1.4　太阳辐射的测量和资源计算

1.4.1　太阳辐射测量和标准

1.4.1.1　分类与质量特性

太阳辐射测量仪器可按不同的标准进行分类，诸如被测变量的种类、视场的大小、光谱响应范围和主要用途等。最主要的分类见表1-6。

根据世界气象组织的有关规定，辐射测量仪器的质量以下列8项特性来检验。

①分辨率：只能被仪器探测到的最小辐射变化量。

②稳定度：灵敏度的长期变化，如1年内的最大可能变化量。

③温度稳定性：随温度变化所引起灵敏度的变化。

④非线性响应：灵敏度随入射辐照度水准不同而产生的变化。

⑤光谱响应偏离理想响应（指感应面黑度）的程度。

⑥方位响应偏离理想响应的程度，如余弦响应、方位响应等。

⑦仪器的时间常数。

⑧辅助装置的不确定度。

世界气象组织（WMO）根据前述8项因子可将直接日射表分成一级和二级两类，同时将总日射表分成二等标准、一级工作表和二级工作表三类。至于地球辐射表和净全辐射表的分类标准，并未单独给出，而是以全辐射表的名义进行分类，如总日射表一样，分成二等标准、一级工作表和二级工作表三类。

1.4.1.2　主要仪器简介

（1）直接日射表

直接日射表是测量直接日射的仪器。由于测量的范围仅限于来自日面及其周围一狭窄环形天空的日射，因此，为了确保达到目的，每台直接日射表均带有准直管，其开敞角约5°。准直管的作用有：①瞄准太阳；②限定视角。

直接日射表分为绝对和相对两类。所谓绝对，是指无需参照源或辐射器就能将太阳直射辐照度测定出来；相对仪器则需要通过与绝对仪器比较才能得出自身的灵敏度。

现代绝对直接日射表均使用腔体作为辐射接收器。腔体式接收器的优点在于接收得更充分。腔体内壁涂以高吸收比的黑漆，外壁则缠有加热丝。测量过程实际上是以电功率代替辐射功率。图1-9为一台绝对腔体式直接日射表的内部结构。仪器内有两个腔体，一个用于接受太阳的辐射照射，另一个则用于补偿由于环境变化所引发的影响。

绝对直接日射表按其工作方式可分为主动式和被动式两种。被动式仪器在测量时分辐照阶段和补偿阶段。辐照阶段连续测量仪器的输出值；补偿阶段则截断辐射照射，通电加热并调整到与辐照阶段相同的输出，此时的电功率就是辐照阶段的辐射功率。主动式仪器则靠电子线路对电功率自动地进行连续控制，以达到无论是在辐照阶段还是在补偿阶段均保持恒定温差的目的。这意味着，辐照阶段和补偿阶段的电功率之差即为腔体所接收的辐射功率。

绝对直接日射表是日射测量中准确度最高的仪器，但是其测量程序较复杂，不适宜于日常的测量工作，故主要用于日射仪器的校准。

相对直接日射表的感应元件是热电堆。日射仪器上用的热电堆有多种（见图1-10），其中最常用的是绕线电镀式热电堆。这种热电堆是在一个经过阳极氧化绝缘处理的铝质骨架上，绕上一定圈数的康铜丝，然后将其一半用凡士林或其他绝缘物质涂覆保护，另一半则镀铜。这样制作出来的热电堆，不仅线性良好，而且温度系数也小。

（2）总日射表

总日射表是测量总日射的仪器。这种仪器可倾斜放置，用来测量斜面上的辐照度；或翻转过来安放，以测量反射日射；或在遮去直接日射的情况下测量散射日射，因此它是用途最广的日射仪器。总日射表按感应面的情况分为全黑型和黑白型两类。全黑型的性能通常优于黑白型。不过，最新研究发现，全黑型仪器具有零点偏大、夜间为负的弊端，目前仍在改良中。所有种类的总日射表都是相对仪器，均必须直接或间接地同标准仪器进行比较才可得到具体的灵敏度。图1-11所示为全黑型总日射表构造。

