现代大气探测学-第八讲-辐射的测量-夏俊荣VIP

南京信息工程大学夏俊荣xiajunr03 现代大气探测学 2012年11月05日 致谢 本课程多媒体教材是在兰州大学张文煜教授的同类教材基础之上修改完成 此外还得到了其他诸位老师的帮助 在此谨表示衷心感谢 第八讲辐射和日照时数的观测 主要内容 1 辐射的基本知识2 辐射的观测仪器及原理3 日照时数的观测4 复习参考题 一 辐射的基本知识 1 概述2 短波辐射3 地球长波辐射大气长波辐射EL 地面长波辐射EL 4 太阳常数S05 直接辐射6 散射辐射Ed 7 总辐射Eg 8 短波反射辐射Er 9 净全辐射10 辐射观测的基础 1 概述 辐射是以电磁波形式传递能量的一种方式 太阳辐射是地球表面获得热量的主要来源 也是地球表面与大气交换热量的一种形式 辐射观测的意义 太阳辐射能量99 9 0 2 10 m0 76 m红外辐射0 29 3 0 m短波辐射 能量97 气象站主要观测对象 地球辐射地球表面 大气 气溶胶和云层发射的长波辐射3 0 100 0 m能量99 5 0 m 2 短波辐射与长波辐射 维恩位移定律 太阳 6000K max 0 483 m 蓝光 地面 300K max 9 659 m大气 200K max 14 489 m 黑体辐射曲线 太阳短波辐射 垂直于太阳入射光的直射辐射S 包括来自太阳面的直接辐射和太阳周围一个非常狭窄的环形天空辐射 环日辐射 可用直接辐射表测量水平面太阳直接辐射SL SL与S的关系HA为太阳高度角 Z为天顶角 互余 散射辐射Ed 太阳辐射经过大气散射或云的反射 从天空2 立体角以短波形式向下 到达地面的那部分辐射 可用总辐射表 遮住太阳直接辐射的方法测量 太阳高度角示意图 太阳短波辐射 总辐射Eg 水平面上 接收到天空2 立体角内发出的太阳直接辐射和散射辐射之和 可用总辐射表测量白天太阳被云遮蔽时 Eg Ed 夜间Eg 0 太阳短波辐射 短波反射辐射Er 总辐射到达地面后被下垫面向上反射的那部分短波辐射 可用总辐射表感应面朝下测量下垫面的反射能力以它的反射比Ek表示 地表反照率 3 太阳常数 在日地平均距离处 地球大气上界垂直于太阳光束方向上接收到的太阳辐照度 称为太阳常数 1981年世界气象组织 WMO 推荐了太阳常数的最佳值是So 1367 7W m 2 直接辐射 散射辐射 总辐射 短波反射辐射 太阳直接投射到地面上的辐射 记为SL 经过大气散射或云的反射 以短波形式到达地面的那部分辐射量 记为Ed 太阳直接辐射和天空散射辐射到达水平面上的总量Eg SL Ed 总辐射到达地面后被下垫面向上反射的那部分短波量 Er 大气长波辐射EL 大气以长波形式向下发射的那部分辐射 或称大气逆辐射地面长波辐射EL 地球表面以长波形式向上发射的辐射 包括地面长波反射辐射 与地面温度有密切联系 4 地球长波辐射 短波辐射与长波辐射之和 称为全辐射波长0 29 100 m 5 全辐射 太阳与大气向下发射的全辐射和地面向上发射的全辐射之差值 也称为净辐射或辐射差额 净全波辐射E Eg EL Er EL 净短波辐射Eg Eg Er 净长波辐射El EL EL 6 净全辐射E 辐射平衡 SL Ed Eg Er EL EL 各种辐射示意图 能量变化 气候变化 Trenberthetal 2009 辐射观测的基础 通常对辐射的观测都是以测定吸收辐射能所产生的热量为基础的 