太陽輻射測(cè)量的回顧與展望

1、太陽輻射測(cè)量的回顧與展望王炳忠(中國(guó)氣象科學(xué)研究院北京100081)1、太陽輻射標(biāo)準(zhǔn)太陽輻射測(cè)量技術(shù)發(fā)展的歷史告訴人們，為了在世界范圍內(nèi)獲取整齊一致的數(shù)據(jù)有多么困難。國(guó)家計(jì)量部門建立的輻射標(biāo)準(zhǔn)，僅限于低輻照水準(zhǔn)，無法作為太陽輻射測(cè)量的依據(jù)。這就是氣象學(xué)界借助直接日射表（Pyrheliometer）獨(dú)立開發(fā)太陽輻射標(biāo)準(zhǔn)的理由。第一臺(tái)測(cè)量太陽輻射的儀器是1837年由法國(guó)人Pouillet設(shè)計(jì)制造的，它的工作原理以水的卡計(jì)為基礎(chǔ)。由于其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)

2、單，只能進(jìn)行一些粗略的測(cè)量。隨后出現(xiàn)的一些儀器，大多是對(duì)Pouillet儀器的改進(jìn)，其中較有名的如Violle、Crova等人。1884年Frolich首先采用熱電堆做探測(cè)器，這種方法雖然簡(jiǎn)便，卻需要另一臺(tái)絕對(duì)儀器來校準(zhǔn)。另外，為了使測(cè)量進(jìn)一步精確，Michelson以Bunsen冰卡計(jì)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了一臺(tái)直接日射表，但不實(shí)用。ngstrm是使用雙探測(cè)器制作直接日射表的第一人，測(cè)量時(shí)兩個(gè)探測(cè)器交替地遮蔭和曝光。后來他進(jìn)一步發(fā)展這一想法:用電

3、校準(zhǔn)探測(cè)器代替卡計(jì)，這就是著名ngstrm補(bǔ)償式直接日射表。在上一世紀(jì)內(nèi)，雖然在歷次國(guó)際氣象局長(zhǎng)會(huì)議上多次議論過太陽輻射測(cè)量事項(xiàng)，但均因限于當(dāng)時(shí)科學(xué)技術(shù)水平而未獲解決。在1896年的會(huì)議上還建立了專門的太陽輻射委員會(huì)（CSR），其任務(wù)就是要為測(cè)量太陽輻射標(biāo)準(zhǔn)儀器提出建議。直至1905年在Inrisbruck的會(huì)議上，才決定以ngstrm補(bǔ)償式直接日射表做為測(cè)量?jī)x器，并以其原型A70做為標(biāo)準(zhǔn)I（保存在瑞典Uppsala大學(xué)物理研究所）。這

4、就是ngstrm標(biāo)尺（AS1905）的由來。AS1905在歐洲被廣泛采用。美國(guó)Smithson研究所使用的銀盤直接日射表（Silverdisk，簡(jiǎn)稱SD）是Pouillet和Violle直接日射表的混合型。使用中的該類輻射表大多數(shù)都是由Smithson研究所制造的。上世紀(jì)末，它們由Abbot所研制的水流式直接日射表校準(zhǔn)。后來，Abbot又研制出攪水式直接日射表，并以此校準(zhǔn)水流式儀器。這一系列校準(zhǔn)和研制標(biāo)準(zhǔn)儀器工作導(dǎo)致了1913年Smit

5、hson標(biāo)尺的建立（SS1913），它主要在美洲等地使用。自出現(xiàn)兩個(gè)并列日射標(biāo)尺之日起，其間存在的差異問題，倍受有關(guān)學(xué)者的關(guān)注。1912年在Rapperswill召開的CSR會(huì)議上，Kimball首次報(bào)告了他所作的比對(duì)結(jié)果:二標(biāo)尺間相差5％，SS高于AS。當(dāng)時(shí)，這一結(jié)果被認(rèn)定為處于測(cè)量不確定度的范圍內(nèi)，除了繼續(xù)進(jìn)行類似的比對(duì)外，未做出其他結(jié)論。在1964年舉行的IPCⅡ期間，情況仍未得到改善。只有當(dāng)現(xiàn)代的電校準(zhǔn)腔體式直接日射表被開發(fā)研制

6、出來以后，問題才得以最后澄清。在1970年舉行的IPCⅢ期間，已有諸多種類的現(xiàn)代腔體式直接日射表參加，這些比對(duì)結(jié)果以及1973年瑞士物理氣象觀象臺(tái)（PMO）對(duì)自1930年以來在該臺(tái)進(jìn)行的所有與兩標(biāo)尺之間比對(duì)有關(guān)的材料進(jìn)行了重新分析，結(jié)果展現(xiàn)出一幅不同標(biāo)尺相對(duì)位置的清晰圖表。它表明，定義IPS1956時(shí)所依據(jù)的兩標(biāo)尺之間的差值為35％是錯(cuò)誤的；同時(shí)也表明用傳統(tǒng)的直接日射表建立世界范圍的輻射測(cè)量基準(zhǔn)是有困難的，希望應(yīng)寄托在電校準(zhǔn)腔體式直接日

7、射表、即所謂的絕對(duì)輻射表上。自1970年以來，先后共有10種類型計(jì)15臺(tái)絕對(duì)輻射表參加了在Davos舉行的比對(duì)活動(dòng)。其間共進(jìn)行過25000多次測(cè)定，主要是由于歷史的原因，PACRAD被當(dāng)做比對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)定結(jié)果相當(dāng)一致，都集中在以高于PACRAD02％為中心的108％的范圍內(nèi)，其中的一半甚至聚焦在015％范圍內(nèi)。數(shù)值如此集中，表明國(guó)際單位制（SI）全輻照度的真值就在此范圍內(nèi)，井表明可據(jù)此來定義新的國(guó)際輻射標(biāo)準(zhǔn)—世界輻射測(cè)量基準(zhǔn)（WRR）。

8、由于ECR和nBC參加同步比對(duì)的次數(shù)不到30次，而其它儀器則多于1000次，因此在計(jì)算加權(quán)平均值時(shí)，未將它們包括在內(nèi)。為了考慮儀器的類型而不是儀器的數(shù)量，僅計(jì)算了各類型的平均值，權(quán)重日子按反比于每種儀器原定絕對(duì)精度的均方根取值。各絕對(duì)輻射表的綜合結(jié)果與PACRAD的比值為10019，即198＝年世界氣象組織決定啟用WRR，它的下確定度為103％。舊標(biāo)尺轉(zhuǎn)換成WRR的轉(zhuǎn)換因子為WRR／AS1905－1026WRR／SS1gl3＝0977為

9、了保證WRR的長(zhǎng)期穩(wěn)定，決定建立世界基準(zhǔn)組（WSG）。WSG的成員必須滿足下列要求:（1）長(zhǎng)期穩(wěn)定性優(yōu)于02％；（2）儀器的準(zhǔn)確度優(yōu)于03％；（3）儀器的設(shè)計(jì)不同于組中其它類型儀器。在前述10種類型儀器中，共有4種5臺(tái)儀器符合上述要求。最后決定由ACR310、CROM、PACRADE和PMO2組成WSG。它們保存在瑞士Davos的世界輻射中心。為了了解其穩(wěn)定性、組內(nèi)的儀器每年至少比對(duì)一次。盡管如此，1980年進(jìn)行IPCV時(shí)，ACR310