西藏阿里地表面太阳光谱观测

周 毅，诺 桑，王 倩，周艳霞

1.西藏大学 地球物理研究所，拉萨 850000 2.西藏大学 信息科学技术学院，拉萨 850000

21世纪以来，化石能源的储量随着人类生产生活的高速发展而迅速下降，不仅是我国，世界许多国家，能源形势紧迫，发展新能源已经成为各个国家关注的焦点。在各种新型能源开发的过程中，太阳能以其资源最丰富、能量转化最直接、最环保、最安全等优点，具有非常好的发展前景（静国梁和付新春，2015）。我国太阳能资源非常丰富，其中西藏西部的太阳能资源最为丰富，最高可达2335 kW · h · m-2（日辐射量6.4 kW · h · m-2）（李灿，2020）。西藏阿里地区位于我国西南边陲，西藏自治区西部，介于北纬29°41′01″ — 35°52′02″，东经78°24′01″ — 86°20′06″，南北跨度688 km，东西跨度742 km，面积33.72万km2，平均海拔4500 m以上，被称为“世界屋脊之屋脊”，太阳辐射强度高，是太阳能资源开发及利用非常好的地方。

太阳光谱的强度随太阳辐射的波长分布，其能量分布反映了所有波长的太阳辐射在太阳辐射能量中的比重关系，而太阳能的主要利用形式有光化学、光电转换、光热转换三种形式，其中：光化学技术主要利用太阳光谱中波长在390 nm以下的紫外光区，占太阳总辐射能量的7%左右；光热转换技术主要利用太阳光谱中波长在780 nm以上的红外光区，占太阳总辐射能量的43%左右；光电转换技术主要利用太阳光谱中波长在390 — 780 nm的可见光区，占太阳总辐射能量的50%左右（侯海虹等，2018）。在西藏阿里进行地表面的太阳光谱观测，分析其各个波长处的太阳辐射强度，对阿里地区的太阳能利用尤为重要。

目前，相关学者对西藏阿里以及其他相似的高海拔地区的太阳总辐射、太阳紫外辐射等研究已经有多次观测记录：周允华和项月琴（1985）利用卫星云图绘制了包括西藏阿里地区在内的青藏高原的月、旬太阳短波辐射平衡场；袁福茂（1985）对阿里改则地区辐射平衡及各分量的特征及影响因子进行了探讨；杨军等（2006）利用我国63个站的太阳总辐射资料，研究了我国年、季、月的太阳总辐射的时空特征和气候变化，并指出当时观测的阿里狮泉河镇出现最大辐射量数据；晋亚铭等（2019）在2017—2018年利用太阳总辐射仪观测了阿里地区地面太阳总辐射数据，并分析了2017年阿里二分二至日太阳总辐射；刘娟等（2020）利用RAMSAS光谱仪等设备对西藏晴天太阳红斑紫外线进行观测，发现西藏晴天太阳红斑紫外线的剂量率随当日时间的变化呈典型的抛物线状，并且由于太阳高度角的增加，晴天太阳红斑紫外线的最大剂量率平均出现时间为当地正午前后约10 min，这为本研究寻找紫外太阳光谱的最大值提供了很好的时间依据；晋亚铭（2019）利用高光谱紫外余弦光谱仪、多频道宽带式紫外线探测器和总辐射仪对西藏太阳光谱、太阳紫外线和太阳总辐射进行了实地观测，观测所用设备覆盖范围广，即有太阳光谱的部分，也有紫外总辐射，太阳总辐射的观测；赵地（2018）通过使用NILUUV辐照度计，对西藏拉萨、林芝、定日、那曲、日喀则五个站点的生物有效紫外辐射、UVA辐射、UVB辐射、紫外线指数（UVI），以及紫外辐射影响因子臭氧、云等进行了观测，指出了大气中的O3、H2O等分子对太阳紫外辐射部分的吸收；伟色卓玛等（2018）首次公布了当地太阳紫外线光谱特征的观测结果，并对西藏珠峰地区的太阳紫外线A（UVA）和紫外线B（UVB）的剂量率及太阳紫外线的光谱特性进行实地观测研究；段杰（2018）研究了西藏太阳紫外线与人体维生素D之间的关系，在西藏地区也是首次将太阳紫外辐射强度与人体维生素D之间进行关联研究。但经查阅相关资料，对西藏阿里太阳光谱的观测研究尚处于初步阶段，诺桑等（2019）利用RAMSESVIS / UV光谱仪（波长精度为2.2 — 3.3 nm）在2016年冬至日测量了阿里狮泉河镇波长在280 — 950 nm范围内的太阳光谱，并分析了冬至日全天太阳光谱变化规律，包括周毅等（2018）对西藏六个人口密集地区进行的太阳光谱观测中，分析了阿里地区冬至日前后太阳光谱日变化，观测出冬至日太阳光谱最大值为1.36 W · m-2· nm-1，仅为标准光谱AM1.5最大值的83.9%，为今后相关阿里太阳光谱的观测提供数据支持。

