梅笑冬， 孫即霖， 李正強(qiáng)， 陳興峰*， 邢 進(jìn)， 許 華，伽麗麗， 呂 陽， 李 明， 劉 李

1. 中國海洋大學(xué)， 物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 青島 266100

2. 中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所， 遙感科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 國家環(huán)境保護(hù)衛(wèi)星遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100101

3. 中國航空綜合技術(shù)研究所， 北京 100028

4. 中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心, 北京 100094

中國區(qū)臨近空間太陽輻射環(huán)境研究

梅笑冬1, 2， 孫即霖1， 李正強(qiáng)2， 陳興峰2*， 邢 進(jìn)2， 許 華2，伽麗麗2， 呂 陽2， 李 明3， 劉 李4

1. 中國海洋大學(xué)， 物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 青島 266100

2. 中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所， 遙感科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 國家環(huán)境保護(hù)衛(wèi)星遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100101

3. 中國航空綜合技術(shù)研究所， 北京 100028

4. 中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心, 北京 100094

臨近空間(20～50 km)航空活動(dòng)是全世界航空大國競相研究的熱點(diǎn)。 太陽輻射環(huán)境研究是開展該高度層航空活動(dòng)的必要前提， 然而臨近空間輻射觀測資料空白對(duì)其開發(fā)利用造成了障礙。 臭氧是影響高空輻射環(huán)境的關(guān)鍵因子， 基于歐洲中尺度預(yù)報(bào)中心再分析資料對(duì)中國區(qū)臨近空間臭氧的空間分布、 季節(jié)變化特征進(jìn)行了分析， 發(fā)現(xiàn)其時(shí)空分布及演變具備區(qū)域性特點(diǎn)， 同時(shí)根據(jù)平流層大氣數(shù)據(jù)及地表特征等將中國臨近空間劃分為5個(gè)區(qū)域， 確定不同區(qū)域關(guān)鍵參數(shù)值， 利用SBDART輻射傳輸模型對(duì)臨近空間全波段太陽輻射及紫外輻射分別進(jìn)行模擬。 模擬結(jié)果顯示受緯度、 臭氧總量、 垂直分布等影響， 輻射值變化規(guī)律較為復(fù)雜。 全波段太陽輻射年均和逐月值隨緯度降低而增大， 年較差則相反； 大氣的吸收作用與緯度、 海陸差異有關(guān)， 表現(xiàn)出不同的強(qiáng)度和季節(jié)變化特征； 在紫外波段， 南海上空輻射最強(qiáng)， 年較差小， 月較差很小且夏強(qiáng)冬弱， 其他區(qū)域輻射值夏強(qiáng)冬弱， 月較差呈雙峰特征， 春秋強(qiáng)， 冬夏弱； 大氣的吸收作用受多因子影響， 除南海外， 各區(qū)域夏季輻射垂向差異更大； 大氣吸收引起的月較差垂向變化均表現(xiàn)為6、 7月高低空月振幅一致， 其它月份輻射值在高層月較差更大。

臨近空間； 太陽輻射； 紫外輻射； SBDART

引 言

隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展， 在臨近空間開展用于通信、 遙感、 目標(biāo)監(jiān)視以及其他一系列用途的航空活動(dòng)需求快速增加， 因此加強(qiáng)高空大氣環(huán)境研究， 尤其熱環(huán)境， 成為保障飛行器正常飛行性能[1]與高空駐留的關(guān)鍵。

臨近空間始于現(xiàn)有航空器可控飛行的最高高度， 止于航天器維持近地軌道飛行的最低高度， 通常指距海平面20～100 km的空域， 包括大氣平流層(高度11～55 km)的大部分區(qū)域， 中間層(55～85 km)和少部分增溫層(85～800 km)。 研究范圍平流層底部的臨近空間， 海拔20～50 km高度層。

