引用本文
普多旺, 拉瓜登顿, 盛敏, 刘娟, 王倩, 王萌萌, 周毅, 卢汉宇, 措加旺姆, 诺桑. 中国北纬30°地面太阳光谱观测[J]. 光谱学与光谱分析, 2023,43(6): 1881-1887.
PU Do-wang, Lagba Tunzhup, SHENG Min, LIU Juan, WANG Qian, WANG Meng-meng, ZHOU Yi, LU Han-yu, Tsoja Wangmu, Norsang Gelsor. Surface Solar Spectral Observation Along 30°N in China[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2023,43(6): 1881-1887.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2023)06-1881-07  
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中国北纬30°地面太阳光谱观测
普多旺, 拉瓜登顿, 盛敏, 刘娟, 王倩, 王萌萌, 周毅, 卢汉宇, 措加旺姆, 诺桑*
西藏大学太阳紫外线实验室, 西藏 拉萨 850000
*通讯作者 e-mail: 2218473811@qq.com

作者简介: 普多旺, 1974年生, 西藏大学太阳紫外线实验室副教授 e-mail: pdw@utibet.edu.cn

收稿日期: 2022-03-17 修回日期: 2022-07-12
基金: 国家自然科学基金项目(41867041), 西藏自治区科技厅重大专项(XZ201901-GA-10), 西藏大学研究生项目(2018-GSP-013)资助
摘要

利用国际标准RAMSES光谱仪和CMP11型太阳总辐射仪, 在2019年至2020年期间对中国北纬30°区域8个城市(西藏阿里、 日喀则、 拉萨、 林芝、 成都、 武汉、 杭州、 上海)进行了地面太阳辐射的观测研究。 观测结果表明在中国北纬30°区域, 西藏总体太阳光谱不仅强度上远远高于低海拔的内地城市, 而且光谱曲线在形态特征上比低海拔更光滑, 吸收弱。 观测期间西藏最大地面单色太阳光谱强度可达2 018.48 mW·(m2·nm)-1(阿里, 2020年6月21日), 同纬度其他内地城市最大地面单色太阳光谱强度仅为756.22 mW·(m2·nm)-1(成都, 2019年11月03日); 西藏地面太阳光谱中所含紫外光谱(280~400 nm)比内地低海拔高出约1.5倍以上, 强烈的紫外线对西藏生态和人体健康产生相应影响; 观测期间发现拉萨地面太阳光谱强度约为成都的1.5~1.7倍; 阿里地面太阳光谱强度比上海高出约0.2倍。 观测结果为北纬30°区域太阳能资源的利用和生态环境等研究提供实地太阳光谱数据; 对2020年夏至发生的日食现象进行了太阳光谱的同步观测研究, 发现日食期间拉萨、 阿里辐射能量损失均超过95%。 分析了云、 气溶胶等大气因子对太阳光谱、 太阳总辐射的影响。 研究表明西藏阿里等地夏季太阳总辐射值频频超过太阳常数。

关键词: 西藏; 北纬30°N; 太阳光谱; 观测; 日食
中图分类号:P182.3 文献标志码:A
Surface Solar Spectral Observation Along 30°N in China
PU Do-wang, Lagba Tunzhup, SHENG Min, LIU Juan, WANG Qian, WANG Meng-meng, ZHOU Yi, LU Han-yu, Tsoja Wangmu, Norsang Gelsor*
Solar UV Lab, Tibet University, Lhasa 850000, China
*Corresponding author
Abstract

We conduct observation and research on ground solar radiation using the international standard RAMSES spectrometers and CMP11 global solar radiometers for 8 cities (Ngari, Shigaze, Lhasa, Nyingchi, Chengdu, Wuhan, Hangzhou, Shanghai) along the 30°N latitude region of China during 2019 and 2020. Observation results show that along the 30 °N region in China, Tibet's overall solar spectrum intensities are not only much higher than that of low altitude inland cities, but also the spectral curves are smoother and less absorbed than that at low altitude in terms of morphological characteristics. During the observation period, the maximum monochromatic solar spectral intensity on the ground in Tibet reached 2 018.48 mW·(m2·nm)-1 (Ngari, Jun.21, 2020), and the maximum monochromatic solar spectral intensity in other mainland cities at the same latitude is only 756.22 mW·(m2·nm)-1(Chengdu, Nov. 3, 2019); The ultraviolet spectra (280-400nm) contained in the ground solar spectra of Tibet is about 1.5 times higher than that of the low altitude in the mainland. The strong ultraviolet has a corresponding impact on the ecology and human health in Tibet; It is found that during the observation, the ground solar spectral intensity of Lhasa is about 1.5~1.7 times than that of Chengdu; The ground solar spectral intensity of Ngari is about 0.2 times higher than that of Shanghai. The observation results provide field solar spectral data for the utilization of solar energy resources and ecological environment research in the 30°N latitude region; We conduct observational studies synchronously to the solar spectrum of the solar eclipse during the summer solstice in 2020. It is found that the radiation energy loss in Lhasa and Ngari during the solar eclipse is more than 95%. The effects of atmospheric factors such as clouds and aerosols on the solar spectrum and total solar radiation are analyzed. The work shows that the global solar radiation value in Ngari and other places in Tibet frequently exceeds the solar constant during the summers.

