雅鲁藏布江下游典型河谷地带辐射收支及反照率特征研究

Characteristics of the Surface Radiation Budget and Albedo in Typical Valley Areas of the Lower Yarlung Zangbo River

摘要

利用雅鲁藏布江下游典型河谷中林芝机场2014年的地表辐射数据，结合晴空指数识别的晴阴天，分析地表辐射分量、地表反照率逐月变化及四季典型晴天、多云天条件下的日变化特征。结果表明：（1）地表辐射分量的月均值除了短波辐射外，其余分量均呈现明显的单峰月变化。地表长波辐射、大气长波辐射、净辐射月均最大值出现在6—8月，分别为414.1、371.2、151.4 W/m²。反射短波辐射的月均值最大值出现在3月，为98.4 W/m²。夏季云量较多，使得太阳总辐射的月均最大值在10月达到顶峰，为560.3 W/m²。（2）在典型晴天中，辐射分量的日变化呈单峰型，在多云天则表现为不规则的多峰型。与晴空天相比，多云天表现出大气长波辐射增强，白天其他各辐射强度显著减弱。特别是地表长波辐射和净辐射在夜间明显增强。（3）地表反照率月平均日变化表现为先减小后增加的“U”型曲线，季节变化表现为冬季＞秋季＞春季＞夏季，最大和最小月均值分别出现在2、6月，分别为0.25、0.14。

Abstract

This study analyzed the monthly variations of surface radiation components, surface albedo, and diurnal variations under typical sunny and cloudy conditions in different seasons, based on surface radiation data collected from Nyingchi Airport in the lower Yarlung Zangbo River Valley in 2014, combined with the clear-sky index to identify sunny and cloudy days. The results are summarized as follows: (1) The monthly average variations in surface radiation components reveal that all components except shortwave radiation exhibit distinct unimodal patterns. The monthly maximum averages of surface longwave radiation, atmospheric longwave radiation, and net radiation occur between June and August, with values of 414.1, 371.2, and 151.4 W·m^-², respectively. In contrast, the monthly maximum average of reflected shortwave radiation is observed in March at 98.4 W·m^-2. Summer had a higher frequency of cloudy days than the 14-year average, leading to an unusual peak in total solar radiation in October (560.3 W·m^-²) instead of the expected summer months. (2) On typical sunny days, the diurnal variations of radiation components exhibit a smooth single-peak type, whereas cloudy days show irregular multi-peak shapes. Cloudy days enhance atmospheric longwave radiation, which decreases in the afternoon due to local circulations. Other radiation intensities are significantly decreased during the daytime, while surface longwave radiation and net radiation increased notably at night. (3) The monthly average diurnal variation of surface albedo shows a U-shaped type, initially decreasing and then increasing. Seasonally, surface albedo follows the order winter autumn spring summer, with the maximum monthly average in February (0.25) and the minimum in June (0.14).

Graphical abstract

关键词

雅鲁藏布江下游河谷 / 地表辐射收支 / 地表反照率

Key words

lower Yarlung Zangbo River valley / surface radiation budget / surface albedo

地面辐射收支过程是陆面过程研究的主要内容，也是近地表陆面转化太阳能量和实现能量循环的重要环节^[1,2]，地表反照率决定着地表能量收支平衡，是地面与大气相互作用的关键参数^[3]，开展地表辐射收支和反照率变化特征的研究，对气候变化、生态环境修复、气象灾害预测都有重要意义^[4-5]。因此，不同生态系统辐射收支和反照率的特征受国内外学者广泛关注。随着我国在不同地区大气科学观测试验研究持续开展，野外观测数据的不断丰富，针对关键区^[6-17]或生态脆弱区^[2,18-21]的观测研究获得了重要成果，为后续不同区域、多角度进行能量平衡研究提供了理论基础。

