太阳辐射测量的回顾与展望.docx

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太阳辐射测量的回顾与展望

太阳辐射测量的回顾与展望

王炳忠

（中国气象科学研究院,北京100081）

1、太阳辐射标准

太阳辐射测量技术发展的历史告诉人们，为了在世界范围内获取整齐一致的数据有多么困难。

国家计量部门建立的辐射标准，仅限于低辐照水准，无法作为太阳辐射测量的依据。

这就是气象学界借助直接日射表（Pyrheliometer）独立开发太阳辐射标准的理由。

第一台测量太阳辐射的仪器是1837年由法国人Pouillet设计制造的，它的工作原理以水的卡计为基础。

由于其设计简单，只能进行一些粗略的测量。

随后出现的一些仪器，大多是对Pouillet仪器的改进，其中较有名的如Violle、Crova等人。

1884年Frolich首先采用热电堆做探测器，这种方法虽然简便，却需要另一台绝对仪器来校准。

另外，为了使测量进一步精确，Michelson以Bunsen冰卡计为基础设计了一台直接日射表，但不实用。

Ångström是使用双探测器制作直接日射表的第一人，测量时两个探测器交替地遮荫和曝光。

后来他进一步发展这一想法:

用电校准探测器代替卡计，这就是著名Ångström补偿式直接日射表。

在上一世纪内，虽然在历次国际气象局长会议上多次议论过太阳辐射测量事项，但均因限于当时科学技术水平而未获解决。

在1896年的会议上还建立了专门的太阳辐射委员会（CSR），其任务就是要为测量太阳辐射标准仪器提出建议。

直至1905年在Inrisbruck的会议上，才决定以Ångström补偿式直接日射表做为测量仪器，并以其原型A70做为标准I（保存在瑞典Uppsala大学物理研究所）。

这就是Ångström标尺（AS-1905）的由来。

AS-1905在欧洲被广泛采用。

美国Smithson研究所使用的银盘直接日射表（Silverdisk，简称SD）是Pouillet和Violle直接日射表的混合型。

使用中的该类辐射表大多数都是由Smithson研究所制造的。

上世纪末，它们由Abbot所研制的水流式直接日射表校准。

后来，Abbot又研制出搅水式直接日射表，并以此校准水流式仪器。

这一系列校准和研制标准仪器工作导致了1913年Smithson标尺的建立（SS-1913），它主要在美洲等地使用。

自出现两个并列日射标尺之日起，其间存在的差异问题，倍受有关学者的关注。

1912年在Rapperswill召开的CSR会议上，Kimball首次报告了他所作的比对结果:

二标尺间相差5％，SS高于AS。

当时，这一结果被认定为处于测量不确定度的范围内，除了继续进行类似的比对外，未做出其他结论。

几乎与此同时，其他领域的研究工作者正致力于斯忒潘一玻耳兹曼常数的测定。

他们接受了Ångström的设计思路，并对其进行了相应的改进。

遗憾的是，他们对Ångström探测器性能的研究结果和改进意见，从未引起气象学界的注意。

1923平CSR在Utrecht会议上采纳了Marten和Angstr6m分别测定的两标尺之差为3．5％的意见，并认定标尺差异之争已获“解决”。

而实际上，诸多科学家对此并不以为然。

1925年在CSR的Davos会议上，以彻底研究Ångström直接日射表误差源为由，要求波斯但观象台与德国物理技术研究所（PTR）协作研制一台绝对直接日射表。

PTRTingwaldt着手设计了一台双腔搅水式直接日射表，并于1930年投入使用。

该仪器参加了在瑞士1）avos物理气象观象台举行的L台Angstrbm直接日射表和银盘直接日射表之间（即两标尺之间）的强化比对。

1935年在CSR的绝对直接日射表分组会议上，对强化比对的结果进行了讨论，两标尺之间的差异，被确定为4．5—5％，与1912年Kimball的结果一样。

在此比对中，Tingwaldt仪器的读数介于两者之间。

以往采用的3．5％的差异，虽未被证实，但也未采取措施去更改。

相反，提出了一些理由为3．5％的差异进行辩护:

其中一个理由是:

