大氣探測學(xué) 輻射與日照時數(shù)的觀測

1、輻射和日照時數(shù)的觀測本章要求本章要求 各種輻射測量儀器的基本原理、結(jié)構(gòu)和特各種輻射測量儀器的基本原理、結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)點(diǎn)主要內(nèi)容主要內(nèi)容 概述概述 基本概念與單位基本概念與單位 輻射傳感器輻射傳感器 輻射基準(zhǔn)輻射基準(zhǔn) 太陽直接輻射的測量太陽直接輻射的測量 短波總輻射的測量短波總輻射的測量 凈全輻射和紅外輻射的測量凈全輻射和紅外輻射的測量 紫外輻射的測量紫外輻射的測量 日照時數(shù)的測量日照時數(shù)的測量6.1 概述 輻射是以電磁波形式傳遞能量的一種方式； 太陽輻射是地球獲得能量的主要源泉； 輻射是地球表面與大氣交換熱量的一種形式； 到達(dá)地球大氣上界的太陽輻射能量稱為天文太陽輻射量。 在地球位于日地平均距離處

2、時，地球大氣上界垂直于太陽光線的單位面積在單位時間內(nèi)所受到的太陽輻射的全譜總能量，稱為太陽常數(shù)。太陽常數(shù)的常用單位為瓦/米2。 因觀測方法和技術(shù)不同，得到的太陽常數(shù)值不同。世界氣象組織 (WMO)1981年公布的太陽常數(shù)值是1368瓦/米2。 地球大氣上界的太陽輻射光譜的99以上在波長 0.154.0微米之間。大約50的太陽輻射能量在可見光譜（波長0.40.76微米），7在紫外光譜區(qū)（波長0.76微米），最大能量在波長0.475微米處。 由于太陽輻射波長較地面和大氣輻射波長（約3120微米）小得多，所以通常又稱太陽輻射為短波輻射，稱地面和大氣輻射為長波輻射。 太陽活動和日地距離的變化等會引起地

3、球大氣上界太陽輻射能量的變化。 太陽輻射通過大氣，一部分到達(dá)地面，稱為直接太陽輻射；另一部分為大氣的分子、大氣中的微塵、水汽等吸收、散射和反射。被散射的太陽輻射一部分返回宇宙空間，另一部分到達(dá)地面，到達(dá)地面的這部分稱為散射太陽輻射。 到達(dá)地面的散射太陽輻射和直接太陽輻射之和稱為總輻射。太陽輻射通過大氣后，其強(qiáng)度和光譜能量分布都發(fā)生變化。到達(dá)地面的太陽輻射能量比大氣上界小得多，在太陽光譜上能量分布在紫外光譜區(qū)幾乎絕跡，在可見光譜區(qū)減少40，而在紅外光譜區(qū)增至60。 在地球大氣上界，北半球夏至?xí)r，日輻射總量最大，從極地到赤道分布比較均勻；冬至?xí)r，北半球日輻射總最小，極圈內(nèi)為零，南北差異最大。南半球

4、情況相反。春分和秋分時，日輻射總量的分布與緯度的余弦成正比。南、北回歸線之間的地區(qū)，一年內(nèi)日輻射總量有兩次最大，年變化小。緯度愈高，日輻射總量變化愈大。 到達(dá)地表的全球年輻射總量的分布基本上成帶狀，只有在低緯度地區(qū)受到破壞。在赤道地區(qū),由于多云，年輻射總量并不最高。在南北半球的副熱帶高壓帶，特別是在大陸荒漠地區(qū)，年輻射總量較大，最大值在非洲東北部。6.2 基本概念與單位基本概念與單位 輻射測量單位：輻射測量單位： 輻照度輻照度E：在單位時間內(nèi)，投射到單位面積：在單位時間內(nèi)，投射到單位面積上的輻射能，即觀測到的瞬時值。單位為上的輻射能，即觀測到的瞬時值。單位為瓦瓦米米-2 （J m -2 ） 。

5、 曝輻量曝輻量H：指一段時間副照度的累計量。單：指一段時間副照度的累計量。單位為兆焦耳位為兆焦耳米米-2（MJ m -2 ）. 氣象輻射量：氣象輻射量： 1. 太陽短波輻射太陽短波輻射 直接輻射直接輻射S 水平面太陽直接輻射水平面太陽直接輻射SL，SL=S*cosZ 散射輻射散射輻射Ed 總輻射總輻射Eg 短波反射輻射：短波反射輻射： Er 2、地球長波輻射、地球長波輻射 大氣長波輻射（大氣逆輻射）大氣長波輻射（大氣逆輻射）EL 地面長波輻射地面長波輻射EL 3、全輻射：短波輻射與長波輻射之和。、全輻射：短波輻射與長波輻射之和。 4、凈全輻射、凈全輻射E*：向下全輻射與向上全輻射：向下全輻射與

