2009年7月22日日全食期間石門的氣象要素變化解析

朱金菊,秦 平,陳亞丹,黃 萍

(1.湖南省張家界市氣象局,湖南 張家界 427000;2.湖南省石門縣氣象局,湖南 石門 415300)

2009年7月22日日全食期間石門的氣象要素變化解析

朱金菊1,秦 平1,陳亞丹2,黃 萍1

(1.湖南省張家界市氣象局,湖南 張家界 427000;2.湖南省石門縣氣象局,湖南 石門 415300)

根據(jù)石門日全食各階段的具體時間,利用石門自動氣象站的分鐘數(shù)據(jù),具體分析了 2009年7月22日日全食期間石門觀測點的氣溫、地溫、相對濕度、氣壓和風的變化規(guī)律,并與天氣形勢相似的 21日進行了對比分析。結(jié)果表明,日食期間氣溫和地溫均為先升后降再升,呈峰谷變化,但是氣溫的變化有約 1h的滯后;相對濕度和風速隨氣溫降低而增大,滯后性基本與氣溫同步,風向沒有太大變化;氣壓小幅升高。與前一日相比,所有要素變化劇烈程度均大得多。最主要影響因子是日全食期間太陽輻射的波動性變化。

日全食;石門;氣象要素;變化;解析

1 引言

我國是世界上最早記錄日食的國家,早在商代甲骨文中,已有日食的記錄[1]。朱文鑫[2]對以正史為主的典籍中的各代日食都作了盡可能詳盡的統(tǒng)計,得到從“書經(jīng)日食”、“詩經(jīng)日食”直到清末的日食記錄共 916次,這些記錄以描述天象變化或者生物反應為主[3],也用于校驗古代歷法精度[4]。此后對日食的記錄越來越具體,隨著現(xiàn)代天文學的發(fā)展,學者們利用日食事件研究太陽系運動、引力理論、太陽本身和日地間物理變化等等[5-7]。對日食現(xiàn)象所產(chǎn)生影響的研究也日益深入和廣泛,日食在可見光云圖上產(chǎn)生陰影[8],日食期間太陽分光輻射發(fā)生變化[9],日全食時期的低溫寡照對處于敏感期的雜交水稻制種會產(chǎn)生不可估量的影響[10]。日食事件與氣候變化的關(guān)系也得到關(guān)注,趙佩章[11-13]等對日食與厄爾尼諾、拉尼娜的關(guān)系進行了研究,并揭示了日食事件與中國旱澇現(xiàn)象之間的機制。然而對日食發(fā)生期間具體的氣象要素變化反而關(guān)注較少,文獻[14]粗略地記載了 1941年9月21日甘肅臨洮日全食期間的氣溫變幅,王圣坤[15]對 20世紀末漠河日全食的太陽輻射和氣溫變化進行了觀測和分析,據(jù)中國日全食網(wǎng)記載,2008年8月1日的日全食,新疆伊吾觀測點的氣溫下降了 8℃左右。實際上日食期間氣象要素的變化根據(jù)日食發(fā)生時間、發(fā)生位置、當?shù)靥炜諣顩r和下墊面等而各不相同,本文對 2009年7月22日長江日全食期間石門的氣象要素變化進行了較細致的分析和對比。

2 日全食原理和過程

2.1 日全食基本原理

地球繞著太陽運行,月球繞著地球運行,若地球運行的軌道平面和月球的軌道平面重合,那么月球每繞地球一周就會有一次出現(xiàn)在日地連線上,即三個天體連成一線,月球擋住了射到地球上去的太陽光,月球身后的黑影正好落到地球上,地面上在月影里的人就能觀察到太陽被月球遮擋的現(xiàn)象,這就是日食,當太陽被月亮全部遮住的時候,就是日全食。通俗地說,日食就是站在月亮的影子里看太陽。如圖 1,地球上處于月球半影區(qū)的人看到的是日偏食,本影區(qū)的人看到的是日全食。

2.2 日全食的 5個階段

日全食的整個過程分為 5個階段,即初虧、食既、食甚、生光和復圓。

初虧:月球剛將太陽遮擋時,是日全食的前奏曲;

食既:月球剛將太陽完全遮擋時,是全食精彩的開始;食甚:觀測地點進入了月球影子的最深處;生光:太陽剛開始“露臉”,是全食的結(jié)束;復圓:太陽剛開始露出“圓臉”。

圖 1 日食形成原理

圖 2 日全食的五個階段

3 2009年7月22日日全食概況

3.1 概況

根據(jù)中科院紫金山天文臺的預報,2009年7月22日的日全食來臨時,太陽位于遠地點附近,月球則剛通過近地點,月球陰影在地球上掃過的區(qū)域也較寬,主要觀測點的全食時間長達 6分 39秒 (在我國境內(nèi)最長 5分 55秒),我國長江流域能看到日全食的地帶寬約 250Km,其他大部地區(qū)可見程度不等的日偏食。

