黃 維，董德保，沈玉亮

(1.安徽省大氣探測技術(shù)保障中心，合肥 230031；2.休寧縣氣象局，休寧 245400)

0 引言

日照對于地球萬物的生長有著極其重要的作用[1]，地球接收到的太陽輻射是推動地球上物理過程和生物過程的主要能量來源。而地理位置則是影響太陽輻射強度的重要因素之一，不同地理位置在海拔和地形等因素的影響下，太陽照射的面積和方向都存在很大的差異，檢測不同地理位置的日照量對于很多領(lǐng)域的發(fā)展都有著重要的指導(dǎo)意義。

探測手段的客觀化及探測方法的自動化是氣象探測技術(shù)的發(fā)展方向。近年，國內(nèi)外研發(fā)了很多自動觀測日照的設(shè)備，楊召瓊[2]對人工觀測和CSD1型自動日照計的觀測數(shù)據(jù)進行對比分析，結(jié)果表明人工觀測與自動觀測所得到的日照時數(shù)之間具有很好的相關(guān)性，同時也有一定的差異；呂文華[3]等通過對各種光電式自動日照計的數(shù)據(jù)進行對比分析，發(fā)現(xiàn)CSD3型自動日照計性能相對更好。

休寧縣氣象局2018年底裝備自動日照計，并開始日照的平行觀測，至2019年8月正式啟用自動日照計代替人工觀測。其中人工觀測通過暗筒式日照計進行觀測，自動觀測則是采用光電式數(shù)字日照計進行觀測。光電式數(shù)字日照計能夠?qū)崿F(xiàn)日照的自動連續(xù)觀測，提高了日照測量精度，為天氣預(yù)報、氣象情報、氣候分析、科學(xué)研究和氣象服務(wù)提供了重要依據(jù)。文章旨在分析自動與人工2種不同觀測方式下的日照觀測數(shù)據(jù)的差異及其原因，為相關(guān)研究和應(yīng)用提供借鑒與參考。

1 設(shè)備原理

1.1 暗筒式日照計測量原理

暗筒式日照計又稱為喬唐式日照計，由金屬圓筒(底端密閉，筒口帶蓋，兩側(cè)各有1個進光小孔，筒內(nèi)附有壓紙夾)、隔光板、緯度盤和支架底座等構(gòu)成。筒的一端密閉，另一端裝有圓蓋，筒身兩側(cè)各有1個圓錐形進光小孔，兩孔位置前后錯開。筒的上部有1塊隔光板，用于使上下午的日光分別進入孔內(nèi)，筒內(nèi)有1個彈性金屬壓紙夾，用于固定記錄紙。光線透過儀器上的小孔射入筒內(nèi)，使涂有感光藥劑的記錄紙上留下感光痕跡線，照射過的記錄紙經(jīng)清水漂洗后，即能觀測日照的起止時間及日照時數(shù)。

1.2 光電式日照計測量原理

光電式數(shù)字日照計主要由光電式數(shù)字日照傳感器、數(shù)據(jù)處理單元、供電單元、通信單元和安裝附件等組成。其中光電式數(shù)字日照傳感器包括光學(xué)鏡筒、光電探測器、遮光筒、信號處理電路和防霜露加熱器等，其主要運用天穹分割原理進行日照時數(shù)的測量。

光電式數(shù)字日照計的核心部件是日照傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，傳感器內(nèi)部的3個光電感應(yīng)器D1，D2，D3分別安置于同一軸線上，并通過遮光組件的入射窗W1和W2對入射到D2和D3上的輻射進行角度約束。其中光電感應(yīng)組件D1可以在360°的環(huán)形范圍內(nèi)接收太陽輻射，所以太陽處于任意位置時，D1都能接收到太陽總輻射，包括太陽直接輻射和天空散射輻射，D2和D3由于遮光罩的特殊結(jié)構(gòu)，只能以相同的張角分別接收環(huán)形范圍內(nèi)不同方向上的輻射，從而保證在任意時刻，太陽只能照射到D2和D3中的一個，另一個則會被遮蔽，從而可以測量太陽散射輻射。

