东帕米尔高原地表辐射收支及地表反照率特征_王国胜.pdf

第 42 卷 第 3 期2023 年 6 月高原气象PLATEAU METEOROLOGYVol.42 No.3June，2023王国胜，何清，邢红艳，等，2023.东帕米尔高原地表辐射收支及地表反照率特征 J.高原气象，42（3）：619-631.WANG Guosheng，HE Qing，XING Hongyan，et al，2023.Surface Radiation Budget and Surface Albedo Characteristics in Eastern Pamir Plateau J.Plateau Meteorology，42（3）：619-631.DOI：10.7522/j.issn.1000-0534.2022.00088.东帕米尔高原地表辐射收支及地表反照率特征王国胜1，2，何清2，邢红艳1，2，唐旭3（1.新疆师范大学 地理科学与旅游学院，新疆 乌鲁木齐 830054；2.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所/新疆塔克拉玛干沙漠气象国家野外科学观测研究站/中国气象局塔克拉玛干沙漠气象野外科学试验基地/新疆沙漠气象与沙尘暴重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830002；3.喀什地区塔什库尔干县气象局，新疆 塔什库尔干 845250）摘要：利用东帕米尔高原塔什库尔干国家基本气候站2020年6月至2021年6月观测的辐射数据，分析了东帕米尔高原不同时间尺度和不同天气条件下各辐射通量及地表反照率变化特征。结果表明：（1）各辐射通量在逐日均值变化上呈“V”型曲线；向下短波辐射、向上短波辐射、向下长波辐射、向上长波辐射和净辐射年曝辐量分别为5001.6，1370.3，6090.7，8550.8和1189.0 MJ m-2；在季节尺度上，各辐射通量总体表现为夏季春季秋季冬季，而向上短波辐射在冬季最高。（2）不同天气下，辐射通量也不同，晴天时，各辐射通量变化均为较平滑的单峰型，少云、多云时均为不规则单峰型，降水时，除冬季外均为多峰型，辐射通量均值变化表现为晴天少云多云降水。（3）地表反照率在观测期间平均值为0.29，最大值出现在1月，最小值出现在7月，分别为0.58和0.24；在季节上表现为冬季最大，夏季最小；春、夏、秋季地表反照率呈“U”型，冬季为倒“U”型；降雨时地表反照率下降，降雪时则地表反照率上升，说明不同降水类型对地表反照率影响不同。关键词：东帕米尔高原；地表辐射收支；地表反照率文章编号：1000-0534（2023）03-0619-13 中图分类号：P422 文献标识码：ADOI：10.7522/j.issn.1000-0534.2022.000881 引言 地表辐射收支过程可以体现近地表陆面热量交换特征，是进行陆面过程研究的主要内容（张强等，2011；肖婉秋等，2022）。通过对地表辐射收支变化进行分析，可以研究气候系统对太阳辐射强迫的平衡响应过程（岳平等，2013；高晓清等，2018）。开展针对地表辐射收支变化特征的研究，不仅对当前气象研究具有意义，还对气象事业长期且高效的发展影响深远，在提高气象预报业精度的同时，还能促进区域气象研究的多元化发展（姚檀栋等，2017；Wu et al，2015）。国外科学家最早于20世纪80年代开始将地表辐射收支变化作为陆面研究的主要内容（张强等，2017；何清和金莉莉，2021），国内也相继在不同地区开展了关于地表辐射通量变化的观测试验，并且在青藏高原（朱福康等，1990；何慧根等，2010；赵平等，2022）、云贵高原（郑小波等，2011；陈娟等，2012；夏阳等，2015）、内蒙古高原（岳平等，2010；顾润源等，2013；杨帆等，2016）及西北干旱区（何清等，2009；王超等，2012；金莉莉等，2014；Yang et al，2020）的研究中取得丰硕成果，不同研究成果从不同角度取揭示了该区域地-气间的能量交换特征，为当地从多角度进行陆面过程研究提供了理论基础。