利用特征波長(zhǎng)探討大氣和海洋中太陽(yáng)輻射光譜特征的變化規(guī)律.pdf

1、太陽(yáng)輻射穿過大氣或海洋后發(fā)生了兩方面的改變:太陽(yáng)輻射值和太陽(yáng)輻射光譜特征。依據(jù)以往對(duì)g場(chǎng)w的研究,本文定義的特征波長(zhǎng)即繼承了g:W的物理含義,又賦予新的含義,即400-700nm范圍內(nèi)太陽(yáng)輻射光譜在波長(zhǎng)方向上的“重心”。該參數(shù)揭示了太陽(yáng)輻射光譜特征在穿過大氣或海洋過程的變化規(guī)律。特征波長(zhǎng)的定義式和g:W只相差一個(gè)常數(shù)項(xiàng),完全可以替代Q:W。同樣,依據(jù)特征波長(zhǎng)的概念,也很容易說明W:Q的物理含義,即卩Imol波長(zhǎng)為特征波長(zhǎng)時(shí)光子總能量。<

2、br>　　本文首先將特征波長(zhǎng)應(yīng)用于大氣上界的太陽(yáng)輻射觀測(cè)數(shù)據(jù)中。本文使用了SORCE實(shí)驗(yàn)室直接觀測(cè)得到的長(zhǎng)達(dá)7年的大氣上界太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù),時(shí)間長(zhǎng)度從2004年-2011年。觀測(cè)獲得7年內(nèi)特征波長(zhǎng)的平均值為543.86nm,標(biāo)準(zhǔn)差為0.011。同時(shí)在觀測(cè)范圍內(nèi)存在明顯的年際變化,在2004-2011年內(nèi),表現(xiàn)出明顯地先增大后減小的特征,與400-700nm太陽(yáng)輻射光譜變化密切相關(guān)。依據(jù)Lean給出的大氣上界太陽(yáng)輻射氣候態(tài)數(shù)據(jù),本文給出了近1

3、00年內(nèi)特征波長(zhǎng)的氣候態(tài)變化。從中可以看出,特征波長(zhǎng)變化同樣表現(xiàn)出明顯的11年周期變化,與T S I呈明顯的反相關(guān)關(guān)系。去除11年周期變化,特征波長(zhǎng)從1840年至1960年緩慢的減小,之后又平穩(wěn)的變化。與全球平均氣溫對(duì)比發(fā)現(xiàn),兩者存在正相關(guān)關(guān)系。尤其在近幾年,兩者呈明顯的同步變化,進(jìn)一步證實(shí)太陽(yáng)輻射光譜特征變化可能直接影響地氣系統(tǒng)。
　　到達(dá)下墊面特征波長(zhǎng)受大氣中大氣分子、氣溶膠、以及云結(jié)晶的影響而發(fā)生巨大變化。為了說明到達(dá)下墊面

4、特征波長(zhǎng)的變化規(guī)律,本文使用了不同緯度,不同天氣系統(tǒng)下觀測(cè)的到達(dá)下墊面太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù),計(jì)算了不同天氣系統(tǒng)下的特征波長(zhǎng)。通過分析發(fā)現(xiàn),在晴朗的天氣條件下,特征波長(zhǎng)表現(xiàn)出一個(gè)普遍特征:隨太陽(yáng)天頂角增大表現(xiàn)出先增大后減小。在多云的天氣條件下,特征波長(zhǎng)隨太陽(yáng)天頂角增大變化不明顯,但要明顯小于晴空晴空天氣下的特征波長(zhǎng)。晴空下,不同地區(qū)特征波長(zhǎng)也存在差異,是由空氣中污染物濃度不同造成的。
　　為了解釋晴空下特征波長(zhǎng)的變化,本文利用SPCTRAL

