太湖东山站辐射收支时间变化特征及其影响因素研究开题报告
2021-12-14 21:56:01
1. 研究目的与意义及国内外研究现状
太阳辐射是自然环境中各种物理过程的主要能量来源，在地球气候系统的长期演化过程中起着“原始驱动力”的作用[1]。换而言之，太阳辐射影响着地表的气候要素及其分布[2]，是天气、气候形成和演变的基本动力[3-5]，地面和大气中的辐射收支从大尺度上影响着地气系统的能量平衡，进而决定了地球气候的基本特征[6]。地表辐射收支过程是陆-气相互作用的主要研究内容，它不仅表征了地表光热资源的分布特征，还集中反映了地气耦合过程的能量纽带作用[7]。地表辐射收支特征驱动着生态系统所有的生物物理和生物地球化学过程，进而影响局地天气、区域和全球气候。
由此可见，研究陆地地表辐射收支的时间变化是十分必要的，其辐射收支特征，对于全面理解地表辐射收支特征有一定的意义，对深刻认识陆地生态系统的生物、物理及化学过程有一定的帮助，对于明确陆地辐射收支变化特征对全球气候变化的响应有一定的参考价值。鉴于辐射收支的时间变化对大气候环境的影响及其重要性，合理描述地表辐射收支变化特征，并揭示其影响因素就显得尤为重要。
二、参考文献:
[1]石广玉.大气辐射学[C].北京:科学出版社,2007.
[2]马琪,杜继稳,延军平,等.1961-2009年大同市太阳辐射变化特征及其与气象要素的关系[J].气象与环境学报,2012,27(2):22-27.
[3]左大康,周允华,项月琴,等.地球表层辐射研究.北京:科学出版社,1991.
[4]刘晶淼,马金玉,李世奎,等.华北平原北部太阳辐射及地表辐射平衡特征分析—基于河北固城站的试验观测研究.太阳能学报,2009,30:577-585.
[5]申彦波,赵宗慈,石广玉.地面太阳辐射的变化、影响因子及其可能的气候效应最新研究进展.地球科学进展,2008,23:915-923.
[6]Gilgen H., Wild M., Ohmura A.. Means and trends of shortwave irradianceat the surface estimated from global energy balance archive data[J].Journal ofClimate, 1998,11(8):2042-2061.
[7]李锁锁,吕世华,奥银焕等.黄河上游辐射收支及土壤热状况季节变化特征[J].太阳能学报,2009,30（20）:0156-0162.国内外研究现状
| 一、地表辐射收支的日变化和季节变化特征 地表辐射收支的变化特征主要涉及到辐射四分量:向下短波辐射（）、向上短波辐射（）、向下长波辐射（）和向上长波辐射（）的时间变化特征。根据辐射四分量，可通过辐射收支平衡方程（）计算得到地表净辐射（）的值，并依此分析出净辐射量的时间变化特征。除此之外，地表反照率（）定义为向上短波辐射与向下短波辐射之比，与地表辐射收支关系密切。 （1）地表辐射四分量的时间变化特征 从日变化特征来看，晴天向下短波辐射具有明显的日变化规律。从日出开始，随着太阳高度角增大，向下短波辐射逐渐增强，到正午时刻达到最大值，然后逐渐减小。根据地表下垫面类型的不同，各分量的日变化有以下特征：在沙漠中[8]，一天当中正午时刻各辐射分量随着太阳高度角的增大，各辐射分量逐渐变大，达到中午时刻各辐射分量达到最大值，随着时间的推移，太阳落山各辐射分量的值逐渐变小，在夜间达到最小值。向下短波辐射变化的振幅最大，向上短波辐射和向上长波辐射的振幅最小，较为平稳，没有明显的波动现象。而在绿洲和隔壁[8]，随着太阳高度角的变大，向下短波辐射和净辐射的量逐渐增加，而向上短波辐射和向上长波辐射慢慢减少，到达正午时刻总辐射和净辐射达到一天当中的最大值，而向上短波辐射和向上长波辐射达到一天当中的最小值，随着太阳落山，向下短波辐射和净辐射的值逐渐减小在夜间达到最小值，而向上短波辐射和向上长波辐射在夜间达到最大值。