（3）地球辐射表

地图辐射表是用来测量长波辐射的仪器，其构造与总日射表大体相同，不同之处在于：①半球罩只能透过波长大于4μm的红外辐射，而不能透过太阳短波辐射；②附有测量感应面温度的装置，以便计算出在感应面实际温度下的辐射出射度，因为仪器的输出值实际上是外界入射的长波辐射与仪器自身的出射辐射之差（见图1-12）。

（4）净全辐射表

净全辐射表主要用来测量净全辐射。它有两个感应面，即热点对的上下两面，各自形成一个感应面。为防止风的影响，上下两个感应面各用一个聚苯乙烯薄膜制作的半球罩覆盖。由于聚苯乙烯薄膜既可透过短波辐射，也可透过长波辐射，而仪器实际感应的是全波段的辐射，且仪器有上下两个感应面，既可接收到向下的，也可接收到向上的辐射，因此实际上所接收到的是仪器所在平面上向上与向下全辐射通量之差。图1-13所示为一种净全辐射表的分解和装配图。

1.4.1.3　太阳辐射测量标准

（1）历史沿革

1905年，在奥地利因斯布鲁克召开的国际气象会议上，Ångström补偿式直接日射表（以Å表示）被作为测量太阳辐射的标准仪器。这就是Ångström标尺（以ÅS-1905表示）的由来。它是建立在一组仪器基础之上的，包括作为绝对标准的Å70（保存在瑞典Uppsala大学物理研究所）和作为副基准的Å158和Å153（保存在瑞典水文气象研究所）。由于这种仪器存在着边际效应，因此其测量结果大约偏低2％。不过，在1956年以前，所有测量仪器都是以未加订正的ÅS-1905为准的。ÅS-1905在欧洲得到了广泛的认可。

1913年，美国Smithson研究所的Abbot设计了水流式直接日射表，从而形成了Smithson标尺（以SS-1913表示）。后来这种仪器几经改进和完善，从而使SS-1913更加准确。研究发现，SS-1913系统偏高2.5％。这个修正值虽被用来修正太阳常数的测定结果，但却从未用来校准台站的日射仪器。这个修正值在1934年、1947年和1952年多次得到了确认。由于该仪器过于笨重，操作起来也较繁琐，因此Abbot后来又设计了一种银盘辐射表。SS-1913就是通过它来传递的。SS-1913主要流行于美洲。

对上述两种辐射标尺，在数十年的并存过程中曾多次以太阳为光源进行过比对。协调这些比对结果的主要困难在于这两种仪器的孔径角不一致。由于不同的太阳高度情况下日周天空亮度的变化规律不一样，两种仪器之间的差值不可能是个常数，而是介于3％～6％。根据那时的测定结果，SS-1913比ÅS-1905测量结果平均高3.5％。在实验室内用人工光源进行比对的结果相差2.8％。

为了便于数据资料的引用和比较，以利于国际地球物理年各项科研活动的开展，1956年9月在瑞士达沃斯召开的国际气象学和大气物理学协会辐射委员会上，采纳了美国学者A.J.Drummond的意见：推行一个新的国际直接日射测量标尺，以作为国际上唯一通用的日射标准。新标尺实际上是前两种标尺的折中，以IPS-1956表示。这个建议得到了WMO仪器和观测方法委员会（CIMO）第二届会议的认可，并定于1957年1月1日起执行。IPS-1956以原ÅS-1905增加1.5％或原SS-1913减少2.0％来实现。各种辐射测量标尺之间的相互关系如图1-14所示。

