1 日食期间气象要素研究现状

月球运动到地球和太阳之间并且三者成一条直线时就会发生日食，根据月球在地球上的投影情况，日食可分为日全食、日环食、日偏食和全环食^[1]。长久以来，日食除了给人类提供震撼的观感外，也提供了独特的科学研究环境。最著名的例子就是爱丁顿爵士观测1919年的日食，验证了爱因斯坦广义相对论中的光线偏转预言^[2]。日全食期间可以直接看到太阳外层大气——日冕，因为日冕稀薄暗弱，平时淹没在太阳光球发出的强烈光线中，在食分很大的日环食时只能看到微弱的日冕结构。日冕的精细结构动力学特征、日冕加热问题和日食期间的生物学效应等是日食期间重要的研究课题^[3-4]，也是地面和空间太阳观测研究的重要补充。

日食会引发气象要素的变化，但直到1980年2月16日的日全食之后，日食期间气象变化的相关研究才逐渐增多^[5]。定量测量发现，日食开始后，太阳辐射和气温会下降^[6]，并且在天气晴朗、大气稳定的情况下，太阳辐射最小的时间和食甚相同，太阳照度的变化和日食有很强的相关性。有云和雾的情况下，太阳辐射达到最小的时间有所滞后^[7]，天空亮度受大气质量和环境的影响。目前，城市和工业区在日全食期间的天空亮度比以前日全食期间的要亮^[8]。全食期间，太阳辐射在食甚下降到0 W·m^-2，气温下降几摄氏度^[9]，全食结束后，太阳辐射和气温逐步回升^[10]。文[11]分析了2009年7月22日日全食期间杭州的气象观测后发现，在2万多米的高空温度变化0.6~3.0 ℃，地面温度变化最大为2.3 ℃。文[12]分析了本次日全食期间武汉市的气象要素变化后发现，日全食期间，太阳辐射总量大幅度下降，由于温度相对于太阳辐射有滞后性，所以气温呈现上升-下降-上升的过程，变化幅度1.3 ℃。文[13]认为，2017年美国日全食期间，太阳辐射从大于800 W·m^-2下降到0 W·m^-2，气温下降了4.5 ℃。日食同样导致耗电和产能的变化，2015年3月20日的日食期间，英国电力需求增加了约3 000兆瓦时，比平时同期增加4%，而风能和光伏发电则减少了1.5千兆瓦时^[14]。

2020年6月21日发生的日环食是本世纪我国最壮观的日环食，最大食分可达0.997(来源：国家天文科学数据中心日食计算器，https://nadc.china-vo.org/eclipse/)，环食带经过我国西藏、四川、重庆、湖南、江西、福建和台湾，但是环食带很窄，宽度仅20多千米，全国其他地方可见日偏食。深圳市天文台位于环食带以南，可见日偏食，最大食分高达0.901。图 1(a)显示了中国境内日食路径全景图；图 1(b)是深圳偏食放大图，显示了深圳市天文台的地理坐标、偏食食分以及初亏、食甚和复圆时刻等信息。太阳望远镜全程拍摄了日偏食，基地内安放的标准气象设备同时进行了日食期间的天文和气象观测，是天文与气象相结合的典型范例。即使是在日全食期间，大多数情况温度下降也只有几摄氏度，偏食期间相应的变化更小。定量分析日面变化和气象要素的变化及其相关性，可有效预测日食期间气象要素的变化。

2 日偏食太阳观测和气象观测

深圳市天文台位于广东省深圳市大鹏新区南澳半岛西涌，东、南、西三面环海，海拔224 m，视宁度足以进行全日面光球和色球观测^[15-16]。2020年4月，天文台完成三通道太阳望远镜升级并投入使用，可在Hα(656.28 nm)和Ca Ⅱ K(393.37 nm)波段全日面观测色球，白光波段全日面观测光球。三通道全日面太阳观测能获取太阳黑子、暗条(日珥)和耀斑等太阳活动信息^[17]，对认识太阳活动的物理本质和预测灾害性空间天气事件具有重要意义。此外，全日面色球望远镜观测日偏食同样具有科学研究价值，能为太阳物理和地球物理效应研究提供资料和信息^[18]。

