王 丹,盛立芳

(中國(guó)海洋大學(xué)1.海洋氣象學(xué)系;2.海洋-大氣相互作用氣候?qū)嶒?yàn)室;3.物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島266100)

東海海面輻射特征及影響因子分析*

王 丹1,盛立芳2,3**

(中國(guó)海洋大學(xué)1.海洋氣象學(xué)系;2.海洋-大氣相互作用氣候?qū)嶒?yàn)室;3.物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島266100)

利用2006—2007年?yáng)|海海區(qū)(120°E～128°E,26°N～31°N)的太陽(yáng)輻射、常規(guī)氣象和皮溫等觀測(cè)資料,分析太陽(yáng)輻射季節(jié)變化特征,并討論其與相關(guān)因子的關(guān)系;分析大氣透過率與太陽(yáng)高度角、總云量和相對(duì)濕度的關(guān)系,并進(jìn)一步討論海面反照率與太陽(yáng)高度角、大氣透過率和風(fēng)的相關(guān)性。結(jié)果表明:東海海區(qū)輻射分量除向上短波輻射外,都表現(xiàn)出夏季最大,冬季最小的季節(jié)變化特征;大氣透過率秋季最大,夏季最小;海面反照率秋季最大,春季最小。向下(上)短波輻射主要受太陽(yáng)高度角和云量影響,向下長(zhǎng)波輻射與氣溫、相對(duì)濕度的相關(guān)性較好,向上長(zhǎng)波輻射與皮溫的關(guān)系非常密切;大氣透過率在少云時(shí)主要受太陽(yáng)高度角影響,多云時(shí)主要受總云量影響,空氣濕度的影響較弱;大氣透過率變大時(shí)海面反照率減小;太陽(yáng)高度角是影響海面反照率最主要的因素,且影響作用隨著大氣透過率的變大而增強(qiáng),太陽(yáng)高度角越大,海面反照率越小;風(fēng)引起的海面粗糙度影響最弱,在太陽(yáng)高度角較高、大氣透過率較大時(shí),風(fēng)增大海面反照率的作用增強(qiáng)。

東海海區(qū);太陽(yáng)輻射;大氣透過率;海面反照率

太陽(yáng)輻射是各種天氣系統(tǒng)產(chǎn)生和運(yùn)動(dòng)的根本動(dòng)力,是空氣和海水增溫的主要能源,因而是海洋氣候形成的基本因子。太陽(yáng)輻射對(duì)海面的加熱是以發(fā)生在海-氣界面上輻射交換過程來(lái)完成的,既包括太陽(yáng)短波輻射交換,也包括海面與大氣的長(zhǎng)波輻射交換[1]。

長(zhǎng)期以來(lái),由于海面上的輻射資料極為缺乏,限制了人們對(duì)海洋物理狀況的進(jìn)一步了解,不少科學(xué)家通過直接觀測(cè)或其他氣象資料計(jì)算得到輻射狀況[2]。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)太陽(yáng)輻射進(jìn)行了詳細(xì)的分析和研究,提出了多種計(jì)算太陽(yáng)輻射的經(jīng)驗(yàn)估計(jì)方法[3-4]。輻射觀測(cè)不屬于常規(guī)觀測(cè),而國(guó)內(nèi)輻射觀測(cè)站又較少,加上海洋觀測(cè)較為困難,海上太陽(yáng)輻射資料更是缺乏[5],而輻射通量的經(jīng)驗(yàn)估計(jì)方法通常只需要使用一些常規(guī)觀測(cè)資料,因而應(yīng)用較為廣泛。由于所選區(qū)域及資料的年限等原因,目前,大多數(shù)太陽(yáng)輻射計(jì)算方法在我國(guó)使用會(huì)受到時(shí)間和空間的限制[6]。近年來(lái),我國(guó)近海海域的輻射特征和計(jì)算模式研究也得到了一定發(fā)展,如南海[5]、黃海[7]、渤海[8]、臺(tái)灣海峽[9],但東海海面的輻射特征研究目前還是空白。