新中国成立以后，中国日射测量所参照的标准就是IPS-1956。

为确保日射测量数据的一致性，WMO已建立起包括世界、地区和国家三级辐射中心的体系（见图1-14），并定期组织标准直接日射表的国际比对（IPC）。

第一次标准直接日射表的国际比对——IPC-Ⅰ是1956年在达沃斯举行的。IPS-1956也就是在此次比对期间定义并传递的。它以原存瑞典斯德哥尔摩的标准仪器Å158作为基准器，并将自身的仪器常数增加了1.5％。然后，以此为准，通过实际比对再来确定其他仪器的检定常数。1964年举行了IPC-Ⅱ。1959～1964年间，仪器常数的变化小于0.4％。但是，1969年在卡尔庞特腊举行的第Ⅵ区区域内的标准直接日射表比对时，就发现Å158的测量结果有了与众不同的变化，相对参加过IPC-Ⅰ和IPC-Ⅱ的其他仪器来说，要高出1.2％。IPC-Ⅲ（1970年）期间，再次发现Å158与保存在达沃斯的标准仪器Å210之间存在着1.2％的差异。经核查，这些差异源自与Å158配套使用的电表超差。Å158本身并无问题。但是为了避免再次发生类似情况，IPC-Ⅲ后，决定用7台仪器，即Å140（前民主德国）、Å212（前苏联）、Å525（瑞士）、Å542（南非）、Å561（苏丹）、Å576（尼日利亚）和EÅ2273（美国）作为一标准仪器组。他们仍沿用IPC-Ⅰ和IPC-Ⅱ期间所确定的常数，并以其平均值代替Å158作为保持“IPC-1956”的基准器。但这已不是1956年辐射委员会所定义的IPS-1956了，故此加上了引号，以示区别。

另一方面，1956年以后又进行了一系列ÅS-1905和SS-1913之间的比对活动。结果表明，两者之间的差异不止3.5％，而是介于4.4％～5.0％。由此可见，IPS-1956本身就不是很精准，其原因是原标准仪器本身存在一些问题。

20世纪60年代以来，随着空间科学的迅猛发展，要求不断提高日射测量的准确度。为此需要一种能与国际单位制全辐照度相一致的绝对辐射测量基准。IPS的经验表明，这样的基准不可能建立在当时已有的标准直接日射表上。

20世纪60年代末，以腔体作接收器，且具有自检功能的绝对辐射表相继出现。PACRAD、ECR等型号的绝对辐射表1970年就参加了IPC-Ⅲ。比对结果表明，“IPS-1956”与绝对辐射表之间存在2％左右的差异，“IPS-1956”偏低。但是，在当时，这个数字还不能被认为十分可靠，仪器方面的准备也尚未达到足以摒弃“IPS-1956”确立新标尺的程度。辐射委员会在1975年的格勒布诺尔会议上也阐述过类似的意见。

又经过了几年努力，直至1977年，在WMO CIMO第7届会议上才通过了建立新的辐射基准，即世界辐射测量基准（以WRR表示）的建议，并于1981年1月1日起取代“IPS-1956”。

中国气象局已决定接受上述建议，并于1981年1月1日起在全国执行。

（2）世界辐射测量基准（WRR）

1970～1976年间，先后10种类型，共15台绝对辐射表参加了在达沃斯进行的比对。此期间共进行过25000多次测定，其中大部分是在1975年8～10月IPC-Ⅳ期间进行的。由于历史原因，PACRAD被作为比对的标准。通过比对，首先可以看到，1970年10月IPC-Ⅲ期间“IPS-1956”与PACRAD205次同步测定的比值为0.9812，1975年10月IPC-Ⅳ期间226次同步测定的比值为0.9803。两者相差不到0.1％。这说明PACRAD和代表“IPS-1956”的标准仪器具有很高的稳定性。

另外，参加比对的15台绝对辐射表的测定值相当一致，均集中在以高于PACRAD0.2％为中心的±0.8％的范围内，其中一半甚至落在±0.15％这一窄小范围内。这表明国际单位制全辐照度的真值就在此范围内。由于各个绝对辐射表与PACRAD的比值为1.0019，因此有