6、向上全輻射之差。之差。6.3 輻射傳感器輻射傳感器 使用的輻射傳感器一使用的輻射傳感器一般都為熱電型，傳感般都為熱電型，傳感器由感應(yīng)面和熱電堆器由感應(yīng)面和熱電堆組成。組成。 當(dāng)輻照度當(dāng)輻照度E越強(qiáng)，熱電堆兩端的溫差越大，輸出越強(qiáng)，熱電堆兩端的溫差越大，輸出地電動勢地電動勢V也就越大，它們之間的關(guān)系基本上是也就越大，它們之間的關(guān)系基本上是線性的；線性的； 其中其中K=V/E，稱為儀器的靈敏度。，稱為儀器的靈敏度。 K是否穩(wěn)定是衡量一個輻射表等級標(biāo)準(zhǔn)的重要指是否穩(wěn)定是衡量一個輻射表等級標(biāo)準(zhǔn)的重要指標(biāo)標(biāo) 通常熱電型輻射表是相對儀器，他與標(biāo)準(zhǔn)儀器對通常熱電型輻射表是相對儀器，他與標(biāo)準(zhǔn)儀器對比觀測（檢定

7、）后，才能給出一起的靈敏度比觀測（檢定）后，才能給出一起的靈敏度K。2(V)(W)VK Em6.4 輻射基準(zhǔn)輻射基準(zhǔn) 新的日射測量基準(zhǔn)新的日射測量基準(zhǔn)(WRR) ,1980.7.1啟用。啟用。 WRR=1905年的埃斯川姆標(biāo)尺年的埃斯川姆標(biāo)尺*1.026。 WRR=1913年的史密松標(biāo)尺年的史密松標(biāo)尺*0.977。 WRR=1956年的國際直接日射表標(biāo)尺年的國際直接日射表標(biāo)尺(IPS)*1.022。 世界輻射中心：瑞士世界輻射中心：瑞士 達(dá)沃斯達(dá)沃斯 世界標(biāo)準(zhǔn)儀器組（世界標(biāo)準(zhǔn)儀器組（WSG）每）每5年組織一次年組織一次國際對比，區(qū)域輻射中心的標(biāo)準(zhǔn)與國際對比，區(qū)域輻射中心的標(biāo)準(zhǔn)與WSG對對比，將

8、儀器系數(shù)調(diào)整到比，將儀器系數(shù)調(diào)整到WRR。 我國輻射測量標(biāo)準(zhǔn)器由中國氣象科學(xué)研究我國輻射測量標(biāo)準(zhǔn)器由中國氣象科學(xué)研究院氣象儀器計量檢定研究所（國家氣象計院氣象儀器計量檢定研究所（國家氣象計量站）負(fù)責(zé)保存和維持，并按量站）負(fù)責(zé)保存和維持，并按WRR進(jìn)行傳進(jìn)行傳遞，每遞，每2年對輻射站網(wǎng)上網(wǎng)儀器進(jìn)行一次檢年對輻射站網(wǎng)上網(wǎng)儀器進(jìn)行一次檢定。定。6.5 直接輻射的測定直接輻射的測定 測量直接輻射使用的測量直接輻射使用的是直接輻射表，或稱是直接輻射表，或稱直接日射強(qiáng)度表，分直接日射強(qiáng)度表，分為絕對和相對日射表。為絕對和相對日射表。 絕對日射表，直接得絕對日射表，直接得到以到以W/m-2為單位的日為單位的

9、日射強(qiáng)度值；射強(qiáng)度值； 相對日射表，將電參相對日射表，將電參量換算成日射強(qiáng)度值。量換算成日射強(qiáng)度值。6.5.1 埃斯川姆補(bǔ)償式絕對日射表埃斯川姆補(bǔ)償式絕對日射表 用于檢定其它直接日射表用于檢定其它直接日射表的一種便利的儀器，最普的一種便利的儀器，最普通的是埃斯川姆通的是埃斯川姆（Angstrom）絕對日射表。）絕對日射表。 由埃斯川姆由埃斯川姆1893年設(shè)計，年設(shè)計，1905年的埃斯川姆標(biāo)尺即年的埃斯川姆標(biāo)尺即以此為基礎(chǔ)，現(xiàn)在用作二以此為基礎(chǔ)，現(xiàn)在用作二級標(biāo)準(zhǔn)。級標(biāo)準(zhǔn)。Knut ngstrm (1857-1910)埃斯川姆絕對日射表原理埃斯川姆絕對日射表原理 埃斯川姆絕對日射表，感埃斯川姆絕對

