西藏地面太阳总辐射与紫外线的观测

地面太阳光谱记录了太阳光经历大气层的烙印与信息,为大气环境、生态保护等研究提供实地依据。西藏高原空气稀薄,地面太阳辐射超强,观测西藏地面太阳光谱为太阳能利用提供实地数据。文章较系统地报道了西藏地面太阳光谱的实地观测结果,为相关高原科学研究提供高精度数据。利用RAMSES光谱仪、CMP6太阳总辐射仪和NILU-UV太阳紫外辐射仪对西藏不同地区、不同季节太阳光谱、太阳总辐射和太阳紫外线进行了全方位的实地观测研究。观测研究了高海拔的西藏拉萨和那曲以及低海拔的北京和成都的光谱特征;研究了拉萨二分二至当地正午（北京时间13:55时）太阳光谱观测结果;对西藏地面光谱与AM1.5和AM0标准光谱进行了对比研究。观测研究了西藏拉萨和那曲太阳总辐射、太阳紫外线强度特征。研究发现拉萨夏季可见和红外区光谱光强度甚至超过AM0光谱相应波长的强度,即：拉萨地面可见光和红外光强度偶尔超过大气层顶部的相应波长光强,是由部分云的反射增量所致;拉萨光谱谱峰出现在波长476.6 nm左右,在2017年的夏至观测到的最大值为2.331 W·m-2·nm-1。然而,对太阳紫外线（280～400 nm）光谱的观测发现地面太阳紫外区的光谱强度总是明显低于AM0光谱相应区光强,表明短波的紫外光被大气臭氧有效吸收。虽然拉萨海拔3 680 m,但通过对拉萨当地正午太阳紫外光谱分析发现拉萨地面波长小于300 nm的太阳紫外光谱强度几乎为零,表明波长小于300 nm的太阳紫外线被大气层吸收,没有到达地面。同时,研究了西藏高海拔太阳光谱与北京、成都低海拔太阳光谱特征,揭示了各地大气成分、含量等诸多信息。报道了2010年7月-2013年12月期间西藏太阳总辐射的观测结果;结果显示拉萨当日太阳总辐射最大值中约18%超过了太阳常数（1 367 W·m-2）。观测发现拉萨太阳总辐射瞬时最大值达到了1 756.09 W·m-2（2011年6月24日）。报道了2008年7月-2013年12月期间西藏太阳紫外线的观测结果;结果显示拉萨和那曲UVA日最大值平均值约为67 W·m-2,UVB日最大值平均值约为5.1 W·m-2;拉萨和那曲当日太阳紫外线A和紫外线B最大值变化趋势保持了很好的一致性,在5年多的观测期间紫外线强度没有出现明显的增强或减弱趋势。     

西藏太阳光谱全年变化特征

精确观测地面太阳光谱能为反演大气环境、利用太阳能资源、保护植物生态等提供实地数据。对比目前卫星和地面观测结果显示由于海拔高、空气稀薄等因素西藏是地球上瞬时太阳辐照度最强的地区之一,观测西藏太阳光谱变化特征对研究强辐射环境下人类健康、生态变迁、太阳能利用等诸多领域具有独特的意义。2020年—2021年利用德国RAMSES-ACC-VIS光谱仪和加拿大SolarSIM-G高精度光谱仪对西藏五个高海拔地区(拉萨、林芝、那曲、日喀则、定日)进行了为期一年的太阳光谱观测研究。首次获得了西藏多地完整一年的太阳光谱实地数据,记录了每隔一分钟全天太阳紫外线、光合有效辐射和红外辐射光谱变化特征。分析研究了西藏各地全年日平均太阳光谱特征,发现全年日均最高光谱峰值1.12 W·m^-2·nm^-1出现在波长477.30 nm处。研究了西藏典型高原拉萨地区太阳光谱随季节性的变化特征,分析了其二分二至光谱辐照度变化区间,发现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<...     

日食观测与广义相对论的验证

根据广义相对论,强引力场附近是弯曲的,此时,光不是沿着人们通常说的以“直线”传播,而是沿着“曲线”传播。比起太阳系各大行星来,太阳可谓大质量天体,存在强引力场,因此,经过太阳边缘的星光会出现弯曲。     

新的太阳辐射测量结果低于以前的权威值

根据美国国家航空与宇宙航行局太阳辐射与气候实验的总辐射监视器(TIM)以及一系列新的辐射测量实验室的实验,在2008年太阳活动极小周期内,总的太阳辐射最精确值为1360.8±0.5Wm-2.这一数值比目前能量平衡计算和气候模型中所使用的1990年确定的权威数值1365.4±1.3Wm-2低了很多.老一代太阳辐射计测得的辐射值较高,其主要原因是散射光的     

太阳辐射监测仪观测角度变化的修正

研究了在卫星上太阳光扫过太阳辐射监测仪视场期间,太阳入射角的时间变化函数和在这种变角入射情况下辐射计接收腔的温度响应情况以及测量太阳辐照度的观测角变化修正问题.太阳辐射监测仪上的绝对辐射计是在腔上接收辐射功率发生微小变化的情况下,关闭快门进行电功率定标获得太阳辐射照度的,将腔接收辐射功率的这种微小变化作为角度修正因子对...     

