臨近空間太陽紫外輻射環境模擬與地區差異*

張軒誼

(中國科學院國家空間科學中心 北京 100190)

(中國科學院大學 北京 100049)

(天基空間環境探測北京市重點實驗室 北京 100190)

0 引言

隨著航天技術的發展，在臨近空間開展科學探測任務的需求快速增加。加強高空輻射環境研究，對于保障浮空器短期升降、長期駐留等問題具有重要意義。美國、日本、俄羅斯等都對臨近空間開展了研究和實驗。

美國已投入使用的項目包括美國導彈防御局的高空飛艇（HAA）、洛克希德·馬丁公司的高空長航時飛艇（HALE-D）和谷歌的Project Loon[1-4]。2018 年，依托于臨近空間科學實驗系統（簡稱鴻鵠專項），中國科學院承擔了臨近空間對太陽風暴響應特征觀測研究的任務，于2021-2023 年進行探測實驗。該專項旨在增進人類對臨近空間的了解，為解答相關熱點科學問題提供關鍵探測數據，深度刻畫臨近空間天氣與電磁輻射環境。在該實驗中，本項目研制的太陽紫外光譜儀作為載荷之一，搭載于載荷艙中[5]，利用高空氣球在臨近空間進行高分辨率太陽遠紫外-紫外光譜探測。

Mei等[6]曾利用SBDART 輻射傳輸模型對中國區海陸上空進行了太陽總輻射強度（250～4000 nm）和總紫外強度（250～400 nm）的模擬，其劃分的區域并未包括青藏高原及其附近的柴達木盆地與塔里木盆地；國際上暫無對中國境內不同地形區的臨近空間紫外輻射環境的相關研究。為了深入探索在中國不同地區開展探測實驗的異同，獲得臨近空間輻射環境的先驗數據，本文利用MODTRAN5 輻射傳輸模型，結合衛星大氣數據，將紫外輻射按波長分為UVC（200～280 nm），UVB（280～320 nm）和UVA（320～400 nm）三段，模擬了中國境內11 個地形區上空20～50 km高度范圍的輻射強度時空變化，計算了臭氧含量、太陽天頂角和日地距離等關鍵因素對輻射強度的影響。相關研究成果為臨近空間探測實驗提供數據支撐和理論依據。

1 模型與數據

1.1 主要科學目標

任務的主要科學目標是：獲得中國不同地形區上空臨近空間紫外輻射環境的時空變化和異同。

1.2 輻射傳輸模型

MODTRAN5 由美國光譜科學公司（SSI）與空軍研究實驗室（AFRL）合作研發而成[7]，是目前國際上較為前沿的大氣輻射傳輸模型之一，其輻射傳輸計算的核心是大氣“窄帶模型”算法，使用內置的模型、探空儀及衛星數據，通過大氣分子和氣溶膠顆粒的垂直廓線進行建模[8]。模型利用離散坐標法（DISORT）求解輻射傳輸方程，將球形大氣層分為若干不同厚度的均勻層，將散射相函數和輻射強度用勒讓德多項式展開，用數值方法求解特征方程。

1.3 衛星數據

用于模擬實驗的地外太陽光譜數據來自文獻[9]，臭氧數據來自歐洲中尺度預報中心（ECMWF），CERA-SAT 再分析數據。數據選取2016 年的逐日臭氧數據，將月平均結果作為模型的初始輸入參數，能夠較好地保持模擬結果的穩定性和參考性。

2 臨近空間太陽紫外輻射模擬實驗

2.1 區域劃分

依據地形地勢，劃分出11 個區域分別進行臨近空間紫外輻射環境模擬。吸收紫外輻射的因素以臭氧最為關鍵，衡量臭氧的影響主要有兩個指標：臭氧的總量與垂直分布。從中外長期對于臭氧垂直分布的研究可知，臭氧層主要分布于15～35 km 高度，其濃度峰值位于25 km 左右，臭氧總量的變化基本上反映了臨近空間的臭氧狀態[10]。

圖1 為歐洲中尺度預報中心的臭氧含量分布數據，可見臭氧含量存在明顯的緯向分布與季節變化，總體呈現為北高南低，冬春季高，夏秋季低，其原因是在低緯度地區平流層通過光化學作用產生的臭氧被經向環流輸送到高緯度地區，而太陽輻射作為大氣的主要熱源引起經向環流的季節變化。

東北平原地勢平坦，位于東亞大槽區，氣壓低，利于氧氣的輸送，因此存在顯著的臭氧高值區。青藏高原地勢高，大氣環流中的低壓槽接近青藏高原時被切斷，而高壓脊被強化，故此區域與東北平原相反，存在顯著的臭氧低值區。青藏高原內的柴達木盆地、青藏高原外西北方向的塔里木盆地、東南方向的四川盆地因海拔驟降，其上空臭氧濃度提升，從圖1（c）（d）可見其明顯輪廓。中國東部及南部的平原地區則體現為典型的北高南低式緯向分布，臭氧等值線與緯線基本平行。具體地區劃分詳見表1，主要地形區劃分如圖2 所示。

