大氣中O3、H2O、O2 等分子對西藏拉薩地面太陽光譜的影響*

趙路超，周 毅

（西藏大學 理學院，西藏 拉薩850000）

1 概述

太陽主要以輻射電磁波的形式向地球源源不斷的輸送能量，太陽輻射主要分為三個區(qū)域，分別為：紫外光區(qū)、可見光區(qū)及紅外光區(qū)，其能量輸出絕大部分分布在可見光區(qū)。由于地球大氣層對太陽輻射能量有吸收的作用，因此大氣層外太陽輻射的能量與地面太陽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，不同的大氣分子對于太陽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，夏無酷暑，冬無嚴寒，太陽年均日照時間超過3000 小時，臭氧層稀薄，太陽能資源極其豐富，是太陽輻射能量觀測的絕佳之地。本課題組利用RAMSES-ACCUV 紫外光譜儀及RAMSES-ACC-VIS 可見光譜儀對西藏拉薩地面太陽光譜進行了為期三年的觀測，主要觀測波段為280nm-500nm 及320nm-950nm，包含了地面太陽光譜的主要輻射能量波段。本課題將為西藏太陽輻射能量的利用提供了很好的數(shù)據(jù)依據(jù)。

2 太陽光譜觀測

2.1 太陽光譜

太陽光譜，是表示不同波長的太陽光強度的一段光譜，地表面太陽光輻射強度，隨著波長的分布會被大氣中的成分吸收，太陽光主要由不可見光區(qū)（紫外光區(qū)、紅外光區(qū)）和可見光區(qū)組成。波長小于400nm 的光線，屬于紫外光區(qū)，波長在400nm-780nm 之間的屬于可見光區(qū)，波長大于780nm 的光，屬于紅外光區(qū)。太陽光譜中可見光區(qū)占總量的約50%，紅外光區(qū)占約43%，紫外光區(qū)只占約7%，而太陽的光能也主要集中在可見光區(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。可見光主要是太陽光譜中，人眼可以看到的光線，植物光合作用主要利用的也是可見光區(qū)。

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

圖1 不同條件下的太陽光譜

2.2 觀測地點及方法

如圖2 所示，拉薩觀測站，位于西藏大學納金校區(qū)內(nèi)。觀測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，冬天無嚴寒，夏天無酷暑。地貌多為沙土巖石，山體植被較少，夏季雨水較多時南面山體會長有小型灌木，山體夏季對太陽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，這也會對太陽光反射產(chǎn)生少量影響。

圖2 西藏拉薩太陽光譜觀測站周邊地貌

如表1 所示，拉薩觀測點位于西藏大學納金校區(qū)，海拔3689m，維度29.65N，經(jīng)度91.18E。用RAMSES-ACCUV/VIS 兩臺設(shè)備分別進行太陽光譜觀測。觀測均從GMT時間00：00 到12：00，儀器每分鐘自動觀測并記錄一次數(shù)據(jù)。

表1 太陽光譜觀測地點及時間

3 西藏太陽輻射觀測研究進展

3.1 西藏太陽紫外輻射研究進展

趙地等學者，通過使用多頻道帶寬儀器-NILU-紫外輻照度計，分別對西藏拉薩、日喀則、那曲、定日、林芝五個觀測站的生物有效輻射、戶外紫外輻射、長波黑斑效應(yīng)紫外輻射、紫外線指數(shù)（UVI），以及紫外輻射影響因子進行了觀測。分析研究了拉薩2008.07-2017.12，近十年的地表面太陽紫外輻射；且研究分析了地面紫外輻射的影響因子，如：太陽天頂角、云、臭氧等；并分別對拉薩、日喀則、那曲、定日、林芝五個觀測站，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)星探測數(shù)據(jù)進行對比研究。

3.2 西藏太陽總輻射研究進展

晉亞銘等學者通過使用CMP 太陽總輻射儀對西藏不同地點、不同季節(jié)的太陽總輻射進行對比研究，分析了2010.07-2013.12 期間的，西藏太陽總輻射觀測結(jié)果；觀測結(jié)果顯示：拉薩超過了太陽常數(shù)（1367W·m-2）的天數(shù)占18%，并且拉薩太陽總輻射在2011.06.24 瞬時最大值達到了1756.09W·m-2。同時在2016.12 至2018.09 期間，對西藏西部阿里地區(qū)進行了太陽總輻射和太陽光譜實地觀測研究。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，對太陽總輻射的影響，和阿里年晴天數(shù)。最后將其與西藏東部地區(qū)林芝進行對比研究，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)，年太陽輻射總量達到7094 MJ·W-2，而西藏東部林芝，同年太陽輻射總量只有5916MJ·W-2；西部阿里，夏季太陽總輻射量，最高值達到2166.1MJ·W-2，而東部林芝，春季達到最高值，約1727.4MJ·W-2；2017 全年觀測，發(fā)現(xiàn)阿里僅有17 天太陽總輻射瞬時值，超過了太陽常數(shù)，而林芝多達145 天；阿里太陽總輻射，瞬時最大值，達到1494.6W·m2，林芝略高為（1698.6W·m2）。

