HYT 159-2013 太阳光度计测量数据校正方法

太阳光度计测量数据校正方法2013-04-25发布I本标准按照GB/T1.1—2009给出的规则起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任。本标准由国家海洋技术中心提出。本标准由全国海洋标准化技术委员会(SAC/TC283)归口。本标准起草单位：国家海洋技术中心。1太阳光度计测量数据校正方法太阳在任一位置与在天顶时，日光通过大气到达观测点的折射路径之比。θ整层大气天顶方向的总路径上，由气溶胶散射和吸收所造成辐射衰减的光学厚度。2[GB/T12936—2007,定义2.24]c)不确定度小于2%;d)非线性度不大于0.002%满量程；f)波段半高宽度不大于10nm;3.2.1校正项目校正项目为太阳光度计对应大气上界太阳光谱辐照度E₀(λ)的电压响应值V₀(λ)。3.2.3不确定度校正结果的测量合成相对标准不确定度应小于5%。a)仪器采样频率不低于8次/s,并确保保存每次测量的最大值；b)每组测量总时间控制在1min以内；a)校正场地的高程不低于2000m;3c)在日出、日落方向障碍物的高度角应小于10°,且场地四周无明显障碍物遮挡太阳；d)仪器校正当天应为晴天。当天440nm波段处气溶胶光学厚度平均值应小于0.2;e)仪器现场测量过程中平均风速应小于10m/s且最大风速应小于12m/s,仪器校正场地地貌应以植被为主，测量地点周围100m²内的绿化面积大于30%。5校正方法5.1方法原理在太阳光度计对准太阳的前提下，太阳光度计测量到的中心波长λ处的光谱辐照度可依据Beer定律表示，按照Beer定律对整层大气积分可得式(1): (1)E(λ)——地表波长λ处的太阳直射光谱辐照度，单位为微瓦每平方厘米纳米(μW·cm-²·α——日地距离校正因子，无量纲量(见5.3.1);E₀(λ)——大气上界波长λ处的太阳直射光谱辐照度，单位为微瓦每平方厘米纳米(μW·cm-2·m(θ)——大气光学质量，是太阳天顶角θ的函数，无量纲量(见5.3.2);r(λ)——大气总光学厚度，包括分子散射和吸收光学厚度r,(λ),气溶胶光学厚度ra(λ),无量纲量。太阳光度计测量的电压响应值正比于入射的太阳辐照度，因此式(1)改写为式(2):V(λ)=aV₀(λ)e-m(Or(a (2)V(λ)——太阳光度计在地表实测电压响应值，无量纲量；V₀(λ)——对应于E₀(λ)的电压响应值，无量纲量。在校正过程当中，应对式(2)进行转化，两边取自然对数可得式(3):lnV(λ)=ln(aV₀(λ))-m(θ)r(λ) (3)根据太阳光度计在地表实测电压响应值，以及日地距离校正因子和大气光学质量的计算，通过式(3)可以对太阳光度计进行校正(见6.1)。5.2测量步骤5.2.1太阳光度计测量太阳光度计的校正过程主要包括现场测量和数据处理。测量步骤如下：a)利用全球定位仪GPS获取校正地点经纬度与国际标准时间；b)当天大气光学质量m(θ)在1～6之间变化时，大气光学质量每改变0.25需要对仪器每个波段进行3次～5次辐照度测量；c)观测时间可以根据规定的大气光学质量预先计算好，并可偏移1min～2min,此时在处理观测数据时，对应观测时间的大气质量需要重新计算；d)在太阳光度计每次测量同时，用其他仪器(已校正过的太阳光度计等仪器)检测440nm波段处气溶胶光学厚度；e)每次测量后，仪器应紧跟着完成内部暗电流测量以消除环境温度的影响；4f)当大气光学质量m(θ)达到6应停止测量，且太阳有云遮挡时停测；g)在中、高纬度地区大气光学质量有时最低达不到1,当大气光学质量的最小值大于1.5则停止检测。5.2.2辅助参数测量与天气记录在仪器校正过程中，还应对一些气象参数进行测量并记录天气现象，测量和记录内容如下：a)大气光学质量每改变0.25需要对大气温度(℃)、大气相对湿度(%)、大气压力(hPa)、风速b)做好现场天气现象记录。大气光学质量每改变0.25以及太阳有云遮挡时，记录现场云量、云状与能见度。5.3相关参数计算5.3.1日地距离校正因子日地距离校正因子α是根据日地平均距离与观测时实际的日地距离之比的平方而确定的。它可由天文学上的近似公式计算，如式(4)所示：α=(1.000423+0.032359sinX+0.00一0.008349cosX+0.000115cos(2X))-1…………(4)X——地球公转所对应的弧度，单位为弧度(rad),由式(5)计算： (5)D——观测日在一年中的序数；D₀——序数校正因子；D₁——当年的总日数，总日数为365.2422。