太阳辐射和大气科学测量专家

实测气象参数

数百年来,人们定期进行天气预报和气候学方面的气象测量。但是,只有在完成中期和长期大气条件的统计记录之后,才可以对所获取的数据进行评估和解读。

现在,诸如地面、空中和海上交通等运输和通信的维系均离不开这些数据。它们主要通过对近地面大气环境(边界层)的测量和观察收集而来。相关的主要气象参数包括:

·         风速和风向
·         气温
·         气压
·         空气湿度
·         降水量
·         雾度和空气含量
·         太阳和地表辐射

这些参数也是空气污染、雪崩预警、太阳模拟研究、可再生能源行业、农业、林业、供配水、城镇与区域规划等方面的重要监测数据。例如,气体排放测量值的评估和解读结果只可能与同时获取的气象数据相比对。

近地面大气环境的结构对地方气候而言极为重要。了解太阳辐射量以及空气的湿度和温度,是评估空气中污染物化学反应的必要手段。

所有的气象参数会在短期内有所变化,通常由大气环境内的湍流导致。所有气象参数都会直接或间接地受到太阳辐射的影响,最终形成典型的每日或每年趋势。

为了能够对这些典型趋势进行评估,有必要根据某一特定时间段内的实测值计算出平均值。对于某些气象参数而言,其日循环周期容易理解。例如,温度循环周期通常是一条简单的曲线:在日出不久后呈现最小值,而在午后不久呈现最大值。一项气象参数的年循环周期可通过每日测量确定。通常,某一气候区域内的平均年循环周期需要至少30年的测量才可确定。

当然,气象测量需要在室外进行。这意味着,传感器和相关电子设备的设计必须能够耐受当地的气候条件,而不同区域可能存在极端气候条件,例如从沙漠到南极洲。

在近地面大气环境中,辐射值的时空特性受地表特性的影响。在任一特定位置上,对所接受辐射量影响最大的因素包括:

·         地球上的位置
·         日期和时间
·         降水量(云、雾、雨、雪)
·         地平线收缩(视场)
·         空气污染(气溶胶和各类气体)
·          反照率

鉴于上述各种物理效应,有时在许多应用领域还不足以仅测出测量位置周围的“总辐射量”。同时,还有必要测出仅由太阳发出的“直接辐射”和/或“漫射辐射”(不直接来源于太阳)。此时,还需保持短波和长波中入射辐射与逸出辐射之间的“辐射平衡”。

太阳辐射在到达地面之前会受到大气及其物理特性的影响,基本参数是不同波长范围内的吸收率。不同表面的反射特性各有差异,例如水、冰、雪、石头、草、农作物或林地等,均会对反照率产生影响。

测量时必须考虑到不同的波长范围以及大气和地表面的特性,这就要求必须研制出特殊的传感器,以适用于个别非常复杂的测量任务。

为了能够研制出合适的传感器,事先应确定需测量的气象值以及其定义。

短波光谱范围内的参数包括:

直接太阳辐射

S

散射天空辐射

H

总辐射

G (=S + H)

反射总辐射

R

反照率(反射因数)

R / (S + H)

短波辐射平衡

(S + H) - R

长波光谱范围内的参数包括:

大气辐射

A

地面辐射(包括反射大气辐射)

E

向下总辐射

S + H + A

向上总辐射

R + E

长波辐射平衡

A - E

因此,整个光谱范围的辐射平衡即等于所接受辐射与所返回辐射之间的差值:

辐射平衡                             Q (= S + H – R + A - E)

这些参数是最重要的气候要素,对此我们已研制出了下列相关传感器:

直接太阳辐射

传感器

直接辐射表

光谱范围

300nm~3000nm

视角

< 5º

必要辅件

太阳跟踪器

总辐射

传感器

总辐射表

光谱范围

300nm~3000nm

视角

180°

必要辅件

反射总辐射

传感器

总辐射表

光谱范围

300nm~3000nm

视角

180°

必要辅件

阻止小角度非反射辐射进入的遮光罩

天空散射辐射

传感器

总辐射表

光谱范围

300nm~3000nm

视角

180°

必要辅件:

遮阳装置:

遮阳环
遮阳带
太阳跟踪器/遮阳球
太阳跟踪器/遮阳圆盘


大气辐射

传感器

总辐射表和长波辐射表

光谱范围

300nm~50µm

视角

180°

必要辅件

地面辐射

传感器

总辐射表和长波辐射表

光谱范围

300nm~50µm

视角

180°

必要辅件

阻止小角度非反射辐射进入的遮光罩


辐射平衡

传感器

净辐射计
2套总辐射表和2套长波辐射表

光谱范围

300nm~50µm

视角

180°

必要辅件

阻止小角度非反射辐射进入的遮光罩

在天气预报、气候研究和上述其他应用类型等方面,必需根据具体任务和所需精度要求组合使用上述气象测量方法。

为了监控并最大限度地减少空气污染,我们还根据国家标准要求开展了排放量与空气质量评估的相关测量工作,称为“环境测量”。

通常,这些环境测量工作包含对总辐射、直接辐射和辐射平衡状况的测量。从总辐射和直接辐射采集到的数据,加上特定的光谱数据,有助于确定空气中的各类气体含量以及气溶胶颗粒数量,并且还可提供光化学反应形成二次杂质的相关信息。测量辐射平衡状况,则提供了垂直方向上污染交换和扩散的相关信息。

另一项关于太阳传感器的应用领域是环境模拟,即在“人造太阳”的照射下测试材料的辐射影响。为了缩短测试时间,我们使用了强度非常高的人造辐射源,远超过最大自然输出值1,367 W/m²(太阳常数)。这些用途中所用传感器的测量范围应允许辐射水平介于2000~4000 W/m²之间,并且这些传感器经常需要在高温条件(> 100ºC)下工作。

来源:由Reinhold Rösemann完成的“太阳辐射测量”一书