第八章-辐射和日照时数的观测

1、直接辐射的测定
来自太阳周围半径 2.5°天空范围内的散射， 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。
三、日照时数的观测

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。
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。
2、短波辐射与长波辐射




太阳辐射 能量99.9% 0.2-10 µm <0.4 µm 紫外辐射 0.4-0.76 µm 可见光辐射 >0.76 µm 红外辐射 0.29-3.0 µm 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 µm 能量99% >5.0 µm
——
1、直接辐射的测定
测 量 仪相 器对 日
射 强 度 表
进光 筒 感应 部分
——
进光筒长116mm， 直径20mm， 张角为10°， 内有六层光阑
沙维诺夫 －扬尼雪 夫斯基相 对日射表
底座
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
1、直接辐射的测定



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α （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。
测 量 仪绝 器对
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
垂直于太阳入射光方 向的辐射，记为S 直 总辐射到 接 达地面后 太阳直接辐 辐 被下垫面 射 射和天空散 总辐射 短波反射辐射 向上反射 射辐射到达 散 的那部分 水平面上的 射 短波量， 辐 总量 Er↑ 射 Eg↓=SL+Ed 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↓

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2π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。
SL S sin H A S cos Z
太阳高度角示意图
太阳短波辐射

总辐射Eg↓:水平面上，天空2π立体角内所接收到的太阳 直接辐射和散射辐射之和。可用总辐射表测量
维恩位移定律
max

2897.8 T
太阳（6000K） λmax=0.483 µm (蓝光） 地面（300K） λmax=9.659 µm 大气（200K） λmax=14.489 µm
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
工作原理





当锰铜片接受太阳辐射时，它所吸收的能量 Q=Sσlb S为太阳辐照度，σ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=i2R R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S S=i2 (R/σlb) =i2K K为仪器常数，绝对仪器
4.长波辐射的观测


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3µm以下的短波辐射。
5.紫外辐射的观测

紫外辐射分三个亚区：
UV-A：0.315~0.400μm UV-B：0.280~0.315μm UV-C：0.100~0.280μm
总辐射表
扬尼雪夫斯基总辐射表
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 如果太阳辐射强度不变， 不变的 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
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
辐射传感器

使用的辐射传感器一般 都为热电型，传感器由 感应面和热电堆组成。

结构：


感应面：薄金属片，涂上吸收率高、光谱响应好的 无光黑漆。 热电堆：紧贴感应面，工作端位于感应面下部，参 考端位于隐蔽处。

原理：当感应面吸收辐射能而增热时，使下部 的热电堆两端形成温度差，热电堆产生电动势。 当辐照度E越强，热电堆两端的温差就越大， 输出的电动势V也就越大，它们的关系基本是 线性的。Ｖ＝ＫＥ
dS di 2 S i

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 测 梯度的方向相反，引起的误差约为0.5％。 量 （3）黑色表面由于潮湿会出现蚀孔，将改变仪器常数， 仪 绝 应在保管时加以注意。 ）仪器的露光孔为矩形，视角纵向为10－16°，横 器 对 （4 向近似约4°，光阑坡度角纵向为0.7－1.0°，横向 日 为1.2－1.6°。当太阳高度低于20°时，地面反射 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。 强 （6）一般，绝对日射表只用来标定相对日射表，因此 度 除非天气条件合适，晴朗无风以及能见状况良好， 表 否则是不宜动用的。
第八章 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S0 5.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.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
在测量散射辐射时
用遮光环遮住太阳的直接 辐射，此时感应器感应的 就是天空散射辐射。 遮光环：６５mm，直径４ ００mm。 遮去直射辐射，仪器只能 测到天空散射辐射；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。
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
日 射 强 度 表
——
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 背面焊有热电偶的接点，用来测定两块锰铜片的 温差。
辐射传感器
back
辐射测量单位
⑴ 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。 ⑵ 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


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↑
SL
Ed Eg
EL
EL Er
各种辐射示意图
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