西藏太阳光谱全年变化特征

拉瓜登顿, 措加旺姆, 王 倩, 盛 敏, 王萌萌, 诺 桑

西藏大学太阳紫外线实验室, 西藏 拉萨 850000

引 言

地面太阳辐射值通常由卫星数据、 辐射模拟软件和地面实地观测方法获得。 其中最精准、 数据最全的是地面观测方法。 卫星一般只在每天当地正午采集一次, 模拟数据缺乏很多实地参数往往和实际情况相差较大。 因此, 地面实地观测太阳光谱数据能够获得最真实的地面辐射情况。 太阳辐射光谱中紫外光(10～400 nm)可能创造了地球上第一个生命细胞[1], 光合有效辐射(400～700 nm)造就了地球绿色植物[2], 红外辐射光(>760 nm)为地球生物提供了热能[3]。 根据太阳光谱曲线特征, 研制了各种与之相匹配的太阳能电池[4-5]和太阳能集热器[6], 提供绿色清洁能源, 有效保护生态。 地面太阳光谱中记录了大气层的成分信息[7], 进而能够反演大气环境变化特征[8]。 因此, 精确观测地面太阳光谱辐照度为有效利用太阳能资源、 监测大气环境、 保护植物生态和提升人类健康等提供依据[9]。 西藏是地球上太阳辐射最强的地区之一, 理论上强烈的太阳辐射会对西藏生态系统的稳定性和生态屏障造成直接影响, 建立生态屏障功能动态监测体系中太阳辐射光谱监测是一个重要的环节。

目前国内外对青藏高原地面太阳光谱的观测研究仍处于初步研究状态。 近年来实地观测研究西藏地面太阳光谱公开发表的文献主要出自西藏大学科研团队。 其中重要的研究成果有2018年Nuozhen Gelsor等发表的有关西藏太阳辐射观测结果[10]; 2019年诺桑等观测研究西藏地面太阳总辐射与紫外线的研究[11]; 2020年刘娟等观测了西藏晴天太阳红斑紫外线[12]; 2021年王倩等报道了西藏日食太阳辐射观测研究结果[13]; 2021年Norsang Gelsor等发表了西藏珠峰地区太阳能资源观测研究结果[14]等。 在地面太阳辐射观测研究中太阳光谱辐照度的观测获得的信息量最全, 然而由于太阳光谱仪属于高精度探测仪, 符合国际标准的光谱仪需要进口、 价格昂贵, 因此长期以来在国内很难开展相关实地观测工作, 相关观测研究成果也较少。

本文利用德国Trios公司生产的太阳光谱仪(RAMSES-ACC-VIS, 波长范围320～950 nm, 精度0.3 nm)和加拿大生产的太阳光谱仪(SolarSIM-G, 波长范围280～1 200 nm, 精度0.1 nm)在2020年—2021年期间西藏主要人口密集地区(拉萨、 林芝、 那曲、 日喀则、 定日)进行了地面太阳光谱特征的观测研究。

1 西藏地面太阳光谱观测

太阳光谱是指太阳发出的光强按波长的分布曲线, 即不同波长光的粒子数按波长的分布曲线, 也称太阳光谱辐照度(solar spectral irradiance)。 太阳发出的光辐射中, 不同波长的光子数不同, 这是由太阳本身的温度等特性决定。 地球大气层之外太阳光谱特征可以通过卫星测量, 进入大气层后由于受到大气成分的散射、 反射和吸收, 太阳光谱模样或特征发生改变。 改变后的光谱特征可以通过地基太阳光谱仪进行呈现。 在海平面太阳紫外光约占总辐射的7%, 可见光约占50%, 红外光约占43%。 在西藏高原这些比值不一样, 也随着当日太阳高度角和季节性发生变化。

1.1 西藏太阳光谱观测站点

观测站点基本覆盖西藏人口相对密集的地区拉萨市、 林芝市、 日喀则市、 珠峰地区(定日)和那曲市。 这五个站点基本能代表西藏高海拔、 多山地形地貌、 高原强辐射情况, 站点具体地理分布如图1所示。 详细站点地理坐标和观测信息如表1所示。

表1 西藏太阳光谱观测站坐标及观测周期

图1 西藏太阳光谱观测站点分布

本研究计划数据采集时间为一年, 表中有效数据天数不同是由于不同站点供电和运维差异造成。 那曲站点由于观测研究期间进行了一次站点搬迁导致仪器安放时间搁置, 数据有部分缺失; 林芝地区由于运维不当, 造成较多天数的数据缺失。 各地观测点符合地基太阳辐射观测的基本要求。 各站点都安装在城市建筑楼顶, 周边场景基本宽阔, 尽量避免白天被周边建筑、 树木、 山顶和其他遮阳物影响辐射观测。