上述研究在观测方法、观测设备、观测精度等多方面均有创新，对海拔4000 m以下的地区的太阳辐射能观测研究起到了很好的促进作用。但海拔4000 m以上的地区，气候环境恶劣，条件艰苦，且受观测设备工作气压、温度等因素的限制，目前并没有开展系统的研究工作；此外，以上关于西藏太阳光谱的相关研究，仅对西藏的太阳总辐射进行了初步的观测分析，缺乏对于测量波长精度在1 nm，波长覆盖范围包括紫外、可见、近红外部分的光谱观测，特别是平均海拔超过4500 m，太阳能资源极其丰富的阿里地区，基本处于空白。本次观测通过使用加拿大Spectraf公司的SolarSIM-G型太阳光谱辐照度仪，在2020年6月21日夏至日前后（每年太阳辐射最大时），对太阳能资源最为丰富的西藏阿里地区，进行了波长范围在280 — 1200 nm，波长精度为1 nm的太阳光谱观测，为阿里地区太阳能资源的利用提供了有力的数据支撑。且本次观测期间，正巧在夏至日当天遇上天文现象“日食”，是天文研究中难得一见的现象。且阿里海拔高，视野开阔，大气洁净，有极佳的天文观测条件，是本次“日食”在国内的第一个观测地点，也能为相关领域的研究提供很好的数据参考。

1 太阳光谱观测

1.1 太阳光谱观测设备

SolarSIM-G型太阳光谱辐照度仪是一种非常便捷的太阳光谱观测工具，能够迅速准确测量出太阳光谱和全球水平/倾斜辐照度（GHI / GTI），可作为现场太阳能资源评估和性能表征研究的重要仪器设备（图1）。SolarSIM-G还配有专用软件，用以操作测量太阳光谱辐照度。

图1 SolarSIM-G型太阳光谱仪Fig. 1 SolarSIM-G solar spectral irradiance meter

表1为本次使用的太阳光谱观测设备的技术参数。本设备可观测波长为280 — 1200 nm，具有非常高的光谱测量精度，每1 nm即可观测该波长处的太阳辐射强度，共可用频道为920个，观测时间间隔可设置范围从1.0 s到3600.0 s，除环境温度和压力外，所有数据都可以在日出和日落之间进行自动记录，最终数据单位是W · m-2· nm-1以单列格式显示。本设备可根据设置的观测地点经度和纬度，自动分析该海拔地点的日出日落时间，按照时间节点进行光谱观测。

表1 SolarSIM-G光谱仪技术参数*Tab. 1 Technical parameters of solarSIM-G solar spectral irradiance meter

此次在西藏设置的两个观测站点的经纬度、海拔高度均不同，在做两站点对比分析时，采用格林尼治时间进行统一，有助于分析相同时间段的太阳辐射能量，故在分析太阳光谱数据时，使用了整点数据作为时间点。此外，观测软件还可提供实时的太阳光谱图。其他可观测数据还包括观测当天的时间戳、时区（hr）、环境压力（kPa）、环境温度（℃）、环境湿度（%）、内部温度（℃）、内部湿度（%）等。该设备在2020年3月18日做了校准，能够保证两年之内的太阳光谱辐射强度的测量准确性。

