西藏地面太阳光谱观测

周 毅，诺 桑，措加旺姆，伟色卓玛，段 杰，赵 地，晋亚铭，胡贵军

太阳光谱对生态等各个方面都有着重要的影响。研究太阳光谱可以为新能源的太阳能利用、植物的光合作用、人类的生活健康、材料的老化等各领域提供很好的科学依据。郑晓云（2013）研究了基于太阳光谱的光伏电池减反结构的理论。李镇祥和赵剑曦（2012）对溶胶-凝胶法制备太阳光谱选择性吸收薄膜进行了探讨。孙巧如和许晓凡（1994）对改变太阳光谱增加作物产量进行了研究。唐大凯和刘美凤（1992）研究了改变太阳光谱提高植物光合作用。胡振华等（2011）研究了太阳光谱对高分辨吸收光谱反演大气CO2浓度的影响。张全国等（2007）研究了太阳光谱对光合细菌生长及产氢特性的影响。肖韶荣和王亚吉（2011）研究了基于太阳光谱的NO2浓度反演方法。

吉靳刚（2014）提到西藏海拔高、日照时间长、对阳光的反射强，是太阳辐射能量最高的地区之一。所以在西藏进行太阳光谱的观测，有着特殊意义。目前国内外对西藏各地区太阳光谱的研究还处于起步阶段，Nuozhen Gelsor（2015）在拉萨和日喀则对太阳光谱进行了15分钟的观测，并与北京、成都的太阳光谱进行了对比。更加系统地分析整个西藏地区的太阳光谱辐射数据变得至关重要，这也能够更好地为西藏太阳能资源的利用提供有力的数据支撑。

本次观测通过使用RAMSES太阳光谱仪在西藏四个人口密集地区进行地表太阳光谱的观测，并对不同地区的光谱特性进行分析，为未来建立西藏太阳光谱数据库奠定了基础。

1 西藏太阳光谱观测

1.1 观测设备

本观测利用德国TriOS公司生产的RAMSES设备一套。TriOS（2015）说明了通过RAMSESACC-UV光谱仪观测波长在280—500 nm的紫外光谱，通过RAMSES-ACC-VIS光谱仪观测波长在 320 — 950 nm 的可见光谱。RAMSES的光谱测量精度能达到0.2 — 0.3 nm，波长总测量范围为280—950 nm。能够非常精确地测量太阳光各波段的光谱情况。TriOS（2016a）将RAMSES-ACCUV光谱仪在2016年9月15日用NIST标准灯（DXW-1000 W，120 V）做了校准，TriOS（2016b）将RAMSES-ACC-VIS光谱仪在2016年8月22日用NIST标准灯（DXW-1000 W，120 V）做了校准。

1.2 观测地点、时间

分别在西藏四个站点观测了太阳光谱，详细地点如图1所示：从最东边的林芝站点到最西边的阿里站点，空间上共跨越了近14个经度，从最北边的阿里站点到最南边的定日站点，空间上共跨越了近4个纬度，覆盖西藏自治区主要的人口分布区域。

四个太阳光谱观测站点基本情况如下：

图2a：阿里观测站，位于阿里地区噶尔县，距北面山体直线距离约5.1 km，距西面山体直线距离约5.1 km，距东面山体直线距离约8.6 km；处于高原亚寒带干旱气候区，气候干燥寒冷，太阳辐射强，日照时数长。

图2b：定日观测站，位于日喀则地区定日县，距珠穆朗玛峰直线距离约60 km，距北面山体直线距离约3.2 km，距西面山体直线距离约3.4 km，距南面山体直线距离约2.9 km，距东面山体直线距离约4.1 km；处于高原温带半干旱季风气候区，全年相对无霜期为113天，绝对无霜期为0天，昼夜温差大，气候干燥，年降雨量少，蒸发量大，日照时间长。

图2c：拉萨观测站，位于拉萨市西藏大学新校区内，距北面山体直线距离约4.2 km，距南面山体直线距离约4.3 km，距西面山体直线距离约12.5 km；拉萨全年多晴朗天气，降雨稀少，冬无严寒，夏无酷暑，属高原温带半干旱季风气候，地貌多为沙土岩石，夏季雨水较多时，南面山坡会长有少量小型灌木。

图2d：林芝观测站，位于林芝市巴宜区，距北面山体直线距离约7.9 km，距西面山体直线距离约3.3 km，距东面山体直线距离约1.5 km；该地区受印度洋暖湿气流的影响，境内属温带湿润季风气候，冬季温和干燥，夏季湿润无高温，雨量充沛，日照充足。

