北京地面紫外辐射光谱的观测与分析

1、第23卷 第1期气 象 科 学vol. 23 ,no. 12003年3月 scien tia m eteorolo gica sin icamar.,2003北京地面紫外辐射(光谱)的观测与分析刁丽军 顾松山(南京气象学院,南京210044 )王普才 刘春田 陈洪滨(中国科学院大气物理研究所中层大气和全球环境探测开放实验室,北京100029)摘 要 通过对北京大气物理研究所与长春光机所合作研制的地基太阳紫外辐射光谱仪观测资料的分析,和用辐射传输模式uvss计算的结果,对影响到达地面的uvb辐照度的主要因子太阳高度角(sza)、 臭氧总量和地表反照率进行了分析研究 。最后对紫外光谱仪的观测资料做

2、了总量和谱分析。关键词 紫外辐射(uvb ) 辐射传输模式影响因子分类号 p16111文献标识码a引 言臭氧减少和地面紫外辐射量增加,特别是南极臭氧洞和中高纬臭氧总量减少的事实,已经引起了科学界和公众的广泛关注。通常将电磁小的紫外辐射分为紫外a (320 400 nm) 、 b(280320 nm) 和 c(190280 nm)三部分 。紫外 c 几乎被平流层臭氧完全吸收,不能到达地面 。紫外 b 大部分可以被大气臭氧吸收,但此段辐射即使到达地球表面的数量很少,也可以导致明显的环境生态效应并影响人体健康。紫外 a 的相当一部分会直接到达地球表面,它对晒黑皮肤 ,产生维生素d ,植物的光合作用,

3、大气污染中的光化学烟雾的生成都会有很大的影响1 。太阳辐射又称短波辐射,它包含了紫外辐射。而短波辐射与地球云量关系密切2 ,所以云量的遮挡,散射等作用也可影响到达地面的uvb 。因此 ,监测及用辐射传输模式研究到达地面的紫外辐射的变化及其效应,是当今环境气象学的一项重要内容。太阳紫外辐射在大气中要经历复杂的传输过程,到达地面的太阳紫外辐射量会受到包括在阳运动 、 大气本身的物理、 化学状态以及地表特征等在内的一系列因子的影响。同时 ,虽然在世办范围内已经建立了许多研究和监测计划,但地基观测目前仍然难以满足研究臭氧和紫外辐射的需要,因为观测站数量仍然不足,而且分布很不均,观测参考标准和质量控制亦

4、难以把握 ,观测时间也不够长。这些局限可以通过空基遥感减少或克服。收稿日期:2002202206 ;修改稿日期:2002205210基金项目:本工作得到海外青年学者合作研究基金项目(40028503 )的资助第一作者简介:刁丽军(19762) ,女(汉) ,山东省龙口市,助研,硕士,现在复旦大学波散射和遥感中心工作,主要研究领域大气遥感? 1994-2006 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. http:/本文的目的是利用地面观测资料和辐射传输模式,评价几种影响因子对到达地面的紫外辐照

5、度的贡献,分析它的一些变化特征,为完善现有的紫外辐射传输参数化方法打基础。本文的第一部分介绍观测仪器和计算所用的模式;第二部分分析影响到达地面的紫外辐照度的因子;第三部分对观测资料进行分析;第四部分对前面的分析做出总结。1观测仪器和模式介绍1.1 观测仪器早期的紫外辐射测量是用robertson2berger 辐射计进行的,这种仪器的优点是简单易行,可进行全自动的全天候测量,价格比较便宜,缺点是不能进行光谱测量,不能满足研究紫外辐射的生物效应对各种紫外辐射剂量的需要。我们观测用的太阳2大气紫外光谱辐射计(sauvs) 是由中科院大气物理所和长春光机所合作研制的,已在长春 、 北京等地进行了5

6、年的观测 。它能够获得290450 nm 波长范围内的太阳光谱,放在大气物理所办公实验楼的楼顶上 ,海拔 85 m ,周围无高层建筑物遮挡,它的基本结构如图1 所示2 ,由标准光源、单色仪 、探测器 、放大器 、计算机控制和数据采集系统构成。标准光源采用mgf2窗口氘灯(115300 nm) 。单色仪为无中间狭缝双光栅单色仪。工作波段为120 400 nm , 光谱线分辨率为0. 05 nm ,波长精度为0. 05 nm ,光学系统焦距为500 nm ,两平面光栅刻线密度为1200 mm- 1,表面镀 mgf2膜 ,150 nm 处光栅绝对效率46 %。在计算机系统控制下由步进电机驱动精密线杠

