Influence of local waste burning on atmospheric aerosol properties in urban environment

Aerosols affect the radiative energy budget on both the regional and global scales. The wavelength-dependent aerosol optical depth (AOD) is a fundamental determinant of the amount by which extra-terrestrial incoming sunlight and outgoing terrestrial radiation are being attenuated in the atmosphere. The present study addresses the influence of local waste burning on aerosol characteristics, black carbon (BC) aerosol mass concentration and spectral solar irradiance using ground-based measurements over the tropical urban environment of Hyderabad, India. AOD has been observed to be maximum during burning days compared to normal days. Aerosol size spectra suggest bimodal distributions during pre-and post-burning periods and trimodal distributions during burning periods. Angstrom wavelength exponent estimated from spectral variation of AOD suggested dominance of accumulation mode particle loading during burning days compared to normal days. Diurnal variation of BC on normal days showed a broad nocturnal peak during ∼20:00 to ∼24:00 h with a maximum value of BC aerosol concentration of ∼14,000 ng m⁻³ whereas on local waste burning days enormous increases in BC concentrations have been observed with a peak at ∼60,000 ng m⁻³. Relative attenuation of global solar irradiance during burning days has been found to be of the order of 30% in the visible and 28% in the near-infrared regions. The results are discussed in detail in this paper.     

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。     

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.     

西藏日食太阳辐射观测研究

日食现象会对地球太阳辐射、大气气象以及人类活动等造成相应的影响。2020年6月21日（夏至）在西藏发生了一次日食现象,西藏阿里日环食最大食分达到了0.995,拉萨地区日偏食食分也高达0.953。两地日食均发生在当地正午前后。本研究利用罕见的日食出现机会,对西藏阿里和拉萨日食过程中的太阳光谱、太阳总辐射和太阳紫外线变化特征进行了同步观测研究。观测表明阿里日环食在当地正午（北京时间14:41分）前后持续了约3小时27分钟;拉萨日食出现时间比阿里滞后约26 min,持续时间比阿里短3分28秒。实地观测表明在日食期间,阿里光谱观测中最强单色（476.6 nm）光峰值从初亏（13:01分）时刻的1 669.234 mW·m-2·nm-1陡然衰减到食甚（14:44分）时刻的61.936 mW·m-2·nm-1,损失约96.0%;相应时刻太阳总辐射强度从1 221.217 W·m-2衰减到56.086 W·m-2,也损失约95.4%。拉萨日食期间最强单色（476.6 nm）光峰值从初亏（13:27分）时刻的1 563.876 mW·m-2·nm-1亏损到食甚（15:13分）时刻的26.391 mW·m-2·nm-1,亏损约98.3%;相应时刻太阳总辐射强度从1 605.663 W·m-2衰减到28.169 W·m-2,也亏损约98.2%。观测研究发现拉萨太阳紫外线B剂量率从初亏的60.8 W·m-2减弱到食甚的0.9 W·m-2值,减弱了98.5%。该次日食对西藏地面各种太阳辐射强度造成95%以上能量损失。     

实用型三谱段太阳模拟器的设计与研制

本文设计并研制了一种实用型三谱段太阳模拟器,其光谱匹配可同时调整3个谱段(300~700 nm,700~900 nm,900~1 700 nm)范围的能量,修正后可满足三结砷化镓太阳电池的测试使用要求。本文重点阐述了三谱段太阳模拟器滤光片的设计和氙灯光谱的修正及测试,介绍了太阳模拟器的光机结构。实验表明:三谱段太阳模拟器的光谱匹配满足三结砷化镓太阳电池各子电池的响应电流值。在有效辐照面150 mm×150 mm上,平均辐照度可以达到2个太阳常数(2 730 W/m²),辐照不均匀度达到±1.77%,辐照不稳定度达到±0.83%,为太阳电池自动分拣系统提供了可靠稳定的平台。     

太阳辐照对静止水面稳态蒸发的影响

针对低风速下静止水面的蒸发过程,考虑水面与气流的对流传热传质、水体对太阳能辐射的容积内光谱吸收及内部传热,建立分析太阳辐照作用的水面稳态蒸发模型.采用控制容积法结合蒙特卡洛法和谱带模型数值求解水体内部、表面、气流之间的能量传递与质交换.分析空气湿度、温度、流速及正逆温差下,太阳辐照强度对于水面蒸发的影响.结果表明,太阳辐照强度对低风速下静止水面蒸发的影响很大.     

Reply to the Comment of G. Feulner

In my reply I present a re-analysis of the data of the Smithsonian Astrophysical Observatory (SAO). For this, a new data reduction method is introduced, allowing a drastic lowering of data scatter, so that the time series of the reduced data clearly shows the ≈ 1% variation of the terrestric solar irradiance in parallel with solar activity. The implications are discussed.     

