李 平 , 王 鴿 , 王順久

（1. 中國(guó)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(guò)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(yáng)輻射是地表各種物理和生物化學(xué)過(guò)程的主要能量來(lái)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(gè)不可缺少的重要參數(shù)[4]。多年來(lái)，我國(guó)在青藏高原能量收支[5-6]、輻射平衡及各分量[7-8]、熱源強(qiáng)度[6-7，9]以及地氣相互作用物理過(guò)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(cè)或局部觀測(cè)[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(cè)資料相對(duì)較長(zhǎng)的那曲地區(qū)[14-17]。而針對(duì)阿里地區(qū)總輻射和凈輻射等輻射平衡及各分量長(zhǎng)期變化趨勢(shì)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(cè)站（簡(jiǎn)稱(chēng)獅泉河地氣站）2019年輻射觀測(cè)數(shù)據(jù)和獅泉河氣象站1993～2016年輻射觀測(cè)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(duì)青藏高原地區(qū)輻射變化規(guī)律的認(rèn)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(shí)驗(yàn)區(qū)概況和資料選取

1.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

據(jù)統(tǒng)計(jì)，1981～2010年西藏阿里地區(qū)年日照時(shí)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(duì)濕度為33%，年蒸發(fā)量為2237.6 mm，屬于極度干旱區(qū)。而中國(guó)氣象局成都高原氣象研究所獅泉河地氣交換綜合觀測(cè)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(dāng)?shù)胤植驾^為廣泛的下墊面類(lèi)型，全年無(wú)植被覆蓋，試驗(yàn)場(chǎng)地面平坦，四周開(kāi)闊。站點(diǎn)主要開(kāi)展近地層風(fēng)溫濕梯度、通量、輻射和土壤水熱狀況的觀測(cè)。

1.2 資料選取

本文所使用2019年輻射觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自于架設(shè)在獅泉河地氣站內(nèi)的Kipp-Zonen Pyranometer CM11 輻射計(jì)，觀測(cè)項(xiàng)目包括短波輻射、長(zhǎng)波輻射和凈輻射，輻射計(jì)距地面1.5 m，正對(duì)下墊面，觀測(cè)時(shí)間采用北京時(shí)，輻射觀測(cè)資料使用30 min 平均值，有極少量缺測(cè)數(shù)據(jù)采用前后兩天相同時(shí)刻數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行插補(bǔ)；1993～2016年輻射數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氣象局氣象信息中心的中國(guó)氣象輻射基本要素日值數(shù)據(jù)集，輻射觀測(cè)設(shè)備為我國(guó)研制的熱電型（繞線(xiàn)型康銅鍍銅）、感應(yīng)面（專(zhuān)用光學(xué)黑漆）全自動(dòng)遙測(cè)輻射儀，觀測(cè)時(shí)間采用地方時(shí)，觀測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)氣候界限值或允許值檢查、內(nèi)部一致性檢查和時(shí)間連續(xù)性檢查，各要素項(xiàng)數(shù)據(jù)的實(shí)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(shí)間（時(shí)分）轉(zhuǎn)換為該時(shí)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(lái)表征總輻射和凈輻射日最大輻照度出現(xiàn)時(shí)間的變化趨勢(shì)。

2 結(jié)果分析

2.1 總輻射和凈輻射的日循環(huán)特征

太陽(yáng)輻射穿過(guò)大氣層，經(jīng)大氣吸收、散射和云的反射衰減后到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射即為總輻射，總輻射受太陽(yáng)高度角、大氣清潔度和日照時(shí)間等的影響[18]。地表凈輻射是各個(gè)輻射分量的綜合結(jié)果，其大小和變化受各個(gè)輻射分量的共同制約，最重要的影響因子是太陽(yáng)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(cè)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(duì)稱(chēng)，均是從9:00 左右開(kāi)始增加，到15:00 左右達(dá)到最高值，然后逐步降低，到21:00左右總輻射達(dá)到零值，而凈輻射則是在22:00 左右達(dá)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(lèi)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(qiáng)，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(yáng)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(shí)間在春、夏、秋和冬季分別為15:00、15:00、14:30和15:00。鞏遠(yuǎn)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(shí)達(dá)到最大值，何慧根等[21]利用2007年3月～2008年2月實(shí)測(cè)輻射資料指出藏北高原總輻射和凈輻射在14 時(shí)達(dá)到最大值，與本文根據(jù)2019年觀測(cè)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(dá)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(cè)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(shì)。從圖2a 可看出，隨著太陽(yáng)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(dá)到峰值（351.23 W/m2），比五道梁地區(qū)早1個(gè)月[5]。已有研究[21，23]表明，受西南季風(fēng)影響，高原進(jìn)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(shì)與藏北高原濕地總輻射的變化趨勢(shì)類(lèi)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(guò)已有研究[23]觀測(cè)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(yáng)總輻射在春季的急劇增加會(huì)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?jiàn)，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(duì)地面熱源的形成及其對(duì)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(yuǎn)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(dá)到最大值，凈輻射在6月達(dá)到最大值。馬偉強(qiáng)等[24]基于2001年8月～2002年9月觀測(cè)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(shí)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(shì)，而凈輻射日曝輻量則呈極顯著的增加趨勢(shì)（P＜0.01）。日照時(shí)數(shù)減少可能是總輻射減少的主要原因，而日照時(shí)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(jì)表明，凈輻射日曝輻量與總輻射日曝輻量之間沒(méi)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(shì)（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(shì)（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(shì)。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(shì)，但其日最大輻照度呈極顯著的降低趨勢(shì)，而凈輻射曝輻量呈極顯著的增加趨勢(shì)，但其日最大輻照度呈微弱的減少趨勢(shì)。

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(shí)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(shí)間均早于總輻射，其中10月提早時(shí)間最長(zhǎng)（19 min），5月提早時(shí)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(shí)間最大值出現(xiàn)在4月（12:20，地方時(shí)），最小值出現(xiàn)在11月（11:50，地方時(shí)），而月均凈輻射日最大輻照度出現(xiàn)時(shí)間最大值出現(xiàn)在5月（12:11，地方時(shí)），最小值出現(xiàn)在11月（11:31，地方時(shí)）。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(shí)間年均值均呈極顯著延后趨勢(shì)（P ＜0.01），其中凈輻射日最大輻照度延后趨勢(shì)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(shí)間最大值在2000年（12:15，地方時(shí)），最小值在1995年（12:00，地方時(shí)）；年均凈輻射日最大輻照度出現(xiàn)時(shí)間最大值在2002年（12:13，地方時(shí)），最小值在1995年（11:39，地方時(shí)）。

圖4 阿里地區(qū)總輻射和凈輻射日峰值出現(xiàn)時(shí)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(cè)站2019年輻射觀測(cè)數(shù)據(jù)和獅泉河氣象站1993～2016年輻射觀測(cè)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(shí)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(shí)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(shì)。總輻射月均值最大值出現(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(shí)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(shì)，但其日最大輻照度呈極顯著的降低趨勢(shì)，凈輻射曝輻量呈極顯著的增加趨勢(shì)，但其日最大輻照度呈微弱的減少趨勢(shì)。

（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(shí)間年均值均呈極顯著的延后趨勢(shì)，年均凈輻射日最大輻照度出現(xiàn)時(shí)間較總輻射日最大輻照度出現(xiàn)時(shí)間平均提前約13 min。