东帕米尔高原紧邻青藏高原，是古代陆上丝绸之路必经之地，也是我国“一带一路”倡议的国际主要通道，与青藏高原同属“第三极”范畴，平均海拔超过4000 m，是世界上地形结构最复杂的高原之一收稿日期：20220408；定稿日期：20220928资助项目：国家自然科学基金项目（42030612）；第二次青藏高原综合科学考察研究项目（2019QZKK010206）作者简介：王国胜（1997-），男，贵州遵义人，硕士研究生，主要从事陆面过程研究.E-mail：通信作者：何清（1965-），男，四川成都人，研究员，主要从事沙漠气象研究.E-mail：高原气象42 卷（赖欣等，2021；李文静等，2021）。随着我国自然资源的开发以及陆面过程研究的推进，对东帕米尔高原进行资源开发以及陆面过程研究成为新热点。现有对高原的研究表明，高原地区具有太阳辐射剧烈，昼夜温差大的特点（季国良，1999），高原地-气之间的能量交换过程不仅对自身所在地区及其周边地区具有影响，对区域甚至全球范围内的气候变化也有明显作用（肖攀登等，2011；孟宪红等，2015）。针对高原进行的辐射通量研究过程主要分为两个研究阶段，第一阶段前人展开青藏高原科考提出了适应高原地区的辐射计算方法，通过国际合作提出了以针对高原地-气能量交换特征为内容的研究项目，并在此基础上利用气象仪器加强了观测试验（马耀明等，2006；张人禾和徐祥德，2012）；第二阶段通过对不同区域进行长时间地表辐射数据的采集，以揭示不同区域的陆面变化特征，有学者利用WRF及CLM气候模型对青藏高原气象要素进行模拟，在模拟值与观测值之间虽有偏差，但仍可证明气候模型在单点数值模拟上的可靠性（罗立辉等，2013；王大山等，2020；吴笛等，2022）；还有学者利用地表辐射数据研究了日、月、季节以及典型天气下不同地区湿地地表辐射变化和地表反照率特征，明确指出在不同时间尺度上地表辐射和地表反照率具有明显的差异（刘安花等，2007；殷代英等，2018；张乐乐等，2018）。以往的研究中，均将地表辐射收支作为陆面过程研究的主要内容，所得成果也推动了陆面过程研究的发展。地表辐射收支研究受到了地理学和气象学研究的重视，在不同地形区域的研究已取得了丰硕的研究成果，而帕米尔高原由于复杂的地形和恶劣的气候条件，对其陆面过程各个气象参数展开观测较为困难，从而对其陆气相互作用的研究至今仍欠缺。东帕米尔高原在中国境内平均海拔仅次于青藏高原，且紧靠青藏高原，其下垫面冬季明显积雪、春夏季有灌丛覆盖，特殊地域格局和植被环境使东帕米尔高原地表辐射特征存在特殊性。因此，本文利用东帕米尔高原塔什库尔干国家基本气候站2020年6月至2021年6月地表辐射观测数据，对东帕米尔高原的不同时间尺度以及各种天气条件下的地表辐射变化规律进行分析，在一定程度上能揭示东帕米尔高原地表辐射收支及地表反照率特征，可为国家战略发展提供基本气象保障及为后续区域研究提供理论基础。文中涉及的地图是基于新疆维吾尔自治区地理信息公共服务平台标准地图系统下载，塔什库尔干塔吉克自治县地图由审图号为新S（2021）130号塔什库尔干塔吉克自治县地图标准画法示意图制作，底图均无修改。文中所用时间均为地方时。2 研究区域与观测数据 2.1研究区概况帕米尔高原作为中亚地区最重要的高原之一，横跨阿富汗、塔吉克斯坦以及我国新疆地区，位于我国境内部分称为东帕米尔高原（3530N-3830 N，7430 E-7700 E），面积约 30000 km2，区域内沟壑纵横，地形复杂，平均海拔超过 4000 m（图1）。受西风带及地形影响，冬寒夏凉，雨热同期的大陆性高山气候显著（李汉林等，2020；黄丹妮等，2021）。据塔什库尔干县国家基本气候站（海拔3080 m）1970-2019年气象观测资料，不同地形区域温度及降水存在明显差异，其中山地年平均温度约为1.5，平原地区年平均温度约为13；山地年降水量约为130 mm，平原约为70 mm；区域内蒸发量常年高于1500 mm（张震等，2018；徐阳等，2019）。