第7章辐射测量郑.docx
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第7章辐射测量郑
第7章辐射测量
7.1概述
到达地球表面以及从地球表面发射的各种辐射通量，是整个地球和地球表面任何一个地方或大气中热量收支的最重要的变量。
辐射测量用于以下目的。
（a）研究地球——大气系统中的能量转换及其随时间和空间的变化；
（b）分析大气成分中诸如气溶胶、水汽、臭氧等的特性和分布；
（c）研究放射、出射和净辐射的分布和变化；
（d）满足生物学、医学、农业、建筑业和工业对辐射的需要；
（e）卫星辐射测量和算法的检验。
这些应用要求对太阳和地球表面各种辐射分量有大范围分布的正规系列记录，并导出具有代表性的净辐射测量值。
除出版单个观测站的序列值外，一个基本的目的是必须建立综合的辐射气候学；从而可以比较精确地确定总的热收支中各种辐射成分的日变化和季节变化，并对它们与其他气象要素的关系有更好的了解。
一些非常有用的关于辐射测量和业务以及辐射测站网设计的论述，包含在WMO（1985b）中。
其中描述了辐射测量的科学原理，并给出了对辐射测量来说最重要的关于质量保证的建议。
在本章中对在本领域正常的实践中涉及的有关误差和不确定度均以均方根（RMS）值表示。
7.1.1定义
附录7.A包括辐射测定量和光度测定量的术语，它是在国际气象学和大气科学协会（IAMAS）辐射委员会和国际照明委员会（ICI）建议的基础上定义的。
附录7.B给出了气象辐射量、定义和符号。
按照辐射来源可把辐射量分为两类，即太阳辐射和地球辐射。
太阳辐射是太阳发射的能量，入射到地球大气层顶上的太阳辐射，称为地球外太阳辐射；其97%限制在0.29至3.0μm光谱范围内，称作短波辐射。
地球外太阳辐射的一部分穿过大气到达地球表面，而另一部分则被大气中的气体分子、气溶胶质点、云滴和云中冰晶所散射和吸收。
地球辐射是由地球表面以及大气的气体、气溶胶和云所发射的长波电磁能量，在大气中它也被部分地吸收。
300K温度下，地球辐射功率的99.99%波长大于3000nm，99%波长大于5000nm。
温度越是降低，光谱越是移向较长的波长。
因为太阳辐射和地球辐射的光谱分布重叠很少，所以在测量和计算中经常把它们分别处理。
气象学把这两种辐射的总和称作全辐射。
光是人眼可见的辐射。
可见辐射的光谱范围，是按标准观测者对光谱光效能定义的。
下限在360和400nm之间，上限在760和830nm之间（ICI，1987a）。
因此，可见辐射的99%处于400nm和730nm之间。
波长短于400nm的辐射称作紫外辐射，而长于800nm的称作红外辐射。
有时，紫外辐射的范围又分为三个亚区（IEC，1987）；
UV-A：
315…400nm；
UV-B：
280…315nm；
UV-C：
100…280nm；
7.1.2单位和标尺
7.1.2.1单位
气象辐射变量的单位宜采用国际单位制（SI）。
在附录7.A和7.B中列出了单位的一览表。
7.1.2.2标准化
校准辐射测量仪器的责任由世界、区域和国家辐射中心承担，这些中心的技术要求由附录7.C给出。
此外，在瑞士达沃斯的世界辐射中心负责保存基准，即世界标准组（WSG），这就是用以建立世界辐射测量基准（WRR）的仪器。
在每五年组织一次的国际比对中，区域中心的标准要与世界标准组比对，并把它们的校准系数调整到世界辐射测量基准。
然后，再用区域中心的标准定期地把世界辐射测量基准传递给国家中心，而国家中心再使用自己的标准来校准本国站网的仪器。
世界辐射测量基准（WRR）的定义
