王 倩，諾 桑，措加旺姆，拉瓜登頓，普多旺，劉 娟，周 毅，澤 西

西藏大學太陽紫外線實驗室，西藏 拉薩 850000

引 言

日食期間太陽輻射觀測的最大優(yōu)點是可以獲得在非日食時無法觀測到的各種日地相關科學問題。日食的出現(xiàn)非常罕見，在地球上任意一個觀測點，出現(xiàn)日全食的機率僅約為每360年一次。因此，每一次的日食，特別是短暫的日全食或日環(huán)食期間是觀測太陽輻射及其相關問題的珍貴時機。觀測日食過程中太陽輻射對研究日地關系、地球高層大氣(如： 臭氧含量)變化、地球氣候變化、地面生態(tài)環(huán)境的影響以及日冕光譜變化等很多相關領域具有重要的研究意義[1]。在日全食或日環(huán)食過程中，太陽輻射各分量均產(chǎn)生迅速衰減現(xiàn)象，導致大氣空氣溫度和地表溫度發(fā)生迅速下降現(xiàn)象； 歷史上人們通過日食期間對太陽輻射的觀測研究發(fā)現(xiàn)了一些重要的科學問題。在古代，通過觀測日食期間定初虧、食甚和復圓的時刻來校正日、月運行歷表。1806年西班牙天文學家何塞·華金·費雷爾年通過對日全食的觀測研究發(fā)現(xiàn)了月輪外面一圈光暈是太陽大氣的影像，并將其命名為“日冕”。在1868年法國天文學家皮埃爾·讓桑利用分光鏡觀測太陽大氣層，發(fā)現(xiàn)了太陽光譜黃色部分中一條未知的譜線。后來，英國天文學家洛克耶也在太陽光譜中發(fā)現(xiàn)了這條黃線，他認為這是太陽上一種特有的元素的譜線，并將其命名為“氦”(來自希臘文“太陽”)，“氦”是唯一一種在地球外發(fā)現(xiàn)的元素。1911年科學家通過對日全食的觀測，驗證了愛因斯坦提出的在日全食期間測量太陽重力場對光的彎曲[2]。部分科研人員通過對各個時期日食短暫過程進行觀測，研究光化學對微量氣體直接和間接的影響[3], 以及日食對電離層等離子體密度、總電子含量時空分布的影響[4-5], 同時對比研究低緯度電離層在日食期間的變化情況[6]，也進行了光譜植被指數(shù)和太陽誘導熒光對光照強度和幾何形狀變化的響應的研究[7]，在短暫日全食后對夜光進行觀測日食對大氣重力波的影響[8]，日食期間還可以觀測到地表寬帶短波輻射收支的變化[9]。

2020年6月21日中國部分地區(qū)出現(xiàn)的日環(huán)食，是在中國境內近十年來唯一一次能夠全程觀測到的日環(huán)食現(xiàn)象。該日環(huán)食的環(huán)食帶起源于非洲中部，經(jīng)過阿拉伯半島、印度進入西藏、四川、重慶、貴州、湖南、江西、福建等省區(qū)的部分地帶，終止于太平洋。此次在以上地帶出現(xiàn)的日環(huán)食又被稱為金邊日環(huán)食，超過99%的太陽面積被月球遮蓋，有些地區(qū)最大食分達到了0.997。在天氣好的地區(qū)觀測到了非常閃亮的金邊環(huán)。西藏地區(qū)海拔高，大氣稀薄，空氣潔凈，透明度高，尤其是西藏阿里地區(qū)，理論上最大食分可達0.995，是我國境內觀測日環(huán)食效果最佳的地區(qū)，本次日環(huán)食也是阿里地區(qū)本世紀唯一一次日環(huán)食； 西藏拉薩地區(qū)食分達到了0.953。

我們在西藏拉薩和阿里兩地對2020年6月21日出現(xiàn)的日環(huán)食進行了異地同步太陽光譜、太陽總輻射強度和太陽紫外輻射變化特征的觀測研究。對日環(huán)食期間太陽光譜、太陽總輻射及太陽紫外線強度變化特征的觀測，可以為許多相關領域提供寶貴的實測數(shù)據(jù)。

