一個(gè)可用于實(shí)時(shí)計(jì)算的太陽(yáng)輻射模型

1、第37卷第6期海洋與湖沼V ol. 37, No. 62006年 11月OCEANOLOGIA ET L MNOLOGIIA SIN ICAN ov., 2 0 0 6*一個(gè)可用于實(shí)時(shí)計(jì)算的太陽(yáng)輻射模型劉浩尹寶樹(shù) ?1)( 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所青島266071; 廈門(mén)大學(xué)廈門(mén)361005)? ( 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所青島 266071)提要拓展了 Smith等 ( 1984) 關(guān)于海面輻照度的數(shù)值算法,給出了一個(gè)可實(shí)時(shí)計(jì)算海面和海水中太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的模型, 通過(guò)計(jì)算 1998年 9月 24日 10 月 7 日以及 1999年4月 28日 5月11日渤海表面太陽(yáng)輻射量 (兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)的輻照總量誤差

2、分別為 0.27% 和6. 67%),顯示出該模型與實(shí)測(cè)結(jié)果良好的適應(yīng)性。另外 ,模型還揭示 : 在不考慮其它限制因素的前提下 ,當(dāng)浮游植物生物量處于較小的狀態(tài)時(shí),海水中的太陽(yáng)輻射能促進(jìn)浮游植物的快速生長(zhǎng) ,但是當(dāng)浮游植物的生物量增大到一定程度時(shí), 由于對(duì)太陽(yáng)輻射的遮蔽作用增強(qiáng),浮游植物的生長(zhǎng)明顯受到抑制。關(guān)鍵詞輻射模型 , 太陽(yáng)輻照度 ,云量 , 葉綠素 a中圖分類(lèi)號(hào)P593赤潮等有害藻華的頻繁暴發(fā)嚴(yán)重破壞了海洋環(huán)境 , 降低了海水資源的使用價(jià)值 , 因 此對(duì)近岸海域生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)查研究日益受到海洋管理者和研究者的重視( 陳善文等, 2004; 王修 林等 ,2004;崔廷偉等 , 2005)

3、 。而其中基于生態(tài)模型的研究 , 由于能夠展現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期連續(xù)的變化過(guò)程 ,往往成為重大課題研究中不可缺少的組成部分 。在生態(tài)系統(tǒng)諸要素中 , 浮游植物起到聯(lián)系無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)鹽和其它有機(jī)生命形式的作用,這就決定了在模型研究中特別重視關(guān)于太陽(yáng)輻射的計(jì)算,它直接關(guān)系到浮游植物光和生產(chǎn)過(guò)程的模擬質(zhì)量 。關(guān)于海面太陽(yáng)輻射的定量研究, 前人已取得了許多顯著的成果( Smith et al, 1984; Baker et a l,1987;張一夫 ,1990; 翟盤(pán)茂, 1991; 王舉等,2005), 所不同的是 ,本文的研究目的是建立一個(gè)可以鑲嵌到復(fù)雜生態(tài)模型中可靠而簡(jiǎn)單的輻射模型 。之所以要強(qiáng)調(diào) 模型的簡(jiǎn)

4、單性是因?yàn)閺?fù)雜的模型往往會(huì)涉及到復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程和較多的參數(shù) , 在沒(méi)有充足的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為依托的前提下必然會(huì)帶來(lái)更多的不確定性。此外 ,太陽(yáng)輻射的計(jì)算畢竟只是宏大生態(tài)模型中的一個(gè)小環(huán)節(jié),雖然它是非常重要的一個(gè)小環(huán)節(jié) ?；?于如上考慮 ,本文中作者在比較前人研究成果的基礎(chǔ)上 ,以 Smith等 ( 1984) 關(guān)于大氣層內(nèi)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的算法為基本框架 ,根據(jù)太陽(yáng)輻射在大氣層以外和海水中的傳播規(guī)律補(bǔ)充了相應(yīng)成熟的經(jīng)驗(yàn)公式,給出了一個(gè)可以實(shí)時(shí)模擬海面輻照度和海水中太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的模型 。1模型描述地球是在以太陽(yáng)為焦點(diǎn)的橢圓形軌道上運(yùn)動(dòng) ,繞行一周大約需要365. 25天 , 而日地距離的大小直接決定了