过去，气象学中曾用过多种辐射基准或标尺；1905年的埃斯屈朗标尺（Angströmscale），1913年的史密松标尺（Smithsonian）以及1956年的国际绝对直接辐射表标尺（IPS）。
近年来，绝对辐射测量术的发展大大改进了辐射测量的准确度。
用10种不同类型的15台绝对直接辐射表多次比较的结果，定义了世界辐射测量基准。
通过使用下列系数，可以把旧标尺换成世界辐射测量基准：
世界辐射测量基准被接受为全辐照度的物理单位，其不确度不超过测量值的±0.3%（RMS）。
世界辐射测量基准的实现：
世界标准组（WSG）
为保证新基准的长期稳定性，世界标准组由至少包括四种不同设计的绝对直接辐射表组成。
在进入这个组合时，对这些仪器给出换算系数以将其读数修正到世界辐射测量基准。
要使一台辐射表具有该组成员的资格，必须满足下列技术要求：
（a）长期稳定性必须优于±0.2%
（b）仪器的准确度和精密度，必须位于世界辐射测量基准的不确定度限度（±0.3%）内；
（c）每个仪器的设计，必须不同于世界标准组内的其他仪器。
为了保证标准稳定性，世界标准组的仪器相互的比较每年至少一次，因此，把世界标准组保存在达沃斯的世界辐射中心。
世界辐射测量基准的计算
为校准辐射仪器，必须使用一台世界标准组仪器的读数或一台直接溯源于世界标准组的仪器读数。
在国际比对时，世界辐射测量基准的数值至少用3台参加世界标准组的仪器的平均值计算。
为了得出世界辐射测量基准值，世界标准组仪器的读数始终使用其在进入世界标准组时所确定的各自的换算系数加以修正。
7.1.3气象要求
7.1.3.1资料的获取
最普通的是记录和获得辐照度和辐照量在一小时内的平均值和总量。
也有很多要求较短时间的资料，少到一分钟或甚至几十秒（对于有些方面的能量应用），一天的总量也是常用的。
对于气候学的应用，需要的是固定的真太阳时或固定的大气质量值的情况下的太阳直接辐射的测量值。
浑浊度的测量必须在很短的响应时间进行，以减少大气质量各种变化引起的不确定性。
对于辐射测量来说，记录和获得有关观测状况的资料是特别重要的。
这包括仪器的类型和溯源性，校准的历史，及其所在地点，安置和维护的记录。
7.1.3.2准确度
对于净辐射准确度的说明已在第一编第1章中给出。
对于国际交流，WMO规定为，辐照度要求的准确度在≤8MJm-2α-1时为±0.4MJm-2α-1，在＞8MJ.m-2α-1时为±5%。
规定可达到的准确度为±5%。
对于其它的辐射量所要求的准确度没有正式统一的意见，但在本章涉及到各种测量类型的一些节中讨论了准确度。
一般来说，高质量的测量在实际中是很难达到的，但对日常的业务，只要使用现代的设备是可以达到的。
现仍在使用的有些系统不是最佳运作状态，对很多应用来讲，性能稍差仍需接受。
然而，对最高质量资料的需求是日益增多的。
7.1.3.3采样与记录
要满足准确度的要求，最好是采取每分钟观测，即使最终记录的数据是长达一小时或更长时间的累计总和。
一分钟数据点可累计总和，或者可以用6个或更多个的单个采样来计算平均辐射通量。
大多数倾向于数字的资料系统，而图线记录器和其它类型的积分器很不方便，也难以保持在适当的准确度水平。
7.1.3.4观测时间
在世界范围的辐射测量站网中，重要的是资料是同一的，不仅是在校准方面，而且观测时间也是同一的。
因此，全部的辐射测量应当在一些国家称为地方视时（LAT），而其他一些国家称为真太阳时（TST）进行。
然而，因为标准时或世界时容易使用，因此人们乐于将其用于自动化系统。
不过，只有在把资料换算到真太阳时而不致产生重要的信息损失时（也就是说，如果取样率足够高时，正如在7.1.1.3节中所述）才是合适的。
为了将标准时换算为太阳时，可参见附录7.D的实用公式.
