大氣中O3、H2O、O2 等分子對(duì)西藏拉薩地面太陽(yáng)光譜的影響*

趙路超，周 毅

（西藏大學(xué) 理學(xué)院，西藏 拉薩850000）

1 概述

太陽(yáng)主要以輻射電磁波的形式向地球源源不斷的輸送能量，太陽(yáng)輻射主要分為三個(gè)區(qū)域，分別為：紫外光區(qū)、可見(jiàn)光區(qū)及紅外光區(qū)，其能量輸出絕大部分分布在可見(jiàn)光區(qū)。由于地球大氣層對(duì)太陽(yáng)輻射能量有吸收的作用，因此大氣層外太陽(yáng)輻射的能量與地面太陽(yáng)輻射的能量是不同的。而大氣層中又包含了O3、O2、H2O、CO2等不同的大氣分子，不同的大氣分子對(duì)于太陽(yáng)輻射能量的吸收波段也是不同的。

西藏自治區(qū)拉薩市地處西藏高原中部，平均海拔3650m，夏無(wú)酷暑，冬無(wú)嚴(yán)寒，太陽(yáng)年均日照時(shí)間超過(guò)3000 小時(shí)，臭氧層稀薄，太陽(yáng)能資源極其豐富，是太陽(yáng)輻射能量觀測(cè)的絕佳之地。本課題組利用RAMSES-ACCUV 紫外光譜儀及RAMSES-ACC-VIS 可見(jiàn)光譜儀對(duì)西藏拉薩地面太陽(yáng)光譜進(jìn)行了為期三年的觀測(cè)，主要觀測(cè)波段為280nm-500nm 及320nm-950nm，包含了地面太陽(yáng)光譜的主要輻射能量波段。本課題將為西藏太陽(yáng)輻射能量的利用提供了很好的數(shù)據(jù)依據(jù)。

2 太陽(yáng)光譜觀測(cè)

2.1 太陽(yáng)光譜

太陽(yáng)光譜，是表示不同波長(zhǎng)的太陽(yáng)光強(qiáng)度的一段光譜，地表面太陽(yáng)光輻射強(qiáng)度，隨著波長(zhǎng)的分布會(huì)被大氣中的成分吸收，太陽(yáng)光主要由不可見(jiàn)光區(qū)（紫外光區(qū)、紅外光區(qū)）和可見(jiàn)光區(qū)組成。波長(zhǎng)小于400nm 的光線，屬于紫外光區(qū)，波長(zhǎng)在400nm-780nm 之間的屬于可見(jiàn)光區(qū)，波長(zhǎng)大于780nm 的光，屬于紅外光區(qū)。太陽(yáng)光譜中可見(jiàn)光區(qū)占總量的約50%，紅外光區(qū)占約43%，紫外光區(qū)只占約7%，而太陽(yáng)的光能也主要集中在可見(jiàn)光區(qū)。紫外線又可分為UVA、UVB 和UVC 三種，這三種紫外線都可以對(duì)人的身體，造成不同程度的傷害。紫外線現(xiàn)在通常被應(yīng)用于殺菌等。可見(jiàn)光主要是太陽(yáng)光譜中，人眼可以看到的光線，植物光合作用主要利用的也是可見(jiàn)光區(qū)。

如圖1 所示，紅色曲線表示太陽(yáng)的6000k 的黑體輻射，綠色曲線表示大氣層外太陽(yáng)光譜（AM-0），而黑色曲線表示地表面的太陽(yáng)光譜（AM-1），即在我們地面觀測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)到的太陽(yáng)光譜。通過(guò)比較綠色曲線和黑色曲線我們不難發(fā)現(xiàn)，大氣層外的太陽(yáng)光譜的波長(zhǎng)和輻射能都要多于地表面的太陽(yáng)光譜，大氣中的氧氣、水、二氧化碳等分子對(duì)太陽(yáng)光譜有不同程度的吸收。