式(5)中的D₀由式(6)计算：D₀=79.6764+0.2422(Y-1985)-INT[0.25(Y-1985)]Y——观测日所在年份；INT——表示取整函数，获取数据的整数部分。5.3.2大气光学质量在太阳天顶角为θ时，大气光学质量可通过式(7)计算： (7)式(7)中的cosθ由式(8)计算： (8)5式中：δ=0.3723+23.2567sinX+0.11 (9)一0.1712sin(3X)-0.758cosXE₁=0.0028-1.9857sinX+9.9059sin(2X) (11)一7.0924cosX-0.6882cos(2X)6数据处理c)比较当地时间十二点之前(上半天)与之后天数据作为校正数据(见6.3);最小二乘法绘出实测数值In(V(λ))与大气光学质量m(θ)的平面坐标图(大气光学质量为X坐标轴，In(V(λ))为Y坐标轴)并外推至m(θ)=0。图1显示了针对仪器2个波长进行校正的6实测数字响应值自然对数实测数字响应值自然对数利用太阳光度计500nm波段上每组3次～5次的观测数据来判断云的干扰。如果在这1min内的500nm波段上测量的气溶胶光学厚度r₄(λ)最大值与最小值之间的差异大于0.02或大于0.03×总测量组数的10%,则当天数据不能用于校正。同时，云干扰的异常数据组数应小于总测量组数的15%。利用气溶胶光学厚度ra(500nm)的标准偏差来分析一整天(或半天)的气溶胶含量的变化情况。如果标准偏差大于0.015,就应剔除在时间序列中变化快的r₄(500nm)数据点。用式(12)来识别数据当D-值大于16时，在D.取值当中剔除数值贡献最大的数据点，并重新进行D.值计算。重复以上步骤直到D.值小于16。若其剔除的数据大于测量数据总数的10%,则当天(或半天)数据不应用于77校正记录与报告7.1校正记录7.1.1记录内容7.1.2记录要求记录表格参见附录B;记录用墨水或碳素笔填写，字高不应超过表格高度的二分之一；磁载体记录应在工作记录中建立索引行记录和过程、环境及仪器设备状况的纸质记录，校正结果应打印，并由操作7.2校正报告7.2.1校正报告内容校正报告应包括以下内容：a)标题；b)校正单位的名称和地址，以及校正的地点；c)校正报告的唯一编号；d)客户的名称和地址；e)所用标准或方法的识别；f)被校正仪器设备的状态描述和标识；g)进行校正的日期；h)校正结果和结论；i)校正人员及其报告批准人签字或盖章。7.2.2校正报告格式校正报告格式参见附录C。7.2.3校正报告声明与信息太阳光度计在每隔6个月～12个月进行一次校正。校正报告中的声明与信息可包括以下内容：a)必要时，结果仅与被校正仪器设备有关的声明；b)对校正方法的偏离、增添或删节，以及特定校正条件信息；c)对符合(或不符合)要求或规范的声明；d)必要时，报告中还需要包括不确定度的信息；e)特定方法、客户或客户群体要求的附加信息。8太阳光度计光谱辐照度E,共测量m组，每组n,次的相对标准不确定度为s(E),其自由度为v,=n,-1,通过m个s,与v,可得到相对标准不确定度i——测量组数，A.2测量不确定度的B类评定A.3合成相对标准不确定度用合成相对标准不确定度来表示测量结果的不确定度。按式(A.3)计算合成相对标准不确定9(资料性附录)校正记录表格式表B.1和表B.2分别给出了太阳光度计校正试验记录表和校正数据处理记录表。表B.1太阳光度计校正试验记录表共页第页测量起止时间m测量开始时间测量结束时间北京时间℃%大气压力风向度能见度大气温度、大气相对湿度、大气压力、风速、风向与440nm波段气溶胶光学厚度等数表B.2校正数据处理记录表共页第页测量起止时间m日地距离校正不确定度电压响应值V₀(λ)报告编号： 校正单位地址 批准人(签字)(校正专用章)被校仪器型号校正日期测量起止时间经度纬度高程m报告的有效期电压响应值V₀(λ)测量不确定度备注1.本报告内容仅对本仪器本次校正有效；2.本报告内容未经批准，不得部分复印或散发；检测员核验员图C.2校正报告内页格式[1]GB/T12936—2007太阳能热利用术语[2]JJG1032—2005光学辐射计量名词术语及定义[3]QX/T69—2007大气浑浊度观测——太阳光度计方法[6]WMO,WMOTDNo.