以能量方法研究紫外辐射在大气中的传输

2004年9月～2006年10月,在华北地区4个站点开展了太阳辐射、气象参数等综合观测,得到了紫外辐射UV、总辐射Q等的变化特征.水汽和散射因子对于UV/Q和UV有明显影响.建立了实际天气UV小时累计值(时累)的经验模式,得到了较好的计算结果.水汽因子对于UV在大气中的传输有一定的作用,应给予重视.计算表明,华北地区受水汽因子衰减到达地面的UV以及占地面UV的比例分别为15.00W.m-2和37.45%,受散射因子衰减到达地面的UV以及占地面UV的比例分别为23.89W.m-2和62.55%.华北地区受水汽因子和散射因子影响损失于大气中的UV分别为19.30、35.31W.m-2,这一能量损失表现出明显的季节变化和地区差异.敏感性实验表明,地表UV对于水汽和散射因子的变化有不同的响应,UV对散射因子的变化比对水汽因子的变化更敏感.水汽因子与UV之间的关系与水密切相关,水汽项的真正含义是大气中各种物质成分(气、液、固态)对于UV的直接吸收和间接利用(通过化学和光化学反应,包括均相和非均相过程)的总和.利用经验模式计算了大气顶的UV,计算误差为+7.83%.未来研究中应重视和考虑消耗于大气且与水汽有关的这部分能量.以能量观点分析实测资料并研究大气中的物理化学过程是一种行之有效的方法.     

华北地区紫外与可见光辐射在大气中的传输

根据对华北地区2年观测资料的分析以及实际天气条件下紫外辐射(UV)和可见光辐射(VIS)的经验模式,研究了UV、VIS在大气中的传输,得到了大气中物质成分与不同波段太阳辐射相互作用的不同特征和规律.结果表明,对于UV传输,水汽因子的重要性远大于散射因子;对于VIS传输,散射因子的重要性大于水汽因子.受水汽和散射因子衰减的影响,到达地面的UV、VIS表现出一定的地域特色,华北地区到达地面的UV、VIS均以散射因子的贡献为主,在紫外、可见光波段,散射因子的贡献分别为62.55%、95.76%.经水汽因子衰减到达地面的UV大于VIS,经散射因子衰减到达地面的VIS远远大于UV.整体上,华北地区SD/SQ(散射辐射/总辐射)年均值由南到北逐渐降低,地面UV、VIS由南到北逐渐增加.仅受水汽因子影响,华北地区损失于大气中的UV、VIS能量分别为19.30、16.54W.m-2;仅受散射因子影响,华北地区损失于大气中的UV、VIS能量分别为35.31、311.07W.m-2.华北地区UV和VIS的能量损失季节变化明显,并表现出由南到北减小的趋势.UV、VIS在大气中传输时,一部分能量被大气中的物质成分在化学和光化学反应中吸收和利用,这一能量影响到大气中的各种基本过程,在未来研究中应予以高度重视.利用能量方法并结合对测量数据的分析来研究大气中物质与辐射能量的相互作用,特别是能量在大气中的利用、分配、时空变化等是一种有效、客观的方法.UV对水汽的敏感性远大于VIS对水汽的敏感性,UV和VIS对SD/SQ的敏感性大于对水汽的敏感性.     

参与光化学反应的物质对UV能量吸收的估算

在对北京紫外辐射(UV)观测资料分析的基础上,提出参与光化学反应的物质对UV能量具有吸收作用.计算了1990年12个月实际天气比晴天UV能量的减少值在64～109 W/m2之间,这一减少受臭氧、"水汽"、气溶胶等因子的衰减分别为39.1～66.3,21.5～36.5,3.2～5.5 W/m2(12月除外),12个月的平均值分别为48.3,26.6,4.0 W/m2.计算结果表明,云天大气对UV能量有衰减,其衰减能量中有26.6 W/m2是"水汽的作用",即参与大气光化学反应的物质对UV能量吸收所造成的,此计算值同国外观测与模式的研究结果比较接近.由于现有模式中还没有考虑这一部分能量,所以造成模式结果与观测结果间较大的差异.      