圖1 不同條件下的太陽(yáng)光譜

2.2 觀測(cè)地點(diǎn)及方法

如圖2 所示，拉薩觀測(cè)站，位于西藏大學(xué)納金校區(qū)內(nèi)。觀測(cè)站距離拉薩市的南面山體、北面山體，以及西面山體的直線距離，分別約為3.6km、4.0km 和12.1km。觀測(cè)站所在地拉薩是屬于高原氣候，全年多為晴朗的天氣，降雨量稀少，冬天無(wú)嚴(yán)寒，夏天無(wú)酷暑。地貌多為沙土巖石，山體植被較少，夏季雨水較多時(shí)南面山體會(huì)長(zhǎng)有小型灌木，山體夏季對(duì)太陽(yáng)光的反射比冬季反射偏弱。從衛(wèi)星云圖上可以看出，雅魯藏布江支流拉薩河等河水流過(guò)城市，并且拉薩市是西藏自治區(qū)人口最多的城市，居民建筑物較多，這也會(huì)對(duì)太陽(yáng)光反射產(chǎn)生少量影響。

圖2 西藏拉薩太陽(yáng)光譜觀測(cè)站周邊地貌

如表1 所示，拉薩觀測(cè)點(diǎn)位于西藏大學(xué)納金校區(qū)，海拔3689m，維度29.65N，經(jīng)度91.18E。用RAMSES-ACCUV/VIS 兩臺(tái)設(shè)備分別進(jìn)行太陽(yáng)光譜觀測(cè)。觀測(cè)均從GMT時(shí)間00：00 到12：00，儀器每分鐘自動(dòng)觀測(cè)并記錄一次數(shù)據(jù)。

表1 太陽(yáng)光譜觀測(cè)地點(diǎn)及時(shí)間

3 西藏太陽(yáng)輻射觀測(cè)研究進(jìn)展

3.1 西藏太陽(yáng)紫外輻射研究進(jìn)展

趙地等學(xué)者，通過(guò)使用多頻道帶寬儀器-NILU-紫外輻照度計(jì)，分別對(duì)西藏拉薩、日喀則、那曲、定日、林芝五個(gè)觀測(cè)站的生物有效輻射、戶外紫外輻射、長(zhǎng)波黑斑效應(yīng)紫外輻射、紫外線指數(shù)（UVI），以及紫外輻射影響因子進(jìn)行了觀測(cè)。分析研究了拉薩2008.07-2017.12，近十年的地表面太陽(yáng)紫外輻射；且研究分析了地面紫外輻射的影響因子，如：太陽(yáng)天頂角、云、臭氧等；并分別對(duì)拉薩、日喀則、那曲、定日、林芝五個(gè)觀測(cè)站，2015.01-2017.12 期間的地面紫外輻射。以及拉薩、那曲2008.07-2017.12 近十年期間地面輻射數(shù)據(jù)和衛(wèi)星探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比研究。

3.2 西藏太陽(yáng)總輻射研究進(jìn)展

晉亞銘等學(xué)者通過(guò)使用CMP 太陽(yáng)總輻射儀對(duì)西藏不同地點(diǎn)、不同季節(jié)的太陽(yáng)總輻射進(jìn)行對(duì)比研究，分析了2010.07-2013.12 期間的，西藏太陽(yáng)總輻射觀測(cè)結(jié)果；觀測(cè)結(jié)果顯示：拉薩超過(guò)了太陽(yáng)常數(shù)（1367W·m-2）的天數(shù)占18%，并且拉薩太陽(yáng)總輻射在2011.06.24 瞬時(shí)最大值達(dá)到了1756.09W·m-2。同時(shí)在2016.12 至2018.09 期間，對(duì)西藏西部阿里地區(qū)進(jìn)行了太陽(yáng)總輻射和太陽(yáng)光譜實(shí)地觀測(cè)研究。分析了阿里春分、秋分、夏至、冬至的特征值及其變化特征；研究了云層、氣溶膠等，對(duì)太陽(yáng)總輻射的影響，和阿里年晴天數(shù)。最后將其與西藏東部地區(qū)林芝進(jìn)行對(duì)比研究，得到了西藏最西部阿里地區(qū)與東部林芝的差異。西藏最西部阿里地區(qū)，年太陽(yáng)輻射總量達(dá)到7094 MJ·W-2，而西藏東部林芝，同年太陽(yáng)輻射總量只有5916MJ·W-2；西部阿里，夏季太陽(yáng)總輻射量，最高值達(dá)到2166.1MJ·W-2，而東部林芝，春季達(dá)到最高值，約1727.4MJ·W-2；2017 全年觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)阿里僅有17 天太陽(yáng)總輻射瞬時(shí)值，超過(guò)了太陽(yáng)常數(shù)，而林芝多達(dá)145 天；阿里太陽(yáng)總輻射，瞬時(shí)最大值，達(dá)到1494.6W·m2，林芝略高為（1698.6W·m2）。