青藏高原作为世界上最大的高原，辐射和热力特征历来受到学者的高度重视。从空间分布来看，青藏高原地区不同的下垫面组成了大小不一的特殊地理单元，下垫面特征随海拔高度和季节而变化，使得地表反照率、净辐射等参数的强度和季节变化有明显地域性差异^[6-9]，如武荣盛^[8]对青藏高原不同地区辐射观测资料分析，指出地面总辐射平均强度在青藏高原西部最强，中部次之，藏东南地区最小。陈爱军^[9]等利用MODIS地表反照率产品分析青藏高原地表反照率的动态变化，认为地表反照率受地表覆盖的影响较大，且地表覆盖的季节性变化直接导致了地表反照率的季节差异。此外，谷星月^[10]发现高原地区降水呈东南向西北递减的空间格局及不同区域降水季节分配不均的特点，卞林根^[11]等研究表明，雨季降水和云量对中东部辐射强度削弱作用明显，高原中东部净辐射突变早于西部。王鸽^[12]利用NOAA-AVHRR数据资料研究了地表反照率的空间分布及其随时间的变化规律，表明云和降水减少，土壤湿度减小，使地表反照率增加，导致净辐射减小。朱躲萍^[13]等指出地表反照率变化与地表温度变化之间关系密切，当地表反照率增加时，地表吸收更少的太阳辐射并降低地表温度。这些关于青藏高原辐射和反照率特征研究进一步丰富了对陆面过程的认识，雅鲁藏布江下游典型河谷地区由于复杂的地形和多变的天气^[14]，对其陆面过程各个气象参数展开观测较为困难，从而对不同天气下地表辐射和反照率特征研究至今仍有欠缺。

雅鲁藏布江下游地区是我国青藏高原地区大气水热交换的关键区域，也是东亚地区重要的水汽通道，该地区地形复杂，高山、深壑交错，冰川、河流、草原、荒漠等地貌交叉共存，形成了复杂的天气气候 ^[14-15]。流经该地的雅鲁藏布江河谷拥有多样性的下垫面，高原强烈的太阳辐射作用于复杂地表上会驱动出强烈而复杂的局地环流系统，给当地人民的农业生活、飞行安全等多方面造成影响乃至威胁。因此深入研究雅鲁藏布河谷内的辐射和反照率特征有助于深入了解当地资源环境特征和发展潜力，可为当地经济社会可持续发展提供科学依据^[16]。本文利用地处雅鲁藏布江下游河谷中的林芝机场2014年连续一年地表辐射观测资料，分析辐射收支和反照率的一般特征，详细对比不同天气条件下辐射收支和反照率的日变化差异，以弥补该地区研究的不足。

1 研究区域与观测数据

1.1 研究区概况

林芝机场地处藏东南地区（29.3°N，94.34°E），坐落于西南—东北走向的雅鲁藏布江下游地区，西南距雅鲁藏布江河谷中的米林市约19 km（图1）。林芝机场海拔高度2 948.8 m，属于典型的高原机场，机场两侧为海拔4 000 m以上的高大山脉。机场所在河谷宽度约15 km，河谷下垫面以高山草甸和砾石为主，河谷周边山体覆盖着茂密的林木，高山山顶终年积雪，机场所处区域具有雅鲁藏布江下游河谷地带典型的地形地貌特征。由于地形复杂，局地环流强烈^[15,22]，四季特征不明显，气温年较差小，月较差、日较差大^[23]，天气条件复杂多变，使林芝机场成为国内起降难度最高的机场之一。

1.2 数据与方法

中国科学院大气物理研究所于2014年在机场跑道中部附近布设了一套辐射观测设备，观测内容包括太阳总辐射、反射短波辐射、地表长波辐射、大气长波辐射、净辐射、地表反照率。观测时段为2014年，时间分辨率为1 min。为了滤除天气快速变化引起的小扰动，将短波辐射数据＜20 W/m²的观测值设置为 0^[18]，对每半小时的辐射数据取平均，得到每天48个数据点。求日平均时，短波辐射取白天平均，其他辐射量取全天平均。求平均前，对数据缺测情况进行了检查，当半小时内数据缺测高于20%时，将该时段内数据舍弃，定为缺测。2014年共有163个时次出现了缺测，不足总观测时次的1.1%。

季节划分为：3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季，12—次年2月为冬季。由于该地区受季风影响，春、夏季多云天气频发^[24]，为分析晴天和多云天地表辐射的差异，使用晴空指数（CSI，Clear Sky Index）^[25]来识别晴天和多云天。计算公式为：

C_{\mathrm{S}\mathrm{I}}=\frac{{\epsilon }_A}{\epsilon }，(1)

{\epsilon }_A=\frac{L_{\downarrow }}{\mathrm{\sigma }{T}^{\mathrm{4}}}。(2)

式中：C_SI 为晴空指数（CSI）值；{\epsilon }_A为由测量结果计算出实际比辐射率；\epsilon为晴天条件下比辐射率的理论值^[26-27]；L_{\downarrow }为大气长波辐射；T为气温（单位：k）；\mathrm{\sigma }为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，取5.67×10^-8 W/(m²·K^-4）。

