西藏地面太陽光譜觀測

周 毅，諾 桑，措加旺姆，偉色卓瑪，段 杰，趙 地，晉亞銘，胡貴軍

太陽光譜對生態(tài)等各個方面都有著重要的影響。研究太陽光譜可以為新能源的太陽能利用、植物的光合作用、人類的生活健康、材料的老化等各領(lǐng)域提供很好的科學(xué)依據(jù)。鄭曉云（2013）研究了基于太陽光譜的光伏電池減反結(jié)構(gòu)的理論。李鎮(zhèn)祥和趙劍曦（2012）對溶膠-凝膠法制備太陽光譜選擇性吸收薄膜進行了探討。孫巧如和許曉凡（1994）對改變太陽光譜增加作物產(chǎn)量進行了研究。唐大凱和劉美鳳（1992）研究了改變太陽光譜提高植物光合作用。胡振華等（2011）研究了太陽光譜對高分辨吸收光譜反演大氣CO2濃度的影響。張全國等（2007）研究了太陽光譜對光合細菌生長及產(chǎn)氫特性的影響。肖韶榮和王亞吉（2011）研究了基于太陽光譜的NO2濃度反演方法。

吉靳剛（2014）提到西藏海拔高、日照時間長、對陽光的反射強，是太陽輻射能量最高的地區(qū)之一。所以在西藏進行太陽光譜的觀測，有著特殊意義。目前國內(nèi)外對西藏各地區(qū)太陽光譜的研究還處于起步階段，Nuozhen Gelsor（2015）在拉薩和日喀則對太陽光譜進行了15分鐘的觀測，并與北京、成都的太陽光譜進行了對比。更加系統(tǒng)地分析整個西藏地區(qū)的太陽光譜輻射數(shù)據(jù)變得至關(guān)重要，這也能夠更好地為西藏太陽能資源的利用提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

本次觀測通過使用RAMSES太陽光譜儀在西藏四個人口密集地區(qū)進行地表太陽光譜的觀測，并對不同地區(qū)的光譜特性進行分析，為未來建立西藏太陽光譜數(shù)據(jù)庫奠定了基礎(chǔ)。

1 西藏太陽光譜觀測

1.1 觀測設(shè)備

本觀測利用德國TriOS公司生產(chǎn)的RAMSES設(shè)備一套。TriOS（2015）說明了通過RAMSESACC-UV光譜儀觀測波長在280—500 nm的紫外光譜，通過RAMSES-ACC-VIS光譜儀觀測波長在 320?—?950 nm 的可見光譜。RAMSES的光譜測量精度能達到0.2?—?0.3 nm，波長總測量范圍為280—950 nm。能夠非常精確地測量太陽光各波段的光譜情況。TriOS（2016a）將RAMSES-ACCUV光譜儀在2016年9月15日用NIST標(biāo)準(zhǔn)燈（DXW-1000 W，120 V）做了校準(zhǔn)，TriOS（2016b）將RAMSES-ACC-VIS光譜儀在2016年8月22日用NIST標(biāo)準(zhǔn)燈（DXW-1000 W，120 V）做了校準(zhǔn)。

1.2 觀測地點、時間

分別在西藏四個站點觀測了太陽光譜，詳細地點如圖1所示：從最東邊的林芝站點到最西邊的阿里站點，空間上共跨越了近14個經(jīng)度，從最北邊的阿里站點到最南邊的定日站點，空間上共跨越了近4個緯度，覆蓋西藏自治區(qū)主要的人口分布區(qū)域。

四個太陽光譜觀測站點基本情況如下：

圖2a：阿里觀測站，位于阿里地區(qū)噶爾縣，距北面山體直線距離約5.1 km，距西面山體直線距離約5.1 km，距東面山體直線距離約8.6 km；處于高原亞寒帶干旱氣候區(qū)，氣候干燥寒冷，太陽輻射強，日照時數(shù)長。

圖2b：定日觀測站，位于日喀則地區(qū)定日縣，距珠穆朗瑪峰直線距離約60 km，距北面山體直線距離約3.2 km，距西面山體直線距離約3.4 km，距南面山體直線距離約2.9 km，距東面山體直線距離約4.1 km；處于高原溫帶半干旱季風(fēng)氣候區(qū)，全年相對無霜期為113天，絕對無霜期為0天，晝夜溫差大，氣候干燥，年降雨量少，蒸發(fā)量大，日照時間長。

圖2c：拉薩觀測站，位于拉薩市西藏大學(xué)新校區(qū)內(nèi)，距北面山體直線距離約4.2 km，距南面山體直線距離約4.3 km，距西面山體直線距離約12.5 km；拉薩全年多晴朗天氣，降雨稀少，冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑，屬高原溫帶半干旱季風(fēng)氣候，地貌多為沙土巖石，夏季雨水較多時，南面山坡會長有少量小型灌木。

圖2d：林芝觀測站，位于林芝市巴宜區(qū)，距北面山體直線距離約7.9 km，距西面山體直線距離約3.3 km，距東面山體直線距離約1.5 km；該地區(qū)受印度洋暖濕氣流的影響，境內(nèi)屬溫帶濕潤季風(fēng)氣候，冬季溫和干燥，夏季濕潤無高溫，雨量充沛，日照充足。