王蕾迪等學(xué)者利用羊八井和納木措2個(gè)高原腹地觀測(cè)站，一年的高時(shí)間分辨率觀測(cè)資料，并結(jié)合NCEP/DOE，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。分析了兩地太陽(yáng)總輻射的變化特征，并通過(guò)短波通量透過(guò)率分析了各因素對(duì)短波輻射的作用。對(duì)比結(jié)果表明，羊八井和納木措晴天通量透過(guò)率，分別達(dá)0.807 和0.817，且變動(dòng)性很小，與兩站地形高度和緯度有明顯關(guān)系；云的存在使兩站接收到的短波輻射的差異減小，羊八井和納木錯(cuò)的年平均通量透過(guò)率分別為0.674 和0.675，高原云的存在與變化，使通量透過(guò)率產(chǎn)生強(qiáng)烈的時(shí)間變化。與地面觀測(cè)的太陽(yáng)短波輻射資料相比，在完全無(wú)云的晴天，NCEP 同化太陽(yáng)短波輻射資料對(duì)高原地區(qū)的模擬效果較好，但存在偏小的誤差，羊八井和納木措分別平均偏小5.74%和8.49%。

圖3 O3 分子對(duì)拉薩太陽(yáng)光譜的吸收帶

圖4 O2 分子對(duì)拉薩太陽(yáng)光譜的吸收帶

3.3 西藏太陽(yáng)光譜研究進(jìn)展

諾珍等學(xué)者在2015年7月對(duì)西藏拉薩、日喀則兩地進(jìn)行了太陽(yáng)光譜15 分鐘觀測(cè)，并將其與北京和四川成都的太陽(yáng)光譜進(jìn)行對(duì)比研究。

努桑等學(xué)者通過(guò)利用太陽(yáng)紫外光譜儀（觀測(cè)范圍280-500nm）和太陽(yáng)可見(jiàn)光譜儀（觀測(cè)范圍320-950nm）進(jìn)行太陽(yáng)光譜的觀測(cè)研究，在2016年-2017年期間對(duì)拉薩、定日、林芝、阿里、日喀則和那曲6個(gè)觀測(cè)站，進(jìn)行了零星的太陽(yáng)光譜觀測(cè)研究，并根據(jù)光譜特征，對(duì)高原太陽(yáng)光譜的影響因子也進(jìn)行分析研究。對(duì)比了拉薩站點(diǎn)和其它五個(gè)站點(diǎn)的晴天當(dāng)天正午的太陽(yáng)光譜特征，發(fā)現(xiàn)拉薩太陽(yáng)光譜強(qiáng)度高于林芝站點(diǎn)，但其它4個(gè)站點(diǎn)的太陽(yáng)光譜強(qiáng)度都高于拉薩。對(duì)比西藏與平原地區(qū)的太陽(yáng)光譜，可以發(fā)現(xiàn)，西藏由于氣候干燥，大氣中水汽對(duì)太陽(yáng)光譜的吸收程度要小于平原地區(qū)。也就是說(shuō)可以通過(guò)對(duì)比分析各地的太陽(yáng)光譜曲線，反演各地大氣成分。