臨近空間的熱環(huán)境涉及太陽輻射、 地表反照、 地球紅外輻射等多種熱輻射因素， 影響輻射過程的因子包含空氣密度、 氣壓、 氣溫、 氣溶膠成分[2]、 濃度、 地表植被等諸多要素。 平流層大氣因水汽、 懸浮固體顆粒少， 能見度高， 天氣現(xiàn)象少， 大氣環(huán)流以水平行星尺度運(yùn)動(dòng)為主等條件利于飛行器飛行， 然而太陽輻射較強(qiáng)， 尤其紫外輻射(UV)影響許多化學(xué)和生物過程， 對(duì)飛行器材料存在潛在危害， 因此倍受關(guān)注。 臭氧對(duì)紫外輻射具備關(guān)鍵性影響， 臭氧主要吸收UV-B(280～315 nm)波段， UV-A(315～400 nm)也受一定影響， UV-C(200～280 nm)近乎被平流層臭氧和氧氣完全吸收。 此外強(qiáng)太陽輻射和極低的對(duì)流換熱使得飛行器面臨“過熱”和“過冷”[1]， 因此為保證飛行器的長期穩(wěn)定性和可控性， 分析其所處輻射環(huán)境十分必要。 這一基礎(chǔ)研究直接影響飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、 飛行預(yù)測和控制。

我國“高分辨率對(duì)地觀測系統(tǒng)”重大科技專項(xiàng)部署了平流層飛艇[3]， 其環(huán)境適應(yīng)性問題必須預(yù)先于工程研制開展。 臨近空間太陽輻射因其所處高度限制缺乏觀測數(shù)據(jù)， 選擇合適的理論模式， 保證模擬輻射值具有一定的參考性， 是飛行器升空開展觀測前的必要選擇。 采用SBDART(santa barbara DISORT atmospheric radiative transfer)輻射傳輸模型， 結(jié)合再分析資料提供的相關(guān)大氣數(shù)據(jù)， 將中國區(qū)劃分為五個(gè)區(qū)域， 通過對(duì)臨近空間20～50 km的高度范圍全波段太陽輻射和紫外輻射進(jìn)行模擬， 分析了臭氧對(duì)輻射的影響， 為飛行器環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)提供支撐和參考。

1 模型與觀測資料

SBDART由加利福尼亞Santa Barbara大學(xué)計(jì)算地球系統(tǒng)科學(xué)研究所Paul Ricchiazzi等研發(fā)[4]， 是國際上比較流行的計(jì)算太陽輻射傳輸過程的軟件， 旨在解決衛(wèi)星遙感和大氣輻射能量平衡研究中遇到的各種輻射傳輸問題。 模型采用離散坐標(biāo)法求解輻射傳輸方程， 給出穩(wěn)定解析解， 其波譜覆蓋紫外、 可見光和紅外波段， 計(jì)算包括了熱輻射、 散射、 吸收等物理過程。 SBDART基于大量經(jīng)過篩選的物理模式， 經(jīng)過不斷實(shí)踐發(fā)展完善， 在精度、 仿真度等方面都具備優(yōu)勢[5]。

所用物理模型計(jì)算太陽輻射傳輸過程的原理如下， 到達(dá)大氣頂層總的太陽輻射通量中可見光及紫外光譜段占64.7%， 近喉外譜段占35.5%。 其中臭氧在可見光及紫外譜段的吸收ξO3(Ps)按Lacis和Hansen公式[6]表示為

(1)

式中，x為臭氧含量， 等式右邊第一項(xiàng)為臭氧在可見光波段的吸收， 后兩項(xiàng)為臭氧在紫外波段的吸收。

水汽在近紅外波段對(duì)直射陽光的吸收公式為

(2)

式(2)中a，b，c均是參數(shù)化系數(shù)， 與氣壓P相關(guān)

a=0.101 8+0.006 3(-log10P)2.424

(3)

b=3.448 8+2.845 2P-0.5+P2

(4)

c=0.496 8+0.090 0P0.5

(5)