圖1 西藏四個觀測站點的地理位置Fig.1 Location of the 4 observation stations in Tibet

光譜觀測時間如表1所示：從2016年12月20日開始，用RAMSES-ACC-UV/VIS兩臺設(shè)備分別到各觀測站進行太陽光譜觀測。阿里站點選擇的觀測日期是冬至日前后，在一年中太陽日照時間最短；定日站點選擇的觀測日期是大寒節(jié)氣，太陽位置到達黃經(jīng)300°左右，天氣極其寒冷；林芝站點選擇的觀測日期是清明節(jié)氣，太陽位置到達黃經(jīng)15°左右，而林芝受印度洋暖濕氣流的影響，清明時期地表植被開始增多陽光反射偏弱；拉薩站點由于交通便利，每個月中下旬對光譜進行10天左右的系統(tǒng)觀測。

各站觀測均從日出到日落，儀器每隔1分鐘自動記錄一次太陽光譜數(shù)據(jù)。

2 觀測結(jié)果

2.1 阿里、定日、拉薩和林芝地面太陽光譜特征

選擇經(jīng)度變化范圍較大的四個觀測站：阿里（80.10°E）、定日（87.13°E）、拉薩（91.18°E）、林芝（94.37°E）進行太陽光譜分析，取每十分鐘太陽光譜分析得到以下結(jié)果：

選取阿里觀測站2016年12月23日的太陽光譜數(shù)據(jù)進行分析，獅泉河鎮(zhèn)當(dāng)天天氣晴朗，日出時間為北京時間09:38:21，當(dāng)?shù)卣鐣r刻為北京時間14:38:52，日落時間為北京時間19:39:24。光譜采集時間為北京時間 08:00:00?—?20:30:00。圖3顯示了北京時間09:30?—?15:00每十分鐘的太陽光譜變化，圖中不同灰度光譜曲線代表不同時間觀測結(jié)果，灰度越趨近于黑色，表示時間越接近15:00，太陽輻射強度呈現(xiàn)不斷增加的趨勢。北京時間15:00:00，在波長為476.6 nm處太陽光輻射強度出現(xiàn)最大值，為 1.36 W · m?2· nm?1。

選取定日觀測站2017年1月24日的太陽光譜數(shù)據(jù)進行分析，定日縣當(dāng)天天氣晴朗，日出時間為北京時間09:03:04，當(dāng)?shù)卣鐣r刻為北京時間14:23:36，日落時間為北京時間19:44:08。光譜采集時間為北京時間09:10:00?—?19:31:00。圖4顯示了北京時間09:00?—?14:20每十分鐘的太陽光譜變化，圖中不同灰度光譜曲線代表不同時間觀測結(jié)果，灰度越趨近于黑色，表示時間越接近14:20，太陽輻射強度呈現(xiàn)不斷增加的趨勢。北京時間14:20:00，在波長為476.6 nm處太陽光輻射強度出現(xiàn)最大值，為 1.36 W · m?2· nm?1。

圖2 西藏四個觀測站地貌Fig.2 Landforms of the 4 observation stations in Tibet

表1 太陽光譜觀測地點及時間Tab.1 Measurements of solar spectrum sites and time

圖3 阿里太陽光譜變化Fig.3 Solar spectrum variation of Ngari

圖4 定日太陽光譜變化Fig.4 Solar spectrum variation of Tingri

選取拉薩觀測站2017年6月15日的太陽光譜數(shù)據(jù)進行分析，拉薩市當(dāng)天天氣晴朗，少云，日出時間為北京時間06:54:45，當(dāng)?shù)卣鐣r刻為北京時間13:55:57，日落時間為北京時間20:57:09。光譜采集時間為北京時間00:00:00?—?20:50:00。圖5顯示了北京時間08:00?—?14:20每十分鐘的太陽光譜變化，圖中不同灰度光譜曲線代表不同時間觀測結(jié)果，灰度越趨近于黑色，表示時間越接近14:20，太陽輻射強度呈現(xiàn)不斷增加的趨勢。北京時間14:20:00，在波長為476.6 nm時，太陽光輻射強度出現(xiàn)最大值，為 1.99 W · m?2· nm?1。

選取林芝站點2017年4月6日的太陽光譜數(shù)據(jù)進行分析，巴宜區(qū)當(dāng)天天氣晴朗，少云，日出時間為北京時間07:25:53，當(dāng)?shù)卣鐣r刻為北京時間13:44:56，日落時間為北京時間20:03:59。光譜采集時間為北京時間 08:00:00?—?20:30:00。圖6顯示了北京時間08:20?—?14:50每十分鐘的太陽光譜變化，圖中不同灰度光譜曲線代表不同時間觀測結(jié)果，灰度越趨近于黑色，表示時間越接近14:50，太陽輻射強度呈現(xiàn)不斷增加的趨勢。北京時間14:50:00，在波長476.6 nm處，太陽光輻射強度出現(xiàn)最大值，為 1.66 W · m?2· nm?1。