把旧标尺转换成WRR的系数是

WRR/ÅS-1905=1.026

WRR/SS-1913=0.977

WRR提供的全辐照度物理单位的准确度优于±0.3％。它已获1979年度WMO执行委员会的承认，并收录在1979年编辑的技术规范中。

为保证新基准的长期稳定，规定取4种不同设计（不含同一类型的仪器）的绝对辐射表作为世界基准组（WSG）。在组成WSG时，组内的每种仪器必须满足下列要求：①长期稳定性优于±0.2％；②仪器的准确度和精密度在WRR的不确定度限制以内（±0.3％）；③仪器的设计不同于组内其他仪器。

1.4.2　太阳能资源计算与分区

1.4.2.1　资源计算

对于太阳能利用来说，了解国内各地的太阳能资源状况是十分必要的。但是，由于太阳辐射测量站点稀疏，仅靠实测数据远不能满足各方面的需求。国际上通行的解决办法是借助现有的日射站点的实测数据，与一些同日射有关且广泛观测的其他气象要素建立统计关系，然后再将这些定量关系应用到无日射观测的地区，计算出相应的日射数据来。

应当指出，影响日射的气象要素有很多，重要的有云量、云状、大气透明度等，此外，海拔、地理纬度、季节、时刻等因素的影响也不容忽视。云量、云状和大气透明度可以说是变化多端，难以计量。因此，大多数计算方法也都是限定于晴天，实用价值受到了限制。下面所讨论的方法仅限于多年平均状况，即气候学意义上的年或月平均曝辐量H。

计算总日射曝辐量的方法种类繁多，若用通式可表达为

H=H0f（s1，n）　　（1-10）

式中，H0为基础总日射曝辐量值；f（s1，n）为表征天空遮蔽程度的函数；s1为日照百分率；n为云量。

式（1-10）中，s1和n可任选一，也可兼用。H0的选择则可分为三种。

①天文辐射。天文辐射是指大气上界的日射。由于大气上界已不存在空气，因此没有散射，实际上只剩下直接日射，且只随纬度和时间的不同而有变化。由于天文辐射对不同海拔没有响应，因此不利于用来解决像中国这样地区辽阔、地势起伏明显的情况。

②晴天辐射。为了获得此值，需要将各日射站点的多年实测资料逐日地点绘到以日期为横坐标的图上，最后绘出全部点的外廓线，再求出响应时段（月）内，外廓线下的面积，即月内的晴天曝辐量。这样做不仅工作量大，且外廓线所代表的往往是大气处于极端透明情况下的曝辐量，其值偏高。另外，由于实测站点稀少且分布不均，因此这样得出的结果无法兼顾到不同海拔和纬度的情况。

③理想大气中的总日射曝辐量。该曝辐量具有如下优点：a.可以通过计算精确求出，无需整理有限站点的大量原始实测数据；b.可以得到不同海拔和纬度的分布值。所谓理想大气，又称干洁大气，顾名思义，就其成分而言，除了没有水汽和气溶胶外，与一般大气无异。这样就可以把大气中的不确定因素排除，从而可以计算出大气固定成分对日射的散射和吸收。

至于f（s1，n）的具体表达式，国内外的大量研究现已明确，用日照百分率的效果优于使用云量。这也不难理解，因为日照百分率毕竟是连续记录的结果，而云量靠的是目测，且一日内仅有4次观测，其中还包括一次夜间的记录（其对日射而言，毫无意义）。目前公认的最佳表达式的形式为

H=H0（a+bs1）　　（1-11）

式中，a与b为回归系数，可根据实测数据用最小二乘法求出。

王炳忠等计算得出了全国太阳能资源的分布情况（见参考文献［3］），但所提供的只是中国太阳能资源分布的总体趋势。由于该工作着眼于全国，因此对个别地区的特点可能考虑欠周。若需了解某一特定地区的详细情况，也没有必要从整理原始观测数据、选配计算公式做起，一般可通过查阅各省气象部门有关档案找到所需结果。

