辐射和日照时数的观测2010.

1、辐射和日照时数的观测本章要求本章要求 各种辐射测量仪器的基本原理、结构和特各种辐射测量仪器的基本原理、结构和特点点主要内容主要内容 概述概述 基本概念与单位基本概念与单位 辐射传感器辐射传感器 辐射基准辐射基准 太阳直接辐射的测量太阳直接辐射的测量 短波总辐射的测量短波总辐射的测量 净全辐射和红外辐射的测量净全辐射和红外辐射的测量 紫外辐射的测量紫外辐射的测量 日照时数的测量日照时数的测量6.1 概述 辐射是以电磁波形式传递能量的一种方式； 太阳辐射是地球获得能量的主要源泉； 辐射是地球表面与大气交换热量的一种形式； 到达地球大气上界的太阳辐射能量称为天文太阳辐射量。 在地球位于日地平均距离处

2、时，地球大气上界垂直于太阳光线的单位面积在单位时间内所受到的太阳辐射的全谱总能量，称为太阳常数。太阳常数的常用单位为瓦/米2。 因观测方法和技术不同，得到的太阳常数值不同。世界气象组织 (WMO)1981年公布的太阳常数值是1368瓦/米2。 地球大气上界的太阳辐射光谱的99以上在波长 0.154.0微米之间。大约50的太阳辐射能量在可见光谱（波长0.40.76微米），7在紫外光谱区（波长0.76微米），最大能量在波长0.475微米处。 由于太阳辐射波长较地面和大气辐射波长（约3120微米）小得多，所以通常又称太阳辐射为短波辐射，称地面和大气辐射为长波辐射。 太阳活动和日地距离的变化等会引起地

3、球大气上界太阳辐射能量的变化。 太阳辐射通过大气，一部分到达地面，称为直接太阳辐射；另一部分为大气的分子、大气中的微尘、水汽等吸收、散射和反射。被散射的太阳辐射一部分返回宇宙空间，另一部分到达地面，到达地面的这部分称为散射太阳辐射。 到达地面的散射太阳辐射和直接太阳辐射之和称为总辐射。太阳辐射通过大气后，其强度和光谱能量分布都发生变化。到达地面的太阳辐射能量比大气上界小得多，在太阳光谱上能量分布在紫外光谱区几乎绝迹，在可见光谱区减少40，而在红外光谱区增至60。 在地球大气上界，北半球夏至时，日辐射总量最大，从极地到赤道分布比较均匀；冬至时，北半球日辐射总量最小，极圈内为零，南北差异最大。南半

4、球情况相反。春分和秋分时，日辐射总量的分布与纬度的余弦成正比。南、北回归线之间的地区，一年内日辐射总量有两次最大，年变化小。纬度愈高，日辐射总量变化愈大。 到达地表的全球年辐射总量的分布基本上成带状，只有在低纬度地区受到破坏。在赤道地区,由于多云，年辐射总量并不最高。在南北半球的副热带高压带，特别是在大陆荒漠地区，年辐射总量较大，最大值在非洲东北部。6.2 基本概念与单位基本概念与单位 辐射测量单位：辐射测量单位： 辐照度辐照度E：在单位时间内，投射到单位面积：在单位时间内，投射到单位面积上的辐射能，即观测到的瞬时值。单位为上的辐射能，即观测到的瞬时值。单位为瓦瓦米米-2 （W m -2 ）

5、。 曝辐量曝辐量H：指一段时间辐照度的累计量。单：指一段时间辐照度的累计量。单位为兆焦耳位为兆焦耳米米-2（MJ m -2 ）. 气象辐射量：气象辐射量： 1. 太阳短波辐射太阳短波辐射 直接辐射直接辐射S 水平面太阳直接辐射水平面太阳直接辐射SL，SL=S*cosZ 散射辐射散射辐射Ed 总辐射总辐射Eg 短波反射辐射：短波反射辐射： Er 2、地球长波辐射、地球长波辐射 大气长波辐射（大气逆辐射）大气长波辐射（大气逆辐射）EL 地面长波辐射地面长波辐射EL 3、全辐射：短波辐射与长波辐射之和。、全辐射：短波辐射与长波辐射之和。 4、净全辐射、净全辐射E*：向下全辐射与向上全辐射：向下全辐射

