【毕业学位论文】（Word原稿）基于辐射传输模式的紫外辐射重构研究 大气辐射与大气遥感

分类号： 密级： 研 究 生 学 位 论 文 论文题目（中文） 基于辐射传输模式的紫外辐射重构 研究 论文题目（外文） of a 究生姓名 张兴华 学科、专业 大气科学 大气物理学与大气环境 研 究 方 向 大气辐射 与大气 遥感 学 位 级 别 硕 士 导师姓名、职称 张 武 教授 胡波 副研究员 王跃思 研究员 论 文 工 作 起 止 年 月 2010 年 9 月 至 2013 年 5 月 论文提交日期 2013 年 5 月 论文答辩日期 2013 年 5 月 学位授予日期 校址：甘肃省兰州市 原 创 性 声 明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成果 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 日 期： 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属兰州大学。 本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的 纸质版 和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。 本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为兰州大学。 本学位论文研究内容： 可以公开 不宜公开，已在学位办公室办理保密申请，解密后适用本授权书。 （请在以上选项内选择其中一项打 “”） 论文作者签名： 导师签名： 日 期： 日 期： I 基于辐 射传输模式的紫外辐射重构 研究 摘 要 近年来两极地区，以及北半球中高纬度地区均监测到平流层臭氧柱含量显著减少，臭氧量减少 的 直接后果是使得到达地表的紫外辐射呈现增加的趋势。紫外辐射 不仅能够危害人体健康，而且对其他动植物乃至整个生态系统都存在较大 的潜在威胁，正是 由于紫外辐射 强烈的生物、环境和气候效应 ，使得紫外辐射的研究逐渐成为当前的研究热点之一。由于国内外紫外辐射的观测比总辐射的观测起步晚 ， 特别是 大范围、长时期的 连续 观测数据 更加 匮乏 ，但是随着相关研究的深入 对长 时间紫外辐射数据的需求日益紧迫，为了获取大范围、长 时 期 的数据，国内外学者提出了许多重构紫外辐射历史数据的方法。 本文选取了一种半经验的重构方案，利用 而对定义的云修正因子进行拟合而得到紫外辐射估算方程 。重构检验结果表明建立的紫外辐射 重 构方案具有较高的精度，能够很好地应用于紫外辐射历史数据的重构。由于我国地域广阔，不同区域的地表生态系统和气候特征差异显著，本文选取 地处 我国不同气候区域的 9个站 点 进行紫外辐射重构方法的建立与检验，站点为：北京、海伦、阜康、鄂尔多斯、太湖、贡嘎山、千烟洲、鼎湖山和三亚。 主要 研究结果 如下 ： （ 1） 对模式所需输入参数进行的计算分析表明， 整层大气可降水量 都 有着明显的“夏大冬小”季节变化特征，最大和最小值 分别 出 现在 7 月份和 1 月份，阜康和鄂尔多斯 的可降水总量 最小， 而 鼎湖山和太湖最大。高纬度地区臭氧 柱含 量的 最大 值 出现在春季，秋季达到最小，而低纬 度地区最大值 则出现在夏季，最小值出现在冬季，而且 高纬度地区臭氧柱总量明显大于低纬度地区 。 星遥感 的 气溶胶光学厚度 在 三亚、贡嘎山相对较小，而 在 城市站点（北京和太湖）则 相对较大。 （ 2）通过 对 气溶胶光学厚度、臭氧 柱总量 、地表反射率和整层大气可 降水量进行敏感性试验，结果表明紫外辐射对气溶胶和地表反射率变化的敏感性要 大 于臭氧 柱总量 和可降水量变化 ，这表明到 达地表的紫外辐射主要受大气气溶胶影响 。 （ 3） 通过分析站点 56 年的总辐射和紫外辐射观测 发现 ， 总辐射日累计 值基本上都维持在 030 MJd 间，紫外辐射日累计值在 0Jd 间， V/G 在 6%之间，并且都 存在 一致的“夏季大、冬季小、春秋次之”季节变化规律。 （ 4）利用 式模拟了晴天总辐射和紫外辐射， 由于晴天模拟没有考虑云的辐射效应， 式给出的模拟值相比观测值一般都高，并且分布没有观测值离散，但相对于总辐射，紫外辐射差别更大、更离散。 （ 5） 贡嘎山的总辐射云衰减率最大，平均值可达 其余各站平均衰减率在 10%20%之间 ； 紫外辐射云衰减率也是在贡嘎山最大，观测时段内的平均值可达 北京和海伦站次之，平均值为 太湖站最小，只有 其余各站在 20%30%之间。相比云衰减率，各站紫外辐射气溶胶衰减率都要大于总辐射气溶胶衰减率 ， 总辐射气溶胶衰减率平均值从大到小依次为太湖（ 、鼎湖山（ 、千烟洲（ 、北京（ 、鄂尔多斯（ 、三亚（ 、海伦 （ 和贡嘎山（ ；紫外辐射气溶胶衰减率平均值为太湖（ 、鼎湖山（ 、千烟洲（ 、北京（ 、鄂尔多斯（ 、三亚（ 、海伦（ 和贡嘎山（ 。 （ 6）利用总辐射和紫外辐射云修正因子拟合建立了半经验的紫外辐射估算 方法 ， 通过 站点重构值和相应观测值 的 对比分析 ， 重构值与观测值的 相对平均绝对偏差和相对均方根误差都在 20%以内，多数 站点都小于 10%，这表明该方法能够很好地进行紫外辐射的重构 。 其中： 北京没有明显的高估或者低估，相对平均绝对偏差为 相对均方根误差为 阜康站重构值存在极微弱低估，但相对平均绝对偏差和相对均方根误差只有 鄂尔多斯站相对平均绝对偏差为 相对均方根误差为 相对均方根误差为 贡嘎山站相对平均绝对偏差为 相对均方根误差为 鼎湖山站相对平均绝对偏差为 三亚站相对平均绝对偏差和相对均方根误差分别为 海伦站相对平均绝对偏差和相对均方根误差 均 为各站最高，但 其值 也只有 由此可见，本文建立的紫外辐射重构方案具有很高的精度和适用性。 关键词： 紫外辐射 ， 云 ， 气溶胶 ， 衰减 ， 重构 of a n of in or of of to a in s V a on s to is a to to V in V to G). V to of V V by A V is in by V is by a A of V be to of V In to of in of in as (1) of W, a in in at a IV 3 at in in at OD in (2) W to a V OD is to it 3 UV s is by of (3) V or in is 30 MJd -1 V Jd V ) 6%. In of a of in in (4) V by a By of a V to of , V (5) V in a 0% 0%. V a , 0% 0%. V in a 27%), , , , , , , . V is V (, , , , , , , . (6) A V is A of of 0%, 0%. is no or V a of of a to a in 录 摘 要 . I . 一章 绪论 . 1 究意义 . 1 究进展 . 2 外辐射观测研究 . 2 外辐射模式研究 . 3 究目的与主要内容 . 4 第二章 观测资料介绍 . 6 点简介 . 6 器介绍 . 8 据质量控制方案 . 9 第三章 辐射传输模式介绍 . 11 式框架 . 11 式简介 . 11 式输入参数 . 12 感性试验 . 18 结 . 20 第四章 紫外辐射长期变化特征和模 拟结果分析 . 22 外辐射变化特征 . 22 外辐射与总辐射比值变化规律 . 24 射传输模式晴天模拟结果比对 . 