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    西藏地面太陽光譜觀測

    2018-05-31 07:37:33措加旺姆偉色卓瑪晉亞銘胡貴軍
    地球環(huán)境學(xué)報 2018年2期
    關(guān)鍵詞:定日輻射強度觀測站

    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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