7、 ,同步旋转两夫光栅实现波长扫描。探测器采用r928 光电倍增管( 200 nm) 。探测器输出经高稳定度线性电流放大器放大后,送入 12 位 a/ d 转换器 ,由 ibm 兼容微机采集处理。观测时可测量总半球辐射(太阳直射加大气散射) ,也可以用一直径为40 nm 遮光球以 0. 5遮挡角挡住太阳,实现大气散射辐射单独测量。当相邻两种测量大气状态无变化时,测量差值即为太阳直射紫外谱辐射。这种的测量方式不但十分有利于监测总紫外辐射,而且可利用其资料研究分析各种控制因子各自的贡献。图1 太阳2大气紫外光谱辐射计( sauvb )框图fig. 1the block diagram of the

8、sun2atmosphere ultravioletspectrum radiometer (sauvs )由于仪器的性能关键在其绝对精度和相对精度,我们对其辐射定标下了很大的功夫。光谱仪的绝对标定是一项复杂并且代价昂贵的工作,应当在非常严格的暗室条件下,采用非常标准的标准光源(灯) ,使感应头与光路系统同轴,感应头与标准光源保持严格距离,避免一切杂散光 ,在这种条件下进行测量。测量值与标准光源研制者提供的光谱功率谱曲线可建立一线性关系 ,后者与前者的比值为仪器响应系数,随波长变化 。还必须假定仪器测量信号对光源主信号在很宽的光强范围内是线性响应的,因为标准光源与真实的太阳光源还是有相当差距的

9、。绝对定标的地基光谱辐计在290400 nm 范围内绝对值不确定性为5 %10 % ,相对精度为 1 %2 %。280290 nm 由于辐射弱,有杂散光影响,结果不很可靠。国际上某些应用的光谱辐射计在该段的工作情况亦不够好。但 290300 nm 的积分辐射值占整个uvb 的不到321 期 刁丽军等 :北京地面紫外辐射(光谱 ) 的观测与分析? 1994-2006 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. http:/1 %。我们仪器的指标已经达到国际上使用的同类仪器水平(见表 1) 。表1

10、主要仪器性能指标对比tab. 1the comparison of main instrumentsperformanceindex仪器benthamdm150j ydh10brewerm koptronics742j yhr320sauvs焦距/ mm150100160100320500光栅刻线密度/ mm- 1240012001800120012001200带宽/ nm0. 81. 40. 61. 40. 370. 6扫描步长/ nm0. 50. 50. 51. 00. 10. 1常用最好0. 040. 20. 10. 10. 010. 01常用扫描范围/ nm28050028050029

11、0339280500290600280450扫描时间/ s120220345275390420散射器聚四氟乙稀积分球聚四氟乙稀聚四氟乙稀石英积分球探测器pm emi bipm r292pm emi9789qapms220pm emi9789qapm r9281. 2 uvss模式介绍 4基于离散坐标方法disor t ,王普才等人建立了一个紫外传输模式uvss ( ultravioletspectra simulation) 。该模式能以与实测分辩率相当的0. 5 nm 的高分辩率模拟地面紫外光谱 ,并在 10 %的偏差范围内与实际测量结果一致。这个模式已用在几次欧洲紫外光谱辐射计的比对活动的

12、测量结果与计算结果的比较上。模式大气被分成若干个水平均匀层,应用平面平行大气假设。在这个模式中,考虑了在紫外波段的臭氧吸收、 二氧化硫吸收、 分子散射和气溶胶散射。为了进行模式计算与实际测量的比较 ,臭氧总量应选取严格相应的实际测量值,它的垂直分布也最好是实际探空廓线,实际探空廓线所不及的较高层大气的臭氧布可用卫星资料反演时空较为接近的廓线,以尽可能减少误差 。对于较为干净的大气,二氧化硫的吸收可以忽略不计。气溶胶的光学厚度可选用实际测量值 ,它的垂直分布则可选用较有代表性的廓线,因为它的影响相对较小。这个模式适用于晴天,也适用于云天。在这个辐射传输模式中,云被嵌入背景大气的一层或几层上 ,在