基于精密太阳光谱辐射计的气象辐射观测

目前,气象业务观测普遍采用的积分型太阳辐射观测仪器存在观测数据信息量少、数据差异大的观测瓶颈,已无法满足目前众多应用科学研究领域对太阳光谱辐射精细化观测的需求,具有高光谱分辨率的精密光谱辐射计的仪器研制及观测方法与技术已成为太阳辐射观测的前沿科技问题。在此背景下,为解决气象领域太阳辐射的精细化观测问题,开展了深入的科学研究与技术开发工作。重点阐述了仪器开发成果和数据观测分析方法,首先介绍了开发研制的用于地基太阳光谱辐照度观测的光谱辐射计系统。光谱辐射计的分光系统采用了平场凹面光栅结构,具有低杂散光、高收光效率和高可靠性的特点,尤其适用于长期无人值守的户外观测。系统所采用的平场凹面光栅的像差校正特性对于300～1 100 nm这种宽谱段的应用来讲更为合适,在整个谱段范围内光谱分辨率变化很小,不同波长通道的带宽基本一致,使用25 μm狭缝时光谱分辨率(FWHM)约为2 nm,像素采样间隔小于0.5 nm。对于太阳辐射观测来讲,这是一种谱段范围和分辨率都与需求十分匹配的专用光谱辐照度观测仪器。其次,在观测数据的基础上,阐述和分析了气象等领域的光谱应用观测方法。太阳辐射照度分布的能量通过不同参数化模型约束的接收系统收集,将太阳光谱辐射在半球天穹中的变化及分布进行约束并划分为水平总辐照度(GHI),法向直接辐照度(DNI)和水平散射辐照度(DHI)三种光谱辐照度辐射分量,阐述了基于GHI,DNI和DHI三种观测形式下的数据特征与用途。其中,GHI是地表实际辐照度水平,适用于太阳能资源评估;DHI反映大气和云态;DNI作为直接透射形式,可用于计算日照时数和分析大气参量。并且,进一步分析了观测形式、光谱特征与地理(经度、纬度、海拔高度、大气质量)及气象参数(云量、大气吸收)之间的互易演算关系。与传统的波长积分式辐射观测相比,太阳光谱辐射计为辐射能量观测增加了波长信息维度。从DNI形式的光谱辐照度数据中可以看出,不同波长之间的辐射能量变化显著,而这些变化与大气变化密切相关。因此,太阳光谱辐照度数据不仅仅是为业务观测提供更精细化的太阳辐射信息,更提供了丰富的辐射能量的变化信息通道,利用特征波长维度的辐射信息,可进一步通过模型反演计算气溶胶光学厚度、臭氧、水汽等大气参数。通过精密太阳光谱辐射计,可将纳米分辨率水平的太阳光谱辐照度作为基础业务运行数据,提供精细化的太阳辐射分布及变化信息用于气象与气候模型、光伏资源评估与生态环境等研究;同时也为辐射波长分布中所蕴含的气候、农业、生态等领域关心的各种通量监测和演化关系研究提供了有力的数据信息及观测工具。     

太阳光谱对高分辨吸收光谱反演大气CO2浓度影响的研究

以太阳光为辐射源的近红外波段高分辨率吸收光谱广泛应用于大气参数遥测.以CO2浓度反演为例,研究了太阳光谱分辨率的影响.利用美国AER公司编制的太阳光谱计算程序得到大气上界的理论计算太阳光谱作为辐射源,结合自行编制的高分辨率大气透过率模拟软件HRATS对大气中CO2平均浓度进行模拟反演.数值模拟计算结果表明,太阳光谱的准确度对浓度反演非常重要,特别是在超分辨光谱反演中异常重要,虽然反演浓度的偏差与观测分辨率没有明显的线性变化规律,但有趋势:观测分辨率的降低对太阳光谱分辨率的要求也降低,为了精确反演大气中CO2浓度,因此需要充分利用大气层顶的高分辨太阳辐射光谱数据.     