由于Ångström直接日射表具有矩形接收器，环日辐射带来的影响在低地站（波斯但）要比山地站（Davos）来得高。

总之，两标尺之间差值的争议仍未获解决，两标尺仍在各自的领域作为气象辐射数据的测量标准。

二次大战期间，一切为了解决争端的国际活动均停止了。

战后，CSR于1946年被解散。

CSR的任务改由大地测量学与地球物理学国际联合会（IUGG）下属的国际气象学与大气物理学协会（IAMAP）辐射委员会（RC）承担，其实，早在1919年IUGG运作之始，就已经建立了RC，后来，RC与CSR进行了很好的合作，大多数工作会议一起召开，另外，战后新建的世界气象组织（WMO），其下设的仪器和观测方法委员会（IMO）也设立了辐射工作组。

所有这些组织密切协作，共同筹备19571958年期间举行的国际地球物理年活动。

很明显，如何使世界范围内的日射测量数据协调一致，再次彼提上议事日程。

1956年在Davos举行的RC期间，形成了一项解决办法:

即定义统一的国际直接日射测量标尺（IPsl9S6），不过，它们是一项折中，即在承认两标尺间的差值仍为33年前所建议的3．5％的基础上，IPS-l956以SS-l913减少2％或AS-1905增加1．5％来实现。

为了具体落实IPS-l956，WMOCIMO的辐射工作组干1959年在Davos组织了第1次国际直接日射表比对活动（IPCI）。

在此期间，由于某些主要参与者患病以及多年后才发现的代表AS标尺的与瑞典标准仪器配套使阑的电流表有未判明的故障等而出现了重要的疏漏，结果导致IPS-l956的实现，实际上并未按照原定义的那样去实施。

在1964年举行的IPCⅡ期间，情况仍未得到改善。

只有当现代的电校准腔体式直接日射表被开发研制出来以后，问题才得以最后澄清。

在1970年举行的IPCⅢ期间，已有诸多种类的现代腔体式直接日射表参加，这些比对结果以及1973年瑞士物理气象观象台（PMO）对自1930年以来在该台进行的所有与两标尺之间比对有关的材料进行了重新分析，结果展现出一幅不同标尺相对位置的清晰图表。

它表明，定义IPS-1956时所依据的两标尺之间的差值为3．5％是错误的；同时也表明用传统的直接日射表建立世界范围的辐射测量基准是有困难的，希望应寄托在电校准腔体式直接日射表、即所谓的绝对辐射表上。

自1970年以来，先后共有10种类型计15台绝对辐射表参加了在Davos举行的比对活动。

其间共进行过25000多次测定，主要是由于历史的原因，PACRAD被当做比对的标准，测定结果相当一致，都集中在以高于PACRAD0．2％为中心的10．8％的范围内，其中的一半甚至聚焦在±0．15％范围内。

数值如此集中，表明国际单位制（SI）全辐照度的真值就在此范围内，井表明可据此来定义新的国际辐射标准—世界辐射测量基准（WRR）。

由于ECR和nBC参加同步比对的次数不到30次，而其它仪器则多于1000次，因此在计算加权平均值时，未将它们包括在内。

为了考虑仪器的类型而不是仪器的数量，仅计算了各类型的平均值，权重日子按反比于每种仪器原定绝对精度的均方根取值。

各绝对辐射表的综合结果与PACRAD的比值为1．0019，即198＝年世界气象组织决定启用WRR，它的下确定度为10．3％。

旧标尺转换成WRR的转换因子为

WRR／AS1905－1．026

WRR／SS1gl3＝0．977

为了保证WRR的长期稳定，决定建立世界基准组（WSG）。

WSG的成员必须满足下列要求:

（1）长期稳定性优于±0．2％；

（2）仪器的准确度优于±0．3％；

（3）仪器的设计不同于组中其它类型仪器。

在前述10种类型仪器中，共有4种5台仪器符合上述要求。

最后决定由ACR310、CROM、PACRADE和PMO2组成WSG。

它们保存在瑞士Davos的世界辐射中心。

为了了解其稳定性、组内的仪器每年至少比对一次。

尽管如此，1980年进行IPCV时，ACR310仍因出了问题而退出了WSG。

1985年决定重建WSG。

此次WSG的成员由4名增至5名，即PACRADⅢ，CROM2，CROM3，PMO2和PMO5。

后来又增加了MK67814和HF18748，即目前WSG系由7台仪器构成。

经过多年运行实践表明，WRR的长期稳定性优于2×10-4。

就在WRR建立的同时，国际计量学界在研究低温绝对辐射计（CAR）方面也取得了重大进展。

所谓CAR也是以电替代法为原理，以超低温、超电导和高真空为手段的现代辐射功率测量仪器。

它与常温绝对辐射表相比，有以下几方面的特点:

