1.4　太陽輻射的測量和資源計算

1.4.1　太陽輻射測量和標準

1.4.1.1　分類與質量特性

太陽輻射測量儀器可按不同的標準進行分類，諸如被測變量的種類、視場的大小、光譜響應范圍和主要用途等。最主要的分類見表1-6。

根據世界氣象組織的有關規定，輻射測量儀器的質量以下列8項特性來檢驗。

①分辨率：只能被儀器探測到的最小輻射變化量。

②穩定度：靈敏度的長期變化，如1年內的最大可能變化量。

③溫度穩定性：隨溫度變化所引起靈敏度的變化。

④非線性響應：靈敏度隨入射輻照度水準不同而產生的變化。

⑤光譜響應偏離理想響應（指感應面黑度）的程度。

⑥方位響應偏離理想響應的程度，如余弦響應、方位響應等。

⑦儀器的時間常數。

⑧輔助裝置的不確定度。

世界氣象組織（WMO）根據前述8項因子可將直接日射表分成一級和二級兩類，同時將總日射表分成二等標準、一級工作表和二級工作表三類。至于地球輻射表和凈全輻射表的分類標準，并未單獨給出，而是以全輻射表的名義進行分類，如總日射表一樣，分成二等標準、一級工作表和二級工作表三類。

1.4.1.2　主要儀器簡介

（1）直接日射表

直接日射表是測量直接日射的儀器。由于測量的范圍僅限于來自日面及其周圍一狹窄環形天空的日射，因此，為了確保達到目的，每臺直接日射表均帶有準直管，其開敞角約5°。準直管的作用有：①瞄準太陽；②限定視角。

直接日射表分為絕對和相對兩類。所謂絕對，是指無需參照源或輻射器就能將太陽直射輻照度測定出來；相對儀器則需要通過與絕對儀器比較才能得出自身的靈敏度。

現代絕對直接日射表均使用腔體作為輻射接收器。腔體式接收器的優點在于接收得更充分。腔體內壁涂以高吸收比的黑漆，外壁則纏有加熱絲。測量過程實際上是以電功率代替輻射功率。圖1-9為一臺絕對腔體式直接日射表的內部結構。儀器內有兩個腔體，一個用于接受太陽的輻射照射，另一個則用于補償由于環境變化所引發的影響。

絕對直接日射表按其工作方式可分為主動式和被動式兩種。被動式儀器在測量時分輻照階段和補償階段。輻照階段連續測量儀器的輸出值；補償階段則截斷輻射照射，通電加熱并調整到與輻照階段相同的輸出，此時的電功率就是輻照階段的輻射功率。主動式儀器則靠電子線路對電功率自動地進行連續控制，以達到無論是在輻照階段還是在補償階段均保持恒定溫差的目的。這意味著，輻照階段和補償階段的電功率之差即為腔體所接收的輻射功率。

絕對直接日射表是日射測量中準確度最高的儀器，但是其測量程序較復雜，不適宜于日常的測量工作，故主要用于日射儀器的校準。

相對直接日射表的感應元件是熱電堆。日射儀器上用的熱電堆有多種（見圖1-10），其中最常用的是繞線電鍍式熱電堆。這種熱電堆是在一個經過陽極氧化絕緣處理的鋁質骨架上，繞上一定圈數的康銅絲，然后將其一半用凡士林或其他絕緣物質涂覆保護，另一半則鍍銅。這樣制作出來的熱電堆，不僅線性良好，而且溫度系數也小。

（2）總日射表

總日射表是測量總日射的儀器。這種儀器可傾斜放置，用來測量斜面上的輻照度；或翻轉過來安放，以測量反射日射；或在遮去直接日射的情況下測量散射日射，因此它是用途最廣的日射儀器。總日射表按感應面的情況分為全黑型和黑白型兩類。全黑型的性能通常優于黑白型。不過，最新研究發現，全黑型儀器具有零點偏大、夜間為負的弊端，目前仍在改良中。所有種類的總日射表都是相對儀器，均必須直接或間接地同標準儀器進行比較才可得到具體的靈敏度。圖1-11所示為全黑型總日射表構造。

