大气中O3、H2O、O2 等分子对西藏拉萨地面太阳光谱的影响*

赵路超，周 毅

（西藏大学 理学院，西藏 拉萨850000）

1 概述

太阳主要以辐射电磁波的形式向地球源源不断的输送能量，太阳辐射主要分为三个区域，分别为：紫外光区、可见光区及红外光区，其能量输出绝大部分分布在可见光区。由于地球大气层对太阳辐射能量有吸收的作用，因此大气层外太阳辐射的能量与地面太阳辐射的能量是不同的。而大气层中又包含了O3、O2、H2O、CO2等不同的大气分子，不同的大气分子对于太阳辐射能量的吸收波段也是不同的。

西藏自治区拉萨市地处西藏高原中部，平均海拔3650m，夏无酷暑，冬无严寒，太阳年均日照时间超过3000 小时，臭氧层稀薄，太阳能资源极其丰富，是太阳辐射能量观测的绝佳之地。本课题组利用RAMSES-ACCUV 紫外光谱仪及RAMSES-ACC-VIS 可见光谱仪对西藏拉萨地面太阳光谱进行了为期三年的观测，主要观测波段为280nm-500nm 及320nm-950nm，包含了地面太阳光谱的主要辐射能量波段。本课题将为西藏太阳辐射能量的利用提供了很好的数据依据。

2 太阳光谱观测

2.1 太阳光谱

太阳光谱，是表示不同波长的太阳光强度的一段光谱，地表面太阳光辐射强度，随着波长的分布会被大气中的成分吸收，太阳光主要由不可见光区（紫外光区、红外光区）和可见光区组成。波长小于400nm 的光线，属于紫外光区，波长在400nm-780nm 之间的属于可见光区，波长大于780nm 的光，属于红外光区。太阳光谱中可见光区占总量的约50%，红外光区占约43%，紫外光区只占约7%，而太阳的光能也主要集中在可见光区。紫外线又可分为UVA、UVB 和UVC 三种，这三种紫外线都可以对人的身体，造成不同程度的伤害。紫外线现在通常被应用于杀菌等。可见光主要是太阳光谱中，人眼可以看到的光线，植物光合作用主要利用的也是可见光区。

如图1 所示，红色曲线表示太阳的6000k 的黑体辐射，绿色曲线表示大气层外太阳光谱（AM-0），而黑色曲线表示地表面的太阳光谱（AM-1），即在我们地面观测点，观测到的太阳光谱。通过比较绿色曲线和黑色曲线我们不难发现，大气层外的太阳光谱的波长和辐射能都要多于地表面的太阳光谱，大气中的氧气、水、二氧化碳等分子对太阳光谱有不同程度的吸收。

图1 不同条件下的太阳光谱

2.2 观测地点及方法

如图2 所示，拉萨观测站，位于西藏大学纳金校区内。观测站距离拉萨市的南面山体、北面山体，以及西面山体的直线距离，分别约为3.6km、4.0km 和12.1km。观测站所在地拉萨是属于高原气候，全年多为晴朗的天气，降雨量稀少，冬天无严寒，夏天无酷暑。地貌多为沙土岩石，山体植被较少，夏季雨水较多时南面山体会长有小型灌木，山体夏季对太阳光的反射比冬季反射偏弱。从卫星云图上可以看出，雅鲁藏布江支流拉萨河等河水流过城市，并且拉萨市是西藏自治区人口最多的城市，居民建筑物较多，这也会对太阳光反射产生少量影响。

图2 西藏拉萨太阳光谱观测站周边地貌

如表1 所示，拉萨观测点位于西藏大学纳金校区，海拔3689m，维度29.65N，经度91.18E。用RAMSES-ACCUV/VIS 两台设备分别进行太阳光谱观测。观测均从GMT时间00：00 到12：00，仪器每分钟自动观测并记录一次数据。

表1 太阳光谱观测地点及时间

3 西藏太阳辐射观测研究进展

3.1 西藏太阳紫外辐射研究进展

赵地等学者，通过使用多频道带宽仪器-NILU-紫外辐照度计，分别对西藏拉萨、日喀则、那曲、定日、林芝五个观测站的生物有效辐射、户外紫外辐射、长波黑斑效应紫外辐射、紫外线指数（UVI），以及紫外辐射影响因子进行了观测。分析研究了拉萨2008.07-2017.12，近十年的地表面太阳紫外辐射；且研究分析了地面紫外辐射的影响因子，如：太阳天顶角、云、臭氧等；并分别对拉萨、日喀则、那曲、定日、林芝五个观测站，2015.01-2017.12 期间的地面紫外辐射。以及拉萨、那曲2008.07-2017.12 近十年期间地面辐射数据和卫星探测数据进行对比研究。

3.2 西藏太阳总辐射研究进展

晋亚铭等学者通过使用CMP 太阳总辐射仪对西藏不同地点、不同季节的太阳总辐射进行对比研究，分析了2010.07-2013.12 期间的，西藏太阳总辐射观测结果；观测结果显示：拉萨超过了太阳常数（1367W·m-2）的天数占18%，并且拉萨太阳总辐射在2011.06.24 瞬时最大值达到了1756.09W·m-2。同时在2016.12 至2018.09 期间，对西藏西部阿里地区进行了太阳总辐射和太阳光谱实地观测研究。分析了阿里春分、秋分、夏至、冬至的特征值及其变化特征；研究了云层、气溶胶等，对太阳总辐射的影响，和阿里年晴天数。最后将其与西藏东部地区林芝进行对比研究，得到了西藏最西部阿里地区与东部林芝的差异。西藏最西部阿里地区，年太阳辐射总量达到7094 MJ·W-2，而西藏东部林芝，同年太阳辐射总量只有5916MJ·W-2；西部阿里，夏季太阳总辐射量，最高值达到2166.1MJ·W-2，而东部林芝，春季达到最高值，约1727.4MJ·W-2；2017 全年观测，发现阿里仅有17 天太阳总辐射瞬时值，超过了太阳常数，而林芝多达145 天；阿里太阳总辐射，瞬时最大值，达到1494.6W·m2，林芝略高为（1698.6W·m2）。

