2009年7月22日日全食期间石门的气象要素变化解析

朱金菊,秦 平,陈亚丹,黄 萍

(1.湖南省张家界市气象局,湖南 张家界 427000;2.湖南省石门县气象局,湖南 石门 415300)

2009年7月22日日全食期间石门的气象要素变化解析

朱金菊1,秦 平1,陈亚丹2,黄 萍1

(1.湖南省张家界市气象局,湖南 张家界 427000;2.湖南省石门县气象局,湖南 石门 415300)

根据石门日全食各阶段的具体时间,利用石门自动气象站的分钟数据,具体分析了 2009年7月22日日全食期间石门观测点的气温、地温、相对湿度、气压和风的变化规律,并与天气形势相似的 21日进行了对比分析。结果表明,日食期间气温和地温均为先升后降再升,呈峰谷变化,但是气温的变化有约 1h的滞后;相对湿度和风速随气温降低而增大,滞后性基本与气温同步,风向没有太大变化;气压小幅升高。与前一日相比,所有要素变化剧烈程度均大得多。最主要影响因子是日全食期间太阳辐射的波动性变化。

日全食;石门;气象要素;变化;解析

1 引言

我国是世界上最早记录日食的国家,早在商代甲骨文中,已有日食的记录[1]。朱文鑫[2]对以正史为主的典籍中的各代日食都作了尽可能详尽的统计,得到从“书经日食”、“诗经日食”直到清末的日食记录共 916次,这些记录以描述天象变化或者生物反应为主[3],也用于校验古代历法精度[4]。此后对日食的记录越来越具体,随着现代天文学的发展,学者们利用日食事件研究太阳系运动、引力理论、太阳本身和日地间物理变化等等[5-7]。对日食现象所产生影响的研究也日益深入和广泛,日食在可见光云图上产生阴影[8],日食期间太阳分光辐射发生变化[9],日全食时期的低温寡照对处于敏感期的杂交水稻制种会产生不可估量的影响[10]。日食事件与气候变化的关系也得到关注,赵佩章[11-13]等对日食与厄尔尼诺、拉尼娜的关系进行了研究,并揭示了日食事件与中国旱涝现象之间的机制。然而对日食发生期间具体的气象要素变化反而关注较少,文献[14]粗略地记载了 1941年9月21日甘肃临洮日全食期间的气温变幅,王圣坤[15]对 20世纪末漠河日全食的太阳辐射和气温变化进行了观测和分析,据中国日全食网记载,2008年8月1日的日全食,新疆伊吾观测点的气温下降了 8℃左右。实际上日食期间气象要素的变化根据日食发生时间、发生位置、当地天空状况和下垫面等而各不相同,本文对 2009年7月22日长江日全食期间石门的气象要素变化进行了较细致的分析和对比。

2 日全食原理和过程

2.1 日全食基本原理

地球绕着太阳运行,月球绕着地球运行,若地球运行的轨道平面和月球的轨道平面重合,那么月球每绕地球一周就会有一次出现在日地连线上,即三个天体连成一线,月球挡住了射到地球上去的太阳光,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观察到太阳被月球遮挡的现象,这就是日食,当太阳被月亮全部遮住的时候,就是日全食。通俗地说,日食就是站在月亮的影子里看太阳。如图 1,地球上处于月球半影区的人看到的是日偏食,本影区的人看到的是日全食。

2.2 日全食的 5个阶段

日全食的整个过程分为 5个阶段,即初亏、食既、食甚、生光和复圆。

初亏:月球刚将太阳遮挡时,是日全食的前奏曲;

食既:月球刚将太阳完全遮挡时,是全食精彩的开始;食甚:观测地点进入了月球影子的最深处;生光:太阳刚开始“露脸”,是全食的结束;复圆:太阳刚开始露出“圆脸”。

图 1 日食形成原理

图 2 日全食的五个阶段

3 2009年7月22日日全食概况

3.1 概况

根据中科院紫金山天文台的预报,2009年7月22日的日全食来临时,太阳位于远地点附近,月球则刚通过近地点,月球阴影在地球上扫过的区域也较宽,主要观测点的全食时间长达 6分 39秒 (在我国境内最长 5分 55秒),我国长江流域能看到日全食的地带宽约 250Km,其他大部地区可见程度不等的日偏食。