（3）地球輻射表

地圖輻射表是用來測量長波輻射的儀器，其構造與總日射表大體相同，不同之處在于：①半球罩只能透過波長大于4μm的紅外輻射，而不能透過太陽短波輻射；②附有測量感應面溫度的裝置，以便計算出在感應面實際溫度下的輻射出射度，因為儀器的輸出值實際上是外界入射的長波輻射與儀器自身的出射輻射之差（見圖1-12）。

（4）凈全輻射表

凈全輻射表主要用來測量凈全輻射。它有兩個感應面，即熱點對的上下兩面，各自形成一個感應面。為防止風的影響，上下兩個感應面各用一個聚苯乙烯薄膜制作的半球罩覆蓋。由于聚苯乙烯薄膜既可透過短波輻射，也可透過長波輻射，而儀器實際感應的是全波段的輻射，且儀器有上下兩個感應面，既可接收到向下的，也可接收到向上的輻射，因此實際上所接收到的是儀器所在平面上向上與向下全輻射通量之差。圖1-13所示為一種凈全輻射表的分解和裝配圖。

1.4.1.3　太陽輻射測量標準

（1）歷史沿革

1905年，在奧地利因斯布魯克召開的國際氣象會議上，?ngstr?m補償式直接日射表（以?表示）被作為測量太陽輻射的標準儀器。這就是?ngstr?m標尺（以?S-1905表示）的由來。它是建立在一組儀器基礎之上的，包括作為絕對標準的?70（保存在瑞典Uppsala大學物理研究所）和作為副基準的?158和?153（保存在瑞典水文氣象研究所）。由于這種儀器存在著邊際效應，因此其測量結果大約偏低2％。不過，在1956年以前，所有測量儀器都是以未加訂正的?S-1905為準的。?S-1905在歐洲得到了廣泛的認可。

1913年，美國Smithson研究所的Abbot設計了水流式直接日射表，從而形成了Smithson標尺（以SS-1913表示）。后來這種儀器幾經改進和完善，從而使SS-1913更加準確。研究發現，SS-1913系統偏高2.5％。這個修正值雖被用來修正太陽常數的測定結果，但卻從未用來校準臺站的日射儀器。這個修正值在1934年、1947年和1952年多次得到了確認。由于該儀器過于笨重，操作起來也較繁瑣，因此Abbot后來又設計了一種銀盤輻射表。SS-1913就是通過它來傳遞的。SS-1913主要流行于美洲。

對上述兩種輻射標尺，在數十年的并存過程中曾多次以太陽為光源進行過比對。協調這些比對結果的主要困難在于這兩種儀器的孔徑角不一致。由于不同的太陽高度情況下日周天空亮度的變化規律不一樣，兩種儀器之間的差值不可能是個常數，而是介于3％～6％。根據那時的測定結果，SS-1913比?S-1905測量結果平均高3.5％。在實驗室內用人工光源進行比對的結果相差2.8％。

為了便于數據資料的引用和比較，以利于國際地球物理年各項科研活動的開展，1956年9月在瑞士達沃斯召開的國際氣象學和大氣物理學協會輻射委員會上，采納了美國學者A.J.Drummond的意見：推行一個新的國際直接日射測量標尺，以作為國際上唯一通用的日射標準。新標尺實際上是前兩種標尺的折中，以IPS-1956表示。這個建議得到了WMO儀器和觀測方法委員會（CIMO）第二屆會議的認可，并定于1957年1月1日起執行。IPS-1956以原?S-1905增加1.5％或原SS-1913減少2.0％來實現。各種輻射測量標尺之間的相互關系如圖1-14所示。