环境气象学

X162(X)3(X为70参与光化学反应的物质对U’V能量吸收的估算/白建辉…(中科院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室)//环境科学研究/中国环科院一2(X刀,15(4)一24一26 环图X一6 在对北京紫外辐射(UV)观测资料分析的基础上,提出参与光化学反应的物质对UV能量具有吸收作用。计算了1夕训)年12个月实际天气比晴天UV能量的减少值在64一1伪W/mZ之间,这一减少受臭氧、“水汽”、气溶胶等因子的衰减分别为39 .1一66 .3,21 .5一36.5,3.2一5.5W/m2(12月除外),12个月的平均值分别为48.3,26.6,4.OW/砂。计算结果表明,云天大气对…     

北京晴天紫外辐射的传输、损失及其长期变化

基于北京1990年晴天太阳辐射和气象观测资料的分析,考虑了影响紫外辐射(UV)的主要因子——臭氧、光化学、散射等对UV能量的吸收、利用和散射作用,发展了晴天UV的经验模式.研究表明,1990和1991年UV计算值与UV测量值吻合较好,二者相对偏差的平均值分别为3.68％、3.83％.利用此经验模式计算了大气上界的UV,计算结果较为合理.采用经验模式及考虑太阳活动、轨道参数、大气成分等因素的订正,计算了北京1979-1998年晴天的UV,其表现为下降趋势,年均下降率为0.20％.1979-1998年晴天,受臭氧、光化学和散射等因子影响,损失于大气中的各个UV能量都表现出增长趋势,年增长率分别为6.93％、7.56％、7.13％;损失于大气的UV能量以吸收和利用作用为主,并表现为冬季最大的特征.     

气溶胶污染对地面太阳紫外辐射的影响

一、前言太阳光通过大气层时经过了各种影响因素的衰减后到达地面,其中臭氧分子吸收,气溶胶粒子吸收和散射的影响作用最为主要.当臭氧浓度或气溶胶粒子浓度改变时,到达地面的太阳紫外辐射量将改变.据观测,近二十年来,全球范围内臭氧总量已普遍减少了1％—3％.臭氧浓度的降低增加了地面紫外线B辐射(UV-B,280—320nm),从而将给地球生物带来一定的危害作用.尽管臭氧浓度减少对地面UV-B辐射增加的作用很大,但是大气中颗粒物含量的增     

北京地面紫外辐射与空气污染的关系研究

基于北京城区太阳辐射和污染气体观测资料,运用TUV4.4辐射传输模型,研究了城市大气中太阳紫外辐射与空气污染的相互关系.结果表明,臭氧总量平均为329DU,并呈冬春季较高,夏秋季较低的季节变化规律,到达地面的紫外辐射呈现相反的变化趋势;受城区大气污染的影响,地面处的紫外辐射量大幅减少(最大50%),且在夏季波动较大;云和污染物对紫外辐射的影响要大于总辐射,紫外辐射衰减约为总辐射衰减的2倍;城市低层大气中O3和NOx浓度的增加是造成紫外辐射衰减的重要原因,午后O3浓度与紫外辐射衰减相关系数为0.70.     

长江中下游浅水湖泊水下辐照度漫射衰减特征研究

基于2007年9月底和10月初在湖北武汉东湖、梁子湖、洪湖以及2010年4月在昆山市傀儡湖进行的水下光场测定数据,分析了4个湖泊漫射衰减系数变化特征及其主导因素.在东湖和傀儡湖各站点水体主要光学因子变化不大,梁子湖和洪湖由于具有草型和藻型湖区,所以各因子在不同点位变化较大.通过对透明度和各光衰减因子的回归分析可知,无机颗粒物是影响东湖和傀儡湖透明度的主要因子,而梁子湖和洪湖透明度则受无机和有机颗粒物的共同制约.4个湖泊的光谱漫射衰减系数最低值均出现在580 nm处,在675 nm处各点均具有相应的叶绿素a的特征吸收峰,在叶绿素a浓度较低站点衰减峰相对不明显.东湖平均真光层深度小于湖体平均深度,在目前的光场条件下沉水植物很难生长,而在梁子湖、洪湖和傀儡湖其真光层深度均超过了水深,为沉水植物的生长提供了良好的水下光环境.对PAR衰减与各衰减因子进行回归分析发现,在东湖、傀儡湖主导PAR衰减的是无机颗粒物,梁子湖和洪湖PAR衰减受到无机颗粒物、有机颗粒物和叶绿素a的共同作用.颗粒物特征波长750 nm处的光束衰减系数与PAR漫射衰减系数存在显著正相关,说明颗粒物散射显著贡献水下光辐射漫射衰减.研究结果有助于指导浅水湖泊水下光场条件改善和沉水植物恢复.     