6、与向上全辐射之差。之差。6.3 辐射传感器辐射传感器 使用的辐射传感器一使用的辐射传感器一般都为热电型，传感般都为热电型，传感器由感应面和热电堆器由感应面和热电堆组成。组成。 当辐照度当辐照度E越强，热电堆两端的温差越大，输出越强，热电堆两端的温差越大，输出地电动势地电动势V也就越大，它们之间的关系基本上是也就越大，它们之间的关系基本上是线性的；线性的； 其中其中K=V/E，称为仪器的灵敏度。，称为仪器的灵敏度。 K是否稳定是衡量一个辐射表等级标准的重要指是否稳定是衡量一个辐射表等级标准的重要指标标 通常热电型辐射表是相对仪器，他与标准仪器对通常热电型辐射表是相对仪器，他与标准仪器对比观测（检

7、定）后，才能给出一起的灵敏度比观测（检定）后，才能给出一起的灵敏度K。2(V)(W)VK Em6.4 辐射基准辐射基准 新的日射测量基准新的日射测量基准(WRR) ,1980.7.1启用。启用。 WRR=1905年的埃斯川姆标尺年的埃斯川姆标尺*1.026。 WRR=1913年的史密松标尺年的史密松标尺*0.977。 WRR=1956年的国际直接日射表标尺年的国际直接日射表标尺(IPS)*1.022。 世界辐射中心：瑞士世界辐射中心：瑞士 达沃斯达沃斯 世界标准仪器组（世界标准仪器组（WSG）每）每5年组织一次年组织一次国际对比，区域辐射中心的标准与国际对比，区域辐射中心的标准与WSG对对比，

8、将仪器系数调整到比，将仪器系数调整到WRR。 我国辐射测量标准器由中国气象科学研究我国辐射测量标准器由中国气象科学研究院气象仪器计量检定研究所（国家气象计院气象仪器计量检定研究所（国家气象计量站）负责保存和维持，并按量站）负责保存和维持，并按WRR进行传进行传递，每递，每2年对辐射站网上网仪器进行一次检年对辐射站网上网仪器进行一次检定。定。6.5 直接辐射的测定直接辐射的测定 测量直接辐射使用的测量直接辐射使用的是直接辐射表，或称是直接辐射表，或称直接日射强度表，分直接日射强度表，分为绝对和相对日射表。为绝对和相对日射表。 绝对日射表，直接得绝对日射表，直接得到以到以W/m-2为单位的日为单位

9、的日射强度值；射强度值； 相对日射表，将电参相对日射表，将电参量换算成日射强度值。量换算成日射强度值。6.5.1 埃斯川姆补偿式绝对日射表埃斯川姆补偿式绝对日射表 用于检定其它直接日射表用于检定其它直接日射表的一种便利的仪器，最普的一种便利的仪器，最普通的是埃斯川姆通的是埃斯川姆（Angstrom）绝对日射表。）绝对日射表。 由埃斯川姆由埃斯川姆1893年设计，年设计，1905年的埃斯川姆标尺即年的埃斯川姆标尺即以此为基础，现在用作二以此为基础，现在用作二级标准。级标准。Knut ngstrm (1857-1910)埃斯川姆绝对日射表原理埃斯川姆绝对日射表原理 埃斯川姆绝对日射表，感埃斯川姆绝

10、对日射表，感应部分为进光筒内的两块应部分为进光筒内的两块接收系数近似接收系数近似1的黑色锰的黑色锰铜片。铜片。 观测时，观测时，圆筒正对太阳，圆筒正对太阳，使一块锰铜片受日光使一块锰铜片受日光照射而增热，不受照照射而增热，不受照射的锰铜片通过电流射的锰铜片通过电流加热，调节加热电流加热，调节加热电流直到两块锰铜片温度直到两块锰铜片温度相等，加热电流平方相等，加热电流平方与辐射强度成正比。与辐射强度成正比。 仪器的结构和计算公式见教材仪器的结构和计算公式见教材P166。 计算公式：计算公式： K为仪器常数；为仪器常数；220.24RSiKilb使用注意事项使用注意事项1.1. 日射表防风不佳，不

11、能在大风天使用。日射表防风不佳，不能在大风天使用。2.2. 受太阳照射的那块锰铜片热量由外向内传递，受太阳照射的那块锰铜片热量由外向内传递，被电流加热的那块锰铜片则是由内向外传递被电流加热的那块锰铜片则是由内向外传递热量，两者温度梯度相反，引起的误差约为热量，两者温度梯度相反，引起的误差约为0.5%0.5%。3.3. 表面的铂黑由于潮湿会出现蚀孔，这将改变表面的铂黑由于潮湿会出现蚀孔，这将改变仪器常数，因此必须特别注意仪器的保管条仪器常数，因此必须特别注意仪器的保管条件。件。4.4. 当太阳高度角低于当太阳高度角低于2020时，窄长的露光孔将时，窄长的露光孔将受到部分地面的反射。受到部分地面的

