1、1长波辐射表校准规范编制说明一、 任务来源经全国气象专用计量器具计量技术委员会向原国家质量监督检验检疫总局申报，国家质量监督检验检疫总局于 2014 年通过审定并批准立项，由国家气象计量站、江苏省无线电科学研究所有限公司共同编制本规范。 长波辐射表校准规范 （以下简称本规范）归口于全国气象专用计量器具计量技术委员会。二、 编制本规范的目的和意义长波辐射是指由地球（包括地面和大气）放射的、波长介于 3m-100m 的电磁辐射，它分为大气长波辐射和地球长波辐射，准确测量长波辐射对于了解地球表面的热量分布情况，有效评估太阳辐射变化在长期的全球气候和环境变化中所起的作用，并将它和人类影响因素如温室效应
2、加以区分，从而揭示地球-大气系统能量的分布和变化规律具有十分重要的科学意义。测量仪器准确与否是获取准确、统一的观测量值的关键，长波辐射表是用于测量长波辐射的仪器，目前国内尚没有统一的长波辐射表校准方法，世界气象组织世界辐射中心作为全球辐射测量基准的建立和保存单位，制定了长波辐射表的校准方法。随着国内科学研究、气象服务和能源产业的发展，长波辐射表使用越来越多，为保证我国长波辐射观测量值的准确可靠和统一，同时与长波辐射国际标准保持一致，特制定长波辐射表校准规范，以统一我国长波辐射观测量值。三、 编制依据本 规 范 依 据 JJF 1071 2010 国 家 计 量 校 准 规 范 编 写 规 则
3、编 写 ， 规 范 中 的 通 用 计 量 术 语符 合 JJF 1001 2011 通 用 计 量 术 语 及 定 义 ， 附 录 中 给 出 的 测 量 不 确 定 度 评 定 示 例 依 据 JJF 1059.1 2012 测 量 不 确 定 度 评 定 与 表 示 进 行 ， 校 准 方 法 参 考 了 世 界 辐 射 中 心 关 于 长 波 辐 射表 的 校 准 程 序 （ Instrument and Observing Methods Report No. 120: Pyrgeometer Calibration Procedure at the PMOD/WRC-IRS） 和
4、世 界 气 象 组 织 WMO No.8 2014 气 象 仪 器 和 观 测 方 法 指南 （ Guide to Meteorological Instrument and Method of Observation） ， 仪 器 的 结 构 特 性 参 考 了GB/T 337012017 长波辐射表,以 大 量 的 试 验 数 据 和 长 期 以 来 对 长 波 辐 射 表 的 计 量 测 试 经 验 为基 础 ， 通 过 广 泛 调 研 ， 本着完整性、统一性、科学性、开放性和实用性为基本原则进行编制。四、 任务分工本规范主要起草人包括：崇伟、吕文华、边泽强、丁蕾、孙立新、闫加俊、徐毅刚
5、，其分工2如下：姓名 单位 职称 分工崇伟 工程师负责规范总体编写，提出规范结构、主要内容，完成初稿、编制说明、征求意见稿的编写工作等，责相关技术指标的试验和分析，协调工作组成员工作吕文华 正高级工程师边泽强 高级工程师丁蕾中国气象局气象探测中心高级工程师负责收集、整理相关资料文献，参与规范主要内容起草，对规范编写提供技术支持，修改初稿和征求意见稿孙立新 研究员闫加俊 工程师徐毅刚江苏省无线电科学研究所有限公司高级工程师参与规范主要内容起草，对规范编写提供技术支持，修改初稿和征求意见稿负，参与规范起草过程中的讨论，对规范结构和内容提出意见五、 主要编制过程编制的主要工作过程如下：（1）成 立
