輻射和日照時數(shù)的觀測2010

1、輻射和日照時數(shù)的觀測,,本章要求,各種輻射測量儀器的基本原理、結(jié)構(gòu)和特點(diǎn),主要內(nèi)容,概述基本概念與單位輻射傳感器輻射基準(zhǔn)太陽直接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紫外輻射的測量日照時數(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時，

2、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 0.15～4.0微米之間。大約50％的太陽輻射能量在可見光譜（波長0.4～0.76微米），7％在紫外光譜區(qū)（波長0.76微米），最大能量在波長0.

3、475微米處。由于太陽輻射波長較地面和大氣輻射波長（約3～120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球大氣上界太陽輻射能量的變化。,,,,,地氣系統(tǒng)的輻射平衡,,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。

4、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，北半球日輻射總量最小，極圈內(nèi)為零，南北差異最大。南半球情況相反。春分和秋分時，日輻射總量的分布與緯度的余弦成正比。

5、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,輻射測量單位：輻照度E：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。單位為瓦?米-2 （W? m -2 ）

6、 。曝輻量H：指一段時間輻照度的累計量。單位為兆焦耳?米-2（MJ ? m -2 ）.,,氣象輻射量：1. 太陽短波輻射直接輻射S水平面太陽直接輻射SL，SL=S*cosZ散射輻射Ed總輻射Eg短波反射輻射： Er,,2、地球長波輻射大氣長波輻射（大氣逆輻射）EL↓↑地面長波輻射EL↑3、全輻射：短波輻射與長波輻射之和。4、凈全輻射E*：向下全輻射與向上全輻射之差。,6.3 輻射傳感器,使用的輻射傳感器一般都為熱電

7、型，傳感器由感應(yīng)面和熱電堆組成。,,當(dāng)輻照度E越強(qiáng)，熱電堆兩端的溫差越大，輸出地電動勢V也就越大，它們之間的關(guān)系基本上是線性的；其中K=V/E，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)的重要指標(biāo)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）后，才能給出一起的靈敏度K。,6.4 輻射基準(zhǔn),新的日射測量基準(zhǔn)(WRR) ,1980.7.1啟用。WRR=1905年的埃斯川姆標(biāo)尺*1.026。WRR=191

8、3年的史密松標(biāo)尺*0.977。WRR=1956年的國際直接日射表標(biāo)尺(IPS)*1.022。世界輻射中心：瑞士 達(dá)沃斯,,世界標(biāo)準(zhǔn)儀器組（WSG）每5年組織一次國際對比，區(qū)域輻射中心的標(biāo)準(zhǔn)與WSG對比，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WRR進(jìn)行傳遞，每2年對輻射站網(wǎng)上網(wǎng)儀器進(jìn)行一次檢定。,6.5 直接輻射的測定,測量直接輻射使用的是直接輻射

9、表，或稱直接日射強(qiáng)度表，分為絕對和相對日射表。絕對日射表，直接得到以W/m-2為單位的日射強(qiáng)度值；相對日射表，將電參量換算成日射強(qiáng)度值。,,6.5.1 埃斯川姆補(bǔ)償式絕對日射表,用于檢定其它直接日射表的一種便利的儀器，最普通的是埃斯川姆（Angstrom）絕對日射表。由埃斯川姆1893年設(shè)計，1905年的埃斯川姆標(biāo)尺即以此為基礎(chǔ)，現(xiàn)在用作二級標(biāo)準(zhǔn)。,Knut Ångström (1857-1910),埃斯川姆絕

10、對日射表原理,埃斯川姆絕對日射表，感應(yīng)部分為進(jìn)光筒內(nèi)的兩塊接收系數(shù)近似1的黑色錳銅片。觀測時，圓筒正對太陽，使一塊錳銅片受日光照射而增熱，不受照射的錳銅片通過電流加熱，調(diào)節(jié)加熱電流直到兩塊錳銅片溫度相等，加熱電流平方與輻射強(qiáng)度成正比。,,儀器的結(jié)構(gòu)和計算公式見教材P166。計算公式： K為儀器常數(shù)；,,使用注意事項(xiàng),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，被電流加熱的那塊錳銅片則是由內(nèi)

11、向外傳遞熱量，兩者溫度梯度相反，引起的誤差約為0.5%。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件。當(dāng)太陽高度角低于20°時，窄長的露光孔將受到部分地面的反射。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和同時遮蔽時檢流計讀數(shù)，其平均值即為檢流計零點(diǎn)。將遮光屏轉(zhuǎn)向一片，被遮蔽的錳銅片

12、加熱，另一塊暴露的錳銅片接受太陽輻射。調(diào)整電阻r，使檢流計處于零點(diǎn)，讀取加熱電流數(shù)值。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)3.，使電流加熱和接受太陽輻射的遮光板剛好對換，再讀一次加熱電流值。,儀器觀測步驟,,,The self-calibrating Absolute Cavity Pyrheliometer, Model HF, Eppley lab,6.5.2 相對日射表,感應(yīng)部分是一塊熏黑的薄銀片，銀片背后貼