Keyword: Tibet; 30°N latitude; Solar spectra; Observation; Solar eclipse
引言

北纬30° 区域太阳辐射在地球上总体处于中等强度, 是最适宜生物生存的生态圈。 太阳光谱中紫外线的强弱影响人类健康[1], 可见光的强弱决定植物光合作用[2], 长波影响地表温度[3]。 太阳辐射是绿色清洁能源, 可以转化成光伏和光热资源[4]。 西藏主要人口居住在北纬30° 区域, 由于海拔高其太阳辐射属于全球最强区域之一, 研究北纬30° 区域太阳辐射特征能为该区域的人类和生态提供太阳辐射的实地数据。 地面太阳光谱中蕴藏着丰富的太阳光强和大气影响因子等重要信息。 地面太阳光谱记录了不同波长的光强, 以及太阳光子通过大气层后被大气成分臭氧、 水气、 二氧化碳等温室气体和其他气溶胶的吸收印迹。 观测研究北纬30° 区域地面太阳光谱也能为大气环境科学、 太阳能资源利用(不同光谱响应太阳能电池的应用)、 气象气候学等许多领域提供丰富、 可靠的光谱特征信息。

目前, 国内外对中国北纬30° 区域整个生态圈的地面太阳光谱实地观测研究尚处于空白或起步阶段, 仅有对位于北纬30° 区域的部分城市的太阳光谱做过一些零星观测研究。 西藏大学和挪威BERGEN大学合作在西藏部分地区做了一些零星、 短期的光谱观测研究。 2015年挪威BERGEN大学博士Nuozhen Gelsor[4]等在拉萨和日喀则对太阳光谱进行了初步的观测, 并与成都的太阳光谱进行了对比研究。 西藏大学诺桑[5]等在2016年— 2017年期间对西藏部分地区(拉萨、 定日、 林芝、 阿里、 日喀则和那曲)进行了短期的太阳紫外光(280~400 nm)和可见光(400~950 nm)区光谱的观测研究, 发现了一些初步的光谱特征结果。 西藏大学周毅和诺桑等[6]对西藏阿里2020年夏至做了短期的光谱观测研究。 国内一些科研机构和太阳能应用公司在西藏和内地一些城市进行了零星的实地观测, 然而未见有数据分析和公开发表的结果可以参考。

在中国北纬30° 区域进行太阳光谱观测研究仍处于空白或起步阶段, 本论文首次公开提供了中国北纬30° 区域实地观测研究的太阳光谱观测结果。

1 太阳光谱观测
1.1 观测理论

太阳光经过大气层时有些波长的光会被大气吸收和散射, 到达地面的太阳光会出现不同程度的消光现象[7, 8, 9]。 图1表示太阳光在进入大气层之前的大气质量(AM0)光谱和进入大气层后到达地表时的典型大气质量(AM1: 美国材料与试验协会模拟制定的标准参考光谱)全波段太阳光谱。

图1 大气质量AM0和AM1标准太阳光谱Fig.1 Standard solar spectra for air mass AM0 and AM1

图1中地面典型太阳光谱曲线中的凹陷现象是由于大气中的氧气、 臭氧、 水汽和二氧化碳等消光因子吸收相应波段阳光所致, 表示大气成分对阳光的消光特征。 地球表面不同地点、 不同时间太阳光谱曲线高低和凹陷程度等消光特征不同, 地表光谱记录了大气消光因子特征和太阳能资源等诸多信息。

1.2 观测站点

本研究选择北纬30° 观测站点分别为西藏阿里、 日喀则、 拉萨、 林芝、 成都、 武汉、 杭州和上海8个站点。 具体城市位置如图2所注, 地理坐标和观测时间等信息如表1所示。