因此此次日全食呈现 3大特点:第一,全食持续时间很长。在中国境内是从 1814—2309年持续时间最长的一次日全食,“五百年一遇”名符其实,就全世界范围来说,也将是从 1991—2132年的 141a间持续时间最长的一次日全食;第二,整条日全食带扫过区域大。整条日全食带东西长 3 000K m,南北宽最窄处226K m,最宽处 251Km。全食带首先从不丹国西边进入中国西藏南部和云南西北部,随后扫向四川大部、重庆、湖南北部、湖北和安徽中南部,进入江苏南部和上海,最后从浙江的舟山群岛入海而东去。第三,这次日全食发生在人口十分密集的长江流域,是世界历史上覆盖人口最多的一次日全食,公众影响力之大,创历史记录。

3.2 石门观测点日全食过程

石门观测点地处 29.58°N,111.38°E,位于我国全食带南侧,北京时间 8时 11分初亏,9时 21分 18秒食既,从食既到 9时 22分 34秒开始生光,全食持续时间 76s,10时 40分复圆,整个日全食过程从初亏到复圆历时 149min。

图 3 石门日全食各阶段持续时间

4 2009年7月22日日全食期间石门观测点的气象要素变化

4.1 气温变化

石门气温分钟变化曲线显示 (图 4),日全食期间气温呈峰谷变化,最大降温幅度 1.3℃,与前 1d同时刻相比,最大降温幅度 2.7℃。两个多小时日食过程,气温先升后降然后再升,呈弧形峰谷变化,但是峰谷点对应位置相对日全食从初亏到食甚、生光到复圆有时间上的延迟现象。

初亏开始,太阳虽然一点点被月球“咬”掉,但这时太阳输送的热量仍大于近地层散失的热量,所以气温继续上升,9时 43分达到最高值 31.6℃。随着太阳大部分被遮挡,太阳输送的热量小于近地层散失的热量,气温开始下降。食甚时刻,到达地面的太阳辐射为零,气温继续下降。生光阶段开始,太阳慢慢从月亮背后出来,但太阳输送的热量还没赶上近地层散失的热量,气温还要继续下降一段时间,10时 37分下降到最低值 30.3℃。当太阳输送的热量相当并开始超过近地层散失的热量,气温才开始回升,直到复圆以后一段时间,升到原来水平并继续升高。由于气层吸收辐射增温和发出长波辐射降温的滞后效应,以及食既到生光持续仅一分多钟,所以这一过程与日食对应阶段相比延迟了一个小时左右,而且降温持续时间比升温持续时间明显要短。

图 4 石门站日全食期间气温变化对照图

可以看到,日全食期间气温变化幅度并不大。主要原因是本次日全食发生在盛夏 7月的上午升温阶段,如果发生在下午 4点以后或者昼夜温差很大的沙漠地区,气温下降幅度会更明显。其次是全食时间持续太短,也影响了气温下降的幅度。据浙江新闻网报道,食甚时间持续 5分 29秒的杭州,气温就下降了 4℃,与 7月21日相比,则下降了 7℃。另外,日全食发生期间如果天空多云或者下雨,太阳的直接辐射被阻挡,雨水本身有降温作用,日全食与降温的关系是较难验证的。

4.2 地温变化

如图 5所示,日全食期间地面气温同样呈峰谷变化,最大降温幅度 8.9℃,与前一天同时刻相比,最大降温幅度 15.3℃。可以看出地温变化幅度比气温要大得多,而时间滞后现象则几乎不存在。08时 35—36分的峰值 (39.4℃)出现时间恰好在初亏开始到食既时刻的中间,而 09时 27—32分的谷值(30.5℃)出现时间也在生光开始到复圆时刻的中间,几乎没有滞后现象。

上述地温短时间内的剧烈变化现象是由于地面直接吸收太阳辐射增温,地温对太阳辐射的敏感性所造成的。初亏开始以后,当太阳圆面的一半以上被月亮遮蔽,太阳输送的热量小于近地层散失的热量,地表开始降温。食甚时间,继续降温,生光阶段,当太阳露出一半“脸面”,地面吸收太阳辐射的增温效果大于发射长波辐射的降温效果,地面气温开始升高。到 10时 40分复圆时刻,地温已高于前一峰值,与 21日相比仅偏低 3.8℃。这是由于整个日食期间到达地面的太阳总辐射比前一天要少,影响了后续的地面升温,但到达地面净辐射仍为正值,所以此时地温仍高于日食开始时的最高值。

