国产总辐射表检定结果的不确定度分析

国产总辐射表检定时,其测量结果的不确定度由重复性测量、标准器、温度变化、入射角、时间响应、非线性、零位漂移、数据采集器误差、操作误差和光谱响应误差多种因素引起。根据《JJF1059-1999测量不确定度评定与表示》规定的方法,对国产总辐射表检定结果的不确定度进行评定。分析并列出对测量结果有明显影响的不确定度来源。对各标准不确定度分量进行定量评定。结果表明,在满足检定环境要求的条件下,总辐射表检定结果的扩展不确定度为3.4%,其中入射角误差引起的标准不确定度分量最大。因此新出厂的总辐射表必须严格按照《JJG458-96总辐射表》检定规程进行余弦响应、方位响应、非线性等误差的测试,保证总辐射表的测量准确度。     

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.     

香河地区光合有效辐射观测分析研究

利用中国科学院大气物理研究所香河大气综合观测实验站(39°47′N,116°57′E)2004年10月至2005年12月共15个月的太阳辐射观测资料,分析了该地区光合有效辐射与太阳总辐射比值的(PAR/Rs)日变化和季节变化特征,得出月平均PAR/Rs值变化范围在1.808~2.048μE.J-1之间,最大值出现在夏季,最小值出现在冬季,年平均值为1.948μE.J-1。提出了一个利用太阳总辐射观测值计算光合有效辐射瞬时值的参数化算式,用该算式计算得到的PAR与实际观测值的均方根误差为19.28μE.m-2.s-1,有96%的计算值与观测值偏差在±10%以内。比较了香河地区与太湖地区、额济纳地区光合有效辐射瞬时最大值、小时累积最大值及日累积最大值的差异。     

光合有效辐射和紫外辐射测量标准的性能验证

2010年中国气象局建立了气象行业光合有效辐射和紫外辐射测量标准.标准建成后,标准器的各项技术性能指标必须经过实际测试来验证.通过对光谱辐射计的波长精密度、准确度、杂散光、重复性、稳定性、探头余弦响应等参数的测试验证,以及对整个标准的测量误差来源及不确定度的分析和评定,得以验证紫外辐射测量标准DTMc300双单色仪光谱辐射计满足世界气象组织(WMO)相关规定的技术指标要求.     

华北平原光合有效辐射的气候学计算方法

通过北京、烟台、郑州、济南等地生长李内对总日射(Q)和光合有效辐射(Q_(PAR))的连续自动记录,发现Q_(PAR)/Q值是比较稳定的,季节和云量对其影响不大。而太阳高度角较低时此值的变化,主要由仪器的余弦响应所引起。以目前总日射表的制造水准尚无法解决余弦响应的干扰问题。通过对实测资料的分析,得到了适合我国华北平原地区的计算公式为Q_(PAR)=0.42Q。过去国外的计算结果系统偏高,本结果与国内外最新研究成果相一致。     

太阳模拟器在辐射仪器检测中的应用

该文主要介绍了由TM-500F太阳模拟器和旋转工作台组成的具有多功能辐射仪器室内检测设备的结构、原理及应用。利用该设备可对太阳辐射测量仪器进行灵敏度的校准, 由实验可知, 总辐射表室内外灵敏度检定结果非常一致, 其误差在±0.6%之内。也可进行余弦、方位响应误差, 倾斜误差, 非线性误差及响应时间等性能的测定。     

复杂地形下光合有效辐射的遥感估算研究

光合有效辐射(PAR)在不同的陆地生态系统模型中都是重要的输入参数,直接利用卫星遥感数据估算光合有效辐射有利于在空间上强化空间信息的连续性与差异性。针对复杂地形条件下遥感估算模型参数存在的不确定性,以及遥感获取的瞬时PAR难以满足实际应用需求的问题,本研究在岷江上游地区开展了复杂地形下光合有效辐射的遥感估算研究。利用MODIS标准大气产品,采用简化的大气辐射传输模型,综合考虑复杂地形下太阳辐射入射角的变化以及地形遮蔽和邻近地形辐射增强的作用,完成了对瞬时PAR估算结果的地形校正,并通过线性插值方法得到了PAR日总量数据。将估算得到的岷江上游2013年22个晴空天气下的PAR与中国科学院茂县山地生态系统定位研究站同期实测数据的对比显示,瞬时光合有效辐射平均估算误差为7.26%,日总量数据的平均估算误差也为7.26%。结果表明,该模型反演估算瞬时光合有效辐射和时间尺度上推至PAR日总量都能够较好的适用岷江上游的复杂地形条件。     

