日偏食期間深圳市天文臺氣象要素分析*

鄭建川，梅 林，王 棟，吳 亮，葉嘉暉

(深圳市國家氣候觀象臺(深圳市天文臺)， 廣東 深圳 518040)

1 日食期間氣象要素研究現(xiàn)狀

月球運(yùn)動到地球和太陽之間并且三者成一條直線時就會發(fā)生日食，根據(jù)月球在地球上的投影情況，日食可分為日全食、日環(huán)食、日偏食和全環(huán)食[1]。長久以來，日食除了給人類提供震撼的觀感外，也提供了獨(dú)特的科學(xué)研究環(huán)境。最著名的例子就是愛丁頓爵士觀測1919年的日食，驗證了愛因斯坦廣義相對論中的光線偏轉(zhuǎn)預(yù)言[2]。日全食期間可以直接看到太陽外層大氣——日冕，因為日冕稀薄暗弱，平時淹沒在太陽光球發(fā)出的強(qiáng)烈光線中，在食分很大的日環(huán)食時只能看到微弱的日冕結(jié)構(gòu)。日冕的精細(xì)結(jié)構(gòu)動力學(xué)特征、日冕加熱問題和日食期間的生物學(xué)效應(yīng)等是日食期間重要的研究課題[3-4]，也是地面和空間太陽觀測研究的重要補(bǔ)充。

日食會引發(fā)氣象要素的變化，但直到1980年2月16日的日全食之后，日食期間氣象變化的相關(guān)研究才逐漸增多[5]。定量測量發(fā)現(xiàn)，日食開始后，太陽輻射和氣溫會下降[6]，并且在天氣晴朗、大氣穩(wěn)定的情況下，太陽輻射最小的時間和食甚相同，太陽照度的變化和日食有很強(qiáng)的相關(guān)性。有云和霧的情況下，太陽輻射達(dá)到最小的時間有所滯后[7]，天空亮度受大氣質(zhì)量和環(huán)境的影響。目前，城市和工業(yè)區(qū)在日全食期間的天空亮度比以前日全食期間的要亮[8]。全食期間，太陽輻射在食甚下降到0 W·m-2，氣溫下降幾攝氏度[9]，全食結(jié)束后，太陽輻射和氣溫逐步回升[10]。文[11]分析了2009年7月22日日全食期間杭州的氣象觀測后發(fā)現(xiàn)，在2萬多米的高空溫度變化0.6～3.0 ℃，地面溫度變化最大為2.3 ℃。文[12]分析了本次日全食期間武漢市的氣象要素變化后發(fā)現(xiàn)，日全食期間，太陽輻射總量大幅度下降，由于溫度相對于太陽輻射有滯后性，所以氣溫呈現(xiàn)上升-下降-上升的過程，變化幅度1.3 ℃。文[13]認(rèn)為，2017年美國日全食期間，太陽輻射從大于800 W·m-2下降到0 W·m-2，氣溫下降了4.5 ℃。日食同樣導(dǎo)致耗電和產(chǎn)能的變化，2015年3月20日的日食期間，英國電力需求增加了約3 000兆瓦時，比平時同期增加4%，而風(fēng)能和光伏發(fā)電則減少了1.5千兆瓦時[14]。

2020年6月21日發(fā)生的日環(huán)食是本世紀(jì)我國最壯觀的日環(huán)食，最大食分可達(dá)0.997(來源：國家天文科學(xué)數(shù)據(jù)中心日食計算器，https://nadc.china-vo.org/eclipse/)，環(huán)食帶經(jīng)過我國西藏、四川、重慶、湖南、江西、福建和臺灣，但是環(huán)食帶很窄，寬度僅20多千米，全國其他地方可見日偏食。深圳市天文臺位于環(huán)食帶以南，可見日偏食，最大食分高達(dá)0.901。圖1(a)顯示了中國境內(nèi)日食路徑全景圖；圖1(b)是深圳偏食放大圖，顯示了深圳市天文臺的地理坐標(biāo)、偏食食分以及初虧、食甚和復(fù)圓時刻等信息。太陽望遠(yuǎn)鏡全程拍攝了日偏食，基地內(nèi)安放的標(biāo)準(zhǔn)氣象設(shè)備同時進(jìn)行了日食期間的天文和氣象觀測，是天文與氣象相結(jié)合的典型范例。即使是在日全食期間，大多數(shù)情況溫度下降也只有幾攝氏度，偏食期間相應(yīng)的變化更小。定量分析日面變化和氣象要素的變化及其相關(guān)性，可有效預(yù)測日食期間氣象要素的變化。