圖2 主要地形區劃分（編號說明對應表1）Fig.2 Main topographic area division (Number meanings correspond to Table 1)

表1 中國臨近空間區域劃分Table 1 Region divisions of China near space

圖1 大氣臭氧質量含量分布Fig.1 Atmosphere mass content of ozone

2.2 關鍵因素分析

在模擬實驗之前，分析了關鍵輸入參數的變化對輸出結果的影響。當控制變量并進行敏感性實驗時發現，20～50 km 臨近空間紫外波段的輻射透過率受臭氧含量變化的影響最為顯著，水氣、地表反射率、氣溶膠等參數的影響對其很微弱。針對臭氧對太陽輻射的吸收，將紫外分為三個波段：UVC（200～280 nm），UVB（280～320 nm）和UVA（320～400 nm），通過設置其他吸收氣體含量為零，利用輻射傳輸模型計算臭氧在不同高度沿光學路徑的總量與透過率之間的函數關系，如圖3 所示，可知20～50 km 是UVB及UVC 波段從吸收到透過的過渡區域，UVA 波段因透過率較高，使用右側Y軸便于對比。通過對未擬合的原始數據分析，發現UVA 近似線性，UVB，UVC近似指數，分別采用線性和指數函數對其進行擬合，臭氧的輻射平均透過率分別為

圖3 臭氧含量與透過率的函數關系（UVA 對應右側坐標）Fig.3 Functional relationship between ozone content and transmittance (UVA corresponds to the right coordinate)

其中，x為沿光學路徑的臭氧含量，單位為atm-cm。

因地球軌道為橢圓形，實際到達大氣層頂（100 km）的太陽輻射強度全年變化主要由日地距離決定[11]。利用輻射傳輸模型計算了地球位于近遠日點時大氣層頂的紫外輻射流量（見表2），發現近遠日點輻射流量在平均日地距離附近波動±3.3%，此結果符合預期[11]。

表2 地球位于近日點與遠日點的大氣層頂紫外（200～400 nm）輻射流量Table 2 Ultraviolet radiation flux (200～400 nm) at the top of the atmosphere when the Earth at perihelion and aphelion

當觀測地位于北半球中緯度地區時，太陽天頂角（SZA）及觀測高度是決定大氣中輻射強度的主要因素。利用輻射傳輸模型計算了紫外輻射流量隨SZA變化的情況，如圖4 所示，發現觀測高度越低，受SZA的影響越大。在0.1 km（地面）高度，當SZA 大于20°，輻射流量隨SZA 的增大而減小；在20 km 高度，輻射流量在SZA 大于70°時出現明顯下降；在50 km高度，輻射流量在SZA 大于80°時出現明顯下降。

圖4 輻射流量（200～400 nm）隨太陽天頂角的變化情況Fig.4 Variation of 200～400 nm radiation flux with Solar Zenith Angle (SZA)

不同地區的平流層高度隨時間與緯度而變化，影響著不同地區上空的溫度、臭氧總量和大氣廓線。對于臭氧總量，其影響已體現在衛星探測數據中；對于溫度和大氣廓線，如圖5 和圖6 所示，文中統一使用了MODTRAN 提供的北半球中緯度地區夏季典型大氣廓線，在模擬實驗中這部分影響被去除。

圖5 MODTRAN 大氣模型中的溫度廓線Fig.5 Temperature profiles of the MODTRAN model atmospheres

圖6 MODTRAN 大氣模型中的臭氧廓線Fig.6 MODTRAN model atmosphere profiles for O3

3 結果與討論

將地外太陽光譜、臭氧總量及分布等數據輸入MODTRAN5 輻射傳輸模型，其中太陽天頂角依照各區域的平均緯度，計算正午最小SZA 并輸入模型中，對三個波段的輻射流量分別進行數值模擬。20 km以上大氣中水氣及氣溶膠顆粒極其稀少，與溫度、壓強和地表反照率等參數一起按照默認值設置。

3.1 臨近空間紫外輻射垂直分布情況

對11 個地形區上空的年平均紫外輻射流量進行了模擬，如圖7 所示，發現各區的輻射流量垂直變化趨勢較為一致，但在不同波段有顯著差別。

在所有高度和波段中，紫外輻射最弱地區為東北平原，最強地區為青藏高原和云貴高原，主要原因是東北平原位于臭氧高值區，青藏高原存在臭氧低值區，而云貴高原緯度較低且靠近赤道，臭氧含量較低。UVC 波段（見圖7a）的輻射流量在50～40 km變化較為平緩，自40 km 開始急劇下降，30 km 以下幾乎被完全吸收；UVB 波段（見圖7b）體現為輻射流量隨高度的升高而逐漸增大、各區流量差距逐漸縮小，變化較為平緩且無驟減特征；UVA 波段（見圖7c）在三個波段中的透過率最高，輻射流量最大，20～40 km 輻射流量隨高度的增長而增長，40 km 以上增長十分緩慢。

