全 文 ：第 9卷 第 l期
2 0 O1年 3月
中 国 生 态 农 业 学 报
Chinese Journal of Eco—Agriculture
VoI_9
March
No．1
20 Ol
净辐射通量观测方法及观测精度的不确定性研究*
孙晓敏 朱治林 张仁华 王庚辰 刘广仁
(中国科学院地理科学与资源研究所 北京 100101)(中国科学院大气物理研究所 北京 100029)
摘 要 净辐射通量观测方法和观测精度的不确定性已日益被^们所认识和了解．除了各种净辐射通量观测方法
自身存在的一些问题外，还涉及太阳辐射表的标定方法(特别是长波辐射表的标定)、各种辐射表的技术指标及正
确使用和维护尊问题。通过在野外对国产空波段净辐射表(Net pyrradiometer下称净辐射表)和“四路法”(4-way
component system)2种常用的净辐射通量观测方法进行对比试验，结果表明．净辐射通量观测精度随时问和天气
状况变化有不确定性，温度壹化和辐射表防风罩透过光谱的不一致性是导致辐射表测量不确定性的主要原目。
关键调 净辐射通量 野外观测 不确定性
Study O1)the uncem IntIes of 嘲 ‘hods mnd predsJou of net radiation flux 眦 船qre雠 nt- SUN Xiao-Min’
ZHU Zhi·Lin，ZHANG Ren-Hua(Institute of Geographical Sciences and Natural Resources，Chinese Academy of
Sciences．Beijing 100101)．WANG Geng—Chen，LIU Guang—Ren(Instituts of Atmospheric Physics·Chinese Acade—
my ofSciences，Beljing 100029)，CJEA，2001，9(1)：52~54
Al~trBet More and more scientists are co nscious of the uncertainties of net radiation flux It has re．
1ation not only to the measuring method，but also to the calibrating and maintaining methods of radiometers，espe-
cielly long-wave radiometsr．In this paper．two common measuring methods·which are net pyrradiometer ri~flsure—
ment(NPM )and 4-way component s~tem measurement(4CSM )were used to contrast in the fields．The results
show that there are uncertainties in error between two measurements，and its precision changes with time and
weather conditon．Temperature change and unconsistency of wi ndshield penetrant l~ght spectrum of pyrradiometer
are reasons on uncertainty of pyrradiometsr．
Key words Net rMiaElon flux，MeLsureme nt in field．Uncertainty
净辐射通量的测量对全球能量、水分循环、气候变化的研究非常重要，长期以来研究人员对净辐射通量
的测量方法、测量仪器和测量精度及净辐射表的检定等问题十分关注，对净辐射表使用过程中存在的不确定
性研究给予了极大的重视 ]。如美国科学家Eric Smith A．等“ 对8种不同型号的全波段净辐射表和“四路
法 净辐射通量观测方法进行的对比试验，包括室内条件下人工光源和室外自然太阳辐射条件下的净辐射对