back 辐射传感器 辐射测量单位 辐照度E 在单位时间内 投射到单位面积上的辐射能 即观测到的瞬时值 单位为瓦 米2 W m2 取整数 曝辐量H 指一段时间 如一天 辐照度的总量或称累计量 单位为兆焦耳 米2 MJ m2 取两位小数 1MJ 106J 106W s 二 辐射的观测仪器及原理 1 直接辐射的测定2 总辐射和散射辐射的测定3 净全辐射的观测4 长波辐射的观测5 紫外辐射的观测6 辐射自动观测仪 1 直接辐射的测定 1 环日辐射2 定义的直接辐射和观测的直接辐射值之间的差异3 测量仪器 1 绝对日射强度表a 测量原理b 观测时的注意事项 2 相对日射强度表a 测量原理b 观测时的注意事项 1 直接辐射的测定 环日辐射 来自太阳周围半径2 5 天空范围内的散射辐射 称为环日辐射 1 直接辐射的测定 定义的太阳直接辐射为太阳直接投射到地面上的辐射 而观测的太阳直接辐射为太阳日盘的直接辐射与太阳周围 半径不大于2 5 的天空散射辐射 即环日辐射 之和 因为太阳的张角约为0 5 如果用一个圆筒将大于0 5 张角的散射辐射挡住 这时仪器的露光孔就很难对准太阳 观测起来很不方便 差异 进光筒设计标准考虑太阳对地视张角0 5 要分离这样小的立体角 进光筒需很长 但对瞄准与观测不方便进光孔孔径半张角 WMO建议2 5 环日辐射占太阳直接辐射2 6 在使用不同孔径角的仪器或彼此对比时 必须计算各自环日辐射的贡献 并加以修正 差异 Angstrom 埃斯川姆 补偿式绝对日射表原理如图所示 感应器是两块并排放着的相同的长20mm 宽2mm 厚0 01mm的锰铜片B和C 薄片固定在硬橡皮底座上 锰铜片朝向太阳的一面均匀覆盖着一层0 01mm厚的铂黑或烟黑 在锰铜片的背面焊有接电偶的接点 用来测定两块锰铜片的温差 绝对日射强度表测量仪器 工作原理 自动化 当锰铜片接受太阳辐射时 它所吸收的能量Q S lbS为太阳辐照度 为铂黑的吸收率 l与b锰铜片的长 宽一片暴露在太阳辐射下 另一片遮蔽 同时接通该片的加热补偿电路 调整变阻器改变通过该片的电流i 最终使2片的温度相等 即热电偶对检流计的输出为零 此时遮蔽的片由于电流加热得到的热量为Qi i2RR为锰铜片的电阻 由于2片的散热条件相同 在两者温度相同的情况下 Q Qi 因此太阳辐照度SS R lb i2 i2KK为仪器常数 绝对仪器 S精度0 5 要求i精度0 25 1 直接辐射的测定 使用埃斯川姆日射表应注意下列几点 1 日射表的防风作用不良 不能在大风时使用 2 受太阳辐射的那块锰铜片热量由外向内传递 被电流加热的一片则是由内向外传递热量 两者温度梯度的方向相反 引起的误差约为0 5 3 黑色表面由于潮湿会出现蚀孔 将改变仪器常数 应在保管时加以注意 4 仪器的露光孔为矩形 视角纵向为10 16 横向近似约4 光阑坡度角纵向为0 7 1 0 横向为1 2 1 6 当太阳高度低于20 时 地面反射将部分地进入窄长的露光孔 5 温度较高时 硬橡皮底座会拉断锰铜片 6 一般 绝对日射表只用来标定相对日射表 因此除非天气条件合适 晴朗无风以及能见状况良好 否则是不宜动用的 绝对日射强度表测量仪器 1 直接辐射的测定 相对日射强度表测量仪器 沙维诺夫 扬尼雪夫斯基相对日射表 感应部分 底座 进光筒 一块熏黑的薄银片 片的背后贴有热电偶堆 热电偶堆排列成环形锯齿状 