第八章辐射和日照时数的观测.ppt

第八章 辐射和日照时数的观测主要内容1.辐射的基本知识 2.辐射的观测仪器及原理 3.日照时数的观测 4.复习参考题一、辐射的基本知识1.概述 2.短波辐射 3.地球长波辐射大气长波辐射EL↓地面长波辐射EL↑ 4.太阳常数S0 5.直接辐射 6.散射辐射Ed↓ 7.总辐射Eg↓ 8.短波反射辐射Er↑ 9.净全辐射 10.辐射观测的基础1、概述辐射是以电磁波形式传递能量的一种方式，太阳 辐射是地球表面获得热量的主要来源，也是地球表 面与大气交换热量的一种形式n太阳辐射 能量99.9% 0.2-10 µmn 0.76 µm 红红外辐辐射n 0.29-3.0 µm 短波辐辐射 （能量97% 气 象站主要观测对观测对 象）n地球辐辐射 地球表面、大气、气溶胶和云层发层发 射的长长波辐辐射n 3.0-100.0 µmn 能量99% >5.0 µm2、短波辐射与长波辐射维恩位移定律n太阳（6000K） λmax=0.483 µm (蓝蓝光）n地面（300K） λmax=9.659 µm n大气（200K） λmax=14.489 µm 黑体辐射曲线太阳短波辐射n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n水平面太阳直接辐射SL：SL与S的关系n nHA为太阳高度角，Z为天顶角（互余）n散射辐射Ed↓：太阳辐辐射经过经过 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 分辐辐射。

可用总辐总辐 射表，遮住太阳直接辐辐射的方法 测测量太阳高度角示意图太阳短波辐射n总辐射Eg↓:水平面上，天空2π立体角内所接收到的太阳 直接辐辐射和散射辐辐射之和可用总辐总辐 射表测测量n白天太阳被云遮蔽时时，Eg↓= Ed↓n夜间间 Eg↓=0太阳短波辐射n短波反射辐射Er↑：总辐射到达地面后被下垫面向 上反射的那部分短波辐射可用总辐射表感应面朝 下测量n下垫面的反射能力以它的反射比Ek表示（地表反照 率）3、太阳常数在日地平均距离处， 地球大气上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 1981年世界气象组织（WMO）推荐了 太阳常数的最佳值是 So=1367±7W·m-2 直接辐射 散射辐射总辐射短波反射辐射垂直于太阳入射光方 向的辐射，记为S经过大气散射或云的反射， 以短波形式到达地面的那部 分辐射量，记为Ed↓太阳直接辐 射和天空散 射辐射到达 水平面上的 总量 Eg↓=SL+Ed ↓总辐射到 达地面后 被下垫面 向上反射 的那部分 短波量， Er↑n大气长波辐射EL↓：大气以长长波形式向下发发射 的那部分辐辐射，或称大气逆辐辐射n地面长长波辐辐射EL↑：地球表面以长长波形式向上 发发射的辐辐射（包括地面长长波反射辐辐射）。

与 地面温度有密切联联系4、地球长波辐射n短波辐射与长波辐射之和，称为全辐射n波长 0.29-100µm5、全辐射n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n净全波辐射E*= Eg↓+EL↓-Er↑-EL↑ n净短波辐射Eg*= Eg↓- Er↑n净长波辐射El*= EL↓- EL↑ 6、净全辐射E*（辐射平衡）SLEdEgErELEL各种辐射示意图辐射观测的基础通常对辐射的观测 都是以测定吸收辐射能 所产生的热量为基础的辐射传感器n使用的辐射传感器一般 都为热电型，传感器由 感应面和热电堆组成n结构：q感应面：薄金属片，涂上吸收率高、光谱响应好的 无光黑漆q热电堆：紧贴感应面，工作端位于感应面下部，参 考端位于隐蔽处n原理：当感应面吸收辐射能而增热时，使下部 的热电堆两端形成温度差，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Ｖ＝ＫＥback辐射传感器辐射测量单位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/m2），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/m2） ，取两位小数，1MJ=106J=106W·s 二、辐射的观测仪器及原理1.直接辐射的测定2.总辐射和散射辐射的测定3.净全辐射的观测4.长波辐射的观测5.紫外辐射的观测6.辐射自动观测仪1、直接辐射的测定1.环日辐射 2.定义的直接辐射和观测的直接辐射值之间的差异 3.测量仪器（1）绝对日射强度表a.测量原理b.观测时的注意事项（2）相对日射强度表a.测量原理b.观测时的注意事项1、直接辐射的测定来自太阳周围半径 2.5°天空范围内的散射， 称为环日辐射1、直接辐射的测定定义的太阳直接辐射为太阳直接投射 到地面上的辐射；而观测的太阳直接辐射 为太阳日盘的直接辐射与太阳周围（半径 不大于2.5°）的天空散射辐射（即环日 辐射）之和因为太阳的张角约为0.5° ，如果用一个圆筒将大于0.5°张角的散 射辐射挡住，这时仪器的露光孔就很难对 准太阳，观测起来很不方便n进光筒设计标准 考虑太阳对地视张角0.5° ，要分离这样小的立体角，进光筒需很长 ，但对瞄准与观测不方便n进光孔孔径半张角α（WMO建议2.5 °）n环日辐射占太阳直接辐射2-6%n在使用不同孔径角的仪器或彼此对比时， 必须计算各自环日辐射的贡献，并加以修 正。