式(1)和式(2)表明大氣吸收作用由臭氧濃度、 氣壓決定， 而這兩種因子又受氣溫、 大氣活動(dòng)等影響。

所用位勢高度、 氣溫、 水汽等來源于美國環(huán)境預(yù)報(bào)中心-國家大氣研究中心(NCEP-NCAR)再分析資料， 分辨率2.5°×2.5°， 此資料經(jīng)過多數(shù)據(jù)源同化， 時(shí)間序列長、 可靠性強(qiáng)[7]。 所用臭氧數(shù)據(jù)來源于歐洲中尺度預(yù)報(bào)中心(ECMWF)ERA-40再分析資料， 分辨率1°×1°。 各物理量取1981年—2010年共計(jì)31年逐月數(shù)據(jù)， 將其氣候態(tài)平均結(jié)果作為模式初始環(huán)境變量， 較好保證輻射結(jié)果的參考性和代表性。

2 臨近空間輻射模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 臨近空間區(qū)域劃分

研究臨近空間太陽輻射特征， 需要考慮影響輻射過程的因子如空氣密度、 氣壓、 氣溶膠成分、 濃度、 地表植被等諸多要素， 根據(jù)中國所處地理位置、 地表多變等特征， 從中挑選關(guān)鍵因子劃分出不同區(qū)域單獨(dú)進(jìn)行分析。

由于研究對(duì)象以紫外輻射最為關(guān)鍵， 而吸收紫外輻射的大氣成分為臭氧， 衡量臭氧影響主要考慮兩個(gè)方面， 臭氧總量與垂直分布[8]。 從臭氧的長期平均垂直分布來看， 大氣臭氧總量的80%以上集中在平流層中下部(25 km附近)， 故臭氧總量的變化基本反映了臨近空間臭氧的狀態(tài)[9]。 歐洲中尺度預(yù)報(bào)中心臭氧總量數(shù)據(jù)[圖1(a)和(b)]顯示臭氧分布大致呈緯向型， 南低北高[10-11]， 經(jīng)向差異相對(duì)較小， 大致為東高西低， 季節(jié)尺度上中高緯冬季臭氧含量高、 夏季低， 而低緯夏高冬低[11]。 臭氧總量既受光化學(xué)過程影響， 也受動(dòng)力過程作用， 如大尺度輻合輻散(垂直運(yùn)動(dòng))、 平流輸送(水平運(yùn)動(dòng))[12]。 圖2為冬、 夏季100 hPa高空位勢高度場， 體現(xiàn)主要大氣活動(dòng)特征， 以東北區(qū)域?yàn)槔?位于東亞大槽(等高線曲率最大處)槽區(qū)， 高空西風(fēng)急流強(qiáng)， 伴隨槽后下沉氣流及西風(fēng)急流的水平輸送， 高層及更高緯地區(qū)富含臭氧的大氣被輸送至此， 利于東北冬季臭氧含量高值區(qū)的形成， 由此紫外輻射的吸收也將顯著不同于其他區(qū)域。

另外， 臭氧總量也與下墊面性質(zhì)[13]、 對(duì)流層頂高度有關(guān)， Poulin和Evans[14]估計(jì)對(duì)流層頂高度變化1 km， 臭氧總量會(huì)產(chǎn)生10～60 DU的變化， 對(duì)流層頂高度變化對(duì)臭氧的垂直分布也有影響。 因此臭氧作為關(guān)鍵因子進(jìn)行區(qū)域劃分時(shí)， 需考慮平流層氣象數(shù)據(jù)、 下墊面等指標(biāo)。

根據(jù)下墊面性質(zhì)， 將中國臨近空間分為海陸兩部分； 根據(jù)平流層大氣活動(dòng)的氣候態(tài)分布特征(圖2)， 冬季東北區(qū)域?yàn)闁|亞大槽區(qū)， 其他區(qū)域上空盛行平直西風(fēng)， 夏季中南部區(qū)域被強(qiáng)大的南亞高壓控制， 氣壓分布為中南高、 東北低， 將陸地部分劃分為東北、 中部、 西部三個(gè)區(qū)域。 海洋部分考慮緯度跨度分為東部近海和南海兩部分， 具體劃分見表1。

Fig.1 Total column ozone distribution in (a) Jan, (b) Jul (unit: kg·m-2)

Fig.2 (a)Winter, (b)Summer average atmosphere action centers in stratosphere (100 hPa geopotential heights)

