2010, Vol. 36 
2. 中国气象局气象探测中心，北京 100081
2. China Meteorological Adiministration Meteorological Observation Center, Beijing 100081
长期、精确和可靠的辐射观测是研究气候与环境变化的基本资料之一。随着气候变化研究的深入，对辐射观测精度要求越来越高。世界气象组织对地面辐射基准站网(Baseline Surface Radiation Network: BSRN)中总辐射表观测精度要求从4%提高到2%或5 W·m-2[1]。这些技术指标的提高对辐射仪器的选型及校准技术提出了新的要求。中国气象部门自1957年建立太阳辐射观测站网以来，就开始配套建立太阳辐射的标准与量值传递系统[2]，保证了业务观测的运行。
太阳能辐射观测也是大气本底站基本业务，与常规辐射站不同之处是中国大气本底站所用的仪器是全部进口。本文分析2007年8月16—19日在北京上甸子区域大气本底站(40° 39′N、117° 07′E，293.3 m)，对总辐射表的现场校准工作。通过本文对辐射表校准观测数据分析以了解对总辐射表校准的业务流程以及以CM22表和腔体直接辐射表校准总辐射表的精度状况。
1 仪器及观测在校准观测中，总辐射表标准是中国气象局国家气象计量站一级标准的H-F腔体直接辐射表和工作级标准CM22 (#060016和#060017)总辐射表。被校准的仪器主要是上甸子区域大气本底站的业务观测以及备份的总辐射表，它们均为美国Eppley实验室生产。此外，中国气象局锡林浩特地面基准辐射站备份的总辐射表以及国家气象计量站的工作级标准总辐射表也参与了这次的比对校准观测实验。
2007年8月17日和8月18日进行总辐射表的校准观测。上甸子业务总辐射表与Campbell Scientific公司的CR10X-TD采集器连接，电压测量误差在25 mV满量程下为±0.2%。其余表与美国的KEITHLEY2000-20型六位半数据采集器连接。辐射数据的采样频率为1 Hz，存贮1分钟的数据的平均值、最大值、最小值和标准偏差。对总辐射表校准位于上甸子本底站的楼顶，且在天空晴朗，太阳高度角大于30°，温度在20±10 ℃、风速小于5 m·s-1、相对湿度小于80%的条件下进行的[3]。
2 校准方法总辐射表的两种校准方法：一是将H-F型腔体直接辐射表与被校准的总辐射表同置于太阳辐射条件下。将被校准的总辐射表的电压输出值与H-F型绝对腔体辐射表测量的太阳直接辐照度的垂直分量加上带遮光装置的标准总辐射表的测量值(散射辐射)相比较，即可计算出被校准总辐射表的灵敏度。二是将工作级标准总辐射表与被校准的总辐射表同置于太阳辐射条件下，被校准的总辐射表的电压与标准总辐射表的电压相比较，即可得出被校准表的灵敏度。具体方法参照杨云等直接辐射和总辐射的量值传递校准方法[4-5]。
3 校准结果分析校准观测中分别采用两种标准，即H-F型绝对腔体直接辐射表加总辐射表(CM22表观测散射，人工遮挡太阳)和工作级标准CM22总辐射表作为标准。表 1给出的是利用迭代法计算[6]的各总辐射表在两个标准下的灵敏度系数及其与原灵敏度系数的相对误差。
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表 1 各总辐射表灵敏度系数的校准结果 Table 1 Calibration results of pyranometer sensitivity |
从表中我们不难看出：在两种校准下，计算出的各总辐射表的灵敏度系数值比较接近，但不同类型的总辐射表的校准结果各不相同。PSP表灵敏度系数均小于原值，而CM22和CM21的则大于原值。其中CM22或CM21的灵敏度系数偏离原值最小，仅为1%。8-48型辐射表的误差略大，为5%左右。总体来说，以腔体直接辐射表和CM22表为标准所校准的总辐射表的灵敏度系数值非常接近，大部分的差别没有超过±0.1 μV·W-1·m2。以腔体直接辐射表为标准校准各总辐射表的灵敏度的误差结果相近，以CM22工作级标准校准CM22型总辐射表的灵敏度相对校准其他类型的总辐射表的误差更小些。
表 2给出的是各总辐射表进行校准后计算的辐照度值的绝对误差。从表 2中发现：两种标准校准下，CM22和CM21表的辐照度误差均不大，而以CM22为标准校准的PSP表的辐照度误差稍稍高于以腔体直接辐射表为标准时的误差值。18日的辐照度误差要大于17日的，其原因可能主要是由于18日有霾出现。导致腔体直接日射表观测时间较短、被统计的样本数少于17日，因此测量误差信息相对被放大。
