阿里地區(qū)獅泉河近30年總輻射和凈輻射的變化特征

李 平 , 王 鴿 , 王順久

（1. 中國氣象局成都高原氣象研究所, 成都 610072；2. 四川省氣候中心, 成都 610072）

引言

地表能量平衡和輻射平衡是陸面過程和地氣相互作用研究的主要內(nèi)容[1]，也是陸地表面能量、水分轉(zhuǎn)換及循環(huán)的主要環(huán)節(jié)[2]。其中太陽輻射是地表各種物理和生物化學(xué)過程的主要能量來源[3]，凈輻射是定量研究地表能量轉(zhuǎn)換及水熱循環(huán)一個不可缺少的重要參數(shù)[4]。多年來，我國在青藏高原能量收支[5-6]、輻射平衡及各分量[7-8]、熱源強度[6-7，9]以及地氣相互作用物理過程[10]等方面取得了豐碩的研究成果。但是，青藏高原地表輻射研究大多基于短期觀測或局部觀測[11-13]，尤其在條件更為艱苦的藏北地區(qū)，目前相關(guān)研究主要集中在觀測資料相對較長的那曲地區(qū)[14-17]。而針對阿里地區(qū)總輻射和凈輻射等輻射平衡及各分量長期變化趨勢的研究還十分缺乏。為此，本文基于阿里地區(qū)獅泉河地氣交換綜合觀測站（簡稱獅泉河地氣站）2019年輻射觀測數(shù)據(jù)和獅泉河氣象站1993～2016年輻射觀測數(shù)據(jù)，分析了阿里地區(qū)總輻射和凈輻射的日循環(huán)、日變化、季節(jié)變化和年際變化特征，以期為加深對青藏高原地區(qū)輻射變化規(guī)律的認知和深入研究青藏高原地氣之間的能量輸送提供科學(xué)依據(jù)。

1 實驗區(qū)概況和資料選取

1.1 實驗區(qū)概況

據(jù)統(tǒng)計，1981～2010年西藏阿里地區(qū)年日照時數(shù)為3574.3 h，年平均氣溫為1.0℃，年降水總量約為66.3 mm，年平均相對濕度為33%，年蒸發(fā)量為2237.6 mm，屬于極度干旱區(qū)。而中國氣象局成都高原氣象研究所獅泉河地氣交換綜合觀測站位于西藏阿里地區(qū)獅泉河氣象站（32.50°N，80.08°E）內(nèi)，海拔高度4279 m，下墊面為砂質(zhì)土，屬于當?shù)胤植驾^為廣泛的下墊面類型，全年無植被覆蓋，試驗場地面平坦，四周開闊。站點主要開展近地層風(fēng)溫濕梯度、通量、輻射和土壤水熱狀況的觀測。

1.2 資料選取

本文所使用2019年輻射觀測數(shù)據(jù)來自于架設(shè)在獅泉河地氣站內(nèi)的Kipp-Zonen Pyranometer CM11 輻射計，觀測項目包括短波輻射、長波輻射和凈輻射，輻射計距地面1.5 m，正對下墊面，觀測時間采用北京時，輻射觀測資料使用30 min 平均值，有極少量缺測數(shù)據(jù)采用前后兩天相同時刻數(shù)據(jù)的平均值進行插補；1993～2016年輻射數(shù)據(jù)來自中國氣象局氣象信息中心的中國氣象輻射基本要素日值數(shù)據(jù)集，輻射觀測設(shè)備為我國研制的熱電型（繞線型康銅鍍銅）、感應(yīng)面（專用光學(xué)黑漆）全自動遙測輻射儀，觀測時間采用地方時，觀測數(shù)據(jù)經(jīng)過氣候界限值或允許值檢查、內(nèi)部一致性檢查和時間連續(xù)性檢查，各要素項數(shù)據(jù)的實有率均在99.0%左右，正確率在99.9%以上。

本文將總輻射和凈輻射日最大輻照度出現(xiàn)時間（時分）轉(zhuǎn)換為該時間與8:00 相差的分鐘數(shù)，以該分鐘數(shù)與年份的相關(guān)系數(shù)來表征總輻射和凈輻射日最大輻照度出現(xiàn)時間的變化趨勢。

2 結(jié)果分析

2.1 總輻射和凈輻射的日循環(huán)特征

太陽輻射穿過大氣層，經(jīng)大氣吸收、散射和云的反射衰減后到達地面的太陽輻射即為總輻射，總輻射受太陽高度角、大氣清潔度和日照時間等的影響[18]。地表凈輻射是各個輻射分量的綜合結(jié)果，其大小和變化受各個輻射分量的共同制約，最重要的影響因子是太陽高度角和天空的總云量等[19]。

