太阳辐射测量的回顾与展望

太阳辐射测量的回顾与展望

王炳忠

(中国气象科学研究院,北京100081)

1、太阳辐射标准

太阳辐射测量技术发展的历史告诉人们，为了在世界范围内获取整齐一致的数据有多么困难。国家计量部门建立的辐射标准，仅限于低辐照水准，无法作为太阳辐射测量的依据。这就是气象学界借助直接日射表（Pyrheliometer）独立开发太阳辐射标准的理由。

第一台测量太阳辐射的仪器是1837年由法国人Pouillet设计制造的，它的工作原理以水的卡计为基础。由于其设计简单，只能进行一些粗略的测量。随后出现的一些仪器，大多是对Pouillet仪器的改进，其中较有名的如Violle、Crova等人。1884年Frolich首先采用热电堆做探测器，这种方法虽然简便，却需要另一台绝对仪器来校准。另外，为了使测量进一步精确，Michelson以Bunsen冰卡计为基础设计了一台直接日射表，但不实用。?ngstr?m 是使用双探测器制作直接日射表的第一人，测量时两个探测器交替地遮荫和曝光。后来他进一步发展这一想法:用电校准探测器代替卡计，这就是著名?ngstr?m补偿式直接日射表。在上一世纪内，虽然在历次国际气象局长会议上多次议论过太阳辐射测量事项，但均因限于当时科学技术水平而未获解决。在1896年的会议上还建立了专门的太阳辐射委员会（CSR），其任务就是要为测量太阳辐射标准仪器提出建议。直至1905年在Inrisbruck的会议上，才决定以?ngstr?m补偿式直接日射表做为测量仪器，并以其原型A70做为标准I（保存在瑞典Uppsala大学物理研究所）。这就是?ngstr?m标尺（AS-1905）的由来。AS-1905在欧洲被广泛采用。

美国Smithson研究所使用的银盘直接日射表（Silverdisk，简称SD）是Pouillet和Violle 直接日射表的混合型。使用中的该类辐射表大多数都是由Smithson研究所制造的。上世纪末，它们由Abbot所研制的水流式直接日射表校准。后来，Abbot又研制出搅水式直接日射表，并以此校准水流式仪器。这一系列校准和研制标准仪器工作导致了1913年Smithson标尺的建立（SS-1913），它主要在美洲等地使用。

自出现两个并列日射标尺之日起，其间存在的差异问题，倍受有关学者的关注。1912年在Rapperswill召开的CSR会议上，Kimball首次报告了他所作的比对结果:二标尺间相差5％，SS高于AS。当时，这一结果被认定为处于测量不确定度的范围内，除了继续进行类似的比对外，未做出其他结论。

几乎与此同时，其他领域的研究工作者正致力于斯忒潘一玻耳兹曼常数的测定。他们接受了?ngstr?m的设计思路，并对其进行了相应的改进。遗憾的是，他们对?ngstr?m探测器性能的研究结果和改进意见，从未引起气象学界的注意。

1923平CSR在Utrecht会议上采纳了Marten和Angstr6m分别测定的两标尺之差为3．5％的意见，并认定标尺差异之争已获“解决”。而实际上，诸多科学家对此并不以为然。1925年在CSR的Davos会议上，以彻底研究?ngstr?m直接日射表误差源为由，要求波斯但观象台与德国物理技术研究所（PTR）协作研制一台绝对直接日射表。PTRTingwaldt着手设计了一台双腔搅水式直接日射表，并于1930年投入使用。该仪器参加了在瑞士1）avos物理气象观象台举行的L台Angstrbm直接日射表和银盘直接日射表之间（即两标尺之间）的强化比对。1935年在CSR的绝对直接日射表分组会议上，对强化比对的结果进行了讨论，两标尺之间的差异，被确定为4．5—5％，与1912年Kimball的结果一样。在此比对中，Tingwaldt 仪器的读数介于两者之间。以往采用的3．5％的差异，虽未被证实，但也未采取措施去更改。相反，提出了一些理由为3．5％的差异进行辩护:其中一个理由是:由于?ngstr?m直接日射表具有矩形接收器，环日辐射带来的影响在低地站（波斯但）要比山地站（Davos）来得高。总之，两标尺之间差值的争议仍未获解决，两标尺仍在各自的领域作为气象辐射数据的测量标准。

