（大气物理学与大气环境专业论文）紫外辐射仪器标校与广州紫外辐射观测特征及模式验证.pdf

紫外辐射仪器标校与广州紫外辐射观测 特征及模式验证 摘要 在紫外辐射业务观测中，由于辐射表使用一段时间后会产生衰减，因此需要 有合适的方法对辐射结果进行订正。本研究通过多次室外实验，对衰减产生的原 因进行了探讨，发现导致衰减的主要原因有：一是感应元件随着使用时间的增加 呈线性衰减，二是散射片的衰减与空气污染状况和天气现象有关。假设总的衰减 效应为线性，衰减与时间成正比，通过分段订正的方法，可得到一致性较好的 u v 时间序列，与原数据相比，可信度有了较大提高。订正后广州的紫外辐射季 节变化研究表明，由于太阳高度角的季节变化，夏秋季广州紫外辐射明显高于冬 春季；盛夏7 9 月是紫外辐射最强的季节，春季广州多云雨天气，致使到达地 面的紫外辐射比秋季弱。利用n c a r ( 美国大气研究中心) 的t u v 模式，模拟 研究了灰霾对广州紫外辐射的影响，2 0 0 5 年1 1 月1 6 日- - 2 9 日一次从清洁到灰 霾过程的典型个例模拟的结果与实际观测基本一致，模式研究表明气溶胶光学厚 度对广州的紫外辐射有很大的影响，晴天严重的灰霾会使紫外辐射降低4 0 左 右；2 9 目的0 3 光解速率相比1 7 日至少降低了5 0 ，n 0 2 的光解速率至少降低 了4 0 ；1 7 日为基准的辐射光谱比值r ( 入) 在约3 2 0 n m 附近以上变化非常缓慢， 可视为常数，3 2 0 n m 以下r ( 入) 开始下降，可见气溶胶对紫外辐射的短波谱有较 大的影响，随着污染的加重，对紫外辐射的短波衰减会加强。 关键词：紫外辐射、衰减订正、气溶胶、t u v 模式、光解速率、广州 c a l i b r a l i o nf o ru l t r a v i o l e ti h d i a t i o ni n s t r u m e n ta n dt h e o b s e r v a t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dm o d e lc o m p a r i s o n so f u l t r a v i o l e tr a d i a t i o ni ng u a n g z h o u m a j o r -a t m o s p h e r i cp h y s i c sa n da t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n t n a m e ： j i a n gc h e n g l i n s u p e r v i s o r ：w ud u i ( p r o f e s s o r ) f a ns h a o j i a ( a s s o c i a t ep r o f e s s o r ) a b s t r a c t t h ei n s t r u m e n t sf o ru l t r a v i o l e tr a d i a t i o no b s e r v a t i o nw i l la t t e n u a t ea f t e ru s e df o r f lp e r i o d ，s oi ti sn e e d e dt of i n ds o m ep r o p e rm e a n st oc o r r e c tt h eo b s e r v a t i o n a lr e s u l t t h i sp a p e re x p l a i n e dt h ec a u s e so fa t t e n u a t i o no fu l t r a v i o l e tr a d i a t i o n ，a n dt h em a i n r e a s o n sa r ef o u n da sf o l l o w ：t h ef i r s ti st h a tt h es e n s o ra t t e n u a t el i n e a r l ya l o n gw i t h t h eu s e dt i m e ；t h es e c o n di st h a tt h es c a t t e r i n gp i e c ea l s oa t t e n u a t ew i t ht i m e ，w h i c hi s c l o s e l yc o n n e c t e dw i t ha i rp o l l u t i o na n dt h ew e a t h e rc o n d i t i o n s t h et o t a la t t e n u a t i n g e f f e c ti sa s s u m e dl i n e a r l y , a n di t sa t t e n u a t i o ni sp r o p o r t i o n a lw i t ht i m e t h r o u g