25 外辐射的云和气溶胶衰减率特征 . 29 结 . 32 第五章 紫外辐射重构方法的建立与应用 . 34 影响修正因子 . 34 外辐射重构方法的建立 . 35 外辐射重构方法的应用 . 39 结 . 41 第六章 结论与展望 . 45 论 . 45 色与创新 . 45 论与展望 . 46 参考文献 . 47 在学期间的研究成果 . 51 致 谢 . 52 兰州大学硕士研究生学位论文 基于辐射传输模式的紫外辐射重构 研究 1 第一章 绪论 自然界中的 任何 物体，只要 它的绝对 温度 大于 零度，都 将 以电磁波 或 粒子的形式向外 放射能 量，这种 传播 能量的方式被称为辐射 1 。 其中太阳辐射是指太阳以短波的形式向外发射辐射能，它是地球大气运动的主要能量源泉和基本动力， 推动了地表的几乎全部自然地理过程 ，是人类赖以生存的基础保证。到达地表的太阳辐射能量仅占 到达 大气层顶辐射能量的 47%，由于地表的复杂多样，使得各地辐射条件相差悬殊，形成不同的地表冷热分布，进而影响气候的多样性和复杂 性 2。 紫外辐射 不仅能够危害人体健康，而且对其他动植物乃至整个生态系统都存在较大潜在的威胁，正是 由于紫外辐射 强烈的生物、环境和气候效应 ，使得紫外辐射的研究逐渐成为当前的研究热点之一。由于国内外紫外辐射的观测比总辐射的观 测起步晚 ， 特别是 大范围、长时期的 连续 观测数据 更加 匮乏 ，但是随着相关研究的深入 对长 时间紫外辐射数据的需求日益紧迫，为了获取大范围、长时间的数据，需要建立适合于重构紫外辐射历史数据的方法。 究意义 地球大气上界的太阳辐射 能量有 99%以上 都集中在 波长 m 之间 ，因此又称作短波辐射，其 按 波长可划分为紫外辐射 (m)。其中短波段的紫外辐射虽然能量仅占太阳辐射总能量的 8%左右 3, 4，而且穿透臭氧层的绝对量也很少，但由于它可以引起强烈的生物、环境和气候效应，对人类健康产生影响，已经引起了人类社会的广泛关注。依据 1996 年世界气象组织仪器和观测方法委员会 (版的气象仪器和观测方法指南（第六版），紫外辐射按照其辐射波段可大致分为三类：长波紫外辐射 (长 315400 中波紫外辐射 (长 280315 和短波紫外辐射 (长 200280 其中 有很强的穿透力，几乎可以自由穿透云层和臭氧层到达地球表面，同时它可破坏皮肤的弹性纤维和胶原蛋白纤维而使皮肤变黑； 透能力较弱， 由于 臭氧在此波段具有很强的吸收带，只有不足 2%能到达地球表面； 生物的危害最大，但穿透能力最弱，几乎可以被平流层的臭氧完全吸收。 医学研究证明，紫外辐射对人类健康的影响有利也有弊，适量的紫外辐射有助于人体中维生素 D 的合成 5，进而对防治佝偻病和骨质疏松有很大帮助。紫外辐射也具有一定的杀菌作用，短期小量紫外照射有增强机体免疫功能的作用。然而，过量的紫外辐射会导致人体的免疫功能出现异常，刘灵奕等 6研究发现在一定条件下，紫外照射能抑制机体的免疫功能，且与照射剂量 、 波长有关。紫外辐兰州大学硕士研究生学位论文 基于辐射传输模式的紫外辐射重构 研究 2 射能够破 坏 大多数蛋白质的化学键，其诱发产生的活性氧可损害生物细胞中的脱氧核糖核酸 而破坏动植物的个体细胞。紫外辐射对人体器官的损坏尤为明显，过量的紫外辐射照射会到达皮肤的真皮层，危及胶原和皮肤纤维，引发皮肤老化、红斑甚至癌变；强烈照射到眼部可对角膜、晶状体、虹膜等带来损害，诱发诸如结膜炎、白内障等疾病 7, 8。 据统计，目前我国有白内障患者 400 万，并且每年还以 40 万的数量递增。 过量的紫外辐射可使植物的叶片受损，抑制植物光合作用 ，进而影响农作物的产量；还会引起水生生态系统的变化，破坏海洋生物食物链，对整个海洋生态系统产生危害。 