辐射能的测量

1 第六章辐射能的测量 向卫国 2 引言 到达地球表面以及从其发出的各种辐射通量 是整个地球和气球表面任何一个地方或大气中热量收支的最重要项目 3 辐射测量用于以下项目 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 分析大气成分中诸如气溶胶 水汽 臭氧等的特性和分布 研究入射 出射和净辐射的分布和变化 满足生物学 医学 农业 建筑业和工业对辐射的需要 4 这样一些项目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纪录 并导出有代表性的净辐射测量值 观测的物理量主要是辐射辐射通量密度 或辐射强度 是指单位面积上 单位时间内通过的辐射能量 标准单位瓦 平方米 5 6 1测量内容 表6 1气象学辐射量的定义 教材137页按照辐射来源可把这些分量分为两类 太阳辐射地球辐射太阳辐射是太阳的电磁辐射 入射到地球大气层顶上的太阳辐射 称为大气顶太阳辐射 6 它的97 限制在0 29 m 3 0 m光谱范围 称作短波辐射 大气顶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 云滴和云中水晶所散射和吸收 地球辐射是由地球表面以及大气的气体 气溶胶和云所放射的长波辐射 在大气中它也被部分地吸收 7 300K温度下 地球辐射功率的99 99 波长大于3 m 99 波长大于5 m 较低温度下 光谱移向较长的波长 因为太阳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 气象中把两种辐射的总和 称作全辐射 8 光是人眼可见的辐射 可见辐射的光谱范围 是由对标准测量者的光谱效能来确定的 可见辐射的99 处于0 4 m 0 730 m之间 波长短于0 4 m的辐射称作紫外辐射 而长于0 730 m的称作红外辐射 9 气象上常测定以下几种辐射量 太阳直接辐射 指来自日盘0 5 立体角内与该立体角轴垂直的面的太阳辐射 天空辐射 或称太阳散射辐射 指地平面上收到的来自天穹2 立体角向下的大气等的散射和反射太阳辐射 太阳总辐射 指地平面接收的太阳直接辐射和散射辐射之和 反射太阳辐射 指地面反射的太阳总辐射 地球辐射 指由地球 包括大气 放射的辐射 净辐射 指向下和向上 太阳和地球 辐射之差 10 气象辐射仪器的分类 气象辐射仪器可按不同的标准进行分类 诸如被测变量的种类 视场大小 光谱响应 主要用途等 最主要的分类列于表1 11 表1气象辐射仪器 气象仪器和观测方法指南 第6版 12 气象辐射仪器的质量可用下列8项因子来表征 分辨率 指能被仪器探测到的辐射的最小变化量 稳定度 灵敏度的长期漂移 比如说一年内的最大可能变化量 由于环境条件 诸如温度 湿度 气压 风等变化所引起的灵敏度的变化 非线性响应 灵敏度随入射的辐照度水准不同而产生的变化 光谱响应偏离假定理想的程度 指感应面黑度和孔径的影响等 方向响应偏离假定理想的程度 如余弦响应 方位响应等 仪器或测量系统的时间常数 辅助装置的不确定度 13 工作用直接日射表和总日射表的分类 根据前述气象辐射仪器质量的8项因子可将一般工作用直接日射表分成高级质量和良好质量的两类 将总日射表分成高级质量 良好质量和适中质量的三类 具体技术参数列于表2 14 表2工作直接日射表和总日射表的特性 15 表2注 1 近现代技术 适宜于用作工作标准 但只能用于具有专用设备和人员的台站 2 适宜于在台站操作使用 3 适用于能接受低性能运行的低费用台站 16 至于全辐射表 它象总辐射表一样 也被分作三类 高级质量 良好质量和适中质量 具体的内容列于表3 17 表3全辐射表的特性 18 将新的气象辐射仪器分类与过去的分类相比 重要的一点差异 就是增加了倾斜响应误差和总不确定度 特别是总不确定度 