青藏高原(简称高原)是世界屋脊, 其东西跨越了25个经距, 南邻副热带, 北至中纬度, 平均海拔超过4 000 m, 是世界上地形结构最为复杂, 平均海拔最高的高原, 有“第三极”之称(Qiu, 2008)。总体来看高原大气边界层高于平原, 有着昼夜温差大, 大阳辐射强的特点。高原大气圈、水圈和生物圈等多圈层的相互作用, 和其巨大的动力和热力作用, 对高原及其周边地区的气候格局, 乃至东亚气候格局、亚洲季风进程、北半球大气环流、全球的气候变化和灾害性天气气候的形成都有着重大的影响(叶笃正等, 1957, 1979; Zuo et al, 1965; Yanai et al, 1994, 2006; 周秀骥等, 2009)。

地表辐射通量是表征地气间能量与物质交换的重要参数, 是研究地表与近地层通过相互作用来影响边界层上部及自由大气的重要组成部分, 所以研究高原地表辐射通量十分必要。此外, 高原地区不同的下垫面组成了高原上大小不一的特殊地理单元, 这些特殊地理单元的下垫面对辐射能量的收支能力也各不相同, 因此通过对一些典型下垫面野外台站所观测的辐射资料进行统计和分析, 对进一步认识高原的气候变化有重要意义。而且, 过去很多的研究都是基于短时或某一时段的研究, 没有对高原地区的地表辐射通量做长期变化趋势的分析, 因此整理统计高原部分野外观测台站多年观测的地表辐射资料, 分析研究地表辐射通量的长期变化趋势, 从而得出高原典型下垫面的地表辐射通量的气候特征, 这对认识全球气候变化背景下高原地表热源的变化有重要意义。

从20世纪70年代开始, 国内外的气象学家一直致力于对高原大气科学进行观测试验研究, 较为著名的观测试验如1979年5—8月的“第一次青藏高原气象科学实验”(QZPMEX), 由此提出了适用于高原的辐射计算方法(朱福康等, 1990)。随后1996年中日合作的“全球能量水循环亚洲季风青藏高原试验研究”(GAME/Tibet)提出了要对高原地气间能量交换进行着重研究的目标。在GAME/Tibet研究项目的基础上, 2001年开始的“全球协调加强观测计划(CEOP)之亚澳季风青藏高原试验”(CAMP/Tibet)不仅继续观测GAME/Tibet的项目, 还新增了多种气象观测仪器(马耀明等, 2006)。2005—2009年中日科学家合作执行的“中日气象灾害合作研究中心项目”(简称JICA计划项目), 建立了包括GPS水汽观测、探空观测和自动气象站等组成的青藏高原及其东部大气的综合监测网, 提高了对青藏高原及其东部灾害天气气候的检测、预报、预警和评估能力(张人禾等, 2012)。为了系统、精细而定量的研究高原不同下垫面地气间的相互作用, 在中国科学院等单位的支持下, “青藏高原观测研究平台”(TORP)正在青藏高原各典型下垫面上逐步建立(马耀明, 2012)。通过对高原大气科学近50年的试验研究, 积累下了很多宝贵的试验资料, 许多学者利用这些资料进行研究并取得了丰硕的成果。巩远发等(2005)对1997—1998年中日亚洲季风机制研究计划在改则和狮泉河观测的辐射平衡资料进行分析研究, 发现了短波向下辐射在春、夏两季差值很小, 长波向下辐射的日变化和年变化特征明显不同于其他辐射平衡分量, 地表反照率的年际变化及不同下垫面的两地间的差异都可能很大。马伟强等(2004, 2005)分别利用GAME/Tibet在1998年加强期(IOP)的辐射观测资料和CAMP/Tibet在2001年8月到2002年9月观测到的地表能量通量资料, 分析和研究了藏北高原地区高原草甸下垫面的辐射特征和地表能量通量的变化规律。仲雷(2007)发现短波向下辐射随太阳高度角的增大而增大, 午后达到极大值后逐渐减小; 长波向上辐射的极大值出现在午后, 最小值出现在清晨; 长波向下辐射一天的值均维持在一定范围内, 没有明显的日变化。武荣盛等(2010)利用CAMP/Tibet在BJ站和NPAM站以及中国科学院珠峰站、纳木错站和藏东南高山环境综合观测站(下称藏东南站)2007年全年的辐射观测资料, 对比分析了这些地区不同下垫面辐射平衡分量和地表反照率的日变化和月际变化特征, 结果表明短波向下辐射夏季最大, 春、秋次之, 冬季最小, 短波向上辐射的季节变化基本与短波向下辐射一致, 在个别月份由于高原积雪使得短波向上辐射全年较高, 长波向上辐射和长波向下辐射的最大值均出现在夏季, 最小值出现在冬季; NPAM站和藏东南站因植被覆盖良好, 净辐射值在各个季节都高于其他各站。陈爱军等(2016)统计分析了2003—2013年青藏高原MODIS地表反照率不同反演结果的空间分布情况。杨丽薇等(2017)利用2014年7月18日至8月31日青藏高原中部聂荣观测站的近地层湍流观测资料, 分析了该地区近地层湍流统计特征以及近地层通量的日变化特征。解晋等(2018)利用中国气象局在青藏高原的85个站点的资料, 分析研究了青藏高原地表感热通量的变化特征, 发现在年尺度和季节尺度上感热通量的年际变化都表现为先下降后上升的趋势。于威等(2018)利用1961—2014年中国气象观测站逐日常规资料, 分析了在不同季节和不同海拔上, 青藏高原地表感热的气候态特征以及热量拖曳系数和密度对地表感热计算的影响, 并研究了高原地表感热在年际、年代际以及趋势变化上的时空分布特征。