Table 1 Region divisions of China near space

這5個(gè)區(qū)域在臭氧總量、 季節(jié)變化(圖1)及垂直分布方面各具特點(diǎn)， 在此基礎(chǔ)上分別對(duì)不同區(qū)域?qū)椛溥^程進(jìn)行模擬分析， 保證各分區(qū)的代表性。 由于青藏高原獨(dú)特地形及大氣條件， 平流層觀測數(shù)據(jù)可靠性仍需檢驗(yàn)， 暫不予考慮。 研究區(qū)域空間分布見圖3。

Fig.3 Region division of China near space Northeast, Center, West, East China sea and South China sea

2.2 關(guān)鍵參數(shù)分析

模擬之前， 先對(duì)相關(guān)參數(shù)做了敏感性試驗(yàn)， 檢驗(yàn)輸入?yún)⒘恐档臄_動(dòng)對(duì)輸出結(jié)果的影響， 將其作為選擇關(guān)鍵變量的參考基準(zhǔn)。 假設(shè)給定參數(shù)后， 模式計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確， 則模擬誤差由輸入?yún)⒘康牟淮_定性引起。 在敏感性試驗(yàn)中， 發(fā)現(xiàn)同一區(qū)域臨近空間凈向下短波輻射通量受臭氧含量變化影響最顯著， 水汽、 平流層高度、 平流層光學(xué)厚度等參數(shù)的影響很弱。

針對(duì)臭氧對(duì)太陽輻射的吸收， Lacis和Hasen[15]根據(jù)太陽輻射譜和臭氧吸收系數(shù)的譜分布計(jì)算了不同臭氧含量對(duì)可見光和紫外波段吸收作用， 得到輻射吸收率與臭氧含量的關(guān)系式

(6)

0.065 8y/[1+(103.6y)3]

(7)

其中y為光學(xué)路程中的臭氧含量， 由式(6)和式(7)得到臭氧對(duì)太陽輻射的總吸收率為

(8)

模式大氣從50～20 km分為11層， 對(duì)其中任一層l， 將其下的氣層(l-1， 1)看成是非吸收層， 即漫反射層。 第l層臭氧對(duì)太陽輻射的吸收率為

(9)

其中，

(10)

yl=ul·M

(11)

(12)

對(duì)第l層， 其氣壓差為ΔP， 臭氧吸收太陽輻射而產(chǎn)生的加熱率為

(13)

根據(jù)大氣外界的太陽輻射譜， 可知λ<400 nm的太陽輻射通量密度占總太陽輻射通量密度的8.03%。 僅考慮臭氧吸收的情況下， 通過平流層后的紫外輻射通量密度為

(14)

實(shí)際到達(dá)平流層頂?shù)淖贤廨椛涑艹粞跷眨?也受大氣成分、 云量等因子影響， 因此輻射通量密度與式(14)仍有差別。 但影響紫外輻射變化的主要因子可確定為臭氧、 太陽天頂角， 次要因子包括背景參數(shù)如氣壓、 氣溫、 對(duì)流層頂高度等。 根據(jù)NCEP-NCAR和ECMWF臭氧、 氣溫、 水汽、 平流層底高度數(shù)據(jù)， 對(duì)各分區(qū)進(jìn)行氣候態(tài)平均， 得到SBDART模式的初始大氣參數(shù)(表2)和氣溫、 濕度垂直廓線(圖4—圖6)， 其他參量如地表植被、 邊界層氣溶膠類型、 云等的影響可忽略， 均按各區(qū)域默認(rèn)值設(shè)定。

Fig.4 Northeast and West divisions(a1) water vapor(a2)air temperature profile in summer half year,(b1)water vapor(b2)air temperature profile in winter half year

Fig.5 Center and East China Sea divisions (a1) water vapor (a2) air temperature profile in summer ialf year, (b1) water vapor (b2) air temperature profile in winter half year

區(qū)域參考經(jīng)緯度臭氧含量平流層底高度平流層光學(xué)厚度EN冬夏冬夏冬夏東北127 547 50 4290 3249160 10 1中部107 5300 2900 2859 516 50 10 1西部97 5450 3740 319914 50 0030 004東部近海130300 3220 29415170 20 1南海114100 2440 27015160 10 05