1.2 西藏太阳光谱观测仪器

观测利用了两款国际标准的高精度太阳光谱仪。 德国Trios公司高精度光谱仪(RAMSES-ACC-VIS), 一款独立高度集成的高光谱辐射计, 小尺寸和低功耗; 一款加拿大Spectrafy公司高精度光谱仪(SolarSIM-G), 包括三种波长范围的光谱仪, 能够精确测量太阳光谱和总辐射。 两款光谱仪均于2019年购置, 厂家做了绝对校准。 RAMSES-ACC-VIS光谱仪的绝对校准是在德国TriOS Optical Sensors公司的标定暗室里进行。 校准过程保持室内环境温度25 ℃和相对湿度RH 25%。 校准利用了由德国光谱仪校准公司Gigahertz-Optik GmbH做了绝对校准的NIST标准卤素灯(DXW-1000W, 120V)。 校准时卤素灯放置于被测光谱仪上方50 cm处, 灯光垂直照射被测光谱仪。 参考光谱仪放置于被测光谱仪的旁边。 根据参考光谱仪和被测光谱仪输出的光谱数据对比分析, 除去背景光的影响, 获得被测光谱仪的校准参数。

SolarSIM-G光谱仪的绝对校准是由加拿大Spectrafy Inc公司在渥太华自然太阳光下进行。 校准测试环境温度为25 ℃, 大气质量AM2.1, 相对湿度RH 25%和晴天辐照度900 W·m-2的光谱下, 利用参考光谱仪SolarSIM-G SN1010(在美国国家可再生能源实验室NREL做了标准化校准)对购置的光谱仪进行了并肩同步绝对校准测试。

观测期间数据记录的时间间隔选定为每分钟记录一次, 多数观测站数据通过远程控制方法进行采集, 个别站点通过当地维护人员采集。 光谱仪详细参数和使用观测站点信息如表2所示。

表2 太阳光谱仪参数与安装站点信息

2 西藏太阳光谱观测结果

2.1 西藏太阳光谱日均变化特征

首次观测研究了西藏多地完整一年的太阳光谱变化特征, 能够较全面了解西藏各地太阳光谱一年四季的变化特征, 包含了太阳光谱曲线最大最小值之间的变化区间, 全面反映西藏各地太阳光谱辐照度基本特征, 具有非常重要的研究意义。

为了研究全年各种天气条件下西藏太阳光谱逐日变化特征, 对每天所有1 min的光谱辐照度进行日均处理算出每天的日均光谱曲线, 进而获得西藏各地全年三维日均光谱变化特征(图2)。

图2 西藏全年日均太阳光谱辐照度

计算日均太阳光谱时选用了当地实际日出到日落所有数据取平均值。 图2中包含了西藏各地太阳光谱的丰富信息, 如: 全年紫外辐射、 光合有效辐射、 红外辐射的辐照度及其占比信息; 高海拔大气成分(水汽、 氧气、 臭氧和二氧化碳等)吸收和散射(瑞利散射和米氏散射); 各波段光谱的积分值总幅射信息; 季节变化信息; 太阳能资源信息等。 全年光谱数据为相关领域的进一步研究和应用提供实地数据, 很多细节超出本研究范围, 不做叙述。 西藏各地冬季光谱辐照度最低、 曲面光滑, 说明太阳高度角小、 晴天多; 夏季光谱辐照度最高、 波动大, 主要是太阳高度角大和雨季多云变化引起; 全年太阳光谱季节性变化特征显著, 主要由于西藏位于中低纬度(28.65°N—31.47°N)。 图2中拉萨和林芝光谱在6月初出现光谱缺口和观测波长变动, 是因为两地更换了观测波长更长(280～1 200 nm)的光谱仪, 期间缺失数据。 下面对全年光谱观测数据图2中包含的部分重要信息进行量化分析。