圖5 拉薩太陽光譜變化Fig.5 Solar spectrum variation of Lhasa

圖6 林芝太陽光譜變化Fig.6 Solar spectrum variation of Nyingchi

2.2 拉薩地面太陽光譜隨日期的變化

拉薩地面太陽光譜觀測時間最長，數(shù)據(jù)庫存量最多，共46天。選取拉薩2017年1月22日，3月 24日，5月8日，6月 15日，7月21日的當(dāng)?shù)卣鐣r刻的太陽光譜數(shù)據(jù)進行分析。圖7顯示了不同日期拉薩當(dāng)?shù)卣鐣r刻太陽光譜變化，可以看出：太陽光輻射強度最大值均在波長為476.6 nm處出現(xiàn)；1月22日的太陽輻射強度最低，隨著日期從冬季?→?春季→?夏季的推移，太陽輻射強度也隨之上升，本次觀測在7月21日太陽輻射強度達到最高，峰值達到2.05 W · m?2· nm?1。

王亞吉（2011）在太陽輻射光譜的測量與應(yīng)用研究中指出，光譜線在特定波長存在明顯的向下“凹陷”，表明該地區(qū)低層大氣存在O3、O2、H2O等的吸收。隨著日期從冬季→?春季?→?夏季，拉薩植被覆蓋面積增多，植物光合作用使得大氣中O2增多，圖中太陽光譜線被O2吸收而向下“凹陷”的程度也明顯增強。同時，由于拉薩冬季寒冷干燥，而夏季降水量增多，圖中太陽光譜線被H2O吸收而向下“凹陷”的程度也明顯增強。

圖7 拉薩不同日期當(dāng)?shù)卣鐣r刻太陽光譜Fig.7 Solar spectra at noon in diあerent dates of Lhasa

2.3 拉薩與不同地區(qū)地面太陽光譜對比

選取與拉薩觀測站觀測時間相近的不同地區(qū)觀測站的光譜數(shù)據(jù)進行對比。拉薩與定日觀測日期間隔最短，分別為2017年1月22日及1月24日，僅間隔2天；拉薩與林芝觀測時間間隔12天，分別為2017年3月24日及4月5日。

如圖8所示：選取拉薩1月22日，定日1月24日的當(dāng)?shù)卣鐣r刻太陽光譜進行對比，在波長為476.6 nm時，定日站點太陽輻射強度達到最大值，為 1.36 W · m?2· nm?1，拉薩太陽輻射強度最大值為 1.17 W · m?2· nm?1。在相近時間、天氣情況都為晴朗的情況下，定日站點的太陽光譜強度明顯高于拉薩。這是因為定日站點海拔比拉薩站點高，氣候也相對干燥，大氣中O2、H2O含量都少于拉薩，光譜線中O2、H2O的吸收引起的向下“凹陷”程度比拉薩低，光譜線相對于拉薩來說更加平滑。

如圖9所示：選取拉薩3月24日，林芝4月5日的當(dāng)?shù)卣鐣r刻太陽光譜進行對比，在波長為476.6 nm時，林芝太陽輻射強度達到最大值，為 1.69 W · m?2· nm?1，拉薩太陽輻射強度最大值為1.72 W · m?2· nm?1，林芝的測量日期比拉薩晚了 12天，在天氣情況都為晴朗的情況下，林芝太陽光譜強度依然沒有拉薩高。這是因為林芝地區(qū)海拔較低，且受印度洋暖濕氣流的影響，植被豐富，氣候濕潤，O2、H2O含量都明顯高于拉薩，光譜線中O2、H2O的吸收引起的向下“凹陷”程度比拉薩高，光譜線平滑程度就比拉薩低。

圖8 拉薩、定日太陽光譜對比Fig.8 Solar spectrum contrast between Lhasa and Tingri

圖9 拉薩、林芝太陽光譜對比Fig.9 Solar spectrum contrast between Lhasa and Nyingchi

3 結(jié)論

通過對西藏四個地區(qū)太陽光譜進行初步觀測研究，首次觀測公布了西藏高原地面太陽光譜的曲線特征。發(fā)現(xiàn)西藏地面太陽光譜曲線比起低海拔光譜更加平滑，減少了很多低海拔光譜曲線包含的凹陷部分，表明了西藏高原大氣中溫室氣體（水汽、臭氧、二氧化碳等）含量相對低海拔地更稀少的大氣特征；由于西藏海拔高，空氣稀薄，觀測結(jié)果顯示地面太陽光譜整體強度相對低海拔高；在西藏觀測地區(qū)，太陽光譜強度峰值一般出現(xiàn)在波長476.6 nm區(qū)域；通過對比模擬太陽光譜與本次觀測太陽光譜特征，發(fā)現(xiàn)西藏地區(qū)地面光譜吸收因子主要是是水汽和氧氣，其他因子的吸收作用很少。為了得到更全面的西藏高原太陽光譜特征信息，需要進一步長期、系統(tǒng)性的觀測研究，為西藏太陽能資源利用以及脆弱的西藏生態(tài)環(huán)境保護提供更多的實地數(shù)據(jù)。

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