射表

第４３卷第２期

２０１５年４月

气象科技

ＭＥＴＥＯＲＯＬＯＧＩＣＡＬ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ

Ｖｏ１．４３，Ｎｏ．２

Ａｐｒ．２０１５

引言

太阳总辐射表校准方法比较

杨云 丁蕾 权继梅 边泽强

（中国气象局气象探测中心，北京１０００８１）

摘要介绍了５种总辐射表的校准方法，比较了这些方法的优点和不足。针对不同等级的总辐射表，采用不同的

校准方法，对其进行量值传递，以满足不同用户的需求。通过对不同方法的对比试验，结果表明遮／不遮法校准的

总辐射表灵敏度的准确度优于成分和法，而成分和法优于平行比对法，以人工光源校准误差最大。我国总辐射表

的校准以太阳为光源，按ＷＭＯ的规定在仪器的正常使用状态下进行。使用遮／不遮法校准国家散射辐射测量标

准，用成分和法校准省级工作级标准总辐射表，用平行比对法校准台站用工作级总辐射表，确保了太阳辐射观测数

据的准确可靠。

关键词 总辐射表；灵敏度；校准方法

太阳辐射是地球一大气系统最重要的能量来

源，也是产生大气运动的主要动力，它从根本上决定

着地球一大气的热状况＿＿】］。太阳辐射在地球上的分

布和变化，在气候变化及气候模式研究中有重要意

义＿２］。太阳辐射的计算方法之一就是利用有限的地

面辐射观测站资料与影响太阳辐射的各类因子建立

统计模型来实现的ｒ３］。太阳总辐射与大气组成、气

体吸收、分子和粒子散射以及辐射传输理论研究密

切相关 Ｊ。世界气象组织《气象仪器和观测方法指

南》给出了６种总辐射表（简称总表）灵敏度的校准

方法，用太阳或用实验室辐射源校准总表＿５］：①在直

接太阳光束下，与标准直接辐射表（简称标准直表）

比对和与有遮挡的总表进行散射部分的比较（简称

成分和法）；②用太阳作为辐射源，与标准直表比对，

此时总表应有一可移动的遮光盘（简称遮／不遮法）；

③用太阳作为辐射源，使用标准直表和２台被校准

的总表交替测量总辐射和散射辐射（简称迭代法）；

④用太阳作为辐射源，在其他的自然的暴露状态下

（例如，均匀的多云天空），与标准总表比较（简称平

行比对法）；⑤在实验室中，在人造光源光台上，以垂

直入射方式或以某特定的方位角和高度角入射的方

式，与预先在室外检定过的相似的总表比对（简称太

阳模拟器法）；⑥在实验室中，借助于一个模拟天空

散射辐射的积分球腔体，与预先在室外检定过的相

似的总表比对（简称积分球法）。太阳总表的校准包

括确定其灵敏度系数及其对环境条件的依从关系，

如：温度、辐照度的强弱、光谱分布、角度分布、时间

变化、仪器倾斜等。随着科学技术的发展，对太阳辐

射测量数据准确度的要求也更加多样化，也就是说，

不同的目的，对应着使用不同级别的太阳辐射仪器，

也就需要不同的量值传递方法＿６］。

太阳辐射测量仪器为相对仪器（绝对直表除

外），需要通过与标准表比对才能得到仪器的灵敏度

系数。校准时如果以太阳作为光源，当仪器的时间

常数明显不同时，校准质量取决于太阳辐射的变化

率；当直表的视界几何尺寸不同时，还取决于环日辐

射的影响［５］，此外温度和风速等环境条件也能影响

到校准结果。因此欲获得高质量的太阳辐射测量，

则需在非常晴朗稳定的天气下，按ｗＭＯ的规定在

仪器的正常使用状态下进行。我国总表的灵敏度系

数校准，针对不同等级的辐射表，主要使用ＷＭＯ

指南中的前４种方法。由于缺少经费支持，我国未

对第６种方法开展试验研究。

２０１１年以前，我国将成分和法与迭代法结合在

ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｑｘｋｊ．ｎｅｔ．ｃｎ气象科技

中国气象局气候变化专项（ＣＣＳＦ２０１４３９）资助

作者简介：杨云，女，１９５９年生，研究员，主要研究方向为太阳和地球辐射测量技术，Ｅｍａｉｌ：ｙｙａｏｃ＠ｃｍａ．ｇｏｖ．ｃｎ

收稿日期：２０１４年４月１０日；定稿日期：２０１４年７月３日

第２期 杨云等：太阳总辐射表校准方法比较 １７７

接线柱朝北，使其背对太阳，避免阳光对其直接加热

引发的附加热电势。标准散表与被校总表的输出信

号通过屏蔽双绞电缆与采集器连接。标准直表和标

准散表水平安装在太阳跟踪遮光仪上，保证校准期

