第六章 辐射能的测量.ppt

第六章 辐射能的测量 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。 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。 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。 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。 它的97%限制在0.29μm ~ 3.0μm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。 300K温度下，地球辐射功率的99.99%波长大于3μm，99%波长大于5μm。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。 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0.4μm~0.730μm之间。 波长短于0.4μm的辐射称作紫外辐射，而长于0.730μm的称作红外辐射。 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2π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。 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。 表1　气象辐射仪器 《气象仪器和观测方法指南》（第6版） 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。 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。 表2　工作直接日射表和总日射表的特性 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。 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。 表3　全辐射表的特性 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。 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) 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。 6.3 太阳直接辐射的测量 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) 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。 6.