1.2 太阳光谱观测地点

由于阿里人迹罕至，极少有学者在此进行光谱测量；拉萨作为西藏自治区的首府，人口居西藏第一，需要探明可被利用的太阳能资源具体数据；所以此次在这两个地方观测太阳光谱。阿里观测点位于西藏西部，为本次夏至日太阳光谱的主要观测地点，拉萨观测点数据用于与阿里太阳光谱做对比（图2）。

图2 太阳光谱观测点地理位置Fig. 2 Geographical location of the sites of measurement of solar spectrum

拉萨观测点与阿里观测点海拔均超过了3600 m，空间上共跨越了近11个经度，从北到南跨越了近3个纬度，两观测点海拔差距近600 m。阿里的观测时间是2020-06-20 — 2020-06-22，共计3 d，其中2020-06-21为夏至日，且本次夏至日遇到“日食”，观测数据极为珍贵；拉萨观测数据作为对比，在2020-06-24 — 2020-06-30，共观测太阳光谱数据7 d（表2）。选取观测期间天气为晴天、大气透明度高，受云层、阴雨等因素影响小的观测数据用作分析。

表2 太阳光谱观测点详细信息Tab. 2 Detailed information of the sites of measurement

除海拔高度，地形地貌对太阳辐射强度也具有一定的影响，西藏处于地球北回归线以北，一直处于太阳斜射状态，由于太阳斜射的影响，太阳辐射也容易被高大的山峰，树林及房屋等障碍物遮挡；同时，不同的地面类型对太阳辐射的反射也不同，比如干燥裸地反射率在0.1 — 0.2左右，沙漠的反射率在0.24 — 0.28左右。通过卫星云图，两观测点周围环境及地貌特征如下：

阿里观测点周边地理地貌如图3a所示。观测点周边地貌多为沙漠、干燥裸地，地面反射率较高，观测点与西北面山峰直线距离为2.7 km，与西南面山峰直线距离为4.9 km，与东北面山峰直线距离为4.2 km，与东南面山峰直线距离为4.7 km，观测点位于一栋3层楼楼顶，周围没有建筑物及树木遮挡太阳。

拉萨观测点周边地理地貌如图3b所示。观测点周边地貌多为干燥裸地、有部分湿裸地及干湿土，地面反射率高，但相对阿里观测点较低，观测点与北面山峰直线距离为4.1 km，与南面山峰直线距离为3.9 km，与西北面山峰直线距离为9.4 km，观测点位于1栋4层教学楼楼顶，周围没有建筑物及树木遮挡太阳。

图3 阿里（a）、拉萨（b）太阳光谱观测点周边地形地貌Fig. 3 Topography around the site of measurement in Ngari (a) and Lhasa (b)

1.3 太阳光谱观测方法

观测点设备安装在太阳光谱观测站支架上，安装时保证光谱仪水平，在设备配套软件SolarSIMG DAQ中输入观测点的海拔高度、经度、纬度，此时设备自动计算该观测点的日出日落时间。两观测点均设置观测时间间隔为1 min，各点观测均从日出到日落，仪器每隔1 min自动记录一次太阳光谱数据，日落之后，光谱仪处于待机状态。

最终数据自动保存在两个文件夹中，均以.CSV格式文件储存，软件输出两种数据文件类型：太阳光谱文件和日摘要数据文件。为了文件大小最小化，未包含波长列，而是光谱辐照度的值，单位是W · m-2· nm-1，第1行对应的是280 nm处的光谱辐照度，第921行对应的是1200 nm处的光谱辐照度。每日汇总数据文件存储在数据文件夹中。包含了仰角和方位角、环境温度、环境压力、内部湿度、280 — 1200 nm范围内的GHI值、自定义范围GHI值和来自每个时间戳的检测器的电流。