ht h e p a r t i t i o nr e v i s i n gm e t h o d ，w eo b t a i n f lu n i f o r mu l t r a v i o l e tt i m es e r i e s ，a n dt h e c o n f i d e n c el e v e lh a sb e e ne n h a n c e dg r e a t l yc o m p a r e dw i t ht h eo r i g i n a ld a t a a f t e r r e v i s e d ，g u a n g z h o u su l t r a v i o l e tr a d i a t i o ns e a s o n a lv a r i a t i o nr e s e a r c hi n d i c a t e dt h a t ， g u a n g z h o u su l t r a v i o l e tr a d i a t i o ni ns u m m e ra n da u t u m ni so b v i o u s l yh i g h e rt h a nt h a t i nw i n t e ra n ds p r i n ga sar e s u l to ft h es e a s o n a lv a r i a t i o no fs o l a re l e v a t i o na n g l e m i d s u m m e rf r o mj u l yt os e p t e m b e ri st h es t r o n g e s ts e a s o nf o ru l t r a v i o l e tr a d i a t i o n ，i n s p r i n gg u a n g z h o ui sm a i n l yu n d e rc o n t i n u o u sc l o u d ya n dr a i n yw e a t h e r , r e s u l t i n gi n l o w e rs u r f a c eu l t r a v i o l e tr a d i a t i o nt h a na u t u m n t h ei n f l u e n c eo fh a z eo nu l t r a v i o l e t r a d i a t i o ni ng u a n g z h o ui ss t u d i e db yu s i n gn c a r ( n a t i o n a lc e n t e rf o ra t m o s p h e r i c r e s e a r c h ) t u vm o d e l t h em o d e ls i m u l a t i o nr e s u l to f at y p i c a lc a s ef r o me x t r e m e l yc l e a n t oh a z ep r o c e s sf r o m16 “t o2 9 m n o v e m b e r , 2 0 0 5i sc o n s i s t e n tw i t ht h ea c t u a lo b s e r v a t i o n t h e m o d e ls h o w st h a ta o d ( a e r o s o lo p t i c a ld e p t h ) h a das t r o n gi n f l u e n c eo ng u a n g z h o u su l t r a v i o l e t r a d i a t i o n ，s e r i o u sh a z ei ns u n n yd a yc o u l da t t e n u a t et h eu l t r a v i o l e tr a d i a t i o nu pt oa b o u t4 0 p h o t o l y s i ss p e e do fo z o n ei n2 9 t hd e c r e a s e d5 0 a tl e a s tc o m p a r e dw i t h17 m ，a n dp h o t o l y s i ss p e e d o fn 0 2d e c r e a s e d4 0 a tl e a s t a p p r o x i m a t e l ya b o v e3 2 0 n m ，r a d i a t i o ns p e c t r u mr a t i or ( a ) ， w h i c ht a k i n gr a d i a t i o no f17 ma st h eb e n c hm a r k ，c h a n g ev e r ys l o w , a n dm i g h tr e g a r da sc o n s t a n t ； b e l o