10、日射表，感應(yīng)部分為進(jìn)光筒內(nèi)的兩塊應(yīng)部分為進(jìn)光筒內(nèi)的兩塊接收系數(shù)近似接收系數(shù)近似1的黑色錳的黑色錳銅片。銅片。 觀測時，觀測時，圓筒正對太陽，圓筒正對太陽，使一塊錳銅片受日光使一塊錳銅片受日光照射而增熱，不受照照射而增熱，不受照射的錳銅片通過電流射的錳銅片通過電流加熱，調(diào)節(jié)加熱電流加熱，調(diào)節(jié)加熱電流直到兩塊錳銅片溫度直到兩塊錳銅片溫度相等，加熱電流平方相等，加熱電流平方與輻射強(qiáng)度成正比。與輻射強(qiáng)度成正比。 儀器的結(jié)構(gòu)和計算公式見教材儀器的結(jié)構(gòu)和計算公式見教材P142。 計算公式：計算公式： K為儀器常數(shù)；為儀器常數(shù)；220.24RSiKilb使用注意事項(xiàng)使用注意事項(xiàng) 日射表防風(fēng)不佳，不能在大風(fēng)天

11、使用。日射表防風(fēng)不佳，不能在大風(fēng)天使用。 受太陽照射的那塊錳銅片熱量由外向內(nèi)傳遞，受太陽照射的那塊錳銅片熱量由外向內(nèi)傳遞，被電流加熱的那塊錳銅片則是由內(nèi)向外傳遞被電流加熱的那塊錳銅片則是由內(nèi)向外傳遞熱量，兩者溫度梯度相反，引起的誤差約為熱量，兩者溫度梯度相反，引起的誤差約為0.5%0.5%。 表面的鉑黑由于潮濕會出現(xiàn)蝕孔，這將改變表面的鉑黑由于潮濕會出現(xiàn)蝕孔，這將改變儀器常數(shù)，因此必須特別注意儀器的保管條儀器常數(shù)，因此必須特別注意儀器的保管條件。件。 當(dāng)太陽高度角低于當(dāng)太陽高度角低于2020時，窄長的露光孔將時，窄長的露光孔將受到部分地面的反射。受到部分地面的反射。 溫度較高時，硬橡皮底座會拉

12、斷錳銅片。溫度較高時，硬橡皮底座會拉斷錳銅片。 利用對光器對準(zhǔn)太陽，打開蓋子，遮光屏居利用對光器對準(zhǔn)太陽，打開蓋子，遮光屏居于中間位置，將兩塊感應(yīng)片預(yù)熱。于中間位置，將兩塊感應(yīng)片預(yù)熱。 校準(zhǔn)儀器零點(diǎn)。讀取兩片同時接受太陽輻射校準(zhǔn)儀器零點(diǎn)。讀取兩片同時接受太陽輻射和同時遮蔽時檢流計讀數(shù)，其平均值即為檢和同時遮蔽時檢流計讀數(shù)，其平均值即為檢流計零點(diǎn)。流計零點(diǎn)。 將遮光屏轉(zhuǎn)向一片，被遮蔽的錳銅片加熱，將遮光屏轉(zhuǎn)向一片，被遮蔽的錳銅片加熱，另一塊暴露的錳銅片接受太陽輻射。調(diào)整電另一塊暴露的錳銅片接受太陽輻射。調(diào)整電阻阻r r，使檢流計處于零點(diǎn)，讀取加熱電流數(shù)值。，使檢流計處于零點(diǎn)，讀取加熱電流數(shù)值。

13、為避免兩銅片不對稱的影響，必須將遮光屏為避免兩銅片不對稱的影響，必須將遮光屏移向另一邊，重復(fù)移向另一邊，重復(fù)3.3.，使電流加熱和接受太，使電流加熱和接受太陽輻射的遮光板剛好對換，再讀一次加熱電陽輻射的遮光板剛好對換，再讀一次加熱電流值。流值。儀器觀測步驟儀器觀測步驟The self-calibrating Absolute Cavity Pyrheliometer, Model HF, Eppley lab6.5.2 相對日射表相對日射表 感應(yīng)部分是一塊熏黑的薄銀感應(yīng)部分是一塊熏黑的薄銀片，銀片背后貼有熱電偶堆。片，銀片背后貼有熱電偶堆。 觀測時，接通引線與檢流計，觀測時，接通引線與檢流計，