不过要指出的是，太阳能资源工作并不是一项一劳永逸的工作。近年来的研究发现，随着空气污染的加重，各地太阳辐射普遍呈现下降趋势。而王炳忠等所绘制的资源分布主要依据是20世纪80年代以前的数据，因此其代表性有所降低。另外，近年来国外普遍使用气象卫星提供的资料开展太阳能资源的研究，这是今后我们应当努力的方向。

1.4.2.2　我国太阳能资源及分区

我国的国土跨度，从南到北，由西至东，距离都在5000km以上，总面积达960×104km2以上，占世界陆地总面积的7％，居世界第三位。在这广阔富饶的土地上，有着十分丰富的太阳能资源。全国各地太阳能总辐射量为3340～8400MJ/（m2·a），中值为5852MJ/（m2·a）。从全国太阳能年总辐射量的分布来看，西藏、青海、新疆、甘肃、内蒙古南部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、吉林西部、云南中部和西南部，广东东南部、福建东南部、海南岛东部和西部以及台湾省的西南部等广大地区的太阳能总辐射量很大。尤其是青藏高原地区最大，这里平均海拔高度在4000m以上，大气层薄而清洁，透明度好，纬度低，日照时间长。例如，被人们称为“日光城”的拉萨市，1961～1970年的太阳年平均日照时间为3005.7h，相对日照为68％，年平均晴天为108.5d，阴天为98.8d，年平均云量为4.8，太阳能总辐射量为8160MJ/（m2·a），比全国其他省区和同纬度的地区都高。全国以四川和贵州两省及重庆市的太阳能年总辐射量最小，尤其是四川盆地，那里雨多雾多、晴天较少。例如，素有“雾都”之称的重庆，年平均日照时数仅为1152.2h，相对日照为26％，年平均晴天为24.7d，阴天达244.6d，年平均云量高达8.4。其他地区的太阳能年总辐射量居中。

中国太阳能资源分布的主要特点有：太阳能的高值中心和低值中心都处在北纬22°～35°这一带，青藏高原是高值中心，四川盆地是低值中心；太阳能年总辐射量，西部地区高于东部地区，而且除西藏和新疆两个自治区外，基本上南部低于北部。由于南方多数地区云多、雨多，在北纬30°～40°地区，太阳能的分布情况与一般的太阳能随纬度变化的规律相反，太阳能不是随纬度的增加而减少，而是随纬度的增加而增加。

很显然，太阳能资源分布具有明显的地域性。这种分布特点反映了太阳能资源受气候、地理等条件的制约。根据太阳能年曝辐量的大小，可将我国划分成四个太阳能资源带，四个资源带的划分指标见表1-7。

中国的太阳能资源与同纬度的其他国家相比，除四川盆地和与其毗邻的地区外，绝大多数地区的太阳能资源相当丰富；和美国类似，比日本、欧洲条件优越得多，特别是青藏高原中南部的太阳能资源尤为丰富，接近世界上最著名的撒哈拉大沙漠。西藏与国内外部分站点太阳能年总辐射量的比较如表1-8所示。表中数据表明，中国太阳能资源2/3地区的利用价值很高或较高，另外，1/3地区绝大多数也是可资利用的。近年来，为与世界其他地区有一个相同的判别标准，业内都采用如表1-7所示的四个资源带划分指标。

为方便使用，列出表1-9中国大陆30个省（市、自治区）太阳能资源数据，以及表1-10全国不同地区平均发电系统的年利用时间，供参考。

注：数据源自中国科学院电工研究所2009年光伏发电培训班讲义。

注：独立光伏电站效率60％～65％；建筑并网光伏发电效率75％～80％；大型并网光伏电站效率80％～85％。