图2 北纬30° 太阳辐射观测站点Fig.2 Solar radiation observation stations along 30° N latitude

表1 北纬30° 太阳辐射观测站点信息 Table 1 Information for solar radiation observation stations along 30° N latitude

观测站点符合太阳辐射观测要求, 探测仪均安装在建筑顶层, 保证周围建筑、 植被等对仪器全天无遮挡。

1.3 观测仪器

利用德国Trios公司生产的RAMSES-UV-VIS光谱仪观测北纬30° 区域各地地面太阳光谱特征。 该光谱仪的有效观测波段为280~950 nm, 波长精度为0.3 nm, 由厂家进行了绝对校准, 属于世界气象组织认可的通用太阳光谱仪。 太阳总辐射仪由荷兰Kipp& Zonen公司的CMP11型太阳总辐射仪观测, 波长范围为310~2 800 nm, 最大可测辐射强度为2 000 W· m-2, 中国气象局相关部门进行了绝对校准。 图3为两种仪器在拉萨站点观测情景。

图3 (a) RAMSES-ACC-VIS 光谱仪; (b) CMP11型太阳总辐射仪Fig.3 (a) RAMSES-ACC-VIS spectral meters; (b) CMP11 pyranometer

2 结果与讨论
2.1 北纬30° 区域太阳光谱特征

在2019年冬季(11月— 12月)和2020年夏至(2020年6月21日)对北纬30° 区域上述8个站点进行了太阳光谱实地观测研究。 在观测数据中选择了具有代表性的当地正午太阳光谱数据进行对比研究, 结果如图4所示。

图4 北纬30° 生态圈当地正午太阳光谱观测Fig.4 Measured solar spectra across the 30° N latitude at local noons

图中蓝色光谱曲线(编号1— 8)为8个站点2019年冬季观测的当地正午太阳光谱; 黑色光谱曲线(编号9— 12)为2020年夏至西藏阿里、 日喀则、 拉萨、 林芝观测的当地正午太阳光谱。

研究结果表明在2019年冬季(11月— 12月)晴天条件下观测的太阳光谱中(编号1— 4), 西藏北纬30° 区域光谱总体强度顺序依次为日喀则、 拉萨、 阿里、 林芝。 日喀则太阳光谱最强, 主要原因是观测点选择在珠峰附近60 km的定日县, 冬季雪山反射强、 气溶胶少、 水汽少; 拉萨和阿里11月、 12月地表反射弱; 林芝海拔最低、 大气湿度相对高以及周边山体反射弱, 光谱强度最弱。 同年冬季(11月— 12月)晴天条件下观测了北纬30° 区域内地低海拔四个城市的太阳光谱(编号5— 8), 结果显示光谱总体强度顺序依次为杭州、 武汉、 成都和上海。 四个城市海拔和纬度相近, 天气均为晴天, 造成一定差异的主要原因推测是站点周围反射和气溶胶不同。 分析发现在北纬30° 区域冬季西藏与内地城市太阳光谱强度最大相差约3倍, 平均相差约2倍。 2020年夏季由于客观因素仅对北纬30° 区域西藏地区进行光谱观测研究。 观测研究了同年夏至西藏阿里、 日喀则、 拉萨和林芝太阳光谱特征, 图4中显示了当日正午太阳光谱变化特征。 发现阿里光谱(编号12)强度最弱, 甚至不及上海冬季的10%。 造成这种差异的原因是当日在西藏出现了典型的日环食现象, 其中阿里日食食甚正好出现在当地正午附近且最大食分达0.995, 消光最强。 西藏其他地区虽有日食但当地正午与食甚相差较大, 消光不强。 研究发现北纬30° 区域西藏和成都太阳光谱曲线峰值出现在477~480 nm范围, 武汉、 杭州、 上海则在533~550 nm范围。 图4中光谱曲线峰值随海拔升高, 峰值向短波漂移, 似乎由大气厚度或气溶胶成分造成。 图4中中心波长762 nm处的最深光谱凹陷是大气中氧气的吸收引起。