（1）在超低温下，周围的杂散辐射可降至忽略不计的程度；此时纯铜的热容比常温时降低3个数量级，热导率提高:

个数量级，吸收比非常接近于1，消除了辐射加热与电加热的不等效性；

（2）超导技术的应用，消除了电加热引线不必要的欧姆热损，提高了准确度；

（3）高真空环境消除了空气对流和热微扰。

CAR的测量不确定度为4×1O-5，长期稳定性优于1×10-5。

正因CAR具有世界最高的准确度，将WRR与其进行一次比对，就是一项极有科学价值的计量工作。

此项工作已由英国国家物理实验室（NPL）和世界辐射中心的专家共同完成。

由于二种仪器的量程不一，相差近20倍，故比对只能分步骤地间接进行。

结果表明，WRR与NPLSI标尺之间的一致佳优于0.03％。

这再次表明WRR的可信度是很高的。

2、太阳常数

太阳发出的能量不仅对于能源利用是重要的，它对于地理上所有生命来说都是至关重要的。

地球上的天气、气候则完全受其入射量和其它与地球大气、海洋、陆地等相互作用的制约。

地球接收的太阳能哪怕只有千分之一的变化，只要是持续不断的，就会对天气、气候产生重要的影响。

正因为如此，在气象学中，太阳常数测定工作一直受到关注。

在气象学领域内，除了天气预报这项永恒的主题外，没有哪一项工作，能象太阳常数测定那样应用了从高空气球、飞机、火箭到卫星和航天器等如此众多的现代高科技手段。

另一方面，从太阳光谱的变化能了解太阳大气中发生的变化，了解太阳常数的短期变化有助于推知太阳内部的机制，所以太阳常数的测定也是太阳物理学界极为关心的课题。

自进入大空时代以来，各种宇航器不断进入太空。

它们的热状况直接受到太阳常数值的影响，因而准确地测定太阳常数又成了宇航工作者的目标之一。

宇航界所掌握的技术无疑是最先进的，所以他们的参与大大促进了这项工作的进展；

尽管如此，太阳常数测定的进展总体上讲仍然是比较缓慢的，主要与下述原因有关:

（1）受辐射测量准确度的制约，从国际单位制7项基本单位的测量准确度来看，辐射度是其中最低者。

（2）从50年代到80年代，辐射测量基准本身就经历了两次变动，标尺本身的不确定度从百分之几提高到了千分之几。

（3）所谓的太阳常数并非一个理论推导出来的、有严格物理内涵的常数，其本身受太阳自身活动的影响和制约，且具有不同时间尺度的变化。

这给研究者对用自己研制的仪器在不同情况下所测定的结果进行比较带来困难。

（4）除了在太空进行的测量可不受地球大气的影响外，其它在高山、飞机、气球、火箭等平台上的测定，由于仪器所处高度不一，受大气的干扰各异。

即使进行适当的订正，由于订正并无公认的统一方法，大气成分又易变，所以订正的准确度也是有限的。

这是太阳常数测定结果分散的又一原因。

（5）太空中的仪器虽可摆脱大气的干扰，但其工作环境为真空、低温和强辐射，易受环境影响而老化或变性，所以太空用的辐射测量仪器的质量要求更高。

这一点是在实践中逐步认识到的。

应当强调指出，正如前一节中所介绍的，本世纪内辐射测量标准本身经历了两次重大的变动。

可以想见，在旧标尺下所获得的太阳常数会对人们的认识产生何等影响。

因此，在采用某一太阳常数值时，一定要注意其产生的年代和其所依据的标尺。

如果撇开这一基础而关心其数值本身，可能会误入歧途。

提到太阳常数就不能不提到美国Smithson研究所的天体物理观象台，虽然从现代的视角看，他们为此而付出的努力不无遗憾，但一些著名的学者从1923年起至1954年的30多年里，除了在美国本