5、到達(dá)地球的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度 。當(dāng)?shù)厍蚝吞?yáng)之間處于平均距離d時(shí) , 大氣層上界的太陽(yáng)輻照度 (在單位時(shí)間內(nèi)垂直投射到單位面積上的太陽(yáng)輻射能 )約為 1367W /m2 ,稱之為太陽(yáng)常數(shù) Qco 。假定d 為一 年中 任意 時(shí)刻 的日 地距離 ,那么到達(dá)地球的太陽(yáng)輻照度Qo 可用以下關(guān)系式計(jì)算Qo =Qco d22( 1)d*國(guó)家重點(diǎn)基金項(xiàng)目, 50339040號(hào)和國(guó)家重 點(diǎn)基礎(chǔ) 研究發(fā) 展計(jì)劃973 項(xiàng)目 , 2005CB422301號(hào) 。劉浩 , 博士后 ,lhao- tj163. com1) 通訊作者 : 尹寶樹(shù) , 博士 , 研究員 , 博導(dǎo) , bsyinm s. qdi o. ac. c

6、n.收稿日期 : 2005- 08- 16, 收修改稿日 期 : 2006- 06- 04494海洋與湖沼37卷2上式中的d2 被 稱作地 球軌 道偏心 率修 正因 子 ,dSpencer用傅立葉級(jí)數(shù)將其展開(kāi),得到2d2= 1. 000110 + 0. 034221cos+ 0. 001280sind+ 0. 000719cos2+ 0. 000077sin2( 2)式中 , 為日角,即一年中的任一天在2的圓周上所對(duì)應(yīng)的角度,可表示為2 (d - 1)=n( 3)365. 25式中 , dn 是一年中從1月1 日開(kāi)始到任意一天的累積天數(shù) , 稱為 Julian天數(shù) 。通過(guò)式 ( 1) ( 3)

7、 就可以求到太陽(yáng)輻射到達(dá)地球大氣層上界時(shí)的輻照度 。當(dāng)太陽(yáng)輻 射穿越大氣層時(shí) , 由于空氣分子、空氣中的水汽和灰塵都可能對(duì)其進(jìn)行吸收、散射和 反射 , 因此 實(shí)際到達(dá)地球表面的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度要減小很多。云層的存在使輻射狀況更為復(fù)雜, 它不但吸收幾乎所有波長(zhǎng)的輻射, 同時(shí)它又是重要的輻射體。云層的吸收以及它和地面之間形成的多次反射作用,對(duì)地面和底層大氣系統(tǒng)的輻射平衡有著重要意義。Smith等 ( 1984) 通過(guò)整理B ravo海洋氣象站積累的從1964年到1973年長(zhǎng)達(dá)19 年的海洋氣象資料 , 歸納總結(jié)出海面輻照度與云層之間聯(lián)系的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式,如下- AS/h ( Ce- A/SQs = Qo

8、B i + Sh e0i h + 1 - C )i = 0, , 5( 4a)Q=QS ( A+BS )i = 6, , 8( 4b)so hii h式中 ,Qs 是海面輻照度 ;i 是八分制的云量數(shù), A、B 為云量參數(shù) , C 是以8為除數(shù)的云量比例,具體數(shù)值見(jiàn)表1。式 ( 4)中的 Sh 是太陽(yáng)高度角的正弦值,根據(jù)球面三角形原理 ,可以得到Sh = sinsin+ coscoscos ( 5) 式中 , 是地理緯度 ; 是太陽(yáng)赤緯 , 在模型計(jì)算時(shí)采用下式= 23. 452(172 - d )( 6)cosn180365. 25式 ( 6) 中的23. 45為黃道和赤道交角, 172 為