其中向下短波辐射和净辐射的日变化幅度较大，向下长波辐射的变化幅度较小，向上短波辐射和向上长波辐射的变化幅度介于以上两者之间。 从季节变化特征来看，不同下垫面类型的辐射分量月均值量级有一定差异，但各辐射分量的季节变化特征所呈现的规律确有相似性。李帅等[8]研究了塔克拉玛干沙漠腹地地表辐射收支季节变化特征，2007年9月-2008年8月塔中地区辐射收支各分量月均值的季节变化特征。除反射辐射在2月份达到最大值外，其余各辐射分量最大值均出现在7月，最小值出现在12月。李锁锁等[1]对黄河上游地区辐射收支及土壤热状况季节变化特征分析发现，该地区各辐射分量从4月到9月显著增加，从10月份到翌年3月份逐渐降低，年内季节变化呈典型的单峰结构。季国良等[7]和刘谊宏等[2]等对不同地区的辐射收支变化特征研究结果表明：各辐射分量均存在显著的季节变化，一般为夏季最大、冬季最小、春秋次之的基本特征。太阳总辐射的最大值出现在夏季，最小值出现在冬季。春秋季节的总辐射量略大于冬季。地表反射辐射季节变化特征与太阳总辐射类似，但四季间的差异较小，但反射辐射的季节变化应考虑降雪等因素的影响。大气长波辐射呈现夏季 春季 秋季 冬季的季节变化特征，夏季和冬季的差别较大。受太阳总辐射的支配，净辐射呈现类似的夏季大、冬季小的季节变化特征。净辐射各季达到峰值时间均为12:00，春季和秋季差别很小，夏季和冬季间差别较大。 二、地表辐射收支变化特征影响因素 到达地面的太阳辐射，除受太阳高度角的影响外，还受到云，降水，下垫面植被的类型，以及土壤湿度和气溶胶粒子的影响。其中最重要的因素还是太阳高度角和土壤湿度，辐射收支就是大气和陆地之间的相互作用，而太阳高度角和土壤湿度就是影响太阳辐射和地表辐射的最主要因素。而云和降水还有气溶胶粒子主要是通过改变土壤湿度来间接的影响辐射收支。 在日时间尺度上，太阳高度角[9]日出后开始增大，正午时刻达到峰值，午后逐渐减小，向下短波辐射受太阳高度角影响，一天中正午时刻最强，日出、日落时刻最小。在季节变化尺度上，从冬季到夏季随着太阳高度角逐渐增大，向下短波辐射也逐渐增多，从夏季到冬季又随着太阳高度角的逐渐减小，又逐渐减少，表现出明显的季节变化特征。 云[10][11][12][13]对到达地面的太阳辐射有非常重要的影响。一方面云吸收和散射人射的太阳辐射，它对太阳辐射较高的反射率起到了冷却地气系统的作用，这就是云的“反照率效应”；另一方面，云又捕获地表和对流层下层发射的红外热辐射，以它自身较低的温度和发射率向外射出热辐射，起加热地气系统的作用，这就是云的“温室效应”。云对太阳辐射反照率效应和地球辐射的温室效应这两种相反作用的综合效果可对地球辐射收支产生了极其重要的作用。云量的增加导致被散射和吸收的太阳短波辐射增多，削弱到达地面的太阳直接辐射，同时使向下长波辐射增大。向下短波辐射的日变化曲线不对称于正午时刻，是上午和下午的云量不同引起的。向下短波辐射值在夏季中期出现较大的波动，这也是由于云的影响。 除此之外，土壤湿度[14]的不同也是最主要的影响因素之一，土壤湿度越大，反射辐射越小，土壤较湿有利于绿洲地表吸收辐射的存贮；还发现当空气中的水汽含量相差不大时，土壤较湿润，则向下长波辐射白天较小，夜晚较大。但当水汽含量差别较大时，水汽含水量起主要影响作用，空气越湿润，向下长波辐射越小；土壤越湿润则向下长波辐射就越小；以及在同一生长期，土壤越湿润时净辐射峰值越大，白天向地下输入的能，夜间向大气输送的能量少，存贮的能量较多。 与此同时大量研究表明气溶胶[15]对辐射收支也有很大的影响，气溶胶粒子可以散射和吸收太阳辐射，从而直接造成大气吸收的太阳辐射能、到达地面的太阳辐射能以及大气顶反射回外空的太阳辐射能的变化。同时也发现由于气溶胶粒子的存在，可以改变云的物理和微物理特征并进而改变云的辐射特征，影响太阳能在地气系统中的分配。