本文關(guān)鍵詞：利用特征波長探討大氣和海洋中太陽輻射光譜特征的變化規(guī)律

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【摘要】：太陽輻射穿過大氣或海洋后發(fā)生了兩方面的改變：太陽輻射值和太陽輻射光譜特征。依據(jù)以往對Q場W的研究，本文定義的特征波長即繼承了Q場W的物理含義，又賦予新的含義，即W4地地圭W7地地Wn坭范圍內(nèi)太陽輻射光譜在波長方向上的“重心W"。該參數(shù)揭示了太陽輻射光譜特征在穿過大氣或海洋過程的變化規(guī)律。特征波長的定義式和Q場W只相差一個常數(shù)項(xiàng)，完全可以替代Q場W。同樣，依據(jù)特征波長的概念，也很容易說明W場Q的物理含義，即W1坭坯Wl波長為特征波長時光子總能量。 本文首先將特征波長應(yīng)用于大氣上界的太陽輻射觀測數(shù)據(jù)中。本文使用了WS壞WRWCWE實(shí)驗(yàn)室直接觀測得到的長達(dá)W7年的大氣上界太陽輻射數(shù)據(jù)，時間長度從W2地地W4年圭W2地W1W1年。觀測獲得W7年內(nèi)特征波長的平均值為W5W4圳圮W8W6Wn坭，標(biāo)準(zhǔn)差為地圮地W1W1。同時在觀測范圍內(nèi)存在明顯的年際變化，在W2地地W4圭W2地W1W1年內(nèi)，表現(xiàn)出明顯地先增大后減小的特征，與W4地地圭W7地地Wn坭太陽輻射光譜變化密切相關(guān)。依據(jù)坌We坡Wn給出的大氣上界太陽輻射氣候態(tài)數(shù)據(jù)，本文給出了近W1地地年內(nèi)特征波長的氣候態(tài)變化。從中可以看出，特征波長變化同樣表現(xiàn)出明顯的W1W1年周期變化，與WTWSWI呈明顯的反相關(guān)關(guān)系。去除W1W1年周期變化，特征波長從W1W8W4地年至W1壙W6地年緩慢的減小，之后又平穩(wěn)的變化。與全球平均氣溫對比發(fā)現(xiàn)，兩者存在正相關(guān)關(guān)系。尤其在近幾年，兩者呈明顯的同步變化，進(jìn)一步證實(shí)太陽輻射光譜特征變化可能直接影響地氣系統(tǒng)。 到達(dá)下墊面特征波長受大氣中大氣分子、氣溶膠、以及云結(jié)晶的影響而發(fā)生巨大變化。為了說明到達(dá)下墊面特征波長的變化規(guī)律，本文使用了不同緯度，不同天氣系統(tǒng)下觀測的到達(dá)下墊面太陽輻射數(shù)據(jù)，計(jì)算了不同天氣系統(tǒng)下的特征波長。通過分析發(fā)現(xiàn)，在晴朗的天氣條件下，特征波長表現(xiàn)出一個普遍特征：隨太陽天頂角增大表現(xiàn)出先增大后減小。在多云的天氣條件下，，特征波長隨太陽天頂角增大變化不明顯，但要明顯小于晴空晴空天氣下的特征波長。晴空下，不同地區(qū)特征波長也存在差異，是由空氣中污染物濃度不同造成的。 為了解釋晴空下特征波長的變化，本文利用WS坐WCWTWRWA坌W2模式模擬了渤海觀測期間特征波長變化規(guī)律。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，風(fēng)壓溫濕對特征波長影響較小，可以忽略。臭氧層標(biāo)高影響次之，WAWWnWg坳WtWr坯坭參數(shù)影響較大，能見度和太陽高度角影響最大。通過分析模式中散射輻射計(jì)算的特征波長和直射輻射計(jì)算的特征波長發(fā)現(xiàn)，散射輻射計(jì)算的特征波長隨太陽高度角增大表現(xiàn)出先增大后減小的特征，而直射輻射計(jì)算的特征波長隨太陽高度角增大表現(xiàn)出持續(xù)地增大特征，總輻射計(jì)算的特征波長剛好處于散射輻射計(jì)算的特征波長和直射輻射計(jì)算的特征波長之間。