间标准直表准确跟踪太阳，标准散表持续遮挡。对

标准与被校仪器进行同步测量。数据采样间隔为１

ｒａｉｎ，以２Ｏ个采样数据为一组。为了减小随机影响

引入的测量不确定度，测量次数应充分多，最后计算

平均值以及标准偏差，该标准偏差应小于被校辐射

表最大允许误差（或不确定度）的要求。被校总表灵

敏度（Ｋ，单位：“Ｖ・Ｗ ・ｍ。）：

Ｋ一 Ｖｇ （１）

式中： 为被校总表的输出值，单位： Ｖ；Ｓ为标准

直表测量的太阳直接辐射，单位：Ｗ・Ｉｎ；ｈ 为测量

时的太阳高度角，用当地标准时间计算，单位：（。）；

Ｅｄ为标准散表测量的天空散射辐射，单位：Ｗ・ｉｎ＿。。

２．２遮／不遮法

用标准直表为标准，与被校总表同置于太阳辐

照下。采用对被校总表交替进行照射与遮挡的方

法——被校总表遮挡时测量散射辐射，不遮挡时测

量总辐射。照射与遮挡的时间取决于辐射通量的稳

定性和被校总表的响应时间，包括使玻璃罩的温度

及长波辐射达到平衡所需的时间间隔，一般３～５

ｍｉｎＥ

。可使用等间隔或近似等间隔照射与遮挡时

间序列。将被校总表在照射和遮挡时的输出值的差

值与标准直表测得的直接辐照度垂直分量相比较。

校准时将被校总表水平安装在太阳跟踪遮光仪

上，保持相同的方位对着太阳。进行５ ｒａｉｎ等间隔

遮与不遮测量＿９］，以保证仪器在被完全遮挡和完全

照射时读数的稳定。以“遮挡一照射遮挡”为一

组。数据采样间隔５ ｓ或更短（取决于采集器的采

样速度）先进行遮挡测量，再进行照射测量，依次交

替进行。遮挡时读取散射辐射，照射时读取总辐射、

直接辐射和时间（计算太阳高度角）。参加计算的数

据取最后２ ｍｉｎ读数的平均值，其他同上。被校总

表灵敏度（第ｉ次测量）Ｅｌｏ］：

Ｋｆ １一 二 ： ［ ± ± 二 ］

…～ ｓ（ ）ｓｉｎ￣ｈＡ（ ）］

（２）

式中，Ｖ （ ）一被校总表不遮光时，第ｉ组测量值的

平均值，单位： Ｖ；Ｖ （ｉ＋１）一被校总表遮挡时，第

＋１组测量值的平均值，单位：“Ｖ；Ｖ （ｉ一１）为被

校总表遮挡时，第ｉ一１组测量值的平均值，单位：

Ｖ；Ｓ（ ）为标准直表测量的太阳直辐射的第ｉ组平

均值，单位：Ｗ・１ＴＩ；ｈ （ ）为第ｉ组测量时的太阳

高度角平均值，单位：ｏ）。

２．３ 迭代法

用标准直表为标准，２台被校总表同置于太阳

辐照下。对２台被校总表交替测量总辐射和散射辐

射，将照射总表的输出值与标准直表测得的太阳直

接辐照度的垂直分量加上遮挡总表的测量值（散射

辐射）相比较。然后交换照射与遮挡总表位置，重复

上述测量，得到另一台总表的灵敏度。

校准时将标准直表和一台被校总表（测量散射）

水平安装在太阳跟踪遮光仪上，另一台被校总表接

线柱朝北水平安装在仪器平台上，数据采集处理方

法与成分和法相同。用公式（１）计算被校总表的灵

敏度。然后将２台被校总表的位置进行交换测量，

得到另一台被校总表灵敏度。对２台辐射表灵敏度

通过反复运算法多次迭代ｌｕ】 ，直至得到稳定、可靠

的灵敏度值。

２．４平行｝匕对法

用标准总表为标准，与被校总表同置于太阳辐

射条件下，将被校总表的输出值与标准总表测量的

标准总辐射比较。

校准时将标准总表与被校总表接线柱朝北水平

安装在仪器平台上，其他数据采集处理方法与成分

和法相同。被校总表灵敏度：・

Ｋ一 （３）

式中， 为被校总表的输出值，单位： Ｖ；Ｅ为标准

总表测量的总辐射，单位：Ｗ・ｍ一。

２．５太阳模拟器法

在符合室内测试条件的情况下进行，方法如下：

（１）人射光线与仪器感应夹角（太阳高度角）

５Ｏ。Ｊ ］，仪器放置的方位相当于室外测试时的接线

柱朝北。

（２）光线入射方位角分别为９Ｏ。和２７０。时，首先

测试标准总表的输出值，取其平均值为Ａ：

Ａ一 （４）

式中：Ａ ，Ａ 分别为方位９０。和２７０。时标准总表１０

次读数经零位修正后的平均值。

１７８ 气 象 科 技 第４３卷

（３）再以同样的方位测试两组被测仪器的输出

值，取其平均值为Ｂ：

Ｂ一 （５）

Ｚ

式中：Ｂ ，Ｂ。分别为方位９０。和２７０。时被校总表１０

次读数经零位修正后的平均值。

（４）重复（２）中标准总表的读数方法，取其平均

值为Ａ ，计算被校总表的灵敏度：

