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。
风扇网罩
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（Angström 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：
026.11905=年埃斯屈朗标尺世界辐射测量基准
977.01913=年史密松标尺
世界辐射测量基准
022.11956=年国际直接辐射表标尺
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。
电梯试验塔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。在国际比对时，世界辐射测量基准的数值至少用3台参加世界标准组的仪器的平均值计算。为了
得出世界辐射测量基准值，世界标准组仪器的读数始终使用其在进入世界标准组时所确定的各自的换算系数加以修正。
360度旋转拖把
7.1.3气象要求
7.1.3.1资料的获取
最普通的是记录和获得辐照度和辐照量在一小时内的平均值和总量。也有很多要求较短时间的资料，少到一分钟或甚至几十秒（对于有些方面的能量应用），一天的总量也是常用的。对于气候学的应用，需要的是固定的真太阳时或固定的大气质量值的情况下的太阳直接辐射的测量值。浑浊度的测量必须在很短的响应时间进行，以减少大气质量各种变化引起的不确定性。
对于辐射测量来说，记录和获得有关观测状况的资料是特别重要的。这包括仪器的类型和溯源性，校准的历史，及其所在地点，安置和维护的记录。
7.1.3.2准确度
对于净辐射准确度的说明已在第一编第1章中给出。对于国际交流，WMO规定为，辐照度要求的准确度在≤8MJm-2α-1时为±0.4MJm-2α-1，在＞8MJ.m-2α-1时为±5%。规定可达到的准确度为±5%。
对于其它的辐射量所要求的准确度没有正式统一的意见，但在本章涉及到各种测量类型的一些节中讨论了准确度。一般来说，高质量的测量在实际中是很难达到的，但对日常的业务，只要使用现代的设备是可以达到的。现仍在使用的有些系统不是最佳运作状态，对很多应用来讲，性能稍差仍需接受。
然而，对最高质量资料的需求是日益增多的。
7.1.3.3采样与记录
要满足准确度的要求，最好是采取每分钟观测，即使最终记录的数据是长达一小时或更长时间的累计总和。一分钟数据点可累计总和，或者可以用6个或更多个的单个采样来计算平均辐射通量。大多数倾向于数字的资料系统，而图线记录器和其它类型的积分器很不方便，也难以保持在适当的准确度水平。
7.1.3.4观测时间
在世界范围的辐射测量站网中，重要的是资料是同一的，不仅是在校准方面，而且观测时间也是同一的。因此，全部的辐射测量应当在一些国家称为地方视时（LAT），而其他一些国家称为真太阳时（TST）进行。然而，因为标准时或世界时容易使用，因此人们乐于将其用于自动化系统。不过，只有在把资料换算到真太阳时而不致产生重要的信息损失时（也就是说，如果取样率足够高时，正如在7.1.1.3节中所述）才是合适的。为了将标准时换算为太阳时，可参见附录7.D的实用公式.