另外，由于近年来人为活动和工业污染的加剧，排入大气中的大量含氯物及氮氧化物对臭氧产生不同程度的损耗，导致在两极地区持续观测到平流层臭氧空洞，北半球中纬度地区的臭氧总量也呈现持续减少的趋势 9我国科学家通过研究发现，在 2003 年 12 月 14 日至 17 日，青藏高原上空出现大面积臭氧总量的极低值区，其臭氧总量低于 220 面积超过了 250 万平方公里，中心极低值比历史同期的平均值减少了 25%12, 13。平流层臭氧减少，导致的直接结果是到达地 面的太阳紫外辐射增加，尤其是 增加。这将使得对流层的大气光化学反应变得更加活跃，产生更多的二次污染物，使得近地面空气质量恶化，对人类健康和生活环境产生直接影响 14 由此可见，紫外辐射不仅对人类健康带来危害，甚至对整个生态系统都存在潜在的威胁，研究紫外辐射的变化规律具有十分重要的意义。 究进展 与所 有 科学研究一致，太阳紫外辐射的研究也分为实 验 观测和理论研究两方面，实 验 观测主要有地基观测和卫星 遥感 反演，理论研究则以 辐射传输 模式 模拟为主 。 外辐射观测研究 国外较早的开展了紫外辐射的地基观测，早在 20 世纪 1950 年代美国就开始使用 带紫外辐射计进行观测，由于结构简单和容易实现自动化，在早期的紫外观测中 得到 了广泛的应用 17, 18。到了 1980 年代早期，为满足科学家研究多种不同生物作用对光谱响应的要求，新西兰的 外辐射研究小组研发了紫外辐射光谱测量仪 19，并用于紫外辐射常规观测中。随后欧洲为统一各个国家绝对辐射标准，提出了“确定 射监测网标准”的科学计 划 20，使整个欧洲的紫外辐射观测水平有了很大的提高。我国紫外辐射的观测起步很晚，直到 20 世纪 1990 年代初期才在瓦里关山全球大气本地站和南极兰州大学硕士研究生学位论文 基于辐射传输模式的紫外辐射重构 研究 3 中山科学考察站建立了 外辐射地基观测系统，进行紫外辐射的长期连续观测研究 8。 然而地基紫外辐射观测站点 零散 ，而且这些站点 的空间 分布也 极其 不均匀，不能够长期连续 地 进行紫外辐射的观测 ，利用卫星遥感资料反演紫外辐射则可以很好的弥补这种缺憾。 1970 年发射的 星，通过装载后向散射紫外辐射遥感器 (较早 地 开展了 紫外辐射观测。 搭载的 器 也能 提供长时间和高质量的紫外辐射观测资料，目前该 类型 仪器正在美国 星上运行 21。 国内外紫外辐射的观测研究多集中在研究紫外辐射的时空变化特征，以及紫外辐射与总辐射、臭氧、云、气溶胶和晴空指数等众多大气因子之间的 相互 关系。季国良 22、江灝 23等对青藏高原的紫外辐射进行了观测研究，发现高原的紫外辐射极强，并具有明显的日变化和季节变化特征；周平 24研究了 云 贵 高原 紫外辐射强度的时空变化特征，定量分析了紫外辐射随海拔高度和经纬度的变化；祝青林 14给出了我国紫外辐射的空间分布特征，并对紫外辐射与总辐射的比值特征进行了分析； 5分析了海拔高度对紫外辐射的影响； 6分析了云量、臭氧、气溶胶和整层大气可降水量对紫外辐射与总辐射比值之间的关系；7通过分析瑞士和奥地利 30 年的紫外辐射观测资料，分析了强紫外照射与臭氧、地表反射率和云量之间的关系。 由于 国内外紫外辐射大范围、长时期的观测数据 普遍 比较匮乏， 从而有大量研究 利用紫外辐射同总辐射和其他气象因子之间的关系来建立 紫外辐射 经验计算公式 ，这些经验方法 得到了广泛的应用 。白建辉 28利用北 京晴天的太阳辐射观测资料，建立了晴天紫外辐射的计算公式，发现 从 1980 年开始 北京地区晴天的紫外辐射呈 逐渐 下降 的 趋势；刘晶淼 9分析了白天条件下太阳紫外辐射与各气象要素的相关关系，给出了紫外辐射强度的预报方程；胡波 29利用大气质量数和晴空指数建立了适合北京的紫外辐射估量公式； 0通过对总辐射和各种大气因子的关系拟合，建立了 5 种紫外辐射的估算公式， 1通过假定无云天气条件和考虑晴空指数，建立了所有天气条件下的紫外辐射估算公式。 