w3 2 0 n mr ( 入) b e g i nt od r o p ，w ec o u l df i n dt h a ta e r o s o l sh a v em o r ei n f l u e n c eo nt h es h o r t e r s p e c t r u mo ft h eu l t r a v i o l e tr a d i a t i o n w i t ht h ep o l l u t i o na g g r a v a t i o n , a _ t t e n u a t i o no f t h ea e r o s o lo n t h es h o r tw a v eu l t r a v i o l e tr a d i a t i o nc o u l db es t r e n g t h e n e d k e yw o r d s ：u l t r a v i o l e tr a d i a t i o n ，w e a k e nr e v i s e ，a e r o s o l ，t u vm o d e l ，p h o t o l y s i s s p e e d ，g u a n g z h o u 第一章引言 第一章引言 1 1 研究目的和意义 紫外( u v ) 辐射在太阳辐射光谱中的谱区范围是在1 0 0 4 0 0 n m ，其能量仅占 太阳辐射总量的8 ，按照不同波长的紫外线所起的生物作用，可分为三部分：紫外 线a 段( u v - a ) ，波长3 2 0 4 0 0 n m , 约占太阳辐射总量的6 ；紫外线b 段( l r v - b ) ， 波长2 9 0 3 2 0 n m ，约占太阳辐射总量的1 5 ；紫外线c 段0 ：v - c ) ，波长l o o 2 9 0 r i m ，约占太阳辐射总量的0 5 ，几乎完全被臭氧层吸收而不能到达地面【l 】。 紫外辐射对生物体有着各种生物效应，皮肤经紫外线照射后，经过一定时间， 皮肤上即可出现刚可辨别的红斑。在到达地面的紫外线中，波长3 0 0 4 3 5 n m 的紫 外线具有色素沉着作用。波长2 7 5 3 1 0 n m 的紫外线具有抗佝偻病作用，最大抗佝 偻病强度位于2 8 2 n m 为1 0 0 强度单位，波长大于3 0 8 r i m 时，抗佝偻病作用为零。 具有杀菌作用的紫外线波长位于2 7 5 3 0 0 n m 之问，杀菌强度与波长相关呈线性 关系，2 7 5 n m 最大，杀菌作用为单位杀菌强度的5 5 ，3 0 0 r i m 波长以上杀菌强度为 零【2 3 】。长波紫外线辐射能增强机体的免疫力，机体经长波紫外线照射后，可刺激 血液中凝集素的凝集，使凝集素的滴定效价增商，增强了机体对感染的抵抗力。此 外紫外线对人体的胃肠道、循环系统、代谢系统、内分泌、神经系统都有影响 4 - 6 1 。 紫外辐射对人体的健康还存在着间接的影响。紫外辐射能够驱动大气光化学 反应，形成中间产物臭氧，当空气中的臭氧浓度过高时，会强烈刺激人的呼吸道， 造成咽喉肿痛、胸闷咳嗽、引发支气管炎和肺气肿；造成人的神经中毒，头晕 头痛、视力下降、记忆力衰退；对人体皮肤中的维生素e 起到破坏作用，致使人 的皮肤起皱、出现黑斑；还会破坏人体的免疫机能，诱发淋巴细胞染色体病变， 加速衰老，致使孕妇生畸形儿等 7 1 。随着经济的发展，城市车辆增多的同时也导 致了排放的增加，为光化学反应的发生提供了充足的前体物，臭氧也逐渐变成了 空气的主要污染物之一嘲。 最近1 0 0 年来，全球平均地面空气温度已增高了约o 6 5 ( 2 ，全球增暖成为无争 的事樊舢1 1 】，中国平均地面空气温度升幅约o 5 o 8 1 2 】，温室效应的加剧是全 球增暖的主要原因，近年来科学界又发现气溶胶是继温室气体之后，影响全球气 第一章引言 候的又一大因子 1 3 l 。由于污染的加剧，空气中悬浮着很多细小的肉眼不可见的气 镕胶颗粒物，这些颗粒物使得大气中的凝结核大量增多，使得云滴的数量增加、 体积减小，直接导致了云生命周期的延长，云对太阳辐射有着很强的反射能力， 云的增加会导致到达地面的太阳辐射减小，从而影响全球气候【1 4 】。另一方面，气 溶胶中含有一些成分对光有很强的散射，会使到达地面的辐射减少，形成“凉伞 效应”；也有一部分气溶胶由于吸收了辐射，温度升高，会对周围的空气加热产 生辐射强迫作用，与温室气体相比，气溶胶的辐射强迫要复杂得多盼1 6 1 。气溶 胶对气候的影响有着正负两方面的效应，而且还有很多的不确定性，是当前研究 的一个热点问题。 除了气候影响外，由于气溶胶本身中含有很多有毒物质，直径小于1 0 p m 的 气溶胶粒子能够直接进入并粘附在人体上下呼吸道和肺叶中。由于气溶胶大部分 均可被人体呼吸道吸入，尤其是亚微米粒子会分别沉积于上、下呼吸道和肺泡中， 引起鼻炎、支气管炎等病症，降低心肺功能，心血管病的日死亡率增加，儿童哮 喘病比率增加，长期处于这种环境还会诱发肺癌m 啪。另外，气溶胶导致的灰 霾天气会影响交通安全，出现霾天气时，室外能见度低，污染持续，交通阻塞， 事故频发。 