4 大氣分子對(duì)西藏拉薩地面太陽(yáng)光譜的影響

4.1 O3 分子對(duì)西藏拉薩地面太陽(yáng)光譜的影響

如圖3 所示，O3分子對(duì)太陽(yáng)光譜的吸收帶主要分布在紫外光區(qū)及遠(yuǎn)紅外光區(qū)，有哈金斯帶（320～360nm）、哈特來(lái)帶（220～300nm）、4700nm 和9600nm 處吸收帶，本課題組近期觀測(cè)的波長(zhǎng)范圍中，O3的吸收波段在300nm 左右，且在280nm-300nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)，紫外輻射大部分被O3吸收。

4.2 O2 分子對(duì)西藏拉薩地面太陽(yáng)光譜的影響

如圖4 所示，O2分子對(duì)太陽(yáng)光譜的吸收帶主要位于紫外區(qū)和可見(jiàn)光區(qū)，其中4個(gè)較強(qiáng)的吸收帶分別為舒曼-龍格吸收帶（125～202.6nm）、赫茲堡帶（196.1～243.9nm）、690nm 和760nm 波段吸收帶，本課題組近期觀測(cè)的波長(zhǎng)范圍中，O2的吸收波段在656.4nm，689.6nm，762.6nm 左右。比較拉薩與林芝、拉薩與阿里光譜數(shù)據(jù)，在這幾個(gè)波段中，林芝站點(diǎn)的光譜吸收比拉薩強(qiáng)，拉薩的光譜吸收比阿里強(qiáng)；比較拉薩二分二至日太陽(yáng)光譜，春分與秋分O2分子對(duì)太陽(yáng)光譜的吸收基本相同，夏至日O2分子對(duì)太陽(yáng)光譜的吸收遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于冬至日。

4.3 H2O 分子對(duì)西藏拉薩地面太陽(yáng)光譜的影響

如H2O 分子對(duì)太陽(yáng)光譜的吸收帶較寬，幾乎覆蓋了整個(gè)太陽(yáng)光譜波段，本課題近期觀測(cè)的波長(zhǎng)范圍中，H2O的吸收波段在722.8nm，818.8nm，914.0nm 左右。比較拉薩與日喀則、拉薩與林芝光譜數(shù)據(jù)。這三個(gè)站點(diǎn)，均有河流流過(guò)，經(jīng)過(guò)日喀則的水系為雅魯藏布江，林芝站點(diǎn)水系為尼洋河，且林芝海拔低，受印度洋暖濕氣候影響。日喀則和林芝兩個(gè)站點(diǎn)大氣中H2O 分子均比拉薩多，故在H2O 的吸收波段，光譜曲線向下“凹陷”的程度都比拉薩深。

圖5 H2O 分子對(duì)拉薩太陽(yáng)光譜的吸收帶

大氣中CO2分子的吸收帶主要是遠(yuǎn)紅外光區(qū)，波段大概在1570nm、2000nm 和2700nm 波段的太陽(yáng)輻射，若大氣中CO2的濃度升高，吸收紅外波段1570nm 的太陽(yáng)輻射能量也升高，造成溫室效應(yīng)的幾率也就增高。本課題組近期觀測(cè)主要集中在近紅外波長(zhǎng)范圍，故關(guān)于CO2分子對(duì)西藏拉薩太陽(yáng)光譜的影響在下一步的工作中再進(jìn)行研究。

5 結(jié)束語(yǔ)

西藏太陽(yáng)光譜的觀測(cè)研究目前還處于初步階段，西藏整個(gè)地區(qū)太陽(yáng)輻射能量高，大氣稀薄，對(duì)光譜的吸收較平原地區(qū)甚少，是太陽(yáng)輻射觀測(cè)的極佳地區(qū)。太陽(yáng)輻射的研究還能為材料的老化、植物的光合作用、光伏電池發(fā)展等多方面提供基礎(chǔ)依據(jù)。更加長(zhǎng)期、全面、系統(tǒng)的研究西藏太陽(yáng)光譜、紫外輻射、太陽(yáng)總輻射是未來(lái)的研究的方向。也可為西藏太陽(yáng)能資源利用，以及脆弱的西藏生態(tài)環(huán)境保護(hù)，提供更多的實(shí)地?cái)?shù)據(jù)。