圖1 2020年6月21日中國境內(nèi)日環(huán)食路徑圖(https://nadc.china-vo.org/eclipse/)Fig.1 The path of annular eclipse within China on 21 June 2020

2 日偏食太陽觀測和氣象觀測

深圳市天文臺位于廣東省深圳市大鵬新區(qū)南澳半島西涌，東、南、西三面環(huán)海，海拔224 m，視寧度足以進(jìn)行全日面光球和色球觀測[15-16]。2020年4月，天文臺完成三通道太陽望遠(yuǎn)鏡升級并投入使用，可在Hα(656.28 nm)和Ca II K(393.37 nm)波段全日面觀測色球，白光波段全日面觀測光球。三通道全日面太陽觀測能獲取太陽黑子、暗條(日珥)和耀斑等太陽活動信息[17]，對認(rèn)識太陽活動的物理本質(zhì)和預(yù)測災(zāi)害性空間天氣事件具有重要意義。此外，全日面色球望遠(yuǎn)鏡觀測日偏食同樣具有科學(xué)研究價值，能為太陽物理和地球物理效應(yīng)研究提供資料和信息[18]。

本文利用太陽三通道中的Ca II K觀測數(shù)據(jù)，Ca II K全日面望遠(yuǎn)鏡的主鏡口徑203 mm，后端配備2 048 × 2 048的FLI CCD。本次日食觀測期間，望遠(yuǎn)鏡觀測的時間分辨率為10 min，觀測時間從14:31:09到17:21:18(世界時06:31:09～09:21:18 UT)，基本覆蓋了整個日食過程，太陽三通道望遠(yuǎn)鏡全程參與了日食科普直播。為了分析日食期間氣象要素的變化，本文收集了天文臺內(nèi)氣象標(biāo)準(zhǔn)站的觀測數(shù)據(jù)，包括太陽輻射、溫度、濕度和氣壓數(shù)據(jù)，觀測時間分辨率為1 min，時長為3.5 h(06:00～09:30 UT)。并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

深圳市天文臺的日食初虧、食甚和復(fù)圓時間分別是06:37:41 UT、08:08:38 UT和09:24:30 UT。圖2中用紅色箭頭連接的藍(lán)色圖像顯示了日食的整個過程，藍(lán)色圖像是Ca II K全日面觀測圖像。從圖2可以看出，06:31:09 UT時，日面完全無遮擋(由于觀測的時間分辨率，初虧開始時無觀測)，06:41:09 UT到09:21:18 UT，日面經(jīng)歷了遮擋逐漸增加到遮擋最多后，月球影子移開，日面逐漸變圓的過程。受時間分辨率的限制，在食甚附近的08:11:14 UT時，太陽被遮擋最多。以氣象要素太陽輻射變化為例，如圖2中間曲線所示，橫坐標(biāo)為世界時，縱坐標(biāo)為太陽輻射，3條豎直的紅色虛線分別是初虧、食甚、復(fù)圓時刻，豎直的綠色虛線是食甚附近觀測到日面被遮擋最多的時刻。日食期間，從初虧開始，太陽輻射迅速減小，至食甚附近達(dá)到極小值，然后輻射逐漸增加。

圖2 日食期間Ca II K波段日面和太陽輻射的變化Fig.2 Solar Ca II K full-disk observations and the variation of solar radiation during the partial eclipse

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 日食期間氣象要素分析

為了對比日食和無日食時太陽輻射、溫度、相對濕度和氣壓的變化，我們選取日食前后一天相同時間段的觀測數(shù)據(jù)，如圖3。圖中3條豎直虛線分別是初虧、食甚、復(fù)圓時刻，紅色實(shí)線表示6月21日日食期間各氣象要素變化情況，藍(lán)色點(diǎn)虛線和綠色虛線分別表示6月20日和22日相同時間段的變化特性。