Angstrom（埃斯川姆）补偿式绝对日射表原 理如图所示感应器是两块并排放着的相同的长 20mm，宽2mm，厚0.01mm的锰铜片B和C，薄片固 定在硬橡皮底座上锰铜片朝向太阳的一面均匀 覆盖着一层0.01mm厚的铂黑或烟黑，在锰铜片的 背面焊有热电偶的接点，用来测定两块锰铜片的 温差——绝对日射强度表 测量仪器工作原理n当锰铜片接受太阳辐射时，它所吸收的能量n Q=SσlbnS为为太阳辐辐照度，σ为铂为铂 黑的吸收率，l与b 锰铜锰铜 片的长长 、宽宽n一片暴露在太阳辐辐射下，另一片遮蔽，同时时接通该该片的 加热补偿电热补偿电 路调调整变变阻器改变变通过该过该 片的电电流i，最 终终使2片的温度相等，即热电热电 偶对检对检 流计计的输输出为为零 此时时遮蔽的片由于电电流加热热得到的热热量为为：n Qi=i2RnR为锰铜为锰铜 片的电电阻由于2片的散热热条件相同，在两者温 度相同的情况下，Q=Qi,因此太阳辐辐照度Sn S=i2 (R/σlb) =i2KnK为仪为仪 器常数，绝对仪绝对仪 器nS精度0.5%，要求i精度0.25%1、直接辐射的测定使用埃斯川姆日射表应注意下列几点： （1）日射表的防风作用不良，不能在大风时使用。

（2）受太阳辐射的那块锰铜片热量由外向内传递，被 电流加热的一片则是由内向外传递热量，两者温度 梯度的方向相反，引起的误差约为0.5％ （3）黑色表面由于潮湿会出现蚀孔，将改变仪器常数 ，应在保管时加以注意 （4）仪器的露光孔为矩形，视角纵向为10－16°，横 向近似约4°，光阑坡度角纵向为0.7－1.0°，横向 为1.2－1.6°当太阳高度低于20°时，地面反射 将部分地进入窄长的露光孔 （5）温度较高时，硬橡皮底座会拉断锰铜片 （6）一般，绝对日射表只用来标定相对日射表，因此 除非天气条件合适，晴朗无风以及能见状况良好， 否则是不宜动用的——绝对日射强度表 测量仪器1、直接辐射的测定——相对日射强度表 测量仪器沙维诺夫 －扬尼雪 夫斯基相 对日射表感应 部分底座进光 筒一块熏黑的薄 银片，片的背 后贴有热电偶 堆，热电偶堆 排列成环形锯 齿状，由锰铜 康铜片串连而成进光筒长116mm， 直径20mm， 张角为10°， 内有六层光阑1、直接辐射的测定观测时的注意事项：观测时先把导线与电流计接通，对 准太阳光读出仪器遮蔽时的电流计读数 N0；再打开遮光筒的盖子，使太阳辐射 落到感应面上，读出电流计读数N，则太 阳直接辐射强度为I=K[(N+∆N)-(N0+∆N0)]其中∆N和∆N0分别为电流计在N和N0 刻度上的订正值，仪器常数K通过与绝对 日射表的平行对比得到。

