引言

太阳紫外(ultraviolet，UV)辐射可分为3个波段：紫外C(UVC)，即波长短于280 nm；紫外B(UVB)，波长为280~315 nm；紫外A(UVA)，波长为315~400 nm。20世纪90年代研制的仪器也将280~320 nm波段定义为UVB。太阳辐射中全部的UVC和90%的UVB通过大气时几乎被臭氧层吸收，但UVA受影响较少，因此，到达地表太阳UVB辐射比UVA辐射明显偏低，且受臭氧层变化影响明显。大气臭氧层损耗在20世纪80年代因为南极“臭氧洞”的发现而得到极大关注。地表太阳UV辐射，特别是UVB辐射因其重要的环境健康效应而得到重视。

因臭氧对太阳UV辐射吸收系数对波长变化强烈的依赖性，地表太阳UV光谱辐照度在波段290~400 nm内有近10⁶量级变化，而UVB波段的变化也达到10⁴~10⁵量级^[1]，因此，地表太阳UV辐射观测对辐射表信号的动态响应范围及探测器的灵敏度均有很高要求，传统以灵敏高、响应信号范围大的光电倍增管为传感器的光谱仪在UV辐射测量得到应用。以测量臭氧总量为主的Brewer臭氧光谱仪，因兼顾太阳UVB光谱辐照度的测量也得到长期应用^[2]。南极“臭氧洞”发现后，美国也在南极、北极布置了SUV-100型式光谱仪进行长期观测^[3]。我国在20世纪90年代研制了紫外光谱仪并开展相关研究^[4]；对紫外辐射指数分级^[5]、极地辐射与臭氧关系^[6-7]以及高原地区的UV辐射及其相关的工作也开展较多^[8-14]。

由于光谱仪价格高，运行维护成本昂贵，因此对太阳UV辐射观测的宽波段日射表技术得到重视。早期国外广泛使用的宽波段UV日射表是Robertson-Berger(R-B)表^[15]，它基于UV辐射的荧光效应原理进行测量。20世纪90年代美国研制的Yankee UVB日射表是在R-B表的基础上采用硫酸镍(NiSO₄)晶体滤光片，极大提高了测量灵敏度^[16]。我国在青海瓦里关全球大气本底站和西藏等地也曾利用该日射表开展观测研究^{[13, 17]}。此外也有采用其他原理的宽波段UV日射表，如荷兰Kipp & Zonen、美国Solar Light和日本EKO等公司产品开展工作。为保证观测数据质量，宽波段日射表通常定期参加以光谱仪(如Bentham或Brewer)测值或晴天条件下辐射模式计算结果为参考的国际比对测量和标定工作^[18-19]。通常宽波段UV日射表辐照度测值差异与以下因素有关：①仪器测量原理方法，②测量大气环境的差异包括太阳天顶角(solar zenith angle, SZA)、臭氧总量及臭氧、温度垂直廓线分布和地面反照率，③高太阳天顶角情况下日射表的余弦效应，④标定方法的差异或标定与观测环境差异等。宽波段UV日射表的辐照度测值与光谱仪差异一般在±10%以内很常见。

我国也研制出国产宽波段日射表，在气象部门布置用于观测^[20]，并制定相关国家标准^[21]。有研究对我国不同厂家研制的宽波段UV日射表进行性能测试^[22-23]，但在较薄臭氧层环境下开展工作的报道较少。从1993年开始，我国南极中山站就利用Brewer光谱仪开展臭氧总量和UVB光谱辐照度观测^[24]。2017年1—12月在南极中山站利用江苏无线电研究所生产的FS-UVA6(简称FSUVA)和FS-UVB6(简称FSUVB)日射表^[25]、美国Yankee UVB日射表(#950102)(观测截至2017年12月)和荷兰Brewer#193光谱仪(简称Brewer)观测太阳UV波段辐照度，通过比较，了解宽波段UV日射表，特别是FSUVA和FSUVB的技术水平。此外，为更全面评估宽波段UV日射表测值的准确性，本文还利用TUV辐射传输模式^[26]，计算晴天条件下UVB和UVA的辐照度，并与上述3种仪器测量结果比较。

本文选择在南极中山站进行比对观测的原因包括以下3点：①南极出现春季“臭氧洞”，为检验宽波段UVB日射表响应大气臭氧层急剧变化提供了独一无二的条件；②南极洁净的大气环境能够影响晴天到达地表太阳辐射要素，如大气气溶胶和地表反照率等因子在南极相对变化较小，使比对观测数据的变化机制解析相对简单；③南极较严酷的气象环境(低温、低水汽)对宽波段UV日射表的长期、连续运行也是很好的检验。比较结果能为FSUVA和FSUVB的应用和今后可能的技术改进及发展提供参考。