北京地区城市化对太阳辐射的影响-趋势分析

本文根据太阳辐射在大气中的传输削弱原理,采用逐项扣除方法计算分析了北京地区冬季大气污染对太阳直接辐射通量的削弱(S_a)及其逐年变化,同时计算分析了Linke浑浊因子(T)、湿浑浊因子(W)和污染浑浊因子(R)等大气透明度特征量及其逐年变化.计算结果表明,在冬季晴天条件下,S_a平均占太阳常数的21％,而理想大气削弱和水汽吸收削弱只分别占17％和7％.S_a具有明显的逐年增加的总趋势,平均从60年代初的0.30cal/cm~2·min增加到80年代初的0.51cal/cm~2·min,S_a的净增量占太阳常数的11％.在同样条件下算出的T的多年平均值为3.20,水汽、理想大气和污染物对T的贡献分别为0.54、1和1.66,近似比例为1:2:3,污染物对T的贡献占50％.T和R也都具有明显的逐年增加的总趋势,分别从60年代初的2.7和1.1增加到80年代初的3.7和2.1.分析表明.造成以上变化趋势的主要原因是城市化引起的大气污染的加重,现有的污染控制措施还未能有效地改变这种趋势.     

中国北方近50年潜在蒸发的变化

利用彭曼-蒙梯斯公式和常规气象资料计算中国北方地区潜在蒸发(也称蒸发力)变化,分析实测蒸发皿蒸发的变化,结果表明:自20世纪50年代以来,潜在蒸发和蒸发皿蒸发呈波动下降趋势。日照百分率、风速下降和湿度增加影响了潜在蒸散和蒸发皿蒸发量的变化。从能量观点来说,太阳总辐射的下降是潜在蒸发和蒸发皿蒸发减小的主要原因之一,大气湿度增加和人类对于能源消耗的增加导致到达地面的太阳总辐射下降。因太阳总辐射的下降引起潜在蒸发的减小量约占总潜在蒸发减小量的78%左右。     

UV-B辐射增强对麻花艽叶片光合作用及相关生理参数的影响

采用20 W和40 W的UV-B灯辐射增强处理,测定分析了UV-B辐射增强对麻花艽(Gentiana straminea Maxim)叶片净光合速率及相关生理参数的影响. 结果显示:2008年8月3日,研究区大气温度从09:00开始上升,到14:00达到最高点,叶温和大气饱和水气压变化与气温变化趋势相似;光合有效辐射强度从07:00开始上升,至13:00达到最高,之后下降;麻花艽叶片净光合作用速率(P_n)、气孔导度(G_s)、胞间CO₂浓度(C_i)、蒸腾速率(E)和水分利用效率在对照下最高,在40 W UV-B辐射下最低;P_n在08:00—10:00最高,G_s在07:00—08:00最高,C_i在日出及日落时最高,E在09:00—13:00及14:00—18:00最高,水分利用效率在日出后最高;P_n与G_s,叶片温度,大气温度,光合有效辐射和大气饱和水气压亏缺呈正相关,与C_i呈负相关,与光合有效辐射强度的相关系数较高. P_n在光合有效辐射强度为0～800 μmol/(m2·s)时随光合有效辐射强度增加而增加,在2 200～3 000 μmol/(m2·s)时变化不大;G_s和E随光合有效辐射强度的增加而增加;C_i在光合有效辐射强度为0～800 μmol/(m2·s)时,随光合有效辐射强度的增加而呈下降趋势;水分利用效率在光合有效辐射强度为0～800 μmol/(m2·s)时随光合有效辐射强度的增加而呈增加的趋势,在800～3 000 μmol/(m2·s)时呈下降趋势. 说明UV-B辐射增强将使高寒草甸植物叶片P_n,G_s,C_i,E和水分利用效率降低.      

