Straling - hoofdstuk 7
 
Benaming van de grootheid
Algemene benaming: straling
Internationale aanduiding: radiation
 
Definities: omschrijving van de begrippen
 
Spectraalgebieden
Metingen van straling betreffen een aantal relevante spectraalgebieden. Twee hoofdgebieden worden hierbij onderscheiden: kortgolvige straling
en langgolvige straling. De grens ligt ongeveer bij 4 µm = 4000 nanometer. Het zogeheten kortgolvige gebied wordt ruwweg bepaald door het spectrale energiegebied van de zon. Feitelijk gaat het hierbij om de met het menselijke oog zichtbare straling plus een deel van de ultraviolette
(UV)-straling en een deel van de nabije infrarode (IR)-straling. Het langgolvige gedeelte wordt bepaald door het spectrale energiegebied van het aardoppervlak en de atmos feer. Meer specifi ek worden de metingen gericht op de volgende golflengte gebieden:
 
a) kortgolvige straling
 - het grootste deel van het hele kortgolvige gebied; het instrument dat door het KNMI voor de operationele metingen wordt gebruikt
   heeft een spectraal venster van 0,305–2,800 µm
- UV-A straling: golfl engte: 0,315 ( of 0,32) - 0.4 µm
- UV-B straling: golfl engte: 0,28 - 0,315 µm
 
b) langgolvige straling
- golflengte: 4 -100 µm (het IR-gebied)
 
Kortgolvige straling
In de meteorologie en de klimatologie gaat het bij de grootheid kortgolvige straling om straling van de zon die direct of indirect het aardoppervlak bereikt. Langgolvige straling is de straling die vanuit het aardoppervlak of de aardatmosfeer wordt uitgezonden. In het kader van de grootheid kortgolvige straling worden de volgende subgrootheden onderscheiden: globale straling, directe straling, diffuse straling , uitgaande kortgolvige
straling en netto kortgolvige straling. De subgrootheden zonneschijnduur en relatieve zonneschijnduur worden afgeleid uit de directe straling.
Deze twee grootheden worden uitgebreid besproken in hoofdstuk 8 van dit handboek.
 
- Globale straling
De globale straling is de totale inkomende kortgolvige straling die het aardop pervlak bereikt = de som van de directe en de diffuse straling.
Bedoeld wordt de totale inkomende kortgolvige stralingsenergie fl ux door een horizon tale oppervlakte-eenheid. Deze grootheid wordt in de
regel uitgedrukt in de hoeveelheid energie per tijdseenheid per oppervlakte-eenheid W/m2.
 
- Directe straling
De directe straling is de inkomende kortgolvige straling, die het aardoppervlak rechtstreeks bereikt. De overgedragen energie wordt bij de
meting bepaald in een hoeveelheid energie per tijdseenheid per oppervlakte-eenheid in een vlak loodrecht op de invalsrichting van de zon (W/m2). Gebruik makend van de invalshoek van de directe straling op het aardoppervlak kan de gemeten waarde directe straling worden herleid tot de hoeveelheid energie per tijdseenheid per oppervlakte-eenheid (W/m2) in het horizontale vlak, zodat de samen hang van de directe straling met
de globale en diffuse straling kan worden gevalideerd.
 
- diffuse straling
De diffuse straling is de inkomende kortgolvige straling, die het aardoppervlak door verstrooiing en refl ectie in de atmos feer bereikt.
De overgedragen energie wordt in de regel uitgedrukt in een hoeveelheid energie per tijdseenheid per opper vlakte-eenheid (W/m2) in
het horizontale vlak.
 
- uitgaande kortgolvige straling
De uitgaande kortgolvige straling is een gedeelte van de globale straling, dat aan het aardoppervlak wordt gerefl ecteerd of verstrooid in de
richting van de atmosfeer. De overgedragen energie wordt in de regel uitgedrukt in een hoeveelheid energie per tijdseenheid per oppervlakte-
eenheid (W/m2) in het horizontale vlak.
 