在以上研究的基础上, 利用“全球能量水循环亚洲季风青藏高原试验研究”(GAME/Tibet)和“全球协调加强观测计划(CEOP)之亚澳季风青藏高原试验”(CAMP/Tibet)设在藏北高原的安多站、BJ站、D105观测点和NPAM(又称MS3478)观测点近20年观测的辐射资料和中国科学院珠穆朗玛大气与环境综合观测研究站(下称珠峰站)和中国科学院纳木错多圈层综合观测研究站(下称纳木错站)从2005—2016年观测的辐射资料, 通过计算来分析研究青藏高原地表辐射通量的长期变化趋势, 得出高原上典型下垫面的地表辐射通量的气候特征。

此次研究所关注的站点为那曲高寒气候环境观测研究站的安多站、BJ站、D105观测点和NPAM观测点, 及中国科学院的珠峰站和纳木错站。

安多站于1997年建站, 位于距安多县城西7 km处的帕那乡三村附近, 地处安多草原, 安多站的试验场地四周开阔, 下垫面是草高约为5 cm的高原草甸(马伟强等, 2004)。BJ站位于那曲县西南19.1 km处的罗玛镇十三村, BJ站试验场四面开阔, 下垫面是草高约为10 cm的高原草甸(谢志鹏等, 2017)。D105观测点地处青海省格尔木市109国道105道班附近的唐古拉山北侧, D105试验场地面平坦, 视野开阔, 下垫面为高原稀疏草甸, D105站在全年大部分时间里都是高原冻土, 夏季到来冻土解冻后变为湿地, 因此站上常年湿润, 是这些台站中最为湿润的站点(马伟强等, 2005)。NPAM观测点位于安多县两道河附近的扎仁镇三村, NPAM站试验场地平坦, 在东约5 km、西约30 km、南北约10 km的地方分布有几座相对高度为100~200 m的山丘, 下垫面是草高约为15 cm的高原草甸, NPAM是这六个典型下垫面野外观测台站中植被覆盖最好的台站, 即使在冬季, 地表上还是覆盖着厚厚的高原草甸, 夏季试验场的草高甚至超过了20 cm(黄芳芳等, 2016)。珠峰站位于定日县扎西宗乡巴松村, 站点建于河谷中, 地面较为平坦、空旷, 珠峰站下垫面是戈壁, 试验场地面被大量的碎石和稀疏的短草覆盖(郭晨露等, 2017)。纳木错站位于当雄县纳木错乡纳木错湖东南岸, 观测场地面平坦, 紧邻著名的纳木错湖, 试验场地表被高原草甸覆盖, 处在典型的半干旱高原季风气候区中(杨健等, 2012)。

