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

架为金属板则事先打好三个孔，用螺栓固定仪器。然后利用仪器上所附的水准器，调整底座上三个螺旋，使总辐射表的感应面处于水平状态，最后将白色挡板装上。

仪器安装后，用导线与接线柱、记录仪表连接(接线时，要注意正负极)，有的接线柱有三根引出线，其中一根连接机体，用于连接电缆的屏蔽层，起到防干扰和防感应雷击的作用。

(2) 使用和维护

总辐射的观测，应在日出前把金属盖打开，辐射表就开始感应，记录仪自动显示总辐射的瞬时值和累计总量。日落后停止观测，并加盖。若夜间无降水或无其它可能损坏仪器的现象发生，总辐射表也可不加盖。

开启与盖上金属盖应特别小心，要旋转到上下标记点对齐，才能开启或盖上。由于石英玻璃罩贵重且易碎，启盖时动作要轻，不要碰玻璃罩。冬季玻璃罩及其周围如附有水滴或其它凝结物，应擦干后再盖上，以防结冻。金属盖一旦冻住，很难取下时，可用吹风机使冻结物溶化或采用其它方将盖取下，但都要仔细，以免损坏玻璃罩。

每日上下午至少各一次对总辐射表进行如下检查和维护：

① 仪器是否水平，感应面与玻璃罩是否完好等。

② 仪器是否清洁，玻璃罩如有尘土、霜、雾、雪和雨滴时，应用镜头刷或

麂皮及时清除干净，注意不要划伤或磨损玻璃。

③ 玻璃罩不能进水，罩内也不应有水汽凝结物。检查干燥器内硅胶是否变

潮(由蓝色变成红色或白色)，否则要及时更换。受潮的硅胶，可在烘箱内烤干变回蓝色后再使用。

④ 总辐射表防水性能较好，一般短时间或降水较小时可以不加盖。但降大

雨(雪、冰雹等)或较长时间的雨雪，为保护仪器，观测员应根据具体情况及时加盖，雨停后即把盖打开。

如遇强雷暴等恶劣天气时，也要加盖并加强巡视，发现问题及时处理。

13.3净全辐射的观测

净全辐射是研究地球热量收支状况的主要资料。净全辐射为正表示地表增热，即地表接收到的辐射大于发射的辐射，净全辐射为负表示地表损失热量。净全辐射用净全辐射表测量。

13.3.1净全辐射表

净全辐射表由感应件、薄膜罩和附件等组成（见图13.5）。

图13.5 净全辐射表

净全辐射表感应件也是由涂黑感应面与热电堆组成。但与总辐射表不同，它有上下两个感应面，两面均能吸收波长为0.3～100μm全波段辐射。热电堆两端

与上下两个感应面相贴。由于上下感应面吸收的辐照度不同，使得热电堆两端产生温度差异，其输出的电动势与涂黑感应面接收的辐照度差值成正比。净全辐射表有长波与全波段两个灵敏度，其要求范围均在7～14μV·W-1·m2。长波与全波段灵敏度允许误差≤15%。响应时间≤60S(响应稳态值99%)。白天(净全辐射为正值)采用全波段灵敏度，夜间(净全辐射为负值)采用长波灵敏度。

为防止风的影响和保护感应面，净全辐射表上下感应面装有既能透过短波(0.3～3μm)，又能透过长波辐射(3～100μm)的半球形专用聚乙烯薄膜罩。薄膜罩上放置橡皮密封圈，然后用压圈旋紧，使得薄膜罩牢牢固定住。

附件：有表杆、干燥器、底板、上下水准器与调节螺旋、接线柱和橡皮球等。干燥器(内装硅胶)装在表杆内与感应件相通，用橡皮球打气，通过干燥器即使上下薄膜罩充成半球形，并提供干燥气体，排除罩内潮气。此外还有上下两个金属盖和固定压圈用的金属环等。

13.3.2仪器的安装、使用和维护

⑴ 安装

安装净全辐射表的架子是由台柱和伸出的长臂所组成(见图13.12)，长臂的末端固定一块比净全辐射表底座稍大的金属板或木板。安装架子时，要求台柱离地面约1.5m，长臂基本水平，方向朝南。台柱埋入地下部分要很牢固，不要因长臂末端安装仪器长期承受重量而下垂。