12、反射。5.5. 温度较高时，硬橡皮底座会拉断锰铜片。温度较高时，硬橡皮底座会拉断锰铜片。1.1. 利用对光器对准太阳，打开盖子，遮光屏居利用对光器对准太阳，打开盖子，遮光屏居于中间位置，将两块感应片预热。于中间位置，将两块感应片预热。2.2. 校准仪器零点。读取两片同时接受太阳辐射校准仪器零点。读取两片同时接受太阳辐射和同时遮蔽时检流计读数，其平均值即为检和同时遮蔽时检流计读数，其平均值即为检流计零点。流计零点。3.3. 将遮光屏转向一片，被遮蔽的锰铜片加热，将遮光屏转向一片，被遮蔽的锰铜片加热，另一块暴露的锰铜片接受太阳辐射。调整电另一块暴露的锰铜片接受太阳辐射。调整电阻阻r r，使检流计处

13、于零点，读取加热电流数值。，使检流计处于零点，读取加热电流数值。4.4. 为避免两铜片不对称的影响，必须将遮光屏为避免两铜片不对称的影响，必须将遮光屏移向另一边，重复移向另一边，重复3.3.，使电流加热和接受太，使电流加热和接受太阳辐射的遮光板刚好对换，再读一次加热电阳辐射的遮光板刚好对换，再读一次加热电流值。流值。仪器观测步骤仪器观测步骤The self-calibrating Absolute Cavity Pyrheliometer, Model HF, Eppley lab6.5.2 相对日射表相对日射表 感应部分是一块熏黑的薄银感应部分是一块熏黑的薄银片，银片背后贴有热电偶堆。片，银

14、片背后贴有热电偶堆。 观测时，接通引线与检流计，观测时，接通引线与检流计，对准太阳，读取遮挡（对准太阳，读取遮挡（N0）和未遮挡（和未遮挡（N）时的检流计）时的检流计读数，则太阳直接辐射强度读数，则太阳直接辐射强度00()()SK NNNNpyrheliometer: (1) protection cap, (2) window with heater, (3) sight, (5) sensor, (7) humidity indicator, (10) cable for heater.K值通过与绝对日射表平行对比得到值通过与绝对日射表平行对比得到6.5.3 气象站常用直接日射表气象站常用

15、直接日射表 直接辐射表通常由进光筒、感应件、跟踪直接辐射表通常由进光筒、感应件、跟踪架（赤道架）和附件组成。架（赤道架）和附件组成。TBS-2-2型自动跟踪直接辐射表DFY3型直接辐射表6.5.4 太阳直接辐射的分波段测量太阳直接辐射的分波段测量 分波段测量的目的：分波段测量的目的：可用来确定大气浑可用来确定大气浑浊度和气溶胶的光学厚度，在农业、生浊度和气溶胶的光学厚度，在农业、生物、医疗卫生方面有着广泛的应用。物、医疗卫生方面有着广泛的应用。 包括包括: :宽波段直接辐射测量和太阳光度测宽波段直接辐射测量和太阳光度测量两种类型。量两种类型。宽波段直接辐射测量宽波段直接辐射测量 在直接辐射表露

16、光空开口处加上宽波段滤在直接辐射表露光空开口处加上宽波段滤光片，用来选择所关注的光谱带。光片，用来选择所关注的光谱带。滤光片因子滤光片因子 理想滤光片：在截止波长内滤光片的理想滤光片：在截止波长内滤光片的透过率为透过率为1 1，在截止波长外透过率为，在截止波长外透过率为0 0。 滤光片因子：理想滤光片后的太阳辐滤光片因子：理想滤光片后的太阳辐射通量密度与实际滤波片测量的比值。射通量密度与实际滤波片测量的比值。由于以下原因，不太可能精确地确定滤光由于以下原因，不太可能精确地确定滤光片因子，大大影响了太阳辐射分波段测量片因子，大大影响了太阳辐射分波段测量的精度。的精度。 难于精确确定太阳辐射在大气