D1光電感應(yīng)組件測量的信號SD1表征為直接輻射和散射輻射總和，而D2和D3光感應(yīng)組件所測量的SD2和SD3中的較小值則表征散射輻射，SD1減去SD2和SD3中較小值可以得到太陽直接輻射。

光電感應(yīng)器中裝有光電二極管和余弦校正器，光電二極管的核心部分是一個PN節(jié)，為了方便接收光照，在光電二極管的外殼上有一個玻璃窗口。在沒有接收到光照的情況下，因熱效應(yīng)產(chǎn)生微小的暗電流流經(jīng)PN節(jié)，當太陽輻射經(jīng)過余弦校正器后照射到光電二極管上，光子的能量被吸收，將二極管半導(dǎo)體材料中的空穴和電子載流子激發(fā)到導(dǎo)態(tài)，從而在二極管內(nèi)部形成內(nèi)電場。在內(nèi)電場的作用下，載流子加速向二極管的兩端運動，實現(xiàn)光照強度信號向電流信號的轉(zhuǎn)換，經(jīng)過采樣電路后，電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，總光照強度電壓信號和散射光照強度電壓信號在差分放大電路的作用下被差分放大，放大后的信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后到達微處理器。當放大信號達到120 mV時，表明太陽直接輻射達到120 W/m2，這也是氣象上規(guī)定的日照閾值，此時閾值開關(guān)電路導(dǎo)通，處理器開始記錄日照時間。

圖1 光電式數(shù)字日照計測量原理

光電二極管的光信號轉(zhuǎn)向電信號的效率受制于PN節(jié)和入射光的波長，波長越長，激發(fā)的載流子深度也就越大。PN節(jié)的薄厚決定了對于不同波長入射光的轉(zhuǎn)換效率，較寬的PN節(jié)更容易轉(zhuǎn)換長波的入射光；反之，短波的入射光則需要薄型PN節(jié)。光電二極管對于一定波長入射光的轉(zhuǎn)換可以表示為：

ip=r??e

(1)

式中，r?表示光電二極管的通量響應(yīng)率；?e表示輻射通量功率。光電二極管內(nèi)的各個區(qū)域會吸收特定波長的入射光，短波的光會被位于表面的P區(qū)擴散層吸收。與此同時，被光照激發(fā)的少量載流子在運動到空間電荷區(qū)時，會在內(nèi)電場的作用下，向N區(qū)運動。波長較長的光無法被P區(qū)擴散層吸收，會穿過表層，在空間電荷區(qū)激發(fā)大量的電子空穴對，在耗盡層內(nèi)電場的作用下，載流子分別向P區(qū)和N區(qū)運動。波長更長的光會直接穿過P區(qū)和耗盡層，被N區(qū)所吸收。在N區(qū)被激發(fā)的載流子當運動到耗盡層邊界時，受內(nèi)電場的影響，向P區(qū)移動。各個部分產(chǎn)生的電流共同組成了光電二極管由光信號轉(zhuǎn)換成的電流信號。

2 資料分析

2.1 月日照總數(shù)統(tǒng)計

由12月—次年7月的人工和自動日照時數(shù)可以看出二者整體上均呈現(xiàn)冬季少、夏季多的趨勢。這是由于冬季以陰雨天氣為主，夏季晴朗天氣居多，并且太陽直接輻射度從冬季到夏季不斷增強。其中2月和6月受連續(xù)陰雨天氣的影響，日照時數(shù)存在異常偏少的現(xiàn)象。對比人工和自動觀測的月日照時數(shù)得出，自動觀測日照時數(shù)明顯多于人工觀測。