二次大战期间，一切为了解决争端的国际活动均停止了。战后，CSR于1946年被解散。CSR的任务改由大地测量学与地球物理学国际联合会（IUGG）下属的国际气象学与大气物理学协会（IAMAP）辐射委员会（RC）承担，其实，早在1919年IUGG运作之始，就已经建立了RC，后来，RC与CSR进行了很好的合作，大多数工作会议一起召开，另外，战后新建的世界气象组织（WMO），其下设的仪器和观测方法委员会（IMO）也设立了辐射工作组。所有这些组织密切协作，共同筹备19571958年期间举行的国际地球物理年活动。很明显，如何使世界范围内的日射测量数据协调一致，再次彼提上议事日程。1956年在Davos 举行的RC期间，形成了一项解决办法:即定义统一的国际直接日射测量标尺（IPsl9S6），不过，它们是一项折中，即在承认两标尺间的差值仍为33年前所建议的3．5％的基础上，IPS-l956以SS-l913减少2％或AS-1905增加1．5％来实现。

为了具体落实IPS-l956，WMOCIMO的辐射工作组干1959年在Davos组织了第1次国际直接日射表比对活动（IPCI）。在此期间，由于某些主要参与者患病以及多年后才发现的代表AS标尺的与瑞典标准仪器配套使阑的电流表有未判明的故障等而出现了重要的疏漏，结果导致IPS-l956的实现，实际上并未按照原定义的那样去实施。

在1964年举行的IPCⅡ期间，情况仍未得到改善。只有当现代的电校准腔体式直接日射表被开发研制出来以后，问题才得以最后澄清。在1970年举行的IPCⅢ期间，已有诸多种类的现代腔体式直接日射表参加，这些比对结果以及1973年瑞士物理气象观象台（PMO）对自1930年以来在该台进行的所有与两标尺之间比对有关的材料进行了重新分析，结果展现出一幅不同标尺相对位置的清晰图表。它表明，定义IPS-1956时所依据的两标尺之间的差值为3．5％是错误的；同时也表明用传统的直接日射表建立世界范围的辐射测量基准是有困难的，希望应寄托在电校准腔体式直接日射表、即所谓的绝对辐射表上。

自1970年以来，先后共有10种类型计15台绝对辐射表参加了在Davos举行的比对活动。其间共进行过25000多次测定，主要是由于历史的原因，PACRAD被当做比对的标准，测定结果相当一致，都集中在以高于PACRAD0．2％为中心的10．8％的范围内，其中的一半甚至聚焦在±0．15％范围内。数值如此集中，表明国际单位制（SI）全辐照度的真值就在此范围内，井表明可据此来定义新的国际辐射标准—世界辐射测量基准（WRR）。

由于ECR和nBC参加同步比对的次数不到30次，而其它仪器则多于1000次，因此在计算加权平均值时，未将它们包括在内。为了考虑仪器的类型而不是仪器的数量，仅计算了各类型的平均值，权重日子按反比于每种仪器原定绝对精度的均方根取值。各绝对辐射表的综合结果与PACRAD的比值为1．0019，即198＝年世界气象组织决定启用WRR，它的下确定度为10．3％。旧标尺转换成WRR的转换因子为

WRR／AS1905－1．026

WRR／SS1gl3＝0．977

为了保证WRR的长期稳定，决定建立世界基准组（WSG）。

WSG的成员必须满足下列要求:

（1）长期稳定性优于±0．2％；

（2）仪器的准确度优于±0．3％；

（3）仪器的设计不同于组中其它类型仪器。

在前述10种类型仪器中，共有4种5台仪器符合上述要求。最后决定由ACR310、CROM、PACRADE和PMO2组成WSG。它们保存在瑞士Davos的世界辐射中心。为了了解其稳定性、组内的仪器每年至少比对一次。

尽管如此，1980年进行IPCV时，ACR310仍因出了问题而退出了WSG。1985年决定重建WSG。此次WSG的成员由4名增至5名，即PACRADⅢ，CROM2，CROM3，PMO2和PMO5。后来又增加了MK67814和HF18748，即目前WSG系由7台仪器构成。经过多