太陽(yáng)輻射是太陽(yáng)高度角的函數(shù),其時(shí)空分布與日照時(shí)數(shù)、云量、空氣濕度、能見度等氣象因子以及地形狀況都有關(guān),這也是大多數(shù)輻射計(jì)算模式要考慮的因子[2,6,9-13]。云是影響海面輻射收支的一個(gè)關(guān)鍵因子,它和太陽(yáng)高度角是決定到達(dá)海面的太陽(yáng)總輻射進(jìn)而影響海面凈輻射的主要因子,海溫和氣溫的高低也與凈輻射有關(guān)。日均太陽(yáng)輻射與日照時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系很好,包括日照時(shí)間的輻射經(jīng)驗(yàn)公式遠(yuǎn)優(yōu)于單純考慮云量的計(jì)算公式。影響太陽(yáng)輻射的因子還有水汽和氣溶膠,此外,計(jì)算地表太陽(yáng)凈輻射時(shí),還需考慮地形復(fù)雜性。

太陽(yáng)輻射在傳輸過程中受到大氣的吸收、散射、反射等作用而不斷削弱,到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射多少?zèng)Q定于大氣透過率的大小。大氣透過率是光學(xué)質(zhì)量的函數(shù),隨著光學(xué)質(zhì)量的增大而增大。William s[14]利用光學(xué)質(zhì)量較好地計(jì)算了一定下墊面下的逐時(shí)和逐日大氣透過率。大氣透過率反映了云對(duì)太陽(yáng)輻射的散射、反射和吸收作用,層云液態(tài)水含量的多少直接影響層云的透過率[15]。此外,太陽(yáng)高度角和空氣濕度也是影響大氣透過率的氣象因子,陳莉等[16]通過分析大氣透過率與總云量、相對(duì)濕度的關(guān)系,建立了北部灣海區(qū)逐時(shí)太陽(yáng)入射輻射的估算模型。大氣透過率還是影響地面反照率的重要因子。

地表反照率是影響地表輻射平衡的又一重要物理量,由于海洋占地球表面的2/3,精確確定海面反照率,進(jìn)而計(jì)算不同海域的能量平衡就顯得特別重要[17]。海面反照率與太陽(yáng)高度角、大氣透過率、風(fēng)引起的海面粗糙度是非線性相關(guān)的。Payne[18]和Simp son[19]研究證明反照率是太陽(yáng)高度角和大氣透過率的函數(shù),當(dāng)大氣透過率較小(全天被云覆蓋)時(shí),反照率和太陽(yáng)高度角的關(guān)系可忽略;當(dāng)大氣透過率較大(晴空)時(shí),反照率隨著太陽(yáng)高度角的增大而減小。Hummel[20]進(jìn)一步研究了各個(gè)緯度、不同季節(jié)、不同大氣狀況以及不同海面粗糙度下的海面反照率特征。

近年來(lái)隨著海洋生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究以及海洋環(huán)境管理、防減赤潮災(zāi)害等研究的深入發(fā)展,對(duì)深入研究我國(guó)沿海海域太陽(yáng)輻射分布及變化提出了迫切要求[8]。國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)輻射計(jì)算模式的發(fā)展,推動(dòng)了我國(guó)近海太陽(yáng)輻射特征的分析與研究。但是各個(gè)輻射計(jì)算模式都存在一定的局限和誤差,需要不斷改進(jìn),海上太陽(yáng)輻射實(shí)測(cè)資料無(wú)疑將促進(jìn)海面輻射特征研究工作的發(fā)展。2006—2007年“中國(guó)近海海洋綜合調(diào)查與評(píng)價(jià)”項(xiàng)目(簡(jiǎn)稱“908”專項(xiàng))的海洋水文氣象調(diào)查,為研究者提供了寶貴的海上太陽(yáng)輻射和氣象實(shí)測(cè)資料。目前,已有學(xué)者利用這些資料進(jìn)行了中國(guó)近海輻射特征分析[16]和計(jì)算模式[7]的研究工作,本文利用東海海域的輻射和氣象資料,分析太陽(yáng)輻射季節(jié)變化特征,并討論其與相關(guān)影響因子的關(guān)系;同時(shí)利用總云量和相對(duì)濕度建立估計(jì)大氣透過率的經(jīng)驗(yàn)方法,并討論東海海面反照率與太陽(yáng)高度角、大氣透過率和風(fēng)的關(guān)系。