7.1.4测量方法
气象辐射仪器可用各种标准来分类：
所测变量的类型、视场、光谱响应、主要用途等。
最重要的分类类型列于表7.1。
下面的（a）项到（h）项用来表征仪器的质量。
在7.2至7.4节中描述了仪器及其操作。
WMO（1986b）提供了各种仪器及其工作原理的详细概述。
绝对辐射表是自校准的仪器，也就是落在传感器上的辐射由能够准确测量的电功率代替。
但是，这种替换不可能绝对完美；与理想情况的偏差决定了辐射测量的不确定度。
然而，大多数辐射传感器却不是绝对的，必须由一个绝对仪器来校准。
这样，测量值的准确度就取决于下面诸因子，对于一台有良好特性的仪器来说，所有这些参数都应该是清楚的。
（a）分辨率，即能够被仪器检测出来的辐射量的最小变化；
（b）灵敏度（输出的电信号与所施加辐照度的比值）的长期漂移，即一年的最大可能变化；
（c）由于诸如温度、湿度、气压、风等环境变量的变化而产生的灵敏度变化；
（d）响应的非线性，即与辐照度变化有关的灵敏度变化；
（e）对于设定的如接收表面的黑度、视窗孔阑效应等光谱响应的偏差；
（f）对于设定的余弦响应和方位响应的方向性响应偏差；
（g）仪器或测量系统的时间常数
（h）附属设备中的不确定性
应该根据使用的目的来选择仪器。
某些仪器在特定的气候、辐照度和太阳位置下的运行就很好。
7.2直接太阳辐射的测量
直接太阳辐射用直接辐射表来测量，其接收表面安置在垂直于太阳方向，通过视窗仅测量从太阳和很窄的环日天空发射的辐射。
现代仪器的视窗的半张角从太阳中心向外扩展有的约2.5°，例如LinkFuessner日射表，有的约5°，例如AT-50型（分别相当于5×10-3和5×10-2球面度（sr））。
直接辐射表支架的结构必须能做到迅速而平稳地调整方位角和高度角。
通常有一瞄准装置，当接收表面正确地垂直于太阳直射光束时，瞄准装置中有一小光点正落在目标靶中心的标志上。
连续不断的测量就应当使用自动跟踪太阳装置。
图7.1视场范围的几何形状图
（半张角：
arctanR/d倾斜角：
arctan（R－r）/d）
表7.1气象辐射仪器
仪器类型
测量参数
主要用途
视角（sr）
（见图7.1）
绝对直接辐射表
（Absolutepyrheliometer）
直接太阳辐射
一级标准
5×10-3
（半角近似于2.5°）
直接辐射表
（Pyrheliometer）
直接太阳辐射
（a）校准用二级标准
（b）站网
5×10-3至2.5×10-2
分光直接辐射表
（SpectralPyrheliometer）
宽谱带中的直接太阳
辐射（例如带有OG530，RG630等滤光片）
站网
5×10-3至2.5×10-2
太阳光度表
（Sunphotometer）
窄谱带中的直接太阳辐射（例如在500±2.5nm和在368±2.5nm）
（a）标准
（b）站网
1×10-3至1×10-2
（全角近似于2.3°）
总辐射表
（Pyranometer）
（Ⅰ）总辐射
（Ⅱ）天空辐射
（Ⅲ）反射太阳辐射
（a）工作标准
（b）站网
2π
分光总辐射表
（SpectralPyranometer）
宽带光谱范围中的辐射
（例如带有OG530，RG630等滤光片）
站网
2π
净总辐射表
（Netpyranometer）
净总辐射
（a）工作标准
（b）站网
4π
地球辐射表
（Pyrgeometer）
（Ⅰ）向上长波辐射（下视）
（Ⅱ）向下长波辐射（上视）
站网
2π
全辐射表
（Pyrradiometer）
全辐射
工作标准
2π
净全辐射表
（Netpyradiometer）
净全辐射
站网
4π
关于视场范围的几何形状，建议所有新设计的直接太阳辐射仪器的半张角为2.5°（5×10-3sr）和倾斜角为1°。
这些角的定义，如图7.1所示。
当对具有不同视场范围几何形状的仪器进行比对时，必须考虑到环日辐射强度的影响，具有较大孔径角的仪器对读数的影响较明显。
当大气质量为1.0时，上面提到的两种孔径角之间的读数差异可达2%。
