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利用特征波长探讨大气和海洋中太阳辐射光谱特征的变化规律

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1 前言

1 .1 太阳辐射

1 .2 太阳辐射对极区海冰的影响

1 .3 太阳辐射研究

2 太阳辐射的变化特征

2 .1 到达大气上界的太阳辐射

2 .2 太阳辐射穿透大气过程

2 .3 光在海水中衰减

2 .4 光合有效辐射

2 .5 太阳光谱研究的意义

2 .6 本文的主要研究内容

3 特征波长

4 大气上界的特征波长

5 到达下垫面的特征波长

5 .1 晴空下特征波长的变化

5 .2 阴天条件下特征波长的变化

5 .3 特征波长的影响因子

5.4 SPCTRAL2模式

5 .5 分析与应用

5 .6 本章小节

6 海水中的特征波长

6 .1 现场观测

6 .2 特征波长的一条重要性质

6 .3 水下特征波长的应用

6.4 本草小结

7 理论分析

7 .1 特征波长的另一种表达形式

7 .2 特征波长的偏移率

7 .3 特征波长和叶绿素浓度的定量关系

7.4 本章小结

8 特征波长的展望

9 总结

9.1 总

9 .2 工作的不足

附录1

参考文献

致谢

个人简历与学术研究成果

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摘要

太阳辐射穿过大气或海洋后发生了两方面的改变:太阳辐射值和太阳辐射光谱特征。依据以往对g场w的研究,本文定义的特征波长即继承了g:W的物理含义,又赋予新的含义,即400-700nm范围内太阳辐射光谱在波长方向上的“重心”。该参数揭示了太阳辐射光谱特征在穿过大气或海洋过程的变化规律。特征波长的定义式和g:W只相差一个常数项,完全可以替代Q:W。同样,依据特征波长的概念,也很容易说明W:Q的物理含义,即卩Imol波长为特征波长时光子总能量。
  本文首先将特征波长应用于大气上界的太阳辐射观测数据中。本文使用了SORCE实验室直接观测得到的长达7年的大气上界太阳辐射数据,时间长度从2004年-2011年。观测获得7年内特征波长的平均值为543.86nm,标准差为0.011。同时在观测范围内存在明显的年际变化,在2004-2011年内,表现出明显地先增大后减小的特征,与400-700nm太阳辐射光谱变化密切相关。依据Lean给出的大气上界太阳辐射气候态数据,本文给出了近100年内特征波长的气候态变化。从中可以看出,特征波长变化同样表现出明显的11年周期变化,与T S I呈明显的反相关关系。去除11年周期变化,特征波长从1840年至1960年缓慢的减小,之后又平稳的变化。与全球平均气温对比发现,两者存在正相关关系。尤其在近几年,两者呈明显的同步变化,进一步证实太阳辐射光谱特征变化可能直接影响地气系统。
  到达下垫面特征波长受大气中大气分子、气溶胶、以及云结晶的影响而发生巨大变化。为了说明到达下垫面特征波长的变化规律,本文使用了不同纬度,不同天气系统下观测的到达下垫面太阳辐射数据,计算了不同天气系统下的特征波长。通过分析发现,在晴朗的天气条件下,特征波长表现出一个普遍特征:随太阳天顶角增大表现出先增大后减小。在多云的天气条件下,特征波长随太阳天顶角增大变化不明显,但要明显小于晴空晴空天气下的特征波长。晴空下,不同地区特征波长也存在差异,是由空气中污染物浓度不同造成的。
  为了解释晴空下特征波长的变化,本文利用SPCTRAL2模式模拟了渤海观测期间特征波长变化规律。经过分析发现,风压温湿对特征波长影响较小,可以忽略。臭氧层标高影响次之,Angstrom参数影响较大,能见度和太阳高度角影响最大。通过分析模式中散射辐射计算的特征波长和直射辐射计算的特征波长发现,散射辐射计算的特征波长随太阳高度角增大表现出先增大后减小的特征,而直射辐射计算的特征波长随太阳高度角增大表现出持续地增大特征,总辐射计算的特征波长刚好处于散射辐射计算的特征波长和直射辐射计算的特征波长之间。分析发现,观测获得特征波长的变化主要是由散射辐射占比发生变化引起的。本文最终给出了散射辐射占比与特征波长的关系式。
  为了描述海水中特征波长的变化规律,本文使用了2006年加拿大海盆航次和2007年白令海海盆科学考察航次中获得的下行辐照度剖面数据。在加拿大海盆中,该处海水被划归于I类海水,特征波长主要表现出在IOm范围内迅速减小,而在IOm以下,趋于稳定。同时该处70m处,特征波长的变化表现出明显的区域变化特征,与70m以浅的上层水体中衰减物质浓度密切相关。在白令海海盆中,该处海水被划归于II类海水,特征波长随深度增加表现出先减小后增大再减小的变化,可以肯定,CDOM浓度在其中扮演着至关重要的作用。
  经过分析,在I类海水中圷0坭处特征波长的区域变化与到达下垫面特征波长变化无直接关系,主要受70m以浅水体中衰减物浓度的变化。本文依据这一现象,结合数值公式,给出了特征波长的一条基本性质:特征波长的改变只随上层海水总衰减物质浓度的改变而改变,不随衰减物质所在深度的改变而改变。该条性质也同样适用于到达下垫面的特征波长。
  为了描述海水中特征波长与叶绿素浓度之间的关系,本文从特征波长定义式出发,重新推导出特征波长另一个计算公式。该公式直接反映了海水中特征波长指数变化特征。依据该公式,本文定义了特征波长垂直衰减系数。该系数直接反映了特征波长在垂向的衰减,本质上是光合有效辐射通量的垂直衰减系数和光合有效量子通量的垂直衰减系数的差值,表现出不同太阳光谱辐射衰减的不同步性。依据特征波长的指数公式,本文还给出了特征波长偏移率的概念。该概念描述了单位深度内真实海水引起的特征波长与纯海水引起的特征波长的差值。从中可以看出,特征波长偏移率与海水中垂直衰减系数密切相关。使用该公式能够完美的解释海水中特征波长的变化规律。
  本文利用特征波长偏移率的概念,将特征波长和叶绿素浓度建立了关系,给出了两者的数值关系和半经验关系模型。特别是两者的半经验关系,特征波长和叶绿素浓度的拟合结果的决定性系数达到了92%。
  特征波长,与PAR—样,是描述太阳辐射变化的重要参数。不同的是, PAR描述了太阳辐射能的改变,而特征波长描述了太阳光谱特征的变化。在太阳辐射研究中,两者相辅相成,互相补充。本文给出的特征波长概念从太阳光谱特征的变化角度展现了地气系统不同层次的变化。从中可以看出,特征波长在大气上界太阳辐射研究、大气中太阳辐射研究以及海水中太阳辐射研究都具有重要的应用价值。

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