1 數(shù)據(jù)資料介紹

本文所用輻射和氣象數(shù)據(jù)資料來(lái)自2006—2007年“908”專項(xiàng)水文氣象調(diào)查中東海海區(qū)(120°E～128°E,26°N～31°N)4季航次的太陽(yáng)輻射、常規(guī)氣象和皮溫等觀測(cè)資料(見表1),其中長(zhǎng)(短)波輻射數(shù)據(jù)為直接輻射觀測(cè)資料。太陽(yáng)輻射、常規(guī)氣象和皮溫的4季航次調(diào)查日期基本一致,各觀測(cè)項(xiàng)目在各季節(jié)航次的數(shù)據(jù)量相差不大。4季航次中太陽(yáng)輻射和皮溫觀測(cè)的站點(diǎn)數(shù)一致,連續(xù)觀測(cè)站的數(shù)據(jù)記錄時(shí)間間隔是10 min。常規(guī)氣象觀測(cè)的站點(diǎn)數(shù)較多,連續(xù)觀測(cè)站的記錄時(shí)間間隔為1 h。本文短波輻射研究采用日出后到日落前的數(shù)據(jù);長(zhǎng)波輻射采用全天的有效觀測(cè)資料。文中輻射特征物理量與影響因子的相關(guān)性研究選用相關(guān)要素同時(shí)刻的觀測(cè)資料,以保證研究結(jié)果的可信性。

表1 水文氣象數(shù)據(jù)觀測(cè)概況Table 1 The list of hydro-meteorological observational data

2 海面輻射特征及其影響因子

2.1 輻射分量及其影響因子概況

908調(diào)查期間,東海海面各輻射分量表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化特征。表2給出了本次調(diào)查期間春、夏、秋、冬4季航次各輻射分量的平均值,較好的體現(xiàn)了調(diào)查期間的輻射概況。凈輻射季節(jié)平均值在181.42～296.34 W/m2之間,夏季最大,冬季最小。向下短波輻射季節(jié)平均值在270.12～361.61 W/m2之間,夏季最大,冬季最小,與凈輻射的季節(jié)變化一致。海面反射的短波輻射遠(yuǎn)小于入射的短波輻射,季節(jié)平均值在13.30～19.00 W/m2之間,秋季最大,春季最小。到達(dá)海面的長(zhǎng)波輻射季節(jié)平均值在327.51～421.58 W/m2之間,夏季最大,冬季最小。海面的向上長(zhǎng)波輻射略大于向下長(zhǎng)波輻射,季節(jié)平均值在386.88～460.48 W/m2之間,夏季最大,冬季最小。

一般情況下,影響海面輻射特征的地理因素有緯度、太陽(yáng)高度角,氣象因素主要是云量、空氣濕度、風(fēng)速、氣溫、皮溫等。利用太陽(yáng)輻射和氣象實(shí)測(cè)資料,表3統(tǒng)計(jì)了輻射相關(guān)量的影響因子,表4計(jì)算了這些影響因子4季航次的平均值。太陽(yáng)高度角季節(jié)平均值在25.13(°)～38.45(°)之間,夏季最大,秋季最小。云量的季節(jié)平均值在5～8成之間,春、冬季云量較多,夏、秋季較少,其中秋、冬季以低云為主,春、夏季以高云為主。相對(duì)濕度是表征空氣濕度的重要物理量,季節(jié)平均值在66.69%～87.78%之間,夏季最大,秋季最小。風(fēng)速是通過影響海面粗糙度來(lái)影響海面反照率的氣象因子,季節(jié)平均值在5.01～8.12 m/s之間,秋季最大,夏季最小。氣溫與大氣向下長(zhǎng)波輻射密切相關(guān),季節(jié)平均值在12.83～28.55℃之間,夏季最大,冬季最小。皮溫是影響向上長(zhǎng)波輻射的重要物理量,季節(jié)平均值在15.96～28.71℃之間,夏季最大,冬季最小。

表2 凈輻射和各輻射分量相關(guān)性統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistics of correlation between the net radiation and other solar radiation components

表3 輻射相關(guān)量與其影響因子統(tǒng)計(jì)表Table 3 Statistics of relationship between the correlation factors of radiation and their impact factors

表4 輻射各影響因子的季節(jié)平均值Table 4 Seasonal average of impact facto rs of solar radiation components

2.2 海面輻射特征影響因子分析

影響海面輻射特征的因子有天文因子和氣象因子,天文因子主要是太陽(yáng)高度角,氣象因子包括云量、相對(duì)濕度、風(fēng)速、皮溫、氣溫等(見表3)。東海海面各輻射分量與其影響因子的相關(guān)系數(shù)(見表5)表明:向下短波輻射主要受太陽(yáng)高度角和低云量影響;向上短波輻射變化與太陽(yáng)高度角和總云量關(guān)系較密切;向下長(zhǎng)波輻射與氣溫、相對(duì)濕度的相關(guān)性較好;向上長(zhǎng)波輻射與皮溫的關(guān)系非常密切。根據(jù)表5的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,對(duì)影響東海海面輻射特征的因子進(jìn)一步篩選,繪制相關(guān)性較好的輻射分量與其影響因子的散點(diǎn)圖(見圖1)。