17、层上界的光谱分析；难于精确确定太阳辐射在大气层上界的光谱分析； 难于精确确定大气透过率与气象条件的关系；难于精确确定大气透过率与气象条件的关系； 这块滤光片透过率的谱分布不一样。这块滤光片透过率的谱分布不一样。太阳光度测量太阳光度测量 太阳光度计：由一窄带干涉滤光片和一个太阳光度计：由一窄带干涉滤光片和一个硅光二极管制造的检测器组成。硅光二极管制造的检测器组成。 CE318自动跟踪太阳光度计，由法国自动跟踪太阳光度计，由法国CIMEL公司制造，目前应用最为广泛。公司制造，目前应用最为广泛。Microtops II SunphotometerCimel Sun PhotometerThe POM

18、-01 sky radiometer PGS 100 is a spectrophotometer for the routine automated measurement of the spectrum of direct solar radiation.6.6 短波总辐射的测量短波总辐射的测量6.6.1 测量原理测量原理 短波总辐射的测量包括：短波总辐射的测量包括： 水平面上太阳辐射水平面上太阳辐射 天空向下的散射辐射天空向下的散射辐射 地面对上述两项的反射辐射地面对上述两项的反射辐射 测量原理测量原理：利用接收面与热电堆冷端之间的温差，测量温：利用接收面与热电堆冷端之间的温差，测量温差

19、电动势，然后换算成辐射通量密度。差电动势，然后换算成辐射通量密度。 由热平衡公式推导得：由热平衡公式推导得： 其中：其中：K为仪器常数，为仪器常数，N为电表读数为电表读数312124()()ThSDTTKNn右图为右图为Eppley型短波总辐射表。型短波总辐射表。(1) sensor, (2, 3) glass domes, (5) cable, standard length 5 m, (9) desiccant.Apogee Silicon-cell Photodiode Pyranometers6.6.2 天空辐射表（散射辐射表）天空辐射表（散射辐射表）天空辐射表（散射辐射表）天空辐射表

20、（散射辐射表） 总辐射表装上遮光环（或遮光板），遮去直射辐总辐射表装上遮光环（或遮光板），遮去直射辐射，仪器只能测到射，仪器只能测到天空散射辐射天空散射辐射； 遮光环以辐射表感应面为中心，直径约遮光环以辐射表感应面为中心，直径约40厘米，厘米，环宽约环宽约6.5厘米，根据当地纬度和日期，适当调节厘米，根据当地纬度和日期，适当调节它的倾角，在一天任何时刻都能遮住太阳的直接它的倾角，在一天任何时刻都能遮住太阳的直接辐射。辐射。 显然由于遮日环的影响使测值偏小，必须加以校显然由于遮日环的影响使测值偏小，必须加以校正。正。6.6.3 反射辐射表反射辐射表Kipp & Zonen CMA 6 A

21、lbedometerThe pyranometer for measuring incident solar radiation (the one measuring the reflected radiation is attached underneath)6.7 净全辐射和红外辐射的测量净全辐射和红外辐射的测量净全辐射：净全辐射：净全辐射是研究地球热量收支净全辐射是研究地球热量收支状况的主要资料。净全辐射为正表示地表增状况的主要资料。净全辐射为正表示地表增热，为负表示地表损失热量。热，为负表示地表损失热量。净全辐射用净全辐射表测量。净全辐射用净全辐射表测量。FNP-1新型净辐射表CNR

22、1 Net RadiometerNR Lite2 is designed for routine measurement of net radiationCNR 2CNR 4http:/ Eppley PIR技术性能参数技术性能参数灵敏度：大约灵敏度：大约4 V/Wm-2阻抗：大约阻抗：大约700欧姆欧姆温度依赖性：温度依赖性：1%-2040线性：线性：1%，0700Wm-2响应时间：响应时间：2s（1/e信号）信号）余弦响应：好于余弦响应：好于5%材料震动：最大材料震动：最大20 gs无损坏无损坏标定：黑体参比标定：黑体参比尺寸：直径尺寸：直径5.75英寸，高度英寸，高度3.5英寸英寸重量：

23、重量：7磅磅方位：性能不受方向和倾斜影方位：性能不受方向和倾斜影6.8 紫外辐射的测量紫外辐射的测量 感应原理感应原理 UV-C：0.1000.280 m 在大气层中被完全吸收在大气层中被完全吸收 UV-B：0.2800.315 m 与大气臭氧密切相关，影响与大气臭氧密切相关，影响人类健康人类健康 UV-A：0.3150.400 m 相当数量到达地面，对人类相当数量到达地面，对人类无明显影响无明显影响Eppley紫外辐射计紫外辐射计Eppley Total Ultraviolet Radiometer (TUVR)（0.295 to 0.385 m）6.9 日照时数的观测日照时数的观测 日照时数：定义为太阳直接辐射辐照度达日照时数：定义为太阳