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。     

大面积准直型太阳模拟器的设计与研制

设计并研制了一种大面积准直型太阳模拟器,其有效辐照面直径达到1 100 mm,平均辐照度达到1.3个太阳常数（AM0）,光束准直角为±1.59°。首先给出了太阳模拟器的光学系统,分别从光源选择和布局,椭球镜设计和准直镜设计进行了阐述;介绍了太阳模拟器的光机结构;进行了系统的仿真和实现。实验表明,太阳模拟器的平均辐照度达到1 760 W/m²,辐照不均匀度达到±4.6%,辐照体不均匀度达到±5.96%,辐照不稳定度达到±1.36%,光谱匹配在300~1 400 nm波长范围内满足ASTM E927-10中AM0 B级要求,为航天有效载荷的热真空试验和热平衡试验提供了一个准确可靠的平台。     

太阳模拟器中正方形光学积分器的设计与分析

为了解决太阳模拟器辐照均匀度问题,设计一种可以明显提高太阳模拟器辐照均匀度的正方形光学积分器。根据太阳模拟器以及光学积分器的组成与工作原理,对正方形光学积分器各光学参数进行理论设计,并且分析积分器像差对工作面均匀性的影响。利用Lighttools软件对太阳模拟器系统进行仿真,提出了投影镜离焦改善辐照面均匀性的优化方法。设计的积分器可使太阳模拟器在200 mm200 mm正方形辐照面内的辐照不均匀度达到1.72 %。     

自动寻日的太阳辐照绝对辐射计

为了准确测量太阳总量辐射,研制了具备自动跟踪能力的太阳辐照绝对辐射计SIAR-3a.介绍了SIAR-3a的原理,提出了双轴太阳跟踪的控制方法.SIAR-3a采用电来标定待测量的太阳总量辐射,可以在测量太阳总量辐射的同时较为准确地跟踪太阳.标定实验中,SIAR-3a在3σ范围内的相对均方根误差是0.06%,已经标定到了保...     

AAA级太阳模拟器的设计与研制

完成了一种光谱匹配、辐照不均匀度和辐照不稳定度均能达到A级标准的AAA级太阳模拟器的设计与研制。介绍了太阳模拟器的光源选择和滤光片的设计,给出了太阳模拟器的光机结构,测量了太阳模拟器的各项技术指标。结果表明,太阳模拟器的光谱匹配在波长400～1 100 nm处满足ASTM E927-10中AM1.5G A级要求。在有效辐照面55 mm×55 mm内,其平均辐照度达到1 000 W/m2,辐照不均匀度达到1.35%,辐照不稳定度达到1.27%。测量数据显示设计的太阳模拟器满足ASTM E927-10的AAA级标准。     

槽式聚光光伏-光热化学互补系统中吸热反应管性能研究

本文以槽式聚光光伏-光热化学互补系统为对象,并以甲醇裂解反应为例,探究了该系统内的吸热反应管在入射光谱仅为透过的红外光谱波段时的性能。研究结果表明,当几何聚光比为21.4时,透射到吸热反应管的红外光谱能量转化为太阳能燃料化学能的效率可达54%~58%。此外,还研究了太阳直射辐射强度、甲醇进口流量、甲醇进口温度等关键运行参数对吸热反应管中反应管温度、甲醇转化率等的影响。本文的研究工作为探索聚光光伏-光热化学互补方法提供了一种可能。     

太阳能聚焦光斑能流密度测量方法评估

为了确定一种新型间接测量太阳能热发电系统聚焦光斑能流密度分布方法的测量误差范围,对其进行了进一步研究。从理论公式出发,分析了该测量方法的误差源;使用球面小定日镜、CCD相机、漫反射板、中性密度滤光片等设备进行了能流密度测量的实验,使用MATLAB软件对实验数据进行处理,得到了漫反射板上聚焦光斑的能流密度分布和总能量;实验时借助全站仪测量并计算了定日镜中心的光线入射角,根据定日镜的面积和反射率、太阳直射辐射值、余弦效率等计算了光斑能量的理论值,并与测量得到的聚焦光斑总能量比较,得出了实验条件下该方法测量光斑总能量以及能流密度的相对误差为3.5%。该测量误差在允许范围内,进一步证实了该能流密度测量方法的正确性和可行性。     