- netto kortgolvige straling
De netto kortgolvige straling is de globale straling minus de uitgaande kortgol vige straling, feitelijk dus de door het aardoppervlak geabsorbeerde straling
 
het grootste deel van het hele kortgolvige gebied: 0,305–2,800 µm UV-A: 0,315 ( of 0,32) - 0.4 µm UV-B : 0,28 - 0,315 µm
  globale straling   globale UV-A straling   globale UV-B straling
  directe straling   directe UV-A straling   directe UV-B straling
  diffuse straling   diffuse UV-A straling   diffuse UV-B straling
 
De uitgaande kortgolvige straling wordt niet operationeel door het KNMI gemeten. Daarmee kan ook de netto kortgolvige straling niet uit de
metingen worden herleid.
 
De componenten langgolvige straling, te weten de inkomende langgolvige straling en de uitgaande langgolvige straling, worden niet operationeel
door het KNMI gemeten. Daarmee kunnen ook de netto langgolvige straling ( = inkomend - uitgaand ), alsmede de netto straling
(= netto langgolvige + netto kortgolvige straling) niet uit de metingen worden herleid.
 
Zonneconstante en extraterrestrische straling
Een grootheid die in diverse berekeningen omtrent de ontvangen zonne energie een rol speelt is de zogeheten zonneconstante. Deze constante
is een maat voor de energiesterkte van de zon. Deze vertegenwoordigt de ontvangen hoeveelheid stralingsenergie per tijdseenheid van de zon
bij afwezigheid van de atmosfeer op een willekeurige vlak in de ruimte loodrecht op de invals richting van de zonnestralen. De afstand van dit
vlak tot het middelpunt van de zon is gelijk aan de gemiddelde afstand tussen de middel punten van de aarde en de zon. Bij gemiddelde afstand bedraagt de waarde van de constante ca. 1367 W/m2. Mede op basis van de zonneconstante kan berekend worden wat de inkomende stralingsenergie per tijdseenheid per oppervlakte-eenheid op het horizontale vlak aan de rand van de atmosfeer is. Men spreekt hierbij van
de extraterrestrische straling
 
Eenheden
 
De gebruikte standaard eenheid voor straling als energieflux (irradiantie) is conform SI en is als volgt: W/m2
 
In toepassingen wordt ook straling als energiestroom gebruikt, zoals bij de berekening van verdamping, zie hoofdstuk 10 van dit handboek.
De standaard eenheid bij deze stralingsparameter is J/m2. Omdat dit bij deze eenheid veelal resulteert in bizar grote getallen wordt door het
KNMI voor straling als energiestroom de eenheid J/cm2 gebruikt
 
Beschrijving van de variabelen
 
Bij de operationele metingen globale straling, directe straling en diffuse straling met betrekking tot de grootheden in het gehele kortgolvige
spectrum UV-A en UV-B worden de volgende variabelen geregistreerd:
 
- Maximum straling
De maximum straling in een bepaald tijdvak (10-minuten, uur, dag) betreft de hoogste 12 seconde waarde in dit tijdvak (W/m2).
 
- Minimum straling
De minimum straling in een bepaald tijdvak (10-minuten, uur, dag) betreft de laagste 12 seconde waarde in dit tijdvak (W/m2).
 
- Gemiddelde straling
De gemiddelde straling in een bepaald tijdvak (10-minuten, uur, dag) betreft het gemiddelde van alle metingen in dit tijdvak (W/m2).
 
- Stralingssom
De stralingssom in een bepaald tijdvak (10-minuten, uur, dag) betreft het pro duct van de gemiddelde straling en de duur van dat tijdvak in
seconden, uitge drukt in J/m2, of dit getal gedeeld door 10000 en dan uitgedrukt in J/cm2.
 
Elementcodes (zie handboek H07)
 
Operationele eisen
Globale straling wordt op 33 locaties in Nederland operationeel door het
KNMI gemeten. De stralingscomponenten directe straling, diffuse straling,
UV-A straling (globaal, direct, diffuus) en UV-B straling (globaal, direct,
diffuus) worden alleen in De Bilt operationeel door het KNMI gemeten.
 
De ondergrens met betrekking tot de operationele metingen van bovengenoemde stralingscomponenten wordt bepaald door het feit dat
het in alle gevallen gaat om van bovenaf inkomende straling. Het teken
van de waarde is derhalve altijd positief. De principiële ondergrens is aldus
voor alle metingen 0 W/m2. Geregistreerde negatieve waarden die het
gevolg kunnen zijn van  een instrumentele afwijking worden op 0 gezet.
 