2 阿里地表面太阳光谱数据分析

2.1 阿里地表面太阳光谱与AM0及AM1.5标准 太阳光谱对比分析

大气质量AM是太阳辐射通过大气的厚度，欧盟委员会定义的光伏测试标准（STC）中，大气质量为AM1.5。因此，将阿里2020年6月22日晴朗天气条件下的日中时刻太阳光谱与AM0、AM1.5标准光谱进行对比，如图4所示。Pvlighthouse网站（https://www2.pvlighthouse.com.au/calculators/solar%20spectrum%20calculator/solar%20spectrum%20calculator.aspx）公布的AM1.5D光谱是太阳光以48.2°夹角，穿过1.5倍大气层厚度到达测试平面的直接辐射标准光谱；AM1.5G光谱是太阳光以48.2°夹角，穿过1.5倍大气层厚度到达测试平面的全部辐射照度光谱，包含直接辐射和各角度的漫射辐射光谱；AM0光谱是太阳光照射到大气层上界还未经过大气层的标准光谱。

由于大气层中O3、O2、H2O、CO2等分子对太阳光辐射的吸收，阿里太阳光谱、AM1.5标准太阳光谱出现了向下“凹陷”（图4），在以往的研究中，向下“凹陷”的原因主要是大气中不同分子的吸收带（周毅等，2018）：O3的吸收波段约在300 nm，O2的吸收波段约在656.4 nm、689.6 nm、762.6 nm，H2O的吸收波段约在722.8 nm、818.8 nm、914.0 nm。AM0光谱中，300 nm以下的紫外光谱到达地表基本都被大气层吸收，如在291 nm处，AM0的光谱强度为 0.610 W · m-2· nm-1，而阿里、AM1.5D、AM1.5G 分别为 5.0×10-6W · m-2· nm-1、5.9×10-9W · m-2· nm-1、4.8×10-8W · m-2· nm-1，大气层对太阳紫外线的吸收较为明显。在300 —1200 nm的波段中，阿里的太阳光谱强度大多高于AM1.5标准光谱，特别是在320 — 400 nm的UVB波段及400 —780 nm的VIS波段，阿里太阳光谱强度显著高于AM1.5标准光谱。AM0光谱强度的最 大 值 出 现 在451 nm处，为2.12 W · m-2· nm-1；阿里光谱强度的最大值出现在482 nm处，为1.87 W · m-2· nm-1，是AM0光谱强度最大值的88.2%；而AM1.5D光谱强度的最大值出现在531 nm处，为1.42 W · m-2· nm-1；AM1.5G光谱强度的最大值出 现 在495 nm处，为1.62 W · m-2· nm-1，均 没 有超过阿里光谱强度的最大值。

图4 阿里太阳光谱与AM0及AM1.5标准太阳光谱对比Fig. 4 Comparison of the solar spectrum in Ngari with AM0 and AM1.5 standard spectra

根据以上数据可知，阿里地表面太阳光谱强度明显高于AM1.5的地表面标准光谱，但小于AM0的大气层外标准光谱。阿里地区海拔高，大气中O2、H2O、CO2等分子含量低，特别是大气中O3分子的含量较低，对太阳光中紫外光谱的吸收较少，紫外部分的光谱强度要比标准光谱高出许多。

2.2 阿里地表面太阳光谱日变化

一天中太阳时角及太阳高度角的变化影响着太阳辐射的变化。同一个地点，由于这两个角度的变化，等量的太阳辐射能光束所散布的面积也随之变化。所以观测阿里一天中不同时间的太阳光谱数据很有必要。图5a为2020年6月22日从日出（07∶34）到日中（14∶42）时刻太阳光谱的变化趋势；图5b为2020年6月22日从日中（14∶42）到日落（21∶44）时刻太阳光谱的变化趋势。

图5 阿里太阳光谱从日出到日中（a）以及从日中到日落（b）的变化Fig. 5 Variation of the solar spectrum in Ngari from sunrise to midday (a) and from midday to sunset (b)