安多站:观测长波向上和向下辐射的辐射表是EPPLEY PIR型, 观测短波向上和向下辐射的辐射表为EKO MS-801型; BJ站:对辐射平衡分量和净辐射进行观测的辐射表均为CNR1 Radiometer型; D105和NPAM站:对辐射平衡分量进行观测的辐射表均为Kipp-Zonenn Pyramometer CM-11型, 观测净辐射的辐射表为CM11+PIR型; 珠峰站和纳木错站:对辐射平衡分量进行观测的辐射表为CNR4型。为了保证各观测台站的辐射资料具有可比性, 在试验前各仪器已做了校准。

挑选以上6个站点晴天10:00(北京时, 下同)—18:00的地表辐射观测资料(观察各站每天的短波向下辐射的变化趋势是否是一条较为平滑的弧线, 如果是, 即为晴天), 同时剔除资料中非物理范围内的观测值, 剔除标记仪器异常时的观测值, 剔除呈台阶状升降的观测值, 剔除因高原积雪等原因造成数值偏大的地表辐射通量观测值, 对通过筛查后剩余的观测数据求日均值, 再对日均值求月均值, 再利用计算出来的月均值求年均值, 通过分析各站点短波向下辐射、短波向上辐射、长波向上辐射、长波向下辐射、净辐射通量以及地表反照率的年均值的变化趋势, 得出高原大部分地区地表辐射通量的气候特征。

表 1(Table 1)

表 1 观测站主要信息 Table 1 Information of the stations 站名 经纬度 海拔/m 仪器 观测年限 安多站 91.62°E, 32.24°N 4 695 四分量辐射仪 1998年至今 BJ站 91.90°E, 31.37°N 4 509 四分量辐射仪 2000年至今 D105站 91.94°E, 33.06°N 5 039 四分量辐射仪 2000年至今 NAPM站 91.71°E, 31.93°N 4 620 四分量辐射仪 2000年至今 珠峰站 86.57°E, 28.22°N 4 276 四分量辐射仪 2005年至今 纳木错站 90.98°E, 30.77°N 4 730 四分量辐射仪 2005年至今

表 1 观测站主要信息 Table 1 Information of the stations

通过对高原地区进行多年观测的安多站、BJ站、D105站、NPAM站、珠峰站和纳木错站晴天日间辐射平衡分量、净辐射通量和地表反照率进行年变化趋势分析, 得出如下结果。

太阳直接辐射在到达地表的过程中, 被大气吸收了一部分, 也被大气层中空气分子、水汽、云和尘埃等散射了一部分, 剩余到达地表的所有辐射即为短波向下辐射, 因此在地表辐射交换的过程中, 短波向下辐射相当于能量的收入部分, 它对地表辐射平衡、地气能量交换以及各种天气气候的形成有着决定性的意义(Weng, 1997)。短波向下辐射是由太阳高度角和大气洁净度共同决定的, 其随太阳高度角的增大而增大, 日落后, 太阳高度角变为0, 短波向下辐射的值也为0。又因为太阳高度角与地理纬度相关, 因此短波向下辐射也受地理纬度影响, 纬度越高, 短波向下辐射越小。高原被称为世界屋脊是因为其海拔较高, 因此大气洁净度也较高, 短波向下辐射受大气洁净度影响, 因此海拔越高, 短波向下辐射越大。

在短波向下辐射的年变化上(图 1), 安多站、珠峰站和纳木错站的短波向下辐射总体上有逐年减小的变化趋势, 安多站减小的趋势尤其明显, Tang et al(2011)和Yang et al(2012)研究表明, 高原上对流云的增加是造成高原大部分地区近20年短波向下辐射呈减少变化趋势的主要原因。但BJ近20年的短波向下辐射总体呈现明显的逐年增加的变化趋势, 这可能是由于2001—2015年BJ站试验场上空的云量有微弱的减小趋势的原因造成的(图 2)。同时, 对流云、火山活动、大气中水汽及气溶胶等变化的综合作用也造成了D105站和NPAM站的短波向下辐射增加和减少的趋势不是很明显。

图 1(Fig. 1)