Het vaststellen van de bovengrens van de operationele metingen globale
straling is gebaseerd op de grootste uursom die ooit in De Bilt is
gemeten, te weten 3,3 MJ / m2
 
Naam Ondergrens W/m3 Bovengrens W/m3
  Globale straling   0   2000
  Directe straling   0   2000
  Diffuse straling   0   2000
  UV-A Globale straling   0   16
  UV-A Directe straling   0   16
  UV-A Diffuse straling   0   16
  UV-B Globale straling   0   0,6
  UV-B Directe straling   0   0,2
  UV-B Diffuse straling   0   0,6
 
- Deze waarde correspondeert met een gemiddelde stralings fl ux in dat uurvak van 917 W/m2
- Een meetgrens van 2000 W/m2 voor alle variabelen globale straling kan als veilig worden beschouwd. Dezelfde maximumwaarde kan worden
  gehanteerd voor de meetvariabelen van de compo nenten directe en diffuse straling, welke in dezelfde orde van grootte vallen als de variabelen
  van globale straling.
 
0p grond van de bovengegeven informatiebronnen komen we tot onderstaan de tabel voor het operationeel vereiste meetbereik van stralingscomponenten.
 
Waarneemresolutie in verband met berichtgeving
De vereiste waarneemresolutie mbt gem., max. en min. van de componenten
- globale straling, directe straling, diffuse straling is: 1 W/m2
- globale UV-A straling, directe UV-A straling, diffuse UV-A straling is: 0,01 W/m2
- globale UV-B straling, directe UV-B straling, diffuse UV-B straling is: 0,0001 W/m2
 
Operationeel vereiste nauwkeurigheid
Het WMO geeft geen richtlijnen met betrekking tot de vereiste nauw keurigheid in de berichtgeving van de variabelen gemiddelde, maximum
en minimum van de operationeel gemeten stralingscomponenten.
 
In deze WMO-guide is uitsluitend een eis geformuleerd voor de netto totale straling.  Deze is als volgt:
±5 % op dagsombasis igv dagsom >8 MJ/m2 dag en ±0.4 MJ/m2 dag igv dagsom ≤ 8 MJ/m2 dag
Vereiste waarneemfrequentie
Van alle operationeel gemeten stralingscomponenten worden per 12 seconde de volgende waarden geregistreerd:
SAMPLE: de momentane energieflux (W/m2
MINUUT: de gemiddelde energieflux (W/m2) over de afgelopen 1 minuut.
10GEM: de gemiddelde energieflux (W/m2) over de afgelopen 10 minuten.
MAX: de maximum energiefl ux (W/m2) over de afgelopen 10 minuten.
MIN: de minimum energiefl ux (W/m2) over de afgelopen 10 minuten.
STD: de standaarddeviatie in de energiefl ux (W/m2) over de afgelopen 10 minuten.
Voor alle operationeel gemeten stralingscomponenten worden ieder uur (op  tijdstip 10 minuten voor het gehele uur) de volgende
uurwaarden berekend:
 
- het uurgemiddelde, dit is het (rekenkundig) gemiddelde van de laatste 300 bovengedefinieerde 12 seconde-registraties in (W/m2)
- de uursom, deze is de energiestroom over de afgelopen 1 uur (= 3600 seconde * uurgemiddelde) (J/m2).
 
Van de component globale kortgolvige straling wordt over een waarneemperi ode van 1 etmaal (00-24 UTC) de energiestroom 0ver deze
periode van 24 uur berekend en opgeslagen (J/m2). Deze etmaalwaarde is de som van 24 uur waarden energiestroom.
 
Instrumenten en techniek
 
Techniek en specificaties
Het KNMI gebruikt instrumenten van de fa.Kipp & Zonen B.V. te Delft voor de metingen van de stralingscomponenten. Gedetailleerde instrumentele
specificaties zijn beschreven in de Instruction manuals van fa. Kipp & Zonen, alsmede in de KNMI Technisch Rapporten.De meest relevante specificaties volgen in onderstaande tabel.
 