广州位于我国南方，广东省中南部，地处珠江三角洲腹地，毗邻香港和澳门。 广州总面积7 4 3 4 4 平方公里，人口1 0 4 3 万，是广东省的政治、经济、文化中心， 自然条件优越，物产瓷源丰富，是中国南方重要的商埠及交通枢纽和港口城市。 2 0 0 5 年广州地区生产总值( g d p ) 突破5 0 0 0 亿元大关，达5 1 1 5 7 5 亿元，比上 年增长1 3 o ，超过“十五”计划预期目标( 4 8 8 0 亿元) 2 3 5 7 5 亿元，2 0 0 6 年达 到6 0 6 8 亿元，比2 0 0 5 年增长1 4 4 ，综合经济实力迈上新的台阶。但在经济快 速增长的同时，广州也存在着严重的环境污染，广州市区经常会出现低能见度的 天气现象，灰霾天气频繁，从图1 1 的广州低能见度事件月际变化的长期趋势可 以看出，自改革开放以来，广州的能见度有了明显的下降，其中低能见度事件出 现频繁的时段主要在1 9 8 5 年前后、9 0 年代中后期、2 0 0 5 年前后。据广州热带海 洋气象研究所吴兑研究员统计，2 0 0 2 年至2 0 0 6 年广州的灰霾天气的天数分别为 6 6 、8 7 、1 4 2 、1 3 1 、1 2 3 天，存在着很严重的气溶胶污染。而气溶胶的污染治理 又与紫外辐射存在着复杂的关系，如果气溶胶的污染下降了，势必导致紫外辐射 2 第一章引占 的增强从而引起紫外光化速率的变化，而光化速率直接制约着光化学烟雾污染过 程，因此需要进一步认识它们之间相互影响的本质因素。 图i 1 广州低能见厦事件月际变化的长明趋势( 能见度 银北；宁夏 川区u v b 辐射具有明显的日变化和季节变化特征【3 9 j 。王晶，侯红英通过对青岛 地区2 0 0 4 年全年紫外线观测数据的分析。在假设局地纬度、海拔高度、大气中臭 氧量及其分布、空气质量状况、地表反照率等因素基本不变的情况下，总结了青 岛地区紫外辐射随与太阳天顶角相关的不同季节和时段、天气状况( 云况) 的统计 第一章引言 性变化规律【柏l 。李豪杰，郭世昌，陈辉等通过5 台u v 仪器的野外观测，获取到 昆明2 0 0 3 年4 ，5 月份地面紫外辐照度资料，并在此基础上对不同仪器、波段进 行比较分析；在我国首次较全面系统地公布了滇中地区春季以2 9 7 ，3 1 2 r i m 和 3 6 5 n m 为中心波长的太阳紫外波段测量结果；通过全天观测，获得了同时期该地 区紫外辐射的日变化特征；并利用相应时期昆明d o b s o n 仪测取的臭氧资料、 太阳高度角资料与紫外辐射资料对比分析，获得了一些有意义的结果【4 。 1 3 本文研究的主要内容 到达地面的紫外辐射受到太阳高度角、云、气溶胶、相对湿度、臭氧、氮氧 化物、二氧化硫、有机物以及其它气体等多种因素的影响，至今为止，对广州地 区的紫外辐射已有不少研究，但气溶胶对紫外辐射的影响研究得比较少。本文得 到了国家自然科学基金的资助，将基于广州热带海洋气象研究所自2 0 0 0 年开始 的紫外观测，研究广州地区的紫外辐射特征。其中重点研究气溶胶对紫外辐射的 影响。 6 第二章资料与方法 2 1 资料来源 2 1 1 紫外辐射观测 第二章资料与方法 图2 1 紫外辐射表 对于紫外辐射的观测由2 0 0 0 年1 月开始，用的是e p p l e yl a b 的紫外辐射表 ( 图2 i ) ，型号是t u v r ，编号3 2 1 3 2 ，观测的紫外波段是2 9 5 - - 3 8 5 n m ，观测 位置在广东省气象局顶楼天台。2 0 0 3 年1 2 月开始又增加了一个同样型号的紫 外表，编号3 3 5 4 3 ，2 0 0 6 年1 月增加了第三个同样型号的紫外表，编号3 4 1 9 2 。 2 0 0 6 年底又引进了两个新表用于标定，编号分别是3 4 6 2 5 和3 4 6 2 8 。 2 1 2 大气成分观测站资料 图2 2 广州热带海洋气象研究所大气成分观测站番禺子站 7 图2 3 黑炭仪 第二章资料与方法 图2 4 浊度计( 左) 和太阳光度计( 右) 本文用到的主要观测资料包括气溶胶的散射系数，吸收系数和光学厚度。散 射系数和吸收系数的数据来自中国气象局广州热带海洋气象研究所大气成分观 测站番禺子站( 图2 2 ) ，测量仪器分别是黑碳仪( 图2 3 ) 和浊度计( 图2 4 左) ， 该站位于城市和郊区的交界，具有一定的区域代表性，而且站的附近没有局地的 排放源。该站的资料能够很好的代表广州地区的空气平均状况。测量散射系数和 吸收系数的目的是为了得到大气的单次散射反照率( s s a ) ，其计算公式为： s s a = 位见一( 公式z 1 ) 其中统= 色+ 成( 公式2 2 ) 公式中恁表示消光系数，色表示散射系数，色表示吸收系数。因此，可以 通过间接测量的方法得到s s a ，在用模式模拟时作为参数输入。测量光学厚度用 的是太阳光度计( 图2 4 右) 。 2 1 3 其它资料 除了上述自主观测的资料外，还包括了其它单位的观测资料以及网上下载的 资料： 8 第二章资料与方法 a 、广州五山观测站的能见度资料。 b 、广东省环境保护公众网的空气污染指数资料。 c 、香港科技大学网站的探空曲线和m o d i s 卫星资料。 