星载太阳紫外光谱监视器的地面辐射定标

星载太阳紫外光谱监视器是一种小型化、高精度紫外-真空紫外光谱辐射计,它有两种工作模式,即探测太阳紫外光谱辐照度的太阳模式和探测大气的太阳后向散射紫外光谱辐亮度的大气模式。对应这两种工作模式分别建立了紫外-真空紫外光谱辐照度和紫外光谱辐亮度定标装置。光谱辐照度标准灯直接辐照仪器的漫反射板进行仪器的光谱辐照度响应度定标,光谱辐照度标准灯辐照标准漫反射板形成朗伯面光源进行仪器的光谱辐亮度响应度定标。误差分析表明:160~250 nm光谱辐照度绝对定标误差为6.5%,250~400 nm为4.3%;250~400 nm光谱辐亮度绝对定标误差为5.9%。星载太阳紫外光谱监视器获得的地外太阳紫外光谱辐照度与大气的太阳后向散射光谱辐亮度数据,同国际上的观测结果相比一致性达±10%。     

A new proposal for Si tandem solar cell: Significant efficiency enhancement in 3C–SiC/Si

In order to considerable enhancement of the efficiency of silicon solar cells, in this paper, for the first time, we present a new proposal for silicon based tandem solar cells. For investigation of this idea, we have evaluated the characteristics of 3C–SiC/Si crystalline tandem solar cells connected series by a tunneling junction, under air mass 1.5 global irradiance spectrums. A 2D simulation including the effects of surface passivation, back surface field (BSF), and carrier tunneling have been performed to obtain the optical and electrical characteristics of single junction silicon, 3C–SiC, and finally the tandem cells. The obtained data illustrate that the best design parameters considering the experimental limitations can be obtained. High energy conversion efficiency for the proposed structure of 26.09% has been achieved for 3C–SiC/Si tandem structure driven by 20.49% and 17.86% conversion efficiencies of single junction Si and 3C–SiC solar cells, respectively. Our results justifies that the higher conversion efficiency of the Si-based tandem structure compared with 3C–SiC and Si cells stems from enhancement of open circuit voltage and fill factor parameter at the hands of decrease in short circuit current limited by the top 3C–SiC cell.     

自动寻日的太阳辐照绝对辐射计(英文)

为了准确测量太阳总量辐射,研制了具备自动跟踪能力的太阳辐照绝对辐射计SIAR-3a。介绍了SIAR-3a的原理,提出了双轴太阳跟踪的控制方法。SIAR-3a采用电来标定待测量的太阳总量辐射,可以在测量太阳总量辐射的同时较为准确地跟踪太阳。标定实验中,SIAR-3a在3σ范围内的相对均方根误差是0.06%,已经标定到了保存在瑞士达沃斯世界辐射中心的世界辐射基准。太阳辐照实验结果表明,SIAR-3a工作可靠,测量结果准确。     

一种新型的多孔太阳墙采暖房

长江中下游地区很多建筑没有安装专门的供暖设备,传统的空调采暖增加了建筑能耗。利用太阳能和建筑物自身进行采暖,具有重要的意义和价值。本文提出了一种新型的多孔太阳墙采暖房,其核心部分多孔太阳墙是由多孔陶瓷构成。在晴朗的冬季,对多孔太阳墙采暖房的采暖性能进行了实验研究;研究重点检测了不同外界环境(主要是指太阳辐射照度和环境温度)下,多孔太阳墙采暖房的采暖及储热性能。研究表明:多孔太阳墙采暖房在白天大部分时间都具有较好的采暖效果,且采暖房内的温差较小;同时具有较好的储热性能。以实验测得的武汉地区1月某天的实验数据为例,相比环境温度,当天采暖房内最高温升为19.9℃。在07:00～16:00之间,采暖房的平均温升为11.5℃;在辐射强度较弱的16:00～18:00,采暖房的平均温升为6.6℃。在07:00～18:00之间,采暖房内最大温差为1.37℃,出现在12:40。     

Radon and its short-lived progeny: variations near the ground

In the atmosphere above the surface of the Earth the concentrations of radon and its progeny are measured, along with the meteorological parameters from December 1997 to December 2000 for a continental location, Pune (18°N,74°E), India. The concentrations show maxima in the early morning hours when the turbulence mixing is minimum; whereas in the afternoon the turbulence mixing is maximum and concentrations exhibit minima. The median values of concentration are 9.70 and 2.84 Bqm⁻³, respectively, for radon and its progeny, during the observation period. Ionization rates in the atmosphere are derived for the same period. It is found that the ionization rate exhibits a median value of 5.48 ionpairscm⁻³ s⁻¹. The diurnal and seasonal variations in the concentrations of radon and its progeny, and the ionization rate due to radioactivity are found to exhibit correlation with the relative humidity, and anti-correlation with the temperature.