9、夏至對(duì)應(yīng)的 Julian天數(shù) 。式 ( 5) 中 的是太陽(yáng) 時(shí)角 , 若選擇渤海為觀測(cè)點(diǎn) ,其計(jì)算公式可寫(xiě)為( hn - 4) - ( 7)=12式中 , hn 是從零時(shí)開(kāi)始計(jì)算的小時(shí)數(shù); 為地理經(jīng)度 。對(duì)式 ( 5) 取反正弦函數(shù)值,并將 式 ( 6) 、(7)代入 ,另外再將渤海中心位置的經(jīng)緯度119°50E,39°00N 代入 , 于是計(jì)算得到 渤海中心位置上太陽(yáng)高度角一年的時(shí)間序列。圖1 顯示 :夏至前后的太陽(yáng)高度角是一年中的最大值,約為 74. 5度 ;之后太陽(yáng)高度角逐漸降低,到冬至?xí)r分降為最小 ,約為 28度 ;然后又開(kāi)始逐漸攀升。太陽(yáng)高度角的大小決定了海面輻照

10、度的強(qiáng)弱 ,對(duì)海水表層溫度及浮游植物的光合作用都產(chǎn)生直接的影響 。表 1太陽(yáng)輻射模型云層參數(shù)Tab. 1Cloud parametersused in the irradia tionm odel云量ABC01 )0.02400.05200圖 1 渤海中心位置 ( 119°50E,39°00N) 正午時(shí) 分10.0700.05250.125太陽(yáng)高度角變化的時(shí)間序列。 0天對(duì)應(yīng)的是當(dāng)年的2- 0.0100.04300.251 月 1 日 ,其它天數(shù)對(duì)應(yīng)的日期由此遞推30.0550.03950.375F ig. 1 The tim e serie so f solar heig

11、ht at the noon in the cen-40.0700.03750.5htstter of Bohai Sea. The 0 day corresponds to January 1 , from50.0900.03450.625which o ther dates followed60.3100.43970.2350.388太陽(yáng)輻射的主要能量集中在0. 2 4m 的波80.1030.296長(zhǎng)范圍內(nèi) ( Baker et al, 1987; 陳長(zhǎng)勝 , 2003), 其中2 )0.1310.3139約43% 為 波長(zhǎng) 在 0. 4 0. 67m 范 圍內(nèi) 的可 見(jiàn)注 : 1) 晴天

12、無(wú)云 , 2) 烏云蔽日6期劉浩等 : 一個(gè)可用于實(shí)時(shí)計(jì)算的太陽(yáng)輻射模型495光 ,這部分太陽(yáng)輻射被浮游植物直接用來(lái)進(jìn)行光合作用 , 轉(zhuǎn)化為 化學(xué)能 。另外 49% 為波長(zhǎng) 大于0. 67m的紅外光,其 輻射能進(jìn)入海水后很快會(huì)被表層海水吸收,轉(zhuǎn)化為熱能從而使海水溫度增加 ;最后剩 下的8%為 波長(zhǎng)小 于 0. 4m 的紫 外光 。海水中的可見(jiàn)光 是浮游植物進(jìn)行光和作用的主要能源 ,它的模擬質(zhì)量直接關(guān)系到生態(tài)系統(tǒng)中其它要素的計(jì)算結(jié)果, 因此成為本文研究的重點(diǎn) ?？梢?jiàn)光進(jìn)入海水后一方面會(huì)被海水所吸收,另一方面在傳播過(guò)程中還要受到各種色素(其中主要是葉綠素 a, 而葉綠素a 又通常被用來(lái)作為浮游植物

13、生物量的量度) 的散射和反射而進(jìn)一步衰減 。當(dāng)然 ,在河口等近岸海域由于受陸源沖積物的影響 , 海水濁度很高, 這時(shí)葉綠素a 對(duì)太陽(yáng)輻射的遮蔽作用與海水中的懸浮泥沙比起來(lái)就顯得微不足道 ,現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)顯示這樣的海水環(huán)境不適合浮游植物生長(zhǎng)( Chen et a l, 1999), 因此本文的模型研究更關(guān)心有利于浮游植物進(jìn)行光和作用的 “潔凈海水 ”。基于如上考慮,海水中的可見(jiàn)光強(qiáng)度I 可表示為0I= 0. 43Qs exp- kw z -( 8)kch lP dz-z式中 , kw , kchl 分別為海水自身的光衰減系數(shù)和葉綠素 a 對(duì)太陽(yáng)輻射的遮蔽系數(shù);P 是葉綠素a 濃度 ; z是海水中某一點(diǎn)