对于气候学的用途，需要在固定真太阳时或在固定大气质量值时的直接太阳辐射瞬时值，可由常规的太阳辐射站网资料得到。
为了能对不同季节的直接太阳辐射进行气候学比较，必须把所有的数据转换成平均日——地距离的值：
（7.1）
是规一化为平均日——地距离（定义为一个天文单位（AU）见附录7.D）的太阳辐射，S是测量的太阳辐射，R是以天文单位表示的日——地距离。
7.2.1全波直接太阳辐射
在表7.2中列出了业务用直接辐射表（一级标准除外）的一些特性（取自ISO1990c），表中还列出了测量的不确定度，但这是在假定由合格的工作人员使用仪器并进行质量控制的条件下的标示性估计值。
较低价格的仪器也可以用（见ISO1990c），但由于太阳跟踪器（对于实际的直接光束的测量是必需的）的费用得不到保证，故使用这些仪器的也不太多。
表中的不确定度估计值是以下面的假设为基础的：
（a）仪器受到良好的维护，能正确地对准和保持清洁；
（b）一分钟和一小时的数字是对在太阳正午晴空下的辐照度而言的；
（c）每天的数字对应于中纬度地区晴天情况。
7.2.1.1一级标准直接辐射表
绝对直接辐射表可以定义全波辐照度的标尺，而无须借助于基准源或辐射体。
但必须知道其所定义的准确度范围，对这方面的认识的品级决定着一台绝对直接辐射表的可靠程度。
只有专门的实验室才能使用和保持一级标准。
一级标准的结构和工作原理在WMO（1986b）中有详细介绍，但是为了完整起见。
这里给出简要的说明。
现代设计的所有的绝对直接辐射表，都采用腔体作为接收器，并且用经过电校准的差分热通量表作为传感器。
现已证实，这种组合对于在太阳辐射测量中所遇到的辐射量级（即高达1.5kWm-2）有可能的最高准确度。
通常电校准是通过以电功率替代辐射功率来完成的，该电功率就消耗在一个加热器的线圈中，这个加热器的位置尽可能贴近发生太阳辐射吸收的地方。
确定这种仪器的准确度，要通过对仪器物理性质的严格检验和进行实验室测量和模拟计算以决定其对于理想性能的偏差，即电替代能达到何种完善程度。
这个步骤称作仪器的性能特征化。
一台绝对直接辐射表（单个仪器，而不是一种类型）在其被指定用作一级标准时，必须满足下列技术要求：
（a）在一批制成的辐射表中。
至少有一台仪器必须经过充分的性能特征化工作。
这一性能特征化的均方根不确定度，在适合于校准的睛天条件下（见ISO1990c），应小于±0.25%。
不确定度（全部单项不确定度简单相加），不应超过任何测量值的±0.5%（RMS）；
（b）这批仪器中的每一台仪器必须与已经性能特征化的那台仪器一起进行比较，并且每一台仪器与该仪器的偏差均不超出（a）项中所确定的均方根不确定度；
（c）对比较的结果和仪器的性能特征化的结果，应当按照要求进行详细说明；
（d）必需通过与世界标准仪器组或者与某些精心建立并经认可的同等仪器进行比较从而溯源到世界辐射测量基准，并以此证明仪器的设计属于目前技术发展水平。
如果世界辐射测量基准处在（a）项所规定的均方根不确定度之内，则说明该台辐射表达到要求。
7.2.1.2二级标准直接辐射表
不能满足上述技术要求或者未完全进行性能特征化的绝对直接辐射表，如果已采取与工作标准组比较的方法作了校准，则可作为二级标准使用。
另外，其它类型的仪器也可作为二级标准。
埃斯屈朗（Angström）补偿直接辐射表至今仍是用于校准总辐射和其它直接辐射表的一种便利的二级标准仪器。
它是K.Angström设计的一种绝对仪器，1905年的埃斯屈朗标尺即以此为基础，现在用作二级标准必须用标准仪器校准。
传感器由两个镀铂的锰铜片组成，每片大约长18mm、宽2mm和厚0.02mm。
用一层烛烟或无光泽黑漆把它们涂黑。
把铜一鏮铜热电偶的接点紧贴在每一片的背面，故此两片之间的温差可由一灵敏的电流表或一微电压表指示出来。
由感应片和前光阑的尺寸可得出半张角和倾斜角，如表7.3中所列。
表7.2业务用直接辐射表的性能
性能
高质量
（1）
好质量