14、對準(zhǔn)太陽，讀取遮擋（對準(zhǔn)太陽，讀取遮擋（N0）和未遮擋（和未遮擋（N）時的檢流計）時的檢流計讀數(shù)，則太陽直接輻射強(qiáng)度讀數(shù)，則太陽直接輻射強(qiáng)度00()()SKNNNNpyrheliometer: (1) protection cap, (2) window with heater, (3) sight, (5) sensor, (7) humidity indicator, (10) cable for heater.K值通過與絕對日射表平行對比得到值通過與絕對日射表平行對比得到6.5.3 氣象站常用直接日射表氣象站常用直接日射表 直接輻射表通常由進(jìn)光筒、感應(yīng)件、跟蹤直接輻射表通常由進(jìn)光筒、感應(yīng)

15、件、跟蹤架（赤道架）和附件組成。架（赤道架）和附件組成。TBS-2-2型自動跟蹤直接輻射表DFY3型直接輻射表6.5.4 太陽直接輻射的分波段測量太陽直接輻射的分波段測量 分波段測量的目的：分波段測量的目的：可用來確定大氣渾可用來確定大氣渾濁度和氣溶膠的光學(xué)厚度，在農(nóng)業(yè)、生濁度和氣溶膠的光學(xué)厚度，在農(nóng)業(yè)、生物、醫(yī)療衛(wèi)生方面有著廣泛的應(yīng)用。物、醫(yī)療衛(wèi)生方面有著廣泛的應(yīng)用。 包括包括: :寬波段直接輻射測量和太陽光度測寬波段直接輻射測量和太陽光度測量兩種類型。量兩種類型。寬波段直接輻射測量寬波段直接輻射測量 在直接輻射表露光空開口處加上寬波段濾在直接輻射表露光空開口處加上寬波段濾光片，用來選擇所關(guān)

16、注的光譜帶。光片，用來選擇所關(guān)注的光譜帶。 濾光片因子的定義濾光片因子的定義理想濾光片：在截止波長內(nèi)濾光片的透過率為理想濾光片：在截止波長內(nèi)濾光片的透過率為1 1，在截，在截止波長外透過率為止波長外透過率為0 0。濾光片因子：理想濾光片后的太陽輻射通量密度與實(shí)濾光片因子：理想濾光片后的太陽輻射通量密度與實(shí)際濾波片測量的比值。際濾波片測量的比值。由于以下原因，不太可能精確地確定濾光片因子，大由于以下原因，不太可能精確地確定濾光片因子，大大影響了太陽輻射分波段測量的精度。大影響了太陽輻射分波段測量的精度。 難于精確確定太陽輻射在大氣層上界的光譜分析；難于精確確定太陽輻射在大氣層上界的光譜分析； 難

17、于精確確定大氣透過率與氣象條件的關(guān)系；難于精確確定大氣透過率與氣象條件的關(guān)系； 這塊濾光片透過率的譜分布不一樣。這塊濾光片透過率的譜分布不一樣。1.1.由于不太可能精確地確定濾光片因子，因而大大影響了太由于不太可能精確地確定濾光片因子，因而大大影響了太陽輻射分波段測量的精度。陽輻射分波段測量的精度。太陽光度測量太陽光度測量 太陽光度計：由一窄帶干涉濾光片和一個太陽光度計：由一窄帶干涉濾光片和一個硅光二極管制造的檢測器組成。硅光二極管制造的檢測器組成。 CE318自動跟蹤太陽光度計，由法國自動跟蹤太陽光度計，由法國CIMEL公司制造，目前應(yīng)用最為廣泛。公司制造，目前應(yīng)用最為廣泛。Microtop

18、s II SunphotometerCimel Sun PhotometerThe POM-01 sky radiometer PGS 100 is a spectrophotometer for the routine automated measurement of the spectrum of direct solar radiation.6.6 短波總輻射的測量短波總輻射的測量6.6.1 測量原理測量原理 短波總輻射的測量包括：短波總輻射的測量包括： 水平面上太陽輻射水平面上太陽輻射 天空向下的散射輻射天空向下的散射輻射 地面對上述兩項(xiàng)的反射輻射地面對上述兩項(xiàng)的反射輻射 測量原理測量