13、方向上认为是各向同性的。每一层的大气光学特性参数是由各分量的特性参数计算的 ,包括臭氧、 气溶胶 、 分子的贡献。臭氧贡献表现为单纯的吸收。分子的贡献可由rayleigh散射理论描述。气溶胶的贡献由mie散射理论描述,给定一个粒子尺度分布,可以通过 mie 散射计算程序得以它的散射相函数。2各种因子对到达地面的紫外总辐射的影响影响到达地面的紫外总辐射的因子很多,主要因子是太阳天顶角(sza) ,重要因子是臭氧总量 ,还有海拔高度,地表反照率,云量 、 云高 、 云厚 ,气溶胶的散射和吸收,除了在污染严重的工业城市大气中的so2气体 ,其它微量气体的吸收可忽略。水汽对紫外无吸收。下面对到达地面的

14、紫外辐射的几个影响因子进行分析。2. 1 太阳天顶角 ( sza)42 气 象 科 学 23 卷? 1994-2006 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. http:/太阳天顶角( sza) 是影响到达地面uvb 总辐照度的主要因子。在相同条件下,sza = 0时 ,太阳来的紫外辐射经过的大气路程最短,在地面探测到的uvb 总辐照度最大。随着 sza的增大 ,测得的 uvb 总辐照度就减小,近似于余弦曲线5 。图 2 是用观测资料计算的夏天和冬天光谱辐照度的比值, 可以看出来, 夏天的

15、辐照度平均约为冬天的2 倍 。二者的比值从339 nm 的 1. 9 上升到 315 nm 的 2. 9 ,在 315 nm 到 307 nm 波段范围内,比值迅速增加至7。这是因为在长波长的每nm 的辐射总量中,直射占主要地位,而在短波长,散射占主要地位,且大气后向瑞利散射量与波长的4 次方成反比,因此比值在长波长随波长变化相对平缓,在短波长随波长减少快速上升。图2夏天和冬天辐射照度的比较。2000年8月24日1130(sza = 30. 7)与2000年1月31日1202 ( sza = 57. 8)的比值fig. 2the comparison between summer and wi

16、n2ter.the ratio of october24 , 2000 , 1130 l t(sza = 30. 7)to january 31 ,2000 , 1202 l t(sza = 57. 8)图3计算的不同地面反照率与黑体时辐照度的比值。自下而上地面的反照率分别为0. 1 ,0. 2 ,0. 3 ;没有气溶胶;sza = 30fig. 3computed ratio of irradiance withvariousground surface albedos to that witha black body.from top to bottom , the albedos are

17、 0. 1 , 0. 2 and0. 3 ; no aerosol; sza = 302.2 地面反照率图 3 是用辐射传输模式uvss 计算的晴天标准大气下到达不同反照率地面的uvb 辐射与假定地面为黑体时到达地面的uvb 辐射值的比值。可以看出,高地面反照率对应高辐射量 。在同一地面反照率下,从 400 nm 开始至 315 nm ,随着波长的减短,到达地面的辐射量增加 ,这是因为瑞利散射与波长的4 次方成反比,波长越短,由于大气后向散射的影响而到达地面的散射量越大,从320 nm开始,由于臭氧的强烈吸收起主要作用,辐射量随着波长的减短而减少 。同时要指出,地表反照率对到达地面的紫外总辐射

18、影响不大,地表反照率增加30 %,到达地面的辐射量只增加8 %。但对大的地表反照率,角冰 、 雪面 ,反照率可以达0. 8 ,到达地面的辐射就会有很大的增加。通常情况下,地表反照率很小,对紫外辐射的影响很小6 。2.3 臭氧总量521 期 刁丽军等 :北京地面紫外辐射(光谱 ) 的观测与分析? 1994-2006 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. http:/臭氧总量是影响地面uvb 总辐照度的重要因子。臭氧吸收波长0. 20 0. 35m 的太阳紫外辐射 。在这一范围内臭氧吸收光谱

19、分成两个吸收带,即 0. 20 0. 30m 的哈特莱 ( hart2ley) 吸收带和0. 300. 35m 的哈金斯 ( huggins) 吸收带 。哈特莱带是一个较强的连续的吸收带 ,而哈金斯带则是一个很弱的选择吸收带。为了分析臭氧对地面紫外辐射的影响,在这里用一个简便的计算地面紫外辐射量的参数化方法 。这个算法是从一个非常简单的等效辐射传输模式导出的,算法的表达形式是通过物理分析得出的,经验系数可通过一个可靠而复杂的紫外辐射传输模式进行大量的模拟试验,产生大量的模拟样本,再由统计方法求出7 。这个算法的表达形式如下:usfc= (1-a -br360) -a2 cto3utoa(1)c