气候条件下，山间多草场及戈壁，生长有碱蓬、碱茅、蒲公英等草本植物，平原地区多湿地草甸，生长有高原柳、沙棘等灌丛植物。2.2数据获取及处理所用地表辐射观测资料是依托喀什地区塔什库尔干县国家基本气候站（后称塔县站）进行观测所得，由中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所提供；降水数据为塔县站气象观测数据，具体仪器以及参数见表1。帕米尔高原自然地理环境较为复杂，为反映辐射通量在不同时间尺度上的变化，同时考虑到野外观测时长以及数据的连续性，本文选取东帕米尔高原塔县站 2020年 6月至 2021年 6月的辐射四分量向 下 短 波（DR）、向 上 短 波（UR）、向 下 长 波（DLR）、向上长波辐射（ULR）以及降水逐小时数据资料分析东帕米尔高原的辐射平衡和地表反照率特征。为了提高分析结果的可靠性，本文将短波辐射数据小于 20 W m-2的观测值设置为 0，剔除长、短波辐射数据在观测过程中的明显野值，并进行线性插补（高佳程等，2021）。逐日、逐月及各季节辐射通量数据，均为对应时间段内每小时数据的平均值；季节时间跨度以3-5月、6-8月、9-11月、12月至次年2月分别对应春、夏、秋、冬四季（范思睿等，2011）；净辐射（Rn）以及地表反照率通过观测数据由式（1）和式（2）计算得到。帕米尔高原地区多云天气频发，为区分云量多少对地表辐射的影620王国胜等：东帕米尔高原地表辐射收支及地表反照率特征3 期响状况，本文使用晴空指数kt（DR/Se）区别各类典型云雨天气（杜尧东等，2003；周洒洒等，2020；Norman et al，2020）。Rn=SW+LW=DR-UR+DLR-ULR（1）a=UR/DR（2）式中：SW为地表净吸收的太阳辐射；LW为地面有效辐射；a代表地表反照率。kt=DR/Se（3）Se=Sc 1+0.033cos（360pd/365）sin（4）sin=sinsin+cos cos cost（5）=0.409sin（0.0172pd-1.39）（6）式中：为地理纬度；为太阳赤纬；t为时角；Se为无大气作用下到达地球的太阳总辐射，即天文辐射；Sc 为太阳常数（1370 W m-2）；pd 为对应日序数；为太阳高度角。晴空指数反映的是太阳辐射受云量变动的影响。kt值越接近于零，则到达地面的辐射越弱，其表示天空云层较厚，kt值越近于1，则到达地表的辐射越强，其表示天空晴朗少云。其中 kt 0.70 表示天空晴朗，0.70kt 0.5 为少云，0.5kt 0.3为多云，kt向上长波辐射向下长波辐射向上短波辐射。东帕米尔高原塔县站2020年7月22日向下短波辐射达到最大值，为683.6 W m-2，2020年12月15日出现最小值，为126.9 W m-2，全年极大瞬时值出现在6月16日，为1174.1 W m-2，年平均值为438.2 W m-2图2（a）。冬季向下短波辐射的振幅小于夏季，是因为太阳直射点南移作用，辐射强度减弱，加上冬季多云雨天气，所以振幅冬季最小。2020年6-7月、8月底9月初以及2021年3-6月前后出现了波动，均是受东帕米尔高原地区降水以及多云天气影响，导致向下短波辐射波动明显。向下短波辐射 图2（a）受地表反射作用重新回到大气，即成为向上短波辐射 图2（b）。该部分辐射到达地面前主要受向下短波辐射强度影响，但反射作用强度主要受到地表水分、形态以及植被覆图1观测站点地理位置示意图（a）及观测仪器照片（b）Fig.1Schematic diagram of observation site（a）and photos of observation instruments（b）表1 仪器与参数Table 1 Observation instruments and parameters仪器NR净辐射传感器称重式降水传感器观测项目短波辐射长波辐射降水（固态、液态、混合）测量范围2853000 nm450040000 nm-测量精度1.8%7%春季秋季冬季