1 西藏日食太陽輻射觀測

1.1 西藏日食觀測站點

西藏是2020年6月21日日環(huán)食觀測的最佳地帶之一，西藏拉薩和阿里屬于國內最適宜觀賞日環(huán)食的地帶。我們在西藏拉薩西藏大學納金校區(qū)(四層樓頂)和西藏阿里地區(qū)獅泉河鎮(zhèn)西藏大學太陽輻射觀測站(地區(qū)農(nóng)機公司附近二層樓頂)對2020年6月21日出現(xiàn)的日環(huán)食期間進行了太陽輻射觀測。西藏日環(huán)食觀測站點地理位置和當天相關日環(huán)食基本信息見表1所示。

表1 2020年6月21日西藏日食與觀測站點信息Table 1 Information of the solar eclipse on June 21, 2020 and its observation sites in Tibet

表1顯示拉薩日食初虧出現(xiàn)在北京時間13:26:44，當天天氣部分云，對日偏食的觀測稍有影響，日食過程持續(xù)約3時24分鐘； 阿里位于西藏最西邊，阿里獅泉河鎮(zhèn)當?shù)卣?4:41，本次日環(huán)食初虧出現(xiàn)在北京時間約13:00:59，復圓于16:28:25，持續(xù)時間約3時27分26秒，持續(xù)時間比拉薩長約3分26秒。圖1是當天日食過程中拉薩西藏大學納金校區(qū)拍攝到的部分時段日食天空實景圖像，從左到右日食開始至食甚階段日食變化圖。圖2是西藏阿里當日金邊日環(huán)食天空實景拍攝圖像，由中國天氣網(wǎng)官方網(wǎng)站提供。

圖1 西藏拉薩2020年6月21日日食天空實景Fig.1 Real sky pictures of the Lhasa solar eclipse on June 21, 2020，in Lhasa, Tibet

圖2 西藏阿里2020年6月21日金邊日環(huán)食天空實景Fig.2 Real sky pictures of the golden edge annular eclipse on June 21, 2020, in Ngari, Tibet

從圖1和圖2可以看出拉薩日食實際還沒有出現(xiàn)完整的日環(huán)食現(xiàn)象，應該屬于日偏食現(xiàn)象； 而西藏阿里出現(xiàn)了完美的閃亮金邊日環(huán)食現(xiàn)象。我們本研究對兩地日食期間太陽光譜、太陽總輻射和拉薩的紫外線-B都做了同步觀測記錄。

1.2 西藏日食太陽輻射觀測儀

本研究利用國際通用太陽輻射觀測儀于2020年6月21日對西藏拉薩和阿里進行了日食太陽輻射實地觀測。

利用德國TriOS公司生產(chǎn)的RAMSES-UV-VIS光譜儀(Hyperspectral UV-VIS Irradiance Sensor，高光譜余弦輻照度傳感器)[10]觀測了日食期間的太陽光譜特征。光譜有效觀測波長范圍是320～950 nm，光譜采樣 3.3 nm·pixel-1，光譜精度為0.3 nm，實際使用通道有190個，由TriOS公司做了絕對校準，外觀如圖3(a)所示。太陽紫外線由挪威NILU AS公司生產(chǎn)的多頻道紫外輻射儀NILU-UV探測儀(NILU-UV Irradiance Meter)[10]觀測，拉薩觀測場景如圖4(b)所示。該探測儀設有六個頻道，其中紫外線有五個頻道，中心波長分別為305，312，320，340和380 nm，各頻道帶寬約為10 nm。在購置儀器時做的絕對校準基礎上，觀測期間每十天定期進行一次相對校準，避免使用過程中出現(xiàn)的探頭老化影響數(shù)據(jù)準確性。太陽總輻射是利用荷蘭Kipp&Zonen公司的CMP11型太陽總輻射表[10]觀測，如圖3(c)所示?？傒椛溆^測波長范圍是310～2 800 nm，最大可測輻射強度為2 000 W·m-2，由中國氣象局做了絕對校準。

圖3 (a)拉薩光譜儀； (b)拉薩總輻射儀； (c)阿里觀測站Fig.3 (a) Lhasa spectrometers； (b) Lhasa Pyranometer； (c) Ngari observation site

2 日食太陽輻射觀測結果

2.1 日食三維太陽光譜特征

西藏阿里(獅泉河鎮(zhèn))2020年06月21日的日食初虧發(fā)生在北京時間13:00:59，食甚出現(xiàn)在當?shù)卣?14:41時)附近(14:44時)，又由于本次阿里日食的食分(被遮太陽面直徑與太陽直徑的比值)接近1.0(0.995)，因此，當天阿里太陽光譜曲線(每隔一分鐘光譜)在日食期間出現(xiàn)了一個陡峭的“山口”型凹陷現(xiàn)象，如圖4所示。