2.2 西藏全年最高日均光谱特征

根据图2中的三维图分析出西藏各地全年最高日均光谱信息, 如表3所示。

表3 西藏各地全年最高日均光谱辐照度峰值

全年各地光谱峰值都出现在夏季, 其中日喀则出现最早(4月23日), 主要是当天日喀则观测站周边山上出现少量雪, 加上当天出现了长时间的积状云, 但分析当天全天光谱数据表明观测点阳光较短时间被云层遮盖, 积状云和周边雪山的反射增加了地面光谱辐照度。 珠峰出现在夏至前20天(05月31日), 主要也是当天少量的积状云增加了地面辐射强度, 使全天辐照度比夏至高; 林芝出现在正好夏至后一个月, 当天出现高原积状云。 二维图中各地光谱和AM0的光谱(大气层顶部的太阳光谱)做了比较, 发现通过西藏稀薄的大气层, 太阳光谱中小于400 nm短波紫外部分主要由大气上层的氧气(O2)和平流层的臭氧(O3)吸收, 280 nm以下的吸收率接近1; 可见光区处氧气有两个较弱的吸收带外其他光的吸收很少, 消光主要是由于大气分子的瑞利散射和气溶胶造成, 红外光谱的消光主要是因为大气温室气体(水汽, 二氧化碳等)的吸收。 水汽的吸收主要发生在对流层底部, 各波段具体吸收和散射窗口在图2二维图中标记。 二氧化碳(CO2)在波长中心2 700和4 300 nm处有吸收, 且1 500 nm处的吸收最强, 西藏观测仪器观测范围4 000 nm以内。 其中AM1.5高海拔光谱和低海拔光谱的对比研究在前期诺桑等发表的论文[11]中已经做了较详细报道。

根据维恩位移定律理论计算的大气层之外太阳光谱峰值波长在475 nm处, 这个波长在可见光的青光部分。 由于各地太阳光经过的大气层成分有所不同, 对理论峰值光的消光程度产生相应差别, 因此在不同地面观测的太阳光谱峰值波长与理论峰值波长之间出现相应的差别。 表3中拉萨光谱峰值波长与维恩理论值一致, 那曲和林芝偏高2.30 nm, 日喀则与定日珠峰偏高30.20 nm。 各光谱峰值向长波方向移动现象与黑体辐射理论中的当黑体温度降低时, 光谱峰值波长向长波方向移动理论无关, 因为西藏其他地方没有出现这种现象。

2.3 二分二至太阳光谱特征

在图2三维图中也包含了全年二分二至日均光谱信息, 反映一年四季太阳光谱随季节性变化特征。 理论上地面太阳光谱辐照度与日地相对位置相关, 日地相对位置有四个特殊分界点; 春分, 秋分, 冬至和夏至, 即, 二分二至。 西藏站点在北半球(28.65°N—31.47°N)区域, 太阳相对位置对光谱辐照度有显著影响。 西藏观测点二分二至辐照度与全天太阳高度角有关。

表4中计算了各站点二分二至当地正午太阳高度角。 各站点夏至当地正午太阳高度角均值为83.71°, 属于较高值(最大值为90°), 春分和秋分角度相同均值约为59.35°, 冬至均值只有约36.96°。 相邻节气之间太阳高度角都相差约23°左右。 因此, 在理论上天气和其他因素相同条件下, 某站点相邻节气之间太阳辐照度基本均等改变, 即, 春分和秋分的比冬至的高约二分之一, 而夏至光谱辐照度比冬至的约高一倍。 图3是由图2中分析出的拉萨和日喀则二分二至光谱变化特征信息。

表4 二分二至当地正午太阳高度角(α)和最大辐照度

图3 二分二至日均太阳光谱

图3中拉萨夏至日均光谱辐照度比冬至高约一倍多, 夏至光谱峰值1.13 W·m-2·nm-1, 冬至0.43 W·m-2·nm-1, 秋分0.78 W·m-2·nm-1。 秋分的比冬至的高约二分之一。 各节气光谱特征是可见区差异大, 紫外和红外差异小。

日喀则二分二至之间光谱变化特征没有拉萨明显, 夏至峰值1.11 W·m-2·nm-1, 秋分0.89 W·m-2·nm-1, 冬至约0.67 W·m-2·nm-1, 春分约0.78 W·m-2·nm-1。 日喀则各节气光谱曲线比较集中, 数据分析发现主要是夏至光谱相对较低, 夏至当天天气多云使日均光谱下降造成。

2.4 西藏太阳光谱年平均特征

在西藏采集完整一年太阳光谱数据非常困难, 此次观测属于首次全年观测研究结果。 完整一年的光谱数据不仅反映季节性变化特征, 而且能够较准确反映西藏各地太阳光谱资源全年平均特征。 图2中包含各观测站点全年平均光谱辐照度信息。 对图2中各观测站的所有日均光谱数据进行年平均计算获得各个站点年平均光谱辐照度, 结果特征如图4所示。