新中國成立以后，中國日射測量所參照的標準就是IPS-1956。

為確保日射測量數據的一致性，WMO已建立起包括世界、地區和國家三級輻射中心的體系（見圖1-14），并定期組織標準直接日射表的國際比對（IPC）。

第一次標準直接日射表的國際比對——IPC-Ⅰ是1956年在達沃斯舉行的。IPS-1956也就是在此次比對期間定義并傳遞的。它以原存瑞典斯德哥爾摩的標準儀器?158作為基準器，并將自身的儀器常數增加了1.5％。然后，以此為準，通過實際比對再來確定其他儀器的檢定常數。1964年舉行了IPC-Ⅱ。1959～1964年間，儀器常數的變化小于0.4％。但是，1969年在卡爾龐特臘舉行的第Ⅵ區區域內的標準直接日射表比對時，就發現?158的測量結果有了與眾不同的變化，相對參加過IPC-Ⅰ和IPC-Ⅱ的其他儀器來說，要高出1.2％。IPC-Ⅲ（1970年）期間，再次發現?158與保存在達沃斯的標準儀器?210之間存在著1.2％的差異。經核查，這些差異源自與?158配套使用的電表超差。?158本身并無問題。但是為了避免再次發生類似情況，IPC-Ⅲ后，決定用7臺儀器，即?140（前民主德國）、?212（前蘇聯）、?525（瑞士）、?542（南非）、?561（蘇丹）、?576（尼日利亞）和E?2273（美國）作為一標準儀器組。他們仍沿用IPC-Ⅰ和IPC-Ⅱ期間所確定的常數，并以其平均值代替?158作為保持“IPC-1956”的基準器。但這已不是1956年輻射委員會所定義的IPS-1956了，故此加上了引號，以示區別。

另一方面，1956年以后又進行了一系列?S-1905和SS-1913之間的比對活動。結果表明，兩者之間的差異不止3.5％，而是介于4.4％～5.0％。由此可見，IPS-1956本身就不是很精準，其原因是原標準儀器本身存在一些問題。

20世紀60年代以來，隨著空間科學的迅猛發展，要求不斷提高日射測量的準確度。為此需要一種能與國際單位制全輻照度相一致的絕對輻射測量基準。IPS的經驗表明，這樣的基準不可能建立在當時已有的標準直接日射表上。

20世紀60年代末，以腔體作接收器，且具有自檢功能的絕對輻射表相繼出現。PACRAD、ECR等型號的絕對輻射表1970年就參加了IPC-Ⅲ。比對結果表明，“IPS-1956”與絕對輻射表之間存在2％左右的差異，“IPS-1956”偏低。但是，在當時，這個數字還不能被認為十分可靠，儀器方面的準備也尚未達到足以摒棄“IPS-1956”確立新標尺的程度。輻射委員會在1975年的格勒布諾爾會議上也闡述過類似的意見。

又經過了幾年努力，直至1977年，在WMO CIMO第7屆會議上才通過了建立新的輻射基準，即世界輻射測量基準（以WRR表示）的建議，并于1981年1月1日起取代“IPS-1956”。

中國氣象局已決定接受上述建議，并于1981年1月1日起在全國執行。

（2）世界輻射測量基準（WRR）

1970～1976年間，先后10種類型，共15臺絕對輻射表參加了在達沃斯進行的比對。此期間共進行過25000多次測定，其中大部分是在1975年8～10月IPC-Ⅳ期間進行的。由于歷史原因，PACRAD被作為比對的標準。通過比對，首先可以看到，1970年10月IPC-Ⅲ期間“IPS-1956”與PACRAD205次同步測定的比值為0.9812，1975年10月IPC-Ⅳ期間226次同步測定的比值為0.9803。兩者相差不到0.1％。這說明PACRAD和代表“IPS-1956”的標準儀器具有很高的穩定性。

另外，參加比對的15臺絕對輻射表的測定值相當一致，均集中在以高于PACRAD0.2％為中心的±0.8％的范圍內，其中一半甚至落在±0.15％這一窄小范圍內。這表明國際單位制全輻照度的真值就在此范圍內。由于各個絕對輻射表與PACRAD的比值為1.0019，因此有