13、有熱電偶堆。觀測時，接通引線與檢流計，對準(zhǔn)太陽，讀取遮擋（N0）和未遮擋（N）時的檢流計讀數(shù)，則太陽直接輻射強(qiáng)度,pyrheliometer: (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,6.5.3 氣象站常用直接日射表

14、,直接輻射表通常由進(jìn)光筒、感應(yīng)件、跟蹤架（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,分波段測量的目的：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)、生物、醫(yī)療衛(wèi)生方面有著廣泛的應(yīng)用。包括:寬波段直接輻射測量和太陽光度測量兩種類型。,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光片，用來選擇所關(guān)注的光譜帶。,濾光片因子,理想濾光片：在截止波長內(nèi)濾

15、光片的透過率為1，在截止波長外透過率為0。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。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。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。,太陽光度測量,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。CE318自動跟蹤太陽光度計，由法國CIME

16、L公司制造，目前應(yīng)用最為廣泛。,Microtops II 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 短波總輻射的測量,6.6.

17、1 測量原理,短波總輻射的測量包括：水平面上太陽輻射天空向下的散射輻射地面對上述兩項(xiàng)的反射輻射測量原理：利用接收面與熱電堆冷端之間的溫差，測量溫差電動勢，然后換算成輻射通量密度。由熱平衡公式推導(dǎo)得： 其中：K為儀器常數(shù)，N為電表讀數(shù),右圖為Eppley型短波總輻射表。,,(1) sensor, (2, 3) glass domes, (5) cable, standard length 5 m, (9) des

18、iccant.,Apogee Silicon-cell Photodiode Pyranometers,6.6.2 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），遮去直射輻射，儀器只能測到天空散射輻射；遮光環(huán)以輻射表感應(yīng)面為中心，直徑約40厘米，環(huán)寬約6.5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輻射。顯然由于遮日環(huán)的影響使測值偏小，必須加以校正。,6.6

19、.3 反射輻射表,,Kipp & Zonen CMA 6 Albedometer,,,The pyranometer for measuring incident solar radiation (the one measuring the reflected radiation is attached underneath),6.7 凈全輻射和紅外輻射的測量,凈全輻射：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

20、示地表增熱，為負(fù)表示地表損失熱量。凈全輻射用凈全輻射表測量。,FNP-1新型凈輻射表,CNR 1 Net Radiometer,NR Lite2 is designed for routine measurement of net radiation,CNR 2,CNR 4,http://www.kippzonen.com/?productgroup/1251/Net+Radiometers.aspx,紅外輻射計,Eppley PIR

21、技術(shù)性能參數(shù)靈敏度：大約4 µV/Wm-2阻抗：大約700歐姆溫度依賴性：±1%@-20——40℃線性：±1%，0——700Wm-2響應(yīng)時間：2s（1/e信號）余弦響應(yīng)：好于5%材料震動：最大20 g's無損壞標(biāo)定：黑體參比尺寸：直徑5.75英寸，高度3.5英寸重量：7磅方位：性能不受方向和傾斜影,,6.8 紫外輻射的測量,感應(yīng)原理UV-C：0.100~0.280 &#

22、181;m 在大氣層中被完全吸收UV-B：0.280~0.315 µm 與大氣臭氧密切相關(guān)，影響人類健康UV-A：0.315~0.400 µm 相當(dāng)數(shù)量到達(dá)地面，對人類無明顯影響,Eppley紫外輻射計Eppley Total Ultraviolet Radiometer (TUVR)（0.295 to 0.385 µm）,,,6.9 日照時數(shù)的觀測,日照時數(shù)：定義為太陽直接輻射輻照度達(dá)到或超過12

23、0W/m-2的各段時間的總和，以小時（h）為單位，取一位小數(shù)。日照時數(shù)主要應(yīng)用于表征當(dāng)?shù)貧夂?，描述過去天氣狀況等?？烧諘r數(shù)：只在無任何遮蔽件下，太陽從某地東方地平線到進(jìn)入西方地平線，其光線照射到地面所經(jīng)歷的時間。日照百分比=(日照時數(shù)/可照時數(shù))×100%,測量日照時數(shù)的主要方法,燒痕法：由燒痕讀出日照時數(shù)直接輻射測量法：>120W/m-2總輻射測量法：由總輻射和散射輻射差值計算對比法：不同位置對著太陽的多個

24、傳感器的輸出信號的特定差值進(jìn)行測量掃描法：連續(xù)掃描小范圍天空的傳感器接受的輻照度,暗筒式日照計,,累計感光線的長度來計算日照時數(shù),康培司托克日照計,燒痕法,雙金屬片式日照計,華創(chuàng)升達(dá),Sunshine Duration SensorSD-8，MPS,CSD 3，Kipp & Zonen,SD4 Sunshine Sensor，Australia,Heliograph，Cimel,第六章 習(xí)題,太陽直接輻射、天空輻射、太陽總