2 2 研究方法 2 2 1 对辐射表进行测量实验 采取两个表进行平行观测，其中一个表为全新的，另一个表通过各种组合， 如将新表的散射片用旧散射片代替，或将新表的散射片装到旧表上，通过多次组 合，得到多组数据，将以新表的值作为横坐标，另一个表的值作为纵坐标画点图， 然后分别拟合出线性关系。 2 2 2 统计分析 采取统计的方法分析广州地区2 0 0 5 至2 0 0 6 年u v 辐射的变化规律。 2 2 3 选取典型个例( 晴天) 分析 选取典型个例( 晴天) 研究气溶胶对紫外辐射的影响，典型个例的背景气象 场采用矢量和分析方法，以描述污染物在一段时间内的积累。 本文中的矢量和分析方法，采用的是广东省4 6 6 个自动气象观测站的逐时的 气象资料，根据记录的风向风速，分解成向正东的u 分量和向正北的v 分量， 再通过c r e s s m a n 插分方法将自动站的u 和v 分量插值到网格点上，范围分别是 1 0 9 5 0 e 1 1 8 0 0 e ，2 0 0 。n - - 2 5 5 0 n ，网格大小为0 。0 5 0 o 0 5 0 经纬度。u 、v 分量 里大于2 0 m s 的数据视为野点剔除掉。然后对各个网格点做空间矢量和，采取的 办法是将该点与东南西北四个方向相邻最近的四个点的u v 分量做五点加和，得 到空间上的矢量和，然后再将空间矢量和对所需要的时次进行2 4 、4 8 或7 2 小时 加和，最后得到的是时空上的矢量和，也就是本文中将用到的矢量和，与之前廖 国莲所作的不同之处在于本文中没有取平均【4 2 l ，是所有时刻的累加。 矢量和的尺度为o 1 0 经纬度，即1 0 k m 左右，与城市的尺度大小相当，用矢 量和比较方便描述污染过程的背景流场，当矢量和较大时，表示流场的方向一致， 污染物不会在同一个地方累积，大气的扩散能力较好，当矢量和较小时，表示污 染物只能在一定的范围内来回运动，大气的扩散能力较差，污染物容易累积，形 成污染天气。 9 第二章资料与方法 2 2 4 运用1 1 j v 模式分析 运用n ( t r o p o s p h e r i cu l t r a v i o l e ta n dv i s i b l er a d i a t i o nm o d e l ) 模式模拟在 不同浓度( 包括数浓度和质量浓度) 气溶胶的影响下，紫外辐射及光化反应速率 的变化，根据模拟的结果得出结论。 n 辐射传输模式是美国国家大气研究中心( n c a r , n a t i o n a lc e n t e ro f a t m o s p h e r i cr e s e a r c h ) 的m a & o m c ha n df l o c k e 等共同研究开发的计算对流层紫 外线与部分可见光辐射的模式，模式波长取值范围1 2 1 7 3 5 n m ，不仅可以计算紫 外线辐射的生物影响和紫外辐照度，还可以计算光化学辐射通量、分子光解速率 等，模式采用2 流或4 流方案求解辐射传输方程，并计算7 3 个光化学反应的光 解速率系数1 4 3 1 。模式在辐射计算、化学模式、生态研究等方面已得到广泛的应 用。辐射传输方程的具体内容如下： p ! = 厶一以( 公式2 3 ) 厶= 等 砜，叫只( e 。) 十f 0 厶p ，以妒7 ) 只( l 以仍p 7 ，妒7 ) d p 伽7 ) c 公式：舢 + ( 1 一五o j ) 毋【丁( 7 _ ) 】 上式即为平面分层大气中的辐射传输方程。其中厶表示辐照度，7 表示光 学厚度坐标，在大气上界为零，向下增大，到地面为整层大气光学厚度 # = c o s o ，p 角以7 - 坐标为基础，向下为零度，逐渐增加到天顶为1 8 0 度厶 称为源函数，等式右边三项的物理意义分别代表一次散射，多次散射和热辐射项。 在不同的问题中 可以作相应简化，例如对短波辐射，热辐射项可以不考虑； 对晴空条件下的红外辐射，散射项可以不考虑；讨论红外辐射在云中传输这类问 题时，则一次散射项有时可以不计。0 0 是从太阳入射方向( h ) 到观测到辐 射的来向( p 妒) 之间的夹角 1 0 第二章资料与方法 c o s e b = e o s o e o s o o + s i l l p s i l l 岛c o s ( 妒一岛) ：眦+ 而鬲c o s ( 妒一) 公乱5 考察某一紫外波长的辐照度在经过一段气柱后的变化时，这种变化是由下列 4 种因素引起的： a 、工经过这段气柱后由于吸收造成的衰减； b 、由于光直接射到这段气柱上，气柱发出教射光，即一次散射； c 、气柱周围各个方向的散射光射到这段气柱上再发生散射，即多次散射； d 、这段气柱中大气的热辐射中的紫外辐射，本文中可以不用考虑。 第三章u v 辐射的订正 第三章f l y 辐射的订正 国内外的许多科研单位使用美国e p p l c y 实验室的t u v r 型全紫外辐射表， 进行紫外辐射观测研究 4 4 - 4 6 1 ，而很多紫外辐射研究专家都认为其设计十分合理。 它由带硒阻挡层、石英窗密封的光电池，紫外滤光片( 统称为光电管) 和干净的 聚四氟乙烯散射片组成，光电管的终端与一个精密的电阻相连接，信号的测定通 过测量电阻的压降实现。