觀測表明阿里日食時間(13:00:59至16:28:25)持續(xù)了約03時27分26秒，期間光譜輻照度損失嚴重，損失了全天光譜輻照度的30%左右。在食甚時刻(14:44:14)，即日環(huán)食時刻阿里太陽光譜曲線單色輻照度幾乎貼近橫坐標，損失了99%左右的光譜輻照度，地面光照亮度幾乎變成黃昏光照亮度。

圖4中每分鐘記錄的光譜曲線高度參差不齊，說明當天阿里總體天氣情況為多云或部分云。為了研究多云天氣、日食和晴天條件光譜特征，我們也觀測了阿里日食后一天，2020年6月22日光譜特征，結果如圖5所示。日食后一天阿里正好出現(xiàn)了晴天天氣(早上略有薄云外)，圖5中各光譜曲線組成的曲面呈現(xiàn)了良好的連續(xù)性和光滑性(除了當天上午光譜出現(xiàn)了少量擾動外)，全天光譜曲線形成光滑曲面，早晚對稱性也良好。比較圖4與圖5的光譜變化特征，日食對地面光譜造成最嚴重的消光現(xiàn)象，圖4中光譜曲面出現(xiàn)了一個大缺口，食甚時刻真實消光達99%以上； 圖4中部分云對地面光譜也造成短暫的擾動現(xiàn)象，一般削弱地面光譜強度(偶爾也可增強)，但是極少造成日食那樣的消光影響； 日食造成的消光現(xiàn)象對當?shù)貧鉁?、動植物和人類活動造成不同程度的影響，值得去研究，但是不屬于本次研究范疇?/p>

圖4 西藏阿里獅泉河2020年6月21日日食三維光譜變化特征Fig.4 Three dimensional spectral characteristics for the solar eclipse on June 21, 2020 in Singgekapap, Ngari, Tibet

圖5 西藏阿里獅泉河2020年6月22日晴天三維光譜特征Fig.5 Three dimensional spectral characteristics for clear sky on June 22, 2020 in Singgekapap, Ngari, Tibet

拉薩日食初虧發(fā)生在2020年06月21日當?shù)卣?13:57)附近(13:26:44時)，比阿里滯后25分45秒，而食甚出現(xiàn)在當?shù)卣缰?小時16分，即15:13:09時，加上日食持續(xù)時間比阿里短3分28秒，拉薩食分也比阿里略小，是0.953。因此，拉薩沒有出現(xiàn)嚴格意義上的日環(huán)食現(xiàn)象，日食期間光譜消光特征也比阿里小一些。圖6是拉薩日食當天觀測到的光譜變化特征曲線。圖6中各光譜曲線擾動明顯，說明當天大部分時間天氣多云，云層造成光譜曲線不連貫性，甚至造成短暫的嚴重消光現(xiàn)象。然而從圖6中發(fā)現(xiàn)擾動(消光)最明顯的還是在日食期間(13:26:44至16:50:42)，計算表明短短的3小時24分鐘的日食造成了當天28%左右的消光量。由于拉薩日食前后幾天都是多云天氣，只有日食后第5天，即6月26出現(xiàn)了近似晴天的天氣，為了研究拉薩晴天與日食光譜區(qū)別特征，我們觀測了當天的拉薩光譜，如圖7所示。圖7中早晚還是出現(xiàn)了光譜擾動現(xiàn)象，說明早晚還是出現(xiàn)了云層，但是從11:00時至17:00時期間(包括日食期間)光譜曲線變化平滑、連續(xù)性強，說明是大晴天，是當天輻照度最高的時間段。因此，日食發(fā)生在這個時間段，對地面造成非常突然和嚴重消光現(xiàn)象。

圖6 拉薩2020年6月21日日食三維光譜變化特征Fig.6 Three dimensional spectral characteristics of the solar eclipse on June 21, 2020 in Lhasa

圖7 拉薩2020年6月26日準晴天三維光譜特征Fig.7 Three dimensional spectral features of quasi-clear sky on June 26, 2020 in Lhasa