与此同时气溶胶与云和降水之间具有多种相互作用方式，它既可以作为云凝结核或者冰核，也可以作为吸收性粒子将吸收的太阳能转换为热能，使其在云层内重新分配。总体来说气溶胶粒子通过改变云和降水的形式来间接的影响辐射收支的变化。 另外，研究发现对于地面辐射的影响，主要是由于下垫面植被[16]的差异，导致各辐射分量有很明显的差异。发现半干旱草原地表反射辐射月平均值低于黑河地区草地和荒漠的值，但高于农田的值;而半干旱草原的大气长波辐射年总量低于黑河地区草地、荒漠和农田下垫面的值。 三、地表反照率的日变化和季节变化特征 地表反照率是地面反射的太阳辐射与到达地面的太阳辐射之比，它反映了地面对太阳辐射的反射能力，决定了下垫面可利用能量的多少，进而驱动所有生物、物理、化学动力过程和气候系统变化，其变化会改变整个地-气系统能量收支平衡，引起局地以至全球气候变化。 从日变化特征来看，湖面反照率呈“U型”[17]的变化规律，即日出之后地表反照率开始降低，在午后达到最小值，之后又增大。从季节变化特征来看，秋冬季反照率明显高于春夏季反照率，同一地区的地表反照率在数值[18] [19]上冬季（1月）最大，夏季（7月）最小，春秋季(4月和10月)次之，且秋季比春季稍大，反映出明显的季节变化。 四、地表反照率变化特征影响因素 影响陆地地表反照率的大小主要因素是太阳高度角[17]，土壤湿度，降水，降雪，植被覆盖率，粗糙度。太阳高度角是影响地表反照率的主要因子。在日时间尺度上，太阳高度角[20]从清晨开始逐渐增大，正午达到最大值，然后逐渐降低。地表反照率受太阳高度角日变化的影响，呈现出有规律的日变化，即上午随着太阳高度角的增大而降低，下午随着太阳高度角的降低而升高。太阳高度角的年变化规律为从春季开始逐渐增大至夏季达到峰值，随后开始降低。受其影响，地表反照率呈现规律性的年变化。综上所述，太阳高度角日变化和年变化直接影响地表反照率的日变化和年变化，使其在日尺度和季节尺度上呈现出规律性的变化趋势。 其次，影响地表反照率的因素是土壤含水量[21]。土壤湿度对地表反照率的影响特别大，土壤含水量增加，直接导致日平均地表反照率下降。而在土壤含水量较低的地方地表反照率逐渐升高，可见土壤湿度是影响地表反照率的关键因素。 同时也发现降雪[22]对地表反照率起到的作用也是尤为显著的，这是由于早晨和傍晚太阳高度角较高，积雪表面有更强的镜面反射效应，造成全天和正午时刻的反照率差异最大，使得有积雪的天气反照率更大。 余予[21]等发现植被覆盖类型因素影响地表反照率的因素，由于不同地物之间对太阳光谱的反射特征差异很大，由于季节性变化，植被覆盖分布对反照率的影响更为显著。同时发现粗糙度大的表面起伏不平，反照率相对较小。 另外，在诸多气象要素中，李巧萍等研究发现，对反照率影响最大的是降水量的多少。在冬季，中国北方和青藏高原大部地区被冰雪覆盖，反照率明显高于中国东部、南部地区，而此时的东部、南部地区降水较多，其直接作用的结果使地表土壤湿度增大，土壤的颜色变暗，下垫面反照率明显降低。 五、参考文献: [8]李帅,胡烈群,何清等.塔克拉玛干沙漠腹地地表辐射收支特征研究[J].中国沙漠,2012,32(4):1035-1045. [9]姚万祥,李峥嵘,李翠. 各种天气状况下太阳辐射照度与太阳光照度关系[J]. 同济大学学报(自然科学版),2013,41(5):0784-0788. [10]汪凯,叶红,陈峰等.中国东南部太阳辐射变化特征、影响因素及其对区域气候的影响[J].生态环境学报,2010,19(5):1119-1124. [11]赵春霞,郑有飞,吴荣军等.我国东南沿海地区城市太阳辐射变化差异及其影响因素分析[J].热带气象学报,2013,29(3):0465-0473. [12]LAISER D P. Analysis of total cloud amount over China,1951-1994[J]. Geophysical Research Letters, 1998, 25(19): 3599-3602. [13]丁守国.