其测量范围仅是2 9 5 3 8 5 n m ，目的在于测量总的紫外辐 射。事实上在紫外辐射观测中，由于缺乏日常的维护与定期的标定，辐射表在使 用一段时间后有明显的衰减，使用时间越长，衰减越明显。广州热带海洋气象研 究所于2 0 0 0 年开始了紫外辐射的观测，使用的也是e p p l e y 实验室的n j v r 型辐 射表，编号3 2 1 3 2 。2 0 0 3 年1 2 月开始又增加了一个同样型号的辐射表，编号 3 3 5 4 3 ，2 0 0 6 年1 月增加了第三个同样型号的辐射表，编号3 4 1 9 2 ，目前又引进 了两台新的e p p l e yl a b 的辐射表，在现有的条件下，通过一些合理的假设，以及 室外观测实验，对原有的紫外观测数据进行订正。 影响辐射表衰减的主要因子包括两个部分，一部分源自感应元件，包括 光电管的光谱灵敏度变化和紫钋滤光片透过率衰减，本文将此作为一个整体考 虑，感应元件会由于使用时间的增加而导致灵敏度降低，造成仪器衰减。另一部 分是平行光散射片，它的作用是将不同方向射来的紫外辐射通过余弦订正，转化 为同一方向的平行光，由于长期暴露在空气中，散射片的表面及微孔中会积累很 多的污垢，使散射片的透射率降低，造成仪器衰减。根据不同的研究目的，我们 将感应元件和散射片进行不同的组合，设计了三组实验，具体组合方式如表3 1 所示： 1 2 表3 1试验组合方式列表 第三章u v 辐射的订正 研究目的 组合方式 基准表 旧感应元件3 3 5 4 3 新散射片 3 4 6 2 8 影响因子 之间的关新感应元件3 4 6 2 5 盐酸洗过的散射片 3 4 6 2 8 系 旧感应元件3 3 5 4 3盐酸洗过的散射片 3 4 6 2 8 旧感应元件3 2 1 3 2新散射片3 4 6 2 8 感应元件 旧感应元件3 3 5 4 3新散射片 3 4 6 2 8 衰减规律 旧感应元件3 4 1 9 2新散射片 3 4 6 2 8 新感应元件3 4 6 2 5新散射片 3 4 6 2 8 新感应元件3 4 6 2 5清水洗过的散射片 3 4 6 2 8 散射片衰 减 新感应元件3 4 6 2 5新散射片 3 4 6 2 8 新感应元件3 4 6 2 5盐酸洗过的散射片3 4 6 2 8 3 1 辐射因子之间的关系 新表3 4 6 2 8 观测值( j m 2 ) 图3 1影响因子之间的关系 为了验证两个影响因子之间的关系，特地用两个新表( 3 4 6 2 5 和3 4 6 2 8 ) 和 第三章u v 辐射的订正 一个旧表( 3 3 5 4 3 ) 一个用盐酸洗过的旧盖作了如下实验：一、将旧表的散射片 换成3 4 6 2 5 的新散射片，与新表3 4 6 2 8 进行同时观测，将3 4 6 2 8 的值作为横坐标， 旧表的值作为纵坐标画点图，然后拟合出线性关系，如图3 1 中的最下面一条直 线，由此可得到感应元件的影响因子，为直线斜率0 7 6 7 ，表示感应元件的影响 会使观测值减小到原来的7 6 7 。二、将新表3 4 6 2 5 的散射片换成旧散射片，与 另一个新表3 4 6 2 8 进行同时观测，与上面方法相似，将3 4 6 2 8 的值作为横坐标， 3 4 6 2 5 的值作为纵坐标画点图，然后拟合出线性关系，如图3 1 中的上面一条直 线，由此得到散射片的影响因子，为直线的斜率1 , 1 1 7 ，表示散射片的作用会使 观测的值增大到原来的1 1 1 7 倍。三、将旧的散射片换到旧表上，与新表3 4 6 2 8 同时观测，采用如上方法，得到第三条拟合的直线，如图3 1 中的中间条直线， 斜率为0 8 5 1 ，表示感应元件和散射片总的影响困子。从三个影响因子可以看出， 感应元件和散射片两个影响因子的乘积为1 1 1 7 x o 7 6 7 = 0 8 5 7 ，与总的影响因子 0 8 5 1 非常的接近，于是可以得出结论：总的影响因子等于感应元件的影响因子 乘以散射片的影响因子。 3 2 感应元件的衰减规律 为了了解感应元件的衰减规律，对3 4 6 2 5 、3 4 1 9 2 、3 3 5 4 3 、3 2 1 3 2 分别换上 新的散射片，与3 4 6 2 8 进行同时观测，得到了四组数据，以3 4 6 2 8 的值为横坐标， 其它各表的值为纵坐标画出点图，然后拟合出线性关系，得到如下图2 。 囊表3 4 韶8 观渭值( w 2 ) 图3 2 感应元件的衰减对比 1 4 第三章u v 辐射的订正 从图3 2 中可以看出感应元件使用了1 2 个月、2 5 个月、7 2 个月之后，分别衰减 到原来的9 4 3 、7 6 7 、3 5 5 ，两个新表的斜率为1 0 1 2 ，这是由于两表之间 的误差引起的，误差大小为1 2 ，属于可以接受的范围内，将几个感应元件的 衰减情况以使用月数为横坐标，衰减率为纵坐标绘制于一幅图中，如图3 3 ： 图3 3 感戍元件衰减规律 可以看出，感应元件的衰减率与使用时间有很好的线性关系，可以做线性假设。 