图 5 石门站日全食期间地温变化对照图

4.3 相对湿度变化

日全食期间,相对湿度的变化是先降后升,食甚以后最大升幅 4%,相似天气形势下,较前一日升高了 8%。相对湿度变化的时间滞后性与气温的滞后基本是同步的。

自然状态下,日出以后随着气温的升高,相对湿度是逐步减小的,如图 6所示 21日相对湿度变化曲线。然而 22日日食开始一段时间后 (9时左右),相对湿度减小的脚步加快,结合图 1可看出这也是气温升高速度减慢的时间点,9时 45分减到最低值后(对应图 1气温最高值),相对湿度开始逐步升高,10时 25分升到最高值 61%并维持到 10时 51分后开始减小,而如 4.1所述,10时 37分气温降到最低值,时间上两者大致是同步的。

图 6 石门站日全食期间相对温度变化对照图

相对湿度对于气温具有敏感性。气温升高,气体膨胀,单位体积空气中的水汽含量减少,相对湿度降低,反之,相对湿度升高。在气温较低的情况下,短时的降温会使得环境湿度骤增,甚至会使敏感物体结露,空气湿度达到饱和。

4.4 气压和风的变化

本次日全食发生在盛夏 7月的上午,21—22日湖南北部包括石门高空为副热带高压控制,地面为低压,晴热高温天气,正常情况下,气压应随着气温的升高而降低。21日 8—11时石门观测点的本站气压降低了 0.6hPa,然而 22日同时段石门本站气压反而升高了 0.2hPa(图略),即相对前一日的绝对变化为 0.8hPa。这是因为日全食期间,随着太阳光的逐步减弱消失,到达地面的太阳辐射减少,大气的热平衡遭到破坏,气温下降,空气下沉,在日食区形成附加的小高压,所以日食观测点观测到气压升高的现象。

同样由于日食使气温降低,气压升高,气压和温度梯度加大,引起空气对流加速,即风速加大。如图 7所示,22日 9时开始,风速呈波浪式增大,9时 54分达到最大值 5.5m/s,此后仍维持较大值,10时 36分开始缓慢减小,09—11时最大值与最小值相差 2.8m/s,而 21日同时段风速波动则小得多,仅相差 0.9m/s,正是由于这种温度高低对流形成的“日食风”,尽管整个日食过程气温变幅不大,仍使人们明显感到了凉意。从图 7还可以看出,风速增大的滞后性也基本与气温的滞后同步。据观测,整个日食期间,风向并没有明显异常变化。

图 7 石门站日全食期间风速变化对照图

5 小结

①日全食是太阳被月亮全部遮住的一种壮观的天文现象。2009年7月22日的日全食以其持续时间长、全食带宽和覆盖人口多而罕见。石门观测点日全食过程历时 149min,其中全食持续时间 76s。

②此次日全食期间,石门的气温曲线呈峰谷变化,最大降温幅度 1.3℃,较前一日最大降温幅度2.7℃。气温升降各时段相对日全食各对应阶段延迟了 1h左右,且降温持续时间比升温持续时间明显要短。

③地温曲线同样呈峰谷变化,最大降温幅度8.9℃,与前 1d同时刻相比,最大降温幅度 15.3℃。地温变化没有滞后现象。

④相对湿度的变化是先降后升,全食时间最大升幅 4%,较前 1d升高了 8%。相对湿度变化的时间滞后性与气温的滞后基本是同步的。

⑤整个日全食过程,本站气压波动不大,仅升高了 0.2hPa,但相对前 1d的绝对升高值为 0.8hPa。

⑥风速呈波浪式增大,最大值与最小值相差2.8m/s,变幅较前一日增大 1.9m/s。风速增大的滞后性也基本与气温的滞后同步。风向没有异常变化。

⑦上述变化的主要影响因子是日全食期间太阳辐射的波动性变化。由于地面直接吸收太阳辐射增温,所以地温的升降变化与太阳辐射的变化是同步的,而气温的变化主要靠吸收地面发射的长波辐射,地面发射长波辐射相对其吸收太阳辐射有一个滞后时间,气温的升降又引起相对湿度、气压和风等要素的变化,因此它们的滞后也大致同步。考虑到上午太阳高度角不断升高,太阳辐射的变化是非匀速的,加上食甚持续时间很短,所以气温等要素的升降变化时间点并非在初亏和生光阶段的中间点,升和降的滞后时间也并非完全相等。

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B

2010-09-10

朱金菊 (1970-),女,高工,主要从事短期天气预报和短期气候预测工作。

1003-6598(2010)增刊 -0169-04