不同AQI条件下的光谱特征

论文总字数：12945字

目 录

1. 引言………………………………………………………………5
2. 使用仪器、数据、分析对象资料………………………………7

2.1使用仪器MS-711以及数据介绍………………………………………7

2.2南京北郊2016年天气状况概括………………………………………8

2.3空气中NO2浓度的太阳光谱测量方法…………………………………8

1. 不同污染条件下的光谱特征……………………………………9

3.1不同污染条件下的太阳总辐射辐照度比较………………………………9

3.2不同污染条件下的光谱特征分析……………………………………14

1. 结论………………………………………………………………16

参考文献……………………………………………………………17

致谢…………………………………………………………………18

不同污染条件下的光谱特征分析

王珂玮

摘要：本文主要通过对南京北郊MS-711光谱幅度计测量南京北郊2016年全年不同污染状况下的太阳光谱进行分析，了解MS-711光谱幅度计在长时间测量太阳光谱时的优势以及空气中NO2浓度的太阳光谱测量方法。讨论不同污染条件下的太阳光谱特征，大致概括为不同污染条件下的太阳光谱曲线都遵循随着波长增加先增后减的趋势，峰值都出现在可见光波段（380-780nm）并且太阳光谱能量在可见光区最大，近红外区次之，近紫外区能量最小。另外，近红外区波段的能量污染严重时较小，近紫外区波段则在污染较轻时小。

关键词：太阳辐射光谱；辐照度；环境污染

Analysis of spectral characteristics under different pollution conditions

Kewei Wang

School of Atmospheric Physics NUIST Nanjing. China

Abstract: This article mainly aims at giving an analysis of spectral characetristics under different pollution conditions by using MS-711 spectrum amplitude of the solar spectrum data in the 2016 of Nanjing.Knowing the advantage of the MS-711 in measurement of solar radiation and the measurement of NO₂ concentration in air by solar spectrum.Discussing the solar spectral characteristics of different pollution conditions.Summarized as the solar spectrum energy curve in serious pollution is lower than that of less pollution, Under the different pollution conditions, the solar spectrum curves follow the trend of increasing first and then decreasing with increasing wavelength.The peak value appears in the visible band(380-780nm).Energy density near infrared light area in serious pollution is smaller than that is in less pollution,and energy proportion near ultraviolet area,serious pollution is lager than that is in less pollution.

Key words:Solar radiation spectrum;irradiance;environment pollution

1. 引言

光谱^[1]是由复合光束经过色散系统进行分光之后，由于色散形成不同的单色光并按波长（或频率）长短不一而依次排列的图案，其全称为光学频谱。光谱中间的一部分光谱人眼可见，在这个波长范围（0.4～0.76μm）内被称作可见光，包含红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色，能量占比约50%。位于红光之外区的叫红外线，波长大于0.76μm，最长达5.3μm，能量占比约43%。位于紫光之外区的叫紫外线，波长是0.29~0.4μm，能量占比约7%。这两种波段的光称为不可见光。光谱并没有囊括所有我们所能够辨识到的颜色，比如褐色和粉红色。

光谱在研究大气污染状况的过程中有广泛的应用。目前，检测大气污染气体普遍采用的是人工光源差分吸收光谱法，通过使用人工光源，测量其穿越大气层后的光谱特征反演来测出当前大气的污染状况。但是，近年来人们发现太阳光源差分吸收光谱法具有更大的竞争力，使得其逐渐变成了大气污染气体研究检测的热点。污染天气条件下测得的光谱特点突出表现在长波部分较天气晴朗时强度有所增加。NO₂分子在0.43μm~0.45μm波段内有明显的吸收峰，所以由于NO₂浓度不同，会导致不同太阳辐射光谱出现。

我们所说的太阳辐射是指太阳向外界散发出的的电磁波和粒子流。而太阳辐射所散发出的能量，称为太阳辐射能。我们将太阳辐射能按照波长不同所排列出来的谱图称为太阳辐射光谱。由于光谱的能量主要集中在短波波段，所以我们将太阳辐射归纳为一种短波辐射^[1]。

太阳辐射能量到达地球时仅剩太阳总辐射能量的二十二亿分之一，但是就是这22亿分之一的太阳辐射能却是地球大气运动的最主要的能量的来源，同时也是地球热能与光能的最主要来源。

天文太阳辐射量指的是到达地球大气层上边界的太阳辐射能。地球位于日地平均距离时，地球大气层上边界上太阳光线垂直照射的地方，单位时间内的单位面积上受到的太阳辐射的整个太阳光谱的总能量，称之为太阳常数^[3]。太阳常数的单位是w/m²。由于技术的局限以及观测方法的差异，导致得到的太阳常数的数值不同。

到达地表的全球太阳辐射年辐射总量基本上成带状分布，在低纬度地区除外。在赤道两边，由于长时间的多云天气现象，使得年辐射总量减少。而在南北半球的副热带高气压带，尤其是在干旱沙漠地区，由于长时间的日照天气，使得年辐射值的总量变大，最大值出现在非洲东北部。

