利用特征波長探討大氣和海洋中太陽輻射光譜特征的變化規(guī)律.pdf

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

2、br>　　本文首先將特征波長應(yīng)用于大氣上界的太陽輻射觀測數(shù)據(jù)中。本文使用了SORCE實驗室直接觀測得到的長達(dá)7年的大氣上界太陽輻射數(shù)據(jù),時間長度從2004年-2011年。觀測獲得7年內(nèi)特征波長的平均值為543.86nm,標(biāo)準(zhǔn)差為0.011。同時在觀測范圍內(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太陽輻射光譜變化密切相關(guān)。依據(jù)Lean給出的大氣上界太陽輻射氣候態(tài)數(shù)據(jù),本文給出了近1

3、00年內(nèi)特征波長的氣候態(tài)變化。從中可以看出,特征波長變化同樣表現(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)一步證實太陽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)下觀測的到達(dá)下墊面太陽輻射數(shù)據(jù),計算了不同天氣系統(tǒng)下的特征波長。通過分析發(fā)現(xiàn),在晴朗的天氣條件下,特征波長表現(xiàn)出一個普遍特征:隨太陽天頂角增大表現(xiàn)出先增大后減小。在多云的天氣條件下,特征波長隨太陽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。晴空下,不同地區(qū)特征波長也存在差異,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的變化,本文利用SPCTRAL

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

6、間。分析發(fā)現(xiàn),觀測獲得特征波長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的關(guān)系式。
　　為了描述海水中特征波長的變化規(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。同時該處70m處,特征波長的變化表現(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坭處特征波長的區(qū)域變化與到達(dá)下墊面特征波長變化無直接關(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,給出了特征波長的一條基本性質(zhì):特征波長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。
　　為了描述海水中特征波長與葉綠素濃度之間的關(guān)系,本文從特征波長定義式出發(fā),重新推導(dǎo)出特征波長另一個計算公式。該公式直接反映了海水中特征波長指數(shù)變化特征。依據(jù)該公式,本文定義了特征波長垂直衰減系數(shù)。該系數(shù)直接反映了特征波長在垂向的衰減,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)出不同太陽光譜輻射衰減的不同步性。依據(jù)特征波長的

9、指數(shù)公式,本文還給出了特征波長偏移率的概念。該概念描述了單位深度內(nèi)真實海水引起的特征波長與純海水引起的特征波長的差值。從中可以看出,特征波長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的變化規(guī)律。
　　本文利用特征波長偏移率的概念,將特征波長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)驗關(guān)系模型。特別是兩者的半經(jīng)驗關(guān)系,特征波長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