輻射和日照時(shí)數(shù)的觀測(cè)2010

1、輻射和日照時(shí)數(shù)的觀測(cè),,本章要求,各種輻射測(cè)量?jī)x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(yáng)直接輻射的測(cè)量短波總輻射的測(cè)量?jī)羧椛浜图t外輻射的測(cè)量紫外輻射的測(cè)量日照時(shí)數(shù)的測(cè)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(yáng)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(yáng)輻射能量稱為天文太陽(yáng)輻射量。在地球位于日地平均距離處時(shí)，

2、地球大氣上界垂直于太陽(yáng)光線的單位面積在單位時(shí)間內(nèi)所受到的太陽(yáng)輻射的全譜總能量，稱為太陽(yáng)常數(shù)。太陽(yáng)常數(shù)的常用單位為瓦/米2。因觀測(cè)方法和技術(shù)不同，得到的太陽(yáng)常數(shù)值不同。世界氣象組織 (WMO)1981年公布的太陽(yáng)常數(shù)值是1368瓦/米2。,,地球大氣上界的太陽(yáng)輻射光譜的99％以上在波長(zhǎng) 0.15～4.0微米之間。大約50％的太陽(yáng)輻射能量在可見(jiàn)光譜（波長(zhǎng)0.4～0.76微米），7％在紫外光譜區(qū)（波長(zhǎng)0.76微米），最大能量在波長(zhǎng)0.

3、475微米處。由于太陽(yáng)輻射波長(zhǎng)較地面和大氣輻射波長(zhǎng)（約3～120微米）小得多，所以通常又稱太陽(yáng)輻射為短波輻射，稱地面和大氣輻射為長(zhǎng)波輻射。太陽(yáng)活動(dòng)和日地距離的變化等會(huì)引起地球大氣上界太陽(yáng)輻射能量的變化。,,,,,地氣系統(tǒng)的輻射平衡,,太陽(yáng)輻射通過(guò)大氣，一部分到達(dá)地面，稱為直接太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)輻射。

4、到達(dá)地面的散射太陽(yáng)輻射和直接太陽(yáng)輻射之和稱為總輻射。太陽(yáng)輻射通過(guò)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(yáng)輻射能量比大氣上界小得多，在太陽(yáng)光譜上能量分布在紫外光譜區(qū)幾乎絕跡，在可見(jiàn)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(shí)，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(cè)量單位：輻照度E：在單位時(shí)間內(nèi)，投射到單位面積上的輻射能，即觀測(cè)到的瞬時(shí)值。單位為瓦?米-2 （W? m -2 ）

6、 。曝輻量H：指一段時(shí)間輻照度的累計(jì)量。單位為兆焦耳?米-2（MJ ? m -2 ）.,,氣象輻射量：1. 太陽(yáng)短波輻射直接輻射S水平面太陽(yáng)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(zhǎng)波輻射大氣長(zhǎng)波輻射（大氣逆輻射）EL↓↑地面長(zhǎng)波輻射EL↑3、全輻射：短波輻射與長(zhǎng)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(dòng)勢(shì)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(gè)輻射表等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的重要指標(biāo)通常熱電型輻射表是相對(duì)儀器，他與標(biāo)準(zhǔn)儀器對(duì)比觀測(cè)（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(cè)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(guó)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(guó)際對(duì)比，區(qū)域輻射中心的標(biāo)準(zhǔn)與WSG對(duì)比，將儀器系數(shù)調(diào)整到WRR。我國(guó)輻射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)器由中國(guó)氣象科學(xué)研究院氣象儀器計(jì)量檢定研究所（國(guó)家氣象計(jì)量站）負(fù)責(zé)保存和維持，并按WRR進(jìn)行傳遞，每2年對(duì)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(cè)定,測(cè)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(duì)和相對(duì)日射表。絕對(duì)日射表，直接得到以W/m-2為單位的日射強(qiáng)度值；相對(duì)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(duì)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(duì)日射表。由埃斯川姆1893年設(shè)計(jì)，1905年的埃斯川姆標(biāo)尺即以此為基礎(chǔ)，現(xiàn)在用作二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。,Knut Ångström (1857-1910),埃斯川姆絕