由锰铜康铜片串连而成 进光筒长116mm 直径20mm 张角为10 内有六层光阑 1 直接辐射的测定 观测时的注意事项 观测时先把导线与电流计接通 对准太阳光读出仪器遮蔽时的电流计度数N0 再打开遮光筒的盖子 使太阳辐射落到感应面上 读出电流计度数N 则太阳直接辐射强度为I K N N N0 N0 其中 N和 N0分别为电流计在N和N0刻度上的订正值 仪器常数K通过与绝对日射表的平行对比得到 相对日射强度表测量仪器 2 总辐射和散射辐射的测定 遥感 1 总辐射表的测量原理2 方位响应3 余弦响应4 总辐射和散射辐射的测定 2 总辐射和散射辐射的测定 总辐射表的测量原理利用黑片和白片吸收率有较大的差别 然后测定黑片与白片之间的温差 黑片白片面积相等 再换算成辐射强度 热电偶的热接点处于黑片的下方 冷接点处于白片的下方 整个感应面密封在一个半球形玻璃罩中 双层石英玻璃 为了保持罩内空气的干净 玻璃管内存放有干燥剂 总辐射表 扬尼雪夫斯基总辐射表 方位响应 余弦响应 如果太阳辐射强度不变 太阳天顶角逐渐改变 仪器的读数应该与天顶角的余弦成正比 理想的总辐射表如果太阳辐射强度不变 太阳天顶角 或高度角 不变 转动仪器一圈 仪器的读数应该是不变的 总辐射的测定 Eg SL Ed KN其中 N为电流表读数K为仪器常数 在测量散射辐射时用遮光板遮住太阳的直接辐射 此时感应器感应的就是天空散射辐射 遮光板是一块直径与玻璃罩相等的圆形板 两面均涂成黑色 其板长为板面直径的5 7倍 从而使感应面中心与遮光板构成的圆锥角为10 系数 back 3 净全辐射的观测 在一定高度的水平面上 测量来自上下两方面的全辐射差额 所用的仪器称为净辐射表 测量原理 净辐射表由上下两片涂黑感应面与热电堆组成 净辐射表的两片感应面 紧贴在绕线型热电堆的上下接点上 当感应部分 两面 接收到不同的辐射量时 使得热电堆上下端产生温差 测量热电堆输出的电讯号 经过换算就可以得出净辐射 3 净全辐射的观测 使用时的注意事项 1 由于一般玻璃罩只能透过短波辐射 而净辐射表要感应的全辐射 因此感应面上不能加盖玻璃罩2 薄膜罩使用时间过长 容易脏污和老化 紫外线强和污染严重将大大降低罩的透过率 因测要经常维护薄膜罩清洁并定期更换 才能保持其测量精度3 使用聚乙烯薄膜罩的净辐射表 应定期与标准仪器进行对比 求出换算系数 就能较精确地计算出净辐射4 净辐射表还有充气装置 通过两根细气管给薄膜罩提供干燥气体 排除罩内湿气 并保持罩的半球形 4 长波辐射的观测 P158 长波辐射用长波辐射表测量长波辐射表的构造 外观与总辐射表基本相合 由感应件 玻璃罩和附件等组成硅单晶玻璃罩阻隔3 m以下的短波辐射 5 紫外辐射的观测 P160161 紫外辐射分三个亚区 UV A 0 315 0 400 m 对生物无明显影响 在地表其强度不随O3含量而变化 UV B 0 280 0 315 m 对生物健康有影响 随O3减少而增大 最为关注 UV C 0 100 0 280 m 在大气层中被完全吸收 地面观测不到 测量原理 大物 不是基于辐射的热效应 与前不同 基于电离效应 光电效应或摄影感光 TUVR总紫外辐射表0 295 0 385 m范围内较准确 6 辐射自动观测仪 研修 辐射自动观测仪 由辐射表 传感器 与采集器组成 短波反射辐射表 净全辐射辐射表 三 日照时数的观测 1 概述2 测量方法3 