太湖地区太阳辐射与水温的变化特征及其对叶绿素a的影响

基于中国科学院太湖湖泊生态系统研究站1993年以来的常规监测资料,利用比较与数理统计相关分析方法对太湖地区的太阳辐射和水温变化特征及其对水体叶绿索a浓度的影响进行分析.结果显示,太湖地区太阳总辐射、光合有效辐射、光合有效辐射占总辐射的比例及水温总体上都呈上升的趋势.其中,光合有效辐射的增长速率大于总辐射的增长速率,年际水温增长率春季秋季>夏季.太阳辐射及水温的年内变化呈夏季大,春秋季次之,冬季最小的特征.此外,太阳辐射和水温与叶绿素a呈显著正相关关系(P<0.01),太阳辐射特别是光合有效辐射和水温的增加为藻类的大量生长和水华暴发提供了良好的物理条件,太湖蓝藻水华初始暴发时间有逐年前移的趋势且水华持续时间逐年增加.     

基于试验观测的光合有效辐射特征分析

光合有效辐射是生物、生态和农业常用的重要参数,常规气象资料中没有该资料,实测结果也比较少,以往多采用经验气候学计算获得。论文基于固城站观测辐射资料,对光合有效辐射特征分析的结果表明:光合有效辐射（PAR）占总辐射（Q）的比值(η_PAR)分布呈近似钟型,有60%的比值分布在0.35～0.45之间。η_{PARPARPARPARPAR})与Q的关系为:全年Q_PAR=0.40Q,生长季Q_PAR=0.41Q,这一结果与以往国内一些实测结果相近。论文用此值重新评估华北平原光合生产潜力的结果表明,以往估算光合生产潜力常采用η_PAR     

夏季太湖光学介质获取的光合有效辐射能量谱随深度变化规律的研究

根据2006-07-29～2006-08-01太湖41个站点测定的水体上、下行辐照度、非藻类颗粒物、浮游植物及有色溶解有机物(chromophoric dissolved organic matter, CDOM)的吸收系数,计算了单位水体中各介质所吸收光合有效辐射能量谱随深度的变化.结果表明,单位水体中的浮游植物获取光合有效辐射能量的标准化谱在表层有2个主峰,分别位于450 nm左右和675 nm左右,随着深度增加,位于450 nm左右的峰逐渐减弱,在藻型湖区和湖心区,衰减尤为明显,且该峰对应的波长出现红移现象;浮游植物获取的主要光能来源随深度的增加逐渐由400～500 nm和600～700 nm向600～700 nm过渡,在草型湖区的过渡速度相对缓慢,而在梅梁湾（藻型湖区）和湖心区却很快;单位水体中的非藻类颗粒物在表层获取的能量主要来自400～500 nm,但随深度的增加,其获取的能量主要来自500～600 nm;单位水体中CDOM获取光合有效辐射能量随深度的变化特征类似于非藻类颗粒物,但在草型湖区,其在500～600 nm获取能量的优势不如非藻类颗粒物明显.     

两种生态净化措施对水源水库光学环境的影响

为了评估生态净化措施对水体光学环境的影响,以上海金泽水库为例,在微纳米曝气复氧和水生植物净化两种生态净化措施前后布设采样点进行了光学衰减系数（水体光合辐照度（PAR）衰减系数）、真光层深度和透明度及相关水质指标的监测和分析.结果表明：水生植物净化和曝气复氧净化措施有利于水体光学环境的改善,经微纳米曝气后,水体透明度增大20%~25%,真光层深度增大2.2%~14.8%,光学衰减系数降低0.4%~4.4%;经水生植物净化后,水体透明度增大20%~29.4%,真光层深度增大6%~20%,光学衰减系数降低17.3%~20.5%.逐步回归结果表明不同生态净化措施的光学环境改善机制不同,微纳米曝气主要通过叶绿素、溶解性有机物、温度、溶解氧影响水体光学环境,水生植物净化主要通过浊度影响水体光学环境.冬季,两种生态净化措施对总氮和溶解性有机物均没有改善效果.     