——相对日射强度表 测量仪器2、总辐射和散射辐射的测定1.总辐射表的测量原理 2.方位响应 3.余弦响应 4.总辐射和散射辐射的测定2、总辐射和散射辐射的测定总辐射表的测量原 理利用黑片和白片吸收率 有较大的差别，然后测定黑 片与白片之间的温差（黑片 白片面积相等），再换算成 辐射强度热电偶的热接点 处于黑片的下方，冷接点处 于白片的下方，整个感应面 密封在一个半球形玻璃罩中 （双层石英玻璃），为了保 持罩内空气的干净，玻璃管 内存放有干燥剂总辐射表扬尼雪夫斯基总辐射表如果太阳辐射强度不变， 太阳天顶角逐渐改变，仪 器的读数应该与天顶角的 余弦成正比理想的总辐射表 如果太阳辐射强 度不变，太阳天 顶角（或高度角 ）不变，转动仪 器一圈，仪器的 读数应该是不变 的总辐射的测定：Eg↓=SL+Ed↓＝KN 其中：N为电流表读数K为仪器常数在测量散射辐射时 用遮光环遮住太阳的直接 辐射，此时感应器感应的 就是天空散射辐射 遮光环：６５mm，直径４ ００mm 遮去直射辐射，仪器只能 测到天空散射辐射；根据 当地纬度和日期，适当调 节它的倾角，在一天任何 时刻都能遮住太阳的直接 辐射back3、净全辐射的观测在一定高度的 水平面上，测量来 自上下两方面的全 辐射差额，所用的 仪器称为净辐射表测量原理：净辐射表由上下两 片涂黑感应面与热电堆组成，净辐 射表的两片感应面，紧贴在绕线型 热电堆的上下接点上。

当感应部分 （两面）接收到不同的辐射量时， 使得热电堆上下端产生温差，测量 热电堆输出的电讯号，经过换算就 可以得出净辐射3、净全辐射的观测使用时的注意事项： 1、由于一般玻璃罩只能透过短波辐射，而净辐射表要感应 的全辐射，因此感应面上不能加盖玻璃罩 2、薄膜罩使用时间过长，容易脏污和老化，紫外线强和污 染严重将大大降低罩的透过率，因测要经常维护薄膜罩清 洁并定期更换，才能保持其测量精度 3、使用聚乙烯薄膜罩的净辐射表，应定期与标准仪器进行 对比，求出换算系数，就能较精确地计算出净辐射 4、净辐射表还有充气装置，通过两根细气管给薄膜罩提供 干燥气体，排除罩内湿气，并保持罩的半球形4.长波辐射的观测n长波辐射用长波辐射表测量n长波辐射表的构造、外观与总辐射表基本相合，由 感应件、玻璃罩和附件等组成n硅单晶玻璃罩 阻隔3µm以下的短波辐射5.紫外辐射的观测n紫外辐射分三个亚区：UV-A：0.315~0.400μmUV-B：0.280~0.315μmUV-C：0.100~0.280μm6.辐射自动观测仪n 辐射自动观测仪，由辐射表（传感 器）与采集器组成三、日照时数的观测1.概述2.测量方法3.暗筒式(乔唐式)日照计4.聚焦式(康培司克式)日照计5.日照传感器三、日照时数的观测日照指能使地上物体投射出清晰阴影的直 接辐射。

日照时数指太阳在一地实际照射的时数在一给定时间，日照时数定义为太阳直 射辐照度达到或超过120瓦每平方米的那段时 间总和以小时（h）为单位，取一位小数日照时数也称实照时数三、日照时数的观测n 烧痕法直接辐 射测量 法 总辐射测 量法对比法扫描法三、日照时数的观测暗筒式（乔唐式）日照计构造原理：主体为一金属圆筒，筒的一端密闭，一 端有盖，筒的上部有一块隔光板，筒身上在隔光板 的两侧边缘的同一垂直面上，各有一个圆锥形进光 孔，两孔前后位置错开，与圆心的夹角为120°筒 内有一弹性压纸夹，用以固定日照纸，圆筒下部有 固定螺丝，松开后，圆筒可绕支架旋转，支架下部 有纬度刻度盘与指示纬度的刻度线，仪器底座上有 。