本文利用太阳三通道中的Ca Ⅱ K观测数据，Ca Ⅱ K全日面望远镜的主镜口径203 mm，后端配备2 048 × 2 048的FLI CCD。本次日食观测期间，望远镜观测的时间分辨率为10 min，观测时间从14:31:09到17:21:18(世界时06:31:09~09:21:18 UT)，基本覆盖了整个日食过程，太阳三通道望远镜全程参与了日食科普直播。为了分析日食期间气象要素的变化，本文收集了天文台内气象标准站的观测数据，包括太阳辐射、温度、湿度和气压数据，观测时间分辨率为1 min，时长为3.5 h(06:00~09:30 UT)。并对数据进行分析。

深圳市天文台的日食初亏、食甚和复圆时间分别是06:37:41 UT、08:08:38 UT和09:24:30 UT。图 2中用红色箭头连接的蓝色图像显示了日食的整个过程，蓝色图像是Ca Ⅱ K全日面观测图像。从图 2可以看出，06:31:09 UT时，日面完全无遮挡(由于观测的时间分辨率，初亏开始时无观测)，06:41:09 UT到09:21:18 UT，日面经历了遮挡逐渐增加到遮挡最多后，月球影子移开，日面逐渐变圆的过程。受时间分辨率的限制，在食甚附近的08:11:14 UT时，太阳被遮挡最多。以气象要素太阳辐射变化为例，如图 2中间曲线所示，横坐标为世界时，纵坐标为太阳辐射，3条竖直的红色虚线分别是初亏、食甚、复圆时刻，竖直的绿色虚线是食甚附近观测到日面被遮挡最多的时刻。日食期间，从初亏开始，太阳辐射迅速减小，至食甚附近达到极小值，然后辐射逐渐增加。

3 数据分析 3.1 日食期间气象要素分析

为了对比日食和无日食时太阳辐射、温度、相对湿度和气压的变化，我们选取日食前后一天相同时间段的观测数据，如图 3。图中3条竖直虚线分别是初亏、食甚、复圆时刻，红色实线表示6月21日日食期间各气象要素变化情况，蓝色点虚线和绿色虚线分别表示6月20日和22日相同时间段的变化特性。

图 3(a)显示了6月20日、21日和22日6:00~09:30 UT太阳辐射变化。由于选取的时间段在下午，所以太阳辐射整体下降，下降幅度约为550 W·m^-2。如果没有日食，太阳辐射是一个平滑缓慢下降的过程。当有日食时，初亏之后，太阳辐射急剧下降，下降到最低时为52.60 W·m^-2(如果发生日全食，甚至可以到达0 W·m^-2)。为了分析日食和非日食期间太阳辐射下降的变化情况，我们分别线性拟合6月20日、21日和22日06:37~08:08 UT(初亏-食甚)的观测数据，拟合后的斜率k分别为-2.8、-9.1和-2.6，即初亏到食甚阶段，太阳辐射平均每分钟下降9.1 W·m^-2，而非日食相同时间段太阳辐射平均每分钟下降2.8 W·m^-2和2.6 W·m^-2，也就是说，日食期间太阳辐射的变化速率可达非日食时的4倍左右。紫色箭头所指为太阳辐射的最低点，受当天云的短时干扰以及受限于太阳辐射观测的时间分辨率，这个时刻相对于食甚滞后1.37 min，食甚后，随着日面遮挡面积减小，太阳辐射开始上升，在上升过程中，太阳辐射强度有几次大的跌落，是太阳被云短时遮挡。

图 3(b)显示了温度的变化，初亏到食甚阶段温度下降了约2 ℃，最低温度达27.70 ℃。经过类似处理太阳辐射数据过程，进行线性拟合发现，日食期间温度的变化率几乎比非日食期间高1个数量级。初亏到食甚阶段，温度平均每分钟下降0.02 ℃，而非日食期间平均每分钟下降0.003~0.004 ℃。太阳辐射下降后，温度随之降低，因此，温度达到最低的时刻(紫色箭头所指)相对于食甚滞后6.37 min。温度在这个极小值持续7 min后开始逐步回升。图 3(c)显示了相对湿度的变化，初亏到食甚阶段相对湿度增加了约10%，最高时可达93.0%。线性拟合发现，在这个阶段相对湿度平均每分钟增加0.09%，而非日食期间平均每分钟增加0.02%。湿度达到最大值的时刻(紫色箭头所指)相对于食甚滞后6.37 min，相对湿度最大值持续33 min后开始逐步下降。此次日偏食期间，气压的变化不大，如图 3(d)，初亏到食甚阶段气压下降约1 hPa，并且和非日食时的变化相差不大，在这阶段气压平均每分钟下降约0.008 hPa。气压达到最低的时刻(紫色箭头所指)相对于食甚滞后10.37 min，持续25 min后气压回升。