王蕾迪等学者利用羊八井和纳木措2个高原腹地观测站，一年的高时间分辨率观测资料，并结合NCEP/DOE，对数据进行分析。分析了两地太阳总辐射的变化特征，并通过短波通量透过率分析了各因素对短波辐射的作用。对比结果表明，羊八井和纳木措晴天通量透过率，分别达0.807 和0.817，且变动性很小，与两站地形高度和纬度有明显关系；云的存在使两站接收到的短波辐射的差异减小，羊八井和纳木错的年平均通量透过率分别为0.674 和0.675，高原云的存在与变化，使通量透过率产生强烈的时间变化。与地面观测的太阳短波辐射资料相比，在完全无云的晴天，NCEP 同化太阳短波辐射资料对高原地区的模拟效果较好，但存在偏小的误差，羊八井和纳木措分别平均偏小5.74%和8.49%。

图3 O3 分子对拉萨太阳光谱的吸收带

图4 O2 分子对拉萨太阳光谱的吸收带

3.3 西藏太阳光谱研究进展

诺珍等学者在2015年7月对西藏拉萨、日喀则两地进行了太阳光谱15 分钟观测，并将其与北京和四川成都的太阳光谱进行对比研究。

努桑等学者通过利用太阳紫外光谱仪（观测范围280-500nm）和太阳可见光谱仪（观测范围320-950nm）进行太阳光谱的观测研究，在2016年-2017年期间对拉萨、定日、林芝、阿里、日喀则和那曲6个观测站，进行了零星的太阳光谱观测研究，并根据光谱特征，对高原太阳光谱的影响因子也进行分析研究。对比了拉萨站点和其它五个站点的晴天当天正午的太阳光谱特征，发现拉萨太阳光谱强度高于林芝站点，但其它4个站点的太阳光谱强度都高于拉萨。对比西藏与平原地区的太阳光谱，可以发现，西藏由于气候干燥，大气中水汽对太阳光谱的吸收程度要小于平原地区。也就是说可以通过对比分析各地的太阳光谱曲线，反演各地大气成分。

4 大气分子对西藏拉萨地面太阳光谱的影响

4.1 O3 分子对西藏拉萨地面太阳光谱的影响

如图3 所示，O3分子对太阳光谱的吸收带主要分布在紫外光区及远红外光区，有哈金斯带（320～360nm）、哈特来带（220～300nm）、4700nm 和9600nm 处吸收带，本课题组近期观测的波长范围中，O3的吸收波段在300nm 左右，且在280nm-300nm 波长范围内，紫外辐射大部分被O3吸收。

4.2 O2 分子对西藏拉萨地面太阳光谱的影响

如图4 所示，O2分子对太阳光谱的吸收带主要位于紫外区和可见光区，其中4个较强的吸收带分别为舒曼-龙格吸收带（125～202.6nm）、赫兹堡带（196.1～243.9nm）、690nm 和760nm 波段吸收带，本课题组近期观测的波长范围中，O2的吸收波段在656.4nm，689.6nm，762.6nm 左右。比较拉萨与林芝、拉萨与阿里光谱数据，在这几个波段中，林芝站点的光谱吸收比拉萨强，拉萨的光谱吸收比阿里强；比较拉萨二分二至日太阳光谱，春分与秋分O2分子对太阳光谱的吸收基本相同，夏至日O2分子对太阳光谱的吸收远远高于冬至日。

4.3 H2O 分子对西藏拉萨地面太阳光谱的影响

如H2O 分子对太阳光谱的吸收带较宽，几乎覆盖了整个太阳光谱波段，本课题近期观测的波长范围中，H2O的吸收波段在722.8nm，818.8nm，914.0nm 左右。比较拉萨与日喀则、拉萨与林芝光谱数据。这三个站点，均有河流流过，经过日喀则的水系为雅鲁藏布江，林芝站点水系为尼洋河，且林芝海拔低，受印度洋暖湿气候影响。日喀则和林芝两个站点大气中H2O 分子均比拉萨多，故在H2O 的吸收波段，光谱曲线向下“凹陷”的程度都比拉萨深。

图5 H2O 分子对拉萨太阳光谱的吸收带

大气中CO2分子的吸收带主要是远红外光区，波段大概在1570nm、2000nm 和2700nm 波段的太阳辐射，若大气中CO2的浓度升高，吸收红外波段1570nm 的太阳辐射能量也升高，造成温室效应的几率也就增高。本课题组近期观测主要集中在近红外波长范围，故关于CO2分子对西藏拉萨太阳光谱的影响在下一步的工作中再进行研究。

5 结束语

西藏太阳光谱的观测研究目前还处于初步阶段，西藏整个地区太阳辐射能量高，大气稀薄，对光谱的吸收较平原地区甚少，是太阳辐射观测的极佳地区。太阳辐射的研究还能为材料的老化、植物的光合作用、光伏电池发展等多方面提供基础依据。更加长期、全面、系统的研究西藏太阳光谱、紫外辐射、太阳总辐射是未来的研究的方向。也可为西藏太阳能资源利用，以及脆弱的西藏生态环境保护，提供更多的实地数据。