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南极中山站太阳紫外辐射测值比较

郑向东 程海轩

郑向东, 程海轩. 南极中山站太阳紫外辐射测值比较. 应用气象学报, 2020, 31(4): 482-493. DOI: 10.11898/1001-7313.20200410..
引用本文: 郑向东, 程海轩. 南极中山站太阳紫外辐射测值比较. 应用气象学报, 2020, 31(4): 482-493. DOI: 10.11898/1001-7313.20200410.
Zheng Xiangdong, Cheng Haixuan. Comparison of solar ultraviolet irradiance measurements at Zhongshan Station, Antarctica. J Appl Meteor Sci, 2020, 31(4): 482-493. DOI:  10.11898/1001-7313.20200410.
Citation: Zheng Xiangdong, Cheng Haixuan. Comparison of solar ultraviolet irradiance measurements at Zhongshan Station, Antarctica. J Appl Meteor Sci, 2020, 31(4): 482-493. DOI:  10.11898/1001-7313.20200410.

南极中山站太阳紫外辐射测值比较

DOI: 10.11898/1001-7313.20200410
资助项目: 

中国气象科学研究院科技发展基金 KJ2018004

详细信息
    通信作者:

    郑向东, xdzheng@cma.gov.cn

Comparison of Solar Ultraviolet Irradiance Measurements at Zhongshan Station, Antarctica

  • 摘要: 比较分析了2017年南极中山站3种仪器测量地面太阳紫外B(UVB)波段和紫外A(UVA)波段的辐照度。以Brewer光谱仪测值为参考,国产宽波段FSUVB日射表在UVB(波段280~315 nm)的辐照度相对误差为(55±75)%,误差随大气臭氧总量的增加呈上升趋势,但在南极“臭氧洞”期间偏低。Yankee UVB宽波段日射表在UVB(波段280~320 nm)的辐照度相对误差为(-31±22)%;国产宽波段FSUVA日射表在UVA(波段315~400 nm)的辐照度相对误差为(23±5.9)%。太阳天顶角低于80°的晴天以Tropospheric Ultraviolet Visible(TUV)辐射模式计算结果为参考时,FSUVB,Yankee UVB和FSUVA辐照度的平均相对误差分别为(30±37)%,(-22±19)%和(27±6.4)%,而Brewer相对误差未超过3.5%。国产宽波段UV日射表测值偏高,反映出波长较长的杂散光对太阳辐照度测值影响明显。
  • 图  1  Brewer, Yankee UVB, FSUVA和FSUVB响应光谱曲线

    Fig. 1  Spectral response curves of Brewer spectrophotometer, Yankee UVB, FSUVB and FSUVA pyranometers

    图  2  2017年UVB辐照度测量序列

    Fig. 2  Time series of UVB irradiance measured in 2017

    图  3  2017年FSUVB及Yankee UVB辐照度相对于Brewer的测量误差

    Fig. 3  Irradiance errors of FSUVB and Yankee UVB from Brewer measurements in 2017

    图  4  FSUVB和Yankee UVB与Brewer辐照度相对误差与臭氧总量的关系

    Fig. 4  Relative errors of UVB irradiance measured by pyranometers as a function of total ozone from Brewer measurements

    图  5  2017年Brewer及FSUVA测量的UVA辐照度时间序列

    Fig. 5  Time series of UVA irradiance measured by Brewer and FSUVA in 2007

    图  6  以Brewer测值为标准FSUVA测得2017年太阳UVA辐照度的误差(a)及相对误差(b)

    Fig. 6  FSUVA solar UVA irradiance error(a) and the relative error(b) with the standard of Brewer measurements in 2017

    图  7  2017年观测及TUV模式计算的晴天太阳天顶角小于80°南极中山站的太阳UV辐射在波段280~315 nm,280~320 nm及315~400 nm的辐照度变化

    Fig. 7  The variation of TUV simulation and measured solar UV irradiances values under cloud-free sky and the SZA less than 80° at 280-315 nm, 280-320 nm and 315-400 nm at Zhongshan Station, Antarctica in 2017

    图  8  Brewer,FSUVB和Yankee UVB测值与TUV晴天模式计算的相对误差与臭氧总量之间关系

    Fig. 8  Relative errors of measured UVB irradiance from TUV calculations under cloud-free sky

    表  1  UV辐射仪器参数

    Table  1  Specifications of instruments for UV irradiance measurements

    技术参数Yankee UVBFSUVBFSUVABrewer
    波长范围/nm280~320280~315315~400286.5~363
    余弦效应< 5%[16]< 4%[25]< 7%[25]< 5%[27]
    工作原理通过NiSO4滤光片的辐射照在
    MgWO4涂面的荧光效
    应产生易测绿光[16]
    截止滤光片过滤辐射照
    在探测器接收面上
    同FSUVB光栅衍射分光
    探测器GaAsp硅光二极管探测
    荧光效应后的绿光[16]
    硅光二极管探测同FSUVB光电倍增管
    仪器响应时间/s11.51.5< 1
    数据时间分辨率/min1119(光谱扫描)
    标定方法150 W Xeron arc光源
    及光谱仪组合标定[16]
    溯源计量院光源标定荷兰Kipp
    & Zonen公司的UVS-AB-T
    宽波段日射表,UVS-AB-T
    室外标定FSUVB
    同FSUVB二级溯源NIST1000W钨灯室内
    光谱测值标定,363~400 nm
    采用UVA订正因子估算[27]
    稳定度/(%·a-1)未知< 5< 5< 0.5*
    背景最低信号未知< 10 mv< 10 mv5光子数
    辐照度测量范围/
    (W·m-2)
    < 10< 6< 90< 90
    日测值相对误差/%2< 10< 10< 5
    工作环境温度/℃-40~40-40~50-40~50-40~50
    注:*表示来自2011年1月和2017年11月标定值比较。
    下载: 导出CSV

    表  2  南极中山站晴天UVB, UVA辐照度与TUV模式计算结果的比较(n=197, 太阳天顶角小于80°)

    Table  2  Statistical comparison of measured UVB, UVA irradiance and TUV calculation under cloud-free sky at Zhongshan Station, Antarctica(n=197, SZA less then 80°)

    误差280~315 nm280~320 nm315~400 nm
    BrewerFSUVBBrewerYankee UVBBrewerFSUVA
    误差/(W·m-2)0.012±0.0380.052±0.0370.033±0.096-0.2±0.21.1±1.46.9±3.6
    相对误差/%3.1±8.530.1±37.32.9±6.8-21.7±19.13.4±4.527.0±6.4
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-12-19
  • 修回日期:  2020-03-19
  • 刊出日期:  2020-07-31

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