年运行实践表明，WRR的长期稳定性优于2×10-4。

就在WRR建立的同时，国际计量学界在研究低温绝对辐射计（CAR）方面也取得了重大进展。所谓CAR也是以电替代法为原理，以超低温、超电导和高真空为手段的现代辐射功率测量仪器。它与常温绝对辐射表相比，有以下几方面的特点:

（1）在超低温下，周围的杂散辐射可降至忽略不计的程度；此时纯铜的热容比常温时降低3个数量级，热导率提高:个数量级，吸收比非常接近于1，消除了辐射加热与电加热的不等效性；

（2）超导技术的应用，消除了电加热引线不必要的欧姆热损，提高了准确度；

（3）高真空环境消除了空气对流和热微扰。

CAR的测量不确定度为4×1O-5，长期稳定性优于1×10-5。正因CAR具有世界最高的准确度，将WRR与其进行一次比对，就是一项极有科学价值的计量工作。此项工作已由英国国家物理实验室（NPL)和世界辐射中心的专家共同完成。由于二种仪器的量程不一，相差近20倍，故比对只能分步骤地间接进行。结果表明，WRR与NPLSI标尺之间的一致佳优于0.03％。这再次表明WRR的可信度是很高的。

2、太阳常数

太阳发出的能量不仅对于能源利用是重要的，它对于地理上所有生命来说都是至关重要的。地球上的天气、气候则完全受其入射量和其它与地球大气、海洋、陆地等相互作用的制约。地球接收的太阳能哪怕只有千分之一的变化，只要是持续不断的，就会对天气、气候产生重要的影响。正因为如此，在气象学中，太阳常数测定工作一直受到关注。在气象学领域内，除了天气预报这项永恒的主题外，没有哪一项工作，能象太阳常数测定那样应用了从高空气球、飞机、火箭到卫星和航天器等如此众多的现代高科技手段。

另一方面，从太阳光谱的变化能了解太阳大气中发生的变化，了解太阳常数的短期变化有助于推知太阳内部的机制，所以太阳常数的测定也是太阳物理学界极为关心的课题。

自进入大空时代以来，各种宇航器不断进入太空。它们的热状况直接受到太阳常数值的影响，因而准确地测定太阳常数又成了宇航工作者的目标之一。宇航界所掌握的技术无疑是最先进的，所以他们的参与大大促进了这项工作的进展；

尽管如此，太阳常数测定的进展总体上讲仍然是比较缓慢的，主要与下述原因有关: （1）受辐射测量准确度的制约，从国际单位制7项基本单位的测量准确度来看，辐射度是其中最低者。

（2）从50年代到80年代，辐射测量基准本身就经历了两次变动，标尺本身的不确定

度从百分之几提高到了千分之几。

（3）所谓的太阳常数并非一个理论推导出来的、有严格物理内涵的常数，其本身受太阳自身活动的影响和制约，且具有不同时间尺度的变化。这给研究者对用自己研制的仪器在不同情况下所测定的结果进行比较带来困难。

（4）除了在太空进行的测量可不受地球大气的影响外，其它在高山、飞机、气球、火箭等平台上的测定，由于仪器所处高度不一，受大气的干扰各异。即使进行适当的订正，由于订正并无公认的统一方法，大气成分又易变，所以订正的准确度也是有限的。这是太阳常数测定结果分散的又一原因。

（5）太空中的仪器虽可摆脱大气的干扰，但其工作环境为真空、低温和强辐射，易受环境影响而老化或变性，所以太空用的辐射测量仪器的质量要求更高。这一点是在实践中逐步认识到的。

应当强调指出，正如前一节中所介绍的，本世纪内辐射测量标准本身经历了两次重大的变动。可以想见，在旧标尺下所获得的太阳常数会对人们的认识产生何等影响。因此，在采用某一太阳常数值时，一定要注意其产生的年代和其所依据的标尺。如果撇开这一基础而关心其数值本身，可能会误入歧途。