19、原理：利用黑片和白片吸收率的差異，測定黑片與白：利用黑片和白片吸收率的差異，測定黑片與白片之間的溫差，然后換算成輻射通量密度。片之間的溫差，然后換算成輻射通量密度。 由熱平衡公式推導(dǎo)得：由熱平衡公式推導(dǎo)得： 其中：其中：K為儀器常數(shù)，為儀器常數(shù)，N為電表讀數(shù)為電表讀數(shù)312124()()ThSDTTKNn右圖為右圖為Eppley型短波總輻射表。型短波總輻射表。(1) sensor, (2, 3) glass domes, (5) cable, standard length 5 m, (9) desiccant.Apogee Silicon-cell Photodiode Pyranomete

20、rs6.6.2 天空輻射表（散射輻射表）天空輻射表（散射輻射表）天空輻射表（散射輻射表）天空輻射表（散射輻射表） 總輻射表裝上遮光環(huán)（或遮光板），遮去直射輻總輻射表裝上遮光環(huán)（或遮光板），遮去直射輻射，儀器只能測到射，儀器只能測到天空散射輻射天空散射輻射； 遮光環(huán)以輻射表感應(yīng)面為中心，直徑約遮光環(huán)以輻射表感應(yīng)面為中心，直徑約30厘米，厘米，環(huán)寬約環(huán)寬約5厘米，根據(jù)當(dāng)?shù)鼐暥群腿掌?，適當(dāng)調(diào)節(jié)厘米，根據(jù)當(dāng)?shù)鼐暥群腿掌?，適當(dāng)調(diào)節(jié)它的傾角，在一天任何時刻都能遮住太陽的直接它的傾角，在一天任何時刻都能遮住太陽的直接輻射。輻射。 顯然由于遮日環(huán)的影響使測值偏小，必須加以校顯然由于遮日環(huán)的影響使測值偏小，必須

21、加以校正。正。6.6.3 反射輻射表反射輻射表Kipp & Zonen CMA 6 AlbedometerThe pyranometer for measuring incident solar radiation (the one measuring the reflected radiation is attached underneath)6.6.4 儀器的改進(jìn)儀器的改進(jìn) 防風(fēng)玻璃半球罩的透過率防風(fēng)玻璃半球罩的透過率 儀器的溫度效應(yīng)和非線性響應(yīng)儀器的溫度效應(yīng)和非線性響應(yīng) 散射輻射的連續(xù)紀(jì)錄散射輻射的連續(xù)紀(jì)錄 總輻射的分波段測量總輻射的分波段測量濾光玻璃罩：增溫、訂正濾光玻璃罩：增

22、溫、訂正 是臺站常規(guī)儀器，在使用、安裝和維護(hù)方面是臺站常規(guī)儀器，在使用、安裝和維護(hù)方面要遵守一些最基本的原則。要遵守一些最基本的原則。6.7 凈全輻射和紅外輻射的測量凈全輻射和紅外輻射的測量凈全輻射：凈全輻射：凈全輻射是研究地球熱量收支凈全輻射是研究地球熱量收支狀況的主要資料。凈全輻射為正表示地表增狀況的主要資料。凈全輻射為正表示地表增熱，為負(fù)表示地表損失熱量。熱，為負(fù)表示地表損失熱量。凈全輻射用凈全輻射表測量。凈全輻射用凈全輻射表測量。FNP-1新型凈輻射表CNR 1 Net RadiometerNR Lite2 is designed for routine measurement of

23、net radiationCNR 2CNR 4http:/ Eppley PIR技術(shù)性能參數(shù)技術(shù)性能參數(shù)靈敏度：大約靈敏度：大約4 V/Wm-2阻抗：大約阻抗：大約700歐姆歐姆溫度依賴性：溫度依賴性：1%-2040線性：線性：1%，0700Wm-2響應(yīng)時間：響應(yīng)時間：2s（1/e信號）信號）余弦響應(yīng)：好于余弦響應(yīng)：好于5%材料震動：最大材料震動：最大20 gs無損壞無損壞標(biāo)定：黑體參比標(biāo)定：黑體參比尺寸：直徑尺寸：直徑5.75英寸，高度英寸，高度3.5英寸英寸重量：重量：7磅磅方位：性能不受方向和傾斜影方位：性能不受方向和傾斜影6.8 紫外輻射的測量紫外輻射的測量 感應(yīng)原理感應(yīng)原理 UV-C：0.1000.280 m 在大氣層中被完全吸收在大氣層中被完全吸收 UV-B：0.2800.315 m 與大氣臭氧密切相關(guān)，影響與大氣臭氧密切相關(guān)，影響人類健康人類健康 UV-A：0.3150.400 m 相當(dāng)數(shù)量到達(dá)地面，對人類相當(dāng)數(shù)量到達(dá)地面，對人類無明顯影響無明顯影響Eppley紫外輻射計紫外輻射計Eppley Total Ultraviolet Ra