3 3 散射片的衰减 散射片的衰减相对于感应元件来说要复杂得多，主要是由于散射片长时间暴 露在室外环境中，风吹雨打，日晒雨淋，缺乏定期的维护清洗，因此导致了散射 片的表面积累了很多的污垢，其主要来源是大气中的气溶胶粒子。气溶胶粒子中 粒径与散射片的孔径相当时，就会由于分子扩散作用进入到散射片表面内部，这 部分粒子即使有降水也很难清除掉，会随着使用时间的增加而越积越厚，导致衰 减越来越大，而粒径较大的气溶胶粒子，主要是吸附在散射片的表面，当出现降 水时会被雨水冲刷掉，当有大风时也会被风刮走，因此导致散射片的衰减有很大 的波动，针对散射片的衰减特性，我们对一个散射片进行了不同程度的清洗，首 先用蒸馏水来进行超声振荡清洗，可以去除掉附在散射片表明的粒子，第二次用 盐酸来进行超声振荡清洗，可以去除进入到散射片表面内部的粒子，把清洗后的 散射片安装到3 4 6 2 5 上与3 4 6 2 8 进行平行观测，发现两次清洗后，散射片的透射 能力有非常大的变化，如图3 4 ： 第三章i 辐射的订正 新表3 4 眈8 麓一但( w - 2 ) 图3 4 散射片不同清洗程度的辐射对比 从图3 4 可以看出，散射片在经过清水清洗后，只能达到原本的7 0 多，而 经过盐酸清洗后，散射片的辐射竟然比新的增加了1 0 ，表明不同程度的清洗 对散射片的透射能力有很大的影响，而且散射片的材料在使用多年后会出现老 化，用盐酸清洗时，将老化的材料部分也一齐清除掉了，致使散射片的透射能力 增大。 3 4 数据的订正 通过前面的实验，我们发现辐射表的感应元件的衰减有比较好的线性关系， 而散射片的衰减规律较为复杂，为了使订正工作易于进行，只好将辐射表的总衰 减效应也假设为线性的。 订正所针对的数据主要来自以下四个辐射表： 表3 2 1 3 2 由2 0 0 0 年1 月1 日开始观测，至2 0 0 6 年1 月衰减了7 2 个月，表 3 3 5 4 3 由2 0 0 3 年1 1 月2 8 日开始观测，至2 0 0 6 年1 月衰减了2 5 个月。表3 4 1 9 2 由2 0 0 6 年1 月1 日开始观测。2 0 0 6 年底新买的表3 4 6 2 5 用于标定。最初观测的 1 个月视为无衰减，采用分段拟合的方法来减小误差。 首先假定辐射表的衰减在某个月中不变，衰减随着使用月数的增加而增大，最初 观测的第一个月无衰减。然后对u v 的衰减规律进行如下线性假设： a - - - - - e x ( 1 - a ( t - 1 ) ) 公式( 3 1 ) a 代表需要订正的紫外辐射观测值，e 表示紫外辐射的真值，a 是衰减系数，t 6 第三章u v 辐射的订正 表示辐射表使用月数。 3 4 12 0 0 0 年1 月一2 0 0 3 年1 1 月订正 表3 3 5 4 3 由2 0 0 3 年1 1 月2 8 日开始观测，是全新的，刚开始无衰减，因此， 选取第一天的数据来对表3 2 1 3 2 的2 0 0 0 年1 月至2 0 0 3 年1 1 月的数据进行订正， 2 0 0 3 年1 1 月2 8 日两个辐射表的数据对比如图3 5 ： 表3 3 5 4 3 观测值( w a 2 ) 图3 52 0 0 3 年1 1 月2 8 习表3 2 1 3 2 和表3 3 5 4 3 的观测数据对比 拟合出的直线斜率为0 3 3 4 ，即使用了4 7 个月后表3 2 1 3 2 衰减到了原来的3 3 4 ，代入到公式( 3 1 ) 中得： a e 2 - - l - - a ( 4 7 - - 1 ) = o 3 3 4 解出a = 0 0 1 4 5 ，代入到公式( 1 ) 中得：e = a ( 1 0 0 1 4 5 x ( t - - 1 ” 然后根据表3 2 1 3 2 观测到的数据和使用月数，将2 0 0 0 年1 月至2 0 0 3 年1 1 月的 数据订正回来。 3 4 22 0 0 3 年1 2 月- - 2 0 0 5 年1 2 月订正 表3 4 1 9 2 由2 0 0 6 年1 月1 日开始观测，也是全新无衰减，选取第一天的数 据来对表3 3 5 4 3 的2 0 0 3 年1 2 月至2 0 0 5 年1 2 月的数据进行订正。2 0 0 6 年1 月1 日两表的数据对比如图3 6 ： 第三章t n 辐射鲍订芷 曩辩1 蛇蕊蔫越( w 舻) 鞠3 62 0 0 6 颦1 秀1 嚣表3 3 5 4 3 释表3 4 1 9 2 静霾瓣数摇黠魄 拟龠出的直线斜率为0 5 2 3 ，表示使用了2 5 个月后表3 3 5 4 3 衰减到了原来的 5 2 3 ，栽入剔公式3 。1 ) 巾褥： a e = i - - a ( 2 5 - - 1 1 = o 5 2 3 解出a = 0 0 1 9 8 ，代入到公式( 1 ) 中得：e - - - - - a ( 1 - 0 0 1 9 8 ( t - - 1 ) ) 然露稷撂表3 3 5 4 3 霞溅刭戆数据纛饶蠲嚣数，将2 0 0 3 年1 2 弱至2 0 0 5 零1 2 蔗戆 数据订正回来。 3 4 3 2 0 0 6 年1 月一2 0 聪年1 2 月订藏 在表3 4 1 9 2 开始露溺艏，我锏又弓l 迸了新的辐射表3 4 6 2 5 ，于2 0 0 6 年1 2 秀 1 9 豳一2 2 日对1 目的辐射袭进行过标定，选取2 0 嗣的结果来对2 0 0 6 年1 月至2 0 0 6 零| 2 莠熬数攒送行谣歪，溪溺鼗攥霹跑热鎏3 。