阿里地区狮泉河近30年总辐射和净辐射的变化特征

2023-01-08王顺久

高原山地气象研究 2022年4期

李平 , 王鸽 , 王顺久

（1. 中国气象局成都高原气象研究所, 成都 610072；2. 四川省气候中心, 成都 610072）

引言

地表能量平衡和辐射平衡是陆面过程和地气相互作用研究的主要内容[1]，也是陆地表面能量、水分转换及循环的主要环节[2]。其中太阳辐射是地表各种物理和生物化学过程的主要能量来源[3]，净辐射是定量研究地表能量转换及水热循环一个不可缺少的重要参数[4]。多年来，我国在青藏高原能量收支[5-6]、辐射平衡及各分量[7-8]、热源强度[6-7，9]以及地气相互作用物理过程[10]等方面取得了丰硕的研究成果。但是，青藏高原地表辐射研究大多基于短期观测或局部观测[11-13]，尤其在条件更为艰苦的藏北地区，目前相关研究主要集中在观测资料相对较长的那曲地区[14-17]。而针对阿里地区总辐射和净辐射等辐射平衡及各分量长期变化趋势的研究还十分缺乏。为此，本文基于阿里地区狮泉河地气交换综合观测站（简称狮泉河地气站）2019年辐射观测数据和狮泉河气象站1993～2016年辐射观测数据，分析了阿里地区总辐射和净辐射的日循环、日变化、季节变化和年际变化特征，以期为加深对青藏高原地区辐射变化规律的认知和深入研究青藏高原地气之间的能量输送提供科学依据。

1 实验区概况和资料选取

1.1 实验区概况

据统计，1981～2010年西藏阿里地区年日照时数为3574.3 h，年平均气温为1.0℃，年降水总量约为66.3 mm，年平均相对湿度为33%，年蒸发量为2237.6 mm，属于极度干旱区。而中国气象局成都高原气象研究所狮泉河地气交换综合观测站位于西藏阿里地区狮泉河气象站（32.50°N，80.08°E）内，海拔高度4279 m，下垫面为砂质土，属于当地分布较为广泛的下垫面类型，全年无植被覆盖，试验场地面平坦，四周开阔。站点主要开展近地层风温湿梯度、通量、辐射和土壤水热状况的观测。

1.2 资料选取

本文所使用2019年辐射观测数据来自于架设在狮泉河地气站内的Kipp-Zonen Pyranometer CM11 辐射计，观测项目包括短波辐射、长波辐射和净辐射，辐射计距地面1.5 m，正对下垫面，观测时间采用北京时，辐射观测资料使用30 min 平均值，有极少量缺测数据采用前后两天相同时刻数据的平均值进行插补；1993～2016年辐射数据来自中国气象局气象信息中心的中国气象辐射基本要素日值数据集，辐射观测设备为我国研制的热电型（绕线型康铜镀铜）、感应面（专用光学黑漆）全自动遥测辐射仪，观测时间采用地方时，观测数据经过气候界限值或允许值检查、内部一致性检查和时间连续性检查，各要素项数据的实有率均在99.0%左右，正确率在99.9%以上。

本文将总辐射和净辐射日最大辐照度出现时间（时分）转换为该时间与8:00 相差的分钟数，以该分钟数与年份的相关系数来表征总辐射和净辐射日最大辐照度出现时间的变化趋势。

2 结果分析

2.1 总辐射和净辐射的日循环特征

太阳辐射穿过大气层，经大气吸收、散射和云的反射衰减后到达地面的太阳辐射即为总辐射，总辐射受太阳高度角、大气清洁度和日照时间等的影响[18]。地表净辐射是各个辐射分量的综合结果，其大小和变化受各个辐射分量的共同制约，最重要的影响因子是太阳高度角和天空的总云量等[19]。

图1 给出了基于狮泉河地气站2019年观测数据的阿里地区总辐射和净辐射的日变化特征。阿里地区不同季节总辐射和净辐射的平均日变化在形态上均表现为典型的单峰对称，均是从9:00 左右开始增加，到15:00 左右达到最高值，然后逐步降低，到21:00左右总辐射达到零值，而净辐射则是在22:00 左右达到最小值。阿里地区总辐射的平均日变化在10:00～15:00均是春季总辐射值大于夏季（14:00 除外），类似情况也出现在青藏高原东部地区[20]，这可能与该区域总云量出现的季节差异有关[1]。狮泉河地区春季总辐射平均日变化极值大于改则地区（930 W/m2）[16]和藏北高原湿地（909.36 W/m2）[21]。阿里地区地表净辐射平均日变化极值夏季最强，春季次之，秋季较弱，冬季最弱，表明净辐射的季节变化主要受太阳总辐射季节变化的控制[22]。

图1 阿里地区总辐射（a）和净辐射（b）的日变化特征

阿里地区总辐射和净辐射平均日变化峰值出现时间在春、夏、秋和冬季分别为15:00、15:00、14:30和15:00。巩远发等[16]基于1997～1998年辐射平衡资料指出藏北高原阿里地区总辐射和净辐射均是在14～15 时达到最大值，何慧根等[21]利用2007年3月～2008年2月实测辐射资料指出藏北高原总辐射和净辐射在14 时达到最大值，与本文根据2019年观测数据发现阿里地区总辐射和净辐射春、夏和冬季均是在15:00 达到最大值的结论基本一致。

