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太阳辐射观测系统
来源:深圳市气象局 更新时间:2019年4月18日

  地球表面辐射收支的全球气候学测量,是了解地球气候系统、人类对气候变率和气候变化影响的基础。来自卫星的观测,如果没有设在对照区域内不同站点的高准确度的地基测量进行校准和验证,是不可能可靠推断对全球地表辐射收支评估的。相同准确度的长期观测对于评估气候区内的趋势也是需要的。这样的测量对于评估大气辐射传输的理论分析、验证气候模式计算以及研究比常规气候范围小的地表辐射变化趋势也是必不可少的。

  20世纪末由世界气象组织(WMO)、国际科学协会理事会(ICSU)和联合国教科文组织(UNESCO)的政府间海洋学委员会(IOC)等联合发起世界气候研究计划(WCRP),创办(并组织实施)了地面辐射基准站网(BSRN)。该站网的目标是,坚持以测量方法、校准和准确度等方面均遵循可实现的最高标准的方式,提供现代化的对地表辐射通量的连续、长期和频繁采样的测量。同时,随着BSRN观测工作的开展,不断地发现并解决辐射观测中遇到的方方面面的问题,由于采取的是“集体攻关”的方式,从而大大加快了太阳辐射测量工作的深入和进展,使得太阳辐射测量的不确定度不断降低,这一切都是过去仅依靠某一个或某一国科学工作者单独研究所不能比拟的。进而引起了更多国家对参与BSRN的兴趣,分布于北极、中纬度森林和平原、高山、热带雨林、沙漠、热带岛屿等地的各种站点有的已经建成,有的则正在建设中。2004年世界气候研究计划(WCRP)与全球气候观测系统(GCOS)达成协议,BSRN已同时成为GCOS中的太阳辐射观测站网。

  选址原则

  一、选址应避开下述地区

  1.对本区域无代表性的;

  2.靠近由于污染源而对辐射测量或辅助测量有不利影响的区域,非自然反照率区域或被灌溉以及其它人为方式改变了小气候的区域;

  3.接近交通干道;

  4.接近机场;

  5.人口过多或动物往来频繁的地区;

  6.接近停车场的地区;

  7.车辆或建筑物排放热量的地方;

  8.人口稠密地区的下风向。

  二、选址具体要求

  1.地平视野要求:理想测量站点应有完全平坦的视野,据世界气象组织“气象仪器及观测方法指南”中的推荐,尽可能不存在障碍物,尤其是全年中在日出、日落方位(也就是从正东到东北方向和从正西到西北方向)范围内应无障碍物。在有障碍物时,应将仪器的位置提高,放在对障碍物的高度角小于5°的地方(比如屋顶或楼顶平台),以使其影响降至最低。

  当远处的视野受地形影响时,局地视野应尽可能地清晰,任何物体距传感器位置是其高度的12倍时,可保证物体在地平线以上的高度角小于5°。站址应这样选定:使障碍物处于仪器的北侧,且在一年的任何时候不会干扰对太阳直接辐射的测量。

  另外,还应避免天线和细长物体,不过如果它们的宽度小于1o,并且在一年的任何时候,不阻挡直接日射的话,其影响可降至最低,从而可以接受。

  2.下垫面均一性要求:为使测量的反射辐射和向上长波辐射具有区域代表性,要求3m高的仪器安装支架安放在40m×40m平坦场地的中央。这部分仪器可与其他太阳辐射测量仪器分离,不必强求放在一起。

  3.观测功能要求:尽量靠近探空站,最好在同一站上。

  4.气象站周围的工程设施边缘与基本气象站观测场围栏的距离要求:铁路路基必须为200米以远(电气化铁路路基为100米以远);公路路基必须为30米以远;水库等大型水体(最高水位时)必须为100米以远。经省级气象局论证确定对观测资料准确性有影响的各种源体,观测环境有害的污染源,其边缘与基本气象站观测场围栏的距离必须为1000米以远。观测场四周10米内不能种植高杆(1米以上)作物,以保证气流畅通。辐射基准站周围不得有致使传感器观测值发生异常变化的各种干扰源。室外设备应安装在避雷有效区内。场地应该平整,保持有均匀草层(不长草地区例外),草高不能超过20厘米。场内不准种植作物。场内应铺设水泥预制板小路,小路下面是地沟和防雷地网。

  三、太阳辐射系统测量要素

  太阳辐射观测系统包括:①总辐射(仪器参数和性能符合二等标准)②反射辐射(仪器参数和性能符合二等标准)③直接辐射(仪器参数和性能符合一级标准)④散射辐射(仪器参数和性能符合二等标准)⑤大气长波辐射(仪器参数和性能符合一级标准)⑥紫外辐射(无具体国际标准,使用BRSN认可的Kipp&Zonen出品的UV-S-AB-T型)⑦光合有效辐射(无具体国际标准,使用BRSN认可的Kipp&Zonen出品的Par Lite型)⑧日照时数(直接辐射表测量计算法\建议同时使用Kipp&Zonen日照计)。

  四、主要设备介绍

  1、2AP双轴太阳跟踪器(外加四象限太阳传感器、遮光球):可将无需遮光装置的辐射表附着在方位轴上,以减少由仪器方位角带来的不确定度,可测量总辐射、散射辐射、直接辐射、光合有效和紫外辐射。

  2、光合有效:PAR Lite 用于测量室外自然日光的光合有效辐射 (PAR)。可在任何天气条件下使用,光学过滤器头管波段为 400 至 700 nm。

  3、紫外辐射: UV-S-AB-T紫外辐射传感器可同时测量UVA和UVB两个波段的紫外辐射,另外还可测量传感器自身表体温度。

  4、日照时数:测量日照持续时间,根据WMO界定直接辐射高于120 W/m2起记录日照时间。由3个光电二极管组成,响应有效日照时间。

  5、TSI-880型全天空成像仪:该设备是全自动、全色彩天空成像系统,能够实时处理和显示白天的天空状态。可以全天候的代替观测人员对天空进行实时观测。相比传统人工观测的方法可最大程度减少主观误差。它既能够计算云量和日照时数,又可存储观测数据并通过网络浏览器界面传给用户。捕获的图像为标准的JPEG 文件,并分析转为云量数据。如果通过TCP/IP(10/100BaseT)或PPP(modem)网络,远端的用户可对该天空成像服务器进行访问。