暗筒式 乔唐式 日照计4 聚焦式 康培司克式 日照计5 日照传感器 三 日照时数的观测 日照指能使地上物体投射出清晰阴影的直接辐射日照时数指太阳在一地实际照射的时数在一给定时间 日照时数定义为太阳直射辐照度达到或超过120瓦每平方米的那段时间总和以小时 h 为单位 取一位小数日照时数也称实照时数 三 日照时数的观测 测量方法 烧痕法 直接辐射测量法 总辐射测量法 对比法 扫描法 三 日照时数的观测 暗筒式 乔唐式 日照计 构造原理 主体为一金属圆筒 筒的一端密闭 一端有盖 筒的上部有一块隔光板 筒身上在隔光板的两侧边缘的同一垂直面上 各有一个圆锥形进光孔 两孔前后位置错开 与圆心的夹角为120 筒内有一弹性压纸夹 用以固定日照纸 圆筒下部有固定螺丝 松开后 圆筒可绕支架旋转 支架下部有纬度刻度盘与指示纬度的刻度线 仪器底座上有三个等距离的孔 用以固定仪器 日照计应安置在开阔的 终年从日出到日落都能受到太阳光照射的地方 安置时底座要水平 底面上要精确测定南北子午线 并划出标记 再把仪器安装在台座上 筒口对准正北 牢固的将日照计底座加以固定 然后 转动筒身 使支架上的纬度记号线对准纬度盘上当地纬度值 这样筒轴与地轴平行 仪器底座上有一水准器 用以调整仪器的水平 暗筒式 乔唐式 日照计 测量原理 暗筒式日照计是利用阳光透过仪器上的小孔射入筒内 使涂有感光药剂的日照纸上留下感光痕迹线 来计算日照时数的 MT 2Rcos tg 三 日照时数的观测 感光迹线的基本特征1 感光迹线为一条余弦曲线的一段 0 60 2 上午和下午各为一条对称曲线3 8时和16时 最长4 当春 秋分阳光直射赤道时 则感光迹线为通过筒身横切面的一条直线5 夏半年 春分至秋分 阳光直射北半球 感光迹线位于洞孔的切平面以南 呈凹形 即偏于水平线之上且较长6 冬半年 秋分至春分 阳光直射南半球 感光迹线位于洞孔的切平面以北 呈凸形 即偏于水平线之上且较短 暗筒式 乔唐式 日照计 MT 2Rcos tg 三 日照时数的观测 记录整理 在每天日落后换下的日照纸 应依感光迹线的长短 在其下描画铅笔线 并按铅笔线计算各时的日照时数 以十分法记录 准确到小数一位 将各时的日照时数相加 则为全天的日照时数 然后将日照纸放入足量的清水中浸漂3 5分钟拿出 全天无日照的纸也应浸漂 待阴干后 再复验感光迹线与铅笔线是否一致 如感光迹线比铅笔长 则因补描上这段铅笔线 并改正原计算的日照时数 添上日合计 如全天无日照 记0 0 暗筒式 乔唐式 日照计 三 日照时数的观测 暗筒式 乔唐式 日照计 检查和维护 每月应检查一次仪器的水平 方位 纬度和安置情况 发现问题及时纠正 日出前应检查日照计的小孔 有无被小虫 沙尘等堵塞或被露 霜等蒙住 三 日照时数的观测 构造原理 聚焦式日照计的实心玻璃球支持在弧架两端的支架上 整个弧架可以转动 以对准纬度 与玻璃球同心的金属槽 则是用以安放日照纸的 其半径恰好等于玻璃球的焦距测量原理 聚焦式日照计是利用太阳光经玻璃球聚焦后烧灼日照纸留下的焦痕来记录日照时数的仪器的维护 平时应注意保持玻璃球的清洁 如有灰尘可用鹿皮或软布擦去 不能用粗布或麻布擦拭 以免磨损玻璃球 如果玻璃球上蒙有霜或雾淞等 应在日出前用软布蘸酒精擦除 遇有降水时 应加罩保护 降水停止后即将罩取下 聚焦式 康培司托克 日照计 由于一年中太阳位置的变动 日照计焦痕的位置也将上下变