圖1 輻射分量及其影響因子的散點(diǎn)圖Fig.1 Scatter diagram of solar radiation components and their impact facto rs

表5 輻射分量及其影響因子的相關(guān)性統(tǒng)計(jì)表Table 5 Statistics of correlation between solar radiation components and their impact facto rs

到達(dá)海面的向下短波輻射主要是由太陽(yáng)高度角和大氣透過率決定。太陽(yáng)高度角越大,到達(dá)海面的太陽(yáng)短波輻射越多(見圖1b)。大氣透過率主要決定于水汽和云量,東海海面向下短波輻射主要受低云量影響,低云越多,向下短波輻射越少(見圖1a)。海面反射的向上短波輻射與海面反照率有直接關(guān)系,影響反照率的大氣透過率、太陽(yáng)高度角和海面粗糙度等因子也是影響向上短波輻射的重要因子。東海海面向上短波輻射與各影響因子間有較復(fù)雜的非線性關(guān)系,其特征體現(xiàn)在本文對(duì)海面反照率與其影響因子關(guān)系的分析中。入射到海面的向下長(zhǎng)波輻射來(lái)自整層大氣,俗稱大氣逆輻射。它取決于大氣層的溫度、濕度以及云的狀況。東海海面的向下長(zhǎng)波輻射主要決定于大氣溫度,氣溫越高,向下長(zhǎng)波輻射越大(見圖1c);其次是相對(duì)濕度,相對(duì)濕度越大,向下長(zhǎng)波輻射越大(見圖1d)。海面向上長(zhǎng)波輻射包括海面發(fā)射的長(zhǎng)波輻射和海面反射的部分向下長(zhǎng)波輻射。海面向上長(zhǎng)波輻射主要決定于皮溫,皮溫越高,海面向上的長(zhǎng)波輻射越大(見圖1e)。

把海面輻射近似看做黑體輻射,根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律,海面輻射通量密度FT為[21]

式中,σ=5.6696×10-8(W·m-2·K-4),A=0.96,T為皮溫。

此外,海面長(zhǎng)波輻射還必須考慮海面反射的部分大氣向下長(zhǎng)波輻射(QSW↓),在給定海面的比輻射率(吸收率)和海面溫度以后,海面向上長(zhǎng)波輻射(QSW↑)的的計(jì)算公式為

應(yīng)用式(2)計(jì)算海面向上長(zhǎng)波輻射,計(jì)算值與觀測(cè)值的比較見圖2,春、夏、秋、冬四季的平均相對(duì)誤差分別為1%,2%,0.7%,1.8%。夏季(見圖2b),向上長(zhǎng)波輻射觀測(cè)值在7月20日和8月28日附近有2處異常突變,這可能是由于測(cè)量期間的觀測(cè)誤差所致,此處計(jì)算值的大小較好地反應(yīng)了向上長(zhǎng)波輻射的實(shí)際大小范圍。

圖2 向上長(zhǎng)波輻射計(jì)算值與觀測(cè)值的比較Fig.2 Comparison of the calculated and the observed values of upward long wave radiation

3 大氣透過率的分析

到達(dá)地面上的太陽(yáng)輻射受到大氣的吸收、散射、反射等作用而不斷削弱。輻射計(jì)算的核心問題是大氣透過率的計(jì)算,海洋船測(cè)輻射資料較為貧乏,準(zhǔn)確估算大氣透過率(Γ),從而得到可靠的海面向下短波輻射資料是十分有意義的。局地大氣上界太陽(yáng)輻射可以根據(jù)地理緯度、太陽(yáng)赤緯、太陽(yáng)高度角、時(shí)角、日地距離、太陽(yáng)常數(shù)求得,海面向下短波輻射(S↑)與計(jì)算得到大氣上界太陽(yáng)輻射(St)之比,即為實(shí)際大氣透過率。

任一時(shí)間、地點(diǎn)大氣上界的太陽(yáng)直接輻射為[21]

式中,S0為太陽(yáng)常數(shù)(S0=(1367±7)W/m2),r為日地相對(duì)距離,φ為當(dāng)?shù)鼐暥?δ為太陽(yáng)赤緯,ω為時(shí)角。r,δ參照我國(guó)氣象局行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《太陽(yáng)能資源評(píng)估方法》求得。