14、到海面的垂直距離。式 ( 8)顯示輻射光在海水中隨著水深和浮游植物濃度的增加呈指數(shù)衰減。圖 2 渤海海面實(shí)測(cè)的 日平均云量 ( 8分制 ) F ig. 2 Them easureddail y mean c loud am ount over the Bohai Sea( octadic)2模型驗(yàn)證公式 ( 4)可以用來(lái)計(jì)算海面輻照度, 為了檢驗(yàn)該模式的實(shí)際計(jì)算效果,本文中作者采用張新玲等 ( 2001)在 1998 年 9月 24日 10 月 7日以及 1999 年 4月 28日 5月 11 日兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)測(cè)得的渤海海面輻射總量作為對(duì)比對(duì)象,結(jié)合當(dāng)時(shí)觀測(cè)的云量 (圖 2), 計(jì)算了同一時(shí)期渤

15、海海面的太陽(yáng)輻射度 。圖 3 顯示 :兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)渤海海面輻照量的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值基本吻合,只是在個(gè)別多云天氣條件下 , 計(jì)算值與實(shí)測(cè)輻射相比偏小較多 , 日計(jì)算相對(duì)誤差的平均值分別為 0. 94% (秋季 )和5. 55%( 春季 ) 。另外從兩 個(gè)時(shí)間段的輻照總量來(lái)看 , 1998年秋季的計(jì)算和實(shí)測(cè)總量分別為2圖 3渤海海面太陽(yáng)輻射的日總量的195. 22和 194. 70MJ /m , 相對(duì)誤差只有0. 27%;實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的比較2春季的計(jì)算和實(shí) 測(cè)值分別為 322. 69和 302. 5M J /m , 誤差相對(duì)較大 ,但也只有 6. 67%。 而且從計(jì)算結(jié)Fig. 3 The com

16、 parison o f observedand calculated dail y am ount of irradiation on the surface of Bohai Sea496海洋與湖沼37卷果來(lái)看 , 誤差有正 有負(fù) , 不 存在系統(tǒng)誤差 。鑒于該模型具有運(yùn)行簡(jiǎn)單 、計(jì)算可 靠等優(yōu)點(diǎn) , 因此非常適于模擬海面輻照度的長(zhǎng)期變化。3 討論公式 ( 8)可以用來(lái)計(jì)算潔凈海水中的可見(jiàn)光強(qiáng)度 , 雖然作者沒(méi)有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)該方法進(jìn)行定量檢驗(yàn) , 但是可以從另一個(gè)角度來(lái)驗(yàn)證它的合理性 。在實(shí)際生態(tài)調(diào)查 中通常采用下式來(lái) 估算海域的初級(jí)生產(chǎn)力 (費(fèi)尊樂(lè)等 , 1991)TP = btP( 9

17、)K2d), 為相式中 , TP 為初級(jí)生產(chǎn)力 mgC /( m對(duì)光合作用率 , t 為每日的日照時(shí)間( h /d), K 為海水中的光衰減系數(shù)( m - 1),P 為葉綠素a 濃度3), b 為平( mgChl-a m/ ,反映了浮游植物的生物量均同化系數(shù) m gC( mgChl -ah)-1 。另外 , 根據(jù)公式 ( 8)可以知道 ,由于散射反射等作用 , 可見(jiàn)光在海水中的衰減性K 會(huì)隨著葉綠素 a 含量呈指數(shù)增加, 這意味著海水中葉綠素a含量的增加會(huì)對(duì)初級(jí)生產(chǎn)力水平產(chǎn)生抑制作用。下面比較考慮葉綠素a 對(duì)太陽(yáng)輻射的衰減和不考慮葉綠素 a 對(duì)太陽(yáng)輻射衰減兩種情況下初級(jí)生產(chǎn)力隨浮游植物生物量的

18、變化特征,兩種情況下海水中的光衰減系數(shù)可分別表示為0kP dzk z + -zchlwK =( 10a)zK= kw( 10b)式中 , kw , kchl 分別表示海水自身對(duì)光的衰減特性和葉綠素 a 對(duì)光的散射反射作用 ?，F(xiàn)假定光透層內(nèi)的葉綠素a 均勻分布 (考慮到海面風(fēng)應(yīng)力對(duì)上層海水的攪動(dòng)作用,這種假設(shè)是合理的 ), 于是式 ( 10a) 可以簡(jiǎn)化為K =k+ kP( 11)wch l將式 ( 10b) 和 ( 11) 分別代入式( 9), 就可以得到浮游 植物生產(chǎn) 量 ( 用以表示初 級(jí)生產(chǎn)力水平 )隨葉綠素 a 含量的變化曲線(圖 4) 。圖4顯示 :當(dāng)不考慮葉綠素a 對(duì)可見(jiàn)光的衰減時(shí)