不同天气条件下地基微波辐射计探测性能比对

利用探空数据和毫米波云雷达数据,对在大气探测试验基地同址观测的国内外3种型号地基微波辐射计进行1年（2016年10月—2017年9月）的比对分析,重点分析不同型号地基微波辐射计在晴空和云天下温、湿观测性能特征。结果表明:3种型号地基微波辐射计温度与探空相关系数均超过0.98,达到0.01显著性水平;晴空条件下,德国及国产地基微波辐射计温度平均误差均在±1℃以内（前者为负偏差,后者为正偏差）,误差较小,美国地基微波辐射计系统偏差约为-1.8℃;3种型号地基微波辐射计均方根误差随高度递增,整体均方根误差以德国地基微波辐射计2.2℃为最小,美国地基微波辐射计3.8℃为最大;在有云条件下,3种型号地基微波辐射计平均误差分布较晴空条件下无明显变化,均方根误差较晴空条件有约增加0.5℃。3种型号地基微波辐射计均呈晴空相对湿度误差小于云天误差,低空误差小于中高空误差的特点;晴空条件下,美国与国产地基微波辐射计相对湿度均方根误差分别为15%和18%左右,小于德国地基微波辐射计;云天条件下3种型号微波辐射计均方根误差均较大（26%左右）。     

总辐射表两种现场校准方法的比较

分析一次在北京上甸子区域大气本底站的总辐射表的两种校准方法的比较。结果表明:以工作级标准的CM22总辐射表所确定的各类总辐射表灵敏度系数接近以H-F腔体直接辐射表的校准结果,两者之间的差别没有超过±0.1μV·W~(-1)·m~2,辐照度值的差别基本上在±5 W·m~(-2)以内。携带和操作比较方便的CM22表用于校准大气本底站的总辐射表,测量精度达到现有BSRN站对辐射表的要求。     

中国气象辐射观测站总辐射表稳定性统计分析

利用中国辐射台站元数据集,收集整理了1990—2012年全国业务用总辐射表计量性能参数。对全国辐射观测站的总辐射表的稳定性进行统计分析,统计分析结果表明中国台站业务观测使用的国产总辐射表稳定性56.1%满足WMO高质量的要求,其中63.4%满足良好质量的要求,76.8%满足中等质量的要求。91%满足我国总辐射表计量检定规程1年稳定性在5%以内的要求,94.8%满足2年稳定性在8%以内的要求。国产总辐射表的稳定性基本满足使用要求,且其长期稳定性状态良好。同时分析处理形成了新的标记明显误差和疑问的总辐射表灵敏度统计分析结果的辐射台站元数据集,对全国辐射数据的应用和质量评估起到借鉴作用。     

不同时次地基微波辐射计反演产品评估

利用北京大型活动期间探空和微波辐射计资料,采用统计方法进行评价分析,目的是了解该型微波辐射计的性能。结果表明:①总体平均:对温度,有降水时误差变化范围大,无降水时相对比较小,比较平稳;无降水时比有降水时更接近于探空观测结果。对相对湿度,误差的变化与温度比较相似,但从相对误差的变化来看,有降水时比无降水时小。无降水时反演的相对湿度与探空的比较一致。②不同时次:对温度,无降水时统计量随高度的变化规律性比较明显,趋势一致;有降水时的规律相对较差。无降水时,20:00误差比较小,比较接近探空;14:00误差比较大。有降水时,各时次误差比无降水时大,反演的20:00温度变化曲线与探空最接近。对相对湿度,无降水时统计量随高度的变化规律性比较明显,趋势较一致;有降水时的规律性相对比较差。总体来看,降水对微波辐射计影响较大,反演的20:00的资料误差小一些,5000m高度上下误差变化比较大,与云层有关。     

多型号地基微波辐射计亮温准确性比对

目前,国内外对于地基微波辐射计的探测能力多从温湿廓线等二级产品级进行考察,其误差包含反演算法和硬件系统两部分的贡献,不易区分。为直接考察硬件系统的观测性能,试验将评估对象前移,直接对一级亮温数据进行比对分析。利用2016年1月-2018年3月中国气象局大气探测试验基地4台地基微波辐射计和业务探空的同址观测数据,以探空数据输入MonoRTM辐射传输模型得到的正演亮温为参考,考察不同天气、不同季节微波辐射计的探测准确性。结果表明:国产与进口设备观测亮温的准确性相当。4台地基微波辐射计实测亮温与模拟亮温相关性较好,相关系数基本超过0.9,均达到0.001显著性水平。晴空条件下,实测亮温较模拟亮温均方根误差平均为2.08~3.75 K;德国辐射计亮温偏差最小,各通道平均偏差为1.08 K,均方根误差平均为2.08 K。亮温偏差在冬季最小,夏季达到最大。建议提高定标准确度并进行质量控制以确保亮温准确性,谨慎使用降水期间辐射计的观测数据。     