圖1 給出了基于獅泉河地氣站2019年觀測數(shù)據(jù)的阿里地區(qū)總輻射和凈輻射的日變化特征。阿里地區(qū)不同季節(jié)總輻射和凈輻射的平均日變化在形態(tài)上均表現(xiàn)為典型的單峰對稱，均是從9:00 左右開始增加，到15:00 左右達到最高值，然后逐步降低，到21:00左右總輻射達到零值，而凈輻射則是在22:00 左右達到最小值。阿里地區(qū)總輻射的平均日變化在10:00～15:00均是春季總輻射值大于夏季（14:00 除外），類似情況也出現(xiàn)在青藏高原東部地區(qū)[20]，這可能與該區(qū)域總云量出現(xiàn)的季節(jié)差異有關(guān)[1]。獅泉河地區(qū)春季總輻射平均日變化極值大于改則地區(qū)（930 W/m2）[16]和藏北高原濕地（909.36 W/m2）[21]。阿里地區(qū)地表凈輻射平均日變化極值夏季最強，春季次之，秋季較弱，冬季最弱，表明凈輻射的季節(jié)變化主要受太陽總輻射季節(jié)變化的控制[22]。

圖1 阿里地區(qū)總輻射（a）和凈輻射（b）的日變化特征

阿里地區(qū)總輻射和凈輻射平均日變化峰值出現(xiàn)時間在春、夏、秋和冬季分別為15:00、15:00、14:30和15:00。鞏遠發(fā)等[16]基于1997～1998年輻射平衡資料指出藏北高原阿里地區(qū)總輻射和凈輻射均是在14～15 時達到最大值，何慧根等[21]利用2007年3月～2008年2月實測輻射資料指出藏北高原總輻射和凈輻射在14 時達到最大值，與本文根據(jù)2019年觀測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)阿里地區(qū)總輻射和凈輻射春、夏和冬季均是在15:00 達到最大值的結(jié)論基本一致。

2.2 總輻射和凈輻射的日變化和季節(jié)變化特征

圖2 給出了基于獅泉河地氣站2019年觀測數(shù)據(jù)的阿里地區(qū)總輻射和凈輻射日均值和月均值的變化特征。如圖所示，阿里地區(qū)總輻射和凈輻射的日均值和月均值均呈先增加后減少的變化趨勢。從圖2a 可看出，隨著太陽高度的逐漸增加，阿里地區(qū)的總輻射迅速增加，并在6月達到峰值（351.23 W/m2），比五道梁地區(qū)早1個月[5]。已有研究[21，23]表明，受西南季風(fēng)影響，高原進入雨季，云量增多，導(dǎo)致總輻射日均值在7～8月迅速減弱，阿里地區(qū)總輻射的這種變化趨勢與藏北高原濕地總輻射的變化趨勢類似。由圖2b 可知，阿里地區(qū)2019年全年總輻射為255.96 W/m2，超過已有研究[23]觀測到的青藏高原總輻射最大值252.7 W/m2，春、夏、秋和冬季平均總輻射分別為308.64 W/m2、308.43 W/m2、233.39 W/m2和171.30 W/m2。根據(jù)已有研究[5]，太陽總輻射在春季的急劇增加會引起地面加熱狀況的突變，從而影響行星邊界層內(nèi)平均氣壓系統(tǒng)的季節(jié)性轉(zhuǎn)換?？梢?，阿里地區(qū)春末夏初凈輻射最大，地表獲得的凈能量最多，對地面熱源的形成及其對大氣的加熱具有決定性作用。這與陸渝蓉等[7]研究發(fā)現(xiàn)阿里地區(qū)凈輻射的年變化與大氣環(huán)流和氣候狀況有密切關(guān)系的結(jié)論是一致的。

從圖2b 還可看出，阿里地區(qū)2019年總輻射月均最大值出現(xiàn)在6月，凈輻射月均最大值出現(xiàn)在8月。鞏遠發(fā)等[16]據(jù)1997～1998年輻射平衡資料給出藏北高原阿里地區(qū)總輻射在5月達到最大值，凈輻射在6月達到最大值。馬偉強等[24]基于2001年8月～2002年9月觀測數(shù)據(jù)指出藏北高原凈輻射通量在7月出現(xiàn)最大值。上述結(jié)論與本文分析結(jié)果略有差異，其原因可能與使用數(shù)據(jù)時段不一致有關(guān)。