提到太阳常数就不能不提到美国Smithson研究所的天体物理观象台，虽然从现代的视角看，他们为此而付出的努力不无遗憾，但一些著名的学者从1923年起至1954年的30多年里，除了在美国本土，还在非洲、南美洲等地的高山上进行了太阳常数观测，即使二战期间，男士从军，观测工作由他们的夫人坚持了下来，因而积累了丰富的资料。一些学者利用这些资料揭示出太阳辐射存在着长期的缓慢的且具有周期性的变化，而另一些研究者用同样的资料却得出太阳输出是不变的结论。这使得美国学者Hoyt认为，有必要对所有数据重新进行审查和检验。经过详尽的分析后，他指出，Snlithson研究所的太阳常数测量工作，在其内部一致性上存在着严重问题。这种内部的不一致，既存在于各观测点间，也存在于所用的冗长法和简捷法之间。在订正方法中限于历史原因又未能将大气衰减的所有方面考虑周全。此外，辐射标尺的不适当修订也有一些影响。总之，这项持续了数十截的工作，只具有历史意义，而无任何现实意义。

正如前面已经提到过的，随着太空时代的到来，对太阳常数感兴趣的学科领域不断扩展。高科技部门的参与，为提高大阳常数乃至日射观测的整体水准均有巨大的促进作用。所以形成了太阳常数测定的新高潮。在此期间，观测已从地面扩展到空间，运载工具包括高空气球、飞机、火箭等。所使用的仪器大部分是相对的，也有绝对的，既有常规的，也有特制的。

1969年美国国家航空航天局出于宇航和其它工程设计标准的需要，专门成立了一个太阳电磁辐射委员会（CSER），对60年代以来获得的太阳常数最新测量结果进行评审。委员会首先排除了所有地面测定结果，主要集中分析研究了从高空测得的数据，讨论了各种误差源。委员会区分了以下四种主要误差的原因:

（1）辐射标尺不同；

（2）大气层中水汽成分变化剧烈，因此，红外段的公差是不确定的；

（3）太阳光谱最外两端，在大气中是测不到的；

（4）在有大气存在下的测定外推至零大气时，采用任何技术都有缺陷。

该委员会主席Thekaekara于1970年和1973年两次报告了结果。第一次未将Willson的测定结果包括进去。但无论包括与否，结果是J样的。这就是著名的1353W/m2太阳常数值的由来。它迄今仍为航天部门所采用。有一点不容忽视，参与评审的9个太阳常数中就有5个是以IPS一1956为基准的，其余所依据的也只能说是仪器设计者个人的认识，彼此凤缺乏足够的比较，远达不到建立标尺的程度，所以最后的结果仍是以IPS-1956为准，鉴于IPS-1956已于1981年被废止而代之以WRR，因此，即使仍习惯采用1353W/m2这一太阳常数值，也应进行标尺变换，在WRR下1353w/m2应为1353×1.022=1383W/m2，对此，Forgan早在1977年就曾提出质疑。当时，经过多次比对，绝对辐射标尺已经更为接近确立。经他对表中6次有据可查的比对结果转换为绝对标尺后，所得到的太阳常数值为1375W／m2。这是当时条件下所能达到的最好结果。应当说，标尺转换确实是二个重要因素，其实问题还远不止于此。70年代以来，在太阳常数测定方面有以下两个明显特点: （1）为了不受大气的干扰，测定工作均在大空中进行；

（2）测量仪器都采用了可自校准的腔体式绝对辐射表。

自1978年以来，先后就有NIMBUS-7（1978.11）、SMM（1980.2）、ERBS（1984.10）、NOAA一9（1984.12）和NOAAI0（1986.9）等卫星相继升人太空。它们均载有太阳辐射测量仪器，并提供了3组太阳常数测量数据。

遗憾的是，这3组数据之伺的偏差大于单台仪器测量时所产生的时间变化）尽管这些卫星所携带的仪器比以往都要准确和精密，但显然它们对于监测太阳常数的长期变化趋势仍是不够的。还要求在提高仪器抗老化、长期稳定性以及仪器校准等方面做进一步的努力。

1983年12月SPACELABI成功地发射、至少从计量学的角度获得了重大进展，它证明可以从太空成功地回收使用过的仪器，这推动了美国航空航天局实施ATLAS（应用与科学大气实验室）计划。A TLAs1、2、3分别于1992年3月，1993年4月和1994年11月发射。