图4 西藏太阳能资源年平均分布特征

分析结果(图4)表明, 西藏日喀则和定日珠峰年平均光谱辐照度曲线几乎重合, 峰值也几乎相同, 约0.83 W·m-2·nm-1; 拉萨的略低, 峰值约为0.73 W·m-2·nm-1; 那曲的曲线最低, 峰值为0.53 W·m-2·nm-1。 太阳光谱年均值和太阳能资源不同地区分布特征对西藏高原开发利用太阳能资源具有重要的应用价值。

2.5 拉萨—北京太阳光谱对比

地面太阳光谱辐照度不仅与日地距离、 地理位置相关, 还与地面海拔(大气厚度)等因素相关。 高海拔地区因为大气薄、 密度小, 对光的吸收和散射都比低海拔地区小。 西藏拉萨观测站(29.65°N, 91.18°E)海拔3 693 m和北京观测站(39.97°N, 116.33°E)海拔32 m, 海拔相差3 661 m。 在2021年5月11日至当年10月6日期间拉萨和北京两地进行了同步太阳光谱观测。 拉萨光谱仪(RAMSES-ACC-VIS)观测波长300～950 nm, 北京观测仪(SolarSIM-G)波长280～1 200 nm。 为了排除天气(主要是云)影响, 在观测数据中发现了2021年6月3日两地均为晴天, 分析了两地当地正午太阳光谱特征, 如图5所示。

图5 拉萨—北京2021.06.03晴天正午太阳光谱

拉萨当地正午是北京时间13:55时, 北京观测站当地正午12:14时。 北京时间的当地正午12:00时为东经120°E的时刻。 计算表明图5中拉萨全波段光谱比北京的高出约20%, 比大气质量AM0的低约5%; 发现拉萨紫外光谱辐照度比北京高约15%, 主要是因为拉萨上空有臭氧低谷现象引起; 北京和拉萨的光谱辐照度在可见区相差最大, 拉萨比北京高约25%, 说明拉萨气溶胶的含量北京低很多。 红外区波长越长相差越小, 红外区主要是水汽吸收带造成, 据文献表明水汽能吸收约20%的红外光, 北京大气对流层中的水汽比拉萨多, 因此吸收光谱也多。 其他原因包括当日太阳高度角, 拉萨当日正午太阳高度角是82.62°, 北京为72.30°, 相差10.32°, 对光谱辐照度造成相应影响。 当地正午拉萨光谱峰值达1.83 W·m-2·nm-1, 北京为1.41 W·m-2·nm-1, 基本可以反映拉萨和北京全波段辐照度的差异特征。

3 结 论

对西藏多地进行了完整一年的地面太阳光谱观测研究。 获得西藏全年太阳光谱日平均和逐日变化特征结果数据; 获得西藏全年最大日平均光谱辐照度上限数据; 发现二分二至四个季节节点的光谱辐照度范围数据; 发现西藏各地太阳光谱年平均辐照度特征; 高海拔拉萨和低海拔北京晴天太阳光谱做了对比研究。 研究结果对西藏太阳能的利用、 生态环境保护等相关领域提供实地数据。 本文侧重点放在西藏太阳能资源定量观测及其全年随时间变化特征的研究, 定性研究了影响地面太阳光谱的主要因素(日地距离, 海拔和天气等)。 地面太阳光谱观测均在西藏自然状态下实地进行, 观测结果受到当地大气分子、 水蒸气(云层)、 气溶胶等的影响。 大气层各种影响因子对地面太阳光谱的总影响是通过大气层顶部AM0光谱去掉地面光谱可以获得。 但是, 由于侧重点和篇幅原因没有定量研究影响地面光谱的其他因子(大气吸收、 散射、 地面反射等), 在今后的研究中结合辐射模拟等相关理论, 可以进行相关研究。

地面太阳光谱观测存在一定的误差, 主要原因包括光谱仪的衰减误差, 即随着长期暴露在强紫外辐射环境下使入射窗口光电转化器件等老化, 造成每年约0.1%的衰减, 因此需要定期进行相对校准; 其他误差来源是观测过程的误差, 包括水平调试不准、 探头污染等因素造成的误差, 一般误差不超过0.5%, 因为定期进行水平调试校准和探头清理维护。