西藏羊八井辐射观测初步分析

单增罗布，朱振岭，次仁尼玛，格桑卓玛

(西藏大学理学院物理系，西藏拉萨850000)

西藏羊八井辐射观测初步分析

单增罗布，朱振岭，次仁尼玛，格桑卓玛

(西藏大学理学院物理系，西藏拉萨850000)

利用西藏羊八井2009年5月至2010年4月的辐射观测数据，统计了总辐射、紫外辐射、长波辐射、净辐射的日变化、月变化和季节变化，并分析了地表辐射超过太阳常数的发生频率及原因。结果表明，羊八井地区总辐射、紫外辐射、长波辐射、净辐射均表现出明显的日变化、月变化和季节变化特征;总辐射与地表短波反射辐射、总辐射与紫外辐射均表现出明显的正相关关系;大气逆辐射和地表长波辐射之间呈现出一定的的正相关关系。

羊八井;辐射;日变化;月变化;季节变化

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

青藏高原作为地球“第三极”，对其的研究已成为各国科学家竞争的焦点。从太阳辐射到达地表的条件来看，青藏高原具有很多有利的条件，如低纬度、高海拔、大气透明度高(季国良，1985，1999)等特点。已有研究表明，每年6—9月在青藏高原上空也存在着大气臭氧总量相对低的情况(周秀骥等，2006)，这直接导致到达青藏高原地表的紫外线辐射强度高于同纬度的其他地区。青藏高原高耸的地形特征和高原地面所吸收的太阳辐射能，使得该地区的能量与水分循环过程对亚洲季风、东亚大气环流及全球气候变化都有极大的影响(武荣盛和马耀明，2010)。国内学者(季国良等，1987，1995;李超等，2000;马伟强等，2004)为了研究青藏高原的特殊作用，进行了大量的有关高原加热和辐射的研究。由于青藏高原自然条件恶劣、地形复杂，野外观测台站较少，目前对太阳辐射的研究大多基于短期观测或局部观测(Ren et al．，1997;吕达仁，2004;马伟强等，2004;Dahlback et al．，2007)。

太阳辐射的能量经大气的吸收和散射，衰减后剩余的能量才能到达地面。由布格—朗伯定律可知，太阳辐射进入大气后，其总的衰减系数由散射系数(气体分子和气溶胶分子散射引起的衰减)和吸收系数(气体分子吸收引起的衰减)两方面共同决定，显然大气的质量密度越小产生的削弱系数就越小。在海拔越高的地方大气的质量密度和大气光学厚度越小，太阳辐射能量也就越容易到达地面，观测到的辐射数据更有价值。羊八井正好具备了以上的观测条件，它位于拉萨以北约90 km(90°53'E，30°13'N)，海拔4 300 m。

1 数据资料

2009年3月中科院大气物理研究所与西藏大学联合在西藏羊八井镇安装了CR1000采集器和全套监测地表辐射平衡的辐射仪器，表1给出了本文中所使用仪表的相关信息。所有辐射表观测频率为15 Hz，数据每分钟记录一次，包括平均值、最大值和最小值。

表1 辐射仪表参数Table 1The parameters of radiometers

本文对羊八井2009年5月—2010年4月观测的辐射数据进行了统计分析，初步讨论了羊八井地区总辐射(total radiation)、紫外线辐射(ultraviolet radiation)、长波辐射(long wave radiation)、净辐射(net radiation)的日变化、月变化和季节变化，以及地表总辐射超过太阳常数的发生频率及原因。

2 结果分析

利用2009年5月—2010年4月的辐射数据，初步分析了各辐射分量的日、月以及季节变化规律和成因，同时选取具有代表性的8 d(云量不同，每个季节2 d)，分别为2009年6月1日(早多云，晚少云)、 7月1日(全天积雨云，有降雨)、9月1日(早晚少云，中午多云)、10月1日(全天云量适中)、12月1日(早无云，晚多云)、2010年1月1日(全天无云)、3月1日(全天少云)、4月1日(全天多云)，作为实例辅助分析。上述云量情况均由中科院大气所自主研制的可见光探测器测得，该仪器安装在羊八井，距CR1000采集器100 m，只在白天运行，每隔3 min对全天空进行一次拍照。

2.1 总辐射

ALLW1测得的总辐射是指由太阳投到地球表面的短波辐射，包括太阳的直接辐射和散射辐射; ALLW2测得的辐射是指地表短波反射辐射。

由图1、2可见，总辐射和地表短波反射辐射均呈现出明显的月变化特征，月平均值的变化范围分别为150～300 W·m－2、40～50 W·m－2，从12月(最小)开始逐渐增大，到6月达到峰值，后逐渐减小，即辐射值在夏季最强，春秋季次之，冬季最弱，且两季间节辐射值相差较大。主要是因为总辐射的大小主要由太阳高度角和大气透明系数(主要取决于水汽和云量)共同决定，其中太阳高度角是主要影响因素(马伟强等，2004)，而羊八井夏季太阳高度角最大，冬季最小。

