10.辐射和日照时数的观测课件

1、10.辐射和日照时数的观测,本章要求,各种辐射测量仪器的基本原理、结构和特点,主要内容,概述 基本概念与单位 辐射传感器 辐射基准 太阳直接辐射的测量 短波总辐射的测量 净全辐射和红外辐射的测量 紫外辐射的测量 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

2、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

3、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。,地气系统的辐射平衡,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，北半球日辐射总最小，极圈内为零，南北差异最大。南半球情况相反。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

4、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,辐射测量单位： 辐照度E：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。单位为瓦米-2 （J m -2 ） 。 曝辐量H：指一段时间副照度的累计量。单位为兆焦耳米-2（MJ m -2 ）.,气象辐射量： 1. 太阳短波辐射 直接辐射S 水平面太阳直接辐射SL，SL=S*cosZ 散射辐射Ed 总辐射Eg 短波反射辐射： Er,2、地球长波辐射 大气

5、长波辐射（大气逆辐射）EL 地面长波辐射EL 3、全辐射：短波辐射与长波辐射之和。 4、净全辐射E*：向下全辐射与向上全辐射之差。,6.3 辐射传感器,使用的辐射传感器一般都为热电型，传感器由感应面和热电堆组成。,当辐照度E越强，热电堆两端的温差越大，输出地电动势V也就越大，它们之间的关系基本上是线性的； 其中K=V/E，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标 通常热电型辐射表是相对仪器，他与标准仪器对比观测（检定）后，才能给出一起的灵敏度K。,6.4 辐射基准,新的日射测量基准(WRR) ,1980.7.1启用。 WRR=1905年的埃斯川姆标尺*1.026。 WR

6、R=1913年的史密松标尺*0.977。 WRR=1956年的国际直接日射表标尺(IPS)*1.022。 世界辐射中心：瑞士 达沃斯,世界标准仪器组（WSG）每5年组织一次国际对比，区域辐射中心的标准与WSG对比，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WRR进行传递，每2年对辐射站网上网仪器进行一次检定。,6.5 直接辐射的测定,测量直接辐射使用的是直接辐射表，或称直接日射强度表，分为绝对和相对日射表。 绝对日射表，直接得到以W/m-2为单位的日射强度值； 相对日射表，将电参量换算成日射强度值。,6.5.1

7、埃斯川姆补偿式绝对日射表,用于检定其它直接日射表的一种便利的仪器，最普通的是埃斯川姆（Angstrom）绝对日射表。 由埃斯川姆1893年设计，1905年的埃斯川姆标尺即以此为基础，现在用作二级标准。,Knut ngstrm (1857-1910),埃斯川姆绝对日射表原理,埃斯川姆绝对日射表，感应部分为进光筒内的两块接收系数近似1的黑色锰铜片。 观测时，圆筒正对太阳，使一块锰铜片受日光照射而增热，不受照射的锰铜片通过电流加热，调节加热电流直到两块锰铜片温度相等，加热电流平方与辐射强度成正比。,仪器的结构和计算公式见教材P142。 计算公式： K为仪器常数；,使用注意事项,日射表防风不佳，不能在

8、大风天使用。 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热量，两者温度梯度相反，引起的误差约为0.5%。 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件。 当太阳高度角低于20时，窄长的露光孔将受到部分地面的反射。 温度较高时，硬橡皮底座会拉断锰铜片。,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。 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，其平均值即为检流计零点。 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。调整电阻r，使检流计处于零点，读取加热电流数值。

9、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3.，使电流加热和接受太阳辐射的遮光板刚好对换，再读一次加热电流值。,仪器观测步骤,The self-calibrating Absolute Cavity Pyrheliometer, Model HF, Eppley lab,6.5.2 相对日射表,感应部分是一块熏黑的薄银片，银片背后贴有热电偶堆。 观测时，接通引线与检流计，对准太阳，读取遮挡（N0）和未遮挡（N）时的检流计读数，则太阳直接辐射强度,pyrheliometer: (1) protection cap, (2) window with heater, (3) sight,

10、 (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,6.5.3 气象站常用直接日射表,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。,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,分波段测量的目的：可用来确定大气浑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。 包括:宽波段直接辐射测量和太阳光度测量两种类型。,宽波段直接辐射测量,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。,滤光片因子的定

11、义 理想滤光片：在截止波长内滤光片的透过率为1，在截止波长外透过率为0。 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。 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的精度。 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； 这块滤光片透过率的谱分布不一样。 由于不太可能精确地确定滤光片因子，因而大大影响了太阳辐射分波段测量的精度。,太阳光度测量,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。 CE318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。,Microtops I

12、I Sunphotometer,Cimel Sun Photometer,The POM-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,6.6.1 测量原理,短波总辐射的测量包括： 水平面上太阳辐射 天空向下的散射辐射 地面对上述两项的反射辐射 测量原理：利用黑片和白片吸收率的差异，测定黑片与白片之间的温差，然后换算成辐射通量密度。 由热平衡公式推导得： 其

13、中：K为仪器常数，N为电表读数,右图为Eppley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 Pyranometers,6.6.2 天空辐射表（散射辐射表）,天空辐射表（散射辐射表）,总辐射表装上遮光环（或遮光板），遮去直射辐射，仪器只能测到天空散射辐射； 遮光环以辐射表感应面为中心，直径约30厘米，环宽约5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辐射。 显然由于遮日

14、环的影响使测值偏小，必须加以校正。,6.6.3 反射辐射表,Kipp & Zonen CMA 6 Albedometer,The pyranometer for measuring incident solar radiation (the one measuring the reflected radiation is attached underneath),6.6.4 仪器的改进,防风玻璃半球罩的透过率 仪器的温度效应和非线性响应 散射辐射的连续纪录 总辐射的分波段测量 滤光玻璃罩：增温、订正 是台站常规仪器，在使用、安装和维护方面要遵守一些最基本的原则。,6.7 净全辐射和红外辐射的测

15、量,净全辐射：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热，为负表示地表损失热量。 净全辐射用净全辐射表测量。,FNP-1新型净辐射表,CNR 1 Net Radiometer,NR Lite2 is designed for routine measurement of net radiation,CNR 2,CNR 4,红外辐射计,Eppley PIR 技术性能参数 灵敏度：大约4 V/Wm-2 阻抗：大约700欧姆 温度依赖性：1%-2040 线性：1%，0700Wm-2 响应时间：2s（1/e信号） 余弦响应：好于5% 材料震动：最大20 gs无损坏 标定：黑体参

16、比 尺寸：直径5.75英寸，高度3.5英寸 重量：7磅 方位：性能不受方向和倾斜影,6.8 紫外辐射的测量,感应原理 UV-C：0.1000.280 m 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，影响人类健康 UV-A：0.3150.400 m 相当数量到达地面，对人类无明显影响,Eppley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：定义为太阳直接辐射辐照度达到或超过120W/m-2的各段时间的总和，以小时（h）为单位，取一位小数。 日照时数主要应用于表征当地气候，描述过去天气状况等。 可照时数：只在无任何遮蔽件下，太阳从某地东方地平线到进入西方地平线，其光线照射到地面所经历的时间。 日照百分比=(日照时数/可照时数)100%,测量日照时数的主要方法,烧痕法：