TUVR型紫外辐射表性能研究

利用多台Eppley实验室的TUVR紫外辐射表, 设计并进行比对观测试验, 定量了解TUVR型辐射表测量误差来源及贡献, 了解该辐射表性能, 从而提出数据订正方法。试验结果表明:TUVR型辐射表测量误差来源于感应元件和散射片两部分; 感应元件的衰减率y与使用时间t (月) 呈线性关系。散射片的测量误差跟一个地区的污染状况有关。清洗后散射片透过率与原始水平的透过率仍能保持线性关系, 不影响其余弦订正能力。订正后的结果与标准测量值相关显著。     

北京等7个气象台站太阳总辐射观测资料的准确度评估

基于地面太阳短波总辐射对气溶胶光学特性和地表反照率的敏感性, 该文提出了一个评估我国气象台站总辐射资料准确度的方法。该方法选用气溶胶光学厚度和太阳天顶角较小情形下的晴天辐射资料, 从太阳直射辐射反演气溶胶光学厚度, 用于计算宽带透过率, 再从该透过率和总辐射资料反演太阳常数E_{0, P}, 并采用E_{0, P}对世界辐射基准 (WRR) 的偏差表示总辐射资料的不确定性。模拟结果表明:气溶胶折射率虚部和大气柱水汽含量的输入误差是两个主要的评估不确定因子。用于准确度评估的资料越多, 越有利于平滑气溶胶、水汽含量等输入参数随机误差的效应, 评估结果越合理。应用这一方法, 该文评估了2000— 2004年我国沈阳、额济纳旗、北京、乌鲁木齐、格尔木、上海和广州7个气象台站总辐射资料的准确度。7个站共有1161个太阳常数反演值, 都满足太阳天顶角余弦 (μ₀) 大于0.7的条件。这些E_{0, P}值对WRR的最大偏差为7.33%, 97.78%的E_{0, P}值对WRR的偏差小于5%, 总平均E_{0, P}值对WRR偏差只有-1.15 %。依据这些结果, 当μ₀≥0.7时, 这些台站的晴天总辐射资料的不确定度估计为5%。     

邢台地区微波辐射计与无线电探空仪数据对比分析

利用2018年1月至2019年12月河北省中南部地区的微波辐射计和探空数据，将两种探测设备取得的资料在时间和空间上进行点对点匹配，共筛选出187条晴空廓线、1176条云天廓线和12条毛毛雨天廓线，定量分析了各个高度层的晴天、云天和毛毛雨天气条件下两种大气探测设备的温度、相对湿度和水汽密度廓线的相关性及误差情况。结果表明：3种天气条件下的微波辐射计与无线电探空仪温度和水汽密度的相关性整体较好，地基微波辐射计观测的大气参数分布存在不同程度的差异，但是微波辐射计和探空的变化趋势一致性较好，并且无线电探空仪观测的大气参数和微波辐射计反演的温度、相对湿度和水汽密度相关性整体上均呈现低层大气优于高层大气，温度相关性最好，水汽密度次之，相对湿度最低。通过对比各个高度层的拟合程度，发现3.5 km以下的低层大气参数精度更可靠，对于需要间接计算的大气物理量，如K指数、有效位能、积分水汽含量等，使用低层数据计算的大气物理量精度会更好。本文开展的地基微波辐射计反演的大气物理参数与探空仪观测对比研究工作，对提高微波辐射计在大气物理和人工影响天气的探测精度方面具有参考意义。     

南极中山站太阳紫外辐射测值比较

比较分析了2017年南极中山站3种仪器测量地面太阳紫外B（UVB）波段和紫外A（UVA）波段的辐照度。以Brewer光谱仪测值为参考,国产宽波段FSUVB日射表在UVB（波段280~315 nm）的辐照度相对误差为（55±75）%,误差随大气臭氧总量的增加呈上升趋势,但在南极“臭氧洞”期间偏低。Yankee UVB宽波段日射表在UVB（波段280~320 nm）的辐照度相对误差为（-31±22）%;国产宽波段FSUVA日射表在UVA（波段315~400 nm）的辐照度相对误差为（23±5.9）%。太阳天顶角低于80°的晴天以Tropospheric Ultraviolet Visible（TUV）辐射模式计算结果为参考时,FSUVB,Yankee UVB和FSUVA辐照度的平均相对误差分别为（30±37）%,（-22±19）%和（27±6.4）%,而Brewer相对误差未超过3.5%。国产宽波段UV日射表测值偏高,反映出波长较长的杂散光对太阳辐照度测值影响明显。     

