PSP总日射表热偏移特征及其测量总辐射误差分析

根据2004年7月～2006年5月期间北京上甸子大气区域本底站Eppley PSP总日射表观测太阳辐射数据,分析了PSP表的热偏移特征及其影响因子,并以Eppley8-48型日射表和NIP直射表分别观测的散射和直射辐射之和作为总辐射的标准值,分析了PSP总辐射的误差特点及其影响因素。研究表明:PSP总日射表的热偏移呈现正态分布特征,平均值为-8.8±2.7W·m^(-2);PSP表热偏移显著受到净长波辐射、风速、相对湿度和温度的影响,其中与风速和相对湿度的相关性最为明显。与标准的太阳总辐射观测值(水平面上的散射与直射辐射之和)相比,未做热偏移订正的PSP总辐射的平均误差约为-20.0W·m^(-2),经过当日平均热偏移订正后,平均误差接近-11.0W·m^(-2)。PSP表测量的总辐射绝对误差也呈准正态分布特征,但晴天与云天略有区别。PSP总辐射的相对误差与太阳天顶角的变化以及云量均有相关关系,反映了半球型辐射表的余弦效应对PSP总日射表测量精度的影响。太阳辐射的强弱变化或总辐射中散射与直射所占比率的相对变化也对PSP总日射表的测量精度有一定影响。研究表明:总日射表测量的总辐射应考虑热偏移订正,总日射表标定还应考虑云的影响。

总日射表热偏移订正方法研究进展

准确的太阳总辐射测量对于校准卫星观测数据、验证辐射传输模式以及研究气候变化、定量评估太阳能资源是非常重要的。由于大部分总日射表采用热电堆原理制成,环境热噪声不可避免地影响了总日射表的测量精度,造成"热偏移"误差。近年来随着气候变化研究的深入开展,对于地面观测辐射的精度要求越来越高,有关总日射表热偏移物理机制及其订正方法的研究引起了国内外诸多学者的关注。该文综述了国内外有关研究进展:①总日射表热偏移的提出;②总日射表热偏移特征及其物理机制;③总日射表热偏移订正方法。并对存在的问题进行适当的评述,从而为我国的国产总辐射表热偏移物理机制及其订正方法的研究工作提供一定的参考和启示。

PSP总日射表灵敏度系数的热偏移订正方法

PSP总日射表在我国一直作为标准总日射表和质量优良的辐射仪器在使用,2006年以前还曾作为国家散射标准,在太阳辐射量值传递中测量标准散射辐射,通过成分和法计算标准总日射辐照度。总日射表的校准在晴天条件下进行,此时天空无云,由于热偏移为负值,导致对短波灵敏度系数被低估。2011年10月14日—11月15日在北京密云上甸子大气本底站进行了对比观测试验,通过对不同总日射表热偏移订正方法的试验与研究,进行了5种热偏移订正方法的比较。通过订正,在用于室外成分和法校准时,PSP表的灵敏度系数的准确度可提高1%,进而提高总辐射的测量准确度。

太阳能资源观测仪器(总日射表)性能测试方法

为了保证观测数据的准确性,必须建立全面的辐射表性能指标检测体系,对辐射仪器的性能指标进行测试。依据世界气象组织(WMO)和ISO 9060的相关规定,在总日射表检定规程的基础上,试验和研究总日射表的零偏移、分辨率、方向响应、非线性误差等性能指标。光电型总日射表与光热型总日射表相比有明显的光谱选择性,在光谱范围、响应时间、测量原理、结构材料等方面均存在不同,因此二者的测量方法也存在差异。在非线性测试中,双光源叠加法被用以取代传统的太阳模拟器法。研究表明,选择总日射表的方向响应误差来指定仪表在各方向上的性能以及规范总日射表的分类,比用余弦响应误差和方位响应误差有更多的优点。