注： 臭氧、 高度單位分別為atm-cm， km

3 結(jié)果與討論

將表2、 圖4—圖6大氣參數(shù)值作為模式輸入， 對(duì)中國東北、 中部、 西部、 東部近海和南海5個(gè)區(qū)域臨近空間輻射環(huán)境分別進(jìn)行模擬。 試驗(yàn)積分時(shí)間為1年， 時(shí)間步長1 h， 結(jié)果分為太陽全波段與紫外波段輻射兩部分。 太陽輻射能量99.88%集中在120～8 000 nm波長范圍內(nèi)， 對(duì)小于250 nm及大于4 000 nm波長的太陽輻射對(duì)太陽常數(shù)貢獻(xiàn)均小于1%[16-17]， 因此全波段輻射積分區(qū)間選擇在250～4 000 nm之間， 紫外波段選擇在250～400 nm之間， 為補(bǔ)償這一光譜段以外的輻射能量， 輻射值增加0.11%[17]。

3.1 太陽全波段輻射結(jié)果分析

由于大氣吸收、 反射作用， 太陽全波段凈向下輻射通量(以下簡稱太陽輻射)隨高度降低而減小。 臨近空間大氣層空氣稀薄、 水汽及雜質(zhì)含量少， 太陽輻射的減少主要產(chǎn)生在臭氧所吸收的紫外波段。

Fig.7 Monthly and annual mean of solar radiation flux between 20 and 50 km altitude layer above (a) Northeast, (b) Center, (c) West Divisions

東北區(qū)域20～50 km太陽輻射通量垂直分布[圖7(a)]顯示年均輻射通量隨高度降低而遞減， 25 km為驟減層， 夏季輻射垂向衰減幅度約1.8 W·m-2·km-1， 冬季衰減較弱。 此區(qū)域上空100 hPa平流層通常處在東亞大槽槽區(qū)[圖2(a)]， 大氣輸送利于25 km處臭氧高值的形成， 并向下擴(kuò)展到對(duì)流層， 臭氧垂向分布較為均勻， 因此輻射通量在此高度出現(xiàn)驟減并在其下衰減趨勢較為平緩， 模擬結(jié)果與臭氧分布的觀測結(jié)論吻合。 東北太陽輻射基本特征為： 5月和6月份太陽輻射強(qiáng)度達(dá)到最大， 50 km處輻射值730.9 W·m-2， 20 km處為700.5 W·m-2； 12月輻射最弱， 頂層和底層分別為323.3和302.0 W·m-2， 冬季輻射相對(duì)夏季減少約57%。 比較同期高低空輻射差值(表3)發(fā)現(xiàn)夏季大氣吸收作用稍強(qiáng)于冬季， 然而臭氧含量夏季低于冬季， 表明臨近空間大氣對(duì)太陽輻射的衰減作用除臭氧外仍有其他因素起作用， 如太陽天頂角等。

Table 3 Vertical variation between solar radiation flux

中部地區(qū)輻射水平較東北偏高， 隨高度的遞減率偏大， 尤其夏季。 圖7(b)顯示7、 8月太陽輻射最強(qiáng)， 垂向變化顯著， 其強(qiáng)度853.7 W·m-2， 35～20 km層垂直梯度最大。 原因在于夏季行星波不能上傳到平流層， 大氣垂直運(yùn)動(dòng)受抑制， 無法將高層富含臭氧的空氣輸送到低層， 臭氧濃度垂直梯度較大。 具體特征為7月份50 km輻射極大值852.2 W·m-2， 20 km處785.4 W·m-2， 1月最弱， 50和20 km分別為551.4和519.1 W·m-2， 年較差約283.5 W·m-2； 夏季輻射垂向衰減遠(yuǎn)強(qiáng)于冬季(表3)， 夏冬差值34.5 W·m-2。

西部與東北相仿， 在全波段表現(xiàn)相似特征， 但年變化幅度稍小于東北[圖7(c)]。 輻射最強(qiáng)出現(xiàn)在5月， 50 km處761.2 W·m-2， 20 km處為705.0 W·m-2； 12月最弱， 50和20 km分別為365.7和325.2 W·m-2， 年較差約388 W·m-2。 夏季大氣吸收作用稍強(qiáng)(表3)， 夏冬差值16.1 W·m-2， 均強(qiáng)于東北區(qū)域。