19、, 初級(jí)生產(chǎn)力會(huì)隨著其自身含量的增加而無(wú)限制的增長(zhǎng) ;如果考慮葉綠素a 對(duì)可見(jiàn)光的散射反射作用時(shí) ,當(dāng)葉綠素 a 的濃度增大到一定程度時(shí), 由于對(duì)光的遮蔽作用增強(qiáng), 浮游植物的生長(zhǎng)則受到顯著的抑制 。渤海 近 20 年的 生態(tài)演變過(guò)程顯示 ,赤潮的有害藻華的暴發(fā)造成海域內(nèi)葉綠素a 含量的增加 , 但同時(shí)初級(jí)生產(chǎn)力卻呈現(xiàn)顯著下降的趨勢(shì) 。據(jù)估計(jì)渤海上世紀(jì)90年代的初級(jí)生產(chǎn)力較 80年代下降了 30%( W ei et a l, 2004) 。圖 4 的結(jié)果定性地反映了海域初級(jí)生產(chǎn)力與 浮游植物生物量的這種關(guān)系 , 進(jìn)而證明式 ( 8) 是適于模擬海水中太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的 。圖 4 浮游 植物的 生產(chǎn)

20、量與 葉綠 素 a 濃度的 關(guān)系 。實(shí) 線( 考慮葉綠素 a) 所對(duì)應(yīng)的光衰減系數(shù)由式 ( 11) 計(jì)算得到 ; 虛線 ( 不考慮葉綠素 a) 所對(duì)應(yīng)的光衰減系數(shù)由式 ( 10b) 計(jì)算得到 , 其中 kwchl 分別取值 0. 04m -1和 0. 025( mgChl- am2)-1、kF ig. 4The relations betw een phytoplankton productionandchlorophyll acontent. L ight attenuation coefficientindica tedby solidlineis calculated from equa

21、tion( 11),andhatindi-cated by dashed line is from equation( 10b),in wh ich kw, kch lis set as 0. 04m- 1 and 0. 025( m gChl-a m2)-1, respectively4 結(jié)論本文中作者在 Smith 等 ( 1984) 數(shù)值方法的基礎(chǔ)上 , 給出了一個(gè)可以實(shí)時(shí)計(jì)算海面輻照度以及海水中可見(jiàn)光強(qiáng)度的輻射模型 。該模 型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ,僅僅依賴 4個(gè)變 量 : 即太陽(yáng) 高度角 、云量 、水深和葉綠素 a 的濃度 。除云量外 , 其它 3 個(gè)變量可由模型隨時(shí)計(jì)算得到 , 因此該模型實(shí)時(shí)

22、計(jì)算的時(shí)間分辨率僅取決于云量目測(cè)的時(shí)間間隔 。通過(guò)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較, 證明該模型無(wú)論是在計(jì)算結(jié)果還是在構(gòu)造依據(jù)上都是可靠的,又由于該模型本身具有運(yùn)行簡(jiǎn)單占用計(jì)算資源少的優(yōu)點(diǎn),因此可以鑲嵌到復(fù)雜的生態(tài)模型中作為計(jì)算浮游植物光和作用的有效手段。參考文獻(xiàn)王舉 , 姚華棟 , 蔣國(guó)榮 等 , 2005. 南海北 部海區(qū) 太陽(yáng)輻射觀測(cè)分析與計(jì)算方法研究. 海洋與湖沼, 36( 5):385393王修林 , 孫霞 , 韓秀 榮等 , 2004. 2002 年春 、夏 季東 海赤6期劉浩等 : 一個(gè)可用于實(shí)時(shí)計(jì)算的太陽(yáng)輻射模型497潮高發(fā)區(qū)營(yíng)養(yǎng)鹽結(jié) 構(gòu)及 分布 特征 的比 較 . 海洋 與湖沼 , 35(

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