阿里6月22日的日出时刻为上午07∶34，太阳时角为-66.5°，太阳高度角为0°，此时太阳辐射强度低。随着太阳高度角的不断升高，整体强度也逐渐升高，在上午11∶42，波长在482 nm处的光谱强度已超过AM1.5D光谱的最高强度1.42 W · m-2· nm-1，上午12∶13，波长在482 nm处的光谱强度超过AM1.5G光谱的最高强度1.62 W · m-2· nm-1，下午16∶51之后，阿里太阳光谱各波段没有观测到超过AM1.5G光谱的最高强度，到了下午17∶38之后，阿里太阳光谱各波段没有观测到超过AM1.5D光谱的最高强度，随着时间慢慢趋近日落，太阳辐射强度不断降低，在日落时刻21∶44，太阳时角为146.0°，太阳高度角再次为0°，太阳辐射强度也趋近于最低点。在本次观测天中，日出07∶34至日落21∶44，白昼时长达到14 h 10 min，而超过AM1.5D光谱的最高强度时长为5 h 56 min，占全白昼时长的41.9%，超过AM1.5G光谱的最高强度时长为4 h 38 min，占全白昼时长的32.7%，所以阿里地区的太阳能资源极其丰富。观测发现阿里太阳光谱从日出到当日当地正午光谱辐照度呈不断增加的趋势，越靠近正午时刻光谱线间隔越小，辐照度变化梯度越小，光谱线向下“凹陷”越明显，同一波段的吸收越明显等特点，与晋亚铭（2019）观测太阳光谱时观察出的特点是一致的。

在此次观测中，发现2020年6月22日，太阳光谱强度的最高值并没有出现在当天的日中时刻，而是出现在13∶57的482 nm处，辐射强度为2.04 W · m-2· nm-1。图6给出了阿里太阳光谱整点时刻最高辐射强度从日出到日落的变化。虽然整体上呈先上升后下降的趋势，但14∶00的辐射强度出现了超过日中时刻的太阳辐射强度。经分析当天的大气云层状况，出现该现象的原因主要是该时刻出现了云层以及大气分子对太阳辐射的反射、折射等效应，在原有的太阳的直接辐射上，又多加入了云层等物质的散射辐射及反射辐射，故出现了高出日中时刻太阳辐射强度的现象。在以往的观测中，发生类似现象的数据并不罕见，诺桑等（2019）观测2017年拉萨太阳光谱时发现，7月21日拉萨当地正午太阳光谱出现极强特征，在波长500 nm以上的光强甚至超过了AM0（大气层外）光谱强度，其原因也是由于离散云对地面太阳光强的反射等作用，导致光谱强度增强进而超过AM0光谱。笔者在2017年对珠峰大本营及拉萨站点进行太阳光谱观测时也发现，拉萨站点的太阳光谱强度甚至超过了珠峰大本营的光谱强度，这一现象的发生，也推进了今后西藏太阳辐射与大气生态环境的相关性研究。

图6 阿里太阳光谱整点时刻最高辐射强度从日出到日落的变化Fig. 6 Variation of highest radiation intensity at o’clock time in the solar spectrum in Ngari from sunrise to sunset

2.3 阿里地表面太阳光谱与拉萨太阳光谱对比

选取拉萨观测点2020年6月27日13∶56的光谱和阿里观测点2020年6月21日12∶34的光谱，与AM0光谱进行对比。这两个时刻的光谱是本次观测中两地出现的最强光谱曲线。拉萨太阳光谱中，波长在482 nm处的光谱强度2.80 W · m-2· nm-1，阿里太阳光谱中，波长在482 nm处的光谱强度2.33 W · m-2· nm-1，均超过了AM0的最强光谱2.12 W · m-2· nm-1（图7）。