其间欧洲航空航天局的EURECA也于1992年7月发射，1993年6月回收，中间在太空成功运行了10个月。所有这些航天器上均载有单通道或双通道辐射测量仪器。A Ti，AS2运行期间，正值太阳活动水平最低的时段。此时，共有10台仪器在大空中工作，其中8台所测到的太阳常数，其标准偏差＜±0．1％。这样优良的测定结果为建立一个新标尺——空间绝对辐射基准（sARR）奠定了基础。同时为每台仪器确立了一个调整系数Ci，即SiSARR（t）=CiSi（t）;式中，Si（t）为第i台仪器的实际测量值；SiSARR（t）为第i台仪器修正到空间绝对辐射基准后的太阳常数值。这些仪器均被回收了，并能再次投入运行，即太空穿梭飞行，以便对其它仪器，特别是那些以往长期运行，且无法回收的仪器进行SARR校准。经这种办法修订过的太阳常数，就可以将不同仪器的测定结果组成协调一致的单一时间序列。

最后值得一提的是，英国国家物理实验室NPL研制前述低温绝对辐射计的专家们，正致力于研制一种在太空中监测太阳常数用的低温太阳绝对辐射表（CSAR），并准备在EURECAⅢ上使用。CSAR的测量不确定度为0．01％，分辨率为0．001％，这大大高于所有现存太阳辐射仪器及其改进型仪器。如果这一目标得以实现，不仅可以实现对太阳常数的高准确度监测，同时也会为地面太阳辐射测量标准带来一次提高的机会。

3、其它日射测量仪器

这里主要介绍一下总日射表的情况。总日射表自1898年由英国的Callendar开发出来以后，经过各方面不断的改进，已取得了重大进展。不过，相对现代科技水准而言，它目前所达到程度仍不够高。虽然各生产厂家为此付出不少的努力，如试用过腔体型接收器做为总日射表的传感器，但最终使用效果均未显现出突破，对性能的提高无明显帮助。最近美国学者采用3种新工艺制做总日射表感应器，即:（1）线性薄膜铂电阻；（2）硫化铱热电堆；（3）薄膜锑。铆热电堆。据作者所做的测试结果称，除第3种工艺的分辨率略差外，其余2种工艺均达到了当前总日射表的最高水准。由于这些都是科研的结果，尚未投产和实用，很难评价其实际价值。不过，即使达到了现行总日射表的最高档次，由于决定其性能的指标有8项之多，估计其综合准确度不会很高，约为±3％。

目前国际上为提高总日射表的测量准确度有两个值得注意的动向:

（1）每台仪器的灵敏度不是给出一个单一的数值，而是根据不同的入射角给出一个图或表，当入射角不同时，再按各自的灵敏度计算。

（2）采用水平直射辐照度加上散射辐照度的方法求取总日射辐照度，即采用所谓的成份法。据检验研究，良好的成份法可使准确度较使用单一的总日射表提高1／3到一半，因此值得推广。

太阳辐射五要素测量系统M164985

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产品价格：面议

厂商性质：经销商

所在地：乌鲁木齐市

发布时间：2010-12-21

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产品简介

元素分析仪

详细介绍

太阳辐射五要素测量系统

一、整体说明：

该系统由总辐射表、散射辐射表、直接辐射表、反射辐射表、净全辐射表、记录仪和组合支架组成，可全天候测量太阳辐射的五个要素，记录仪数据存储7天，RS-232通讯(可转485或扩展成GPRS无线通信模式)，上位机服务软件严格按照国家《地面气象观测数据文件和记录簿表格式》进行开发，记录仪内采集运算按

《地面气象观测规范》和中国气象局监测网络司相关规定进行开发，除提供规范的月报表外还提供日报表，实时数据(每分钟上传一次数据),24小时辐射强度曲线，地方平均太阳时换算等诸多功能。

二、组成：

序号

名称

套

1

HT 数据采集器(5路)1

2

总辐射表1

3

散射辐射表1

4

直接辐射表1

5

净全辐射表1

6

反射辐射表1

7

专用支架 1

8

系统光盘1

三、技术参数：

● HT数据采集器

①信号采集方式采用24位高精度AD，采集精度高、稳定性好、线性度精准。