激光点阵扫描法绝对定标太阳辐射计直射通道研究

利用可调谐激光器作为光源,以溯源于低温绝对辐射计的标准传递探测器作为激光束功率测量探测器,采用激光点阵扫描方法在太阳辐射计有效孔径光阑面形成均匀照度场,精确测量太阳辐射计870 nm无偏直射通道中心波长处绝对辐照度响应度。利用灯-单色仪系统扫描获得该通道相对光谱辐照度响应度,最终在实验室条件下获得该通道绝对光谱辐照度响应度,联合大气层外太阳照度谱数据通道内积分得到该通道大气层外响应常数V₀值,与NASA的GSFC中心的2009年定标结果差异仅为3.75%,定标不确定度达到2.06%,验证了这一新技术的原理可行性。     

自动多波段太阳辐射计光机设计及热力学有限元分析

研制了自动多波段太阳辐射计,仪器包含8个光谱通道,覆盖可见-近红外波段.通过二维转台和四象限跟踪组件,可实现对太阳直射辐照度、天空辐亮度、气溶胶光学厚度、大气柱水汽含量和臭氧含量的实时自动测量,并远程控制和传输数据.为减小温度变化对探测器响应的影响,对光机头部的八通道主体部分进行了温控设计.结合野外环境的实际情况,对关键部件八通道主体和散热外壳进行了热力学有限元分析.分析结果表明,主要光学元器件的安装结构满足实际温度变化产生的零件形变需求;增大外壳的散热面积可以有效提高八通道主体的温控效率,增强野外环境适应性.仪器在敦煌辐射校正场长期工作,经受住了风沙、雨水和温差等的测试,其温控系统的温度维持在25±0.2℃,表现出良好的稳定性,验证了温控设计的可靠性.     

中国区临近空间太阳辐射环境研究

临近空间(20~50km)航空活动是全世界航空大国竞相研究的热点。太阳辐射环境研究是开展该高度层航空活动的必要前提,然而临近空间辐射观测资料空白对其开发利用造成了障碍。臭氧是影响高空辐射环境的关键因子,基于欧洲中尺度预报中心再分析资料对中国区临近空间臭氧的空间分布、季节变化特征进行了分析,发现其时空分布及演变具备区域性特点,同时根据平流层大气数据及地表特征等将中国临近空间划分为5个区域,确定不同区域关键参数值,利用SBDART辐射传输模型对临近空间全波段太阳辐射及紫外辐射分别进行模拟。模拟结果显示受纬度、臭氧总量、垂直分布等影响,辐射值变化规律较为复杂。全波段太阳辐射年均和逐月值随纬度降低而增大,年较差则相反;大气的吸收作用与纬度、海陆差异有关,表现出不同的强度和季节变化特征;在紫外波段,南海上空辐射最强,年较差小,月较差很小且夏强冬弱,其他区域辐射值夏强冬弱,月较差呈双峰特征,春秋强,冬夏弱;大气的吸收作用受多因子影响,除南海外,各区域夏季辐射垂向差异更大;大气吸收引起的月较差垂向变化均表现为6、7月高低空月振幅一致,其它月份辐射值在高层月较差更大。     

成都地区太阳紫外辐射光谱的观测与分析

利用紫外CCD光学多道分析器,对成都地区2006年3月至7月UVA和UVB波段太阳紫外辐射光谱进行了观测,对这一地区紫外辐射的基本特征进行了统计分析。分析表明：太阳紫外辐射在一天内早晚小,中午大,一年中6月份达到最强,与太阳天顶角的变化密切相关; UVB辐射积分通量远小于UVA辐射积分通量,其比值一般小于0.04,在天气晴好时下午大于上午; 雾能导致UVB辐射积分通量与UVA辐射积分通量的比值增大,其原因是雾对UVA辐射衰减强于对UVB辐射衰减; 云对太阳紫外辐射存在异常吸收。     

Spectroradiometer for Monitoring Near-Earth Ultraviolet Solar Radiation

An automated spectroradiometer for monitoring levels and doses of biologically active UV radiation has been developed. An original design of a double grating zero-dispersion monochromator is proposed. The main characteristics of the design have been tested and it has been shown that as to its parameters the spectroradiometer complies with the recommendations of the World Meteorological Organization for network meters of natural UV radiation. The results of monitoring the spectral distribution and daily doses of the solar UV radiation at the Minsk Ozone Station are presented, and the estimated values of their seasonal variations have been determined.__________Translated from Zhurnal Prikladnoi Spektroskopii, Vol. 72, No. 2, pp. 264–270, March–April, 2005.     