图1 西藏四个观测站点的地理位置Fig.1 Location of the 4 observation stations in Tibet

光谱观测时间如表1所示：从2016年12月20日开始，用RAMSES-ACC-UV/VIS两台设备分别到各观测站进行太阳光谱观测。阿里站点选择的观测日期是冬至日前后，在一年中太阳日照时间最短；定日站点选择的观测日期是大寒节气，太阳位置到达黄经300°左右，天气极其寒冷；林芝站点选择的观测日期是清明节气，太阳位置到达黄经15°左右，而林芝受印度洋暖湿气流的影响，清明时期地表植被开始增多阳光反射偏弱；拉萨站点由于交通便利，每个月中下旬对光谱进行10天左右的系统观测。

各站观测均从日出到日落，仪器每隔1分钟自动记录一次太阳光谱数据。

2 观测结果

2.1 阿里、定日、拉萨和林芝地面太阳光谱特征

选择经度变化范围较大的四个观测站：阿里（80.10°E）、定日（87.13°E）、拉萨（91.18°E）、林芝（94.37°E）进行太阳光谱分析，取每十分钟太阳光谱分析得到以下结果：

选取阿里观测站2016年12月23日的太阳光谱数据进行分析，狮泉河镇当天天气晴朗，日出时间为北京时间09:38:21，当地正午时刻为北京时间14:38:52，日落时间为北京时间19:39:24。光谱采集时间为北京时间 08:00:00 — 20:30:00。图3显示了北京时间09:30 — 15:00每十分钟的太阳光谱变化，图中不同灰度光谱曲线代表不同时间观测结果，灰度越趋近于黑色，表示时间越接近15:00，太阳辐射强度呈现不断增加的趋势。北京时间15:00:00，在波长为476.6 nm处太阳光辐射强度出现最大值，为 1.36 W · m−2· nm−1。

选取定日观测站2017年1月24日的太阳光谱数据进行分析，定日县当天天气晴朗，日出时间为北京时间09:03:04，当地正午时刻为北京时间14:23:36，日落时间为北京时间19:44:08。光谱采集时间为北京时间09:10:00 — 19:31:00。图4显示了北京时间09:00 — 14:20每十分钟的太阳光谱变化，图中不同灰度光谱曲线代表不同时间观测结果，灰度越趋近于黑色，表示时间越接近14:20，太阳辐射强度呈现不断增加的趋势。北京时间14:20:00，在波长为476.6 nm处太阳光辐射强度出现最大值，为 1.36 W · m−2· nm−1。

图2 西藏四个观测站地貌Fig.2 Landforms of the 4 observation stations in Tibet

表1 太阳光谱观测地点及时间Tab.1 Measurements of solar spectrum sites and time

图3 阿里太阳光谱变化Fig.3 Solar spectrum variation of Ngari

图4 定日太阳光谱变化Fig.4 Solar spectrum variation of Tingri

选取拉萨观测站2017年6月15日的太阳光谱数据进行分析，拉萨市当天天气晴朗，少云，日出时间为北京时间06:54:45，当地正午时刻为北京时间13:55:57，日落时间为北京时间20:57:09。光谱采集时间为北京时间00:00:00 — 20:50:00。图5显示了北京时间08:00 — 14:20每十分钟的太阳光谱变化，图中不同灰度光谱曲线代表不同时间观测结果，灰度越趋近于黑色，表示时间越接近14:20，太阳辐射强度呈现不断增加的趋势。北京时间14:20:00，在波长为476.6 nm时，太阳光辐射强度出现最大值，为 1.99 W · m−2· nm−1。

选取林芝站点2017年4月6日的太阳光谱数据进行分析，巴宜区当天天气晴朗，少云，日出时间为北京时间07:25:53，当地正午时刻为北京时间13:44:56，日落时间为北京时间20:03:59。光谱采集时间为北京时间 08:00:00 — 20:30:00。图6显示了北京时间08:20 — 14:50每十分钟的太阳光谱变化，图中不同灰度光谱曲线代表不同时间观测结果，灰度越趋近于黑色，表示时间越接近14:50，太阳辐射强度呈现不断增加的趋势。北京时间14:50:00，在波长476.6 nm处，太阳光辐射强度出现最大值，为 1.66 W · m−2· nm−1。