把舊標尺轉換成WRR的系數是

WRR/?S-1905=1.026

WRR/SS-1913=0.977

WRR提供的全輻照度物理單位的準確度優于±0.3％。它已獲1979年度WMO執行委員會的承認，并收錄在1979年編輯的技術規范中。

為保證新基準的長期穩定，規定取4種不同設計（不含同一類型的儀器）的絕對輻射表作為世界基準組（WSG）。在組成WSG時，組內的每種儀器必須滿足下列要求：①長期穩定性優于±0.2％；②儀器的準確度和精密度在WRR的不確定度限制以內（±0.3％）；③儀器的設計不同于組內其他儀器。

1.4.2　太陽能資源計算與分區

1.4.2.1　資源計算

對于太陽能利用來說，了解國內各地的太陽能資源狀況是十分必要的。但是，由于太陽輻射測量站點稀疏，僅靠實測數據遠不能滿足各方面的需求。國際上通行的解決辦法是借助現有的日射站點的實測數據，與一些同日射有關且廣泛觀測的其他氣象要素建立統計關系，然后再將這些定量關系應用到無日射觀測的地區，計算出相應的日射數據來。

應當指出，影響日射的氣象要素有很多，重要的有云量、云狀、大氣透明度等，此外，海拔、地理緯度、季節、時刻等因素的影響也不容忽視。云量、云狀和大氣透明度可以說是變化多端，難以計量。因此，大多數計算方法也都是限定于晴天，實用價值受到了限制。下面所討論的方法僅限于多年平均狀況，即氣候學意義上的年或月平均曝輻量H。

計算總日射曝輻量的方法種類繁多，若用通式可表達為

H=H0f（s1，n）　　（1-10）

式中，H0為基礎總日射曝輻量值；f（s1，n）為表征天空遮蔽程度的函數；s1為日照百分率；n為云量。

式（1-10）中，s1和n可任選一，也可兼用。H0的選擇則可分為三種。

①天文輻射。天文輻射是指大氣上界的日射。由于大氣上界已不存在空氣，因此沒有散射，實際上只剩下直接日射，且只隨緯度和時間的不同而有變化。由于天文輻射對不同海拔沒有響應，因此不利于用來解決像中國這樣地區遼闊、地勢起伏明顯的情況。

②晴天輻射。為了獲得此值，需要將各日射站點的多年實測資料逐日地點繪到以日期為橫坐標的圖上，最后繪出全部點的外廓線，再求出響應時段（月）內，外廓線下的面積，即月內的晴天曝輻量。這樣做不僅工作量大，且外廓線所代表的往往是大氣處于極端透明情況下的曝輻量，其值偏高。另外，由于實測站點稀少且分布不均，因此這樣得出的結果無法兼顧到不同海拔和緯度的情況。

③理想大氣中的總日射曝輻量。該曝輻量具有如下優點：a.可以通過計算精確求出，無需整理有限站點的大量原始實測數據；b.可以得到不同海拔和緯度的分布值。所謂理想大氣，又稱干潔大氣，顧名思義，就其成分而言，除了沒有水汽和氣溶膠外，與一般大氣無異。這樣就可以把大氣中的不確定因素排除，從而可以計算出大氣固定成分對日射的散射和吸收。

至于f（s1，n）的具體表達式，國內外的大量研究現已明確，用日照百分率的效果優于使用云量。這也不難理解，因為日照百分率畢竟是連續記錄的結果，而云量靠的是目測，且一日內僅有4次觀測，其中還包括一次夜間的記錄（其對日射而言，毫無意義）。目前公認的最佳表達式的形式為

H=H0（a+bs1）　　（1-11）

式中，a與b為回歸系數，可根據實測數據用最小二乘法求出。

王炳忠等計算得出了全國太陽能資源的分布情況（見參考文獻［3］），但所提供的只是中國太陽能資源分布的總體趨勢。由于該工作著眼于全國，因此對個別地區的特點可能考慮欠周。若需了解某一特定地區的詳細情況，也沒有必要從整理原始觀測數據、選配計算公式做起，一般可通過查閱各省氣象部門有關檔案找到所需結果。