因为只有仪器的各项性能参数是不够的 而它给了我们一个关于仪器性能的综合 概括的描述 19 6 2辐射能测量基准 需要建立基准仪器 1905年的埃斯屈朗标尺 1913年的史密松标尺 1956年的国际直接日射表标尺 IPS 新的日射测量基准 WRR 20 6 2辐射能测量基准 续 通过关系式 可以把旧标尺转换成WRR 经对比 ACR CROM PACRAD和POM四种新型绝对日射表被推荐为日射测量基准仪器 新型绝对日射表的优点 采用了黑体腔作为接受太阳辐射的感应器 它对太阳各个波长的辐射的吸收率都接近1 并保持稳定 21 6 3太阳直接辐射的测量 22 6 3 1日射表的遮光筒 光阑 限制透镜或光学系统装置光孔的 如带孔的板 23 6 3 2埃斯屈郎补偿式绝对日射表 是用于检定总辐射表和其它直接日射表的一种便利的仪器 由埃斯屈郎1893年设计 1905年的埃斯屈郎标尺即以此为基础 但现在用作二级标准并必须由一级标准仪器检定 24 6 3 2埃斯屈郎补偿式直接日射表 续 绝对 直接 日射表 是测量太阳直接辐射的标准仪器 常用它来确定其它类型仪器的仪器常数 最普通的是埃斯川姆绝对日射表 其感应部分为进光筒内的两块接收系数近似1的黑色锰铜片 观测时 圆筒正对太阳 使一块锰铜片受日光照射而增热 不受照射的锰铜片通过电流加热 调节加热电流直到两块锰铜片温度相等 加热电流平方与辐射强度成正比 25 6 3 2埃斯屈郎补偿式直接日射表 续 用于遥测的直接日射表将进光筒安装在 赤道架 上 借助电机和齿轮减速器 带动日射表进光筒准确地自动跟踪太阳 26 6 3 2埃斯屈郎补偿式直接日射表 续 仪器的结构和计算公式见教材 5点使用注意事项仪器观测的4个步骤 27 6 3 3相对日射表 28 6 3 4太阳直接辐射的分波段测量 分波段测量的目的滤光片因子的定义由于不太可能精确地确定滤光片因子 因而大大影响了太阳辐射分波段测量的精度 29 6 4短波总辐射的测量 30 6 4 1测量原理 短波总辐射的测量包括 水平面上太阳辐射天空向下的散射辐射地面对上述两的反射辐射测量原理 利用黑片和白片吸收率的差异 测定黑片与白片之间的温差 然后换算成辐射通量密度 31 6 4 1测量原理 续 原理图6 6热平衡公式左图为Eppley型短波总辐射表 32 天空辐射表 它是测定地平面上的太阳直接辐射 天空散射辐射和地面反射辐射仪器 感应部分由黑片和白片组成田字形方格阵 辐射强度正比于黑白片下热电堆的电动势 感应面上有一个半球形防风保护玻璃罩 仪器上方可伸出一块对感应平面视角为10 的遮光板 33 天空辐射表 续 支架遮光板遮去阳光 仪器只能测到天空散射辐射 除去遮光板则能测到水平面上太阳辐射和散射的总和 反转仪器使感应面向下 则能测到反射辐射 用于遥测的天空辐射表装上遮日环 遮日环以辐射表感应面为中心 直径约30厘米 环宽约5厘米 根据当地纬度和日期 适当调节它的倾角 在一天任何时刻都能遮住太阳的直接辐射 显然由于遮日环的影响使测值偏小 必须加以校正 34 6 4 2仪器的改进 防风玻璃半球罩的透过率仪器的温度效应和非线性响应散射辐射的连续纪录总辐射的分波段测量滤光玻璃罩 增温 订正是台站常规仪器 在使用 安装和维护方面要遵守一些最基本的原则 35 6 5净辐射和红外辐射的测量 聚乙烯防风膜式辐射表 图6 12结构 防风膜的透过率净辐射表的检定 36 6 5净辐射和红外辐射的测量 续 对现行六种净辐射表的对比实验 证实了不少严重的问题 5点建议废除净辐射表 改用Eppley所设计的红外辐射表 Eppley设计的PIR红外辐射表的重要设计思路 2点图6 18为Eppley实验室生产的全套辐射仪器 37 6 6紫外辐射的测量 感应原理的改变 电离效应 0 10 0 16远紫外线光电效应 0 20 0 30中紫外线摄影感光 0 30 0 40近紫外线波长在0 3 0 4的近紫