Ｒ

Ｋ一２Ｋ。 ６）

式中：Ｋ。为标准总表的灵敏度。

３校准结果比较

３．１ 成分和法与遮／不遮法比较

２０１１年１０月１５ Ｅｌ，在北京上甸子大气本底

站，对３台总表ＰＳＰ（Ｎｏ．３３７３４Ｆ３）、８—４８（Ｎｏ．

３６１７６）和ＣＭＰ２２（Ｎｏ．０６００１６）的一致性进行了测

量。３台总表水平安装在太阳跟踪遮光仪上并遮

光，同步测量散射辐射。使用这２种方法得到的灵

敏度（表１）对３台总表测量的散射辐射进行了计

算。为了便于比较，图３中截取了１５０ ｗ／ｍ 以下

的数据。从３台总表测量的散射辐照度的一致性来

看，用遮／不遮法校准的总表测量的散射辐射优于

“成分和法”。

表１遮／不遮法与成分和法灵敏度比较

Ｉ‘Ｖ・Ｗ一 ・ｍ

３．２成分和法与迭代法比较

从测量方法看，迭代法与成分和法一样，差别在

于成分和法中散射辐射由使用遮／不遮法校准的标

准散表来测量。而迭代法中散射辐射由使用成分和

法校准的被校总表加遮光来测量，所以测量散射辐

射的总表引入的不确定度大于成分和法。

３．３成分和法与平行比对法比较

２０１１年１０月１８日，在北京上甸子大气本底

站，对４台总表ＰＳＰ（Ｎｏ．２０４６１、２０４６２、２０４６３）、

ＣＭＰ２２（Ｎｏ．１００１８０）与标准直表和标准散表进行

１５０

姜１００

醭

辑５Ｏ

摇

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０

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邑

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睥

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龌

鐾 替

＝ ２ ２ ＝

时刻

时刻

图３ ３台总表测量的散射辐照度的一致性

（ａ）成分和法，（ｂ）遮／不遮法

了同步测量。使用这２种方法得到的灵敏度（表２）

对４台总表测量的辐照度进行了计算。从４台总表

测量值的一致性来看，图４ａ中用成分和法校准的总

表测量的总辐射更接近标准值，且一致性优于平行

比对法（图４ｂ）。而图４ｂ显示４台总表测量的总辐

射都高于标准值，主要为标准器引入的系统误差。

表２成分和法与平行比对法灵敏度比较

Ｖ・Ｗ一 ・ｎｌ

误差／

３．４ 平行比对法与太阳模拟器法比较

２０１４年３月和５月，使用这两种方法分别对２

台进口辐射表（ＣＭＰ６ Ｎｏ．１２２９１１和ＣＭＰ１１ Ｎｏ．

１２９００２）的灵敏度进行了校准，２种校准方法得到的

灵敏度差值见表３。２０１４年３月５日，对１台总表

ＣＭＰ６（Ｎｏ．１２２９１１）和标准总表ＣＭＰ２２（Ｎｏ．

１００１８０）进行了同步测量。使用２种方法得到的灵

敏度对该总表测量的辐照度进行了计算，结果见图

５。使用平行比对法得到的室外灵敏度计算的总辐

射，比用太阳模拟器法得到的室内灵敏度计算的总

辐射更接近标准值（表３）。

第２期 杨云等：太阳总辐射表校准方法比较 ｌ７９

１ ３ ５ ７ ９ ｌｌ １３ １５ １７ １９ ２１ ２３

测量次数

图４ ４台总表测量的总辐照度的一致性：

（ａ）成分和法，（ｂ）平行比对法

表３平行 Ｅ对法与太阳模拟器法灵敏度比较

Ｖ・Ｗ一 ・ｍ

罱曷 磊昌器导 荨导兽昌 昌瞎

２ ２ ２ ２ ２ ２ ２ ２ ２ ２ ２ 昌２ ２ ２ ２ ２

时刻

图５总表２种校准方法测量结果比较

４结论与讨论

（１）成分和法。涉及两台标准器，其标准引入的

不确定度系标准直表和标准散表不确定度的合成，

由于散射辐射所占比重较小，标准引入的误差小于

平行比对法。由于灵敏度包括了热偏移误差，导致

了对短波辐射的低估。但该方法一次可同时校准多

台总表，而被广泛使用。目前全国太阳辐射标准仪

器比对活动中采用该方法对省级和其他行业的工作

级标准总表进行量值传递。

（２）遮／不遮法。只使用一台标准器，而且是直

接溯源到ＷＲＲ的标准直表，标准引入的误差最小。

但由于总表玻璃罩的热效应，辐射段和遮蔽段的热

偏移误差可能不同。要求校准在特别稳定的晴朗天