7.1.4 测量方法
气象辐射仪器可用各种标准来分类：所测变量的类型、视场、光谱响应、主要用途等。最重要的分类
类型列于表7.1。下面的（a）项到（h）项用来表征仪器的质量。在7.2至7.4节中描述了仪器及其操作。WMO（1986 b）提供了各种仪器及其工作原理的详细概述。
绝对辐射表是自校准的仪器，也就是落在传感器上的辐射由能够准确测量的电功率代替。但是，这种替换不可能绝对完美；与理想情况的偏差决定了辐射测量的不确定度。
然而，大多数辐射传感器却不是绝对的，必须由一个绝对仪器来校准。这样，测量值的准确度就取决于下面诸因子，对于一台有良好特性的仪器来说，所有这些参数都应该是清楚的。
（a ）分辨率，即能够被仪器检测出来的辐射量的最小变化；
（b ）灵敏度（输出的电信号与所施加辐照度的比值）的长期漂移，即一年的最大可能变化； （c ）由于诸如温度、湿度、气压、风等环境变量的变化而产生的灵敏度变化； （d ）响应的非线性，即与辐照度变化有关的灵敏度变化；
（e ）对于设定的如接收表面的黑度、视窗孔阑效应等光谱响应的偏差； （f ）对于设定的余弦响应和方位响应的方向性响应偏差； （g ）仪器或测量系统的时间常数 （h ）附属设备中的不确定性
应该根据使用的目的来选择仪器。某些仪器在特定的气候、辐照度和太阳位置下的运行就很好。 7.2直接太阳辐射的测量
直接太阳辐射用直接辐射表来测量，其接收表面安置在垂直于太阳方向，通过视窗仅测量从太阳和很窄的环日天空发射的辐射。现代仪器的视窗的半张角从太阳中心向外扩展有的约2.5°，例如Link Fuessner 日射表，有的约5°，例如AT-50型（分别相当于5×10-3和5×10-2球面度（sr ）
）。直接辐射表支架的结构必须能做到迅速而平稳地调整方位角和高度角。通常有一瞄准装置，当接收表面正确地垂直于太阳直射光束时，瞄准装置中有一小光点正落在目标靶中心的标志上。连续不断的测量就应当使用自动跟踪太阳装置。
图7.1 视场范围的几何形状图
（半张角：arctan R/d 倾斜角：arctan （R －r ）/ d ）
接收表面
表7.1 气象辐射仪器
松香酸
仪器类型测量参数主要用途
视角（sr）（见图7.1）
绝对直接辐射表（Absolute pyrheliometer）直接太阳辐射一级标准
5×10-3
（半角近似于2.5°）
直接辐射表(Pyrheliometer) 直接太阳辐射（a）校准用二级标准
（b）站网
5×10-3至2.5×10-2
分光直接辐射表(Spectral Pyrheliometer)
钛雷宽谱带中的直接太阳
辐射（例如带有OG530，RG630
等滤光片）
站网5×10-3至2.5×10-2
太阳光度表(Sunphotometer) 窄谱带中的直接太阳辐射（例如
在500±2.5nm和在368±2.5nm）
（a）标准
（b）站网
1×10-3至1×10-2
(全角近似于2.3°)
总辐射表(Pyranometer)
(Ⅰ)总辐射
(Ⅱ)天空辐射
(Ⅲ)反射太阳辐射
（a）工作标准
（b）站网
2π
分光总辐射表(Spectral Pyranometer)
宽带光谱范围中的辐射
（例如带有OG530，RG630等滤光
片）
站网2π
净总辐射表(Net pyranometer) 净总辐射
（a）工作标准
（b）站网
4π
地球辐射表(Pyrgeometer)
信息配线箱(Ⅰ)向上长波辐射（下视）
（Ⅱ）向下长波辐射（上视）
站网2π
全辐射表
(Pyrradiometer)
全辐射工作标准2π净全辐射表
(Net pyradiometer)
净全辐射站网4π关于视场范围的几何形状，建议所有新设计的直接太阳辐射仪器的半张角为 2.5°（5×10-3sr）和倾斜角为1°。这些角的定义，如图7.1所示。当对具有不同视场范围几何形状的仪器进行比对时，必须考虑到环日辐射强度的影响，具有较大孔径角的仪器对读数的影响较明显。当大气质量为1.0时，上面提到的两种孔径角之间的读数差异可达2%。
对于气候学的用途，需要在固定真太阳时或在固定大气质量值时的直接太阳辐射瞬时值，可由常规的太阳辐射站网资料得到。
为了能对不同季节的直接太阳辐射进行气候学比较，必须把所有的数据转换成平均日——地距离的值：
2
/R
S
S
N
=（7.1）N
S是规一化为平均日——地距离（定义为一个天文单位（AU）见附录7.D）的太阳辐射，S是测量的太阳辐射，R是以天文单位表示的日——地距离。
7.2.1 全波直接太阳辐射
在表7.2中列出了业务用直接辐射表（一级标准除外）的一些特性（取自ISO 1990c），表中还列
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
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