Validation of a method to estimate direct normal irradiance of UVA and PAR bands from global horizontal measurements for cloudless sky conditions in Valencia, Spain, by a measurement campaign

A method is proposed to provide measurement of direct normal solar irradiance of bands with wavelength ranges (315?C400?nm, 400?C700?nm) from measurements of global horizontal band irradiance for cloudless sky conditions in Valencia. Global and normal direct irradiance data for every air mass were obtained by applying the SMART2 model to the atmosphere of Valencia. The direct normal to global irradiance ratio was parameterized versus the relative optical air mass. A measurement campaign of global horizontal and diffuse irradiance of UVA and PAR bands was carried out in Valencia, after which, the inferred direct normal irradiance was compared with those provided by the method. The result of the comparison shows that the method is acceptably accurate. The proposed model tends to underestimate the direct normal irradiance of the UVA band by 6%, although for values below 25?W/m² the model overestimates the direct irradiance by 6%, while for values above 25?W/m² the model underestimates it by 10%. The other two error estimators used ranging from 11% to 15% are similar in the defined interval measurements in relation to the whole UVA band. Regarding the PAR band, the model overestimates the direct normal irradiance of the PAR band by only 2.2%. With this, the results of the PAR band are more conclusive, as it has been found that for direct normal irradiance values higher than 280?W/m² the MBE error is almost zero and the other two estimator errors are small, about 5%.     

Parameterization of Ozone Photolysis Frequency in the Lower Troposphere Using Data from Photodiode Array Detector Spectrometers

Spectroradiometers using photodiode array detectors (PDAs) are increasingly applied for airborne and ground-based atmospheric measurements of spectral actinic flux densities due to their high time resolution (less than one second). However they have limited sensitivity of ultraviolet (UV) radiation for wavelengths less than about 305 nm. This results in uncertainties of ozone photolysis frequencies derived from spectral actinic flux density measurements using PDA spectrometers. To overcome this limitation a parameterization method is introduced which extrapolates the data towards the wavelength range of limited sensitivity of the PDA spectrometers (less than about 305 nm). The parameterization is based on radiative transfer simulations and is valid for measurements in the lower troposphere. The components of the suggested parameterization are the lower threshold wavelength of the PDA spectrometer, the slant ozone column (ratio of the total ozone column and the cosine of the solar zenith angle), and the ambient temperature. Tests of the parameterization with simulated actinic flux density spectra have revealed an uncertainty of the derived ozone photolysis frequency of ±5%. Field comparisons of the parameterization results with independent measurements of the ozone photolysis frequency were within ±10% for solar zenith angles less than 70^∘. Finally the parameterization was applied to airborne measurements to emphasize the advantage of high time resolution of PDA spectrometers to study ozone photolysis frequency fields in inhomogeneous cloud condtitions.     

利用AVHRR数据反演陆地气溶胶光学厚度

开发AVHRR可见光通道反演陆地气溶胶光学厚度 (AOD) 的算法对于研究长时间序列AOD的变化有重要意义。AVHRR由于缺少2.1 μm通道而不能采用MODIS的暗背景算法,该文利用背景合成算法进行陆地AOD反演。背景合成算法是指假设一段时间内地表反射率变化不大且会出现相对清洁大气, 采用最小值合成即可得到地表反射率,再通过辐射传输模式6S制作的查算表查算得到AOD的反演结果。将此算法应用到2009年AVHRR中国部分陆地区域 (15°~45°N,75°~135°E) 得到AOD的时空分布,将反演结果与同期Aqua/MODIS的MOD04 AOD产品进行对比分析表明,华北和华东地区的反演效果较好,西北地区结果较差。以长江三角洲地区为例可知,AVHRR AOD产品与MODIS AOD产品以及AERONET观测的AOD相比相关系数基本在0.6以上,从时间变化规律来看,AVHRR AOD和MODIS AOD产品年变化趋势具有很好的一致性。该文为建立长时间序列AVHRR AOD数据集提供了一个较为可行的方法。