比试验，各种净辐射表的灵敏度试验，各种热量交换对净辐射表产生的影响，如表体热传导耗热及对流耗热
试验，紫外光对净辐射表防风罩的特性老化试验，净辐射表长期稳定性试验等研究，并分析了它们在各种试
验中所表现的精度和不确定性以及造成这些误差的原因。净辐射通量的观测通常采用2种观测方法进行 ，～
是用净辐射表进行净辐射通量的直接测定 二是分别对净短波辐射和净长波辐射进行分波段测定，然后再通
过计算得到净辐射通量，后者也称。四路法 (4一way component system) 。。四路法 构成的净辐射观测系统
需要4块辐射表，其中2块短波表、2块长波表。由于直接测定法较之。四路法 方便和经济，因而长期以来得
到较广泛的应用。但将众多种类的净辐射表进行对比观测时可发现在相同辐射条件下得到的观测结果有较
大偏差，且这些偏差是不确定的。
迄今为止太阳辐射的测量基础一直是沿用以太阳做辐射标准源，用电补偿式绝对辐射表测定方式进行
太阳辐射仪器的定度、校准和标准传递[1] 实际上各种太阳辐射仪器制造过程和使用过程中的每个环节都会
对太阳辐射的测量产生影响，灵敏度不同的辐射表，温度改变所引起的辐射变化是不同的0] 加之不同大气
状况对太阳辐射观测的影响，都是造成净辐射通量观测精度不确定性的复杂因素。为比较和推广使用国内生
产的辐射仪器，特别是国内生产的长波辐射表，本项研究 1998年在内蒙古草原进行了3个月的试验，对净辐
· 国家自然科学基金(4979∞2O)、 九五 中国科学院特别支持项目(KZ95T-04—01)和重大项目(KZ951一A1—301)共同贷助
收稿日期 ；2000-08-03 改回日期：2000-08-21
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第 1期 孙晓敏等：净辐射通量观测方法及观测精度的不确定性研究
射直接测定法和 四路法 的观测精度和不确定性作了比较分析。
l 野外对比试验方法
1998年 5月20日～8月 20日中国科学院地理研究所和中国科学院大气物理研究所研究小组在内蒙古
自治区锡林格勒草原定位站的同一地点(Ell6 42 ，N43。37 )进行了净辐射表和“四路法”的同时观测，使用
仪器垒部为中国锦州 322研究所制造，包括 1块净辐射表(TBB-1)和 2块总辐射表(TBQ-2)及 2块长波辐
射表(TBL．1)，用澳大利亚 D．E．公司生产的DT100采集器记录数据，采样频率为每 15s测 1次，每 5min给
出 1个平均值。
2 结果与分析
2．1 一天条件下2种观舅方莹日变化
典型的净辐射通量 日变化曲线在正午并不呈对称，午后净辐射通量一般较午前稍小，这是因为午后地面
温度增高，净长波辐射大于午前，同时午后湍流活动增强，大气混浊度增加，致使入射太阳辐射比午前减
少“]。用2种净辐射通量观测方法得到日变化曲线(见图1)，净辐射最大偏差值发生在太阳辐射最强时段，
二者之间最大差值为 70W／m 左右，且该差值随太阳 900
辐射强度的变化而变化，而 2种净辐射通量观测方法
得到的净辐射通量日变化过程较一致。白天净辐射表 {
所测到净辐射通量大于“四路法 ，而夜间净辐射表所 塞l 4．0 !
测到的净辐射通量小于“四路法 ；图中2种净辐射通 蓄￡200
量差值的日变化曲线是以 四路法 为参考标准(并不 0
是真正的净辐射标准)，用净辐射表观测的数据减去 ⋯
“四路法 观测的数据而得到的，2种净辐射通量之差
值不是稳定值。图中还给出了“四路法 中2块长波表 圈1晴天采件下2种净辐射适量的日变化曲线(19蚪 帼)
分别测到的向下和向上的长波辐射日变化曲线，曲线 Fig,I The,~nrna‘血 c ∞ r衄em c d町Con June 98)
非常平滑，说明天空状况为典型晴天。一般认为夜间只有长波辐射在起作用，夜间二者间差异完垒体现在长
波的观测上，表明 2种方法在长波灵敏度上存在差异，且这种差异也一定反映在白天观测上。
时间，h
Ⅱ
圈2 有云天气采件下2种净辐射适量的日变化曲线(199s_O6_21)
Fig．2 Thediurnal chn s 0[1w0卫H r~lionⅢB哪r印州bm cloudyd町【on 21，198)