安装时，把表的底板用不锈螺旋固定在金属板上，使感应件伸出长臂，接线柱方向朝北。用调整螺旋将感应面调平。最后用电缆线连接记录仪，接线时要注意正负极。

⑵ 使用与维护

净全辐射表观测的是全辐射差额，不仅白天观测夜间也要观测。记录仪显示的是瞬时值、时累计量和0～24小时日总量，一般白天显示正值，夜间为负值。

净全辐射表和总辐射表一样，除每日上下午至少各检查一次仪器状态外，夜间还应增加一次检查。每次检查和维护的内容如下：

① 感应面是否水平。

② 薄膜罩是否清洁和呈半球凸起。罩外部如有水滴，应用脱脂棉轻轻抹去，若有尘埃、积雪等，可用橡皮球打气，使罩凸起并排除湿气。

薄膜罩通常每月更换一次，风沙多、大气污染严重或紫外光强易使聚乙烯老化的地区，要增加更换次数。

更换薄膜罩时要用专用工具(金属环)把压圈旋下，取下橡皮密封圈与旧罩，然后换上新罩，放上密封圈，再用专用工具把压圈旋紧。换罩时如发现密封圈老化或损坏应同时更换，更换时注意不要弄脏或碰坏黑体。如果感应面有脏物，要用橡皮球清除，不要用刷子等硬物去清除。

③ 遇有雨、雪、冰雹等天气时，应将上下金属盖盖上，加盖条件同总辐射表，稍大的金属盖在上，以防雨水流入下盖内。降大雨时应另加防雨装置。降水停止后，要及时开启。

由于薄膜罩密封性能不好或金属盖盖得不紧，大雨时，常把感应面弄湿，使得仪器短路或出现负值，应及时把仪器烘干或换上备份表。

④ 要注意观测结果的正负值。正常天气净全辐射夜间为负值，日出后1～2小时升为正值至中午为最大，日落前1～2小时又转为负值。如果出现相反情况，可能仪器的正负极接错。

⑤ 干燥剂失效要及时更换。

⑥ 注意保持下垫面的自然和完好状态。平时不要乱踩草面，降雪时要尽量保持积雪的自然状态。

净全辐射表出现的故障和处理方法与总辐射表基本相同。但最常见的故障是薄膜罩漏水使得感应面潮湿，造成记录出错。因此，气象站要备足薄膜罩与橡皮垫圈及时更换，保持好密封性。

13.3.3辐射作用层状态的观测

有净辐射或反射辐射观测项目的气象站，应观测作用层状态。

作用层状态的观测地点为净全辐射表支架下的观测场地面。每天地平时9时点左右观测辐射作用层状态。

作用层状态由作用层情况的十位数码和作用层状况的个位数码组成的两位编码表示（见表13.1），记录在备注栏靠日期一边栏内。例如：枯草上降新雪记“14”。

表13.1 作用层状态编码表

十位数码作用层情况

个位数

码

作用层状况

0 青草0 干燥

1 枯（黄）草 1 潮湿

2 裸露粘土 2 积水

3 裸露沙土 3 泛碱（盐碱）

4 裸露硬（石子）土 4 新雪

5 裸露黄（红）土 4 陈雪

6 溶化雪

7 结冰

13.4太阳直接辐射的观测

测量垂直太阳表面(视角约0.5°)的辐射和太阳周围很窄的环形天空的散射辐射称为太阳直接辐射。太阳直接辐射是用太阳直接辐射表(简称直接辐射表或直射表)测量。

13.4.1直接辐射表

直接辐射表由进光筒、感应件、跟踪架(赤道架)及附件组成（见图13.6）。

图13.6 直接辐射表

⑴ 进光筒的孔径角

直接辐射表孔径大小由半开敞角α和斜角β来定义 (见图13.7)。

α=tg-1 (R/d) (13.9)

β=tg-1〔(R-r)/d〕 (13.10)

式中，R：进光前孔半径；r:接收器半径；d：前孔到接收器的距离。