图 1 典型下垫面台站短波向下辐射年变化 Fig. 1 Annual variation of short wave downward radiation flux on the typical underlying surface stations

图 2(Fig. 2)

图 2 MODIS云产品确定的BJ站云量年变化 Fig. 2 Annual variation of cloud fraction in BJ Station by using MODIS cloud product

短波向上辐射来源于地表对短波向下辐射的反射, 因此短波向上辐射的变化规律类似与短波向下辐射, 都是在日出后辐射值逐渐增大, 晴天在午后辐射值达到最大, 伴随着日落辐射值逐渐减小, 由于日落后短波向下辐射值变为0 W·m^-2, 因此短波向上辐射在日落后值也为0 W·m^-2。那曲高寒气候环境观测研究站地处高原西风和季风的过渡带上(Wang et al, 2016), 安多站、BJ站、D105站和NPAM站均是那曲高寒气候环境观测研究站的站点, 利用ERA Interim再分析数据研究那曲高寒气候环境观测研究站西风指数的年变化情况, 以BJ站为例(图 3), 研究发现2001-2015年该站试验场上空450~200 hPa 6个气压级下的西风指数均有缓慢增加的年变化趋势, 说明该地区近20年来西风在缓慢增强。因西风加强和季风减弱该地区降水减少, 所以那曲高寒气候环境观测研究站的安多站和BJ站试验区的植被有逐渐荒漠化的趋势, 下垫面对短波向下辐射的反射能力较以往有所增强, 因此安多站和BJ站的短波向上辐射随时间总体呈现出增加的年变化趋势(图 4, 安多站短波向上辐射的增加趋势较为微弱, 但BJ站增加的趋势较为明显, 可能与该站短波向下辐射有显著的增长趋势有关)。珠峰站短波向上辐射的年变化趋势并不明显(图 4), 但短波向上辐射值明显大于其余5个站, 这是因为珠峰站试验场下垫面是戈壁, 植被稀少, 对短波向下辐射有很强的反射能力所致。D105站、NPAM站和纳木错站的短波向上辐射总体上呈现逐年减小的变化趋势(图 4), 纳木错站的变化趋势较为明显。D105站、NPAM站和纳木错站虽然也处在高原西风和季风的过渡带上, 但D105站在夏季以湿地为主, 其余大部分时间都是高原冻土, NPAM站是这6个典型下垫面野外观测台站中植被覆盖最好的站点, 即使在冬季, 地表也被厚厚的高原草甸覆盖, 纳木错站试验区紧邻西藏第二大湖泊纳木错湖, 这三个站点的土壤含水量均高于其余3个站点, 在全球变暖的气候大背景下, 青藏高原的增温速度更快(Duan et al, 2015), 因此D105站、NPAM站和纳木错站的植被有逐渐变好的趋势, 这削弱了下垫面对短波向下辐射的反射能力, 因此短波向上辐射呈减小的变化趋势, 这也响应了高原变暖变湿的气候特征。

图 3(Fig. 3)

图 3 ERA Interim确定的BJ站上空西风指数的年变化 Fig. 3 Annual variations of U component of wind in the BJ Station by using ERA Interim

图 4(Fig. 4)

图 4 典型下垫面台站短波向上辐射年变化 Fig. 4 Annual variation of short wave upward radiation flux on the typical underlying surface stations

长波向上辐射是地表在吸收了短波向下辐射, 地表温度升高后, 地表以向天空发射长波辐射的方式与大气进行能量交换而得来, 长波向上辐射的计算公式如下:

式中: ε为地表比辐射率, 高原草地多取值为0.97; σ为斯蒂芬-波尔兹曼常数, 常数值约为5.67×10^-8W·m^-2·K^-4; T₀为地表温度(翁笃鸣等, 1992), 在计算过程中, 要将摄氏温度换算成绝对温度代入公式计算。由上式可知, 长波向上辐射的变化与地表温度一致, 随地表温度的升高而升高, 如果两地地表性质基本相同, 地表温度就可以决定长波向上辐射的强弱。安多站、BJ站、D105站、NPAM站、珠峰站和纳木错站的长波向上辐射都呈微弱增加的年变化趋势(图 5), 虽然各站的长波向上辐射增长幅度各不相同, 下垫面情况也不完全相同, 但也表明了青藏高原大部分地区的地表温度总体呈增长的年变化趋势, 响应了全球变暖的气候特征。