中国地区云及其辐射特性的研究[R].北京:中国科学院大气物理研究所.2004. [14]文莉娟,吕世华,陈世强,等.夏季晴天不同土壤湿度条件的绿洲辐射特征[J].太阳能学报,2007,28（5）:0567-0572. [15]石广玉,王标,张华,等.大气气溶胶的辐射与气候效应.大气科学,2008，32(4): 826-840. [16]顾润源,吴荣盛,吴菊秀,等.内蒙古半干旱草原下垫面地表辐射特征[J].干旱区地理,2013,36(5):0854-0864. [17]刘辉志,涂钢,董文杰.半干旱区不同下垫面地表反照率变化特征[J].科学通报,2008,53（10）:1220-1227. [18]蔡福,祝青林,何洪林,等.中国月平均地表反照率估算及其时空分布[J].资源科学,2005,27（1）:0114-0119. [19]张果,周广胜,阳伏林. 内蒙古荒漠草原地表反照率变化特征[J].生态学报2010 30 (24 ): 6943- 6951. [20]孙俊,胡泽勇,荀学义,等.黑河中上游不同下垫面反照率特征及其影响因子分析[J].高原气象,2011,30(3) :607-613. [21]余予,陈洪滨,夏祥鳌,等.青藏高原纳木错站地表反照率观测与MODIS资料的对比分析[J].高原气象,2010,29(2):260-267. [22]李巧萍,丁一汇,董文杰.中国近代土地利用变化对区域气候影响的数值模拟[f].气象学报,2006,(3):257-269. |
2. 研究的基本内容
太湖东山站辐射收支时间变化特征及其影响因素分析：本文基于2012年太湖东山站辐射四分量实测数据，结合云量、降水等小气候数据以及土壤温湿度数据,分析东山站辐射四分量、地表净辐射和地表反照率的时间变化特征及其与各影响因子之间的关系，可从以下三个角度分析：
（1）分析太湖东山站辐射四分量和净辐射的时间变化特征
1、分析东山站的辐射四分量（向下短波、向上短波、向下长波、向上长波）以及净辐射的季节平均和年平均日变化特征；
3. 实施方案、进度安排及预期效果
| 一、实行方案（技术流程图）
二、实行进度
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4. 参考文献
| [1] Heusinkveld B G,Jscobs A F G, Holtslag A A M, et al. Surface energy balance closure in anarid region: role of soil heat flux[J]. Agricultural and Forest Meteorology,2003, (116): 143-158. [2] Zhang Qiang, CaoXiaoyan. The influence of synoptic conditions on the averaged surface heatand radiation budget energy over desert or Gobi[J]. Chinese Journal ofAtmospheric Sciences, 2003, 27(2): 245-254. [3] 何清，谬启龙，李帅等．塔克拉玛干沙漠腹地总辐射变化特征及影响因子分析[J]．中国沙漠．2008，28(5)：896-902． [4]李锁锁，吕世华，奥银焕等．黄河上游辐射收支及土壤热状况季节变化特征[J]．太阳能学报，2009，30(20)：0156-0162. [5]刘宏谊，杨兴国，张强等．敦煌戈壁冬夏季地表辐射与能量平衡特征对比研究[J]．中国沙漠，2009，29(3)：0558-0566.
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