2计算了云影响因子，并结合实测的紫外辐射、总辐射和臭氧等数据，建立了长期的紫外辐射统计模式。 33给出了一种人工神经网络（ 报方法，通过给定总辐射、日照时数、臭 氧、能见度等大气参数，对德国 波茨坦 市的长期紫外辐射数据进行了计算。 外辐射模式研究 由于紫外辐射观测起步较晚，特别是受客观 条件 限制，迄今紫外辐射的观测站点也不是很多，这对于研究大范围、长时期的紫外辐射气候学特征带来了诸多兰州大学硕士研究生学位论文 基于辐射传输模式的紫外辐射重构 研究 4 不便 。 同建立物理经验计算公式一致，模式计算也是对紫外辐射观测数据的很好补充。另外，紫外辐射模式是以大气辐射传输方程 为基础，主要计算辐射在大气传输过程中受云、气溶胶、臭氧和气体分子等大气因子的消光作用，利用模式则可以对这些因子的影响给出定量分析，这正是模式相比于观测的有利之处。 紫外辐射传输模式的研究是与整个 辐射 传输理论的发展紧密相连的，到目前为止已经发展了很多成熟的算法，如 、 6S (of in 。 近年来国内外关于紫外辐射模式的研究也取得了不少成果，王普才 34基于改进的 散坐标法紫外辐射传输模式，应 用各种可测得的实际大气物理参数，对地面紫外辐射的全天分布进行了模拟；郑有飞 35, 36采用简化大气辐射计算模式、 离散坐标 ( 射传输算法计算了南京地区到达地表的紫外辐射；7 利用 射传输模式，结合经验关系，得到了西班牙中心地区长期的太阳紫外辐射数据； 8采用 式计算了晴天条件下的太阳紫外辐射，再通过计算云影响因子获得了奥地利两个站点的历史紫外辐射数据，并对输入参数的不同时间精度做了讨论； 9 基于 式计算了荷兰长期的太阳紫外辐射，结合观测数据分析了其长期变化特征，并对云和臭氧的影响做了 定量 讨论； 0利用 射传输模式计算了阿根廷 罗萨里奥 市的晴天紫外辐射，并与实测值进行了对比 研究 。 由于紫外辐射在大气中的传输过程十分复杂，影响紫外辐射 的因子也 比较多，特别是 对 云和气溶胶的影响 描述 还不完善，使得目前紫外辐射模式计算多用于晴天大气条件，因此有关云和气溶胶在模式中的定量表达还需进一步研究。 究目的 与 主要内容 相对于总辐射 等 的观测，紫外辐射的观测起步 较晚，地基 观测站点 也 很少，长期连续 观测数据更加匮乏， 这对研究紫外辐射的 长期变化规律、 臭氧减少引起的紫外辐射 变化，特别是紫外辐射的 气候学特征 研究 十分不利。 为了弥补观测数据缺乏， 利用重构的方法 获取 紫外辐射 数据成为一种重要手段 ， 目前国内外学者无论是 利用 经验公式估算还是 通过 模式重构都取得了很大的进展，特别是利用辐射传输模式进行紫外辐射数据重构得到了一些应用。 本文建立了一种半经验的方法进行紫外辐射数据的重构，即利用 基于辐射传输模式的紫外辐射重构 研究 5 辐射传输模式模拟了晴天大气条件下的总辐射和紫外辐射，结合云天的实际观测数据计算了云和气溶胶 对紫外辐射的衰减；获得总辐射和紫外辐射的云影响修正因子，通过对该因子拟合建立了紫外辐射经验重构方程，并用两年的观测 数据 对重构结果进行验证。另外，由于我国地域广阔、气候变化显著，不同区域的辐射差异显著，为了检验本文建立的紫外重构方案具有普遍适用性，本文选取了不同经纬度和气候区域的 9 个站点进行研究。 本文由以下几个部分组成： 第一章：绪论（介绍 研究 紫外辐射的意义和国内外的研究进展）。 第二章：观测资料介绍（各站点气候特征描述，辐射观测仪器的介绍以及辐数据质量控制方法）。 第三章：辐射传输模式介绍（本文研究方法简 介，模式介绍、模式输入参数说明，特别是对水汽、臭氧、气溶胶的获取详细说明，模式对气溶胶、臭氧、地表反射率和水汽含量的敏感性试验）。 第四章：紫外辐射长期变化特征及模拟结果分析（利用观测结