（2）
响应时间（95%响应）
15s
＜30s
零点偏置
（对于环境温度5Kh-1变化的响应）
±2
±4
分辨率
（检测到的最小变化，以
表示）
±0.5
±1
稳定度
（满度的百分率，变化/年）
±0.5
±1.0
温度响应
（由于环境温度在间隔为50K范围内的变化所引起的最大百分率误差）
±1
±2
非线性
（由于辐照度在100
到1100
范围内的变化，在500
的响应的百分率偏差）
±0.2
±0.5
光谱灵敏度
（在0.3—3μm内，光谱吸收率和光谱透射率的乘积偏离相应平均值的百分率）
±0.5
±1.0
倾斜响应
（在1000
辐照度时，由于从0°到90°的倾斜变化，相对于0°倾斜（水平）的响应度的百分率偏差）
±0.2
±0.5
可达到的不确定度，95%置信水平（见上述）
一分钟累计值
%
±0.9
±1.8
kJm-2
±0.56
±1
一小时累计值
%
±0.7
±1.5
kJm-2
±21
±54
每天累计值
%
±0.5
±1.0
kJm-2
±200
±400
注：
（1）接近目前技术发展水平；适合作为工作标准；只能由专门的设备和人员在台站进行维护工作。
（2）适合于站网业务工作。
表7.3埃斯屈朗直接辐射表的视界几何尺寸
角度
垂直方向
水平方向
半张角
5°—8°
~2°
倾斜角
0.7°—1.0°
1.2°—1.6°
测量由3次或更多次循环组成。
测量时，左面或右面的感应片交替地被遮蔽或受辐照。
被遮蔽的一片用电流加热，电流可调节使热电偶的热电动势，也就是使两感应片之间的温度差变为零。
在每次测量之前或之后，通过使两感应片同时被遮蔽或受辐照的方法来检验零点。
由于所用方法与厂商的使用说明书各异，辐照度的计算稍有差别。
国际直接辐射表比对所采取的方法使用下面的公式
（7.2）
式中；S是辐照度，以
为单位（当左面和右面分别测量时，取辐照度的几何平均值）；K为校准常数（
），通过与一级标准的比对决定；iL；iR分别为左面或右面感应片受辐照时测量到的电流，以安培为单位。
在每一组测量之前或之后，系统的零点用前面叙述的方法中的任何一种进行电测调整，零点则相应地称为“冷”或“热”零点。
一般第一次的读数，比如说是iR，要去除不用，而只用随后一对iL、iR的读数来计算强度。
当把这样一种直接辐射表与其他仪器比对时，由电流导出的强度相当于读iL和iR数值时的太阳辐照度的几何平均值。
附属设备，包括电源、电流调节装置、零点计和一个电流检测器。
零点计的灵敏度，对于低输入阻抗（＜10Ω＝每刻度大约是0.05×10-6A，而对于高输入阻抗（＞10kΩ）大约是0.5μv（微伏）。
在这些条件下，在铜一鏮铜热电偶的接点之间，大约0.05K的温差产生一个刻度的偏转，这表明两个感应片之一接受了大约0.3%的过多热量供应。
太阳辐照度测量值的准确度很大程度上依赖于电流测量装置的性能，无论是动圈毫安表还是测量标准电阻两端电压的数字电压表都如此。
辐照度输出值的相对误差，是电流读数相对误差的2倍。
加热电流利用一转换开关导向任一感应片，并且通常由每一电路中分立的可变电阻控制。
转换开关也可切断电流的供给，这样就可定出零点。
可变电阻的分辨率，应能足以使零点计调整到半个刻度以内。
7.2.1.3外场用直接辐射表
这些直接辐射表一般使用热电堆作为探测器。
与标准直接辐射表具有相似的视界尺寸，半张角从2.5°到5.5°，倾斜角从1°到2°。
老型号的视场角和斜角较大，最初这种设计的特点是为了便于跟踪太阳。
然而，张角越大，探测器感应的环日辐射量越多；在高浑浊度和大张角的情况下，此量可达到百分之几。
随着有了新设计的太阳跟踪装置，包括在主动和被动结构中使用计算机辅助的跟踪器。
就没有必要用这种较大的视窗孔了。
直接辐射表的使用方式决定了特定仪器类型的选择。
有些类型例如LinkeFuessner直接辐射表主要用于定点测量，而其它的，诸如Eppley，KippandZonen或EKO类型，专门设计为对直接太阳辐照度的长期监测。