博斯腾湖夏季水下光场特征分析及影响因素探讨

2011年8月,在新疆博斯腾湖17个站点进行水样采集,同步对11个站点进行水下光场原位测定.结果发现,博斯腾湖夏季总颗粒物吸收系数光谱表现出明显的浮游植物吸收特征,而浮游植物光谱曲线有明显的硅藻吸收光谱特征.在光合有效辐射波段,有色可溶性有机物（CDOM）吸收系数与浮游植物吸收系数对总吸收的贡献相当,而非色素颗粒物对总吸收的贡献最低.水下光谱衰减系数的最小值出现在580nm左右的绿光波段,PAR漫射衰减系数平均值为0.53m-1,平均真光层深度约为9.69m,大于湖水平均深度.在博斯腾湖虽然纯水和CDOM在总吸收中占有很重要的部分,但主导漫射衰减的因子仍为颗粒物.通过本文研究,以期能为干旱地区湖泊环境保护和水质遥感监测提供数据和理论基础.     

光合有效辐射总量及其散射辐射比例变化对 森林GPP影响的模拟

研究利用基于冠层辐射传输与植物生理过程的MAESTRA模型,结合中国东部鼎湖山、千烟洲及长白山3个典型森林生态系统的CO₂通量观测数据,对光合有效辐射(Photosynthetically Active Radiation, PAR)总量及其散射辐射比例变化影响下生态系统总初级生产力(Gross Primary Productivity,GPP)的变化进行了模拟与敏感性分析,从而探讨这两者的变化对森林生态系统GPP的综合影响。研究结果表明:PAR总量变化对GPP的影响程度由PAR总量变化幅度以及GPP对PAR总量变化的敏感程度所决定,较低的PAR总量与较高的温度条件下GPP对PAR总量变化较敏感;散射辐射比例增大可以提高森林冠层对入射PAR的吸收和利用效率,其对GPP的影响程度由散射辐射量的变化以及散射辐射与直射辐射在吸收与利用效率上的差别所决定,较高温度与叶面积条件下该差别较大;PAR总量与散射辐射比例共同变化对GPP的综合影响取决于上述两个过程的抵消结果,入射PAR较强时两者抵消作用通常更明显,在全年总量上,散射辐射比例变化对GPP的影响能抵消PAR总量变化影响的1/3~1/2。     

Automatic and continuous measurement of aerosol properties in Dunhuang, China

Ground-based simultaneous observations of sun direct and scattering radiation were carded out in Dunhuang for nearly 2 years.Aerosol optical depth, Angstrom wavelength exponent and size distribution were obtained from solar extinction and sky radiation. Water vapor content was obtained from sun direct radiation measurement at 940 nm. Relationship between aerosol properties and water vapor was discussed. Results showed that distinct seasonality of aerosol optical depth and Angstrom wavelength exponent was corresponding to seasonal variation of dust activity. Aerosol relative size distribution kept stable and volume concentration change was the reason resulting in variation of aerosol optical depth. Water vapor had minor effects on aerosol optical and physical properties.     

内蒙古草原挥发性有机物排放通量的研究

2002年夏季,利用静态箱方法,对我国内蒙古草原生态系统挥发性有机物的排放进行了首次测量,同时观测了太阳辐射、温湿度等参数.结果表明,异戊二烯是草地挥发性有机物排放中的主要成分.异戊二烯的排放有明显的日变化、逐日变化和季节变化规律.因子分析表明,可见光辐射、温度、水汽含量是影响异戊二烯排放的主要因子,而且可见光辐射是控制其排放过程的最主要因子.根据相关分析,在考虑影响异戊二烯的排放因子时,不仅要考虑通常的影响因子--可见光辐射、温度,还要考虑水汽的作用.箱方法的使用不可避免地造成箱内外太阳辐射、温湿度等的差别,因此,必须考虑修正采样箱对挥发性有机物排放通量带来的影响.2002年夏季,异戊二烯排放通量(C)的最大值为1649.3μg/(m²·h).6、8、9月采样期间异戊二烯排放通量的日平均值分别为886.6、707.0、427.2μg/(m²·h).