海面向下短波輻射為東海海區(qū)調(diào)查資料,大氣層頂太陽(yáng)輻射由式(3)計(jì)算求得,即可得到東海海面實(shí)際大氣透過率。

如果只考慮太陽(yáng)高度角對(duì)大氣透過率的影響,采用Seckel[16]計(jì)算模式

式中h為太陽(yáng)高度角,即可得到晴空大氣透過率。

4季航次的晴空透過率季節(jié)變化不明顯,季節(jié)平均值在0.7左右(見表5)。受云量、空氣濕度等因子的影響,實(shí)際透過率遠(yuǎn)小于晴空透過率。實(shí)際大氣透過率季節(jié)平均值在0.30～0.45之間,秋季最大,夏季最小。要準(zhǔn)確估算實(shí)際大氣透過率,必須在Seckel模式計(jì)算中引入云量和空氣濕度的修正。陳莉等[16]研究北部灣夏季大氣透過率時(shí),將大氣透過率作為晴空透過率和云量(Ct)的函數(shù):

其中,Ct=n/10,全天布滿云時(shí)n=10。

應(yīng)用式(5)計(jì)算東海海區(qū)大氣透過率,平均相對(duì)誤差為0.9%,比Seckel模式有很大改進(jìn)。陳莉等[16]又進(jìn)一步引入相對(duì)濕度(rh)修正項(xiàng)對(duì)(5)式進(jìn)行修正:

應(yīng)用(6)式計(jì)算東海海區(qū)大氣透過率,平均相對(duì)誤差增大到4%,該式是陳莉等研究北部灣夏季大氣透過率時(shí)得到的。北部灣夏季海面水汽充足,而東海海區(qū)緯度偏北,空氣濕度比北部灣小,且計(jì)算的是4季的大氣透過率,所以認(rèn)為(6)式中水汽項(xiàng)的修正對(duì)東海海區(qū)不合適。本文利用東海海區(qū)的輻射和濕度資料,對(duì)相對(duì)濕度和輻射關(guān)系進(jìn)行回歸分析,得到適用于東海海區(qū)的大氣透過率計(jì)算公式:

該式使得平均相對(duì)誤差減小到0.6%,由此得到適用于東海海面向下短波輻射的計(jì)算公式:

抽取各要素同一時(shí)刻的有效數(shù)據(jù)111個(gè)計(jì)算大氣透過率和總云量、低云量、相對(duì)濕度、太陽(yáng)高度角的相關(guān)系數(shù),分別為-0.45,-0.40,-0.17和0.40。可見大氣透過率與總云量關(guān)系密切,太陽(yáng)高度角也是決定大氣透過率的主要因子,相對(duì)濕度的影響較弱。

少云(0≤Ct≤0.2)時(shí)(見圖3a),0.08<Γ<0.75,并且隨著太陽(yáng)高度角的增大而增大,即太陽(yáng)高度角越大,太陽(yáng)輻射在傳輸中被衰減的越少。大氣透過率與太陽(yáng)高度角、相對(duì)濕度的相關(guān)系數(shù)分別為0.89和0.34,通過了95%的信度檢驗(yàn)。少云時(shí)大氣透過率主要決定于太陽(yáng)高度角的大小,相對(duì)濕度對(duì)大氣透過率的影響雖然較弱,但二者是正相關(guān)關(guān)系。多云(0.8≤Ct≤1.0)時(shí)(見圖3b),大氣透過率明顯小于少云情況,0.11<Γ<0.36,可見太陽(yáng)輻射在傳輸中被云衰減了64%～89%,此時(shí)大氣透過率與太陽(yáng)高度角、相對(duì)濕度的相關(guān)系數(shù)分別為0.25和-0.14,前者通過了95%的信度檢驗(yàn)。多云時(shí),太陽(yáng)高度角仍是影響大氣透過率的主要因子,但在云量的影響下相關(guān)系數(shù)減小;相對(duì)濕度對(duì)大氣透過率的影響減弱,且變?yōu)樨?fù)相關(guān)關(guān)系。

圖3 一定云量下大氣透過率和太陽(yáng)高度角、相對(duì)濕度的關(guān)系Fig.3 Relationships between solar altitude angle,relative humidity and atmospheric transmissivity rate in some cloudiness