圖3(a)顯示了6月20日、21日和22日6:00～09:30 UT太陽輻射變化。由于選取的時間段在下午，所以太陽輻射整體下降，下降幅度約為550 W·m-2。如果沒有日食，太陽輻射是一個平滑緩慢下降的過程。當(dāng)有日食時，初虧之后，太陽輻射急劇下降，下降到最低時為52.60 W·m-2(如果發(fā)生日全食，甚至可以到達(dá)0 W·m-2)。為了分析日食和非日食期間太陽輻射下降的變化情況，我們分別線性擬合6月20日、21日和22日06:37～08:08 UT(初虧-食甚)的觀測數(shù)據(jù)，擬合后的斜率k分別為-2.8、-9.1和-2.6，即初虧到食甚階段，太陽輻射平均每分鐘下降9.1 W·m-2，而非日食相同時間段太陽輻射平均每分鐘下降2.8 W·m-2和2.6 W·m-2，也就是說，日食期間太陽輻射的變化速率可達(dá)非日食時的4倍左右。紫色箭頭所指為太陽輻射的最低點(diǎn)，受當(dāng)天云的短時干擾以及受限于太陽輻射觀測的時間分辨率，這個時刻相對于食甚滯后1.37 min，食甚后，隨著日面遮擋面積減小，太陽輻射開始上升，在上升過程中，太陽輻射強(qiáng)度有幾次大的跌落，是太陽被云短時遮擋。

圖3(b)顯示了溫度的變化，初虧到食甚階段溫度下降了約2 ℃，最低溫度達(dá)27.70 ℃。經(jīng)過類似處理太陽輻射數(shù)據(jù)過程，進(jìn)行線性擬合發(fā)現(xiàn)，日食期間溫度的變化率幾乎比非日食期間高1個數(shù)量級。初虧到食甚階段，溫度平均每分鐘下降0.02 ℃，而非日食期間平均每分鐘下降0.003～0.004 ℃。太陽輻射下降后，溫度隨之降低，因此，溫度達(dá)到最低的時刻(紫色箭頭所指)相對于食甚滯后6.37 min。溫度在這個極小值持續(xù)7 min后開始逐步回升。圖3(c)顯示了相對濕度的變化，初虧到食甚階段相對濕度增加了約10%，最高時可達(dá)93.0%。線性擬合發(fā)現(xiàn)，在這個階段相對濕度平均每分鐘增加0.09%，而非日食期間平均每分鐘增加0.02%。濕度達(dá)到最大值的時刻(紫色箭頭所指)相對于食甚滯后6.37 min，相對濕度最大值持續(xù)33 min后開始逐步下降。此次日偏食期間，氣壓的變化不大，如圖3(d)，初虧到食甚階段氣壓下降約1 hPa，并且和非日食時的變化相差不大，在這階段氣壓平均每分鐘下降約0.008 hPa。氣壓達(dá)到最低的時刻(紫色箭頭所指)相對于食甚滯后10.37 min，持續(xù)25 min后氣壓回升。

圖3 日食期間太陽輻射、溫度、相對濕度和氣壓變化Fig.3 The variation of solar radiation, temperature, relative humidity and air pressure during eclipse

3.2 日面相對強(qiáng)度和氣象要素的相關(guān)性

全日面色球望遠(yuǎn)鏡觀測了整個日食過程，日食最直觀的觀測就是日面被遮擋。日面相對強(qiáng)度變化和氣象要素之間的相關(guān)性可用于分析氣象要素對太陽的依賴程度。從太陽圖像可以看出邊緣比中心暗，這就是臨邊昏暗效應(yīng)。靠近日面中心更亮意味著溫度更高，這是由于越靠近中心，能夠看到的太陽的層次更深。圖4(a)顯示了日食開始前06:31:09 UT時的太陽圖像，可以清晰地看出靠近日面中心更亮。圖4(b)的藍(lán)色曲線輪廓是圖4(a)白色虛線上日面過中心點(diǎn)的強(qiáng)度變化輪廓。用可見光和紅外連續(xù)譜中單色光觀測太陽時，都會出現(xiàn)臨邊昏暗現(xiàn)象。在愛丁頓近似條件下對所有波段積分，日面各點(diǎn)相對于日面中心的強(qiáng)度為

(1)