图1 总辐射和地表短波反射辐射月变化Fig．1Monthly variation of total radiation and short-wave reflected radiation over earth surface

图2总辐射和地表短波反射辐射季节变化Fig．2Seasonal variation of total radiation and short-wave reflected radiation over earth surface

图3 给出了不同云量条件下辐射的日变化情况，可见即使在不同的云量条件下，每天的总辐射和地表短波反射辐射最高值总是出现在中午12:00—16:00，这是由于二者辐射强度主要取决于太阳高度角，与月变化和季节变化规律的原因相同。图3中不光滑曲线是由于该时刻出现了云的影响，云过后立刻恢复为原来的辐射状态。

2.2 长波辐射

仪表LW1测得的长波辐射是指大气向下长波辐射，即大气逆辐射;仪表LW2测得的长波辐射是指地表发射长波辐射，地球表面以长波形式向上发射的辐射，与地面温度密切相关。大气中的云、二氧化碳、水汽、气溶胶等能吸收75%～95%的地表长波辐射，所以有、无云以及大气的干湿情况对长波辐射的影响尤为显著。由图4可见，大气逆辐射和地面长波辐射的月平均值分别为200～350 W·m－2和290～410 W·m－2，根据全年数据计算的大气逆辐射和地表长波辐射的日平均辐射通量密度分别为277.22 W·m－2和352.01 W·m－2。

由图4、5可见，大气逆辐射和地表长波辐射之间存在一定的正相关关系，受云量影响，二者的变化规律略有差别。大气逆辐射和地表长波辐射月平均值均从1月开始逐渐增大，而前者在6月达到峰值、后者则为7月。辐射值夏季最高，冬季最低，主要是因为夏季温度高于冬季。无云情况下，大气逆辐射的辐射通量密度(盛裴轩等，2005)可表示为

其中:ε0为晴天的视发射率;σ为斯蒂芬—玻尔兹曼常数;Tα为百叶箱中观测的近地面气温。有云情况下

其中:εc为云的比辐射率;Tc为云的温度，可由云高决定;N为云量;Ac为订正系数。可见，无云情况下大气逆辐射与地表温度正相关;有云情况下大气逆辐射与地表温度和云温度密切相关，且大气逆辐射较无云情况下更强一些。

图4 大气逆辐射和地表长波辐射月变化Fig．4Monthly variation of downward atmospheric radiationandlong-wavereflectedradiationover earth surface

地表长波辐射(盛裴轩等，2005)可以表示为

其中:ε为地表比辐射率;σ为斯蒂芬—玻尔兹曼常数;T表示地表温度。可见，地面长波辐射变化与地表温度变化一致，在地表性质大致相似的情况下，T决定L的强弱。

图3 总辐射和地表短波反射辐射日变化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

图5 大气逆辐射和地表长波辐射季节变化Fig．5Seasonal variation of downward atmospheric radiationandlong-wavereflectedradiationover earth surface

众所周知，内地大多数地区的长波辐射日变化规律不明显，而由图6可见，羊八井长波辐射表现出明显的日变化规律，造成内地和高原如此差别的主要原因，是由于内地的温度日变化较高原小的多。

2.3 紫外辐射

太阳紫外线辐射是电磁波谱中波长100～400 nm辐射的总称，按波长长短可分为短波紫外线UVC(ultraviolet C，100～290 nm)，到达地表之前几乎全部的UVC被臭氧吸收，故地表测不到它的数据，本文不做研究;中波紫外线UVB(ultraviolet B，290～320 nm)，到达地表之前大部分的UVB被臭氧吸收，到达地面的能量极少，但它的强度变化会引起较强烈的环境和生物效应，从而受到人们广泛关注;长波紫外线UVA(ultraviolet A，320～400 nm)。由图7、8可见，UVAB(ultraviolet A and ultraviolet B)、UVB月变化和季节变化特征与总辐射变化一致，具有明显的月和季节变化特征。因为地面接收到的紫外辐射的多少主要受太阳高度角影响，不同季节太阳高度角不同，夏季UVAB和UVB辐射明显高于其他季节，因为夏季太阳高度角较大。

图7 紫外辐射月变化Fig．7Monthly variation of UV radiation

根据全年数据，总辐射、地表短波辐射、UVAB辐射、UVB辐射的辐射通量密度日平均值分别为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辐射值较小，其中UVB辐射量约占UVAB的1.79%。联系UVAB和UVB辐射日变化曲线(图9)以及云量情况，UVAB和UVB辐射受云量和水汽等的影响也很大。