晴空指数反映的是大气长波辐射受云量波动的影响，CSI＜1表示到达地面的大气长波辐射弱，表明天空晴朗少云。CSI值超过1表示到达地面的大气长波辐射强，表明天空云层较厚。不同于利用太阳总辐射只能识别昼间晴空，CSI方法使用了长波辐射，该方法也能用于识别夜间晴空^[28]。通过一天48次观测中CSI≤1的占比判断天气状况，占比超过90%表示为晴天，低于20%为多云天。表1为根据晴空指数选取四季中的典型晴天和多云天。此外，本研究还使用了2006—2020年林芝机场云高仪观测数据。经与晴天指数确定的晴天日对比表明，当一天中云底高低于1 000 m的云占比少于20%时，可将当天定义为晴天，反之为多云天。

2 地表辐射收支及反照率特征分析

2.1 地表辐射收支月变化特征

由图2为可知，林芝机场日均总辐射最大值出现在9月5日，为810.2 W/m²，最小值出现在2月28日，为75.7 W/m²。2月平均值为392.2 W/m²，为全年最低，3—9月均值为487～518 W/m²，10月平均值增加至560.3 W/m²，为全年最高，10—12月太阳总辐射逐渐回落（图2a）。每月最大值与晴天有关，比较1—3月的最大值可知，尽管2月平均值为全年最低，但1—3月最大值却是增加的，反映出太阳高度角变化对太阳总辐射的影响。结合CSI指数（图2f）和2006—2020年每月多云天数（图3）可知：2014年1月75%为晴天，2月晴天锐减，有75%为多云天，云的遮蔽减少了到达地面的太阳总辐射，使2月平均值全年最低，振幅却是全年最大，太阳总辐射也振荡明显，3—9月有较高的CSI指数，多云天气频发，同时受降水天气的影响，太阳总辐射月均值变化不大。10—12月晴空日数明显增加，80%的日数是晴天，尽管10月太阳总辐射最大值小于夏季月份，但由于晴空日数多，使该月太阳总辐射平均值达到全年最高。此外，与其余14 a的夏季多云天平均数相比，2014年夏季多云天数明显偏高，10月多云天数出现明显下降，低于平均水平。这一现象可以有效解释太阳总辐射的最高值和平均值并未出现在夏季^[18,20-21]，而是在秋季，反映了云对太阳总辐射变化的重要影响。

反射短波辐射受太阳总辐射强度影响的同时，其作用强度主要与地表水分、形态以及植被覆盖情况有关^[13,19]。反射短波辐射4—9月为低谷期（图2b）。1、3月的地表反照率较高，反射短波辐射较大，3月均值达到全年最高，为98.4 W/m²，日均最大值为142.9 W/m²。2月由于太阳总辐射的波动明显，使反射短波辐射出现明显振荡，平均值明显低于1、3月。4月随着积雪慢慢消融、植被复苏，地表反照率较小，反射辐射开始降低。受地表的草木影响，5—8月地表反照率为全年最低，月均值维持在69～72 W/m²。10月随着地表反照率的增加，反射短波辐射增大。林芝机场不同于高原其他地区^[13,17-18]，尽管夏季太阳总辐射较强，但地表反照率的变化，使夏季的反射短波辐射明显弱于冬季。

地表长波辐射由地表温度决定^[8]，还与地表颜色有关。由图2c可知，林芝机场地表长波辐射月均值1月最低，为329.2 W/m²，2—6月地表长波辐射增加，最大月均值出现在6月，为414.1 W/m²，7—8月均值与6月接近，9—12月地表长波辐射呈线性下降趋势。10—12月的振幅高于其他月份。

大气长波辐射与气温和大气中的水汽含量相关^[6,11]，和云量、云状和云底温度关系密切^[15]。大气长波辐射逐月变化与地表长波辐射趋势基本一致，1—7月随着气温的升高、湿度增大以及云量的增加，大气长波辐射逐渐增强（图2d）。月均值从1月的248 W/m²直至8月的371.2 W/m²，9—10月，由于气温的迅速降低，空气变干，晴天数增加，大气长波辐射骤减。晴天更多的1月及10—12月的振幅明显高于夏季。

净辐射和长波辐射分量保持相同的变化规律，全年日均净辐射均为正值（图2e）。全年最大日均值出现在7月4日，为224.3 W/m²，最小日均值出现在1月5日，为6.8 W/m²，年平均为94.6 W/m²。净辐射呈明显的单峰结构，冬季净辐射最低，夏季最高，冬季约为夏季的1/4。1月开始，净辐射月均值逐渐增加，7月达到全年最大的151.4 W/m²，之后逐渐降低，12月达到全年最低，为38.3 W/m²，与高原其他地区观测的辐射季节变化特征基本吻合^[7,16,18]。