其中μ=cosθ，θ為日心角距；I(μ)為日面各點(diǎn)的強(qiáng)度；I(0)為日心強(qiáng)度[19]。圖4(b)的黑色曲線顯示了相對太陽輻射強(qiáng)度隨日面中心距離的變化。為了計算日食時日面的相對強(qiáng)度(以08:11:14 UT時的太陽圖像為例)，我們首先需要知道全日面各點(diǎn)的位置，通過數(shù)字圖像處理和最小二乘法圓周擬合可以算出全日面的圓心位置和圓面半徑，在2 048 × 2 048的CCD中，圓心的位置為(1 019, 1 111)，圓面的半徑為917像元。圖4(d)中的白色點(diǎn)是擬合圓周，進(jìn)而可得圓周內(nèi)各點(diǎn)的確切位置。根據(jù)可見日面和其他區(qū)域的亮度可以區(qū)分日牙和日面其他區(qū)域，圖4(e)用藍(lán)點(diǎn)標(biāo)記可見日面的各個像元點(diǎn)，用黃點(diǎn)標(biāo)記日面其他點(diǎn)，把各個點(diǎn)的位置坐標(biāo)和半徑代入(1)式可得相對強(qiáng)度，分別對日牙內(nèi)和日面圓周內(nèi)的強(qiáng)度求和，相比可知此時的相對強(qiáng)度約為0.10。

圖4 日食時可見日面的相對強(qiáng)度。(a)全日面圖像；(b)過日心的日面強(qiáng)度變化曲線和計算的相對強(qiáng)度輪廓；(c)接近食甚的太陽圖像；(d)太陽圖像和全日面輪廓；(e)藍(lán)點(diǎn)標(biāo)記的可見日面和黃點(diǎn)標(biāo)記的剩余日面

為了分析日食期間日面相對強(qiáng)度的變化和氣象要素變化之間的相關(guān)性，我們計算了從初虧到復(fù)圓時間序列日面強(qiáng)度相對于全日面強(qiáng)度的變化，如圖5紅色星點(diǎn)，相對強(qiáng)度的范圍在0到1(全食食甚為0)。顯然，初虧到食甚相對強(qiáng)度隨可見日面的減小而減小，食甚到復(fù)圓相對強(qiáng)度隨可見日面的增大而增大，食甚相對強(qiáng)度最小，日食未開始和結(jié)束后，相對強(qiáng)度為1。從圖5可知，氣象要素和日面相對強(qiáng)度之間有很強(qiáng)的相關(guān)性。從初虧到復(fù)圓，日面相對強(qiáng)度和氣象要素之間的皮爾森相關(guān)系數(shù)(Pearson Correlation Coefficient)分別為日面相對強(qiáng)度和太陽輻射之間0.95，和溫度之間0.89，和相對濕度之間-0.82，和氣壓之間0.75，這些相關(guān)系數(shù)接近1或-1，說明它們之間有強(qiáng)相關(guān)性。太陽輻射強(qiáng)度是在單位時間單位面積內(nèi)接收到的太陽輻射的強(qiáng)弱，和可見日面直接相關(guān)，所以相關(guān)性最強(qiáng)。其他氣象要素相對于太陽輻射有滯后，相關(guān)性稍弱。

圖5 可見日面相對強(qiáng)度和氣象要素的相關(guān)性

4 結(jié) 論

大氣科學(xué)觀測的重要內(nèi)容之一是找出各要素之間的相關(guān)性或是證明它們之間的非相關(guān)性，要理清它們之間的關(guān)系比較困難[14]。日食提供了一個獨(dú)特的觀測機(jī)會，用高靈敏度儀器精確觀測日食帶上多個點(diǎn)的氣象要素，基于數(shù)據(jù)建模理論進(jìn)行解釋[20]。本文給出了日食期間各氣象要素的變化以及日面相對面和氣象要素之間的相關(guān)性，得到以下主要結(jié)論：

(1)日食期間，太陽輻射、溫度和氣壓經(jīng)歷下降-上升的過程，其中，溫度和氣壓在最低值分別持續(xù)7 min和25 min，而太陽輻射則到達(dá)最低值后回升；

(2)日食期間，相對濕度經(jīng)歷了上升-持續(xù)-下降的過程，持續(xù)時間為33 min；

(3)太陽輻射、溫度、相對濕度和氣壓到達(dá)極值的時刻相對于食甚有滯后，滯后時間分別為1.37 min，6.37 min，6.37 min和10.37 min，滯后可能是由觀測的時間分辨率和局地的天氣條件造成的；

(4)日食期間，日面相對強(qiáng)度和氣象要素之間的相關(guān)性很強(qiáng)，皮爾森相關(guān)系數(shù)分別達(dá)0.95、0.89、-0.82和0.75，接近1或-1。

這些結(jié)論給出了特定點(diǎn)日食期間氣象要素特性和可見日面變化及其相關(guān)性，綜合其他點(diǎn)的觀測，基于觀測建模，對預(yù)測下一次日食期間氣象要素特性有指導(dǎo)意義。