Fig.8 Monthly and annual mean of solar radiation flux between 20 and 50 km altitude layer above (a) East China sea, (b) South China Sea

東部近海和南海由于緯度低， 太陽輻射明顯強(qiáng)于其他區(qū)域， 全年整層輻射均值分別為725和837.6 W·m-2。 東部近海輻射[圖8(a)]最強(qiáng)出現(xiàn)在5、 6月， 最弱2月， 年變化達(dá)到160 W·m-2， 在各分區(qū)中幅度最大。 該區(qū)域臭氧含量低且季節(jié)變化小， 因此太陽輻射垂直梯度較小， 同時(shí)大氣吸收作用全年也基本一致、 年較差小(表3)。 南海位于熱帶、 副熱帶海域， 夏季50 km輻射強(qiáng)度可達(dá)874 W·m-2[圖8(b)]， 且年較差??； 輻射垂直衰減率也很小， 大氣吸收作用近乎全年一致(表3)， 即輻射基本特征為均值大、 年較差大、 垂向變化弱且無季節(jié)差異。

3.2 紫外波段輻射結(jié)果分析

東北區(qū)域紫外與全波段輻射變化趨勢類似[圖9(a1)]， 1月—7月逐漸增大， 5月—8月達(dá)到最強(qiáng)， 高低空輻射值在70.5～84.5 W·m-2之間變化， 隨后逐漸減弱， 12月份最小， 20 km處29.3 W·m-2； 年較差分別為47.2 W·m-2(50 km)、 41.2 W·m-2(20 km)。 與年變化不同， 月較差變化趨勢呈雙峰特征[圖9(a2)]， 夏季最小(50 km處2.2 W·m-2， 20 km處1.9 W·m-2)， 春秋最大(50 km處18.4 W·m-2， 20 km處16.1 W·m-2)， 其中夏冬高低空月較差幾乎一致， 而春秋高空月較差更強(qiáng)。

中部區(qū)域[圖9(b1)]1月—7月輻射強(qiáng)度逐漸增大， 相比東北， 紫外輻射處于極大值的時(shí)期較長， 高位維持5個(gè)月， 高低空輻射值在99.0～76.9 W·m-2之間變化； 冬季1月變動(dòng)范圍則縮小至64.2～51.4 W·m-2， 年較差分別為34.8 W·m-2(50 km)， 25.5 W·m-2(20 km)。 月較差也呈雙峰變化， 分別在2月、 11月處于峰值， 6月則突變至近乎為0。 1月—5月大氣吸收引起的輻射月變化在高低空相差較大[圖9(b2)]， 下半年則接近一致。

西北區(qū)域[圖9(c1)]紫外輻射1月—7月增大， 5月—7月最強(qiáng)， 20～50 km輻射值在88.5～67.5 W·m-2之間， 隨后減弱， 12月份最小為20 km處30.2 W·m-2， 年較差分別為46.5 W·m-2(50 km)， 38.8 W·m-2(20 km)。 月較差呈雙峰型[圖9(c2)]， 夏初最小(50 km層2.0 W·m-2， 20 km層1.5 W·m-2)， 春秋最大(50 km層17.4 W·m-2， 20 km層15.1 W·m-2)， 高低空除6月月較差值一致外， 其他月份差別約2 W·m-2。

在緯度相似情況下， 紫外輻射月平均及極值以中部最強(qiáng)， 西部稍強(qiáng)于東北， 年變化則相反， 東北和西部變化幅度大， 中部小。 三者紫外輻射月較差均呈雙峰特征， 春秋輻射值的月變化最大， 冬夏最小。

東部近海夏半年紫外輻射長期維持在較高水平[圖10(a1)]， 20 km輻射值約為80 W·m-2； 與同緯度陸地(12 W·m-2)相比， 高低空差值大(20 W·m-2)， 即大氣吸收更強(qiáng)。 由于海水熱含量大， 海表面溫度變化遠(yuǎn)小于陸地， 因此上空對(duì)流強(qiáng)烈且變化小， 大氣要素各向均勻， 高低空對(duì)輻射的吸收作用也基本一致， 月較差的高低空差異[1 W·m-2， 圖10(a2)]非常小。

