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利用中国地区122个地面台站太阳辐射观测数据和196个站点日照时数观测数据详细研究了近40年来中国地区地面太阳总辐射、直接辐射、散射辐射、日照百分率、晴空指数、散射与总辐射比值等参数的时空分布特征和长期演变趋势。发现近40年来中国地区太阳总辐射、直接辐射、日照百分率、晴空指数呈明显下降趋势,而散射与总辐射比值呈上升趋势,大气气溶胶的增加可能是导致上述变化最主要的因素。
利用SKYRAD.pack程序反演得到了北京、敦煌、银川、青岛、合肥和榆林共6个不同地区代表站大气气溶胶光学特性的7个关键参数,包括:500 nm大气气溶胶光学厚度,Angstrom波长指数,单次散射反照率,气溶胶粒子体积谱分布,复折射指数,不对称因子,相函数二阶矩的季节变化特征,分析它们之间的相互关系,各因子间可能的影响,以及不同地区的差异。
将北京、敦煌、银川、青岛和合肥等5个站点天空辐射计反演得到的实际大气气溶胶关键光学特性(光学厚度、复折射指数、单次散射反照率、粒子谱分布等)资料代入Rstar5b辐射传输模式,计算了5个地区大气层顶和地面在晴空条件下大气气溶胶的辐射强迫、辐射强迫效率以及各个站点辐射强迫在不同的光学厚度和单次散射反照率下的分布情况。
敦煌地区气溶胶粒子主要来自沙尘气溶胶,地面其辐射强迫效率要明显大于其它地区;合肥地区由于受到黑碳等吸收性气溶胶的影响较大,地面大气气溶胶辐射强迫效率相对较高,而大气层顶辐射强迫效率在5个地区中最小;北京和银川地区大气气溶胶主要是硫酸盐等散射性较强的气溶胶影响较大,气溶胶地面辐射强迫效率要比敦煌与合肥略小一些;青岛地区由于主要是受到海盐气溶胶的影响,地面辐射强迫效率在5个区域中最小,而大气层顶辐射强迫效率则最大。具体如下:
1.我国不同的气候区,地面太阳辐射分布呈现出不同的特征。地面太阳总辐射和太阳直接辐射高值中心位于青藏高原南部地区,在四川盆地存在明显的低值中心,长江中下游和珠江三角洲地区总辐射和直接辐射都比较低。地面太阳散射辐射在四川盆地和塔里木盆地存在两个高值中心。
2.中国地区地面太阳总辐射在1961-2000年期间呈明显下降趋势,下降幅度大约-0.39 MJ/10年。地面太阳直接辐射在1961-2000年期间也呈明显的下降趋势,下降幅度达到了-0.24 MJ/10年,均通过了99%置信度水平检验。太阳散射辐射近30年来无明显变化趋势。地面太阳总辐射1961至1989年下降趋势明显,而从1990年开始呈现出上升的趋势。在华南、川黔和长江中下游地区太阳总辐射和直接辐射的下降趋势最为显著,而且在冬季下降幅度最大。
3.近40年来中国地区晴空指数总体呈下降趋势,其大小约为-1.1%/10年,通过了99%置信度水平检验。散射和总辐射比值则呈现出上升趋势,上升幅度大约0.5%/10年,通过了95%置信度水平检验。近40年来日照百分率下降趋势为:-1.3%/10年,通过了99%置信度水平检验。从区域分布来看,64个站点中有63个站点呈现出了不同程度晴空指数下降的趋势,散射总辐射比值除了在西部地区少数站点呈现下降趋势外,东部地区大部分站点都呈现出多年增加趋势。日照百分率和晴空指数多年时空变化具有很好的正相关。
4.综合辐射参数和其它气候因子的长期演变趋势的分析后发现,我国过去40年来地面太阳总辐射和直接辐射下降趋势很可能跟大气中气溶胶含量的增加有关。但是这种推测还有待于进一步的研究加以证实。