10、對(duì)日射表原理,埃斯川姆絕對(duì)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(cè)時(shí)，圓筒正對(duì)太陽(yáng)，使一塊錳銅片受日光照射而增熱，不受照射的錳銅片通過(guò)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(jì)算公式見(jiàn)教材P166。計(jì)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(yáng)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(huì)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(yáng)高度角低于20°時(shí)，窄長(zhǎng)的露光孔將受到部分地面的反射。溫度較高時(shí)，硬橡皮底座會(huì)拉斷錳銅片。,利用對(duì)光器對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，打開(kāi)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(shí)接受太陽(yáng)輻射和同時(shí)遮蔽時(shí)檢流計(jì)讀數(shù)，其平均值即為檢流計(jì)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(yáng)輻射。調(diào)整電阻r，使檢流計(jì)處于零點(diǎn)，讀取加熱電流數(shù)值。為避免兩銅片不對(duì)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(yáng)輻射的遮光板剛好對(duì)換，再讀一次加熱電流值。,儀器觀測(cè)步驟,,,The self-calibrating Absolute Cavity Pyrheliometer, Model HF, Eppley lab,6.5.2 相對(duì)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(cè)時(shí)，接通引線與檢流計(jì)，對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，讀取遮擋（N0）和未遮擋（N）時(shí)的檢流計(jì)讀數(shù)，則太陽(yáng)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(guò)與絕對(duì)日射表平行對(duì)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(dòng)跟蹤直接輻射表,DFY3型直接輻射表,6.5.4 太陽(yáng)直接輻射的分波段測(cè)量,分波段測(cè)量的目的：可用來(lái)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(cè)量和太陽(yáng)光度測(cè)量?jī)煞N類型。,寬波段直接輻射測(cè)量,在直接輻射表露光空開(kāi)口處加上寬波段濾光片，用來(lái)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(zhǎng)內(nèi)濾

15、光片的透過(guò)率為1，在截止波長(zhǎng)外透過(guò)率為0。濾光片因子：理想濾光片后的太陽(yáng)輻射通量密度與實(shí)際濾波片測(cè)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(yáng)輻射分波段測(cè)量的精度。難于精確確定太陽(yáng)輻射在大氣層上界的光譜分析；難于精確確定大氣透過(guò)率與氣象條件的關(guān)系；這塊濾光片透過(guò)率的譜分布不一樣。,太陽(yáng)光度測(cè)量,太陽(yáng)光度計(jì)：由一窄帶干涉濾光片和一個(gè)硅光二極管制造的檢測(cè)器組成。CE318自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)光度計(jì)，由法國(guó)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(cè)量,6.6.

17、1 測(cè)量原理,短波總輻射的測(cè)量包括：水平面上太陽(yáng)輻射天空向下的散射輻射地面對(duì)上述兩項(xiàng)的反射輻射測(cè)量原理：利用接收面與熱電堆冷端之間的溫差，測(cè)量溫差電動(dòng)勢(shì)，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(cè)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(shí)刻都能遮住太陽(yáng)的直接輻射。顯然由于遮日環(huán)的影響使測(cè)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(cè)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?yè)p失熱量。凈全輻射用凈全輻射表測(cè)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(jì),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(shí)間：2s（1/e信號(hào)）余弦響應(yīng)：好于5%材料震動(dòng)：最大20 g's無(wú)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(cè)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(duì)人類無(wú)明顯影響,Eppley紫外輻射計(jì)Eppley Total Ultraviolet Radiometer (TUVR)（0.295 to 0.385 µm）,,,6.9 日照時(shí)數(shù)的觀測(cè),日照時(shí)數(shù)：定義為太陽(yáng)直接輻射輻照度達(dá)到或超過(guò)12

23、0W/m-2的各段時(shí)間的總和，以小時(shí)（h）為單位，取一位小數(shù)。日照時(shí)數(shù)主要應(yīng)用于表征當(dāng)?shù)貧夂?，描述過(guò)去天氣狀況等?？烧諘r(shí)數(shù)：只在無(wú)任何遮蔽件下，太陽(yáng)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(shí)間。日照百分比=(日照時(shí)數(shù)/可照時(shí)數(shù))×100%,測(cè)量日照時(shí)數(shù)的主要方法,燒痕法：由燒痕讀出日照時(shí)數(shù)直接輻射測(cè)量法：>120W/m-2總輻射測(cè)量法：由總輻射和散射輻射差值計(jì)算對(duì)比法：不同位置對(duì)著太陽(yáng)的多個(gè)

24、傳感器的輸出信號(hào)的特定差值進(jìn)行測(cè)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(jì),,累計(jì)感光線的長(zhǎng)度來(lái)計(jì)算日照時(shí)數(shù),康培司托克日照計(jì),燒痕法,雙金屬片式日照計(jì),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(yáng)直接輻射、天空輻射、太陽(yáng)總