Fig.9 Monthly average UV radiation on 20， 50 km altitude layer above (a1) Northeast, (b1) Center, (c1) West divisions;Monthly discrepancy value above (a2) Northeast, (b2) Center, (c2) West divisions

Fig.10 (a1) Monthly average UV radiation flux of 20， 50 km altitude above East China sea; (a2) Monthly discrepancy of UV radiation flux at 20， 50 km altitude above East China sea; (b1)， (b2) as in (a1)， (a2), but for South China Sea area

南海位于熱帶、 副熱帶海域， 夏季50 km紫外輻射強(qiáng)度可達(dá)100 W·m-2[圖10(b1)]， 與其他區(qū)域不同， 南海上空紫外輻射季節(jié)變化不明顯； 月較差均低于10 W·m-2。 雙峰特征消失， 冬半年月較差大， 夏半年?。?大氣吸收作用全年一致[圖10(b2)]。 南海紫外輻射基本特征與全波段輻射類似， 均值為5個(gè)分區(qū)中最大、 季節(jié)變化則最小。

4 結(jié) 論

基于NCEP-NCAR， ECMWF大氣資料， 對(duì)中國區(qū)臨近空間大氣進(jìn)行區(qū)域劃分， 最大限度區(qū)分各區(qū)域氣溫、 濕度、 尤其臭氧等背景大氣環(huán)境特征， 在此基礎(chǔ)上確定關(guān)鍵參數(shù)， 應(yīng)用SBDART輻射傳輸模型模擬， 初步掌握臨近空間太陽輻射及紫外輻射的分布和季節(jié)演變特征。

(1) 中國區(qū)臨近空間劃分為東北、 中部、 西部、 東部近海及南海5個(gè)區(qū)域， 分別進(jìn)行全波段和紫外波段輻射過程模擬， 發(fā)現(xiàn)： 隨參考緯度增大， 年均太陽輻射由強(qiáng)變?nèi)酰?南海最強(qiáng)， 東部近海次之， 隨后是中部， 東北和西部最弱。 年變化幅度則相反， 隨緯度升高而遞減。 臨近空間大氣層對(duì)太陽輻射的衰減作用方面， 以中部最強(qiáng)， 西部、 東北次之， 海洋上空最弱， 其中東北、 中部和西部輻射吸收有顯著季節(jié)分化， 夏半年太陽輻射垂向衰減強(qiáng)， 冬半年弱， 海洋區(qū)域季節(jié)變化很小且秋季輻射減弱幅度相對(duì)較大。

(2) 紫外輻射演變較復(fù)雜， 隨緯度、 臭氧濃度、 季節(jié)而變化。 年均尺度上， 南海紫外輻射97.5 W·m-2最強(qiáng)， 東部近海84.2 W·m-2與中部84.5 W·m-2次之， 西部68.1 W·m-2、 東北64.9 W·m-2最弱， 但紫外輻射通過平流層后的垂向差異， 中部年均值16.4 W·m-2最大， 西部15.9 W·m-2與南海15.0 W·m-2、 東部近海13.4 W·m-2次之， 東北9.5 W·m-2最弱； 月尺度上， 年較差東北47.2 W·m-2、 西部46.5 W·m-2最大， 中部34.0 W·m-2、 東部近海30.8 W·m-2次之， 南海16.1 W·m-2最小， 表明年較差可通過臭氧總量變化判斷； 除南海輻射值季節(jié)變化非常小外， 其他區(qū)域均為夏季輻射強(qiáng)， 冬季弱； 月內(nèi)尺度上， 除南海外其他區(qū)域月較差演變均呈雙峰波型， 春秋較差大， 夏冬小， 南海秋冬較差大， 春夏小， 均小于10 W·m-1； 陸地區(qū)域表現(xiàn)出6月突變， 即6月紫外輻射月變化顯著變小， 而海洋上空月較差較為連續(xù)。