5、2模式模擬了渤海觀測(cè)期間特征波長(zhǎng)變化規(guī)律。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn),風(fēng)壓溫濕對(duì)特征波長(zhǎng)影響較小,可以忽略。臭氧層標(biāo)高影響次之,Angstrom參數(shù)影響較大,能見度和太陽(yáng)高度角影響最大。通過分析模式中散射輻射計(jì)算的特征波長(zhǎng)和直射輻射計(jì)算的特征波長(zhǎng)發(fā)現(xiàn),散射輻射計(jì)算的特征波長(zhǎng)隨太陽(yáng)高度角增大表現(xiàn)出先增大后減小的特征,而直射輻射計(jì)算的特征波長(zhǎng)隨太陽(yáng)高度角增大表現(xiàn)出持續(xù)地增大特征,總輻射計(jì)算的特征波長(zhǎng)剛好處于散射輻射計(jì)算的特征波長(zhǎng)和直射輻射計(jì)算的特征波長(zhǎng)之

6、間。分析發(fā)現(xiàn),觀測(cè)獲得特征波長(zhǎng)的變化主要是由散射輻射占比發(fā)生變化引起的。本文最終給出了散射輻射占比與特征波長(zhǎng)的關(guān)系式。
　　為了描述海水中特征波長(zhǎng)的變化規(guī)律,本文使用了2006年加拿大海盆航次和2007年白令海海盆科學(xué)考察航次中獲得的下行輻照度剖面數(shù)據(jù)。在加拿大海盆中,該處海水被劃歸于I類海水,特征波長(zhǎng)主要表現(xiàn)出在IOm范圍內(nèi)迅速減小,而在IOm以下,趨于穩(wěn)定。同時(shí)該處70m處,特征波長(zhǎng)的變化表現(xiàn)出明顯的區(qū)域變化特征,與70m以淺

7、的上層水體中衰減物質(zhì)濃度密切相關(guān)。在白令海海盆中,該處海水被劃歸于II類海水,特征波長(zhǎng)隨深度增加表現(xiàn)出先減小后增大再減小的變化,可以肯定,CDOM濃度在其中扮演著至關(guān)重要的作用。
　　經(jīng)過分析,在I類海水中圷0坭處特征波長(zhǎng)的區(qū)域變化與到達(dá)下墊面特征波長(zhǎng)變化無(wú)直接關(guān)系,主要受70m以淺水體中衰減物濃度的變化。本文依據(jù)這一現(xiàn)象,結(jié)合數(shù)值公式,給出了特征波長(zhǎng)的一條基本性質(zhì):特征波長(zhǎng)的改變只隨上層海水總衰減物質(zhì)濃度的改變而改變,不隨衰減物

8、質(zhì)所在深度的改變而改變。該條性質(zhì)也同樣適用于到達(dá)下墊面的特征波長(zhǎng)。
　　為了描述海水中特征波長(zhǎng)與葉綠素濃度之間的關(guān)系,本文從特征波長(zhǎng)定義式出發(fā),重新推導(dǎo)出特征波長(zhǎng)另一個(gè)計(jì)算公式。該公式直接反映了海水中特征波長(zhǎng)指數(shù)變化特征。依據(jù)該公式,本文定義了特征波長(zhǎng)垂直衰減系數(shù)。該系數(shù)直接反映了特征波長(zhǎng)在垂向的衰減,本質(zhì)上是光合有效輻射通量的垂直衰減系數(shù)和光合有效量子通量的垂直衰減系數(shù)的差值,表現(xiàn)出不同太陽(yáng)光譜輻射衰減的不同步性。依據(jù)特征波長(zhǎng)的

9、指數(shù)公式,本文還給出了特征波長(zhǎng)偏移率的概念。該概念描述了單位深度內(nèi)真實(shí)海水引起的特征波長(zhǎng)與純海水引起的特征波長(zhǎng)的差值。從中可以看出,特征波長(zhǎng)偏移率與海水中垂直衰減系數(shù)密切相關(guān)。使用該公式能夠完美的解釋海水中特征波長(zhǎng)的變化規(guī)律。
　　本文利用特征波長(zhǎng)偏移率的概念,將特征波長(zhǎng)和葉綠素濃度建立了關(guān)系,給出了兩者的數(shù)值關(guān)系和半經(jīng)驗(yàn)關(guān)系模型。特別是兩者的半經(jīng)驗(yàn)關(guān)系,特征波長(zhǎng)和葉綠素濃度的擬合結(jié)果的決定性系數(shù)達(dá)到了92％。
　　特征波長(zhǎng)