7 ： 8 第三章u v 辐射的订正 新表3 4 6 2 5 观测值( w - 2 ) 图3 72 0 0 6 年1 2 月2 0 日表3 4 1 9 2 与新表3 4 6 2 5 的观测数据对比 拟合出的直线斜率为o 6 1 9 ，即表3 4 1 9 2 使用了1 2 个月后衰减到了原来的6 1 9 ，代入到公式( 3 1 ) 中得： a e = 1 一a ( 2 5 1 ) = o 6 1 9 解出a = 0 0 3 4 6 ，代入到公式( 1 ) 中得：e = a ( i - 0 0 3 4 6 x ( t - - l ” 然后根据表3 4 1 9 2 观测到的数据和使用月数，将2 0 0 6 年1 月至2 0 0 6 年1 2 月的 数据订正回来。 3 4 4 订正前后数据对比 将前面的三次订正后的数据组合起来，可以得到一个新的u v 时间序列，由2 0 0 0 年1 月至2 0 0 6 年1 2 月，订正前后的u v 日均值数据对比如下图： 9 第三章u v 辐射的订正 i表3 2 1 3 2j t ：幽必雌逊蛐燃逖蛐l 。2 0 0 0 年2 0 d 佯m o z 年2 0 0 3 年2 m 4 年- 2 d 0 眸2 0 噼 图3 8 三个表原数据的u v 日均值 图3 9订正后的u v 日均值 从图3 8 和图3 9 中订正前后的数据可以看出，在订正前，u v 有很明显的衰减， 订正后的u v 有较好的一致性，虽然不能达到1 0 0 的准确，但相比原来的数据， 可信度有了很大的提高。要达到更好的订正精度，需从仪器的材料、结构、物理 特性等方面进行更为深入的研究，而在现有的条件下较难做到。 另外，在我们的气象业务观测中，对u v 辐射的观测一直以来都没有一个严 格的观测规范准则，辐射表需要长期的清洁维护，以及定期的标定，各种类型的 第三章u v 辐射的订正 辐射表之间也没有一个统一的标准，导致不同辐射表之间的紫外观测出现较大的 差异。在使用e p p l e y 辐射表观测紫外辐射时，应保持散射片的清洁，建议l 一2 周清洗一次，而且要经常进行标定工作，大概2 3 个月标定一次，才能提高观 测的准确度。 3 5 本章小结 辐射表在使用了一段时间后会产生衰减，通过多次的物理实验，对衰减产生 的原因进行了多方面的探讨，主要有两个部分，一部分源自感应元件，包括光电 管的光谱灵敏度变化和紫外滤光片透过率衰减，感应元件随着使用时间的增加程 线性衰减，另一个部分是散射片，它的衰减有较大的波动，与空气的污染状况和 天气现象有关，为了使订正工作易于进行，将总的衰减效应也假设为线性的。 将辐射表衰减的线性规律假设为a = e x ( i a ( t 1 ) ) ，通过分段订正的方法，得 到了一致性较好的u v 时间序列，与原数据相比，可信度有了较大提高，要达到 更好的精度，需从仪器的材料、结构、物理特性等方面进行更为深入的研究，而 在现有的条件下较难做到。 在使用e p p l e y 辐射表观测紫外辐射时，应保持散射片的清洁，建议l 一2 周 清洗一次，而且要经常进行标定工作，大概2 3 个月标定一次，才能提高观测 的准确度。 2 1 第四章典型个倒1 v v 模式验证 第四章典型个例t u v 模式验证 4 12 0 0 5 年- - 2 0 0 6 年紫外辐射分析 4 1 1 紫外辐射月总量的变化 图4 1 、4 2 给出了2 0 0 5 年和2 0 0 6 年广州地区紫外辐射月总量的变化和逐月 降水变化 图4 12 0 0 5 、2 0 0 6 年广州紫外辐射月总量 图4 22 0 0 5 、2 0 0 6 年逐月降水量 第四章典型个例t u v 模式验证 从图4 1 可以看出，2 0 0 5 年和2 0 0 6 年的月总量最大值都出现在7 月，分别 为1 9 8 m j n f 、2 0 2 m j 咛。2 0 0 5 年的最小值出现在2 月，为4 5m j i n ，2 0 0 6 年的最小值出现在3 月，为7 4m j m 2 。从季节变化来看，广州的紫外辐射夏秋 两季明显高于冬春两季，主要是由于太阳高度角的季节变化引起的，7 至9 月处 于盛夏，是紫外辐射照射最强的季节，冬季的太阳高度角最小，因此紫外辐射最 弱，春季和秋季的太阳高度角接近，而从图4 2 可以看出3 至5 月份的月降水量 明显高于9 至1 1 月，春季广州受连阴雨天气的影响，到达地面的紫外辐射较弱。 4 1 2 紫外辐射强度极值分析 表4 1 给出了2 0 0 5 年和2 0 0 6 年广州各月份紫外辐射强度的极大值分布。 表4 12 0 0 5 、2 0 0 6 年广州各月份紫外辐射强度极大值( w n f ) 月份 出现日期 月极大值月份出现日期 月极大值 2 0 0 5 0 l l 2 3 1 92 0 0 6 0 13 0 3 2 2 2 2 0 0 5 0 22 82 7 1 4 2 0 0 6 0 2 53 2 2 7 2 0 0 5 0 32 23 9 1 02 0 0 6 0 333 2 6 l 2 0 0