图5 拉萨太阳光谱变化Fig.5 Solar spectrum variation of Lhasa

图6 林芝太阳光谱变化Fig.6 Solar spectrum variation of Nyingchi

2.2 拉萨地面太阳光谱随日期的变化

拉萨地面太阳光谱观测时间最长，数据库存量最多，共46天。选取拉萨2017年1月22日，3月 24日，5月8日，6月 15日，7月21日的当地正午时刻的太阳光谱数据进行分析。图7显示了不同日期拉萨当地正午时刻太阳光谱变化，可以看出：太阳光辐射强度最大值均在波长为476.6 nm处出现；1月22日的太阳辐射强度最低，随着日期从冬季 → 春季→ 夏季的推移，太阳辐射强度也随之上升，本次观测在7月21日太阳辐射强度达到最高，峰值达到2.05 W · m−2· nm−1。

王亚吉（2011）在太阳辐射光谱的测量与应用研究中指出，光谱线在特定波长存在明显的向下“凹陷”，表明该地区低层大气存在O3、O2、H2O等的吸收。随着日期从冬季→ 春季 → 夏季，拉萨植被覆盖面积增多，植物光合作用使得大气中O2增多，图中太阳光谱线被O2吸收而向下“凹陷”的程度也明显增强。同时，由于拉萨冬季寒冷干燥，而夏季降水量增多，图中太阳光谱线被H2O吸收而向下“凹陷”的程度也明显增强。

图7 拉萨不同日期当地正午时刻太阳光谱Fig.7 Solar spectra at noon in diあerent dates of Lhasa

2.3 拉萨与不同地区地面太阳光谱对比

选取与拉萨观测站观测时间相近的不同地区观测站的光谱数据进行对比。拉萨与定日观测日期间隔最短，分别为2017年1月22日及1月24日，仅间隔2天；拉萨与林芝观测时间间隔12天，分别为2017年3月24日及4月5日。

如图8所示：选取拉萨1月22日，定日1月24日的当地正午时刻太阳光谱进行对比，在波长为476.6 nm时，定日站点太阳辐射强度达到最大值，为 1.36 W · m−2· nm−1，拉萨太阳辐射强度最大值为 1.17 W · m−2· nm−1。在相近时间、天气情况都为晴朗的情况下，定日站点的太阳光谱强度明显高于拉萨。这是因为定日站点海拔比拉萨站点高，气候也相对干燥，大气中O2、H2O含量都少于拉萨，光谱线中O2、H2O的吸收引起的向下“凹陷”程度比拉萨低，光谱线相对于拉萨来说更加平滑。

如图9所示：选取拉萨3月24日，林芝4月5日的当地正午时刻太阳光谱进行对比，在波长为476.6 nm时，林芝太阳辐射强度达到最大值，为 1.69 W · m−2· nm−1，拉萨太阳辐射强度最大值为1.72 W · m−2· nm−1，林芝的测量日期比拉萨晚了 12天，在天气情况都为晴朗的情况下，林芝太阳光谱强度依然没有拉萨高。这是因为林芝地区海拔较低，且受印度洋暖湿气流的影响，植被丰富，气候湿润，O2、H2O含量都明显高于拉萨，光谱线中O2、H2O的吸收引起的向下“凹陷”程度比拉萨高，光谱线平滑程度就比拉萨低。

图8 拉萨、定日太阳光谱对比Fig.8 Solar spectrum contrast between Lhasa and Tingri

图9 拉萨、林芝太阳光谱对比Fig.9 Solar spectrum contrast between Lhasa and Nyingchi

3 结论

通过对西藏四个地区太阳光谱进行初步观测研究，首次观测公布了西藏高原地面太阳光谱的曲线特征。发现西藏地面太阳光谱曲线比起低海拔光谱更加平滑，减少了很多低海拔光谱曲线包含的凹陷部分，表明了西藏高原大气中温室气体（水汽、臭氧、二氧化碳等）含量相对低海拔地更稀少的大气特征；由于西藏海拔高，空气稀薄，观测结果显示地面太阳光谱整体强度相对低海拔高；在西藏观测地区，太阳光谱强度峰值一般出现在波长476.6 nm区域；通过对比模拟太阳光谱与本次观测太阳光谱特征，发现西藏地区地面光谱吸收因子主要是是水汽和氧气，其他因子的吸收作用很少。为了得到更全面的西藏高原太阳光谱特征信息，需要进一步长期、系统性的观测研究，为西藏太阳能资源利用以及脆弱的西藏生态环境保护提供更多的实地数据。

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