6、起 草 组 、 召 开 启 动 部 署 会 、 任 务 分 工 、 制 定 工 作 计 划2015 年 1-3 月，召开了规范编制工作部署会，成立了编写组，明确了编写组人员分工任务，确定了规范编制编写原则和总体思路，制定工作进度计划。（2）组 织 调 研 、 研 讨 咨 询 、 确 定 技 术 路 线2015 年 4 月-10 月，完成规范编写的前期准备工作，研究学习国内外相关规范、标准、指南等文件，调查国内外长波辐射表技术现状，详细研讨目前长波辐射表技术参数，广泛征求各方意见，初步确定本规范具体技术参数、校准方法思路和内容。（3）技 术 参 数 的 试 验 、 分 析 和 验 证 ， 编 写
7、 初 稿2015 年 11 月-2016 年 10 月，编写组根据前期调研的情况，针对主流长波辐射表技术特点，结合世界辐射中心长波辐射校准方法（Instrument and Observing Methods Report No. 120: Pyrgeometer Calibration Procedure at the PMOD/WRC-IRS） ，以及计量站长期以来对长波辐射表的校准经验，开 展 了 大 量 针 对 性 的 实 验 、 研 究 和 分 析 ， 拟 采 取 校 准 灵 敏 度 的 方 式 对模 拟 式 长 波 辐 射 表 进 行 校 准 ， 对 世 界 辐 射 中 心 长 波
8、 辐 射 表 校 准 方 法 应 用 于 中 国 进 行 了 证 实 ，完 成 了 初 稿 的 编 写 。（4）数字式长波辐射表技 术 参 数 的 试 验 、 分 析 和 验 证 ， 完 善 初 稿2016 年 11 月-2017 年 10 月，针对辐射仪器数字化进程，考虑业务应用数字式长波辐射表的现3实，及其数字式长波辐射表对计量校准的迫切需求，针对主要型号的数字式长波辐射表开展野外观测和校准试验，通过分析，拟采取长波辐照度比值，即校准系数的方法对数字式长波辐射表进行校准，并对校准规范初稿进行修改完善，增加数字式长波辐射表校准内容。（5）不确定度评定内容编写2017 年 11 月-2018
9、年 6 月，根据 JJF 1059.12012测量不确定度评定与表示原则 ， 对 长波 辐 射 表 校 准 规 范 中 不 确 定 度 内 容 进 行 了 分 析 研 究 ， 针 对 模 拟 式 和 数 字 式 长 波 辐 射 表 不 同 的 情况 ， 对 灵 敏 度 和 校 准 系 数 分 别 进 行 不 确 定 度 分 析 和 评 定 ， 并 编 写 了 相 关 内 容 。（6）完成征求意见稿2018 年 7 月 -12 月 ， 整 理 汇 总 长 波 辐 射 表 校 准 规 范 初 稿 和 不 确 定 度 评 定 文 档 ， 分 析 相 关 数据 ， 完 成 了 征 求 意 见 稿 编
10、写 。六、 编制内容的说明（ 1） 范 围本规范适用于以热电偶或热电堆为传感器、以温敏电阻或铂电阻为测温元件的长波辐射表（又称为“地球辐射表”）的校准，没有测温元件的长波辐射表也可参照执行。本规范中长波辐射表的视场角包括 180和 150，输出类型包括模拟输出和数字输出，其中模拟输出型的长波辐射表仅进行灵敏度校准，数字输出型的长波辐射可表进行灵敏度校准，也可以进行校准系数校准。本 规 范 只 适 用 于 热 电 型 长 波 辐 射 表 ， 因 此 限 定 传 感 器 为 热 电 偶 或 者 热 电 堆 ， 根 据 调 研 ， 目前 热 电 型 长 波 辐 射 表 广 泛 采 用 的 测 温 元