2.2 地表反照率月变化特征

地表反照率体现地表对太阳总辐射的反射能力^[16]，受植被覆盖、太阳高度角和土壤颜色等因素的影响。由地表反照率月平均日变化（图4）可知，全年12个月均表现出早晚高、中午低的U型曲线。1—3月受地表干燥、植被稀疏以及积雪的影响，地表反照率保持在较高水平， 4月积雪开始融化，植物苏醒，地表颜色开始变深导致反照率大幅减小，5—7月降水较多，植被生长良好，反照率保持在较低水平，8月反照率有所回升，9—12月持续上升。最大和最小月均值出现在2、6月，分别为0.25、0.14。因观测点位于青藏高原东南部，海拔高度低于改则站^[7]，夏季植被覆盖良好，月均值低于同时期改则站观测值。

3 不同季节典型晴天和多云天条件下日变化特征

3.1 地表辐射收支日变化

根据表1选出的代表春、夏、秋、冬季典型晴天和多云天，分析林芝机场不同季节地表辐射收支和反照率变化特征。除大气长波辐射，晴天地表辐射其他分量均表现出显著的日变化特征，为光滑单峰结构；多云天日变化波动较大，呈多峰结构，日峰值显著降低。

春、夏季太阳总辐射时间较长。晴天无论是增强还是减弱速率都明显大于多云天（图5a）。晴天的太阳总辐射峰值远高于多云天，春、夏季晴天太阳总辐射峰值约为多云天的3倍。春、夏、秋、冬季晴天太阳总辐射最大值均在13:30，分别为1098.3、1161.2、821.5、696.7 W/m²，平均值为670.2、677.5、501.4、459.7 W/m²。秋、冬季多云天太阳总辐射峰值出现时间和晴天一样，峰值为481.8、226.2 W/m²，春、夏季15:30达到峰值，分别为357.7、421.0 W/m²，平均值为170.6、181.2、213.3、157.2 W/m²。晴天条件下夏季太阳总辐射最大，冬季最小；多云天时，夏季的峰值和均值都低于秋季。不同季节云状、云厚度对太阳总辐射影响明显。

反射短波辐射变化趋势及峰值出现时间与太阳总辐射相同（图5b）。典型晴天条件下，春、夏、秋、冬季的反射短波辐射峰值分别为153.2、152.1、134.5、129.9 W/m²，平均值为105.7、106.8、101.0、94.0 W/m²，占晴天太阳总辐射均值的15.7%、15.7%、20.1%和20.4%；典型多云天时，春、夏、秋、冬季的反射短波辐射日平均值分别为33.4、33.1、38.7、37.5 W/m²，分别占多云天太阳总辐射的19.5%、18.2%、18.1%和23.8%。无论何种天气条件，冬季反射短波辐射占比更高。

晴天条件下，四季地表长波辐射日变化均呈不对称分布，日出后快速增加，14时前后达到最大值，之后减小较慢，次日日出前达到最小值（图6a）。地表长波辐射增长阶段，曲线相对光滑，反映出上午地表升温快，午后为下降阶段，曲线多波动。春、夏、秋、冬季典型晴天地表长波辐射日峰值分别为519.7、546.1、502.6、454.3 W/m²，夏季最高，冬季最小。典型多云天条件下的地表长波辐射日变化特征与典型晴天相似，但振幅明显更小，呈多峰结构。凌晨典型多云天地表长波辐射高于晴天，且秋冬季要高于春、夏季，这可能与春、夏季土壤含水量较多有关。夜晚晴天地表长波辐射偏小，典型晴天和多云天差值较小。白天典型多云天的地表长波辐射明显小于晴天，春、夏、秋、冬季典型多云天日峰值与晴天分别相差119.9、133.7、84.5、81 W/m²。春、夏季偏差更高，主要与晴天太阳总辐射强度更强有关。春、夏季入夜后典型晴天辐射强度高于典型多云天的状态持续至深夜，但秋、冬季入夜后不久转为典型晴天低于典型多云天的状态，说明土壤水分对地表温度具有保持作用。