1.   观测仪器及数据处理

1.1   仪器技术参数

表 1为4台UV辐射仪器的技术参数。Yankee UVB所用的NiSO₄晶体滤光片也是早期Brewer光谱仪所用，但本文MKIII型Brewer光谱仪因采用双光栅组合分光，未使用该滤光片，从而避免温度效应给UV光谱测量带来的影响。由于Brewer不能直接测定波段363~400 nm的光谱辐照度，这一波长范围的UVA光谱值参考芬兰气象局依据Bentham光谱仪在波段363~400 nm的光谱辐照度测值与Brewer光谱仪同步在波长363 nm光谱辐照度测值的比值而确定的UVA订正因子进行估算^[27]。4台仪器在UV测量的标定方面差别明显，Yankee UVB和Brewer均采用室内的标准光源进行标定，而FSUVA和FSUVB虽然溯源于中国计量科学研究院的标准光源，但其灵敏度系数则是通过另一台宽波段UV日射表传递而测定的。

表  1  UV辐射仪器参数

Table  1.  Specifications of instruments for UV irradiance measurements

技术参数	Yankee UVB	FSUVB	FSUVA	Brewer
波长范围/nm	280~320	280~315	315~400	286.5~363
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/s	1	1.5	1.5	< 1
数据时间分辨率/min	1	1	1	9(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 mv	5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 

| 显示表格

图 1是4台仪器的光谱响应曲线。图 1中Brewer是室内直接测定的结果，两次测试结果表明，光谱响应曲线变化幅度为-4%~-2%，平均每年变化为-0.6%~-0.3%，这种变化很可能源自光电倍增管的老化。而Yankee UVB和FSUVA及FSUVB的光谱响应曲线均是厂家给出的相对值，在对应的规定波长均有一定透过率，其中FSUVB集中在短于波长315 nm部分，而FSUVA则集中在长于波长315 nm部分。

图  1  Brewer, Yankee UVB, FSUVA和FSUVB响应光谱曲线

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

下载: 全尺寸图片 幻灯片

观测仪器均安装在中山站站区北侧，宽波段日射表的数据通过CR3000数据采集器(Campbell Scientific)获取，采样频率为1 Hz, 数据按分钟平均值存贮。宽波段日射表安装在固定的平台上，而Brewer在方位上跟踪太阳，因要兼顾臭氧总量观测或汞灯波长检测，Brewer不是呈现连续测量UV辐照度的工作状态。所有辐射仪器均由同一台计算机控制。

1.2   观测数据处理

Brewer完成1次UV光谱辐照度观测需9 min。因此，本文在比较宽波段UV日射表和Brewer光谱仪测值时，以Brewer UV光谱观测的初始和结束时间为依据平均该时间段内宽波段日射表测值。本文将Brewer在波段286.5~315 nm，286.5~320 nm和315~400 nm的积分值分别与FSUVB，Yankee UVB和FSUVA观测值比较。

1.3   晴天UV辐照度的计算

为了独立于仪器观测数据，本文利用Tropospheric Ultraviolet Visible (TUV)辐射传输模式(http://cprm.acom.ucar.edu/Models/TUV/)计算晴天太阳天顶角低于80°的UV光谱辐照度，并分别积分波段280~315 nm，280~320 nm以及315~400 nm辐照度用于评估比较宽波段日射表UVB和UVA的测值。TUV是采用伪球面大气二流或四流近似算法求解辐射传输方程，用于对流层紫外或部分可见光波段辐射辐照度、光化辐射通量以及分子光解速率等计算^[26]。TUV模式采用太阳紫外光谱辐照度监测(Solar Ultraviolet Spectral Irradiance Monitor，SUSIM)大气上界太阳光谱，在计算中主要的输入参数包括臭氧总量、所在纬度地区的臭氧、温度垂直廓线分布的气候值、地表反照率、气溶胶的光学厚度、单次散射反照率以及浑浊度系数(α)。TUV模式在我国得到广泛应用^[13]。本文采用与中山站相同纬度的日本昭和站(69.00°S, 39.35°E)所测气溶胶光学特性的气候参数值^[28]及中山站Brewer观测臭氧总量和MODIS卫星的地面反照率数据作为模式的输入参数完成对UV上述3个波段的光谱辐照度的计算。