5.北京地区大气气溶胶受城市排放源的影响较大,光学厚度和Angstrom指数的关系呈现出城市气溶胶特征。其平均光学厚度为:0.46±0.19;单次散射反照率为:0.92±0.02; Angstrom指数为:0.96±0.22;粒子谱分布呈双峰分布特征;不对称因子为:0.68±0.04;复折射指数为:1.50±0.008i。北京晴空条件下年平均地面大气气溶胶的辐射强迫为:-29±16 W/m2;年平均大气层顶大气气溶胶的辐射强迫:-6.4±5.0 W/m2;年平均大气气溶胶对大气的加热效应为:22±14W/m2;地面大气气溶胶的辐射强迫效率:-93±10 W/m2;大气层顶大气气溶胶的辐射强迫效率:-18±5 W/m2;大气中大气气溶胶的加热率:75±14 W/m2。
6.敦煌地区大气气溶胶主要包含矿物粉尘气溶胶。其光学厚度为:0.34±0.12;单次散射反照率:0.79±0.02;Angstrom指数为:0.42±0.10;粒子谱分布呈现只有粗粒子的单峰分布;Angstrom指数随光学厚度的增加而减小;不对称因子为:0.73±0.06;复折射指数为:1.48±0.017i。敦煌晴空条件下年平均地面大气气溶胶的辐射强迫为:-34±17 W/m2;年平均大气层顶大气气溶胶的辐射强迫:-5.1±5.5 W/m2:年平均大气气溶胶对大气的加热效应为:28±17 W/m2;地面大气气溶胶的辐射强迫效率:-110±17 W/m2;大气层顶大气气溶胶的辐射强迫效率:-16±5.0 W/m2;大气中大气气溶胶的加热率:94±22 W/m2。
7.合肥地区大气气溶胶主要来源于城市气溶胶但受到水汽影响比较大。其光学厚度为:0.82±0.16;单次散射反照率为:0.87±0.04;Angstrom指数为:0.60±0.19;粒子谱分布呈双峰分布特征;不对称因子为:0.70±0.05;复折射指数为:1.49±0.019i。合肥晴空条件下年平均地面大气气溶胶的辐射强迫为:-73±25 W/m2;年平均大气层顶大气气溶胶的辐射强迫:-4.2±8.1 W/m2;年平均大气气溶胶对大气的加热效应为:67±30 W/m2;地面大气气溶胶的辐射强迫效率:-93±20 W/m2;大气层顶大气气溶胶的辐射强迫效率:-7.0±5.0 W/m2;大气中大气气溶胶的加热率:86±25 W/m2。
8.青岛地区大气气溶胶受到海盐和局地气溶胶的影响较大。其光学厚度为:0.59±0.19;单次散射反照率:0.90±0.04; Angstrom指数为:1.1±0.16;粒子谱分布呈双峰分布;不对称因子为:0.68±0.03;复折射指数为:1.51±0.009i。青岛晴空条件下年平均地面大气气溶胶的辐射强迫为;-35±16 W/m2;年平均大气层顶大气气溶胶的辐射强迫:-12±5.9 W/m2;年平均大气气溶胶对大气的加热效应为:23±16 W/m2;地面大气气溶胶的辐射强迫效率:-71±13 W/m2;大气层顶大气气溶胶的辐射强迫效率:-24±6.0W/m2;大气中大气气溶胶的加热率:47±19 W/m2。
9.银川地区大气气溶胶受到矿物粉尘气溶胶和城市气溶胶的共同影响。其光学厚度为:0.46±0.11;单次散射反照率:0.84±0.02; Angstrom指数为:0.53±0.18;粒子谱分布在春季只有粗粒子一个峰,其它季节双峰分布;不对称因子为:0.68±0.05;复折射指数为:1.50±0.010i。银川晴空条件下年平均地面大气气溶胶的辐射强迫为:-37±16 W/m2;年平均大气层顶大气气溶胶的辐射强迫:-7.6±5.9 W/m2;年平均大气气溶胶对大气的加热效应为:29±17 W/m2;地面大气气溶胶的辐射强迫效率:-92±13 W/m2;大气层顶大气气溶胶的辐射强迫效率:-18±5.0 W/m2;大气中大气气溶胶的加热率:74±15 W/m2。
10.榆林地区大气气溶胶主要是受到人为气溶胶和矿物粉尘气溶胶的影响。其光学厚度为:0.43±0.14;单次散射反照率:0.87±0.05; Angstrom指数为:0.31±0.09;粒子体积谱呈双峰分布;不对称因子为:0.70±0,03;复折射指数为:1.37±0.015i。