林芝机场四季典型晴天大气长波辐射均低于典型多云天，相较于多云天，晴天的日变化特征更复杂，对应季节晴天时的大气长波辐射振幅大于多云天。典型晴天大气长波辐射在日出前后最低（图6b），日出后长波辐射开始缓慢增加，相较于地表长波辐射，大气长波辐射春、秋、冬季滞后约2～4 h达到峰值，此外，春、夏季夜间均出现了全天长波辐射极值，形成原因需要进一步研究。春、夏、秋、冬季晴天大气长波辐射的日峰值分别为287.5、345.1、292.9、247.3 W/m²。典型多云天条件下的大气长波辐射均大于对应季节的晴天。多云天云量较典型晴天云量多，大气中的水汽含量较大，导致多云天情况下向下的长波辐射值偏大。

净辐射变化趋势及峰值出现时间与太阳总辐射相近（图7），在典型晴天时，净辐射在日出后1 h从负值转为正值，并随太阳高度角的增大而迅速增加，在13:30达到最大，日落前约1 h又变为负值，说明夜间地面不断向大气输送能量，以维持地表稳定^[19]。春、夏、秋、冬季净辐射的日峰值分别为690.6、776.8、446.3、344.6 W/m²，日均值分别为168.4、199.1、66.3、32.7 W/m²。与晴天相比，多云天白天的净辐射变化趋势也和太阳总辐射相似，但振幅明显小于晴天。相较于典型晴天，春、夏、秋、冬季多云天的净辐射日峰值更低，夜间净辐射更接近0，净辐射最大值分别为279.7、347.1、325.3、189.1 W/m²。

由表2可知，晴天CSI与太阳总辐射、地表长波辐射及净辐射呈明显的负相关，相关系数为0.5～0.7，表明晴天低云量对近地层平衡过程起着冷却作用^[29]。多云天CSI与大气长波辐射呈显著正相关，说明高云量对大气长波辐射增强贡献显著。

3.2 四季典型晴天和多云天地表反照率日变化

图8为四季典型晴天和多云天条件下地表反照率日变化特征。晴天条件下，反照率主要受太阳高度角影响，反照率在10—17时呈光滑的“U”形分布，有明显的日变化规律，在日出、日落时太阳高度角较小反照率较大；晴天时，春、夏、秋、冬季正午附近反照率最小，分别为0.14、0.13、0.16和0.19，日均值分别为0.16、0.15、0.18、0.2。与典型晴天相比，多云天受云量、云状等影响，地表反照率日变化特征不明显，反照率明显降低，夏季观测到的反照率最小值出现在11时，最小值为0.12，比晴天同时刻反照率小0.01。此外，春、夏、秋、冬季多云天反照率日变化较小，日均值为0.14、0.13、0.15、0.2。

4 结论

基于林芝机场2014年辐射通量观测资料，分析地表辐射分量和地表反照率逐月变化及四季典型晴天和多云天条件下的日变化特征，得出如下结论：

（1）2014年雅鲁藏布江下游典型河谷夏季多云天较多，随着10月多云天的减少，太阳总辐射月均值10月最高（560.3 W/m²）,2月最低（392.2 W/m²）；反射短波辐射月均值3月最高（8.4 W/m²），7月最低（69.5 W/m²）；地表长波辐射月均值6月最高（414.1 W/m²），1月最低（329.2 W/m²）；大气长波辐射月均值8月最高（371. 2 W/m²），1月最低（248 W/m²）；净辐射月均值7月最高（151.4 W/m²），12月最低（38.3 W/m²）。

（2）对于典型晴天，除大气长波辐射外的其他辐射分量均表现出明显的日变化规律，并在14时达到峰值。春、夏季总辐射明显高于秋、冬季，且春、夏季晴天与多云天太阳总辐射差异较秋、冬季更明显。反射短波辐射也表现为“春、夏季高，秋、冬季低”的特征，但无论何种天气，秋、冬季反射辐射在总辐射中的占比均更高。各季节多云天夜间地表长波辐射要大于晴天，这一特征在秋、冬季持续时间更长，差异也更显著。各季节晴天大气长波辐射均低于多云天，且晴天波动更显著。春、夏季晴天和多云天的净辐射峰值差异均显著高于秋、冬季，晴天夜间净辐射为负值，反映出地面向大气输送能量，而在多云天，夜间净辐射接近0。

（3）雅鲁藏布江下游典型河谷地表反照率月平均日变化均表呈先减小后增加的“U”型分布，冬季＞秋季＞春季＞夏季，最大和最小月均值分别出现在2、6月，分别为0.25、0.14；多云天地表反照率日变化相较于晴天明显下降。

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基金资助

国家重点研发计划项目(2021YFB2601701)

民航飞行技术与飞行安全重点实验室项目(FZ2020ZZ03)

民航飞行技术与飞行安全重点实验室项目(F2018KF05)

四川省大学生创新创业训练项目(S202210624132)