11、 件 为 温 敏 电 阻 和 铂 电 阻 ， 也 有 部 分 测 量 精 度 不 高 的 长 波辐 射 表 没 有 测 温 元 件 ； 视 场 角 也 分 为 180和 150， 其 中 对 测 量 要 求 较 高 时 ， 通 常 视 场 角 为180； 随 着 数 据 处 理 技 术 的 演 进 ， 数 字 式 长 波 辐 射 表 也 广 泛 面 世 ， 数 字 式 长 波 辐 射 表 的 测 量原 理 与 模 拟 式 长 波 辐 射 表 一 样 ， 相 较 于 模 拟 式 长 波 辐 射 表 输 出 电 压 和 电 阻 信 号 ， 数 字 式 长 波 辐射 表 增 加 了 数 据 处 理
12、模 块 ， 将 长 波 辐 射 值 直 接 输 出 ， 方 便 使 用 。 目 前 主 要 的 长 波 辐 射 表 见 下 表1。表 1 长 波 辐 射 表 调 研 情 况型 号 生 产 商 国 别 仪 器 分 类 测 温 元 件 视 场 角 输 出 信 号 校 准 参 数CG4 Kipp&Zonen 荷 兰 模 拟 式 温 敏 电 阻或 铂 电 阻 180 电 压 和 电 阻 灵 敏 度CGR4 Kipp&Zonen 荷 兰 模 拟 式 温 敏 电 阻或 铂 电 阻 180 电 压 和 电 阻 灵 敏 度CGR3 Kipp&Zonen 荷 兰 模 拟 式 温 敏 电 阻 150 电 压 和
13、电 阻 灵 敏 度4或 铂 电 阻SGR4 Kipp&Zonen 荷 兰 数 字 式 温 敏 电 阻或 铂 电 阻 180 电 压 或 电 流和 长 波 辐 射 校 准 系 数SGR3 Kipp&Zonen 荷 兰 数 字 式 温 敏 电 阻或 铂 电 阻 150 电 压 或 电 流和 长 波 辐 射 校 准 系 数IR20 Hukseflux 荷 兰 模 拟 式 温 敏 电 阻 180 电 压 和 电 阻 灵 敏 度IR02 Hukseflux 荷 兰 模 拟 式 铂 电 阻 150 电 压 和 电 阻 灵 敏 度MS-202 EKO 日 本 模 拟 式 温 敏 电 阻或 铂 电 阻 180
14、 电 压 和 电 阻 灵 敏 度PIR Eppley 美 国 模 拟 式 温 敏 电 阻 180 电 压 和 电 阻 灵 敏 度FS-T1江 苏 省 无 线电 科 学 研 究所 有 限 公 司中 国 数 字 式 铂 电 阻 180 长 波 辐 射 校 准 系 数SGR3-C中 环 天 仪（ 天 津 ） 气象 仪 器 有 限公 司合 资 数字式 温 敏 电 阻或 铂 电 阻 150 长 波 辐 射 校 准 系 数HYSGR3华 云 升 达（ 北 京 ） 气象 科 技 有 限责 任 公 司合 资 数字式 温 敏 电 阻或 铂 电 阻 150 长 波 辐 射 校 准 系 数HTL-2-UMB北 京
15、华 创 维想 科 技 开 发有 限 责 任 公司中 国 数字式 温 敏 电 阻 180 长 波 辐 射 校 准 系 数HTL-2北 京 华 创 维想 科 技 开 发有 限 责 任 公司中 国 模拟式 / 180 长 波 辐 射 灵 敏 度（ 2） 引 用 文 件列出了规范编写过程中使用到的主要应用文件。（ 3） 术 语 和 计 量 单 位给出了长波辐射、灵敏度和校准系数的定义和对应计量单位。（ 4） 概 述介 绍 了 长 波 辐 射 表 的 组 成 结 构 和 测 量 原 理 ， 给 出 了 结 构 示 意 图 ， 给 出 了 测 量 公 式 和 相 关 参数 。 这 里 给 出 的 测 量