2.2 逐月日照時數(shù)分析

將12月—次年7月的自動觀測與人工觀測的數(shù)據(jù)按月統(tǒng)計，并計算二者間的差值，可以得出，整體上自動觀測和人工觀測的數(shù)據(jù)都處于遞增的趨勢，對比可知自動觀測數(shù)據(jù)明顯高于人工觀測數(shù)據(jù)。且二者差值呈現(xiàn)冬季小、夏季大的趨勢。

2.3 逐日日照時數(shù)差異分析

將12月—次年7月的自動觀測和人工觀測的數(shù)據(jù)按日統(tǒng)計，對人工與自動觀測的日照數(shù)據(jù)進行線性回歸分析，通過計算得出日照時數(shù)間的相關(guān)系數(shù)為0.9844，其回歸方程為：

sr=sz×1.004-1.992

(2)

式中，sr和sz分別為人工與自動觀測逐日日照時數(shù)(單位：0.1 h)。

從圖2可以看出，自動和人工觀測數(shù)據(jù)整體上具有較好的一致性，自動觀測日照時數(shù)較人工觀測偏高，個別情況下，人工觀測日照數(shù)據(jù)為0，而自動觀測日照數(shù)據(jù)在0～2 h。此種差異的形成是由于人工和自動觀測兩種不同儀器的感光閾值不同，光電式日照計相較于暗筒式日照計更加敏感，所以在光照強度較弱的天氣中，太陽輻射強度沒有達到暗筒式日照計的感光閾值，但光電式日照計卻可以記錄下日照[4，5]。

圖2 自動和校正前人工觀測日照時數(shù)散點分析

對日照數(shù)據(jù)進行篩選，將自動觀測和人工觀測均沒有日照的天數(shù)剔除，然后將自動和人工觀測日照時數(shù)的差值以0.1 h為間隔進行分段概率統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果顯示，二者的差值絕大多數(shù)為正值，負值所占的百分比只有15.23%，差值在-0.2～0.2 h的數(shù)據(jù)僅占 33.11%，此外有3.97%的數(shù)據(jù)差值超過了2 h。

為了更好地分析自動觀測和人工觀測日照逐日數(shù)據(jù)的差異性，定義相對差值為自動日照時數(shù)減去人工日照時數(shù)，所得的差值除以人工日照時數(shù)，即：

(3)

將自動和人工觀測日照數(shù)據(jù)相對差值以5%為間隔進行分段概率統(tǒng)計，結(jié)果顯示，相對差值集中分布在-10%～10%，所占百分比達到了56.95%，相對差值大于50%的數(shù)據(jù)僅占9.93%，表明大部分觀測數(shù)據(jù)的誤差很小。

3 差異分析

文章對休寧縣氣象站2018年12月—2019年7月的自動觀測和人工觀測日照時數(shù)進行對比分析，結(jié)果表明，逐日日照數(shù)據(jù)自動觀測比人工觀測平均偏多0.52 h，但同時有15.23%的自動觀測數(shù)據(jù)少于人工觀測；逐月日照數(shù)據(jù)自動觀測均多于人工觀測，二者間的差值總體上呈現(xiàn)冬季小、夏季大的趨勢，造成差異的原因有以下幾種：

3.1 感光閾值

根據(jù)張緯敏[6]的研究，晴朗天氣時暗筒式日照計在120～300 W/m2的太陽直接輻射度才會產(chǎn)生感光跡線，而地平線渾濁時，需要達到130～145 W/m2才出現(xiàn)感光跡線。而對于光電式日照計而言，當直接輻射達到閾值120 W/m2時便會輸出日照信號，相比之下，自動日照計呈現(xiàn)日照數(shù)據(jù)出現(xiàn)早、結(jié)束晚的現(xiàn)象，使得自動觀測日照數(shù)據(jù)相對人工觀測偏多。