2.2 日食二維太陽光譜特征

日食三維光譜特征圖中，研究了西藏阿里和拉薩地區(qū)日食引起的地面光譜變化特征。為了進一步深入研究日食期間地面光譜細節(jié)變化特征，圖8和圖9詳細記錄了日食期間二維光譜變化特征。圖8中三條實線是阿里日食期間三個特定時刻(初虧，食甚和復圓)的光譜變化特征，三條虛線是日食后第一天(晴天)相應時刻的光譜變化特征。圖8顯示在日食過程中，最高初虧光譜(藍色實線)經(jīng)過約1小時44分鐘后變成食甚時刻幾乎貼近橫坐標的弧線型光譜。在此過程中，光譜特征發(fā)生了嚴重的削弱和變形現(xiàn)象，幾乎失去了地面太陽光譜的一般特征，復圓時刻光譜恢復成正常光譜。我們選擇光譜中最強單色光峰值變化來分析日食過程中單色光強度變化特征，表2中計算了阿里地區(qū)觀測到的初虧，食甚和復原時刻最強單色光峰值變化特征，從初虧到食甚阿里單色光峰值削弱了約96.0%。

表2 阿里日食最強單色光峰值變化特特征Table 2 Peak variations of the strongest monochromatic light for the solar eclipse in Ngari

圖8中相應三個特定時刻虛線光譜之間變化浮動很小，說明在晴天條件地面光譜隨時間變化緩慢。

圖8 阿里日環(huán)食期間光譜變化特征Fig.8 Spectral variation during the annular eclipse in Ngari

圖9中發(fā)現(xiàn)拉薩初虧和食甚光譜變化特征與阿里的變化特征幾乎完全相同，只是由于云層影響復圓時刻光譜高度略顯低位。在日食發(fā)生前(包括初虧)和復圓后(包括復圓)的光譜，其大氣吸收凹陷特征清晰可見，但是隨著日食過程的進展，凹陷特征逐漸磨平，到了食甚時刻這種光譜特征幾乎消失。表3顯示拉薩地區(qū)初虧，食甚和復圓時刻最強單色光峰值變化特征，從初虧到食甚單色光峰值減弱了約98.0%。

圖9 拉薩日環(huán)食期間光譜變化特征Fig.9 Spectral features during annular solar eclipse in Lhasa

表3 拉薩日食最強單色光峰值變化特征Table 3 Peak variations of the strongest monochromatic light for the solar eclipse in Lhasa

2.3 日食太陽總輻射變化特征

日食光譜變化特征反映了日食過程中單色光輻照度變化細節(jié)。太陽總輻射是單色輻照度對波長的積分。我們利用荷蘭Kipp&Zonen公司CMP11型(觀測波長范圍是310～2 800 nm)觀測了西藏阿里和拉薩日食當天太陽總輻射變化特征。日食過程中太陽總輻射變化特征也包含很多重要信息。總輻射的變化對地面生態(tài)、氣象以及太陽能的利用等領域造成影響。

圖10和圖11分別記錄了本次日食當天西藏阿里和拉薩太陽總輻射變化的觀測值。圖10和圖11中星點“*”虛線代表日食當天太陽總輻射的變化特征，每個星點“*”是每隔1分鐘記錄的數(shù)據(jù)； 光滑實線代表日食當天或第二天晴天條件下太陽總輻射模擬值曲線，其用來對比相應日食影響； 虛線代表日食日附近晴天條件下實際觀測的太陽總輻射值曲線，其也是用來對比日食影響。

圖10 阿里日環(huán)食太陽總輻射Fig.10 Global solar irradiance for the annular eclipse in Ngari

圖10中發(fā)現(xiàn)日食期間太陽總輻射觀測值相比晴天(虛線)或模擬晴天(實線)，上下浮動變化很大，說明當天屬于多云或部分云天氣。多云或部分云使地面總輻射值頻頻超過晴天或模擬晴天相應值，這是由于此刻到達探頭上的總輻射不僅包含太陽直射輻射(太陽沒有被云層遮蔽情況)，還包括了被大氣中云朵反射的反射光，因此，總值出現(xiàn)了增強現(xiàn)象。從圖10中可以看出，阿里當天日食(13:00:59至16:28:25)正好發(fā)生在當?shù)卣绺浇?，因此地面總輻射強度出現(xiàn)突然下降現(xiàn)象。當天約在三個半小時的日食期間總輻射值形成急劇衰減 “V”型凹陷現(xiàn)象，食甚食分接近1.0(0.995)。初虧(13:01)時刻總輻射強度為1 221.217 W·m-2，在食甚(14:41)時刻衰減到56.086 W·m-2，從初虧到食甚，約在1小時43分鐘里總輻射值減少了約95.4%，復圓(16:28)時刻958.794 W·m-2。