20、 =(1-as)(1-as) + a23as(2)其中 ,usfc代表地面紫外辐射,utoa是天顶处的紫外辐射,a、 b 是统计得到的系数,r360是toms 360 nm 通道的天顶反照率,as是地面反射率,to3是臭氧吸收的等效透过率,采用 chou的参数化算法:to3=ni =1wiexp( -ku/0)(3)其中 ,wi、 ki是系数 ,u 是臭氧总量,以大气厘米为单位。 0是太阳天顶角的余弦,a2a32是考虑到气溶胶对上线的较为强烈的多次散射和较弱的吸收,这两个系数可表达为a2=a2(1-)c(4)a32=b2(1-)c(5)其中 a2、 b2是系数 ,0是单次散射反照率,c是气溶胶

21、紫外段的光学厚度。图4计算的不同臭氧总量、太阳天顶角到达地面的uvb辐照度fig. 4calculated ground surface uvb irradiance under the condition of different ozone total amount and sza图 4是用式 (1) 计算的在不同的臭氧总量,不同的天顶角( 0 80 ) 情况下到达地面的uvb 总辐射量 。臭氧总量从参考量337 du 变化到极大值505 du 和极小值168 du 这个范围基本上包括了所有臭氧总量变化量。算式中各变量分别取值为r360= 0. 65 ,as= 0. 05 ,0=0. 95

22、 ,c= 1. 8。从图中可以看出,臭氧总量的急剧减少会带来地面辐射量的增加,这已经被许多的观测证明,尤其是在小太阳天顶角时,在 sza = 45 时 ,臭氧减少50 %,到达地面的紫外辐62 气 象 科 学 23 卷? 1994-2006 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. http:/射量会增加52 %。3观测资料分析3. 1 5 nm 积分辐射量的日变化为了研究到达地面的紫外辐射的时间变化,又不失去太多的谱信息,在 311 nm399 nm的波长范围内每隔5 nm 做一个辐射量的

23、积分。图 5 是 2000 年 7 月 12 日晴天的5 nm 积分量的日变化 。图 5(a) 是 311 nm330 nm 的短波长通道的积分值,可以看出,由于臭氧的吸收,短波长通道的值不仅很小,而且递减的很快,各通道的值相差比较大8 ,表现为曲线斜率大,与之相反 ,长波长通信331 nm395 nm 的值不仅变化相对缓慢,而且各组的值非常接近,曲线斜率近似等于0。图5紫外辐射5 nm波段范围积分量的日变化;北京,2000年7月12日,晴天fig. 5diurnal variation of the uv irradiance integrated over small wavelength

24、 intervals ; beijing , july 12 ,2000 , clear day3.2 晴天散射与总辐射比值光谱721 期 刁丽军等 :北京地面紫外辐射(光谱 ) 的观测与分析? 1994-2006 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. http:/图 6(a) 给出 2000 年 46 月间 3 个典型晴天的3 条散射与总辐射比值光谱曲线。记为rs( ) 。 至上而下各曲线的观测时间为:(上) 2000 年 4 月 11 日 11 03 ,sza = 35. 5 ,v

25、is = 10km (中) 2000 年 4月 21 日 10 35 ,sza = 35. 5 ,v is = 30 km (下 ) 200 年 6 月 12 日 11 15 ,sza= 20. 9 ,v is = 30 km 。从图中可以看出各曲线之线间彼此十分相似而又有不同的特征。这些特征归结为:(1) 随波长减短rs( ) 有上升趋势;(2) 在 400 至 320 nm330 nm 波长范围内,rs( ) 具有线性变化趋势,各天斜率不同;(3) 在 330 nm310 nm 段线性变化仍成立,但斜率绝对值变小;(4) 在 310 nm 300 nm 段 ,由于仪器的波段范围大且杂散光过

