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        大氣中O3、H2O、O2 等分子對西藏拉薩地面太陽光譜的影響*

        2021-02-22 02:38:12趙路超
        科技創(chuàng)新與應用 2021年8期

        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果;觀測結果顯示: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)。

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