2.   结果分析

2.1   UVB测值比较

图 2是2017年FSUVB和Brewer在波长315 nm以下的辐照度，以及Yankee UVB在波段280~320 nm和Brewer在波段286.5~320 nm的辐照度。由图 2看到，3种测量仪器得到的UVB辐照度随季节变化明显，包括“臭氧洞”期间(第244天以后)因臭氧层减少导致地表UVB辐照度异常增加，这说明所有仪器均能观测到地表UVB辐照度的合理变化。另外基于波长范围定义的UVB辐照度有明显差异，波长320 nm以下的辐照度明显高于波长315 nm以下的测值，这是因为臭氧层对太阳UV辐射的吸收对波长依赖性的结果。

图  2  2017年UVB辐照度测量序列

Figure  2.  Time series of UVB irradiance measured in 2017

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图 3是FSUVB和Yankee UVB相对于Brewer的误差(FSUVB测值减去Brewer测值，下同)。由图 3可以看到，FSUVB测值普遍高于Brewer，平均误差为0.04±0.0316 W·m^-2(观测次数n=1715)，相对误差为(55.2±75.2)%。Yankee UVB系统低于Brewer在波段286.5~320 nm的辐照度测值，平均误差为-0.15±0.15 W·m^-2(n=1715)，相对误差为(-31.8±22.2)%。有几个时段Yankee UVB误差整体上超过1.0 W·m^-2，原因不明, 可能与Yankee UVB安放在固定平台，而日射表存在方位效应有关(Brewer始终跟踪太阳)。FSUVB平均误差的绝对值低于Yankee UVB，原因是截止到波长315 nm的UVB积分辐照度较低。两台仪器相对误差的标准偏差(75.2%和22.2%)也表明FSUVB测值的精密度低于Yankee UVB测值。

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

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

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图 3还显示FSUVB测值低于Brewer时段主要在2017年的南极“臭氧洞”期间，实际上2018年FSUVB也显示出在“臭氧洞”期间偏低(图略)。为此，本文进一步调查UVB误差与臭氧总量之间的统计关系。图 4显示2017—2018年FSUVB相对误差与臭氧总量关系，之所以对2018年的数据进行统计分析是因为中山站“臭氧洞”2018年的持续时间比2017年长。图 4还显示了2017年Yankee UVB相对误差与臭氧总量之间的关系。由图 4可以看到，无论是太阳天顶角在45°~70°或固定在65°附近，FSUVB辐射度在“臭氧洞”期间均接近或者低于Brewer测值，并随着臭氧总量的增加明显上升，这说明FSUVB的误差随臭氧总量变化而变化，但Yankee UVB的误差随臭氧总量变化关系不明显。

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

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

下载: 全尺寸图片 幻灯片

FSUVB测值误差与臭氧总量的关系说明，尽管在春季“臭氧洞”期间FSUVB测值也明显增加(图 1), 但增加幅度没有Brewer大。也就是说，FSUVB对波段290~315 nm辐射变化远没有Brewer敏感。随着太阳天顶角季节性下降、地面太阳UVB辐照度也上升，但其上升幅度不如包含波长更长波段的辐射明显，这是因为“臭氧洞”随着太阳天顶角季节性下降而消退, 导致大气对太阳UVB辐射吸收增强，但FSUVB辐照度测值高于Brewer。FSUVB辐照度测值增加来自两个方面的贡献：①太阳天顶角降低导致UVB辐照度上升，其对UVB辐照度增加幅度的贡献低于Brewer相应测值(因为Brewer比FSUVB对UVB波段辐射更敏感)，②波长大于UVB波段、受臭氧层吸收较弱波段的辐照度上升的贡献，这部分可以解释FSUVB辐照度测值增加。因此，FSUVB所探测的辐照度中来自波长长于315 nm杂散光贡献明显。这是造成图 4中FSUVB与Brewer测值的相对误差随着臭氧总量的上升而上升的原因。

作为对比，Yankee UVB的相对误差与臭氧总量无明显关系，这与Yankee UVB因利用NiSO₄晶体滤光片有效过滤紫外以外的辐射，从而使其测值呈现与Brewer在波段286.5~320 nm的一致性有关。Yankee UVB测值系统低于Brewer。