因此此次日全食呈現(xiàn) 3大特點:第一,全食持續(xù)時間很長。在中國境內(nèi)是從 1814—2309年持續(xù)時間最長的一次日全食,“五百年一遇”名符其實,就全世界范圍來說,也將是從 1991—2132年的 141a間持續(xù)時間最長的一次日全食;第二,整條日全食帶掃過區(qū)域大。整條日全食帶東西長 3 000K m,南北寬最窄處226K m,最寬處 251Km。全食帶首先從不丹國西邊進入中國西藏南部和云南西北部,隨后掃向四川大部、重慶、湖南北部、湖北和安徽中南部,進入江蘇南部和上海,最后從浙江的舟山群島入海而東去。第三,這次日全食發(fā)生在人口十分密集的長江流域,是世界歷史上覆蓋人口最多的一次日全食,公眾影響力之大,創(chuàng)歷史記錄。

3.2 石門觀測點日全食過程

石門觀測點地處 29.58°N,111.38°E,位于我國全食帶南側(cè),北京時間 8時 11分初虧,9時 21分 18秒食既,從食既到 9時 22分 34秒開始生光,全食持續(xù)時間 76s,10時 40分復圓,整個日全食過程從初虧到復圓歷時 149min。

圖 3 石門日全食各階段持續(xù)時間

4 2009年7月22日日全食期間石門觀測點的氣象要素變化

4.1 氣溫變化

石門氣溫分鐘變化曲線顯示 (圖 4),日全食期間氣溫呈峰谷變化,最大降溫幅度 1.3℃,與前 1d同時刻相比,最大降溫幅度 2.7℃。兩個多小時日食過程,氣溫先升后降然后再升,呈弧形峰谷變化,但是峰谷點對應位置相對日全食從初虧到食甚、生光到復圓有時間上的延遲現(xiàn)象。

初虧開始,太陽雖然一點點被月球“咬”掉,但這時太陽輸送的熱量仍大于近地層散失的熱量,所以氣溫繼續(xù)上升,9時 43分達到最高值 31.6℃。隨著太陽大部分被遮擋,太陽輸送的熱量小于近地層散失的熱量,氣溫開始下降。食甚時刻,到達地面的太陽輻射為零,氣溫繼續(xù)下降。生光階段開始,太陽慢慢從月亮背后出來,但太陽輸送的熱量還沒趕上近地層散失的熱量,氣溫還要繼續(xù)下降一段時間,10時 37分下降到最低值 30.3℃。當太陽輸送的熱量相當并開始超過近地層散失的熱量,氣溫才開始回升,直到復圓以后一段時間,升到原來水平并繼續(xù)升高。由于氣層吸收輻射增溫和發(fā)出長波輻射降溫的滯后效應,以及食既到生光持續(xù)僅一分多鐘,所以這一過程與日食對應階段相比延遲了一個小時左右,而且降溫持續(xù)時間比升溫持續(xù)時間明顯要短。

圖 4 石門站日全食期間氣溫變化對照圖

可以看到,日全食期間氣溫變化幅度并不大。主要原因是本次日全食發(fā)生在盛夏 7月的上午升溫階段,如果發(fā)生在下午 4點以后或者晝夜溫差很大的沙漠地區(qū),氣溫下降幅度會更明顯。其次是全食時間持續(xù)太短,也影響了氣溫下降的幅度。據(jù)浙江新聞網(wǎng)報道,食甚時間持續(xù) 5分 29秒的杭州,氣溫就下降了 4℃,與 7月21日相比,則下降了 7℃。另外,日全食發(fā)生期間如果天空多云或者下雨,太陽的直接輻射被阻擋,雨水本身有降溫作用,日全食與降溫的關(guān)系是較難驗證的。

4.2 地溫變化

如圖 5所示,日全食期間地面氣溫同樣呈峰谷變化,最大降溫幅度 8.9℃,與前一天同時刻相比,最大降溫幅度 15.3℃?？梢钥闯龅販刈兓缺葰鉁匾蟮枚?而時間滯后現(xiàn)象則幾乎不存在。08時 35—36分的峰值 (39.4℃)出現(xiàn)時間恰好在初虧開始到食既時刻的中間,而 09時 27—32分的谷值(30.5℃)出現(xiàn)時間也在生光開始到復圓時刻的中間,幾乎沒有滯后現(xiàn)象。

上述地溫短時間內(nèi)的劇烈變化現(xiàn)象是由于地面直接吸收太陽輻射增溫,地溫對太陽輻射的敏感性所造成的。初虧開始以后,當太陽圓面的一半以上被月亮遮蔽,太陽輸送的熱量小于近地層散失的熱量,地表開始降溫。食甚時間,繼續(xù)降溫,生光階段,當太陽露出一半“臉面”,地面吸收太陽輻射的增溫效果大于發(fā)射長波輻射的降溫效果,地面氣溫開始升高。到 10時 40分復圓時刻,地溫已高于前一峰值,與 21日相比僅偏低 3.8℃。這是由于整個日食期間到達地面的太陽總輻射比前一天要少,影響了后續(xù)的地面升溫,但到達地面凈輻射仍為正值,所以此時地溫仍高于日食開始時的最高值。