的差值。可见，2个净辐射通量差值的变化或逆转与天气
状况有关，天气状况是造成净辐射通量观测精度不确定
性的原因之一。
2．3 净辐射观测精度及相对误差分析
对分别于 5月 31日、6月 21日、7月 3日和 8月20
日用 2种净辐射通量观测方法取得的观测数据进行分
析，研究 2种净辐射通量观测方法之间的差异。图3同时
记录了 5月31日和6月 21日2个由天空少云为主要影
响净辐射通量相对误差的日变化过程，该 2天下午用 2
种观测方法得到的净辐射通量值的大小都发生逆转。自
2．2 有云天气条件下 2种观舅方莹日变化
除大气质量对净辐射通量的影响外，天空云量
的变化对净辐射通量亦有影响，即使在云量相同条
件下白天和夜间的净辐射通量值也不相同，因为随
气温的降低，长波的能量光谱会移向较长的波段。在
有云天气条件下(见图 2)2种观测方法记录的净辐
射通量的甘变化曲线不对称；观测当天上午有时多
云，下午则转晴，2种方法得到的净辐射通量值在
17：0O左右发生逆转 ，从而影响了2个净辐射通量
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碧3少云天气索件下2个牟 遏量相对误差位的日壹化曲线
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中国 生 态 农 业学 报 第9卷
蓊 c tgx 21 Il4 三兰 显非线性，其日变化曲线与周期性函数 一十螽El h-矗 ，l一r¨ 分相似。图为多云条件下主要影响净辐射通量相蠢 o—二——一．- -
嵩 。 舫16：01 30 l 种方法观测的差值发生第次逆转，到下午 -l 一f 、l
左右再次发生逆转．使相对误差在白天发生较大的 ： ． 8” 。
变化 由于2种方法长波灵敏度不同，则观测值和观 日寸m
测误差随云的变化而变化。白天 2种净辐射通量相
对误差相差较大(受天空多云影响)，在士20 间摆 圈‘多云天气条件下1个净藕l|t适量相对碾麓膻的日童化●线
动，夜间则二者间相对误差较为一致，约在一20 左 加 她 岍涮 d 耐劬岫叽唧 h却岫
畿墨 落
【 m m- )
直观了解。
3 小结与讨论
净辐射表(TBB一1)与“四路法 (TBQ一2和TBL一1)2种观测结
果的不对称及天空状况对2种方法观测精度不确定性的影响，说
明二者间的长波(甚至包括短波)观测灵敏度随辐射波长的变化而
有所变化。5～8月各月的观测数据表明，净辐射表的长波灵敏度
较“四路法”为小。与Eric Smith A．等人 对 8种不同型号的全波
段净辐射表和“四路法”净辐射通量观测方法做的对比试验平均相对误差在一3．8 ～16．4 相当，说明国产
净辐射表能满足实际应用的需要。地球表面的长波辐射能有 90 以上集中在3～80 m谱段内，峰值一般在
10t,m附近。而平流层下面的天空90 长波辐射集中在4～100,am谱段内，峰值一般在15 m附近。当净辐
射表防风罩的透过光谱在上述峰值谱段内存在有透过光谱的不一致性时．则必然导致净辐射测量的失真。一
般净辐射表的防风罩不如光学玻璃防风罩透过光谱特性稳定。各辐射观测仪的辐射灵敏度随辐射波长的变
化会反映在 2个观测系统之间，且反映在同一观测系统中的上、下 2个面传感器上，这就是净辐射表与“四路
法 2种观测结果的不对称和天空状况影响2种方法之间观测精度不确定性的关键所在。2种净辐射通量观
测方法的观测精度会随各种环境要紊的变化而呈现出不确定性．很难讨论某一单独影响因素的定量结果。因
此，造成各种净辐射表观测精度不确定性的主要原因一是由于温度变化而引起辐射表的灵敏度变化}二是各
种辐射表的防风罩透过光谱的不一致性．而导致了辐射表灵敏度随辐射波长的变化而有所变化。本试验所用
国产净辐射表和“四路法”各表之间观测精度的不确定性主要反映在长波的测量上，经过重新标定和校准后
观测精度会有较大的改善，试验表明国产净辐射表(TBB-1)能满足实际应用的需要。
参 考 文 献
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