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表 2 经两种标准校准后各总辐射表的辐照度的绝对误差 Table 2 Absolute errors of radiation after calibration of pyranometers |
图 1a是8月17日三种手段所观测的太阳总辐照度的变化。这三种观测手段分别是H-F腔体直接辐射表垂直分量加散射(CM22#060016，人工遮挡)、业务观测所用的直接辐射表垂直分量加散射(8-48表，自动遮光)和工作级标准的CM22表的测值。直接辐射表和8-48表测值是用以腔体直接辐射表为标准校准后的灵敏度系数计算的。图 1b是CM22和台站业务观测的直接辐射表辐射的垂直分量加散射分别与H-F腔体直接辐射表的辐射值的垂直分量加散表测量的辐照度之间的差值变化。从图中可以发现三种标准下测量的辐照度比较接近。CM22和直接辐射表加散表测量值与腔体直接辐射表加散表的差值范围大约都在±5 W·m-2。CM22观测的总辐射与H-F腔体直接辐射表垂直分量加散射为标准的平均差值为0.42 W·m-2，直接辐射表加散射的总辐射与腔体直接辐射表标准的平均差值为-2.01 W·m-2。CM22(#060017)比直接辐射表加散射测量太阳总辐射的值更加接近腔体直接辐射表加散射表的测量结果(见图 1b)。
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图 1 2007年8月17日三种手段观测的太阳辐照度；(b)CM22和直接辐射垂直分量加上散射分别与标准值之间的差值的变化 (标准值等于腔体垂直分量辐射加上散射) Fig. 1 ·(a)The solar radiation measured by three kinds of instruments at 17th August; (b)the variation of differences between CM22 with normalized values and pyrheliometer's vertical component and difuse radiation with normalized value (the normalized value is equal to cavity absolute radiometer's vertical component and diffuse radiation) |
CM22对各种辐射表校准的灵敏度系数值相当接近以H-F腔体直接辐射表校准的结果，其辐照度测量误差(以8月17日为例)基本上在±5 W·m-2范围内。这是因为一方面CM22具有极低的热偏移。另一方面，在实验室对CM22表的余弦响应进行测量时，发现CM22具有极好的角度响应。在天顶角为70°时，余弦响应的误差在2%左右(图略)。CM22表的性能足以使之成为传递标准，尤其是在没有腔体直接辐射表做标准的情况下，其校准的准确度亦可以达到BSRN的要求。
4 结论通过本文对各辐射表校准观测数据分析，可得出以下结论：
(1) 以工作级标准的CM22辐射表为标准对大气本地站的总辐射表所确定的各种总辐射表灵敏度系数接近以H-F型腔体直接辐射表校准结果，两者之差不超过±0.1 μV·W-1·m2, 且短波辐照度差别基本上在±5 W·m-2以内。
(2) 以工作级标准CM22辐射表校准同类型的总辐射表，其校准结果等同于以腔体直接辐射表校准的结果。
致谢：本项目得到上甸子区域大气本底站给现场校准比对观测提供帮助。
中国气象局, 2004. 地面辐射基准站网操作手册[M]. 北京: 气象出版社.
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王炳忠, 1988. 太阳辐射能的测量与标准[M]. 北京: 科学出版社.
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气象仪器和观测方法指南(第六版), 中国气象局检测网络司编译, 2005.
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杨云, 王冬, 吕文华, 等, 2007. 我国太阳辐射标准与量值传递[J]. 仪器仪表学报, 28(8): 增刊Ⅳ. |
WMO Instruments and Observing Methods, Report NO.74 WMO/TD NO.1028 2000.
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王炳忠, 1993. 分光总辐射表校准因子的迭代计算法[J]. 太阳能学报, 14(4): 311-316. |