不過要指出的是，太陽能資源工作并不是一項一勞永逸的工作。近年來的研究發現，隨著空氣污染的加重，各地太陽輻射普遍呈現下降趨勢。而王炳忠等所繪制的資源分布主要依據是20世紀80年代以前的數據，因此其代表性有所降低。另外，近年來國外普遍使用氣象衛星提供的資料開展太陽能資源的研究，這是今后我們應當努力的方向。

1.4.2.2　我國太陽能資源及分區

我國的國土跨度，從南到北，由西至東，距離都在5000km以上，總面積達960×104km2以上，占世界陸地總面積的7％，居世界第三位。在這廣闊富饒的土地上，有著十分豐富的太陽能資源。全國各地太陽能總輻射量為3340～8400MJ/（m2·a），中值為5852MJ/（m2·a）。從全國太陽能年總輻射量的分布來看，西藏、青海、新疆、甘肅、內蒙古南部、山西、陜西北部、河北、山東、遼寧、吉林西部、云南中部和西南部，廣東東南部、福建東南部、海南島東部和西部以及臺灣省的西南部等廣大地區的太陽能總輻射量很大。尤其是青藏高原地區最大，這里平均海拔高度在4000m以上，大氣層薄而清潔，透明度好，緯度低，日照時間長。例如，被人們稱為“日光城”的拉薩市，1961～1970年的太陽年平均日照時間為3005.7h，相對日照為68％，年平均晴天為108.5d，陰天為98.8d，年平均云量為4.8，太陽能總輻射量為8160MJ/（m2·a），比全國其他省區和同緯度的地區都高。全國以四川和貴州兩省及重慶市的太陽能年總輻射量最小，尤其是四川盆地，那里雨多霧多、晴天較少。例如，素有“霧都”之稱的重慶，年平均日照時數僅為1152.2h，相對日照為26％，年平均晴天為24.7d，陰天達244.6d，年平均云量高達8.4。其他地區的太陽能年總輻射量居中。

中國太陽能資源分布的主要特點有：太陽能的高值中心和低值中心都處在北緯22°～35°這一帶，青藏高原是高值中心，四川盆地是低值中心；太陽能年總輻射量，西部地區高于東部地區，而且除西藏和新疆兩個自治區外，基本上南部低于北部。由于南方多數地區云多、雨多，在北緯30°～40°地區，太陽能的分布情況與一般的太陽能隨緯度變化的規律相反，太陽能不是隨緯度的增加而減少，而是隨緯度的增加而增加。

很顯然，太陽能資源分布具有明顯的地域性。這種分布特點反映了太陽能資源受氣候、地理等條件的制約。根據太陽能年曝輻量的大小，可將我國劃分成四個太陽能資源帶，四個資源帶的劃分指標見表1-7。

中國的太陽能資源與同緯度的其他國家相比，除四川盆地和與其毗鄰的地區外，絕大多數地區的太陽能資源相當豐富；和美國類似，比日本、歐洲條件優越得多，特別是青藏高原中南部的太陽能資源尤為豐富，接近世界上最著名的撒哈拉大沙漠。西藏與國內外部分站點太陽能年總輻射量的比較如表1-8所示。表中數據表明，中國太陽能資源2/3地區的利用價值很高或較高，另外，1/3地區絕大多數也是可資利用的。近年來，為與世界其他地區有一個相同的判別標準，業內都采用如表1-7所示的四個資源帶劃分指標。

為方便使用，列出表1-9中國大陸30個省（市、自治區）太陽能資源數據，以及表1-10全國不同地區平均發電系統的年利用時間，供參考。

注：數據源自中國科學院電工研究所2009年光伏發電培訓班講義。

注：獨立光伏電站效率60％～65％；建筑并網光伏發電效率75％～80％；大型并網光伏電站效率80％～85％。