圖7 不同地形區年平均紫外輻射流量隨高度變化情況Fig.7 Variation of the annual mean ultraviolet flux with altitude in different topographic areas

3.2 臨近空間紫外輻射時間演變分析

對不同月份20～50 km 平均紫外輻射流量（200～400 nm）進行了模擬，如圖8 所示，地形地勢影響其上空的大氣環流與臭氧含量，故每個地形區上空的輻射流量隨時間變化較為不同，依據其變化特征將11 個地形區大致分為以下4 類。

圖8 臨近空間（20～50 km）平均紫外輻射流量（200～400 nm）隨月份變化情況Fig.8 Monthly variation of the mean ultraviolet radiation flux (200～400 nm) in the near space (20～50 km)

（1）東北平原和準噶爾盆地。一東一西，距離較遠，但均位于北緯45°左右，紫外輻射流量在2 月出現谷值，8-9 月出現峰值。

（2）內蒙古高原、黃土高原和華北平原。三者相接，在緯度上位于中部地區，紫外輻射流量在2 月出現谷值，其后流量遞增且略有波動，10 月出現峰值。

（3）青藏高原、柴達木盆地和塔里木盆地。三者相連，位于西部地區，紫外輻射流量在2 月和4 月出現雙谷值，8-10 月出現峰值。

（4）四川盆地、云貴高原和長江中下游平原。三者相連，位于東南部地區，紫外輻射流量在4 月出現谷值，其后持續增長，最大值出現在12 月。

3.3 臨近空間紫外輻射年較差分析

年較差反映了臨近空間紫外輻射受季節影響的程度，對各地區在20～50 km 高度范圍內的年較差進行了計算，如圖9 所示，發現各區年較差隨高度變化趨勢較為一致，但在不同波段有顯著差別。

如圖9（a）所示，在UVC 波段，青藏高原、塔里木盆地的臨近空間紫外輻射流量受季節影響較小，東北平原、華北平原及內蒙古高原受季節影響較大；30 km以下輻射幾乎被完全吸收，受季節影響很小，45 km處年較差出現峰值，表示在此高度輻射受季節影響最大。

如圖9（b）所示，在UVB 波段，青藏高原、云貴高原的臨近空間紫外輻射流量受季節影響較小，東北平原、華北平原及內蒙古高原受季節影響較大；20～30 km年較差緩慢增大，35 km 以上因為吸收氣體逐漸減少，輻射強度受季節的影響逐漸降低。

如圖9（c）所示，在UVA 波段，云貴高原、青藏高原、長江中下游地區受季節影響最小，東北平原受季節影響最大；此波段的年較差在三個波段中最小，說明輻射強度全年變化不大，隨著高度的升高，季節對輻射強度的影響逐漸降低。

圖9 不同地區紫外輻射年較差隨高度變化情況Fig.9 Annual range of ultraviolet radiation in different regions with different altitude

4 結論

基于歐洲中尺度預報中心再分析數據，將紫外輻射分為UVA、UVB 和UVC 三個波段進行數值模擬，計算了臭氧含量、太陽天頂角和日地距離等關鍵因素對輻射強度的影響。在此基礎上，確定重要參數并輸入MODTRAN5 輻射傳輸模型，計算并討論了中國11 個主要地形區上空臨近空間紫外輻射流量垂直分布和季節演變的異同。

對影響太陽紫外輻射強度的幾個關鍵因素進行定量分析，發現UVB 和UVC 波段的透過率與臭氧含量的關系近似指數函數，UVA 波段近似線性函數；大氣層頂的紫外輻射流量在一年內的變化主要由日地距離決定，近遠日點輻射流量在平均日地距離附近波動±3.3%；紫外輻射流量隨太陽天頂角的增大而減小，隨觀測高度的增大而增大。

對20～50 km 高度的紫外輻射進行大氣輻射傳輸模擬實驗，發現紫外輻射流量隨高度和季節而變化，各地區輻射流量垂直分布和年較差垂直分布廓線較為一致，在地理位置上毗鄰的地區輻射特性及季節演變比較接近，不同波段之間區別較大。

三個波段的輻射強度差異體現在：UVC 波段輻射強度最低，在45 km 以下，高度越低，年較差越小，受季節影響越小；UVB 的輻射強度稍高于UVC，在30 km 以上高度越高，年較差越小，在30 km 以下因為臭氧的強吸收作用，輻射強度變化不大，受季節影響較小；UVA 波段透過率最高，輻射強度最大，年較差隨高度升高而緩慢減小，說明其處于臭氧吸收窗口區，輻射流量的全年變化較小。

本文初步分析了中國不同地形區上空的臨近空間太陽紫外輻射環境，為相關的臨近空間探測實驗提供數據支撐與理論依據。