Component Instrument Instrumentele onzekerheid exl. Zero offset W/m2 Meetbereik  W/m2 Spectraal venster (nm)
  Globale straling   Pyranometer CM11  ± 19   0 - 4000   305 - 2800
  Directe straling   Perhelopmeter CH1  ± 10   0 - 4000   305 - 2800
  Diffuse straling   Pyranometer CM11  ± 7   0- 4000   305 - 2800
  UV-A Globale straling   Radiometer CUVA1   p.m   0 - 20   358 - 378 *
  UV-B Directe straling   Radiometer CUVA2   p.m   0 - 20   358 - 378 *
  UV-A Diffuse straling   Radiometer CUVA1   p.m   0 - 20   358 - 378 *
  UV-B Globale straling   Radiometer CUVB1   p.m   0 - 1,2   304 - 308 *
  UV-B Directe straling   Radiometer CUVB2   p.m   0 - 1,2   304 - 308 *
  UV-B Diffuse straling   Radiometer CUVB1   p.m   0 - 1,2   304 - 308 *
* spectraal venster bestrijkt een groot deel van het spectrale gebied dat behoort bij het betreffende component
 
Opbouw van de CM11 Pyranometer 
 

Pyranometer CM11  op een locatie 
 
De CM11 pyranometers die in het KNMI meetnet operationeel worden gebruikt voor metingen globale c.q. diffuse straling worden niet
geventileerd en zijn niet verwarmd. Onderzoek heeft uitgewezen dat een en ander geen noemenswaardige bijdrage levert aan verbetering
van de meetresultaten. 
 
Onderhoud- en calibratieprocedures 
De meetinstrumenten dienen te voldoen aan de internationale nauwkeurig heidseisen. Hiertoe is periodiek onderhoud nodig, waarbij de
instrumenten door middel van calibratie op meetgebied intervallen worden getoetst en gejusteerd aan de gestelde eisen. Een calibratiecertificaat wordt vastgesteld, waarbij de referentie meetwaarden volledig herleidbaar zijn naar de internationaal erkende standaard van het World Radiation Center WRC in Davos. De KNMI afdeling Insa is verantwoordelijk voor de calibratieprocedures die zijn vastgelegd in het ISO-9001
kwaliteitssysteem van Insa, als onderdeel van de Beheersprocedure preventief onderhoud.
 
Procedures 
 
Procedures bij uitval automatische waarnemingen 
Niet van toepassing, aangezien de waarden globale straling c.q. stralingscom ponenten in de operationele berichtgeving niet real time worden gebruikt . De procedures bij eventuele uitval zijn derhalve gekoppeld aan de validatie van waarden achteraf. 
 
Procedures voor achteraf validatie 
 
Validatie globale straling 
De invoer van data globale straling in het Klimatologisch Informatiesysteem geschiedt op dagbasis en betreft de uurlijkse waarden van het
afgelopen etmaal (uurvakken h = 00 t.m. 23 UTC). Alle nieuw in het Klimatologisch Informatiesysteem ingevoerde waar den globale straling
worden onderworpen aan automatische controleprocedures die in het systeem zijn geprogrammeerd. Het gaat om de volgende procedures
per station 
 
a. Automatische controle van hoge waarden  
Indien de uursomwaarde van globale straling in de betreffende maand de hieronder in de tabel aangegeven waarde (eenheid in tabel: J/cm2)overschrijdt is bedoelde uursomwaarde verdacht: 
 
  Januari:   118    April:  269    Juli:            299    Oktober:    185 
  Februari: 184    Mei:   308    Augustus:   276    November: 114  
  Maart:    225    Juni:   307    September: 232    December:  89 
 
De gegevens zijn ontleend aan ref. 5, en gebaseerd op klimatologische exper tise met betrekking tot extreme waarden globale straling. 
 
b. Automatische controle van nulwaarden 
Indien de uursomwaarde van globale straling in de aangegeven uurvakken (in UTC) per in de tabel aangeduide periode een waarde ≠ 0 J/m2
heeft, is deze uursomwaarde verdacht: 
 