王蕾迪等學者利用羊八井和納木措2個高原腹地觀測站，一年的高時間分辨率觀測資料，并結(jié)合NCEP/DOE，對數(shù)據(jù)進行分析。分析了兩地太陽總輻射的變化特征，并通過短波通量透過率分析了各因素對短波輻射的作用。對比結(jié)果表明，羊八井和納木措晴天通量透過率，分別達0.807 和0.817，且變動性很小，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，羊八井和納木錯的年平均通量透過率分別為0.674 和0.675，高原云的存在與變化，使通量透過率產(chǎn)生強烈的時間變化。與地面觀測的太陽短波輻射資料相比，在完全無云的晴天，NCEP 同化太陽短波輻射資料對高原地區(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 分子對拉薩太陽光譜的吸收帶

圖4 O2 分子對拉薩太陽光譜的吸收帶

3.3 西藏太陽光譜研究進展

諾珍等學者在2015年7月對西藏拉薩、日喀則兩地進行了太陽光譜15 分鐘觀測，并將其與北京和四川成都的太陽光譜進行對比研究。

努桑等學者通過利用太陽紫外光譜儀（觀測范圍280-500nm）和太陽可見光譜儀（觀測范圍320-950nm）進行太陽光譜的觀測研究，在2016年-2017年期間對拉薩、定日、林芝、阿里、日喀則和那曲6個觀測站，進行了零星的太陽光譜觀測研究，并根據(jù)光譜特征，對高原太陽光譜的影響因子也進行分析研究。對比了拉薩站點和其它五個站點的晴天當天正午的太陽光譜特征，發(fā)現(xiàn)拉薩太陽光譜強度高于林芝站點，但其它4個站點的太陽光譜強度都高于拉薩。對比西藏與平原地區(qū)的太陽光譜，可以發(fā)現(xiàn)，西藏由于氣候干燥，大氣中水汽對太陽光譜的吸收程度要小于平原地區(qū)。也就是說可以通過對比分析各地的太陽光譜曲線，反演各地大氣成分。

4 大氣分子對西藏拉薩地面太陽光譜的影響

4.1 O3 分子對西藏拉薩地面太陽光譜的影響

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

4.2 O2 分子對西藏拉薩地面太陽光譜的影響

如圖4 所示，O2分子對太陽光譜的吸收帶主要位于紫外區(qū)和可見光區(qū)，其中4個較強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，本課題組近期觀測的波長范圍中，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)，在這幾個波段中，林芝站點的光譜吸收比拉薩強，拉薩的光譜吸收比阿里強；比較拉薩二分二至日太陽光譜，春分與秋分O2分子對太陽光譜的吸收基本相同，夏至日O2分子對太陽光譜的吸收遠遠高于冬至日。

4.3 H2O 分子對西藏拉薩地面太陽光譜的影響

如H2O 分子對太陽光譜的吸收帶較寬，幾乎覆蓋了整個太陽光譜波段，本課題近期觀測的波長范圍中，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)。這三個站點，均有河流流過，經(jīng)過日喀則的水系為雅魯藏布江，林芝站點水系為尼洋河，且林芝海拔低，受印度洋暖濕氣候影響。日喀則和林芝兩個站點大氣中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 分子對拉薩太陽光譜的吸收帶

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

5 結(jié)束語

西藏太陽光譜的觀測研究目前還處于初步階段，西藏整個地區(qū)太陽輻射能量高，大氣稀薄，對光譜的吸收較平原地區(qū)甚少，是太陽輻射觀測的極佳地區(qū)。太陽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)。更加長期、全面、系統(tǒng)的研究西藏太陽光譜、紫外輻射、太陽總輻射是未來的研究的方向。也可為西藏太陽能資源利用，以及脆弱的西藏生態(tài)環(huán)境保護，提供更多的實地數(shù)據(jù)。