26、大,辐射值低,结果不可靠 。这个观测结果与吕达仁等人在长春做的观测结果是一致的。图 6 (b) 是用 uvss 模式计算的同样条件下的比值曲线。图6a实测300 nm400 nm晴天散射辐射与总辐射比值rs()fig. 6aratio curves rs()of measureddiffuse irra2diances to total onesfrom 300 to 400 nm in differentclear days图6b模式计算同样天气情况下的300 nm400nm散射辐射与总辐射比值fig. 6bmodel calculated ratios of diffuse irradi2

27、ances to total ones from300 to 400nm under thesamecircumstances as fig. 6a上述这些特点是普遍的,我们对此作出定性分析。在 400 nm330 nm 段 ,分子散射和气溶胶散射 (和弱吸收 ) 在散射贡献上起支配作用,并无明显的吸收。空气分子总量变化很大,因此可以作出分子散射基本贡献的定量估计,并肯定随波长减小而增加的单调趋势。构成大气散射贡献的基本曲线(记为 r0( ) ) 。因此这一段rs( ) 的变化主要在于大气气溶胶在各日的变化 。在一般大气气溶胶情况,其散射截面亦近似具有-( 0) 的变化趋势,因此也可以推断出由

28、气溶胶参与贡献的rs( )亦将随 变小单调增加,这一过程造成rs( ) 与 的近线性关系是多次散射过程形成的,在较短的波长范围(310 nm 330 nm) 出现的rs( ) 更平缓的变化应该是多次散射更强的结果。上述定理结果表明,此波段特别是uv 2b 段散射辐射所占的比例极高 ,可高达 70 %。这一点对于考虑uv 辐射与生态系统相互作用的定量模式以及人体对紫外防护有一定参考价值。82 气 象 科 学 23 卷? 1994-2006 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. http:/

29、4结 论(1) 影响到达地面的紫外总辐射的主要因子是太阳高度角,夏天紫外辐射值约为冬天的2倍 。在 uva 段 ,两者比值变化平缓;在 uvb 比值变化迅速。因此 ,在紫外缺测的时段和地区 ,可以考虑用太阳天顶角(sza)的比值做权重对uva 进行时间订正。(2) 臭氧与紫外辐射有很好的负相关性,是影响紫外辐射的重要因子,臭氧的急剧减少会带来紫外辐射的增加,尤其是在小太阳天顶角时,在 sza = 45 时 ,臭氧减少50 % ,到达地面的紫外辐射量会增加52 %。(3) uvb 波段中的每5 nm 积分辐射量值之间不仅相差较大,而且随时间递减较快;uva波段中的每5 nm 积分辐射量值之间不仅

30、相差很小,而且随时间递减缓慢。(4) 对晴天散射与总辐射比值光谱rs( ) 的分析表明,随着波长的减短,散射辐射在总辐射的比例大为增加,在 uvb 段可能达到70 %。致谢 :本文是在北京大气物理研究所中层大气与全球环境探测开放实验室完成的,感谢该实验室的全体同事的鼓励和帮助。同时还要感谢宗雪梅提供的uvs 模式计算结果和章文星的中恳建议 。参 考 文 献1赵柏林,张霭琛.大气探测原理.北京:气象出版社,1987. 1542刘艳.中国地区云对地气系统太阳短波吸收辐射强迫的气候研究.气象科学,2000 ,20(3):2602693吕达仁,李卫,李福田,等.长春地区紫外光谱( uv2a ,uv2b

31、)辐射观测和初步分析.大气科学,1996 ,20( 3) :3433514王普才,吴北婴,章文星.紫外辐射传输模式计算与实测测量的比较.大气科学,1999 ,23(3) :3593645张仲谋,王英鉴.地面uvb总辐射照度与臭氧的关系.见:吕达仁主编 1地球环境注气候变化探测与过程研究.北京气象出版社,1997. 47506王普才,吴北婴,章文星.analsis on the factors affectingsurface uv radiation.大气科学,1999 ,23(1) :37447王普才,吕达仁,李占清.卫星遥感地面紫外辐射的参数化方法.大气科学,2001 ,25( 1) :1

32、158eric pachart, jacqueline lenoble , colette brogniez , dominique masserot , jean louis bocquet. ultravioletspectral irradi2ancein french alps : result of two campaigns. j.geophys. res. , 1999 ,104 (14) :16 77716 784921 期 刁丽军等 :北京地面紫外辐射(光谱 ) 的观测与分析? 1994-2006 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. http:/measure