[工程科技]第7章辐射测量郑.doc

第7章 辐射测量 7.1 概述 到达地球表面以及从地球表面发射的各种辐射通量，是整个地球和地球表面任何一个地方或大气中热量收支的最重要的变量。辐射测量用于以下目的。 （a）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； （b）分析大气成分中诸如气溶胶、水汽、臭氧等的特性和分布； （c）研究放射、出射和净辐射的分布和变化； （d）满足生物学、医学、农业、建筑业和工业对辐射的需要； （e）卫星辐射测量和算法的检验。 这些应用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系列记录，并导出具有代表性的净辐射测量值。除出版单个观测站的序列值外，一个基本的目的是必须建立综合的辐射气候学；从而可以比较精确地确定总的热收支中各种辐射成分的日变化和季节变化，并对它们与其他气象要素的关系有更好的了解。 一些非常有用的关于辐射测量和业务以及辐射测站网设计的论述，包含在WMO（1985b）中。其中描述了辐射测量的科学原理，并给出了对辐射测量来说最重要的关于质量保证的建议。 在本章中对在本领域正常的实践中涉及的有关误差和不确定度均以均方根（RMS）值表示。 7.1.1定义 附录7.A包括辐射测定量和光度测定量的术语，它是在国际气象学和大气科学协会（IAMAS）辐射委员会和国际照明委员会（ICI）建议的基础上定义的。附录7.B给出了气象辐射量、定义和符号。 按照辐射来源可把辐射量分为两类，即太阳辐射和地球辐射。 太阳辐射是太阳发射的能量，入射到地球大气层顶上的太阳辐射，称为地球外太阳辐射；其97%限制在0.29至3.0μm光谱范围内，称作短波辐射。地球外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、云滴和云中冰晶所散射和吸收。 地球辐射是由地球表面以及大气的气体、气溶胶和云所发射的长波电磁能量，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3000nm，99%波长大于5000nm。温度越是降低，光谱越是移向较长的波长。 因为太阳辐射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。气象学把这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，是按标准观测者对光谱光效能定义的。下限在360和400nm之间，上限在760和830nm之间（ICI，1987a）。因此，可见辐射的99%处于400nm和730nm之间。波长短于400nm的辐射称作紫外辐射，而长于800nm的称作红外辐射。有时，紫外辐射的范围又分为三个亚区（IEC，1987）； UV-A：315…400nm； UV-B：280…315nm； UV-C：100…280nm； 7.1.2单位和标尺 7.1.2.1单位 气象辐射变量的单位宜采用国际单位制（SI）。在附录7.A和7.B中列出了单位的一览表。 7.1.2.2标准化 校准辐射测量仪器的责任由世界、区域和国家辐射中心承担，这些中心的技术要求由附录7.C给出。此外，在瑞士达沃斯的世界辐射中心负责保存基准，即世界标准组（WSG），这就是用以建立世界辐射测量基准（WRR）的仪器。在每五年组织一次的国际比对中，区域中心的标准要与世界标准组比对，并把它们的校准系数调整到世界辐射测量基准。然后，再用区域中心的标准定期地把世界辐射测量基准传递给国家中心，而国家中心再使用自己的标准来校准本国站网的仪器。 世界辐射测量基准（WRR）的定义 过去，气象学中曾用过多种辐射基准或标尺；1905年的埃斯屈朗标尺（Angstr?m scale），1913年的史密松标尺（Smithsonian）以及1956年的国际绝对直接辐射表标尺（IPS）。近年来，绝对辐射测量术的发展大大改进了辐射测量的准确度。用10种不同类型的15台绝对直接辐射表多次比较的结果，定义了世界辐射测量基准。通过使用下列系数，可以把旧标尺换成世界辐射测量基准： 世界辐射测量基准被接受为全辐照度的物理单位，其不确度不超过测量值的±0.3%（RMS）。 世界辐射测量基准的实现：世界标准组（WSG） 为保证新基准的长期稳定性，世界标准组由至少包括四种不同设计的绝对直接辐射表组成。在进入这个组合时，对这些仪器给出换算系数以将其读数修正到世界辐射测量基准。要使一台辐射表具有该组成员的资格，必须满足下列技术要求： （a）长期稳定性必须优于±0.2% （b）仪器的准确度和精密度，必须位于世界辐射测量基准的不确定度限度（±0.3%）内； （c）每个仪器的设计，必须不同于世界标准组内的其他仪器。 为了保证标准稳定性，世界标准组的仪器相互的比较每年至少一次，因此，把世界标准组保存在达沃斯的世界辐射中心。 世界辐射测量基准的计算 为校准辐射仪器，必须使用一台世界标准组仪器的读数或一台直接溯源于世界标准组的仪器读数。在