分析發(fā)現(xiàn)，觀測獲得特征波長的變化主要是由散射輻射占比發(fā)生變化引起的。本文最終給出了散射輻射占比與特征波長的關(guān)系式。 為了描述海水中特征波長的變化規(guī)律，本文使用了W2地地W6年加拿大海盆航次和W2地地W7年白令海海盆科學(xué)考察航次中獲得的下行輻照度剖面數(shù)據(jù)。在加拿大海盆中，該處海水被劃歸于WI類海水，特征波長主要表現(xiàn)出在W1地坭范圍內(nèi)迅速減小，而在W1地坭以下，趨于穩(wěn)定。同時該處W7地坭處，特征波長的變化表現(xiàn)出明顯的區(qū)域變化特征，與W7地坭以淺的上層水體中衰減物質(zhì)濃度密切相關(guān)。在白令海海盆中，該處海水被劃歸于WIWI類海水，特征波長隨深度增加表現(xiàn)出先減小后增大再減小的變化，可以肯定，WCWD壞坍濃度在其中扮演著至關(guān)重要的作用。 經(jīng)過分析，在WI類海水中W7地坭處特征波長的區(qū)域變化與到達(dá)下墊面特征波長變化無直接關(guān)系，主要受W7地坭以淺水體中衰減物濃度的變化。本文依據(jù)這一現(xiàn)象，結(jié)合數(shù)值公式，給出了特征波長的一條基本性質(zhì)：特征波長的改變只隨上層海水總衰減物質(zhì)濃度的改變而改變，不隨衰減物質(zhì)所在深度的改變而改變。該條性質(zhì)也同樣適用于到達(dá)下墊面的特征波長。 為了描述海水中特征波長與葉綠素濃度之間的關(guān)系，本文從特征波長定義式出發(fā)，重新推導(dǎo)出特征波長另一個計(jì)算公式。該公式直接反映了海水中特征波長指數(shù)變化特征。依據(jù)該公式，本文定義了特征波長垂直衰減系數(shù)。該系數(shù)直接反映了特征波長在垂向的衰減，本質(zhì)上是光合有效輻射通量的垂直衰減系數(shù)和光合有效量子通量的垂直衰減系數(shù)的差值，表現(xiàn)出不同太陽光譜輻射衰減的不同步性。依據(jù)特征波長的指數(shù)公式，本文還給出了特征波長偏移率的概念。該概念描述了單位深度內(nèi)真實(shí)海水引起的特征波長與純海水引起的特征波長的差值。從中可以看出，特征波長偏移率與海水中垂直衰減系數(shù)密切相關(guān)。使用該公式能夠完美的解釋海水中特征波長的變化規(guī)律。 本文利用特征波長偏移率的概念，將特征波長和葉綠素濃度建立了關(guān)系，給出了兩者的數(shù)值關(guān)系和半經(jīng)驗(yàn)關(guān)系模型。特別是兩者的半經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，特征波長和葉綠素濃度的擬合結(jié)果的決定性系數(shù)達(dá)到了壙W2W%。 特征波長，與坐WAWR一樣，是描述太陽輻射變化的重要參數(shù)。不同的是，坐WAWR描述了太陽輻射能的改變，而特征波長描述了太陽光譜特征的變化。在太陽輻射研究中，兩者相輔相成，互相補(bǔ)充。本文給出的特征波長概念從太陽光譜特征的變化角度展現(xiàn)了地氣系統(tǒng)不同層次的變化。從中可以看出，特征波長在大氣上界太陽輻射研究、大氣中太陽輻射研究以及海水中太陽輻射研究都具有重要的應(yīng)用價值。
【學(xué)位授予單位】：中國海洋大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：P422.1;P732

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1283698