图 5(Fig. 5)

图 5 典型下垫面台站长波向上辐射年变化 Fig. 5 Annual variation of long wave upward radiation flux on the typical underlying surface stations

长波向下辐射又被称为大气逆辐射, 原因是这部分辐射由大气向地面发射长波辐射而来, 其变化主要受气温、云、二氧化碳、水汽和气溶胶等的影响, 其次海拔和地理纬度也对长波向下辐射有一定的影响(季国良等, 1995; 于涵等, 2018)。因为高原海拔高, 气压相对较低, 空气密度比平原小, 大气中水汽的含量也比平原少, 因此高原上长波向下辐射的值也比平原地区小(王永生等, 1987)。长波向下辐射的日变化较小, 但其季节性变化明显, 高原夏季多雨, 因此这一时期天空中的云量也较多, 长波向下辐射为全年最大, 冬季气温低, 云量和大气中的水汽均减少, 长波向下辐射也为全年最小。安多站、BJ站、D105站、珠峰站和纳木错站的长波向下辐射都呈微弱增加的年变化趋势(图 6)。安多站、珠峰站和纳木错站主要在高原对流云的增加和长波向上辐射逐年增加的双重影响下, 而BJ站和D105站由于长波向上辐射逐年增加, 因此这5个站的长波向下辐射随时间变化呈现微弱的增加趋势。NPAM站长波向下辐射的年变化趋势并不明显(图 6), 十多年来基本维持不变。

图 6(Fig. 6)

图 6 典型下垫面台站长波向下辐射年变化 Fig. 6 Annual variation of long wave downward radiation flux on the typical underlying surface stations

计算净辐射的公式为净辐射=短波向下辐射-短波向上辐射+长波向下辐射-长波向上辐射, 即:地表在吸收了短波向下辐射和长波向下辐射后热量增加, 同时地表又通过向外放射长波辐射(长波向上辐射)和反射短波辐射(短波向上辐射)来损失热量(马伟强等, 2005)。净辐射是对地表能量收支进行估算的一个重要指标, 当地表收入的辐射能大于支出辐射能时, 净辐射值为正, 如果没有其他方式的热交换, 则地表温度升高; 当地表收入的辐射能比支出辐射能小时, 净辐射值为负; 如果地表收入的辐射能与支出辐射能相等, 那么地表的辐射能量收支平衡。对净辐射来说, 太阳高度角、海拔、云状、云量和地表反照率等都是它的影响因子(翁笃鸣等, 1992), 原因是这些因子通过影响辐射平衡各分量, 来影响净辐射的变化。由于选择的辐射资料来自晴天日间, 因此净辐射的值均为正值, 且云状、云量和大气透明程度对净辐射的影响较小。分析净辐射通量的年变化(图 7), 发现安多站和珠峰站的净辐射有逐年减小的变化趋势, 这也与两站短波向下辐射的年变化趋势一致, 说明安多站和珠峰站近年来地表收入的辐射能有逐年减少的趋势。D105站、NPAM站和纳木错站的净辐射总体呈逐年增加的变化趋势, D105站和NPAM站净辐射的增加趋势较微弱, 且年变化与短波向下辐射的年变化趋势一致, 纳木错站的短波向下辐射虽然有逐年减少的变化趋势, 但该站地表反照率减小的变化趋势显著, 表明纳木错站试验场的植被状况很大程度在逐渐变好, 减少了地表支出的辐射能, 因此纳木错站净辐射增加。BJ站净辐射的年变化呈两种不同的变化趋势, 2001—2004年, 净辐射有明显的逐年减小的变化趋势, 但在2007—2015年(BJ站2005—2006年辐射资料缺失严重, 故在图中不表示), 净辐射又有明显的逐年增加的变化趋势, BJ站净辐射的年变化与短波向下辐射的年变化基本一致, 说明近年来该站的辐射差额先减少后增加。

图 7(Fig. 7)

图 7 典型下垫面台站净辐射年变化 Fig. 7 Annual variation of net radiation flux on the typical underlying surface stations