就北半球而言，夏至时在大气上边界的日辐射总量最大，从极地到赤道均匀分布；冬至时的日辐射总量最小，极圈内为零，逐渐向赤道增大。南半球反之。在春分和秋分两日，太阳日辐射量与纬度的余弦成正比。23°26′N~23°26′S之间的地区，一年内的太阳日辐射总量会出现两次最大值，年变化量相对较小。当纬度增加时，太阳日辐射总量变化幅度也会增加。

我国全国平均年太阳辐射总量为5648.6 MJ·m^-2,空间分布上,呈现以内蒙中西部—宁夏—甘肃西北部—四川西部—云南西北部为分界线的西高东低特征,分界线以西太阳辐射在6000 MJ·m^-2以上,东部以华北太阳辐射为最高，西藏、青海、新疆是太阳辐射最丰富的省份,其中,西藏平均年太阳辐射总量在6900MJ·m^-2以上。与全球大部分地区类似,中国的地面太阳辐射经历了一个从减少到增多的过程,即所谓的地球由"变暗"到"变亮"^[4-5];中国各个地区发生相同的变化过程,大致以1990年为界,之前以减少趋势为主,之后逐渐增加,不同地区太阳辐射变化幅度有所差异;分析了城市类型和气溶胶厚度对太阳辐射变化的影响,多数大城市和工业城市的太阳辐射下降幅度大于中小型非工业城市,气溶胶光学厚度的分布与太阳辐射下降趋势呈相似分布特征,说明城市工业化及其产生的气溶胶污染对太阳辐射的下降起着重要作用^[6]。

本文的不同污染条件划分的主要依据是空气质量指数^[7]（AQI）,空气污染指数是根据环境空气质量标准和各项污染物对人体健康、生态、环境的影响，将常规监测的几种空气污染物浓度简化成为单一的概念性指数值形式，它将空气污染程度和空气质量状况分级表示，适合于表示城市的短期空气质量状况和变化趋势。针对单项污染物的还规定了空气质量分指数。参与空气质量评价的主要污染物为细颗粒物、可吸入颗粒物、NO₂、SO₂、NO、O₃等六项。空气污染指数的取值范围定为0～500，具体分为0～50（优）、51～100（良）、101～200（轻度污染）、201～300（中度污染）和大于300（严重污染）五个等级。

本文主要研究了不同污染状况下的太阳光谱的特征。通过使用MS-711全天候光栅光谱辐射计取得2016年全年南京北郊的太阳光谱样本，并对不同污染状况下的光谱结合大气顶端的标准光谱作比较得出其中的差异性以及一致性。证实MS-711光栅光谱辐射计在长时间的连续户外作业中所测得的数据的真实性。为研究环境科学以及污染治理提供科学的依据。

2.使用仪器、数据、分析对象资料

2.1使用仪器MS-711以及数据介绍

EKO MS-711全天候光栅光谱辐射计光谱范围300-1100nm（紫外/可见/近红外），波长间隔为3.3nm，波长精度小于0.2nm,光谱分辨率1/7nm。温控系统使得设备拥有更高的光谱分辨率和观测精度。适用于多种研究应用的室外连续观测，可用于研究辐射、气溶胶特性、植被和海洋色度、光合有效辐射（PAR）、光伏电池组敏感区等。  

MS-711光谱仪具有单独的电源，并可通过RS232／422由PC机或数据记录器。标准的PC软件提供了不同的功能，操作，数据管理和可视化。EKO MS-711全天候光栅光谱辐射计有以下特点：①适合连续室外测量.②操作简便 ③移动部件④.老化慢 ⑤快速测量 : 光谱在5秒内通过PC显示 ⑥.自动缩放功能。

本次的数据来源为118°E，32°N南京北郊（中国气象局南京综合观测基地）2016年全年的每日太阳总辐射辐照度值，实验从早晨5时起至夜间21时止，得出期间每分钟不同波长的太阳总辐射辐照度值。通过MATLAB等软件对数据进行处理，分别讨论不同污染条件下的太阳辐射光谱特征，太阳总辐照度的变化趋势等。

根据《地面气象观测规范》^[8]，自动站的数据采样在采集器中完成，采样效率为每分钟6次，去掉一个最大值去掉一个最小值，余下四次采样值平均，1分钟平均值为瞬时值。通过分别统计2016年12月全月的分钟平均值以及瞬时值的两组数据，并比较两者相对误差，可以得出下表：

表1 正点太阳辐照度小时平均值与测量值比较

通过以上表格不难发现，尽管相对误差在20%以下的数据有63.4%，但是相对误差高于50%的数据也有22.5%。所以通过正点太阳辐照度的值来代替平均值时并不能完全体现原有的数据特征，因此提高数据采样的频率有助于我们得到更加准确的数据。

2.2南京北郊2016年天气状况概括

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