16、原 理 是 最 通 用 的 测 量 原 理 ， 具 体 的 长 波 辐 射 表 生 产 厂 家 会 根 据 测 量 精 度 需求 不 同 和 仪 器 结 构 的 细 节 差 别 ， 给 出 具 体 的 长 波 辐 射 计 算 公 式 和 对 应 参 数 ， 这 对 于 长 波 辐 射 值计 算 和 仪 器 校 准 至 关 重 要 。 （ 5） 计 量 特 性5对于模拟式长波辐射表，其主要的计量特性是灵敏度，获得了灵敏度，根据测量电压和电阻信号，就可以计算出长波辐射值；对于数字式长波辐射表，其主要的计量特性为校准系数，测量长波辐射表输出的长波辐射值，乘以校准系数，就可以获得准确的长波辐射修正值。
17、（ 6） 校 准 条 件1）长波辐射表校准应在晴朗的夜间、在空旷的场地上进行，如何定义晴朗、夜间和空旷，参考世界辐射表中心长波辐射校准方法，晴朗通过标准器测量的净长波辐射和长波辐射区分，当标准净长波辐射小于-40 Wm-2，标准长波辐射标准差小于 2 Wm-2；夜间通过太阳高度角区分，当太阳高度角大于 95时就视为夜间，由于夜间温度下降是个缓慢的过程，温度趋稳一般在深夜时间，通常校准时间会选择在地方时 22:00-02:00 之间，测量时长 2-4 个小时；至于空旷，校准时仪器放置在局里仪器感应面 5范围内无遮挡的地方。2）标准器及其配套设备的选择，标准器选择标准长波辐射表，稳定性 1%/5
18、年，不确定度应是被校仪器不确定度或最大允许误差的 1/3，同时，考虑到模拟式长波辐射表输出电压和电阻信号，需配置数字多用表，由于长波辐射表输出电压信号都是毫伏级，灵敏度都是微伏级的，同时根据长期测量经验，长波辐射表电压输出信号在微伏小数后 1 位变化，因此，为保证计算的长波辐射值有足够的精度，数字多用表应不低于六位半，电压分辨力不低于 0.5V；电阻信号介于 10k-50k，电阻值也在小数后 1 位变化，同时根据计算，电阻值误差 20 时，其对应的温度误差在0.02K 左右，对应的长波辐射值误差在0.11 Wm-2 左右，因此，数字多用表也不应低于六位半，电阻分辨力不低于 0.05。另外校准过
19、程中为避免零偏和温度变化，通常需配备通风器。（ 7） 校 准 项 目 及 方 法1）校准项目包括外观检查、灵敏度及校准系数，其中外观检查无论是模拟式还是数字式都需要开展，模拟式长波辐射表进行灵敏度校准，数字式长波辐射表可进行校准系数校准，也可以进行灵敏度校准。2）校准方法是参考世 界 辐 射 中 心 关 于 长 波 辐 射 表 的 校 准 程 序 （ Instrument and Observing Methods Report No. 120: Pyrgeometer Calibration Procedure at the PMOD/WRC-IRS） ， 以 及 国 家气 象 计 量 站
20、长 期 以 来 从 事 直 接 辐 射 表 、 总 辐 射 表 和 净 全 辐 射 表 检 定 校 准 工 作 的 经 验 编 写 的 ， 对模 拟 式 和 数 字 式 长 波 辐 射 表 校 准 方 法 进 行 了 清 楚 的 描 述 ， 对 数 据 处 理 和 质 量 控 制 给 出 了 明 确的 方 法 。灵敏度和校准系数的校准方法如下：校准测试期间，应避免人员靠近或遮挡，以减少对测试结果造成影响。测试方法如下：a) 将标准器和被校仪器安装到通风器中，安放在室外校准平台上（标准器和被校仪器之间的6距离不大于 10 m） ，清洁标准器和被校仪器的入射窗口，并调节水平。b) 对模拟输出型长波
21、辐射表，将标准器、被校仪器的电压和电阻输出端与数字多用表或数据采集器正确连接，测量电压和电阻信号，为避免干扰，电压与电阻通道之间空出一个通道；对数字输出型长波辐射表，标准器和被校仪器直接与计算机串口相连，测量长波辐射值，测量过程中应保持标准器和被校仪器供电正常。c) 正式校准测量之前，打开数字多用表或数据采集器电源，同步采集标准器和被校仪器输出值，检查并确认输出值的正负极性、大小和稳定性正常，所有仪器及仪表预热测量 0.5 h 以上。d) 校准时，采样时间间隔为（13）min，测量时间为（24）h。一般在地方时夜间 22 时至凌晨 2 时之间。同时记录下测量期间的环境温度、湿度、气压和空气流速