圖 5 石門站日全食期間地溫變化對照圖

4.3 相對濕度變化

日全食期間,相對濕度的變化是先降后升,食甚以后最大升幅 4%,相似天氣形勢下,較前一日升高了 8%。相對濕度變化的時間滯后性與氣溫的滯后基本是同步的。

自然狀態(tài)下,日出以后隨著氣溫的升高,相對濕度是逐步減小的,如圖 6所示 21日相對濕度變化曲線。然而 22日日食開始一段時間后 (9時左右),相對濕度減小的腳步加快,結(jié)合圖 1可看出這也是氣溫升高速度減慢的時間點,9時 45分減到最低值后(對應圖 1氣溫最高值),相對濕度開始逐步升高,10時 25分升到最高值 61%并維持到 10時 51分后開始減小,而如 4.1所述,10時 37分氣溫降到最低值,時間上兩者大致是同步的。

圖 6 石門站日全食期間相對溫度變化對照圖

相對濕度對于氣溫具有敏感性。氣溫升高,氣體膨脹,單位體積空氣中的水汽含量減少,相對濕度降低,反之,相對濕度升高。在氣溫較低的情況下,短時的降溫會使得環(huán)境濕度驟增,甚至會使敏感物體結(jié)露,空氣濕度達到飽和。

4.4 氣壓和風的變化

本次日全食發(fā)生在盛夏 7月的上午,21—22日湖南北部包括石門高空為副熱帶高壓控制,地面為低壓,晴熱高溫天氣,正常情況下,氣壓應隨著氣溫的升高而降低。21日 8—11時石門觀測點的本站氣壓降低了 0.6hPa,然而 22日同時段石門本站氣壓反而升高了 0.2hPa(圖略),即相對前一日的絕對變化為 0.8hPa。這是因為日全食期間,隨著太陽光的逐步減弱消失,到達地面的太陽輻射減少,大氣的熱平衡遭到破壞,氣溫下降,空氣下沉,在日食區(qū)形成附加的小高壓,所以日食觀測點觀測到氣壓升高的現(xiàn)象。

同樣由于日食使氣溫降低,氣壓升高,氣壓和溫度梯度加大,引起空氣對流加速,即風速加大。如圖 7所示,22日 9時開始,風速呈波浪式增大,9時 54分達到最大值 5.5m/s,此后仍維持較大值,10時 36分開始緩慢減小,09—11時最大值與最小值相差 2.8m/s,而 21日同時段風速波動則小得多,僅相差 0.9m/s,正是由于這種溫度高低對流形成的“日食風”,盡管整個日食過程氣溫變幅不大,仍使人們明顯感到了涼意。從圖 7還可以看出,風速增大的滯后性也基本與氣溫的滯后同步。據(jù)觀測,整個日食期間,風向并沒有明顯異常變化。

圖 7 石門站日全食期間風速變化對照圖

5 小結(jié)

①日全食是太陽被月亮全部遮住的一種壯觀的天文現(xiàn)象。2009年7月22日的日全食以其持續(xù)時間長、全食帶寬和覆蓋人口多而罕見。石門觀測點日全食過程歷時 149min,其中全食持續(xù)時間 76s。

②此次日全食期間,石門的氣溫曲線呈峰谷變化,最大降溫幅度 1.3℃,較前一日最大降溫幅度2.7℃。氣溫升降各時段相對日全食各對應階段延遲了 1h左右,且降溫持續(xù)時間比升溫持續(xù)時間明顯要短。

③地溫曲線同樣呈峰谷變化,最大降溫幅度8.9℃,與前 1d同時刻相比,最大降溫幅度 15.3℃。地溫變化沒有滯后現(xiàn)象。

④相對濕度的變化是先降后升,全食時間最大升幅 4%,較前 1d升高了 8%。相對濕度變化的時間滯后性與氣溫的滯后基本是同步的。

⑤整個日全食過程,本站氣壓波動不大,僅升高了 0.2hPa,但相對前 1d的絕對升高值為 0.8hPa。

⑥風速呈波浪式增大,最大值與最小值相差2.8m/s,變幅較前一日增大 1.9m/s。風速增大的滯后性也基本與氣溫的滯后同步。風向沒有異常變化。

⑦上述變化的主要影響因子是日全食期間太陽輻射的波動性變化。由于地面直接吸收太陽輻射增溫,所以地溫的升降變化與太陽輻射的變化是同步的,而氣溫的變化主要靠吸收地面發(fā)射的長波輻射,地面發(fā)射長波輻射相對其吸收太陽輻射有一個滯后時間,氣溫的升降又引起相對濕度、氣壓和風等要素的變化,因此它們的滯后也大致同步。考慮到上午太陽高度角不斷升高,太陽輻射的變化是非勻速的,加上食甚持續(xù)時間很短,所以氣溫等要素的升降變化時間點并非在初虧和生光階段的中間點,升和降的滯后時間也并非完全相等。

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P458

B

2010-09-10

朱金菊 (1970-),女,高工,主要從事短期天氣預報和短期氣候預測工作。

1003-6598(2010)增刊 -0169-04