2.2 总辐射和净辐射的日变化和季节变化特征

图2 给出了基于狮泉河地气站2019年观测数据的阿里地区总辐射和净辐射日均值和月均值的变化特征。如图所示，阿里地区总辐射和净辐射的日均值和月均值均呈先增加后减少的变化趋势。从图2a 可看出，随着太阳高度的逐渐增加，阿里地区的总辐射迅速增加，并在6月达到峰值（351.23 W/m2），比五道梁地区早1个月[5]。已有研究[21，23]表明，受西南季风影响，高原进入雨季，云量增多，导致总辐射日均值在7～8月迅速减弱，阿里地区总辐射的这种变化趋势与藏北高原湿地总辐射的变化趋势类似。由图2b 可知，阿里地区2019年全年总辐射为255.96 W/m2，超过已有研究[23]观测到的青藏高原总辐射最大值252.7 W/m2，春、夏、秋和冬季平均总辐射分别为308.64 W/m2、308.43 W/m2、233.39 W/m2和171.30 W/m2。根据已有研究[5]，太阳总辐射在春季的急剧增加会引起地面加热状况的突变，从而影响行星边界层内平均气压系统的季节性转换。可见，阿里地区春末夏初净辐射最大，地表获得的净能量最多，对地面热源的形成及其对大气的加热具有决定性作用。这与陆渝蓉等[7]研究发现阿里地区净辐射的年变化与大气环流和气候状况有密切关系的结论是一致的。

从图2b 还可看出，阿里地区2019年总辐射月均最大值出现在6月，净辐射月均最大值出现在8月。巩远发等[16]据1997～1998年辐射平衡资料给出藏北高原阿里地区总辐射在5月达到最大值，净辐射在6月达到最大值。马伟强等[24]基于2001年8月～2002年9月观测数据指出藏北高原净辐射通量在7月出现最大值。上述结论与本文分析结果略有差异，其原因可能与使用数据时段不一致有关。

图2 阿里地区总辐射和净辐射的日变化（a）和季节变化（b）特征

2.3 总辐射和净辐射的年际变化特征

图3 给出了1993～2016年阿里地区年均总辐射和净辐射日曝辐量与最大辐照度的年际变化特征。如图3a所示，近24 a 阿里地区总辐射日曝辐量年均值呈微弱的减少趋势，而净辐射日曝辐量则呈极显著的增加趋势（P＜0.01）。日照时数减少可能是总辐射减少的主要原因，而日照时数的变化可能与风速和气溶胶浓度有关。数据统计表明，净辐射日曝辐量与总辐射日曝辐量之间没有显著的相关关系，而近24 a 净辐射日曝辐量与总辐射日曝辐量的比值呈极显著的增加趋势（P＜0.01），表明净辐射日曝辐量的显著增加可能主要受阿里地区云量、降水和地表植被等的变化影响。阿里地区总辐射日曝辐量年均最大值出现在1995年（27.24 MJ/m2），最小值出现在2006年（21.26 MJ/m2）；净辐射日曝辐量年均最大值出现在2013年（6.38 MJ/m2），最小值出现在1996年（1.14 MJ/m2）。图3b 给出了阿里地区近24 a 总辐射和净辐射日最大辐照度年均值的变化特征。如图所示，近24 a 总辐射的日最大辐照度年均值呈现极显著的降低趋势（P ＜0.01），而净辐射的日最大辐照度年均值呈微弱的减少趋势。综上所述，1993～2016年阿里地区总辐射曝辐量呈微弱的减少趋势，但其日最大辐照度呈极显著的降低趋势，而净辐射曝辐量呈极显著的增加趋势，但其日最大辐照度呈微弱的减少趋势。

图3 1993～2016年阿里地区总辐射和净辐射的年际变化特征（a. 曝辐量，b. 最大辐照度）

2.4 总辐射和净辐射日峰值出现时间的年际变化特征

从图4a 可看出，近24 a 阿里地区各月净辐射日峰值出现时间均早于总辐射，其中10月提早时间最长（19 min），5月提早时间最短（6 min），平均提前13 min。阿里地区月均总辐射日最大辐照度出现时间最大值出现在4月（12:20，地方时），最小值出现在11月（11:50，地方时），而月均净辐射日最大辐照度出现时间最大值出现在5月（12:11，地方时），最小值出现在11月（11:31，地方时）。如图4b 所示，近24 a 阿里地区总辐射和净辐射日最大辐照度出现时间年均值均呈极显著延后趋势（P ＜0.01），其中净辐射日最大辐照度延后趋势较总辐射更为显著。阿里地区年均总辐射日最大辐照度出现时间最大值在2000年（12:15，地方时），最小值在1995年（12:00，地方时）；年均净辐射日最大辐照度出现时间最大值在2002年（12:13，地方时），最小值在1995年（11:39，地方时）。