国产紫外总日射表性能测试(Ⅱ):室外测试及与国外同类产品比较

介绍了几种国产紫外总日射表与美国YankeeUVB-1型紫外总日射表和EppleyTUVR型紫外总日射表在室外进行半年对比试验的结果。发现:在几种国产紫外总日射表中,从性能上讲,无论是与TUVR型的相关性,还是余弦响应,均以UVB-2型总日射表为佳,另外,该总日射表还具有自动恒温装置,从而可免受环境温度的干扰;原计划在对比中以YankeeUVB-1型紫外总日射表作为UVB波段总日射表的相对标准,通过试验发现,它与任何一种紫外总日射表之间的关系均呈非线性。通过对其余弦响应实际测量发现,由于该紫外总日射表并无余弦修正装置,余弦响应不良也就不足为奇了。YankeeUVB-1型总日射表虽与EppleyTUVR型总日射表在测量波段上并不一致,但通过理论计算发现,在太阳高度较高时(>40°),二者之间还是存在着较好的线性关系。可以借此判断仪器性能之优劣。

总日射表光谱选择性的测定

根据WMO《气象仪器和观测方法指南》中有关辐射仪器性能指标的要求,实际测量了3家国产辐射仪器的光谱选择性。在300～2400nm波段基本可达到一级表指标的要求;大于2400nm波段则基本无法达到WMO的要求,甚至于国际知名品牌的光学玻璃也无法达到。因此应向WMO提出建议,对具体指标进行修订。

总日射表热滞后效应的实验研究──实验装置和结果

介绍了总日射表热滞后效应的测量装置、实验步骤和数据处理方法，并提出总日射表热稳定时间概念。采用微机控制的自动采集系统，测定了常用的六种总日射表的热稳定时间，其值都比铭牌上标明的时间常数长得多。

总日射表倾斜效应的实验研究(Ⅱ)

本文使用前文(Ⅰ)所述的实验装置,对六种类型总日射表(TBQ—1、TBQ—2、DFY—2、DFY—4、EPPLEY 8—48及EPPLEY PSP)的倾斜效应进行了测试,给出各类表的测试数据及经验公式,结果表明:各类总日射表确实存在着倾斜效应,并且各自的规律不同,最大的约为—6.2％(EPPLEY 8—48表)。还对测试结果的误差进行了估计,最后对总日射表倾斜效应的产生原因进行了定性分析。

总日射表倾斜效应的研究(Ⅱ)——物理机制初探

本文从总日射表传感器的热平衡出发,分别对黑白型和全黑型总日射表内各种传热方式随倾角的变化进行了分析和讨论,并得出总日射表内对流换热随倾角的变化是造成倾斜效应主要原因的结论。文中还指出了影响总日射表体内对流换热变化的各项因素,并对黑白型表的倾斜效应大于全黑型表以及首次发现的方位和辐照水准对倾斜效应的影响等原因作了解释。

一种新型的直接日射表

由厚度８０μｍ的高度氧化的不锈钢箔片制成半径各为Ｒ１、Ｒ２的两只圆盘，其四周被焊在圆筒形的紫铜管上。当阳光同时垂直照射在该两圆盘表面并达到热平衡时，测定圆盘中心点温度Ｔ１（０）、Ｔ２（０），紫铜管温度Ｔｃ及环境温度Ｔａ，则可确定太阳直射辐射量及自然对流的换热系数。与标准级的直接日射表──美国ＴＭＩ公司的ＭａｒｋⅣ比对测试表明，其平均偏差和标准差分别小于０．３％和３．３％。试验结果证明，这是一台操作简便，价格便宜，能满足太阳辐照度常规测定的直接日射表。

TBQ-1型总日射表倾斜效应理论初探

本文研究了TBQ-1型总日射表的倾斜效应,给出了实验测量的总日射表在各种倾角和不同方位时的倾斜效应。并根据此表的结构,从感应面的热平衡出发,对其各类传热方式随倾角的改变进行理论分析,得到了表内对流换热的改变是倾斜效应的主要原因的结论。最后提出改进总日射表结构以减少倾斜效应的建议。

总日射表倾斜效应的实验研究(Ⅰ)