(3) 全波段太陽輻射與紫外輻射的變化特征差異體現(xiàn)在， 全波段輻射年較差隨緯度降低而增大， 紫外波段年較差則隨緯度降低而減小； 大氣的吸收作用方面， 全波段和紫外波段吸收都在中部地區(qū)最強(qiáng)， 且夏強(qiáng)冬弱； 全波段吸收的季節(jié)變化表現(xiàn)出海陸差異特征， 而紫外波段不同， 只在南海表現(xiàn)為全年一致。

臨近空間輻射環(huán)境的復(fù)雜惡劣使飛行設(shè)備面臨巨大考驗(yàn)， 飛行器環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)要求較高， 因此對(duì)其輻射特征的研究需求非常迫切， 尤其紫外輻射對(duì)飛行材料產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的潛在威脅最大。 結(jié)合觀測資料對(duì)中國平流層輻射進(jìn)行仿真模擬， 初步討論了太陽輻射及紫外輻射變化特征， 為臨近空間飛行器環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)提供支撐。 臨近空間飛行器駐空或者基于其他手段的實(shí)際觀測將提供更準(zhǔn)確的輻射環(huán)境先驗(yàn)數(shù)據(jù)庫。

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*Corresponding author

Radiation Environment Study of Near Space in China Area

MEI Xiao-dong1,2, SUN Ji-lin1, LI Zheng-qiang2, CHEN Xing-feng2*, XING Jin2, XU Hua2, QIE Li-li2, Lü Yang2,LI Ming3， LIU Li4

1. Key Laboratory of Physical Oceanography, Ministry of Education, Ocean University of China, Qingdao 266100, China

2. State Environmental Protection Key Laboratory of Satellite Remote Sensing Applications, Institute of Remote Sensing and Digital Earth, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China

3. China Aero-Polytechinology Establishment, Beijing 100028, China

4. China Centre for Resources Satellite Data and Application, Beijing 100094, China

Aerospace activity in near space (20～50 km) has become a research hotspot for aviation big countries worldwide. Solar radiation study, as the prerequisite to carry out aerospace activity, is facing the barrier of lacking of observation in near space layer. Ozone is the most important factor that affects radiation value in this layer. Based on ECMWF reanalysis data, this input key parameter and its horizontal, vertical and temporal characteristics are analyzedwith results showing obvious regional features in temporal-spatial distribution and varieties. With meteorological data and surface parameters, near space over China is divided into 5 parts. Key factors’ value is confirmed over each division. With SBDART radiation transfer model, solar radiation and ultraviolet radiation simulation in near space are conducted separately. Results show that it is influenced by latitude, total ozone and its vertical distribution, radiation varies under complex rules. The average year and monthly solar radiation strengthens changes with latitude reduction, while annual range changes reversely. Air absorbing is related to latitude and land-sea contrast and shows different values and seasonal variations. The ultraviolet radiation over South China Sea reaches its maximum value and minimum annual range, as well as minimum monthly range with value strengthening in summer and weakening in winter. In other areas radiation increases in summer while weakens in winter, monthly range shows double peaks with higher value in spring and autumn, lower in summer and winter. Air absorption in ultraviolet radiation is influenced by multiple factors, vertical varieties over areas besides South China Sea enhance in summer time. The vertical changes of monthly ranges affected by air absorption show consistence in higher and lower layer in June and July, while in other months ranges are bigger in higher layer.

Near space; Solar radiation; Ultraviolet radiation; SBDART

Nov. 28, 2014; accepted Mar. 15, 2015)

2014-11-28，

2015-03-15

中國科學(xué)院國家外國專家局創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)國際合作伙伴計(jì)劃項(xiàng)目(KZZD-EW-TZ-09), 中國科學(xué)院科技創(chuàng)新重點(diǎn)部署項(xiàng)目(KGFZD-125-13-006), 中德合作研究項(xiàng)目(GZ 659), 高分專項(xiàng)青年創(chuàng)新基金項(xiàng)目資助

梅笑冬， 1984年生， 中國海洋大學(xué)海洋環(huán)境學(xué)院博士研究生 e-mail: thymay@foxmail.com *通訊聯(lián)系人 e-mail: chenxf@radi.ac.cn

P182

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)03-0609-09