2.2 拉萨和成都地面太阳光谱特征对比

在北纬30° 区域拉萨和成都作为高海拔和低海拔的典型城市代表, 对两地太阳光谱特征进行对比研究, 如图5所示。

图5 成都、 拉萨地面太阳光谱特征
(a): 成都2019年11月03日太阳光谱特征; (b): 拉萨2019年11月08日太阳光谱特征Fig.5 Surface solar spectral characteristics in Chengdu and Lhasa
(a): Solar spectral characteristics on Nov.3rd, 2019 in Chengdu; (b): Solar spectral characteristics on Nov.8th, 2019 in Lhasa

2019年11月03日观测了成都太阳光谱, 2019年11月08日观测了拉萨太阳光谱。 在观测和分析数据时需要考虑两地的时差和日出日落时间, 拉萨日出时间比成都晚约52 min。 观测当日两地太阳光谱特征如图5所示, 两地光谱在时间轴的方向上都出现了频繁的凹陷, 证明两地在观测日当天出现了频繁的离散云。 凹陷程度越深、 凹面越宽, 说明空中的云层越厚。 成都当日的最厚云层出现在12:00— 12:30之间, 拉萨出现在14:00— 15:00之间。 图5中标记出了两地当日最强太阳光谱信息。 成都光谱峰值756.22 mW· (m2· nm)-1出现在12:46时刻, 波长549.8 nm处; 拉萨光谱峰值1 192.03 mW· (m2· nm)-1出现在13:20时刻, 波长479.9 nm处。 两地光谱峰值波长位置差异主要是由于两地大气中气溶胶的成分不同所致, 不同成分气溶胶对太阳光吸收和散射的波长选择性不同, 消光特征不同。 研究结果表明拉萨地面太阳光谱强度约为成都的1.5~1.7倍。

2.3 上海和阿里地面太阳光谱特征对比

对北纬30° 区域中国最远距离的两个城市西藏阿里和上海进行了太阳光谱特征研究。 图6为上海和西藏阿里实地观测的地面太阳光谱特征对比。 上海观测时间2019年12月4日, 阿里2019年12月22日观测。 研究表明, 西藏阿里当天太阳光谱非常光滑, 在时间轴上连续性强; 而上海的太阳光谱与上述的成都相似, 在时间轴方向出现了明显的凹陷, 证明当天上海有离散云的存在, 最厚云层出现在12:00— 14:00之间。 在图6中波长轴方向的连续性也揭示了两地大气气溶胶成分的不同。 阿里约在波长762 nm处出现一个明显的凹陷外其他波段没有明显的吸收带(氧气吸收带), 而上海在600~800 nm之间有3处明显凹陷, 更多的凹陷表示上海大气层吸收成分更多。

图6 上海、 西藏阿里地面太阳光谱特征
(a): 2019年12月4日上海太阳光谱特征; (b): 2019年12月22日阿里太阳光谱特征; (c): 上海、 阿里二维太阳光谱对比Fig.6 Surface solar spectral characteristics in Shanghai and Ngari
(a): Solar spectral characteristics on Dec.4th, 2019 in Shanghai; (b): Solar spectral characteristics on Dec.22th, 2019 in Ngari; (c): Comparison on solar spectra between Shanghai and Ngari

图6(c)显示了上海、 阿里两地当日二维最高光谱特征对比。 从整体来看阿里光谱在波长小于约650 nm地方强度明显高于上海, 在波长大于约650 nm地方阿里光谱曲线比上海光滑, 曲率小。 主要原因是阿里大气薄, 在短波和可见光区消光弱; 在长波区由于阿里大气中水汽和氧气相对少, 吸收带少, 曲线光滑。 大气中的氧气在波长中心762 nm处有明显的吸收带, 在其他波段656.4和689.6 nm也有较小的吸收。 光谱中波段在722.8、 818.8和914.0 nm的吸收是由大气中的水汽所致。 短波紫外线区域主要是由臭氧吸收引起光谱消光。 虽然阿里观测时间比上海晚17 d, 但从图中光谱强度色带以及当日强度最大值结果显示阿里的地面太阳光谱整体依然比上海高出约20%。

