太陽輻射測量的回顧與展望

1、太陽輻射測量的回顧與展望王炳忠(中國氣象科學研究院北京100081)1、太陽輻射標準太陽輻射測量技術發(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。國家計量部門建立的輻射標準，僅限于低輻照水準，無法作為太陽輻射測量的依據(jù)。這就是氣象學界借助直接日射表（Pyrheliometer）獨立開發(fā)太陽輻射標準的理由。第一臺測量太陽輻射的儀器是1837年由法國人Pouillet設計制造的，它的工作原理以水的卡計為基礎。由于其設計簡

2、單，只能進行一些粗略的測量。隨后出現(xiàn)的一些儀器，大多是對Pouillet儀器的改進，其中較有名的如Violle、Crova等人。1884年Frolich首先采用熱電堆做探測器，這種方法雖然簡便，卻需要另一臺絕對儀器來校準。另外，為了使測量進一步精確，Michelson以Bunsen冰卡計為基礎設計了一臺直接日射表，但不實用。ngstrm是使用雙探測器制作直接日射表的第一人，測量時兩個探測器交替地遮蔭和曝光。后來他進一步發(fā)展這一想法:用電

3、校準探測器代替卡計，這就是著名ngstrm補償式直接日射表。在上一世紀內(nèi)，雖然在歷次國際氣象局長會議上多次議論過太陽輻射測量事項，但均因限于當時科學技術水平而未獲解決。在1896年的會議上還建立了專門的太陽輻射委員會（CSR），其任務就是要為測量太陽輻射標準儀器提出建議。直至1905年在Inrisbruck的會議上，才決定以ngstrm補償式直接日射表做為測量儀器，并以其原型A70做為標準I（保存在瑞典Uppsala大學物理研究所）。這

4、就是ngstrm標尺（AS1905）的由來。AS1905在歐洲被廣泛采用。美國Smithson研究所使用的銀盤直接日射表（Silverdisk，簡稱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。上世紀末，它們由Abbot所研制的水流式直接日射表校準。后來，Abbot又研制出攪水式直接日射表，并以此校準水流式儀器。這一系列校準和研制標準儀器工作導致了1913年Smit

5、hson標尺的建立（SS1913），它主要在美洲等地使用。自出現(xiàn)兩個并列日射標尺之日起，其間存在的差異問題，倍受有關學者的關注。1912年在Rapperswill召開的CSR會議上，Kimball首次報告了他所作的比對結果:二標尺間相差5％，SS高于AS。當時，這一結果被認定為處于測量不確定度的范圍內(nèi)，除了繼續(xù)進行類似的比對外，未做出其他結論。在1964年舉行的IPCⅡ期間，情況仍未得到改善。只有當現(xiàn)代的電校準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，這些比對結果以及1973年瑞士物理氣象觀象臺（PMO）對自1930年以來在該臺進行的所有與兩標尺之間比對有關的材料進行了重新分析，結果展現(xiàn)出一幅不同標尺相對位置的清晰圖表。它表明，定義IPS1956時所依據(jù)的兩標尺之間的差值為35％是錯誤的；同時也表明用傳統(tǒng)的直接日射表建立世界范圍的輻射測量基準是有困難的，希望應寄托在電校準腔體式直接日

7、射表、即所謂的絕對輻射表上。自1970年以來，先后共有10種類型計15臺絕對輻射表參加了在Davos舉行的比對活動。其間共進行過25000多次測定，主要是由于歷史的原因，PACRAD被當做比對的標準，測定結果相當一致，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)此來定義新的國際輻射標準—世界輻射測量基準（WRR）。

8、由于ECR和nBC參加同步比對的次數(shù)不到30次，而其它儀器則多于1000次，因此在計算加權平均值時，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，僅計算了各類型的平均值，權重日子按反比于每種儀器原定絕對精度的均方根取值。各絕對輻射表的綜合結果與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％。舊標尺轉換成WRR的轉換因子為WRR／AS1905－1026WRR／SS1gl3＝0977為

9、了保證WRR的長期穩(wěn)定，決定建立世界基準組（WSG）。WSG的成員必須滿足下列要求:（1）長期穩(wěn)定性優(yōu)于02％；（2）儀器的準確度優(yōu)于03％；（3）儀器的設計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一次。盡管如此，1980年進行IPCV時，ACR310