在采用一台仪器之前，用户必须考虑在各种业务用直接辐射表之间已发现的重要差异：
（a）仪器的视场；
（b）仪器能否测量光谱的长波和短波两部分（即视窗孔敞开或者用玻璃窗或石英窗盖住）；
（c）温度补偿或修正方法；
（d）仪器能否安装在作长期监测用的自动跟踪系统上；
（e）对于其它业务用直接辐射表的校准，上述（a）项到（c）项的差异是否相同，对用于校准其它站网仪器的直接辐射表是否具有必须的质量。
7.2.1.4直接辐射表的校准
除绝对直接辐射表外，所有直接辐射表都需要通过与绝对直接辐射表的比对进行校准，校准时都用太阳作为辐射源。
正如所有的太阳辐射仪器都必须参照世界辐射测量基准一样，绝对直接辐射表也必须使用一个与世界标准组比对后定出的系数，而不用它们自身确定的系数。
在比对（例如，定期组织的国际直接辐射表的比对）之后，此台直接辐射表即能用作一级标准，并以太阳作为辐射源来校准二级标准和外场用直接辐射表。
二级标准也可用来校准外场用仪器。
对于有不同视界几何尺寸的仪器进行比对，这种校准的质量取决于环日辐射的影响。
如果其时间常数显著不同，则校准结果的质量还将取决于太阳辐射的变化率。
最后，诸如温度或气压等环境条件也能影响到校准结果。
如果需要校准有很高的质量，那就只使用在非常晴朗稳定的日子所获取的数据，最好是在拔海高度高的气象站上测得。
外场用直接辐射表的校准程序在ISO标准中给出（ISO、1990a）。
根据最近国际直接辐射表比对的经验，对于一级和二级标准，两次校准之间的时间为五年就足够了。
外场用直接辐射表，必须每一至二年校准一次；使用的时间越长以及条件越严酷，校准就必须更经常地进行。
7.2.2分光谱直接太阳辐射和浑浊度的测量
直接太阳辐射的分光谱测量，主要用于确定大气中的浑浊度和大气中气溶胶的光学厚度，同时也用于医学、生物学、农业以及太阳能利用。
气溶胶光学厚度或大气浑浊度表示总的消光，即对于大气柱等于单位光学大气质量来说，就是半径范围为0.1至1.0μm气溶胶的散射和吸收作用。
但是，并非只有颗粒物质才是影响因子。
其它的大气成分，如空气分子（瑞利散射体）、臭氧、水汽、二氧化氮、二氧化碳，对于光束的总消光也有贡献。
大多数光学厚度测量能较好地了解大气中的气溶胶含量。
然而其它成分的光学厚度的测量，如水汽、臭氧和二氧化氮，只能选择适当的波段进行测量才可能得到。
在特定波长λ处的垂直气溶胶光学厚度（δa（λ）），根据布格—朗伯定律（或单色辐射的比尔定律）可由下式决定：
（7.3）
式中
是中心波段位于波长
的气溶胶光学厚度,
是气溶胶的大气质量（垂直光束作为一个单位），
是除了在中心波段位于波长
的气溶胶外的物种
的光学厚度，
是除去气溶胶外的消光物质
的大气质量，
是大气层外在波长
的光谱辐照度，
是地面上在波长
的光谱辐照度。
浑浊度
是同一的量，如原来定义的，在比尔定律中，使用以10为底而不以
为底的对数表述：
（7.4）
因此：
（7.5）
在气象学中，进行两种类型的测量；宽带直接辐射测量和太阳光度测量（其中使用窄带滤光片）。
因为气溶胶光学厚度仅对单色辐射或在很窄的波长范围内定义，它可直接用于确定太阳光度计的数据。
但不能确定宽带直接辐射表的数据。
仅当从观测者到太阳的视线中无可见的云时，才能进行浑浊度观测。
只要天空状况允许，在一天中应尽可能多次进行观测，这样可包含大气质量的最大范围，最好以
分级。
仅使用瞬时值来确定浑浊度。
7.2.2.1宽带直接辐射测量
宽谱带直接辐射强度测量使用一个经仔细校准的直接辐射表，在其前面装有宽谱带玻璃滤光片以选择所关注的光谱带。
通常使用的传统滤光片的技术规格列于表7.4中。
表7.4玻璃滤光片的技术规格
肖特（Schott）标准的50%截止波长（nm）平均透射率短波截止的温度
（3mm厚）系数近似值（nmK-1）
型号短长
OG5
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