2.4 西藏北纬30° 太阳光谱特征

2020年6月21日夏至西藏发生了一次罕见的日食现象, 故此次观测研究包括了西藏日食太阳光谱特征。 日食当天同步观测了北纬30° 区域西藏阿里、 定日、 拉萨和林芝的太阳光谱数据。 图7是西藏上述四个地区日食当日观测到的太阳光谱变化特征。 日食出现时间顺序为阿里、 定日、 拉萨和林芝。 阿里日食初亏北京时间约13:00时, 定日约13:12时, 拉萨初亏13:26时, 林芝初亏13:32时; 各地初亏后约1 h 40 min达到食甚, 各地日食持续时间约3 h 30 min。 根据以上日食时间段, 在图7中约在北京时间13:00时至16:30期间各地光谱强度出现了严重凹陷现象, 日食消光所致。 图7中除了日食期间以外时间轴上的凹陷是由当日云层消光所致, 其中可以看到林芝当日云层变化最多。 波长轴方向的凹陷是大气消光所致。 在西藏四个观测地区中, 阿里太阳光谱最强。 在图中红色光谱部分为最强光谱, 其波段范围大约为430~670 nm, 这也代表了西藏北纬30° 生态圈高强度太阳辐射的波段区域。

图7 2020年夏至西藏北纬30° 太阳光谱观测特征Fig.7 Measured solar spectral characteristics on summer solstice along 30° N latitude in 2020, Tibet

拉萨2019年夏至晴天太阳光谱特征如图8所示, 理论上拉萨晴天夏至光谱强度是全年晴天光谱强度上限, 冬至晴天光谱为全年光谱强度下限值, 全年晴天光谱强度在夏至值与冬至值之间浮动。

图8 2019年夏至拉萨晴天太阳光谱特征Fig.8 Measured solar spectral characteristics on clear sky summer solstices in 2019, Lhasa

2.5 西藏北纬30° 太阳光谱积分值-太阳总辐射

太阳光谱对波长的积分称为太阳总辐射, 利用荷兰Kipp& Zonen公司生产的CMP11型太阳总辐射仪其观测波长范围为310~2 800 nm在拉萨和阿里观测太阳总辐射。 图9是拉萨2019年和2020年夏至太阳总辐照度观测结果。 2019年夏至拉萨是晴天, 发现当天总辐射值在北京时间12:00至16:00期间超过了太阳常数(1 368 W· m-2)。 在晴天条件下地面太阳总辐射值超过太阳常数现象有一些理论假设。 主要原因是太阳照射大气层后, 大气层的部分成分吸收太阳辐射, 然后在某些情况下释放更多额外的大气辐射, 使地表辐射增强。 李超等[10]认为在高海拔地区, 大气发出的辐射遵从所谓NLTE假设, 此时地面总辐射可以大于太阳常数。 多云天气地面太阳总辐射值超过太阳常数的主要原因是由于云层增加了反射光强使地面总辐射增强。 2018年西藏阿里观测的太阳总辐射特征表明全年发生25次太阳总辐射值超过太阳常数的现象如图10所示。

图9 2019年和2020年夏至拉萨太阳总辐射观测特征Fig.9 Measured global solar irradiance on summer solstices in 2019 and 2020, Lhasa

图10 2018年西藏阿里太阳总辐射观测特征Fig.10 Measured global solar irradiance in 2018, Ngari

3 结论

对中国北纬30° 生态圈的地面太阳光谱进行初步观测研究, 首次揭示了中国北纬30° 生态圈地面太阳光谱的基本特征。 发现西藏北纬30° 区域地面太阳光谱强度远远高于内地同纬度地区光谱强度。 在观测期间, 西藏最大地面单色太阳光谱强度可达2 018.48 mW· (m2· nm)-1(西藏阿里2020年6月21日夏至), 同纬度的其他内地城市最大地面太阳光谱强度仅为756.22 mW· (m2· nm)-1(成都2019年11月03日)。 观测结果显示: 拉萨地面太阳光谱约为成都的1.5~1.7倍, 阿里地面太阳光谱比上海高约20%。 通过分析表明西藏地面太阳光谱强度峰值出现在波段约430~670 nm之间, 这也代表了西藏北纬30° 生态圈高强度太阳辐射的波段区域, 表明对光谱响应在这个区间的太阳能电池具有最佳光电转换效应。 在西藏的地面太阳光谱中含有比低海拔更高的的紫外光谱(320~400 nm), 对高原生态环境、 生物生长和材料老化等有相应的影响。 2020年的日食现象对西藏北纬30° 生态圈的地面太阳光谱造成了明显削弱, 根据相关报道, 拉萨、 阿里的各辐射能量损失超过95%。 此外, 通过研究, 我们发现水汽、 气溶胶和大气分子等因子会对太阳光谱、 太阳总辐射产生明显的增强效应。 本次观测和团队以前研究成果[11]都表明在西藏北纬30° 区域主要在夏季频频出现太阳总辐射超过太阳常数的现象。

参考文献
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