地表反照率是一个经常被用来体现地表对短波向下辐射反射能力的参量, 通常用短波向上辐射和短波向下辐射的比来表示, 它是影响地表能量收支的重要因子, 其作用不仅体现在研究地表能量平衡方面, 还经常被用作研究下垫面的热力性质。对地表反照率影响较大的因子主要有太阳高度角、大气透明程度、植被颜色、植被密度、土壤湿度和下垫面粗糙度以及天气状况等(李吉均等, 1986; 左大康等, 1991; Li et al, 2009; 王艺等, 2011; 除多等, 2015)。高原上的地表反照率日变化特征明显, 表现为早晚高且变化幅度大, 中午低且变化幅度小, 形状上呈“U”形变化特征(马伟强等, 2004; 次仁尼玛等, 2013); 它的季节性变化, 则与植被覆盖情况和地面干湿程度等因素密切相关, 夏季高原多雨, 地表植被覆盖增加, 土壤湿度增大, 地表反照率为全年最小, 冬季高原大部分地区植被覆盖减少, 甚至地表有积雪, 地表反照率往往为全年最大。由于辐射资料均取自晴天日间, 大气透明程度较好, 基本排除了云和水汽等的影响, 地表反照率的变化能够较为准确的体现观测区域植被覆盖状况和地表干湿程度的变化。分析地表反照率的年变化(图 8), 发现安多站近20年的地表反照率呈现出明显的逐年增加的变化趋势, BJ站近20年的地表反照率总体呈微弱的增加趋势, 这是由于两站位于那曲地区西风和季风的过渡带上, 因西风加强和季风减弱, 该地降水减少, 两站的植被有逐渐荒漠化的趋势所致。D105站、NPAM站和纳木错站的地表反照率总体上都呈逐年减小的变化趋势, 虽然这三个站点也地处西风和季风的过渡带, 但这三个站点的土壤湿度较高, 受全球变暖变湿的影响, D105站、NPAM站和纳木错站的植被在逐渐变好, 因此地表反照率有减小的趋势。珠峰站地表反照率总体呈微弱的减小趋势, 但该站的植被状况近年来没有明显的变化, 可能是由于珠峰站观测场2006—2016年土壤湿度(-10 cm)呈逐渐增大的变化趋势的原因造成的(图 9)。D105站、NPAM站、珠峰站和纳木错的地表反照率逐年减小的变化趋势符合全球气候变暖大背景下地表反照率的变化特征。

图 8(Fig. 8)

图 8 典型下垫面台站地表反照率年变化 Fig. 8 Annual variation of albedo on the typical underlying surface stations

图 9(Fig. 9)

图 9 珠峰站观测的土壤湿度(-10 cm)年变化 Fig. 9 Annual variation of observational soil moisture (-10 cm) in the Qomolangma Station

通过对青藏高原六个典型下垫面野外台站多年观测的地表辐射通量进行年际变化的分析, 得到了以下结论:

(1) 安多站、珠峰站和纳木错站多年的短波向下辐射呈不同程度的减小趋势, 原因可能是高原对流云的增加; BJ站短波向下辐射明显增长的原因可能是该站上空的云量总体上在逐年减少。青藏高原大部分站点的短波向上辐射呈逐年减小的变化趋势。安多站和BJ站在西风加强的影响下, 植被在逐渐的荒漠化, 因此短波向上辐射有不同程度的增加趋势。

(2) 青藏高原大部分地区的长波辐射(向上、向下)都呈不同程度的增加趋势, 响应了全球变暖变湿的气候特征。

(3) 净辐射的变化反映了高原地表能量收支的变化。高原地区大部分站点的净辐射的年变化与短波向下辐射的变化趋势基本一致, 纳木错站净辐射的年变化与该站短波向下辐射的变化趋势相反, 原因是纳木错站地表反照率明显减小, 减少了地表支出的辐射能。

(4) 高原地区大部分站点的地表反照率均呈逐年减小的变化趋势, 符合全球气候变暖大背景下地表反照率的变化特征; 安多站和BJ站受西风加强和季风减弱导致的降水减少的影响, 植被有逐渐荒漠化的趋势, 地表反照率逐年增加。