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基于辐射传输模式的紫外辐射重构研究

张兴华  
【摘要】:近年来两极地区,以及北半球中高纬度地区均监测到平流层臭氧柱含量显著减少,臭氧量减少的直接后果是使得到达地表的紫外辐射呈现增加的趋势。紫外辐射不仅能够危害人体健康,而且对其他动植物乃至整个生态系统都存在较大的潜在威胁,正是由于紫外辐射强烈的生物、环境和气候效应,使得紫外辐射的研究逐渐成为当前的研究热点之一。由于国内外紫外辐射的观测比总辐射的观测起步晚,特别是大范围、长时期的连续观测数据更加匮乏,但是随着相关研究的深入对长时间紫外辐射数据的需求日益紧迫,为了获取大范围、长时期的数据,国内外学者提出了许多重构紫外辐射历史数据的方法。 本文选取了一种半经验的重构方案,利用SMARTS辐射传输模式模拟了晴天大气下的总辐射和紫外辐射,进而对定义的云修正因子进行拟合而得到紫外辐射估算方程。重构检验结果表明建立的紫外辐射重构方案具有较高的精度,能够很好地应用于紫外辐射历史数据的重构。由于我国地域广阔,不同区域的地表生态系统和气候特征差异显著,本文选取地处我国不同气候区域的9个站点进行紫外辐射重构方法的建立与检验,站点为:北京、海伦、阜康、鄂尔多斯、太湖、贡嘎山、千烟洲、鼎湖山和三亚。主要研究结果如下: (1)对模式所需输入参数进行的计算分析表明,整层大气可降水量都有着明显的“夏大冬小”季节变化特征,最大和最小值分别出现在7月份和1月份,阜康和鄂尔多斯的可降水总量最小,而鼎湖山和太湖最大。高纬度地区臭氧柱含量的最大值出现在春季,秋季达到最小,而低纬度地区最大值则出现在夏季,最小值出现在冬季,而且高纬度地区臭氧柱总量明显大于低纬度地区。MODIS卫星遥感的气溶胶光学厚度在三亚、贡嘎山相对较小,而在城市站点(北京和太湖)则相对较大。 (2)通过对气溶胶光学厚度、臭氧柱总量、地表反射率和整层大气可降水量进行敏感性试验,结果表明紫外辐射对气溶胶和地表反射率变化的敏感性要大于臭氧柱总量和可降水量变化,这表明到达地表的紫外辐射主要受大气气溶胶影响。 (3)通过分析站点5~6年的总辐射和紫外辐射观测发现,总辐射日累计值基本上都维持在0~30MJ·m-2·d-1之间,紫外辐射日累计值在0~1.5MJ·m-2·d-1之间,UV/G在2.5%-6%之间,并且都存在一致的“夏季大、冬季小、春秋次之”季节变化规律。 (4)利用SMARTS模式模拟了晴天总辐射和紫外辐射,由于晴天模拟没有考虑云的辐射效应,SMARTS模式给出的模拟值相比观测值一般都高,并且分布没有观测值离散,但相对于总辐射,紫外辐射差别更大、更离散。 (5)贡嘎山的总辐射云衰减率最大,平均值可达32.8%,其余各站平均衰减率在10%-20%之间;紫外辐射云衰减率也是在贡嘎山最大,观测时段内的平均值可达45.9%;北京和海伦站次之,平均值为38.9%和39.4%;太湖站最小,只有11.9%,其余各站在20%-30%之间。相比云衰减率,各站紫外辐射气溶胶衰减率都要大于总辐射气溶胶衰减率,总辐射气溶胶衰减率平均值从大到小依次为太湖(27.0%)、鼎湖山(23.1%)、千烟洲(18.4%)、北京(18.2%)、鄂尔多斯(12.7%)、三亚(10.9%)、海伦(8.1%)和贡嘎山(5.4%);紫外辐射气溶胶衰减率平均值为太湖(41.4%)、鼎湖山(35.9%)、千烟洲(29.5%)、北京(27.6%)、鄂尔多斯(20.7%)、三亚(18.4%)、海伦(13.1%)和贡嘎山(9.2%)。 (6)利用总辐射和紫外辐射云修正因子拟合建立了半经验的紫外辐射估算方法,通过站点重构值和相应观测值的对比分析,重构值与观测值的相对平均绝对偏差和相对均方根误差都在20%以内,多数站点都小于10%,这表明该方法能够很好地进行紫外辐射的重构。其中:北京没有明显的高估或者低估,相对平均绝对偏差为7.70%,相对均方根误差为9.74%。阜康站重构值存在极微弱低估,但相对平均绝对偏差和相对均方根误差只有5.30%和8.26%。鄂尔多斯站相对平均绝对偏差为8.12%,相对均方根误差为9.62%。太湖站相对平均绝对偏差为10.96%,相对均方根误差为12.72%。贡嘎山站相对平均绝对偏差为7.96%,相对均方根误差为9.88%。千烟洲站相对平均绝对偏差和相对均方根误差分别为6.28%和7.86%。鼎湖山站相对平均绝对偏差为9.48%,相对均方根误差为12.09%。三亚站相对平均绝对偏差和相对均方根误差分别为4.67%和5.94%。海伦站相对平均绝对偏差和相对均方根误差均为各站最高,但其值也只有14.68%和17.51%。由此可见,本文建立的紫外辐射重构方案具有很高的精度和适用性。


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