卫星上绝对辐射计观测太阳时与太空的辐射交换

分析了卫星上用宽视场绝对辐射计（常温300K）观测太阳时与其视场内太空冷背景（4K）的辐射交换,它实际上是辐射计的接收腔向太空发射辐射,相当于辐射计接收了“负辐射”。视场宽时太空背景的这一“负辐射”量是不能忽略的,由于观测太阳（其视角很小为32’）的同时接收了充满其视场的太空“负辐射”,因此直接测得的数据比实际太阳辐射量值要小,需要加上这一“负辐射”量才能得到真正太阳辐射量值。研究出了用电功率补偿三步测量工作流程同时测量这一“负辐射”量和太阳辐照度的方法。在神州三号飞船轨道舱太阳常数监测器上的宽视场绝对辐射计采用这种工作流程测量了太阳辐照度,测得太空背景的“负辐射”值同计算值相同。     

太阳辐射观测仪余弦误差修正方法

为了提高太阳辐射观测仪测量准确度,针对余弦校正器自身漫射特性和菲涅耳反射引起的余弦误差,研究了不同安装形式、不同结构下修正余弦误差的方法.结合太阳辐射特性和余弦误差的产生因素,提出了余弦校正器外露、余弦器外露配合挡光环两种安装形式下的余弦误差修正方法,以及余弦校正器、积分腔两种结构形式下的余弦误差修正方法.根据太阳辐射观测仪的使用要求,利用TracePro对不同安装方式下的余弦误差进行建模仿真,利用高准直性太阳模拟器配合转台和转臂模拟不同方向的准直太阳光,并实测余弦误差.实测结果表明,余弦器外露配合挡光环形式下,入射角小于±80°,余弦误差可优于±6%.该修正方法可有效地减小太阳辐射光大入射角情况下的余弦误差,提高太阳辐射观测准确度.     

塔式太阳能热发电系统聚焦光斑能流密度的检测方法

提出了一种新型的基于间接测量原理的塔式太阳能热发电系统聚焦光斑能流密度的检测方法。该方法不需要使用量热计或能流密度探测器,使测量过程得以简化。利用同一部相机,在完全相同的相机参数设置下,拍摄太阳和聚焦光斑的图像,根据当前的太阳直射辐射值,标定相机的像素灰度值与聚焦光斑能流密度值的比例因子,进而得出聚焦光斑的能流密度分布。详细阐述了该方法的测量原理,搭建了实验平台,并测量了一面小定日镜聚焦光斑的能流密度分布,验证了该方法的正确性和可行性。实验结果表明,该方法测得的峰值能流的相对误差小于5%,而系统的重复性误差约为1%。     

太阳紫外辐射光谱的光学多道探测与分析

报道了自行研制的紫外CCD光学多道分析器及其在太阳紫外辐射光谱探测中的实际应用。紫外多道分析器光谱探测范围200～1 100 nm, 光谱分辨率0.1 nm, 光谱探测灵敏度0.02 lx。进行了成都地区UVA和UVB波段太阳紫外辐射光谱的实时探测,与常规的太阳紫外辐射探测仪器测量结果进行了比对,得到很好的相关。对所探测的太阳紫外辐射光谱进行的初步分析表明：太阳紫外辐射在一天内早晚小、中午大,与太阳天顶角(SZA)变化呈相反相关。UVB和UVA波段内不同波段的辐射量不同,长波段的辐射量一般比短波段的辐射量大。云和气溶胶对紫外辐射有重要影响,云对不同波长的辐射衰减不同。     

Strong signature of the active Sun in 100 years of terrestrial insolation data

Terrestrial solar irradiance data of the Smithsonian Astrophysical Observatory from 1905 to 1954 and of Mauna Loa Observatory from 1958 to 2008 are analyzed. The analysis shows that, with changing solar activity, the atmosphere modifies the solar irradiance on the percentage level, in all likelihood via cosmic ray intensity variations produced by the active sun. The analysis strongly suggests that cosmic rays cause a large part of the atmospheric aerosols. These aerosols show specific absorption and scattering properties due to an inner structure of hydrated ionic centers, most probably of O₂^‐ and O₂⁺ produced by the cosmic rays.     

Evaluation of solar spectral irradiance distribution using an index from a limited range of the solar spectrum

The output energy of photovoltaic (PV) modules under outdoor conditions is greatly influenced by the spectral irradiance distribution of the solar spectrum. To analyze this effect on PV modules, the spectral irradiance distribution, which is one-dimensional data, has to be represented by a zero-dimensional index. The average photon energy (APE) is an index for spectral irradiance distributions, which represents the average energy per photon in a spectrum. We have previously analyzed the uniqueness of the shape of the solar spectrum in the wavelength range of 350–1050 nm, and one corresponding value of APE showed a specific shape of spectral irradiance distribution. In this study, new indexes were calculated for a limited wavelength range of 350–750 nm and multiple bands of 450–500 nm and 800–850 nm of the solar spectrum for easy measurement and calculation. The result shows the uniqueness of new indexes to the shape of measured solar spectrum and the standard deviations were found to be quite small. This indicates that the new indexes are reasonable for representing the spectral irradiance distribution and its effect on PV performance.