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(xué)研究院北京100081)1、太陽輻射標(biāo)準(zhǔn)太陽輻射測量技術(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。國家計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量的依據(jù)。這就是氣象學(xué)界借助直接日射表（Pyrheliometer）獨立開發(fā)太陽輻射標(biāo)準(zhǔn)的理由。第一臺測量太陽輻射的儀器是1837年由法國人Pouillet設(shè)計制造的，它的工作原理以水的卡計為基礎(chǔ)。由于其設(shè)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(zhǔn)。另外，為了使測量進一步精確，Michelson以Bunsen冰卡計為基礎(chǔ)設(shè)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(zhǔn)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(jì)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(dāng)時科學(xué)技術(shù)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(wù)就是要為測量太陽輻射標(biāo)準(zhǔn)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(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(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會議上，Kimball首次報告了他所作的比對結(jié)果:二標(biāo)尺間相差5％，SS高于AS。當(dāng)時，這一結(jié)果被認(rèn)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(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，這些比對結(jié)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(biāo)尺之間比對有關(guān)的材料進行了重新分析，結(jié)果展現(xiàn)出一幅不同標(biāo)尺相對位置的清晰圖表。它表明，定義IPS1956時所依據(jù)的兩標(biāo)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(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(dāng)做比對的標(biāo)準(zhǔn)，測定結(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(biāo)準(zhǔn)—世界輻射測量基準(zhǔn)（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(quán)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(quán)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(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