從圖4看出,太陽(yáng)高度角一定時(shí),大氣透過率都小于0.8,說(shuō)明至少有20%的太陽(yáng)輻射可以到達(dá)海面。太陽(yáng)高度角較小(0°≤h≤20°)時(shí),大氣透過率和總云量、相對(duì)濕度的相關(guān)系數(shù)分別為-0.21和-0.53,通過了95%的信度檢驗(yàn)。總云量和相對(duì)濕度都是影響大氣透過率的重要因子,其中相對(duì)濕度起主要作用,相對(duì)濕度越大,大氣透過率越小。太陽(yáng)高度角較大時(shí)(50(°)≤h≤75(°))時(shí),大氣透過率和總云量、相對(duì)濕度的相關(guān)系數(shù)分別為-0.59和-0.13,前者通過了95%的信度檢驗(yàn)?？傇屏繉?duì)大氣透過率的變化起主要作用,總云量越大,大氣透過率越小。

圖4 一定太陽(yáng)高度角下大氣透過率和總云量、相對(duì)濕度的關(guān)系Fig.4 Relationships between total cloudiness,relative humidity and atmospheric transmissivity in some solar altitude angle

4 海面反照率的分析

海面反射的向上短波輻射與到達(dá)海面的向下短波輻射之比,即為海面短波反照率[22]。調(diào)查期間,東海海面反照率季節(jié)平均在0.07～0.15之間(見表6),秋季最大,春季最小。海面反照率與太陽(yáng)高度角、大氣透過率、大風(fēng)引起的海面粗糙度有關(guān),本文利用“908”調(diào)查期間海面反照率及其影響因子同一時(shí)刻的有效數(shù)據(jù)各111個(gè),其中春、夏、秋、冬4季分別占26%,20%,25%和29%,對(duì)海面反照率進(jìn)行如下分析:

大氣透過率較小時(shí)(0<Γ<0.2),海面反照率與太陽(yáng)高度角、風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)分別為-0.57和0.03,前者通過了95%的信度檢驗(yàn)。海面反照率的變化與太陽(yáng)高度角關(guān)系密切,受風(fēng)引起的海面粗糙度影響較弱。太陽(yáng)高度角越大,海面反照率越小。大氣透過率較大時(shí)(0.6<Γ<0.8),計(jì)算得到海面反照率與太陽(yáng)高度角、風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)分別為-0.67和0.11,前者通過了95%的信度檢驗(yàn)。太陽(yáng)高度角依然是影響海面反照率的主要因子,并且大氣透過率越大,太陽(yáng)高度角和風(fēng)對(duì)海面反照率的影響越強(qiáng)。

為了進(jìn)一步研究大氣透過率和風(fēng)對(duì)海面反照率的影響,分析了太陽(yáng)高度角一定時(shí),海面反照率與大氣透過率和風(fēng)速的關(guān)系(見圖5)。當(dāng)h≤30(°),海面反照率隨著大氣透過率的增大而減小,相關(guān)系數(shù)為-0.28,通過95%的信度檢驗(yàn);海面反照率與風(fēng)速的相關(guān)性不明顯,相關(guān)系數(shù)僅為0.01;當(dāng)h≥60(°),大氣透過率和風(fēng)與海面反照率的相關(guān)系數(shù)都通過了95%的信度檢驗(yàn)。大氣透過率對(duì)海面反照率的作用增強(qiáng),相關(guān)系數(shù)為-0.58;受風(fēng)引起的海面粗糙度會(huì)增強(qiáng)海面反照率,相關(guān)系數(shù)為0.24。

表6 海面反照率、晴空和實(shí)際大氣透過率的季節(jié)平均值Table 6 Seasonal average of the atmospheric transmissivity in ideal and real atmosphere and the sea-surface albedo

圖5 海面反照率與太陽(yáng)高度角、大氣透過率和風(fēng)速的關(guān)系Fig.5 Relationships between solar altitude angle,atmospheric transmissivity,wind speed and sea surface albedo

綜上分析,太陽(yáng)高度角是影響海面反照率最主要的因素,且影響作用隨著大氣透過率的變大而增強(qiáng),太陽(yáng)高度角越大,海面反照率越小;其次是大氣透過率的影響,大氣透過率變大時(shí)海面反照率減小;風(fēng)引起的海面粗糙度影響最弱,在太陽(yáng)高度角較高、大氣透過率較大時(shí),風(fēng)對(duì)海面反照率的影響較強(qiáng)。東海海面太陽(yáng)高度角在秋季最小,冬、春、夏季依次增大(見表4),所以海面反照率最大值出現(xiàn)在秋季,但是最小值出現(xiàn)在春季而不是夏季。春季的大氣透過率大于夏季(見表6),而太陽(yáng)高度角僅小于夏季1(°)左右,大氣透過率對(duì)海面反照率的影響超過了太陽(yáng)高度角,所以春季的海面反照率最小。

