地面测量辐照度的介绍

第13章辐射

13.1概述

13.1.1太阳与地球辐射

气象站的辐射测量，包括太阳辐射与地球辐射两部分。

地球上的辐射能来源于太阳，太阳辐射能量的99.9%集中在0.2～10微米（μm）的波段，其中的波长短于0.4μm的称为紫外辐射，0.4～0.73μm的称为可见光辐射，而长于0.73μm的称为红外辐射。此外，太阳光谱在0.29～3.0μm范围，称为短波辐射，目前气象站主要观测这部分太阳辐射。

地球辐射是地球表面、大气、气溶胶和云层所发射的长波辐射，波长范围为3～100μm。地球平均温度约为300K。地球辐射能量的99%波长大于5μm。

13.1.2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·m-2），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·m-2），取两位小数，1MJ=106J=106W·s。

13.1.3气象辐射量

⑴ 太阳短波辐射

① 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。

② 水平面太阳直接辐射S L：S L与S的关系为

S L=S·sinH A=S·cosZ (13.1)

式中，H A为太阳高度角，Z为天顶距(Z=90-H A)。

③ 散射辐射E d↓：散射辐射是指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。

④ 总辐射E g↓：总辐射是指水平面上,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

E g↓=S L+E d↓ (13.2)

白天太阳被云遮蔽时，E g↓=E d↓，夜间E g↓=0。

⑤ 短波反射辐射Er↑：总辐射到达地面后被下垫面(作用层)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。

下垫面的反射本领以它的反射比E k表示

（13.3）

⑵ 太阳常数S

O

在日地平均距离处，地球大气外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，用S

表示。1981年世界气象组织（WMO）推荐了太阳常数的

O

=1367±7W·m-2。

最佳值是S

o

⑶ 地球长波辐射

↓：大气以长波形式向下发射的那部分辐射或称大气逆

① 大气长波辐射E

L

辐射。

② 地面长波辐射E

L

↑：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)。它与地面温度有密切联系。

⑷ 全辐射

短波辐射与长波辐射之和，称为全辐射。波长范围为0.29～100μm。

⑸ 净全辐射E*(辐射平衡)

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。其表示式为：

净全波辐射 E*=E

g ↓＋E

L

↓-E

r

↑-E

L

↑ (13.4)

净短波辐射 =E

g ↓-E

r

↑ (13.5)

净长波辐射↓=E

L ↓-E

L

↑ (13.6)

以上各种辐射，如图13.1所示。

图13.1 各种辐射示意图

注：本规范中除向上、向下长波辐射用↓、↑符号外，其余各有关辐射量均省去↑、↓符号。

13.1.4辐射传感器

气象站使用的辐射传感器都为热电型，传感器由感应面与热电堆组成，如图13.2、13.3所示。感应面是薄金属片、涂上吸收率高、光谱响应好的无光黑漆。紧贴在感应面下部是热电堆，它与感应面应保持绝缘。热电堆工作端位于感应面下端。参考端(冷端)位于隐蔽处。为了增大仪器的灵敏度，热电堆由康铜丝绕在骨架上，其中一半镀铜，形成几十对串联的热电偶。

图13.2 绕线型热电堆图13.3 热电型辐射表原理图

当辐射表对准辐射源(如太阳)，感应面黑体吸收辐射能而增热时，使下部的热电堆点两端形成温度差，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：

其中V(μV)=K·E(W·m-2) (13.7) K (μV·W m-22)=V/E (13.8)

K称仪器的灵敏度，单位为μV·W-1·m2，取2位小数。辐射仪器灵敏度定义为

仪器达到稳态后，输出量与输入量之比，也就是单位辐照度产生的电压微伏数。

K值是否稳定是衡量一个辐射表等级标准的重要指标。此外，灵敏度还随辐照度和环境条件(如温度、湿度、风)等的改变而产生变化。若已知K，测量辐射表输出电压大小，就可确定辐照度的强弱，这就是热电型辐射传感器的基本原理。

通常热电型辐射表是相对仪器，它与标准仪器对比观测（检定）后，才能求出仪器的灵敏度K。

13.2总辐射的观测

总辐射是辐射观测最基本的项目。总辐射用总辐射表(亦称天空辐射表)测量。

13.2.1总辐射表

总辐射表由感应件、玻璃罩和附件组成(见图13.4)。

图13.4 总辐射表

感应件由感应面与热电堆组成，涂黑感应面通常为园形，也有方形。热电堆由康铜、康铜镀铜构成。另一种感应面由黑白相间的金属片构成，利用黑白片的吸收率的不同，测定其下端热电堆温差电动势，然后转换成辐照度。仪器的灵敏度为7～14μV·W-1·m2。响应时间≤60s(响应稳态值99%时)。余弦响应指标规

定如下：太阳高度角为10°、30°时，余弦响应误差分别≤10%、≤5%。

玻璃罩为半球形双层石英玻璃构成。它既能防风，又能透过波长0.3～3.0μm 范围的短波辐射，其透过率为常数且接近0.9。双层罩的作用是为了防止外层罩的红外辐射影响，减少测量误差。

附件：包括机体、干燥器、白色档板、底座、水准器和接线柱等。此外还有保护玻璃罩的金属盖(又称保护罩)。干燥器内装干燥剂(硅胶)与玻璃罩相通，保持罩内空气干燥。白色挡板挡住太阳辐射对机体下部的加热，又防止仪器水平面以下的辐射对感应面的影响。

底座上设有安装仪器用的固定螺孔及调整感应面水平的三个调节螺旋。

13.2.2仪器的安装、使用和维护

⑴ 安装

总辐射表应牢固安装在专用的台柱上。台柱是用一根金属管或木柱，上部固定一块比总辐射表底座稍大的金属板或木板构成。台柱离地面约1.50m，下部埋入地中要很牢固，长时间内不会出现下陷或变形现象，既使台柱受到严重冲击振动(如大风等)，也不改变仪器的水平状态。

安装时，先把总辐射表的白色挡板卸下，再将总辐射表安装在台上，使仪器接线柱方向朝北。用三个螺钉(最好用不生锈的材料)将仪器固定在台柱上，若台