图7 阿里太阳光谱与拉萨太阳光谱对比Fig. 7 Solar spectrum in Ngari vs. solar spectrum in Lhasa

阿里2020年6月21日12∶34，日食即将出现，大气中水汽含量较多，天空中离散云现象比较明显，地表面太阳辐射不仅包括太阳直接辐射，也有大量的云层、微尘、微粒的散射辐射，加之阿里地区周边地貌环境多属沙漠、干燥裸地，地面反射率高，地面反射辐射较强。在直接辐射、散射辐射、反射辐射的三重叠加下，本次观测的辐射强度超过了大气层上界的太阳直接辐射AM0；拉萨2020年6月27日13∶56，距离拉萨当日的日中时刻13∶58仅有2 min，直接辐射本身很强，加之拉萨6月正值雨季，大气中水汽较多，也出现了较多的离散云现象，太阳光束穿过大气层并与大气中云层、微尘、微粒等进行较强的散射，且拉萨观测点周围多为水泥裸地，地面反射很强，故在直接辐射、散射辐射、反射辐射的三重叠加下，出现了本次观测的最强值2.80 W · m-2· nm-1；但经过观察两观测点与AM0光谱的320 nm以下的紫外光谱UVA波段时发现，即使太阳的直接辐射、散射辐射、反射辐射再强，紫外部分的光谱强度大部分仍被大气中的O3吸收，太阳紫外辐射在大气层上界AM0时，强度最高点出现在291 nm处，为0.61 W · m-2· nm-1，还处于高位状态，但经过大气层后到达拉萨与阿里地表面时，光谱强度分别为1×10-5W · m-2· nm-1和5×10-6W · m-2· nm-1，几 乎 趋 近 于 零。大 气 层 极大地减小了太阳紫外辐射中对人体及各类动植物、材料等有害的部分。

2.4 出现日食现象时的阿里地表面太阳光谱变化

此次阿里地表面太阳光谱观测遇到罕见“日食”天文现象，阿里地处祖国西部，属于国内最先观测到日全食现象的地区，且阿里的大气条件极好，是国内观测日食现象最佳的观测地点之一。由于阿里观测点的位于阿里的噶尔县，噶尔县出现日食从13∶01开始，也就是初亏时刻，此时太阳光谱强度与未发生日食现象时并无太大差异，随着日食现象的发生，太阳光谱强度逐渐下降，到14∶44食甚时，太阳光谱强度降到最低点，由于噶尔县此次的日食并不是日全食，所以太阳光谱强度并没有下降到零（图8a）。

图8 阿里日食太阳光谱Fig. 8 Solar spectrum in Ngari during solar eclipse

从14∶44出现食甚开始，月球挡住太阳的部分逐渐减小，太阳光谱辐射也逐渐增强，到16∶28，也就是复圆时刻，太阳光谱强度又恢复到正常状态（图8b）。此次日食过程，从初亏到食甚又到复圆，共经历了近3 h 27 min 26 s，太阳光谱强度最大值从1.85 W · m-2· nm-1下降到0.05 W · m-2· nm-1，又上升到1.79 W· m-2· nm-1。光谱强度在初亏到食甚的下降速率为1.04 W · m-2· nm-1· h-1，在 食甚到复原的上升速率为1.01 W · m-2· nm-1· h-1。此次日食刚好发生在2020年的夏至日当天，全年太阳日照时长最长，光谱仪从北京时间早上07∶34接收到太阳辐射能，到晚上21∶44结束观测，总计14 h 10 min。本应是全年太阳总辐射最强的一天，但由于日食现象的发生，太阳总辐射是近年来最低的一次。

3 结论

本次阿里太阳光谱观测，是近年来首次对阿里地区进行波段为280 — 1200 nm太阳光谱观测，波长范围覆盖太阳能利用的紫外，可见及近红外波段，初步得到了阿里地区零星的地表面太阳光谱特征，对太阳能资源极其丰富青藏高原西部地区，提供了稀有的数据支撑，虽然观测时间较短，观测数据量较少，但仍为未来西藏太阳光谱观测技术，提供了一次非常宝贵的观测经验。

目前，还需进一步对青藏高原西部地区的地表面太阳光谱进行系统观测，为青藏高原生态环境变化、太阳能资源利用等各方面提供有力的数据支撑。