圖11是拉薩日食當天太陽總輻射觀測值變化特征。日食當天拉薩也是多云天氣，總輻射強度變化特征也類似于阿里的變化特征，只是當天拉薩云層變化引起的總輻射強度比阿里變化浮動更劇烈，但是兩地日食的消光特征基本相同。相比6月26日準晴天的總輻射數(shù)據(jù)(虛線)，日食造成當天總輻射總量減少了近30%左右。

圖11 拉薩日食太陽總輻射Fig.11 Global solar irradiance for the annular eclipse in Lhasa

根據(jù)觀測結果計算，拉薩初虧(13:27)總輻射強度為1 605.663 W·m-2，食甚(15:13)衰減到28.169 W·m-2，總輻射損失約98.2%，復圓(16:51)1470.275 W·m-2。

雖然本次阿里日食最大食分達到了0.995，而拉薩地區(qū)食分略小為0.953，但是由于當天拉薩天空云量比阿里相對多，導致拉薩觀測到的光能量似乎比阿里大。

2.4 日食太陽紫外線變化特征

日食期間, 由于月球同樣阻擋太陽紫外輻射，在地球大氣層約30 km高空區(qū)域紫外線減弱，紫外線與氧分子作用下形成的臭氧含量也減弱，造成中層大氣的冷卻, 從而可以產(chǎn)生大氣重力波現(xiàn)象，重力波在全球氣象學、氣候學和中間層和平流層動力學方面扮演重要角色，對地球大氣造成一定的影響。

我們也利用挪威NILU AS公司多頻道紫外輻射儀NILU-UV探測儀對拉薩日環(huán)食當天太陽紫外輻射B(280～320 nm)的變化特征進行了觀測研究，因為紫外線B對大氣臭氧的形成和地面動植物的影響相對較大，而對形成臭氧貢獻最大的更短波長紫外線C等地面幾乎觀測不到。阿里因故沒能觀測日食太陽紫外線。

圖12是拉薩日環(huán)食當天太陽紫外線B劑量率(星點“*”)的變化情況。日食對太陽紫外線B的總體影響與總輻射和光譜變化特征相似，在日食期間對地面紫外線B劑量率也造成突然衰減現(xiàn)象，從初虧的60.8 W·m-2劑量率，急劇下降到食甚時刻幾乎為零值(0.9 W·m-2)，然而復原時又達到43.0 W·m-2。與同年6月26日準晴天的紫外線B數(shù)據(jù)(實線)相比，日食造成當天紫外線B總量減少了近30%。

圖12 拉薩日食太陽紫外線BFig.12 Solar UVB for the solar eclipse in Lhasa

3 結 論

西藏日食過程實地太陽輻射觀測屬于系統(tǒng)、高精度的觀測工作。使用了國際通用的太陽輻射觀測儀，包括德國RAMSES高精度太陽光譜儀，荷蘭CMP11太陽總輻射儀和挪威NILU-UV紫外線探測儀，全面實時跟蹤觀測了日食期間地面各種太陽輻射的變化特征。發(fā)現(xiàn)日食期間太陽光譜、太陽總輻射和紫外線輻射均發(fā)生了很大的消光現(xiàn)象。各輻射能量損失均超過95%以上，屬于比較罕見的日環(huán)食或日偏食現(xiàn)象。通過對西藏異地(拉薩和阿里)日食光譜同步觀測數(shù)據(jù)進一步分析揭示拉薩初虧和食甚期間光譜變化特征與阿里對應時刻光譜變化特征幾乎完全相似。從初虧到食甚期間光譜變化特征為： 在初虧光譜曲線中大氣吸收造成的光譜凹陷特征清晰可見，但是隨著日食過程的進展，光譜凹陷特征逐漸磨平，到了食甚時刻光譜的凹凸特征幾乎消失，變成近似光滑的曲線。表明在日食過程中隨著日食的進程，進入大氣層的光子逐漸減少，大氣吸收光子幾率隨之變少，食甚時刻大氣光子吸收概率接近零。在日食過程中地面光譜和總輻射的能量虧損特征大致相同, 雖然食甚時刻最大單色(476 nm)光強和最大總輻射損失均達到98.0%(如拉薩)，但是由于持續(xù)時段較短，因此本次日食消光現(xiàn)象對當?shù)夭粫斐擅黠@的天氣形勢變化。本次研究為日食科學研究領域提供了基本的數(shù)據(jù)支持，為西藏太陽光譜、紫外線以及輻照度的變化的研究提供了參考。今后將擴充觀測范圍，對西藏地區(qū)的太陽輻射進行更系統(tǒng)、全面、持久的觀測。