本文详细介绍了总日射表倾斜效应的实验装置及实验步骤,给出了消除装置误差的方法,并用此装置对美国EPPLEY公司的PSP型及8—48型总日射表进行了测试,另外,还首次对国产的TBQ—1型、TBQ-4型、DFY—2型、DFY—4型总日射表进行了测试,并得出上述表在0—180°内各角度下的倾斜效应。

总日射表倾斜效应的研究(Ⅰ)——实验装置及结果

本文介绍了总日射表倾斜效应测量装置的各有关系统、调试和数据处理方法,并论证了其合理性和可靠性。采用了微机控制的自动采集系统,提高了测量质量,大大扩展了研究范围。在一年多的研究期内,先后共收集了各种测试数据近60万个,对国产的4种仪表进行了多方面的探讨,也对部分国外仪表进行了研究。首次发现了倾斜效应的方位影响和倾斜效应有随辐照水准增加而增强的趋势。明确了全黑型仪表的倾斜效应低于黑白型的规律,用黑白型仪表做倾斜测量时,应事先做好定方位定倾斜的校准。

关于总日射表的热稳定时间

通过对各种型号的总日射表的研究,发现被测总日射表的预热时间不同对测量结果有很大的影响。这被称之为总日射表的热稳定时间。并建议凡用总日射表测量时,应等待5分钟,更精确的测量工作甚至应延长到10—20分钟。

关于光电型总日射表光谱性能的研究

利用SMARTS光谱模式模拟计算出不同大气条件下的直射和总日射光谱辐照度,经硅光电器件光谱响应度加权后,模拟硅器件制作总日射表和直射表的输出。与在同样条件下300～4000nm范围内光谱累计值相比后,得出模拟辐射表的响应度。通过对各种大气条件下相应数值的分析,得出光电总日射表在±5%的误差范围内可用,散射和总日射灵敏度宜分别校准以及直射表则因误差过大而不可用。同时提出,应抓紧研制一种经过检验、可在室内复制的日照阈值标准光源,以便顺利开展自动日照计的校准工作。

再论分光总日射表的校准

提出了一种比较简便的分光总日射表的校准方法。只要知道总日射表的正常灵敏度以及无色光学玻璃（ＷＧ２９５）滤光罩的滤光因子ＦＦ’和有色光学玻璃滤光罩的滤光因子ＦＦ＇ｘ，就可以通过修正因子Ａｘ＝ＦＦ’／ＦＦｘ进行修正。得出带相应有色光学玻璃滤光罩的总日射表的灵敏度。特别强调了ＦＦｘ＇为存在内罩情况下测得的外罩的滤光因子，而不是一般意义下的滤光片的滤光因子ＦＰｘ，二者在数值上是不等的。

分光总日射表校准因子的迭代计算法

详细讨论了分光总日射表的校准方法。论证了以一台直接日射表和一台遮蔽的总日射表为标准的校准方法优于仅用一台直接日射表为标准的校准方法,并提出了分光总日射表校准因子的迭代计算法。该方法可以解决由于遮蔽的总日射表校准因子不准确而产生的误差。最后还讨论了在校准过程中时间准确的重要性,指出至少应准确到分,否则每分的误差通过太阳高度角的正弦会给直接日射值带来0.2％的系统误差。

TBQ－2型总日射表热滞后效应的理论分析

总日射表自曝光至热稳定经历了从非稳态传热到稳态传热的过程。采用集总热容法建立了热端的换热微分方程，通过求解得到了在达到热稳定之前，总日射表输出电压随时间变化的函数关系，估算了热稳定时间的数量级，得到了热稳定时间与总日射表的物性参数、工作条件之间的关系。与实验结果作了对比。

光电型总日射表性能的初步研究

对光电型总日射表与ＰＳＰ型总日射表进行了对比测试。在带有圆柱形余弦修正器时光电型总日射表的灵敏度尚佳。在太阳高度角小型３５°。

总日射表石英罩增透效应的研究

对双层球形玻璃罩的增透作用进行理论分析，以ＴＢＱ－２型总日射表为例进行计算，其外罩有效透过率的计算结果与实测结果相近。