2.2   UVA测值比较

与UVB相比，太阳UVA的光谱(波段315~400 nm)范围长、辐照度值大且受大气臭氧层影响小。图 5是Brewer和FSUVA的UVA辐照度测值时间序列。图 5可以看到，FSUVA和Brewer均能反映出UVA辐照度随季节变化的特征，且受“臭氧洞”影响不明显。但Brewer的UVA辐照度值明显低于FSUVA。FSUVA相对于Brewer的误差(图 6a)和相对误差(图 6b)随时间变化表明，误差随UVA季节变化明显，平均误差为4.3±2.8 W·m^-2(n=1716), 但相对误差的时间序列没有显著的季节特征(平均值为(23.0±5.9)%)，在第61天以前和第305天以后出现振荡现象，造成这种现象的原因不明。

图  5  2017年Brewer及FSUVA测量的UVA辐照度时间序列

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

下载: 全尺寸图片 幻灯片

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)

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

下载: 全尺寸图片 幻灯片

FSUVA测值明显高于Brewer的原因可能有两方面：①FSUVA受到波长长于400 nm以上的杂散光的影响，因为杂散光导致误差存在季节变化；②FSUVA的标定所得灵敏度系数存在系统误差。

2.3   晴天测值与模式计算比较

模式计算是对观测结果进行评估的有效手段。晴天条件下UV辐射模式计算比较成熟。早期模式计算个例表明，Brewer的UVB光谱测值与计算结果相当一致^[29]。TUV是计算UVA和UVB光谱辐照度的常见模式之一^[30]。本文模式中所需的臭氧总量取自中山站Brewer观测的日平均数据, 地面反照率来自于对MODIS MCD43C3的数据的提取^[31]，气溶胶光学厚度τ和浑浊度系数α均采用日本昭和站(与中山站纬度相同)的气候测值^[28]分别为0.022和1.1，气溶胶单次散射反照率ω，取自德国Neumayer站(70.65°S, 8.25°W)值，为0.975。根据地面天气的观测结果，选择2017年太阳天顶角在80°以下，总共197次晴天观测值输入模式计算。计算结果与UVB(含波段280~315 nm及280~320 nm两种情形)和UVA辐照度测值进行比较(图 7)。由图 7可以看到，2017年整年晴天条件下UVB测值与TUV计算值比较一致，而“臭氧洞”对UVB测值影响也比较明显(9月UVB测值偏高)，但FSUVA测值明显高于TUV计算结果，而根据Brewer观测而估算的UVA辐照度值则与TUV计算结果较接近。

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

Figure  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

下载: 全尺寸图片 幻灯片

表 2是观测值与模式计算的比较。由表 2可以看到，FSUVB，FSUVA和Yankee UVB测值和模式计算结果均存在较大差别, 而Brewer测值则与TUV模式计算结果较接近。在波段280~315 nm，误差值和标准偏差均很小，但相对误差较大，FSUVB误差均值达30%以上，Yankee UVB相对误差值约为-20%。FSUVA误差在晴天平均接近7.0 W·m^-2, 相对误差高达27%, 而Brewer在UVA内与模式值仅差3.4%，这也说明Brewer通过UVA订正系数得到的波段315~400 nm的UVA辐照度与模式计算结果很接近，订正系数合理。误差的标准偏差表明Brewer对UV测值的精密度随着波长的增加而提高，而FSUVB测值的精密度相对值最低，为37.3%，其次是Yankee UVB，FSUVA仅为6.4%。

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 nm			280~320 nm			315~400 nm
	Brewer	FSUVB		Brewer	Yankee UVB		Brewer	FSUVA
误差/(W·m-2)	0.012±0.038	0.052±0.037		0.033±0.096	-0.2±0.2		1.1±1.4	6.9±3.6
相对误差/%	3.1±8.5	30.1±37.3		2.9±6.8	-21.7±19.1		3.4±4.5	27.0±6.4

下载: 导出CSV 

| 显示表格

图 8是晴天Brewer，FSUVB和Yankee UVB测值与TUV模式结果相对误差与臭氧总量变化的关系。与图 4相比，图 8中样本量明显降低(因为仅天气记录的晴天数据)，臭氧总量的最高值低于340 DU。由图 8可以看到，随着臭氧总量的增加，Brewer和Yankee UVB与模式计算结果的相对误差呈微弱下降趋势，这符合由于臭氧总量的增加而到达地面UVB辐照度降低的趋势，但FSUVB与Yankee UVB及Brewer均不同，整体呈现上升趋势，表明波长长于315 nm的杂散光的贡献随着臭氧总量上升而增加，这增加了FSUVB测值与TUV模式计算之间的误差。