5 結(jié)論

本文利用2006—2007年“908”調(diào)查期間東海海域的輻射和氣象資料,得到以下結(jié)論:(1)4季航次調(diào)查期間,東海海面的向下短波輻射、向下長(zhǎng)波輻射、向上長(zhǎng)波輻射、凈輻射都表現(xiàn)出夏季最大、冬季最小的變化特征;向上短波輻射為秋季最大、春季最小。

(2)東海海面的向下短波輻射主要由太陽(yáng)高度角和云量決定的,太陽(yáng)高度角越大,到達(dá)海面的太陽(yáng)短波輻射越多;低云越多,向下短波輻射越少。向上短波輻射與海面反照率有直接關(guān)系,影響反照率的大氣透過率、太陽(yáng)高度角和海面粗糙度等因子也是影響向上短波輻射的重要因子。東海海面的向下長(zhǎng)波輻射主要決定于大氣溫度,氣溫越高,向下長(zhǎng)波輻射越大;其次是相對(duì)濕度,相對(duì)濕度越大,向下長(zhǎng)波輻射越大。海面向上長(zhǎng)波輻射主要決定于皮溫,皮溫越高,海面向上長(zhǎng)波輻射越大。

(3)短波輻射的大氣透過率主要決定于太陽(yáng)高度角、總云量和空氣濕度。少云時(shí)太陽(yáng)高度角是主要影響因子,多云時(shí)總云量是主要影響因子;相對(duì)濕度與大氣透過率相關(guān)性較弱且是非線性相關(guān),少云時(shí)增加大氣透過率、多云時(shí)減小大氣透過率。

(4)向下短波輻射和總云量、相對(duì)濕度具有較好的二項(xiàng)式關(guān)系,在向下短波輻射的晴空計(jì)算模式中引入合適的云量和濕度修正因子,可以減小平均相對(duì)誤差。

(5)東海海面的反照率秋季最大、春季最小。太陽(yáng)高度角是影響海面反照率最主要的因素,且影響作用隨著大氣透過率的變大而增強(qiáng),太陽(yáng)高度角越大,海面反照率越小;其次是大氣透過率的影響,大氣透過率變大時(shí)海面反照率減小;風(fēng)引起的海面粗糙度影響最弱,在太陽(yáng)高度角較高、大氣透過率較大時(shí),風(fēng)對(duì)海面反照率的影響增強(qiáng)。

致謝:感謝石廣玉老師在本論文修改過程中給予的寶貴建議;感謝國(guó)家海洋信息中心提供的東海海區(qū)(ST05區(qū)塊)“908”海洋水文氣象調(diào)查資料。

[1] 閻俊岳,陳乾金,張秀芝,等.中國(guó)近海氣候[M].北京:科學(xué)出版社,1993:18-44.

[2] 翟盤茂.中國(guó)近海海面的輻射收支[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),1992,3:107-113.

[3] 康雯瑛,焦建麗,王君.太陽(yáng)輻射計(jì)算方法對(duì)比分析[J].氣象與環(huán)境科學(xué),2008,31(3):33-37.

[4] Turner W D.The estimation of hourly global solar radiation using a cloud cover model developed at Blythe ville,Arkansas[J].J Appl Meteor,1984,23(5):781-786.

[5] 王舉,姚華棟,蔣國(guó)榮,等.南海北部海區(qū)太陽(yáng)輻射觀測(cè)分析與計(jì)算方法研究[J].海洋與湖沼,2005,36(5):385-393.

[6] 曹雯,申雙和.我國(guó)太陽(yáng)日總輻射計(jì)算方法的研究[J].南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào),2008,31(4):587-591.

[7] 魏傳杰,于非,呂連港,等.南黃海海面大氣長(zhǎng)波輻射計(jì)算方法的比較[J].海洋科學(xué)進(jìn)展,2009,27(3):302-311.

[8] 張新玲,郭心順,吳增茂,等.渤海海面太陽(yáng)副照度的觀測(cè)分析與計(jì)算方法研究[J].海洋學(xué)報(bào),2001,23(2):46-51.

[9] 蔡學(xué)湛.臺(tái)灣海峽及其鄰近海區(qū)海面輻射平衡的時(shí)空分布[J].臺(tái)灣海峽,1987,6(1):6-12.