3.2 日面相对强度和气象要素的相关性

全日面色球望远镜观测了整个日食过程，日食最直观的观测就是日面被遮挡。日面相对强度变化和气象要素之间的相关性可用于分析气象要素对太阳的依赖程度。从太阳图像可以看出边缘比中心暗，这就是临边昏暗效应。靠近日面中心更亮意味着温度更高，这是由于越靠近中心，能够看到的太阳的层次更深。图 4(a)显示了日食开始前06:31:09 UT时的太阳图像，可以清晰地看出靠近日面中心更亮。图 4(b)的蓝色曲线轮廓是图 4(a)白色虚线上日面过中心点的强度变化轮廓。用可见光和红外连续谱中单色光观测太阳时，都会出现临边昏暗现象。在爱丁顿近似条件下对所有波段积分，日面各点相对于日面中心的强度为

$ I\left( \mu \right) = \frac{{2 + 3\mu }}{5}I\left( 0 \right), $

(1)

其中μ=cosθ，θ为日心角距；I(μ)为日面各点的强度；I(0)为日心强度^[19]。图 4(b)的黑色曲线显示了相对太阳辐射强度随日面中心距离的变化。为了计算日食时日面的相对强度(以08:11:14 UT时的太阳图像为例)，我们首先需要知道全日面各点的位置，通过数字图像处理和最小二乘法圆周拟合可以算出全日面的圆心位置和圆面半径，在2 048 × 2 048的CCD中，圆心的位置为(1 019, 1 111)，圆面的半径为917像元。图 4(d)中的白色点是拟合圆周，进而可得圆周内各点的确切位置。根据可见日面和其他区域的亮度可以区分日牙和日面其他区域，图 4(e)用蓝点标记可见日面的各个像元点，用黄点标记日面其他点，把各个点的位置坐标和半径代入(1)式可得相对强度，分别对日牙内和日面圆周内的强度求和，相比可知此时的相对强度约为0.10。

为了分析日食期间日面相对强度的变化和气象要素变化之间的相关性，我们计算了从初亏到复圆时间序列日面强度相对于全日面强度的变化，如图 5红色星点，相对强度的范围在0到1(全食食甚为0)。显然，初亏到食甚相对强度随可见日面的减小而减小，食甚到复圆相对强度随可见日面的增大而增大，食甚相对强度最小，日食未开始和结束后，相对强度为1。从图 5可知，气象要素和日面相对强度之间有很强的相关性。从初亏到复圆，日面相对强度和气象要素之间的皮尔森相关系数(Pearson Correlation Coefficient)分别为日面相对强度和太阳辐射之间0.95，和温度之间0.89，和相对湿度之间-0.82，和气压之间0.75，这些相关系数接近1或-1，说明它们之间有强相关性。太阳辐射强度是在单位时间单位面积内接收到的太阳辐射的强弱，和可见日面直接相关，所以相关性最强。其他气象要素相对于太阳辐射有滞后，相关性稍弱。

4 结论

大气科学观测的重要内容之一是找出各要素之间的相关性或是证明它们之间的非相关性，要理清它们之间的关系比较困难^[14]。日食提供了一个独特的观测机会，用高灵敏度仪器精确观测日食带上多个点的气象要素，基于数据建模理论进行解释^[20]。本文给出了日食期间各气象要素的变化以及日面相对面和气象要素之间的相关性，得到以下主要结论：

(1) 日食期间，太阳辐射、温度和气压经历下降-上升的过程，其中，温度和气压在最低值分别持续7 min和25 min，而太阳辐射则到达最低值后回升；

(2) 日食期间，相对湿度经历了上升-持续-下降的过程，持续时间为33 min；

(3) 太阳辐射、温度、相对湿度和气压到达极值的时刻相对于食甚有滞后，滞后时间分别为1.37 min，6.37 min，6.37 min和10.37 min，滞后可能是由观测的时间分辨率和局地的天气条件造成的；

(4) 日食期间，日面相对强度和气象要素之间的相关性很强，皮尔森相关系数分别达0.95、0.89、-0.82和0.75，接近1或-1。

这些结论给出了特定点日食期间气象要素特性和可见日面变化及其相关性，综合其他点的观测，基于观测建模，对预测下一次日食期间气象要素特性有指导意义。