3.2 分辨力

在多云天氣條件下，由于太陽位置的變化以及云的移動，會經(jīng)常出現(xiàn)太陽被遮擋的現(xiàn)象，造成地面日照時有時無。對于這種情況，光電式日照計由于其時間分辨力為1 min，會記錄下太陽被遮擋超過1 min的變化；而對于暗筒式日照計而言，日照紙上記錄的最小刻度為0.1 h，即6 min，無法反映6 min以內(nèi)的變化，呈現(xiàn)的結(jié)果是1條濃淡不一但連續(xù)的感光跡線。所以在多云天氣條件下，當太陽被云層遮擋1～6 min時，光電式日照計記錄無日照，而暗筒式日照計記錄有日照，導(dǎo)致人工觀測日照時數(shù)多于自動觀測[7]。

3.3 衰減作用

光電式日照計的接收窗內(nèi)附有吸光漆涂層，用于吸收反射輻射，從而減小誤差，但由于實際情況，吸光漆的吸光率并不能達到100%。并且在長時間的使用后，暴曬導(dǎo)致吸光漆老化，吸光率進一步下降，通常會有25%左右的反射率，造成在正午前后，當太陽直射在接收窗內(nèi)壁時，吸光漆無法完全吸收反射輻射，導(dǎo)致接收到的反射輻射偏大，輸出的直接輻射偏小，從而出現(xiàn)直接輻射衰減的現(xiàn)象。根據(jù)楊海行[8]的研究，衰減作用具有明顯的時間分布規(guī)律，在正午時刻衰減作用最強，上下午時刻較弱，并且呈一定的對稱分布。

晴朗天氣時中午的直接輻射度很高，即便衰減后直接輻射度依然能達到閾值，所以不會影響日照時數(shù)的累積。在多云或陰天時，正午直接輻射度較弱，衰減后的直接輻射度會低于閾值，使得日照時數(shù)偏少，所以光電式日照計的衰減作用在晴朗天氣下影響不大，在多云、陰天或太陽直接輻射度不強的天氣時，衰減作用的影響較大。

3.4 主觀誤差

人工觀測需要在換下日照紙后，由觀測員按照感光跡線手動描畫，然后計算日照時數(shù)。在手動描畫的過程中會出現(xiàn)兩種誤差：一是當感光跡線為一條時斷時續(xù)的線時，可能會被描畫成連續(xù)的直線，使得人工觀測日照時數(shù)偏多；二是當感光跡線存在但不明顯時，可能會被遺漏，造成人工觀測日照時數(shù)偏少。

此外，暗筒式日照計需要每天及時更換涂抹好感光藥品的日照紙，因此感光藥品的質(zhì)量和觀測員的涂抹技巧都會對日照紙的質(zhì)量產(chǎn)生影響，進而影響人工觀測的日照數(shù)據(jù)。并且在更換日照紙時，日照紙的擺放位置、暗筒內(nèi)是否有積水、圓蓋是否完全密閉以及浸泡日照紙的時間長短都是決定日照數(shù)據(jù)是否準確的重要因素。因此，人工觀測數(shù)據(jù)的主觀性很大，對于觀測員的操作要求很高。

3.5 余弦特性

余弦特性指的是儀器所接收到的光信號數(shù)值與入射光的角度存在余弦關(guān)系，接收到的太陽輻射強度小于實際的太陽輻射強度，故余弦特性也是影響日照數(shù)據(jù)準確性的重要因素之一。光電式日照計中的光電感應(yīng)器里裝有余弦校正器，能夠在一定程度上消除余弦特性引起的誤差；而暗筒式日照計則受余弦特性影響很大。

4 余弦校正

由于暗筒式日照計的余弦特性對人工觀測日照數(shù)據(jù)影響很大，故對人工觀測日照數(shù)據(jù)進行余弦校正，以減小余弦誤差[9-11]。

假設(shè)太陽輻射垂直入射到面積為S的接收面時，產(chǎn)生的太陽輻射為E；當太陽輻射以h的太陽高度角入射到接收面時，產(chǎn)生的太陽輻射為E1，二者之間存在以下關(guān)系：

