紫外/光合有效辐射变化特征及气溶胶辐射强迫研究

【摘要】：太阳辐射能是大气圈、水圈、生物圈、岩石圈和冰雪圈运动的驱动力,地表能量平衡的差异是天气过程和气候形成的根本原因。紫外辐射是太阳辐射光谱中10~400 nm波段的辐射分量,其变化对人体健康、生态过程演替、光化学反应以及气候变化都有重要影响。光合有效辐射是太阳光谱中400~700 nm波段的分量,它是植物光合作用所必须的因子,影响植物的生长发育、碳循环、地表与大气之间的物质和能量交换等。目前国内外关于紫外辐射和光合有效辐射大范围长时间尺度的连续观测数据匮乏,而对于紫外辐射和光合有效辐射历史数据的重构也亟待进一步研究。本文利用较为有限的中国生态系统研究网络(CERN)近十年观测数据,建立了精度较高的全天候紫外/光合有效辐射估算公式,进而结合混合模型,利用中国气象局(CMA)常规观测的日照时数、气温、相对湿度、气压以及卫星遥感的气溶胶光学厚度和臭氧柱总量重构了中国地区高空间分辨率和长时间尺度的紫外/光合有效辐射数据集;同时利用AERONET北京站气溶胶资料,通过SBDART辐射传输模式,分析了近十年北京地区气溶胶及黑碳气溶胶的辐射强迫。主要内容及结果如下:(1)基于CERN辐射观测数据分析了紫外辐射与光合有效辐射的长期变化规律和空间分布特征。结果表明:紫外辐射的平均值为0.55 MJ·m-2·d-1,最高值出现在拉萨站,为20.46 MJ·m-2·d-1。青藏地区紫外辐射最高,西南地区最低,100°E以西由南向北递减,100°E以东由南向北递增。中国大部分气候区2005~2013年紫外辐射呈下降趋势,全国平均下降速率为-0.740 KJ·m-2·d-1·yr-1。紫外辐射与总辐射比值的空间分布特点和季节变化特征与晴空指数相反,与水汽基本一致。光合有效辐射的平均值为23.70 mol·m-2·d-1,与紫外辐射一致,光合有效辐射在青藏地区最高,西南地区最低,多数气候区2005~2013年光合有效辐射呈下降趋势,就全国尺度而言,光合有效辐射的下降趋势为-0.363 mol·m-2·d-1·yr-1。光合有效辐射与总辐射比值的变化特征与紫外辐射类似,与晴空指数相反,与水汽基本一致。(2)依据中国的气候以及地形特点将其划分为八个区域,分别在每个气候区选取一个代表站点建立基于晴空指数、太阳高度角和日照时数的紫外/光合有效辐射估算公式。利用同一气候区其它站点的观测值对所建立公式的精度和适用性进行检验。紫外辐射的R2平均值为0.95,平均绝对偏差(MABE)和均方根误差(RMSE)的平均值分别为10.89%和14.31%。光合有效辐射所有站的R2都大于0.95,MABE小于15%,RMSE小于17%。利用混合模型和紫外/光合有效辐射日累计估算公式重构我国724个CMA常规气象观测站1961~2014年紫外辐射和光合有效辐射日累计历史数据集。全国紫外辐射平均值为0.49 MJ·m-2·d-1,光合有效辐射平均值为22.29 mol·m-2·d-1,中国北部高于南部、西部高于东部。青藏地区紫外辐射1961~2014年呈上升趋势,上升速率为0.184 KJ·m-2·d-1·yr-1,其它气候区呈下降趋势,其中东南地区、华北地区和中国东部地区下降最显著,下降速率分别为-0.630 KJ·m-2·d-1·yr-1、-0.583 KJ·m-2·d-1·yr-1和-0.588 KJ·m-2·d-1·yr-1,全国平均下降速率为-0.275 KJ·m-2·d-1·yr-1。青藏地区光合有效辐射1961~2014年上升趋势为0.008 mol·m-2·d-1·yr-1,其它气候区的光合有效辐射都呈下降趋势,东南地区、中国东部和华北地区光合有效辐射的下降速率最显著,分别为-0.033mol·m-2·d-1·yr-1、-0.031 mol·m-2·d-1·yr-1和-0.029 mol·m-2·d-1·yr-1,全国平均下降趋势为-0.015 mol·m-2·d-1·yr-1。中国地区大范围紫外辐射和光合有效辐射的下降主要是由于气溶胶浓度的增加引起的。青藏地区紫外辐射和光合有效辐射的上升是气溶胶浓度、云量和水汽柱总量降低所致。云、气溶胶、水汽和臭氧对紫外辐射衰减率的贡献分别为18.13%、7.59%、6.20%和1.12%,对光合有效辐射衰减率的贡献分别为21.59%、8.19%、6.72%和1.21%。(3)基于AERONET北京站气溶胶光学参数,利用SBDART辐射传输模式模拟2005~2014年气溶胶以及黑碳气溶胶所产生的辐射强迫。夏季气溶胶光学厚度和波长指数高于其它季节,由于春季沙尘事件较多,波长指数春季最低。气溶胶体积浓度呈双峰分布,细模态浓度夏季最高,粗模态浓度春季最高。夏季单次散射反照率值最高,冬季最低。440 nm和675 nm波段不对称因子夏季高冬季低,870 nm和1020 nm波段春季也出现了不对称因子的高值。复折射指数的实部夏季低冬季高。气溶胶在大气顶、地面和大气层产生的辐射强迫分别为-25.21±23.18W·m-2、-66.29±49.88 W·m-2和41.08±34.11 W·m-2,黑碳气溶胶在大气顶、地面和整层大气的辐射强迫分别为4.39±4.72 W·m-2、-15.47±15.23 W·m-2和19.86±19.69W·m-2,黑碳气溶胶辐射强迫与总气溶胶辐射强迫的比值在大气顶、地面和大气层分别为:17.30%±20.44%、23.93%±13.38%和54.89%±24.68%。