图6 大气逆辐射和地表长波辐射日变化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

图8 紫外辐射季节变化Fig．8Seasonal variation of UV radiation

2.4 净辐射

由净辐射计算公式(盛裴轩等，2005)可知，净辐射等于总辐射加上大气逆辐射减去地表短波反射辐射再减去地表长波反射辐射。由净辐射的月变化曲线(图10)可以看出，12月净辐射最小(36 W·m－2)，然后逐渐增大，6月达到最大值(150 W·m－2)后逐月减小，全年净辐射通量密度月平均值为96.065 W·m－2。从净辐射的季节变化(图11)来看，羊八井夏季净辐射最大(145 W·m－2)，春秋季次之，冬季净辐射最低(45 W·m－2)。影响净辐射的因素比较多，只要能影响总辐射、大气长波辐射、地表辐射的因素都会对净辐射产生影响，包括:太阳高度角、温度(地表温度、云温度、地表附近大气温度)、云量和水汽等。结合图4、5可见，净辐射与长波辐射季节变化一致，与羊八井地区的气温变化一致(图略)，说明可以根据温度估测净辐射。

图10 净辐射月变化曲线Fig．10Monthly variation curve of net radiation

图11 净辐射季节变化曲线Fig．11Seasonal variation curve of net radiation

图9UVAB和UVB辐射日变化曲线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

图12 净辐射日变化曲线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

由图12可见，净辐射日平均值的变化范围为0～1 200 W·m－2，日出前及日落后净辐射为负，即地表得到的能量少于失去的能量，地表开始降温;日出后和日落前净辐射为正，即地表得到的能量多于失去的能量，地表开始升温。日出后净辐射逐渐增大，14:00(北京时间，下同)左右达到极大值，然后逐渐减少，表现出明显的日变化规律。

2.5 太阳总辐射超太阳常数

文献报道青藏高原地区向下短波辐射因云的多次散射，使得地表观测值高于太阳常数(卞林根等，2001;孙维君等，2011)。利用羊八井地表观测数据分析了总辐射大于太阳常数1 367±7 W·m－2(盛裴轩等，2005)的情况(表2)，发现超太阳常数的情况基本上只发生在夏季。

通过对比总辐射数据和可见光探测器记录的图像，发现超过太阳常数的情况主要出现在天空有碎云且云没有遮挡太阳的情况下。此时，太阳直接辐射直接照到地表，而云间的多次散射辐射导致到达地表散射辐射增加，两者之和使得观测的地表太阳辐射超过太阳常数。

除了上述解释，其他的解释是太阳耀斑的爆发导致羊八井超太阳常数情况发生。因为太阳辐射按性质和来源可分为两部分:热辐射和非热辐射。受非热辐射的影响，太阳辐射功率不很稳定，在太阳耀斑爆发时，太阳功率会有显著的增加，有可能导致超太阳常数情况的出现。还有一种解释是，羊八井海拔较高，夏季正午前后，温度较高，太阳辐射很强，热力学平衡条件不再适用，考虑到发射辐射的强弱与温度密切相关，高空处的某些化学反应又为放热反应，致使辐射加强，到达地面的总辐射出现大于太阳常数(李超等，2000)。

表2 地面总辐射超出太阳常数(1 367 W·m－2)的次数统计Table 2Frequency of downward shortwave irradiance larger than 1 367 W/m2

3 结论

羊八井地区总辐射、长波辐射、紫外线辐射、净辐射均表现出明显的日变化、月变化和季节变化特征，地表总辐射超过太阳常数的情况绝大多数发生在夏季。早晚辐射较弱，中午时间段辐射强烈，14:00左右达到最大值。羊八井地区总辐射与地表反射辐射之间、总辐射与紫外线辐射之间均表现出明显的正相关关系。前者是因为地表反射的短波辐射来自总辐射;后者是因为总辐射和紫外辐射都主要受太阳高度角的影响。羊八井地区大气逆辐射和地表长波辐射之间呈现出一定的正相关关系，主要是因为二者均与地表温度有关。

本文仅对2009年5月—2010年4月羊八井地区辐射观测数据进行了初步的统计，只是一个非常初步的结果，随着数据量的增加，将在以后进一步开展大气对地表能量平衡影响的研究。

致谢:观测资料由中国科学院大气物理研究所羊八井大气多要素观测系统提供。谨致谢忱!

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(责任编辑:刘菲)

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

单增罗布，朱振岭，次仁尼玛，等．2012．西藏羊八井辐射观测初步分析［J］．大气科学学报，35(4):495-501．

Danzengluobu，Zhu Zhen-ling，Cirennima，et al．2012．Preliminary analyses on radiation in Yangbajing of Tibet［J］．Trans Atmos Sci，35(4):495-501．(in Chinese)

2011-06-29;改回日期:2011-11-10

西藏自治区中青年自然科学基金资助项目(藏科发［2008］141号);人力与社会资源保障部留学人员科技活动择优资助项目(人社厅函［2010］412号)

单增罗布(1966—)，男，西藏山南人，副教授，研究方向为大气物理，danzengluobu@ihep．ac．cn．