  21 november - 11 januari:  0 - 7 en 17 - 23   1 juni - 19 juli:                          0 - 3 en 22 - 23  
  12 januari - 10 februari:      0 - 7 en 18 - 23    20 juli - 6 augustus:                  0 - 3 en 21 - 23 
  11 februari - 16 februari:     0 - 6 en 18 - 23    7 augustus - 20 augustus:         0 - 4 en 21 - 23 
  17 februari - 13 maart:       0 - 6 en 19 - 23    21 augustus - 8 september:       0 - 4 en 20 - 23  
  14 maart - 25 maart:         0 - 5 en 19 - 23    9 september - 14 september:    0 - 5 en 20 - 23  
  26 maart - 7 april:              0 - 5 en 20 - 23    15 september - 10 oktober:       0 - 5 en 19 - 23 
  8 april - 25 april:                 0 - 4 en 20 - 23    11 oktober - 14 oktober:   0 - 5 en 18 - 23 
  26 april - 3 mei:                 0 - 4 en 21 - 23    15 oktober - 12 november:   0 - 6 en 18 - 23 
  4 mei - 31 mei:                  0 - 3 en 21 - 23    13 november - 20 november:   0 - 6 en 17 - 23 
 
Een verdachte waarde wordt zo mogelijk handmatig vervangen door een alternatieve waarde die kan worden gebaseerd op onder meer: 
-  lineaire interpolatie van aangrenzende (correcte) waarden in de tijdreeks
- ruimtelijke interpolatie op grond van synchrone waarden van 2 of meer  nabije stations
- inschatting van de uurwaarde op grond van de tijdreeksen 10-minuten gegevens. 
 
Validatie overige stralingscomponenten 
De ingevoerde waarden van de overige stralingscomponenten betreft alleen het station De Bilt en worden niet onderworpen aan automatische controle procedures. Hierbij wordt met name gecontroleerd of per component voldaan is aan het rondreken criterium:
globaal = diffuus + direct x sinus zonshoogte. 
 
Procedures voor inspectie 
 
Inspectie metingen van globale straling 
Iedere locatie waar operationele metingen van globale straling plaatsvinden, wordt gemiddeld één maal per jaar geïnspecteerd door een stationsinspecteur. Tevens kan op verzoek van de KNMI of de afdeling stationsonderhoud een extra tussentijdse inspectie plaatsvinden,
indien de validatie van de data daartoe aanleiding geeft.  
 
Bij voorkeur vindt inspectie plaats: 
- In het geval van de plaatsing van de opstelling plus stralingsensor op een nieuw meetstation c.q. verplaatsing van de opstelling plus sensor
  op een bestaand meetstation.
- Bij vervanging van de sensor. 
 
De inspectie van de metingen van globale straling omvat in principe de volgende controles.
1: Controle op het waterpas zijn van het instrument en zonodig corrigeren. 
2: Controle of de glazen bol van het instrument schoon is; zo nodig schoon maken, c.q. zorg dragen voor vervanging; de beheerder
    aanspreken over zijn taak.
3: Controle of de draden rond het instrument ter afstoting van vogels optimaal gespannen zijn; zo nodig vervangen. 
4: Controle of de ijktermijn van het meetinstrument nog niet is verlopen; is dit het geval dan zal er een uitwisseling plaatsvinden. 
5: Gemiddeld éénmaal per 2 jaar met behulp van een theodoliet de horizon bekijken en schetsen op een zonnebaandiagram. 
6: Een visuele beoordeling of de opstelling en de meetomstandigheden, inclusief de omgeving aan de gestelde condities voldoen.
    Afhankelijk van de situatie beoordeelt Stationinspecteur welke correctieve acties ondernomen dienen te worden om een en ander te
    herstellen conform de operationele eisen. De acties kunnen variëren van een verzoek aan de beheerder van het betreffende waarneem-
    terrein tot aanpassing van de terreinsituatie tot de start van een procedure om een nieuw waarneemterrein te zoeken.
 
