and the dow nward long wave radiation is good.The upward long w ave radiation is greatly affected by the skin temperature.The atmospheric transm issivity is greatly affected by the solar altitude angle w hen cloudiness is few and by the total cloudy cover w hen cloudiness ismuch.The sea-surface albedo w ill decrease w hen the atmospheric transmissivity increases.Effect of the solar altitude angle,which is the most important impact factor of the sea-surface albedo,is noticeable when the atmospheric transmissivity is bigger.wind is a weak impact factor of the sea-surface albedo.Effect of the wind is enhanced when the atmospheric transmissivity or the solar altitude angle is bigger.

East China Sea;solar radiation;atmospheric transmissivity;sea-surface albedo

P732.6

A

1672-5174(2010)12-008-09

国家908专项(908-ZC-1-01)资助

2010-01-29;

2010-03-14

王 丹(1986-),女,硕士生,大气物理学与大气环境专业。E-mail:dandan-w@live.cn

**通讯作者:E-mail:shenglf@ouc.edu.cn

责任编辑 庞 旻