E1=E×sinh

(4)

假定1 d內(nèi)日出時間為a，此時輻射強度為0 W/m2；按規(guī)定標準強度日照出現(xiàn)時間為b，此時輻射強度為120 W/m2；暗筒式日照計記錄的日照開始時間為c，此時輻射強度為(120/sinh) W/m2。1 d內(nèi)，太陽輻射強度從日出時由0開始增大，一般在正午12：00左右達到最大值，隨后逐漸減小為0。將1 d內(nèi)太陽輻射強度隨時間的變化近似為成正比，則可以得出式(5)：

(5)

根據(jù)式(5)對2018年12月—2019年7月休寧地區(qū)所有晴天的人工觀測數(shù)據(jù)進行余弦校正后，與光電式日照計觀測數(shù)據(jù)進行對比，結(jié)果如表1所示。

將余弦校正前的自動與人工觀測數(shù)據(jù)差值同校正后的差值對比分析。通過對比發(fā)現(xiàn)，兩種觀測數(shù)據(jù)差值明顯減小，出現(xiàn)了人工觀測數(shù)值大于自動觀測的現(xiàn)象，并且，二者間差值同樣符合冬季小、夏季大的特點。

表1 自動人工月日照總數(shù)統(tǒng)計 0.1 h

將校正后的人工觀測數(shù)據(jù)和自動觀測數(shù)據(jù)按日統(tǒng)計，對其進行線性回歸分析，結(jié)果如圖3所示，計算后得出日照時數(shù)間的相關(guān)系數(shù)為0.9899，其回歸方程為：

sr=sz×0.938-0.829

(6)

與校正前相比，修正后兩種數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)有所增大，二者間的相關(guān)性更強。

圖3 自動和校正后人工觀測日照時數(shù)散點分析

對校正前后自動和人工日照時數(shù)的差值以0.1 h為間隔進行分段概率統(tǒng)計，從差值分布發(fā)現(xiàn)，校正前二者差值大多為正值，占比74.77%，校正后負值占比明顯增加，二者的差值分布相對更平均，正負值占比分別為51.6%和38.6%。校正后差值在-0.2～0.2 h的數(shù)據(jù)達到了45.7%，相比于校正前的33.11%明顯提高，此外僅有1.99%的數(shù)據(jù)差值超過了2 h，比校正前的3.97%有所減小。從差值的分布來看，兩種觀測數(shù)據(jù)間的差異相較于校正前顯著減小，相關(guān)性更強。

將校正前后自動和人工觀測日照數(shù)據(jù)相對差值以5%為間隔進行分段概率統(tǒng)計可知，校正后相對差值分布集中在-10%～10%，所占百分比達到了67.54%，相較于校正前的56.95%有所增大，相對差值大于50%的數(shù)據(jù)占比7.28%，同校正前的9.93%相比有一定的減小。從相對差值的分布來看，校正后兩種數(shù)據(jù)的相關(guān)性更強。

5 結(jié)束語

文章通過對休寧國家氣象站自動觀測和人工觀測日照數(shù)據(jù)的對比分析，得出以下結(jié)論：

1)整體上自動觀測數(shù)據(jù)明顯多于人工觀測日照數(shù)據(jù)，平均偏多0.52 h，但兩者之間的相關(guān)系數(shù)為0.9844，具有較好的一致性；

2)自動觀測和人工觀測的差異性來源很多，兩種觀測儀器的感光閾值、分辨力、余弦特性以及光電式日照計的衰減作用和人工觀測的規(guī)范性都是造成數(shù)據(jù)誤差的重要因素；

3)對人工觀測數(shù)據(jù)進行余弦校正后，差值集中分布在-0.2～0.2 h，相對差值在-10%～10%的數(shù)據(jù)達到了67.54%，兩種數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)達到了0.9899，相關(guān)性更強。