22、等参数。对模拟式长波辐射表只进行灵敏度校准，而不做电阻值校准，原因在于：根据长波辐射表的测量原理，长波辐射表测量的长波辐射分为两个部分，一部分是外界投射到长波辐射表上的长波辐射，一部分是长波辐射表自身向外发射的长波辐射，仪器输出的电压信号与两部分的差值即净长波辐射值成正比，比值即灵敏度，而长波辐射表自身向外发射的长波辐射由仪器自带的测温元件测量温度计算得到，对于模拟式长波辐射表，我们校准的是灵敏度，它只占长波辐射的一部分，因此需要对长波辐射表测温元件进行评价。目前一般的热敏电阻和铂电阻的稳定性大概在 0.1%左右，约20 左右，根据计算，电阻值误差 20 时，其对应的温度误差在 0.02K 左
23、右，对应的长波辐射值误差在0.11 Wm-2 左右，在一定的电阻误差范围内，影响不大；另外灵敏度校准的方法是用长波辐射标准值减去被校长波辐射表自身发射的长波辐射值（电阻部分） ，得到被校长波辐射表的净长波辐射值（电压部分） ，再利用被校长波辐射表的测量电压计算得到灵敏度，这样获得的灵敏度是减去本次测量的电阻值获得的，只要电阻性能稳定，在被校长波辐射表用于实际测量时，测得电压计算净长波辐射，再把电阻那部分加上，就能获得与标准长波辐射近似的长波辐射测量值，对电阻测温部分起到补偿作用，可以不针对电阻进行校准。对于数字式长波辐射表，首选校准系数进行校准，仪器允许的情况下可选择灵敏度进行校准。对国外产的
24、数字式长波辐射表，其输出电压/电流信号或直接输出长波辐射值，而不再输出电阻信号，其根据电压/电流计算长波辐射值的算法也已经无法用灵敏度表示，因此只能进行校准系数校准；对于国产长波辐射表，其直接输出长波辐射值的同时，还可以选择输出电压和电阻信号，可以选择校准系数进行校准，也可以选择灵敏度进行校准。对测量数据的质量控制主要包括以下步骤：a) 剔除|T D|40 C，|T B|40 C 等对应的异常数据；b) 剔除降水过程中测得数据（限于 0.2 mm/10 min 降水过程） ；c) 剔除净长波辐射标准值大于-40 Wm -2对应的数据；7d) 剔除长波辐射标准值标准偏差大于 2 Wm-2对应的数
25、据；e) 剔除被校仪器信号的相对标准偏差大于 3%对应的数据；f) 测试时间段内 80%数据可用，此段数据才可用于校准。未获得晴朗、稳定的夜间测量数据，需要对数据进行质量控制，上述控制条件参考世界辐射中心关于长波辐射表的校准程序（Instrument and Observing Methods Report No. 120: Pyrgeometer Calibration Procedure at the PMOD/WRC-IRS） ，根据计量站长期以来的校准经验，上述条件具有可操作性，能够在校准测量过程中有效提出异常数据。灵敏度和校准系数进行 3 倍标准差质量控制，最终取均值作为校准结果。（ 8） 校准结果的表达根据 JJF1071-2010国家计量校准规范编写规则的要求，本规范列出了校准结果的表达，对校准证书应包含的信息加以说明。（ 9） 校准结果的表达在本规范建议长波辐射表的复校时间间隔为 1 年。但当发现长波辐射测量值出现异常时建议提前送校。（ 10） 附 录本规范附录 A 给出了长波辐射表表体温度和罩体温度计算方法。附录 B 为测量不确定度评定示例。附录 C 为长波辐射表校准记录（参考格式）。附录 D 为校准证书（参考格式）。规范起草小组2018.12.30