[10] Reed R K.On estimating insolation over the ocean[J].J Phys Oceanogr,1977,7(3):482-485.

[11] Dobson FW,Smith SD.Bulk models of solar radiation at sea[J].Q J R Meteor Soc,1988,11(4):165-263.

[12] 白建輝,王庚辰.影響太陽(yáng)總輻射各主要因子的分析[J].高原氣象,1994,13(4):485-488.

[13] 王開存,周秀驥,劉晶淼.復(fù)雜地形對(duì)計(jì)算地表太陽(yáng)短波輻射的影響[J].大氣科學(xué),2004,28(4):626-634.

[14] Williams John G.Change in the transmissivity parameter with Atmospheric Path Length[J].J Appl Meteor,1976,15(12):1321-1323.

[15] Derr V E,Stone R S,Fedor L S,et al.Parameterization for the shortwave transmissivity of strati form water clouds based on empirical data and radiative transfer theory[J].J Atmos Sci,1990,47(23):2774-2783.

[16] 陳莉,盛立芳,吳增茂,等.北部灣夏季海面太陽(yáng)輻射特征分析及其估算方法研究[C].∥胡建宇.北部灣海洋科學(xué)研究文論集(第1輯).北京:海洋出版社,2008:30-40.

[17] 張一夫.關(guān)于海面反照率的初步探討[J].海洋學(xué)報(bào).1990,12(1):24-30.

[18] Payne Richard E.Albedo of the sea surface[J].J A tmos Sci,1972,29(5):959-970.

[19] Simpson JJ,Paulson C A.M id-ocean observationsof atmospheric radiation[J].Quart J R M et Soc,1979,105:487-502.

[20] Hummel John R,Ruth AReck.A global surface albedo model[J].J App l Meteor,1979,18(3):239-253.

[21] 王衍明.大氣物理學(xué)[M].青島:青島海洋大學(xué)出版社,1991:57-116.

[22] 盛裴軒,毛節(jié)泰,李建國(guó),等.大氣物理學(xué)[M].北京:北京大學(xué)出版社,2003:62-120.

Analysis of Characteristics of Sea-Surface Radiation and Its Impact Factors in East China Sea

WANG Dan1,SHENG Li-Fang2,3
(Ocean University of China,1.Marine Meteorology Department;2.Ocean-A tmosphere Interaction Laboratory;3.The Key Laboratory of Physical Oceanography,M inistry of Education,Qingdao 266100,China)

Based on the data sets,including solar radiation,routine meteorological observations and skin temperature,collected in the"908"project in the East China Sea(120°E～128°E,26°N～31°N)during 2006 and 2007,the paper analyzed seasonal variation characteristics of solar radiation and the relationship between the solar radiation and its impact factors.Further,the paper analyzed the correlation between the solar altitude angle,the total cloud cover,the relative humidity and the atmospheric transmissivity,additionally,and the correlations between the solar altitude angle,the atmospheric transmissivity,the wind and the sea-surface albedo.It is show n that the solar radiation and its various components are the greatest in summer and the smallest in winter except for downward solar radiation.The atmospheric transmissivity is the greatest in autumn and the smallest in summer.The sea surface albedo is the greatest in autumn and the smallest in sp ring.The solar altitude angle and the cloudy cover are the main impact factors of the downward and the upward solar radiation.The correlation between the air temperature,the relative humidity and the dow nward long wave radiation is good.The upward long w ave radiation is greatly affected by the skin temperature.The atmospheric transm issivity is greatly affected by the solar altitude angle w hen cloudiness is few and by the total cloudy cover w hen cloudiness ismuch.The sea-surface albedo w ill decrease w hen the atmospheric transmissivity increases.Effect of the solar altitude angle,which is the most important impact factor of the sea-surface albedo,is noticeable when the atmospheric transmissivity is bigger.wind is a weak impact factor of the sea-surface albedo.Effect of the wind is enhanced when the atmospheric transmissivity or the solar altitude angle is bigger.

East China Sea;solar radiation;atmospheric transmissivity;sea-surface albedo

P732.6

A

1672-5174(2010)12-008-09

國(guó)家908專項(xiàng)(908-ZC-1-01)資助

2010-01-29;

2010-03-14

王 丹(1986-),女,碩士生,大氣物理學(xué)與大氣環(huán)境專業(yè)。E-mail:dandan-w@live.cn

**通訊作者:E-mail:shenglf@ouc.edu.cn

責(zé)任編輯 龐 旻