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

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

下载: 全尺寸图片 幻灯片

3.   讨论

由于地面太阳UV波段的光谱辐照度动态变化范围大且随波长积分的辐照度较低，对以硅光二极管为探测器的宽波段UV日射表而言，辐射表的灵敏度(响应时间)和探测信号的动态范围的技术要求远比普通的宽波段短波太阳辐射表的要求高。FSUVB和FSUVA是采用滤光片与硅光管组合的日射表，其误差与仪器设计的原理有关，滤光片截止波长的变化、硅光二极管的探测性能随温度环境的变化以及标定所确定的灵敏度系数均可能造成较大的测值误差。本文通过FSUVB测值误差与臭氧总量的变化关系推测FSUVB的UV滤光片截止波长向波长增长的方向漂移，导致波长长于315 nm的杂散光增加，从而使UVB测值在低太阳天顶角、高臭氧总量时偏大。FSUVA可能存在同样问题。

本文使用的FSUVA或FSUVB传感器及其工作环境并未采用恒温措施。滤光片的透过率或硅光二极管的探测性能是否随温度环境变化而变化，还需要进行进一步的比对分析。改进型的FSUVA-9和FSUVB-9日射表因为传感器工作环境采取恒温装置应该使测量精度得到改善。另外，本文对FSUVA或FSUVB的标定依赖于Kipp&Zonen设计生产的宽波段UV-S-AB-T所测的UVA和UVB辐照度值的传递。这种标定方法值得商榷，因为仪器标定地点的大气臭氧总量和太阳天顶角与南极不完全相同。国际上对宽波段UV日射表(特别是UVB)的标定通常综合臭氧总量和太阳天顶角两个因素^[32]，其所确定的宽波段UV日射表的灵敏度系数通常是臭氧总量和太阳天顶角的函数，而非固定值。

虽然厂家说明书标明Yankee UVB能测量波段280~320 nm的辐照度值，但作者注意到Yankee UVB与Brewer在286.5~318 nm的辐照度测值最为接近(图略)。出现这种现象的原因很可能与该辐射表的UV滤光片的老化有关，因为NiSO₄晶体滤光片遇到水汽分子极易潮解和老化，进而影响其UV光谱透过率，甚至包括波长的漂移，这种现象曾出现在我国老式的Brewer光谱仪上^[33]。本研究中Yankee UVB辐射表已使用15年，滤光片潮解老化是可能的。

4.   结论

本文所有UV日射表测值均能有效反映南极中山站太阳UV辐射的季节特征及“臭氧洞”对地面太阳UVB辐射的显著影响；FSUVA和FSUVB测值高于Brewer测值，而Yankee UVB测值(波段280~320 nm)偏低。晴天太阳天顶角小于80°时各仪器UV测值与TUV模式计算比较(n=197)的结论与各仪器与Brewer测值的比较结果一致。Brewer UV测值呈现较高的稳定性和精密度，FSUVB测值受杂散光影响明显。具体如下：

1) 以Brewer测值为参考，FSUVB在波段280~315 nm的辐照度误差为0.04±0.03 W·m^-2(相对误差为(55.2±75.2)%)；以TUV模式计算值为参考，FSUVB的误差为0.05±0.04 W·m^-2(相对误差为(30.1±37.2)%)。春季“臭氧洞”期间，FSUVB辐照度测值低于Brewer测值，但随着臭氧总量的变化而呈上升趋势。

2) 以Brewer测值为参考，FSUVA在波段315~400 nm的辐照度误差为4.3±2.8 W·m^-2(相对误差为(23.0±5.9)%)；以TUV模式计算值为参考，FSUVA的误差为6.9±3.6 W·m^-2(相对误差为(27.0±6.4)%)。FSUVA辐照度测值误差不受臭氧总量的影响。

3) 以Brewer测值为参考，Yankee UVB在波段280~320 nm的辐照度误差为-0.15±0.15 W·m^-2(相对误差为(-31.8±22.2)%)；以TUV模式计算值为参考，Yankee UVB的误差为-0.15±0.22 W·m^-2(相对误差为(-22.0±19.1)%)。Yankee UVB系统低于Brewer测值，但受臭氧总量影响并不明显。

4) 以晴天条件下TUV模式的计算结果为参考，Brewer UV辐照度测值在波段286.5~315 nm, 286.5~320 nm以及315~400 nm的误差分别为0.012±0.038 W·m^-2，0.033±0.096 W·m^-2和1.09±1.42 W·m^-2，相对误差分别为(3.1±8.5)%，(2.9±6.8)%和(3.4±4.7)%。