圖2 阿里地區(qū)總輻射和凈輻射的日變化（a）和季節(jié)變化（b）特征

2.3 總輻射和凈輻射的年際變化特征

圖3 給出了1993～2016年阿里地區(qū)年均總輻射和凈輻射日曝輻量與最大輻照度的年際變化特征。如圖3a所示，近24 a 阿里地區(qū)總輻射日曝輻量年均值呈微弱的減少趨勢，而凈輻射日曝輻量則呈極顯著的增加趨勢（P＜0.01）。日照時數(shù)減少可能是總輻射減少的主要原因，而日照時數(shù)的變化可能與風(fēng)速和氣溶膠濃度有關(guān)。數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，凈輻射日曝輻量與總輻射日曝輻量之間沒有顯著的相關(guān)關(guān)系，而近24 a 凈輻射日曝輻量與總輻射日曝輻量的比值呈極顯著的增加趨勢（P＜0.01），表明凈輻射日曝輻量的顯著增加可能主要受阿里地區(qū)云量、降水和地表植被等的變化影響。阿里地區(qū)總輻射日曝輻量年均最大值出現(xiàn)在1995年（27.24 MJ/m2），最小值出現(xiàn)在2006年（21.26 MJ/m2）；凈輻射日曝輻量年均最大值出現(xiàn)在2013年（6.38 MJ/m2），最小值出現(xiàn)在1996年（1.14 MJ/m2）。圖3b 給出了阿里地區(qū)近24 a 總輻射和凈輻射日最大輻照度年均值的變化特征。如圖所示，近24 a 總輻射的日最大輻照度年均值呈現(xiàn)極顯著的降低趨勢（P ＜0.01），而凈輻射的日最大輻照度年均值呈微弱的減少趨勢。綜上所述，1993～2016年阿里地區(qū)總輻射曝輻量呈微弱的減少趨勢，但其日最大輻照度呈極顯著的降低趨勢，而凈輻射曝輻量呈極顯著的增加趨勢，但其日最大輻照度呈微弱的減少趨勢。

圖3 1993～2016年阿里地區(qū)總輻射和凈輻射的年際變化特征（a. 曝輻量，b. 最大輻照度）

2.4 總輻射和凈輻射日峰值出現(xiàn)時間的年際變化特征

從圖4a 可看出，近24 a 阿里地區(qū)各月凈輻射日峰值出現(xiàn)時間均早于總輻射，其中10月提早時間最長（19 min），5月提早時間最短（6 min），平均提前13 min。阿里地區(qū)月均總輻射日最大輻照度出現(xiàn)時間最大值出現(xiàn)在4月（12:20，地方時），最小值出現(xiàn)在11月（11:50，地方時），而月均凈輻射日最大輻照度出現(xiàn)時間最大值出現(xiàn)在5月（12:11，地方時），最小值出現(xiàn)在11月（11:31，地方時）。如圖4b 所示，近24 a 阿里地區(qū)總輻射和凈輻射日最大輻照度出現(xiàn)時間年均值均呈極顯著延后趨勢（P ＜0.01），其中凈輻射日最大輻照度延后趨勢較總輻射更為顯著。阿里地區(qū)年均總輻射日最大輻照度出現(xiàn)時間最大值在2000年（12:15，地方時），最小值在1995年（12:00，地方時）；年均凈輻射日最大輻照度出現(xiàn)時間最大值在2002年（12:13，地方時），最小值在1995年（11:39，地方時）。

圖4 阿里地區(qū)總輻射和凈輻射日峰值出現(xiàn)時間的變化特征（a.月均值，b.年均值）

3 結(jié)論

本文基于阿里地區(qū)獅泉河地氣交換綜合觀測站2019年輻射觀測數(shù)據(jù)和獅泉河氣象站1993～2016年輻射觀測數(shù)據(jù)，分析了該地區(qū)總輻射和凈輻射的日循環(huán)、日變化、季節(jié)變化和年際變化特征，得出以下主要結(jié)論：

（1）阿里地區(qū)總輻射和凈輻射平均日變化峰值出現(xiàn)時間在春、夏、秋和冬季均分別為15:00、15:00、14:30和15:00。近24 a 阿里地區(qū)總輻射和凈輻射平均日變化峰值出現(xiàn)時間延后。

（2）阿里地區(qū)總輻射和凈輻射的日均值和月均值均呈先增加后減少的變化趨勢?？傒椛湓戮底畲笾党霈F(xiàn)在6月，凈輻射月均值最大值出現(xiàn)在8月。近24a 阿里地區(qū)總輻射和凈輻射月均值最大值出現(xiàn)時間延后。

（3）近24 a 阿里地區(qū)總輻射曝輻量呈微弱的減少趨勢，但其日最大輻照度呈極顯著的降低趨勢，凈輻射曝輻量呈極顯著的增加趨勢，但其日最大輻照度呈微弱的減少趨勢。

（4）近24 a 阿里地區(qū)總輻射和凈輻射日最大輻照度出現(xiàn)時間年均值均呈極顯著的延后趨勢，年均凈輻射日最大輻照度出現(xiàn)時間較總輻射日最大輻照度出現(xiàn)時間平均提前約13 min。