Inspectie overige stralingscomponenten 
De instrumenten voor de metingen van de overige stralingscomponenten de directe kortgolvige straling, diffuse kortgolvige straling, globale
UV-A straling, directe UV-A straling, diffuse UV-A straling, globale UV-B straling, directe UV-B straling, diffuse UV-B straling) zijn geplaatst op
een platform op het dak van het B-gebouw van het KNMI in De Bilt. Hoogte instrumenten ten opzichte van maaiveld: 22,5 meter. Bij de
metingen van diffuse straling en directe stra ling van alle componenten is de instelling van de meetinstrumenten afhan kelijk van de plaats van
de zon. Hiertoe zijn de betreffende instrumenten gemonteerd op een zonnevolger (merk Sci-Tec). De inspectie van de betreffende instrumenten, alsmede van de meetopstelling en van de zonnevolger geschiedt thans onder verantwoordelijkheid van de afdeling meetsysteem beheer.
 
Afgeleide grootheden 
 
Bepaling zonneschijnduur uit 10’-waarden globale straling 
Op alle stations waar globale straling wordt gemeten, wordt ook de zonne schijnduur bepaald. De berekening hiervan geschiedt met behulp van
een algoritme, het zogeheten Algoritme Slob. De invoerdata in dit algoritme zijn per 10’-tijdvak de 10’ waarden maximum, minimum en
gemiddelde globale straling, alsmede de berekende 10’- waarde extraterrestische straling (dus zonnestraling aan de rand van de aardatmosfeer),
en de bij het 10’-tijdvak behorende gemiddelde zonshoogte. Het algoritme wordt beschreven in hoofdstuk 8, Zonneschijnduur.
 
Referentie gewasverdamping volgens Makkink 
De waarde van de referentie gewasverdamping wordt berekend met behulp van de zogeheten formule Makkink. De formule wordt beschreven
in hoofdstuk 10, Verdamping. Een van de basis invoergegevens in de formule Makkink is de etmaalsom globale kortgolvige straling.  
 
Opstellingseisen en omgevingscondities 
 
Globale straling 
De CM11-sensoren voor de metingen globale straling worden gemonteerd op een vertikaal statief en bevinden zich op een hoogte van 1,5 m
boven vlak ter rein, in principe kortgemaaid gras. Er zijn in de omgeving van de meetlocatie geen obstakels die 5 graden of meer uitsteken
boven de horizon bekeken van uit de sensor. In de directe omgeving van de meetlocatie, dat wil zeggen bin nen een straal van 200 meter vanaf
de sensor, bevinden zich geen obstakels van welke aard dan ook die door uitstraling de metingen kunnen beïnvloeden. Het horizontale vlak van
de instrumenten voor de metingen globale straling is waterpas. 
 
De glazen bollen van de instrumenten zijn vrij van stof en rijpaanslag.
De beheerder van het meetterrein heeft in principe dagelijks toezicht en
draagt zorg voor het schoon zijn van de instrumenten. Rond het instrument
zijn ter afstoting van vogels draden gespannen. 
 
Overige stralingscomponenten 
Voor de overige stralingscomponenten (directe kortgolvige straling, diffuse
kortgolvige straling, globale UV-A straling, directe UV-A straling, diffuse UV-A
straling, globale UV-B straling, directe UV-B straling, diffuse UV-B straling),
die alleen in De Bilt operationeel worden gemeten, geldt als basisvoorwaarde
dat in het hemelgewelf vanaf 5 graden boven de horizon de lijn tussen de zon
en de meetlocatie ( dit is het platform op het dak van het B-gebouw van het
KNMI) niet wordt onderbroken door een obstakel.

De instrumenten voor de metingen zijn gemonteerd op een plateau van de zonnevolger, dat waterpas is. Hoogte plateau: 20,97 meter ten opzichte
van maaiveld. De instrumenten voor de metingen directe straling (incl. UV-componenten) zijn door een mechanisme in de zonnevolger te allen tijde
op het middelpunt van de zon gericht, dat wil zeggen in de periode dat de
zon boven de horizon staat. Het zelfde mechanisme draagt er zorg voor
dat de instrumenten voor de metingen diffuse straling (incl. UV-componenten) zich te allen tijde in de schaduw van een bol bevinden die op de volger is gemonteerd. 
 
Zonnevolger De Bilt  (foto: Willem Hovius)


      Bronnen: KNMI handboek waarnemen hoofstuk-7 - Versie 2000  
      Categorieën: Handboek waarnemen  I  Meteorologische instrumenten  I  Weer A tot Z  
 
Web Design