空下进行，使净长波辐射的变化可忽略，遮／不遮法

时热偏移可认为近似相等，从而相互抵消，因此灵敏

度不含有热偏移误差。但受太阳跟踪遮光仪的限

制，一次只能检定１～３台总表。目前我们使用该方

法对国家散射测量标准进行量值传递。

（３）迭代法。不需要一台事先校准过的标准总

表作为散射标准。从测量方法看，迭代法的测量方

法与成分和法一样，差别在于成分和法中散射辐射

由使用遮／不遮法校准的标准散表来测量。而迭代

法则使用成分和法校准的被校总表加遮光来测量。

标准引入的不确定度系标准直表和被校总表不确定

度的合成，所以由标准引入的不确定度大于成分

和法。

（４）平行比对法。主要用于校准台站用工作级

总表，操作简单，一次可同时校准多台总表，灵敏度

值包括热偏移误差。

（５）太阳模拟器法。在室内检定设备上进行，不

受自然环境条件限制，但一次只能检定一台总表，因

读数经零位修正，所以灵敏度不包括热偏移。我们

使用该方法在室内对准确度低且用于室内测量的总

表进行检定。由于人工光源与太阳光谱存在差异，

导致测量结果相差２ 以上。

成分和法、遮／不遮法以及平行比对法是目前我

国总表校准通常使用的方法。针对不同等级的总辐

射表，采用不同的校准方法，对其进行量值传递，以

满足不同用户的需求。

目前有些台站购买的总表未经首次检定，就用

于业务观测。再次送检时，按照规程对其进行方向

响应等性能指标的检定时，发现部分仪器余弦响应

误差超差返厂修理的现象。气象辐射仪器属于强制

检定仪器，台站不能随意使用未经检定的仪器进行

观测。辐射台站应加强日常观测的管理，严格按照

观测规范要求开展辐射仪器的观测、维护和保养。

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１８Ｏ 气 象 科 技 第４３卷

通过对太阳辐射测量仪器进行周期检定，实现太阳

辐射测量量值的统一，确保太阳辐射观测数据的准

确可靠。

参考文献

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Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｐｙｒａｎｏｍｅｔｅｒｓ

Ｙａｎｇ Ｙｕｎ Ｄｉｎｇ Ｌｅｉ Ｑｕａｎ Ｊｉｍｅｉ Ｂｉａｎ Ｚｅｑｉａｎｇ

（Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａ１ Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｃｈｉｎａ Ｍｅｔｅ０ｒ０１ｏｇｉｃａｌ Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８１）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｉｖｅ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｐｙｒａｎｏｍｅｔｅｒｓ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ

ａｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ．Ｆｏｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｌａｓｓｅｓ ｏｆ ｐｙｒａｎｏｍｅｔｅｒｓ，ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｔｏ ｔｒａｎｓｆｅｒ

ｖａｌｕｅｓ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｎｅｅｄｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｕｓｔｏｍｅｒｓ．Ｂｙ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄｓ，ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ

ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐｙｒａｎｏｍｅｔｅｒｓ ｃａｌｉｂｒａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｓｈａｄｅｄ／ｕｎｓｈａｄｅｄ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｂｅｔｔｅｒ

ｔｈａｎ ｔｈｏｓｅ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｓｕｍｍａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．Ｌｉｋｅｗｉｓｅ，ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｓｕｍｍａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ

ｂｅｔｔｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｓｉｄｅ—ｂｙ—ｓｉｄｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ ｅｒｒｏｒ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｕｓｉｎｇ ａｎ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｓｏｕｒｃｅ ｔｏ

ｃａｌｉｂｒａｔｅ ｐｙｒａｎｏｍｅｔｅｒｓ ｉｎ ｔｈｅ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｉｓ ｔｈｅ ｍａｘｍｉｕｍ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ＷＭＯ ＣＩＭＯ Ｇｕｉｄｅ，ｐｙｒａｎｏｍｅｔｅｒｓ

ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｃａｌｉｂｒａｔｅｄ ｏｎｌｙ ｉｎ ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｕｓｉｎｇ ｓｕｎ ａｓ ｌｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅ．Ｔｈｅ ｓｈａｄｅｄ／ｕｎｓｈａｄｅｄ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｕｓｅｄ

ｔｏ ｃａｌｉｂｒａｔｅ ｔｈｅ ｎａｔｉｏｎａｌ ｄｉｆｆｕｓｅ ｉｒｒａｄｉａｎｃｅ ｓｔａｎｄａｒｄ ｐｙｒａｎｏｍｅｔｅｒ．ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｓｕｍｍａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ

ｃａｌｉｂｒａｔｅ ｔｈｅ ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ ｓｔａｎｄａｒｄ ｐｙｒａｎｏｍｅｔｅｒ，ｔｈｅ ｓｉｄｅ ｂｙ ｓｉｄｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｃａｌｉｂｒａｔｅ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ

ｐｙｒａｎｏｍｅｔｅｒ ｉｎ ｓｔａｔｉｏｎｓ．Ａｌｌ ｔｈｅｓｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｓｏｌａｒ ｒａｄｉａｔｉｏｎ

ｍｅａｓｕｌｒｅｉｎａｎｔ ｄａｔａ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｙｒａｎｏｍｅｔｅｒ；ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ；ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